Digestion anaérobie de la phase aqueuse de la carbonisation hydrothermale des déchets solides municipaux mixtes

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10 janvier 2022

L'augmentation de la production d'énergie renouvelable, combinée à l'idée des déchets comme source potentielle de sous-produits utiles, peut conduire à une gestion plus durable et plus respectueuse de l'environnement des déchets solides municipaux (DSM).

 

By Kameron J.Adams

Département de génie civil et environnemental, Old Dominion University, Norfolk, États-Unis

et Ben Stuart

Département de génie civil et environnemental, Old Dominion University, Norfolk, États-Unis

et Sandeep Kumar

Laboratoire de Recherche sur la Biomasse (BRL), Pôle Energie BCET


 

Abstrait

 

En 2017, l'Environmental Protection Agency (EPA) des États-Unis a signalé que les Américains généraient plus de 268 millions de tonnes de déchets solides municipaux (MSW). La majorité (52 %) de ces déchets finissent dans les décharges, qui sont la troisième source d'émissions anthropiques de méthane. Des améliorations en termes de gestion des déchets et de production d'énergie pourraient être résolues en intégrant le traitement des DSM avec la carbonisation hydrothermale (HTC) et la digestion anaérobie (AD) pour convertir le carbone organique des DSM en combustibles.

 

Les objectifs de cette étude étaient (a) d'étudier les expériences HTC à différentes températures et temps de séjour (b) d'évaluer les propriétés de la phase aqueuse et des solides, et (c) d'effectuer un test en bouteille à l'échelle AD sur la phase aqueuse. Un mélange de différentes matières premières représentant MSW a été utilisé. Le HTC à 280 °C et 10 min a donné le carbone organique total (COT) le plus élevé de 8.16 g/L avec des rendements en biogaz de 222 ml de biogaz/g de COT. Les résultats ont montré que l'AD de la phase aqueuse à partir d'une matière première mixte MSW est réalisable. L'approche intégrée montre une récupération de carbone organique de 58% (hydrochar et biogaz). Cette étude est la première du genre à étudier les variations de température et de temps pour une matière première hétérogène (MSW mixtes), et à évaluer spécifiquement la biodégradabilité anaérobie en phase aqueuse de HTC MSW.

 

1. Introduction

 

En 2017, l'Environmental Protection Agency (EPA) des États-Unis a signalé que les Américains généraient plus de 268 millions de tonnes de déchets solides municipaux (MSW) ; 52 % (enfouis), 13 % (incinérés) et 35 % (recyclés/compostés) [1]. Les décharges de DSM sont la troisième source d'émissions anthropiques de méthane qui ont 23 fois plus de potentiel de piégeage des gaz à effet de serre que le CO2. Des améliorations en termes de gestion des déchets et de production d'énergie pourraient être résolues en intégrant le traitement des DSM à la carbonisation hydrothermale (HTC) et à la digestion anaérobie (AD) pour réduire les déchets vers les décharges et maximiser la récupération du carbone organique et des ressources.

 

Le HTC est défini comme la déshydratation et la décarboxylation combinées d'une matière première organique sous eau sous-critique/milieu hydrothermal pour enrichir sa teneur en carbone, la rendant comparable aux pouvoirs calorifiques du charbon bitumineux (24-27 MJ/kg). La littérature rapporte des conditions de fonctionnement de HTC allant de 180 °C à 320 °C sur la base de différentes matières premières qui produisent trois produits principaux et des rendements de produits moyens ; hydrochar « charbon vert » (45 à 70 %), phase aqueuse (5 à 25 %) et gaz majoritairement CO2 (2–5 %) [2]. HTC est observé comme une technique évolutive pour convertir la biomasse humide (par exemple, MSW) en combustibles solides riches en carbone. Le HTC offre de nombreux avantages en tant que l'un des procédés les plus efficaces pour la fixation du carbone dans les combustibles solides pour une matière première humide en un temps de séjour court ; cependant, la récupération de chaleur et le recyclage en phase aqueuse (avec 20 à 45 % de carbone organique total (COT)) sont essentiels à la faisabilité énergétique de ses déchets.

 

Études précédentes [2,3,4,5,6] ont montré que la phase aqueuse de HTC peut être amendable pour un traitement biologique ultérieur, tel que la MA. Une étude récente qui a utilisé HTC d'ensilage de maïs suivi d'AD de la phase aqueuse (sans aucun prétraitement) a atteint 16.3 L CH4/Kg de matière fraîche humide, prouvant en outre que la phase aqueuse a beaucoup de potentiel pour des rendements de biogaz plus élevés [4]. Un autre groupe [3] ont réalisé des expériences de HTC par lots en utilisant des résidus agricoles comme matière première ; et le potentiel de biogaz calculé pour l'eau de traitement résultante (phase aqueuse) après HTC. Pour la phase aqueuse, ils ont signalé le COT (12 à 26 g/L) et le pH (3 à 5), soutenant l'idée que la phase aqueuse a un grand potentiel pour un traitement ultérieur avec AD.

 

Cependant, les études de recherche sur la biodégradabilité anaérobie de la phase aqueuse de HTC MSW n'ont pas été réalisées [2]. Il existe plusieurs composés chimiques présents dans la phase aqueuse du HTC tels que les acides organiques (par exemple, l'acide lactique et l'acide acétique), les aromatiques et les composés phénoliques [7]. Certains de ces composés pourraient potentiellement être récupérés en tant que sous-produits ou traités davantage après des prétraitements pour augmenter les rendements en biogaz. Les systèmes AD à l'échelle nationale devraient réduire la consommation d'énergie cumulée de près de 15 millions de T/J et les émissions de GES de 7.2 milliards de tonnes de CO2 plus de 50 ans et ont été utilisés pour traiter les MSW ; cependant, ils ne sont pas à grande échelle aux États-Unis en raison de la faisabilité économique et des inconvénients, y compris des semaines voire des mois de temps de rétention des solides pour la production d'énergie de biogaz [8].

 

Il y a eu moins d'études menées sur les flux de déchets complexes pour une gestion durable des déchets, mais HTC offre un moyen innovant de traiter les matières premières MSW qui contiennent une humidité élevée et une teneur élevée en carbone. Bergé et al. a étudié le HTC de MSW car peu de travaux ont été réalisés pour explorer la carbonisation de ces flux de déchets complexes afin d'évaluer le HTC en tant que technique de gestion des déchets durable. Le but de leur étude était de déterminer la faisabilité de la carbonisation hydrothermale des flux de déchets municipaux modèles, en particulier ceux qui seraient généralement envoyés à la décharge. Leurs objectifs comprenaient l'évaluation des implications environnementales associées à la carbonisation de flux de déchets municipaux représentatifs, l'évaluation des propriétés de l'hydrochar et la détermination de l'énergétique de carbonisation associée à chaque flux de déchets. Une découverte majeure était que 20 à 37 % du carbone initial a été transféré à la phase aqueuse après HTC de la charge d'alimentation MSW mixte, qui peut être récupérée pour l'énergie ; cependant, dans leur étude, les expériences de carbonisation n'ont pas été optimisées, et la phase aqueuse n'a pas été testée pour la digestibilité [2].

 

Les avantages de l'utilisation du HTC par rapport aux méthodes conventionnelles de gestion des déchets incluent l'absence de séparation requise des matières premières, les matières premières humides peuvent être utilisées sans séchage, et en utilisant des températures plus basses et moins d'énergie par rapport à d'autres traitements thermiques tels que l'incinération et la pyrolyse. Il a été démontré que le temps de résidence AD ​​de la phase aqueuse est plus rapide que la digestion conventionnelle des solides (MSW organiques) [9]. L'importance de cette recherche est d'actualité en termes de gestion des déchets solides et de valorisation énergétique des déchets. HTC à l'échelle commerciale est une industrie émergente avec trois usines opérationnelles à grande échelle dans le monde ; la manipulation de la phase aqueuse est un facteur important en termes de mise à l'échelle HTC pour des pratiques de gestion durable des déchets [10]. S'il s'avère que ce processus intégré proposé (HTC + AD) utilisant les DSM est réalisable sur le plan techno-économique, cela pourrait être monumental en termes d'atténuation de nombreux problèmes environnementaux associés à l'incinération et à la mise en décharge classiques, tels que la pollution de l'air, la pollution des eaux souterraines et la mise en décharge limitée. espace.

 

Pour comprendre spécifiquement la composition du produit après HTC de MSW mixtes, et la biodégradabilité en phase aqueuse de HTC MSW tout en s'appuyant sur certains des travaux effectués par Berge et al., le but de cette étude particulière était (a) d'étudier des expériences de carbonisation à différentes températures (250 , 280, 310 °C) et les temps de séjour (10 min, 1 h, 6 h) (b) évaluer les propriétés de la phase aqueuse et de l'hydrochar (c) effectuer un test en bouteille AD à l'échelle du banc sur la phase aqueuse pour générer des données expérimentales sur les rendements en biogaz pour comprendre la biodégradabilité (Figure 1). Il existe de nombreuses études sur le traitement hydrothermal d'une matière première de biomasse homogène (eg, herbes, bois, aliments) et quelques études combinant HTC et AD [3,4,9,11,12,13]. Cette étude est la première du genre à étudier des températures et des durées variables pour une matière première hétérogène telle qu'un modèle de MSW mixte qui irait généralement à la décharge, et à évaluer davantage la biodégradabilité anaérobie en phase aqueuse de HTC MSW.

 

Figure 1: Diagramme schématique du flux de processus global.

 

Diagramme schématique du flux de processus global.

 

2. Matériaux et méthodes

 

2.1. Matières premières

 

Un mélange de composition connue (papier, plastique, métal, verre, nourriture) représentant des déchets qui vont généralement à la décharge a été créé pour la matière première du HTC (base % en poids). Un MSW mixte a été simulé en utilisant les matériaux suivants, et de l'eau déminéralisée (DI) a été ajoutée au mélange pour obtenir une concentration en solides de 20 % en poids ; 45.5 % papier (papier de bureau déchiqueté), 9.6 % verre (bouteilles en verre broyé), 16.4 % plastique (bouteilles plastique broyées), 17.6 % nourriture (granulés de nourriture pour lapins), 10.9 % métal (canettes en aluminium broyées) [2].

 

2.2. Expériences de carbonisation hydrothermale

 

L'HTC de la charge d'alimentation MSW mélangée a été réalisée en utilisant un réacteur discontinu à haute pression de 500 ml (Série PARR 4570). La littérature rapporte des conditions HTC allant de 180 à 320 °C et des temps de séjour allant de 5 min à 12 h [14]. Les conditions de procédé suivantes (250, 280, 310 °C) et (10 min, 1 h et 6 h) ont été choisies sur la base des températures HTC inférieures (250 °C) et élevées (310 °C) avec une plage courte, moyenne et temps de séjour de longue durée, pour comparer les produits finaux HTC MSW et la distribution du carbone.

 

Une fois que la matière première de simulation MSW mixte a été réalisée et que de l'eau DI a été ajoutée pour 20 % en poids de solides, l'expérience a été menée à 250, 280, 310 °C pendant 10 min, 1 h et 6 h en triple. Il convient de noter que 310 °C n'a été exécuté que pendant 10 min et 1 h. Le procédé comprenait une phase de chauffage, une phase de réaction (lorsque les conditions sous-critiques et la température souhaitée étaient remplies) et une phase de refroidissement. Après avoir maintenu la température et la durée souhaitées dans des conditions de pression autogène, le réacteur a été rapidement refroidi aux conditions ambiantes en utilisant de l'eau à travers un serpentin de refroidissement. Après que la réaction ait eu lieu, le mélange résultant a été placé dans un bêcher et le pH de la phase aqueuse a été mesuré. Le mélange de produits a été filtré sous vide (1.5 pm, filtres en microfibres de verre Whatman 47 mm). Par la suite, les solides ont été placés dans le four à 105 °C pendant 24 h pour éliminer l'humidité et la phase aqueuse a été mesurée et stockée au congélateur (4 °C) pour une analyse plus approfondie.

 

2.3. Digestion anaérobique

 

Méthodes et appareils d'essai

 

La DA a été réalisée à l'aide d'un test en bouteille batch et les rendements en biogaz ont été mesurés par déplacement d'eau. Les cylindres gradués ont été inversés dans des bacs de 45 L (Sterilite) remplis d'eau et la production de gaz a été contrôlée quotidiennement en ml de biogaz produit. Les cinq phases aqueuses HTC MSW suivantes ont été utilisées pour l'analyse ; 250 °C (10 min, 1 h), 280 °C (10 min, 1 h), 310 °C (1 h) ; chaque condition a été réalisée en triple. Pour la MA, une moyenne de 1 g de demande chimique en oxygène (DCO) (~0.3 g de COT) a été ajoutée aux bouteilles et 400 ml d'inoculum. L'inoculum (TS = 4.5%, VS = 77%) a été obtenu à partir de digesteurs anaérobies à l'usine de traitement des eaux usées du Hampton Roads Sanitation District (HRSD) Atlantic (Virginia Beach, VA, USA). De l'eau DI a été ajoutée à la ligne de 450 ml pour assurer un espace de tête égal.

 

Les bouteilles ont été purgées à l'azote pendant 1 min pour garantir des conditions anaérobies dans l'espace de tête et ont été immédiatement scellées avec des bouchons en caoutchouc conçus avec des entrées pour les mesures de gaz. Des tubes en plastique d'un huitième de pouce (Aqua Culture Standard Airline Tubing) ont été placés sur les entrées et les tubes ont été connectés de la bouteille au cylindre gradué inversé dans les cuves remplies d'eau. Pendant 15 jours, les bouteilles de digestion ont été placées dans un agitateur à bain-marie chauffé (New Brunswick Scientific G-76D) à 37 °C (pour maintenir des conditions mésophiles) et à 40 tr/min pour le mélange. Le biogaz a été contrôlé quotidiennement et enregistré en ml de biogaz produit. Le volume de gaz a été corrigé pour la vapeur d'eau, les conditions normales (0 °C et 1 atm) et mesuré en soustrayant le rendement en gaz de l'inoculum comme témoin. La chromatographie en phase gazeuse (SRI 8610C) équipée de détecteurs TCD/FID a été utilisée pour surveiller la présence de méthane et de dioxyde de carbone.

 

2.4. Méthodes analytiques

 

2.4.1. Carbonisation hydrothermale et produits : solides et gaz

 

Tous les solides (matière de départ HTC MSW et hydrochar) ont été testés pour les solides totaux, les solides volatils et les cendres comme décrit dans les normes ASTM E1756-08, EPA Method 1684, ASTM E1755-01, respectivement. Analyse élémentaire (analyseur élémentaire Thermo Finnigan Flash EA 1112) avec la norme 2,5-Bis (5-tert-butylbenzoxazol-2-yl) thiophène (BBOT) (certifié n° 202147-10/03/2015, ThermoFisher Scientific, Cambridge, UK) a été effectuée en triple pour le matériau de départ et l'hydrochar HTC MSW. Rendement en % en poids de solides et pouvoir calorifique supérieur (HHV) à l'aide d'une équation de Dulong modifiée [15], a été calculé pour l'hydrochar HTC MSW. L'analyse thermogravimétrique (TGA) de l'hydrochar a été réalisée en utilisant TGA-50H (Shimadzu Corporation) conformément aux normes ASTM D7582-15 pour évaluer les propriétés du carburant de l'hydrochar.

 

Les profils de combustion de la TGA sont utilisés pour évaluer les classes de charbon (par exemple, lignite, bitumineux); ainsi, le profil de combustion a été évalué en utilisant 10 mg de 280 °C à 10 min d'hydrochar. De l'air comprimé a été utilisé à 50 ml/min avec une rampe de température de 25 °C à 750 °C à 12.5 °C/min pendant 60 min et a été maintenu à 750 °C pendant 30 min. L'analyse de Brunauer, Emmett et Teller (BET) a été effectuée à l'aide d'un analyseur de surface et de taille de pores NOVA 2200e (Quantachrome Instruments) pour déterminer la surface de l'hydrochar HTC MSW ; 0.2 g d'échantillon a été dégazé pendant 4 h à 95 °C. Après un remblayage à l'hélium, la masse de l'échantillon dégazé a été enregistrée. La cellule d'échantillon contenant l'échantillon a ensuite été baignée dans de l'azote liquide à -196 °C pendant la période d'analyse. La surface BET multipoint de l'échantillon a ensuite été mesurée. Les rendements en phase gazeuse HTC MSW ont été calculés en utilisant la différence des rendements en phase solide et aqueuse.

 

2.4.2. Phase aqueuse

 

La phase aqueuse de HTC MSW a été analysée pour les solides totaux, les solides volatils et les cendres comme décrit dans ASTM E1756-08, EPA Method 1684, ASTM E1755-01, respectivement. Ils ont également été testés pour le COT et le TN (analyseur de carbone organique total/azote total (COT/TN) TOC-VCSN, Shimadzu équipé d'un passeur d'échantillons ASI-V), la DCO à l'aide de tubes de digestion (HACH COD 20–1500 mg/L) et Colorimètre HACH DR/890 et pH (papier pH Fisherbrand). Les sucres et les acides organiques ont été mesurés par une HPLC Thermo Scientific Dionex Ultimate 3000 équipée d'une colonne Aminex HPX-87P (sucres) et d'une colonne Aminex HPX-87H (acides organiques) et d'un détecteur RefractoMax521 RI (indice de réfraction). Toutes les analyses ont été faites en triple.

 

3. Résultats et discussion

 

3.1. Carbonisation hydrothermale et distribution du carbone

 

L'HTC a été réalisée à trois températures différentes (250, 280, 310 °C) et trois temps de séjour (10 min, 1 h, 6 h) afin d'étudier les effets de la variation de la température et du temps pour la matière première MSW mélangée. Ces températures ont été choisies comme des températures basses, moyennes et élevées. Bien que les temps de séjour varient, les temps ont été choisis pour représenter un temps de séjour plus court à plus long. Toute durée supérieure à 6 h a été exclue en raison de l'augmentation de la consommation d'énergie ; HTC à 310 °C pour un temps de séjour de 6 h n'a pas été effectué en raison de cette plage de température plus élevée. Une étude précédente (utilisant un réacteur de 160 ml à 250 °C pendant 20 h) a été réalisée pour cette matière première MSW mixte ; cependant, les variations de température et de temps n'ont pas été étudiées ou optimisées car ce n'était pas l'objet de leurs recherches [2].

 

Pour cet ensemble d'expériences, le bilan massique montre que 22 à 48 % de carbone sont restés dans la phase solide (hydrochar), 33 à 45 % dans la phase aqueuse et 15 à 44 % dans la phase gazeuse (figure 2). La phase gazeuse a été calculée à partir de la soustraction des phases aqueuse et solide. La littérature rapporte que la composition principale de la phase gazeuse HTC est du dioxyde de carbone et des traces de CO, CH4et H2 des gaz [16]. Il convient de préciser, comme dans de nombreuses études sur le HTC, qu'il est difficile de faire des comparaisons directes, en particulier avec la teneur en hydrochar, car tous les facteurs HTC (température, temps, pression, conception du réacteur, concentration) influencent tous la carbonisation. Les conditions de 280 °C et 10 min ont donné le pourcentage de carbone le plus élevé dans la phase aqueuse (45 %). En augmentant la température de 30 °C à partir de 250 °C, le temps de séjour a été réduit de 6 h à 10 min, produisant plus de carbone dans la phase aqueuse, moins de gaz et un pourcentage de solides que d'un temps de séjour plus long (Figure 2).

 

Figure 2: Répartition du carbone après HTC. Les valeurs sont la moyenne de l'analyse en triple. Les barres d'erreur représentent l'écart-type.

 

Répartition du carbone après HTC. Les valeurs sont la moyenne d'une analyse en triple. Les barres d'erreur représentent l'écart-type.

 

3.2. Composition en phase aqueuse

 

Les rendements en pourcentage de carbone en phase aqueuse du HTC MSW allaient de 34 à 45 %, ce qui correspond à la littérature précédente [3,4]. La condition de 280 °C à 10 min a donné le COT le plus élevé à 8.16 g/L avec d'autres allant de 6 à 7 g/L (Figure 3). La littérature rapporte une phase aqueuse de HTC allant de 5 à 20 g/L [3]. Une étude similaire réalisée par Berge et al. l'utilisation d'une matière première similaire a rapporté un COT en phase aqueuse de 20 g/L et une DCO de 60 g/L. Cette réaction a eu lieu dans un réacteur beaucoup plus petit (160 ml) pendant une durée plus longue (20 h) à 250 °C, ce qui pourrait expliquer des rendements en COT et DCO en phase aqueuse plus élevés que ceux obtenus avec un réacteur de 500 ml utilisé pour cette étude. Le COT avait tendance à diminuer à mesure que la température augmentait. Une explication à cela est que les composés organiques solubles dans l'eau sont des intermédiaires dans la formation de gaz et d'huile/charbon ; un pourcentage plus élevé de composés gazeux est le résultat d'une carbonisation plus longue comme on peut le voir avec les réactions à 6 h [17]. Les valeurs de DCO ont donné des quantités plus élevées que le COT, ce qui montre la présence de substances inorganiques dans la phase aqueuse [9].

 

Figure 3: HTC MSW phase aqueuse DCO et COT. Les barres d'erreur représentent l'écart-type.

 

HTC MSW phase aqueuse DCO et COT. Les barres d'erreur représentent l'écart-type.

 

Plusieurs acides organiques (p. ex., lactique et acétique) et des sucres ont été détectés dans la phase aqueuse de HTC MSW. La présence de sucres et d'acides organiques est principalement due à l'hydrolyse de la cellulose et des hémicelluloses et de leurs produits de dégradation tels que le furfural et l'hydroxyméthylfurfural (HMF) [7,9]. La phase aqueuse de HTC est un mélange très complexe composé de nombreux composés différents, comme indiqué dans la littérature [7]. L'analyse de la phase aqueuse de HTC MSW a montré que les principaux composés organiques étaient l'acide acétique et l'acide lactique (tableau 1). Les principaux sucres comprenaient le mannose et le xylose. Parmi les autres composés, il y avait des traces d'acide formique, de HMF et de furfural. La condition de 280 °C et 10 min a donné 13.3 g/L d'acide lactique qui a un potentiel de récupération. Le pH de tous les échantillons de phase aqueuse variait de 3 à 4 en raison de la présence d'acides organiques. Une étude similaire n'a rapporté que des données qualitatives pour les composés présents dans la phase aqueuse HTC MSW, y compris l'acide acétique qui a été quantifié dans cette étude [2]. Dans cette même étude, des phénols ont également été identifiés et sont couramment signalés comme des obstacles à la biodégradabilité anaérobie.

 

Tableau 1: Principaux composés en phase aqueuse HTC MSW.

 

Principaux composés en phase aqueuse HTC MSW.

 

Les principales contributions au COT pour la phase aqueuse du HTC MSW sont attribuées à la carbonisation des composants organiques de la matière première tels que le papier, les aliments et le plastique. Le papier de bureau déchiqueté contribue à 45%, soit près de la moitié du poids total de la matière première HTC, et de plus, est le principal matériau (papier) mis au rebut dans les décharges. Une étude menée par HTC sur des vieux papiers et le recyclage de l'eau de traitement subséquente avec des conditions de traitement de 200 °C pendant 16 h a indiqué un COT et une DCO en phase aqueuse de 9.15 g/L et 24.8 g/L, respectivement [18]. Les résultats de cette expérience à 280 °C pendant 10 min en phase aqueuse COT et DCO sont respectivement de 8.16 g/L et 25.48 g/L (Figure 3). Ils ont également identifié l'acide lactique comme l'acide organique identifié le plus abondant, ce qui est également le cas de ces données expérimentales pour les expériences HTC MSW. Bien que les conditions de réaction varient entre les études, ces similitudes pourraient donner un aperçu de l'influence du papier sur la composition de la phase aqueuse du HTC.

 

3.3. Digestion anaérobie de la phase aqueuse HTC MSW

 

Les phases aqueuses récupérées dans cinq conditions HTC ont été testées pour étudier sa biodégradabilité à l'aide du procédé AD. Le tableau 2 montre la production totale de biogaz et les ml de biogaz produits par gramme de COT et de DCO. La production de biogaz variait de 48 à 327 ml de biogaz/g de COT.

 

Tableau 2: Production de biogaz de la phase aqueuse HTC MSW et comparaisons de la littérature.

 

Production de biogaz de la phase aqueuse HTC MSW et comparaisons de la littérature.

 

Pour ces tests par lots AD, le biogaz a été quantifié comme la combinaison de CH4 et CO2. Un temps de rétention de 15 jours a été utilisé car la phase aqueuse nécessite moins de temps pour se dégrader par rapport aux substrats solides conventionnels avec des semaines à des mois de temps de séjour.

 

La condition de 280 °C et 10 min a été mise en évidence comme la condition la plus idéale dans cet ensemble d'expériences en raison de son rendement en COT le plus élevé dans la phase aqueuse, de sa température moyenne et de son temps de séjour le plus court de 10 min. La figure 4 montre deux séries d'expériences faisant varier la quantité de COT utilisée dans ces conditions et la production de gaz cumulée des deux concentrations de COT (0.1 g et 0.5 g) à 280 °C pendant 10 min. L'augmentation de la quantité de COT a montré une augmentation du rendement en biogaz. La littérature rapporte que la production quotidienne de biogaz augmente rapidement au cours des 7 premiers jours en raison des matières organiques facilement disponibles, ce qui a également été observé dans cet ensemble d'expériences [9]. Les phénols sont des composés inhibiteurs bien connus des performances de la MA. La littérature rapporte qu'avec des concentrations de phénol inférieures à 500 mg/L, les substrats ont été fermentés en méthane.

 

Des concentrations de phénol allant de 800 à 1200 mg/L, la digestion n'était ni améliorée ni inhibée, mais avec des concentrations de phénol supérieures à 2000 mg/L, une inhibition s'est produite [19]. Pour exclure toute inhibition possible du phénol à AD, les composés phénoliques totaux ont été testés pour la condition de 280 °C pendant 10 minutes, ce qui a donné 16.1 mg/L, ce qui est bien en deçà des valeurs rapportées d'inhibition du phénol à AD.

 

Figure 4: Production cumulée de biogaz pour 280 °C et 10 min (0.1 g et 0.5 g de COT).

 

Production cumulée de biogaz pour 280 °C et 10 min (0.1 g et 0.5 g de COT).

 

En moyenne, 1 g de DCO a été utilisé pour les tests de DA. Le potentiel biochimique de méthane (BMP) est une procédure pour déterminer la production de méthane d'un substrat organique pendant la biodégradabilité anaérobie. BMPLA MORUE la valeur théorique est calculée sur la base de la conversion de 1 g de DCO produisant 0.35 L de CH4 à température et pression normales, pour avoir une idée de la biodégradabilité de la phase aqueuse du HTC MSW. Théoriquement, 1 g de DCO pourrait produire 464 ml de biogaz en supposant que 60% du mélange de biogaz est CH4 [20]. La littérature rapporte des rendements en biogaz de 1.9 à 22.8 mL/mL d'eaux usées HTC utilisées avec des expériences par lots [5]. D'autres études ont montré des rendements en biogaz pour les eaux de traitement des boues d'épuration de 500 ml de biogaz/g de COT et 600 ml de CH4/g de COT en utilisant l'ensilage de maïs HTC eaux usées [21].

 

Il est bien connu que la MA implique les processus complexes d'hydrolyse, d'acidogenèse, d'acétogenèse et de méthanogenèse. La méthanogenèse est la phase de production d'énergie, ou la phase dans laquelle les produits de production d'énergie (CH4 et CO2) sont produits. Un composant organique majeur de la phase aqueuse de HTC MSW était l'acide lactique allant de 8.7 à 13.7 g/L. Une étude a été menée pour étudier l'influence de l'acide lactique sur la DA des déchets de cuisine, car l'acide lactique est le principal produit de fermentation des déchets de cuisine au cours de la MA. Leur étude a conclu que l'acide lactique avait une influence négative sur les performances de la méthanogenèse car un taux de productivité du biogaz plus faible a été observé au cours de la MA [22].

 

La condition de 280 °C et 10 min était au centre de ces expériences principalement en raison du rendement de COT le plus élevé dans le temps de séjour le plus court. Bien que cette condition ait produit le COT le plus élevé, la condition de 250 °C a produit le rendement de biogaz le plus élevé par gramme de COT (327.4 ml de biogaz/g de COT). Sur la base de l'étude mentionnée précédemment, l'acide lactique pourrait affecter la production de biogaz dans l'étape de production d'énergie, la méthanogenèse. Les effets de l'acide lactique pourraient être surveillés pour le potentiel de récupération et/ou d'amélioration des rendements en biogaz. Le papier représentait près de la moitié du pourcentage en poids de la matière première mixte MSW d'origine.

 

Une étude sur HTC de vieux papiers réalisée BMP sur la phase aqueuse et les rendements en biogaz étaient de 730 mL de biogaz/g de matière sèche organique (ODM) ; ils ont également noté une tendance à une biodégradabilité plus rapide au cours des premiers jours en raison des acides organiques facilement disponibles [18]. Avec le pH, la température et la concentration, le rapport carbone/azote (C/N) est un paramètre important dans la fonctionnalité globale de l'AD et la production de biogaz. La littérature rapporte que des concentrations d'ammoniac inférieures à 200 mg/L sont bénéfiques pour le processus de DA car l'azote est essentiel aux micro-organismes anaérobies [23]. Les rendements de biogaz dépendent fortement du rapport C/N et les plages optimales sont de 20 à 30 [24]. Le tableau 2 rapporte également le rapport C/N des phases aqueuses HTC MSW utilisées pour cet ensemble d'expériences. La condition de 250 °C et 10 min a donné le plus grand millilitre de biogaz/g de COT et a ensuite eu le rapport C/N le plus bas de 40—le rapport C/N le plus bas de toutes les autres conditions testées. Tous les autres rapports C/N étaient inférieurs à XNUMX, ce qui pourrait expliquer la moindre biodégradabilité.

 

À ce jour et au meilleur de la connaissance, il n'y a pas eu d'autres études pour tester la phase aqueuse HTC d'une matière première mixte MSW, ce qui est l'importance de ces tests par lots, pour montrer que cela est faisable et peut être fait. Ces expériences sont une preuve de concept que le COT facilement disponible dans la phase aqueuse de HTC MSW peut être un substrat réalisable pour la production de biogaz. D'autres études devraient étudier l'utilisation de concentrations de COT plus élevées, la récupération d'acide lactique et l'ajout potentiel d'un co-substrat pour augmenter et maximiser la production de biogaz. L'ajout d'azote et l'amélioration du rapport C/N sont essentiels pour augmenter les rendements globaux de biogaz et améliorer le système AD.

 

3.4. Composition en phase solide

 

Les rendements en hydrochar variaient de 35 à 56 % (tableau 3). L'étude utilisant une matière première similaire a des rendements allant de 29 à 63 % [2]. Les rendements plus élevés sont dus aux composés non modifiés tels que le verre et le métal. Le matériau de type carbonisé résultait principalement de la carbonisation du papier, des aliments et du plastique. Le rendement en hydrochar le plus bas est venu de la condition de 280 °C pendant 6 h et le plus élevé à 250 °C pendant 10 min. À la température inférieure de 250 °C pendant 10 min, le papier était toujours sous la forme de la matière première d'origine de papier déchiqueté, ce qui montre que pour cette température, 10 min n'étaient pas suffisants pour carboniser complètement la matière première en hydrochar.

 

Tableau 3: Caractéristiques de la matière première initiale et de l'hydrochar HTC MSW produit.

 

Caractéristiques de la matière première initiale et de l'hydrochar HTC MSW produit.

 

La composition élémentaire de l'hydrochar est présentée dans le tableau 3. Le HTC de la charge d'alimentation mixte MSW a donné un hydrochar HTC MSW avec des pourcentages plus élevés de carbone avec une teneur réduite en oxygène et en cendres. À partir de la matière première d'origine (papier, plastique, nourriture), il y a eu une augmentation de 40 % du HHV. Les valeurs de cendres variaient de 4.8 à 21.7 %, augmentant à mesure que le temps de séjour et la température augmentaient. La valeur de cendres la plus élevée de 21.7% résulte de la condition de réaction de 310 °C pendant 1 h. Des valeurs de chauffage plus élevées ont été calculées en utilisant une équation de Dulong modifiée [15] avec des valeurs allant de 19 à 25 (MJ/kg) qui se comparent au HHV des charbons de rang inférieur (par exemple, lignite et sous-bitumineux).

 

Dans d'autres études, les tendances de l'hydrochar HTC ont montré qu'à mesure que la température de réaction augmente, la teneur en énergie augmente et les rendements en hydrochar diminuent. Généralement, la teneur en carbone de l'hydrochar augmente à mesure que la température augmente, ce qui entraîne une augmentation du HHV [21]. Une tendance qui a été observée pour ces expériences est qu'au fur et à mesure que le temps augmente, le HHV augmente. L'augmentation de la température provoque la décomposition et l'élimination de l'hémicellulose riche en oxygène; par conséquent, augmentant le HHV et la valeur du carburant.

 

TGA et BET

 

Bien que l'objectif de cette étude n'était pas l'hydrochar; une analyse thermogravimétrique (TGA) et une analyse de surface BET ont été effectuées pour étudier les propriétés potentielles du carburant et les applications de l'hydrochar en fonction de la surface, respectivement. Hydrochar des conditions de 280 ° C et 10 min ont été utilisés pour ces expériences. Les profils de combustion TGA sont utilisés pour comparer les différents classements (c.-à-d., lignite, bitumineux, etc.) du charbon, car chacun a un profil de combustion idéal composé de quatre éléments trouvés dans le chromatogramme TGA.

 

Dans la classification de la catégorie charbon, le point de caractérisation est la « température de pointe (TP) » où la perte de poids est maximale, allant de moins de 400 °C à plus de 700 °C [25]. Les autres composants du profil de combustion comprennent la température d'inflammation (IT), la température fixe d'inflammation du carbone (ITFC), et la température de grillage (BT) [25]. Le tableau 4 compare les paramètres de combustion typiques du lignite, des charbons bitumineux et anthracite avec l'hydrochar HTC MSW. Les températures d'hydrochar HTC MSW ont été déterminées sur la base des pics dérivés dans le chromatogramme TGA (figure 5), qui a été effectué en double. Le profil de combustion du charbon de lignite a généralement deux pics qui sont également visibles dans le profil de combustion de l'hydrochar HTC, ce qui signifie une certaine ressemblance avec les charbons de qualité lignite.

 

Figure 5: ATG d'hydrochar HTC MSW (condition 280 °C, 10 min) réalisée en double (lignes roses et vertes). Les pics du graphique dérivé représentent le profil de combustion de l'hydrochar.

 

ATG d'hydrochar HTC MSW (condition 280 °C, 10 min) réalisée en double (lignes roses et vertes). Les pics du graphique dérivé représentent le profil de combustion de l'hydrochar.

 

Tableau 4: Comparaison des paramètres de combustion des types de charbon courants avec l'hydrochar HTC MSW expérimental [25].

 

Comparaison des paramètres de combustion des types de charbon courants avec l'hydrochar HTC MSW expérimental

 

Il existe un grand potentiel pour que l'hydrochar soit utilisé comme amendement du sol et même comme aide dans le processus de DA en raison des pores exposés pendant la carbonisation. La superficie de cet hydrochar était en moyenne de 1.2 m2/g. Il existe une large gamme de surfaces d'hydrochar ; cependant, la littérature rapporte qu'une augmentation du temps de séjour permet une modification de la cellulose et de l'hémicellulose qui peut affecter positivement la surface spécifique ; 10 min n'étaient pas suffisants pour augmenter efficacement la taille et la surface des pores [14]. L'hydrochar qui a été testé avait un temps de séjour HTC de 10 min à 280 °C, ce qui pourrait expliquer une si petite surface moyenne. Le papier, la nourriture et le plastique constituaient les composants de l'hydrochar HTC MSW. Les conditions d'analyse BET de 95 °C ont été choisies car l'utilisation de températures plus élevées a expulsé une substance huileuse de l'hydrochar pendant l'analyse. L'une des raisons en est que le point d'ébullition du plastique est d'environ 105 °C et que, lors de l'analyse BET, tout matériau plastique (biobrut) contenu dans l'hydrochar aurait pu être modifié.

 

3.5. Discussion

 

Bilan matière

 

La figure 6 présente le bilan matière global des deux processus qui ont été réalisés pour mieux comprendre la portée du processus intégré HTC + AD. Les bilans massiques ont été calculés en fonction de la quantité de carbone entrant dans le système et sortant du système sous forme de phases solide, aqueuse et gazeuse. Cette figure simule ce qui se passerait si 100 kg C (230 kg de MSW mélangé) étaient carbonisés et la phase aqueuse résultante utilisée pour AD, sur la base des données expérimentales du bilan massique pour 280 ° C et 10 min (figure 2).

 

Les litres de biogaz sont calculés en utilisant les rendements de biogaz expérimentaux les plus élevés de 222 ml de biogaz/g de COT. Biogaz ou la combinaison de CH4 et CO2 ont été quantifiés ensemble pour ces expériences d'AD par lots ; par conséquent, pour cette simulation, il a été supposé que CH4 représentaient 60 % et le CO2 représentaient 40 % du mélange de biogaz dans le calcul du Kg de C pour le biogaz. La composition du biogaz dépend du substrat utilisé, mais on rapporte qu'elle varie de 50 à 70 % CH4 et 30 à 40 % de CO2 [20].

 

Figure 6: Bilan matière global du procédé combiné HTC + AD.

 

Bilan matière global du procédé combiné HTC + AD.

 

Le biogaz a généralement une valeur thermique de 22 MJ/m3 et le méthane avec une valeur thermique de 36 MJ/m3. Ce processus d'utilisation de 100 Kg C pourrait entraîner une production d'énergie de 218 MJ basée sur les litres de biogaz produits. Lors de l'évaluation du bilan massique, 5 Kg C sortent du système sous forme de biogaz. Cela pose maintenant la question de savoir comment utiliser les 40 kg restants (89 %) de carbone et pourquoi il n'a pas été digéré.

 

En ce qui concerne le HTC, il existe peu d'études portant sur la phase aqueuse ; de plus, la phase aqueuse d'une charge d'alimentation mixte telle que le flux de MSW mixte modèle se dirigeait généralement vers la décharge. L'étude de placard au travail effectué dans cet article étudie HTC de la fraction organique de MSW (OFMSW) couplé avec AD [6,26]. Les travaux de Lucian et al. sont d'excellentes études spécifiquement pour la fraction organique des déchets solides municipaux ; cependant, cela ne tient pas compte des fractions qui finissent toujours dans la décharge (si elles ne sont pas séparées en fractions organiques) et de leur devenir. Nous avons démontré que la DA est faisable ; Cependant, l'amélioration de la digestion est essentielle pour soutenir le processus intégré HTC + AD pour le traitement des MSW. Les tests futurs devraient évaluer quelles voies amélioreraient la digestion, y compris des enquêtes sur l'amélioration des conditions du système AD en abaissant les rapports C/N avec l'ajout d'azote, les prétraitements en phase aqueuse ou la co-digestion.

 

4. Conclusions

 

À ce jour, il y a eu un nombre limité d'études sur le HTC de déchets mélangés. L'approche intégrée (HTC et AD) a montré une récupération de carbone organique de 58 % sous forme d'hydrochar et de biogaz. A l'échelle commerciale, les usines de HTC sont considérées comme des bioraffineries dans lesquelles l'hydrochar a été exploré plus en détail ; cependant, tirer pleinement parti de tous les flux sortants tels que la phase aqueuse HTC maximisera l'utilisation de ces systèmes et rendra le processus global plus durable sur le plan environnemental. Au meilleur de notre connaissance, il n'y a eu aucun autre rapport d'enquête et de compréhension de la biodégradabilité d'un flux MSW mixte en faisant varier le temps de séjour et la température. Cette étude est une preuve de concept que l'AD de la phase aqueuse de HTC MSW est réalisable et a le potentiel d'être améliorée. Les tests futurs se concentreront sur l'amélioration des rendements en biogaz à partir de la phase aqueuse et sur la composition spécifique du biogaz. Afin de récupérer, d'utiliser et de maximiser le carbone en phase aqueuse, le bilan massique montre qu'une amélioration de la phase aqueuse du HTC MSW (par exemple, prétraitement, co-digestion) serait nécessaire pour le système intégré.

 

Contributions d'auteur:

 

Conceptualisation, KJA et SK ; Curation des données, KJA ; Analyse formelle, KJA ; Acquisition de financement, BS et SK ; Enquête, KJA ; Méthodologie, KJA et BS ; Ressources, BS et SK ; Supervision, BS et SK ; Rédaction—ébauche originale, KJA ; Rédaction—révision et édition, KJA Tous les auteurs ont lu et accepté la version publiée du manuscrit.

 

Financement:

 

Cette recherche a été financée par Fiberight, LLC. numéro de récompense 500298-010.

 

Remerciements:

 

Les auteurs tiennent à remercier le laboratoire de recherche sur la biomasse de l'ODU (BRL), département de génie civil et environnemental de l'ODU à travers lequel ce projet a été soutenu. Les auteurs tiennent également à remercier le département de chimie de l'ODU ; Oumar Sacko, et la station d'épuration des eaux usées de Virginia Atlantic HRSD (David Ewing) pour leur soutien dans ce projet.

 

Conflits d'intérêts:

 

Les auteurs ne déclarent aucun conflit d'intérêt.

 

Références:

 

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Cet article a été initialement publié par le titulaire de la licence MDPI, Bâle, Suisse, le 06 septembre 2021, et a été republié conformément à la Licence publique internationale Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0. Vous pouvez lire l'article original ici . Les opinions exprimées dans cet article sont celles de l'auteur seul et non du WorldRef.


 

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