Análisis experimental y de simulación de la producción de biogás a partir de lodos de aguas residuales de bebidas para la generación de electricidad

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 9107 (2022) Citar este artículo

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Este estudio evaluó el potencial de producción de biogás y metano de los lodos de aguas residuales generados por la industria de bebidas. La optimización del potencial de producción de biogás de un solo digestor anaeróbico de lote alimentado se operó a diferentes temperaturas (25, 35 y 45 ℃), pH (5,5, 6,5, 7,5, 8,5 y 9,5) y relación de alimentación orgánica (1 :3, 1:4, 1:5 y 1:6) con un tiempo de retención hidráulica de 30 días. Se determinó la productividad de metano y biogás de lodos de aguas residuales de bebidas en términos de sólidos volátiles (VS) y volumen. La máxima producción de biogás (15,4 m3/g VS, 9,3 m3) y contenido de metano (6,3 m3/g VS, 3,8 m3) se obtuvo en términos de VS y volumen a 8,5, 35 ℃, 1:3 de pH y temperatura óptimos. y relación de carga orgánica, respectivamente. Además, el contenido máximo de metano (7,4 m3/g VS, 4,4 m3) y el potencial de producción de biogás (17,9 m3/g VS, 10,8 m3) se alcanzaron por día a temperatura ambiente. El biogás y el metano totales a 35 ℃ (30 días) son 44,3 y 10,8 m3/g VS, respectivamente, mientras que a 25 ℃ (48 días) aumentaron a 67,3 y 16,1 m3/g VS, respectivamente. Además, se estimó el potencial de generación eléctrica del biogás producido a temperatura ambiente (22,1 kWh a los 24 días) y temperatura óptima (18,9 kWh) a los 40 días. El modelo simuló una TRH óptima (25 días) en términos de producción de biogás y metano a la temperatura óptima y concordaba bien con los resultados experimentales. Por lo tanto, podemos concluir que los lodos de aguas residuales industriales de bebidas tienen un enorme potencial para la producción y electrificación de biogás.

Hoy en día, varios desechos se reciclan de manera sostenible en productos útiles, por ejemplo, ladrillos1 energéticamente eficientes, empaques2, uso agrícola3 y hacen diferentes sistemas de bioenergía4,5 como bioetanol5,6, biodiesel7,8, biogás9 y producción de briquetas10. Para permitir el desarrollo sostenible del suministro de energía y mitigar las emisiones de gases de efecto invernadero, la producción de biogás a través de la digestión anaeróbica de diversas materias primas, como cultivos, residuos y desechos (desechos industriales, agrícolas y municipales) juega un papel clave11. La producción de biogás a partir de lodos industriales tiene varias ventajas. Además de la producción de energía de biogás sostenible, también tiene la ventaja de tratar los desechos orgánicos. Además, el desarrollo de técnicas mejoradas de biogás impulsará aún más la utilización de biogás para aplicaciones versátiles, incluso en el sector de la cocina y el transporte12. La digestión anaeróbica es una secuencia del proceso biológico mediante el cual los microorganismos convierten la materia orgánica en biogás en ausencia de oxígeno. El biogás se compone de aproximadamente 60 por ciento de metano (CH4), 40 por ciento de dióxido de carbono (CO2) y trazas de otros gases, por ejemplo, vapor de agua (H2O) y sulfuro de hidrógeno (H2S). Por lo tanto, la digestión anaeróbica puede desempeñar un papel importante en el tratamiento de todas las preocupaciones antes mencionadas que aquejan a las naciones subdesarrolladas y en desarrollo (es decir, la gestión de energía y desechos) al mismo tiempo que aumenta la productividad agrícola.

En los estudios previos de Ngoc y Schnitzler (2009)13 y Goňo et al. (2013)14 informaron que el biogás producido a partir de la fermentación puede quemarse para generar calor y electricidad combinados (CHP) e iluminación durante los procesos de producción. Los sistemas de biogás con biogás de buena calidad se pueden utilizar como fuente de electricidad, lo que es muy beneficioso para la protección y el desarrollo del medio ambiente. Los efluentes de la industria de alimentos y bebidas están contaminados con metales tóxicos, que pueden afectar negativamente la salud humana en forma de enfermedades agudas o crónicas15,16. Los millones de galones de aguas residuales que pasan por las plantas de tratamiento cada día contienen cientos de toneladas de biosólidos. Según el informe de la USEPA (1979), los biosólidos generan biogás a través de la digestión anaeróbica, que puede producir entre un 55 y un 70 por ciento de metano y entre un 25 y un 30 por ciento de dióxido de carbono17. No obstante, la producción de biogás a partir de residuos de biomasa y su utilización para aplicaciones energéticas sigue siendo un desafío debido a las complejas propiedades físicas y químicas de los residuos orgánicos, que afectan las vías metabólicas y el contenido de metano. En consecuencia, la atención se ha centrado en las oportunidades para mejorar aún más el rendimiento y la calidad del biogás18. Por lo tanto, los lodos de aguas residuales son el área principal de investigación en la comunidad científica, especialmente en la industria de alimentos y bebidas. Según Sreekrishnan et al. (2004) informan que la materia prima a veces requiere un pretratamiento para aumentar el rendimiento de metano en el proceso de digestión anaeróbica16. El pretratamiento descompone la estructura orgánica compleja en moléculas más simples que luego son más susceptibles a la degradación microbiana. Además, el rendimiento y el contenido de metano en el biogás se pueden mejorar mediante la utilización de productos químicos (por ejemplo, CaO2) durante el proceso de pretratamiento, lo que permite una mayor descomposición y degradación del material de lodo19,20.

El factor principal para determinar el potencial de generación de metano de las aguas residuales es la cantidad de material orgánico degradable en las aguas residuales. Los lodos generados en la planta de tratamiento de aguas residuales de bebidas, gestionados adecuadamente, podrían producir energía sustancial en forma de biogás, convirtiendo potencialmente a la planta de tratamiento de aguas residuales en un generador de energía neta en lugar de un consumidor. Además de maximizar la producción de energía, el digestor anaeróbico permitió minimizar los costos totales de la planta de tratamiento de aguas residuales. La energía de biogás producida a partir de varias materias primas sostenibles se puede utilizar como una alternativa de combustible fósil para producir electricidad y combustible para vehículos. Tiene la ventaja de mitigar las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) de los procesos de las plantas de tratamiento de aguas residuales21. Labutong et al. (2012)22 y Thyo y Wenzel (2007)23 sugirieron una utilización en el lugar del biogás producido para uso CHP sin actualizarlo a biometano. Sin embargo, la unidad CHP genera emisiones directas de GEI al medio ambiente y desencadena impactos pertinentes en las categorías de calentamiento global, formación de smog, acidificación y eutrofización. Las tasas de emisión pueden verse afectadas por el tipo de motor, por ejemplo, los motores de gas con convertidores catalíticos muestran las tasas de emisión más bajas. Mientras que la ignición de aceite en los motores de inyección piloto aumenta las cantidades de contaminantes en el gas agotado24. En general, la generación de electricidad a partir de biogás tiene menores impactos ambientales en comparación con la electricidad producida a partir de sistemas energéticos basados en combustibles fósiles24,25,26,27. En este estudio, se emplean enfoques experimentales y computacionales combinados para estimar la producción de biogás y el potencial de generación de electricidad a partir de lodos de aguas residuales de bebidas.

Ácido sulfúrico (H2SO4), sulfato de manganeso (MnSO4), azida alcalina, indicador de almidón, Na2S2O3 0,02 N, reactivo COD, agua desionizada, NaOH, ácido benzoico (C6H5COOH), naranja de metilo, carbonato de sodio (Na2CO3), agua destilada, KHP ( Hidrogenoftalato de potasio, HOOCC6COOK), dicromato de potasio (K2Cr2O3), indicador ferroso, sulfato de mercurio, FAS (sulfato de amonio ferroso, Fe(NH4)2.H2O, ácido COD, solución de amonio o hidróxido de sodio y gel de sílice de carbón activado. El Se utilizó equipo de laboratorio para el estudio Calorímetro adiabático o bob, balanza de peso digital, agitador, termómetro, electrodo, bomba de oxígeno o equipo de recipiente, manguera de oxígeno, resistencia, cápsula, hilo de algodón o alambre fusible, balde, embudo, matraz volumétrico, EA1112 flash CHNS/O-analizador e incubadora de DBO.

El análisis proximal es la determinación del contenido total de sólidos, sólidos volátiles, contenido de humedad, carbono fijo, azufre y contenido de cenizas. El sólido seco se puede definir como la masa de material que queda después de calentar el sustrato a 105 ℃ durante 1 h, expresado como porcentaje de la masa del material húmedo inicial. Según Murphy et al. 201528, el contenido de sólidos volátiles puede definirse como la masa de sólido perdida durante la ignición a 950 ℃ durante 7 min en un crisol cubierto, expresada como porcentaje de sólido seco. La DBO se determinó usando el método HACH estándar. La DQO se determinó utilizando un fotómetro AL 450 AQUALYTIC con SN 11/4005 fabricado con el método de medición estándar de Alemania. La determinación del contenido energético de los lodos de aguas residuales se determinó utilizando una bomba calorimétrica. El fosfato se pudo determinar utilizando el método colorimétrico de ácido molibdato APHA 4500-PC.

El último análisis evalúa la porción de carbono, hidrógeno, azufre y nitrógeno en una muestra sólida seca del sustrato. Por lo tanto, para este estudio, el análisis final se llevó a cabo en las condiciones de un caudal de gas de 120 ml/min, un caudal de referencia de 100 ml/min, un caudal de oxígeno de 250 mL/min, temperatura del horno de 900 °C, y temperatura del horno de 75 °C. El punto de seis calibraciones para cada componente y muestra se ejecutó por duplicado.

Hasta donde sabemos, aún no se ha informado ningún estudio para la producción de biogás a partir de lodos de desechos industriales de bebidas gaseosas. De acuerdo con esto, nuestro estudio preliminar en un único digestor anaerobio de lote alimentado con una proporción de 1:1 de agua y lodos de aguas residuales con un volumen total de tinajas de agua de 20 L ha mostrado un mayor rendimiento de composición de biogás (61,11 % CH4). Con esta motivación, este estudio se centró en la caracterización del análisis físico-químico de lodos de aguas residuales, optimizando diferentes variables (temperatura, pH, relación de carga orgánica y tiempo de retención hidráulica), y optimizando diferentes variables con software de simulación para la producción de biogás.

La producción de biogás a través de la digestión anaeróbica es importante para maximizar la producción de energía y reducir los costos generales de tratamiento en las plantas de tratamiento de aguas residuales. El uso de biogás para energía y combustible en lugar de gas natural tiene numerosos beneficios ambientales, incluida una menor huella de carbono. De manera similar, el biogás debe usarse para CHP en el sitio en lugar de actualizar a biometano para maximizar la mitigación de GEI. En general, la electricidad generada con biogás tiene un impacto ambiental menor que la electricidad generada con combustibles fósiles21,22,23,25. El estudio fue evaluado para estimar la cantidad de biogás y electricidad generada a partir de lodos de aguas residuales de bebidas. La forma más sencilla de generar electricidad a partir de biogás es con un motor de combustión interna, y la cantidad de electricidad producida a partir de biogás se puede calcular utilizando la siguiente ecuación24,25,26,27,29.

donde: \({E}_{elect}\) es la energía eléctrica producida por tonelada de residuos orgánicos (tres), en KW/tres, \({Q}_{biogas}\) es la cantidad de biogás obtenido de los residuos orgánicos de un biodigestor, en m3, \({F}_{{CH}_{4}}\) es el metano contenido en el biogás, en porcentaje, \({CP}_{{CH}_{ 4}}\) es el calor específico del metano (KWh/m3), \({\eta }_{elect}\) es la eficiencia eléctrica en porcentaje.

El proceso de digestión anaeróbica, así como la composición química precisa de los residuos orgánicos, que varía según el punto de recogida de residuos, afecta al \({Q}_{biogás}\) y \({F}_{{CH}_{ 4}}\). La proporción precisa de CH4 a CO2 en el biogás está determinada por el tipo y la concentración de entrada orgánica, que sirve como materia prima para los microorganismos que trabajan durante los procesos anaeróbicos y de fermentación. La digestión anaeróbica es una tecnología de tratamiento de aguas residuales y desechos bien establecida27.

El alto poder calorífico (valor calorífico bruto o valor energético bruto) se define como la cantidad de calor liberado por una cantidad determinada después de que se haya quemado y los productos hayan vuelto a una temperatura de 25 °C. Un poder calorífico bajo (LHV, valor calorífico neto) se define como la cantidad de calor liberado al quemar una cantidad específica cuando la temperatura final de los productos de combustión es mayor que el punto de ebullición del agua (100 °C). El LHV asume el calor latente de vaporización del agua en el combustible y no recupera los productos de reacción. El alto poder calorífico explica el calor latente de la vaporización del agua en los productos de combustión. En general, los dos términos de poder calorífico, poder calorífico alto y poder calorífico bajo, se utilizaron para describir los contenidos de calor. El valor calorífico alto y el valor calorífico bajo de los residuos se calculan utilizando la ecuación de Dulong, que se muestra a continuación. Para determinar el LHV de un combustible a partir de su HHV o viceversa, se deben determinar los moles de agua producidos cuando se quema un mol de combustible29.

donde el carbono, el hidrógeno, el oxígeno y el azufre son el contenido de C, H, O y S (base seca).

El calor de vaporización del agua a 25 ℃ es;

De acuerdo con el método descrito por Wong et al. (2011)30 Digestión anaeróbica por lotes Las pruebas de optimización del pH, la tasa de carga orgánica, la temperatura y el tiempo de retención hidráulica se llevaron a cabo por triplicado y se incubaron en un baño de agua a 35 ℃. Se llevaron a cabo experimentos durante 30 días para describir el comienzo de la producción de biogás que es necesaria para determinar la TRH óptima del potencial de biogás. El digestor por lotes está sellado desde el interior para evitar fugas de biogás y un baño de agua completamente insertado para mantener la temperatura13. Los contenidos se agitaron mediante el apretón de manos. Para este estudio, la producción de biogás se midió mensualmente usando una jeringa con aire comprimido y la composición del biogás se cotejó usando un equipo analizador de gas. Según Sreekrishnan et al.16 se utilizó NaOH al 1% y H2SO4 para ajustar el pH del sustrato. La optimización de la producción de biogás se lleva a cabo mediante la recogida de lodos de aguas residuales y diferentes equipos de laboratorio. Se utilizó el siguiente equipo de laboratorio: baño de agua, botellas de reactor, válvula reguladora de gas, manguera de plástico, jeringa de gas con lazo de aire, analizador de gas y bolsas colectoras de gas. La configuración experimental de la optimización de la producción de biogás en la digestión anaeróbica a pequeña escala y a escala de laboratorio se muestra en la Fig. 1a, b, respectivamente.

HIPERVÍNCULO "sps:id::fig1||locator::gr1||MediaObject::0" (a) Diagrama esquemático de la configuración experimental para la digestión anaeróbica a pequeña escala. (b) Configuración experimental para la producción de biogás a escala de laboratorio.

En este estudio, se utilizó el modelo cinético de una digestión aeróbica para estimar la cantidad de metano del biogás producido. En 1936, Buswell y Hatfield desarrollaron la fórmula estequiométrica que permite predecir el contenido de metano del biogás producido en 193631,32. Posteriormente, en 1952, Boyle modificó la reacción química de Buswell y Mueller para permitir que se incluyeran nitrógeno y azufre para obtener la fracción de NH3 y H2S en el biogás producido32,33,34,35. El software MATLAB se utilizó para el análisis de simulación de la producción de biogás a partir de lodos de aguas residuales. Los desechos industriales son mezclas muy complejas y se utilizan diferentes enfoques para describir su composición. La composición de los elementos es el método básico más útil para describir los componentes no acuosos de los lodos de aguas residuales. El objetivo de este modelo es proporcionar un equilibrio entre la simplicidad y la predicción efectiva de la producción de biogás. No se considera el propósito de crear un modelo que considere todos los factores y prediga la producción de biogás con un nivel muy alto de precisión. Por lo tanto, este estudio de modelo simple se utiliza para estimar el potencial teórico de biogás. Para aplicar este modelo a una materia prima específica, necesitamos conocer los componentes químicos de la materia prima. El modelo estaba considerando la suposición de que el material de entrada consiste solo en elementos de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y azufre. Las proporciones relativas de estos elementos se pueden tomar del análisis final de los desechos, temperatura constante, volumen constante del digestor, mezcla perfecta, condición bacteriana ideal y productos de la reacción que incluyen solo CH4, CO2, NH3 y H2S. No hay acumulación de cenizas y la reacción se completa34.

La parte principal del biogás es carbono, oxígeno, hidrógeno y azufre. La cantidad y calidad del producto derivado de cualquier residuo al proceso de conversión energética. El último análisis del sustrato se utilizó para determinar la ecuación estequiométrica basada en la composición elemental del material de desecho y para calcular la composición teórica del metano teniendo en cuenta C, H, O y N36. A partir de este estudio, el lodo seco de aguas residuales contenía aproximadamente un 45,190 % en masa de carbono y aproximadamente un 42,992 % en masa de oxígeno sobre la base del peso seco del lodo de aguas residuales. Las características finales de los lodos de aguas residuales se muestran a continuación en la Tabla 1.

De acuerdo con el resultado aproximado, el lodo de desecho seco mostró un contenido de humedad de aproximadamente 6,26%. La fracción restante del contenido másico es el contenido sólido total presente en los lodos de aguas residuales. Esta masa sólida contiene en gran parte sólidos volátiles y una pequeña fracción es contenido mineral (cenizas). En cualquier proceso de conversión de energía, solo una parte de la masa de sólidos volátiles sufre su conversión. Las propiedades aproximadas de los lodos de aguas residuales se resumen en la Tabla 2.

Según Fytili y Zabaniotou (2008)37 y Sitorus et al. (2013)38 informaron valores caloríficos para varios tipos de lodos de depuradora en el rango de 11 a 25,5 MJ/Kg (2627 a 6000 cal/g). Además, Oladejo et al. (2019)39 informa que el contenido orgánico volátil de los lodos de depuradora secos oscila entre el 21 y el 48 %, como consecuencia, el contenido energético varía entre 2600 y 5200 cal/g. En este estudio, el valor calorífico de los lodos de la planta de tratamiento de aguas residuales de bebidas fue de aproximadamente 5042,2 cal/g, lo que concuerda con los valores caloríficos más altos de la literatura anterior. Según trabajos relacionados anteriores realizados en última instancia, la cantidad de contenido de carbono (% en peso) es directamente proporcional al poder calorífico40,41,42. Esto quiere decir que si el lodo contiene mucho carbono, también contiene muchas calorías. Nuestro sustrato tiene un alto contenido en carbono, según el último análisis (45,19%). Esto se debe a que el azúcar es uno de los materiales básicos más importantes en la industria de bebidas gaseosas. Como resultado, el alto contenido calórico de nuestro sustrato probablemente se deba a las materias primas utilizadas en la industria de refrescos. Además, el volumen de fosfato, TS, DQO y DBO es de 4,02 mg/l, 27,4 %, 2200 mg/l y 30 mg/l, respectivamente. La concentración de fósforo se determinó con base en la curva de calibración externa con un buen factor de coloración (R2 = 0.999).

En esta investigación, se utilizó un único digestor anaeróbico de lote alimentado con un volumen total de tinajas de agua de 20 L para la producción de biogás. La materia prima contiene un 50% de sustrato de aguas residuales y un 50% de agua. El peso total de la carga de materia prima fue de 20 kg y se mezcló manualmente durante la alimentación. Estaba operando en condiciones ambientales sin ningún control de parámetros. La bolsa colectora de gas se proporcionó para una recolección de biogases. La producción de biogás se determinó utilizando el método de desplazamiento de agua periódicamente y analizando la composición del biogás utilizando un analizador de gases. A partir de este estudio experimental de ensayo primario, la producción de biogás se inició después de un tiempo de retención hidráulica de 23. La Figura 2 muestra el resultado del volumen de producción de biogás y el contenido de metano de este estudio.

(a) Producción de biogás (mL) en función de los días, (b) Contenido de metano (%) en función de los días, (c) Contenido de metano (mL) en función de los días a escala de laboratorio para estudio preliminar.

La optimización del pH se llevó a cabo con proporciones de sustrato constantes y la temperatura se mantuvo en 1:4 y 35 ℃, respectivamente, para todas las configuraciones experimentales. La optimización se realizó en análisis por triplicado. Cada reactor tenía una capacidad de 500 mL y contenía 400 mL de líquido total, incluido el sustrato de lodos de aguas residuales. La optimización del pH se realizó en diferentes configuraciones de reactores por lotes de la siguiente manera. En la configuración A: los reactores 1, 2 y 3 se realizaron a pH 5,5. En la configuración B: los reactores 4, 5 y 6 se realizaron a pH 6,5. En la configuración C: los reactores 7, 8 y 9 se realizaron a pH 7,5, en la configuración D: los reactores 10, 11 y 12 se ajustaron a pH 8,5, y en la última configuración E: los reactores 13, 14 y 15 se regularon a pH 9,5. Varios investigadores informaron sobre el rango de pH para una digestión anaeróbica adecuada de lodos de aguas residuales. El pH óptimo para residuos orgánicos industriales se obtuvo entre 6,5 y 7,543. Según los informes anteriores de Rosenberg y Kornelius (2017)44, el valor de pH óptimo para la producción de biogás se encontró entre 6,7 y 7,5. El estudio informado por Ngoc y Schnitzer (2009)13 también identificó que el valor de pH óptimo de la digestión anaeróbica para la producción de biogás está entre 6,0 y 8,0. En este estudio, el rendimiento máximo de biogás y metano se logró con un pH inicial de 8,5 y la producción de gas terminó con un pH de 7,3 con una temperatura del reactor de 33 ℃. Además, el rendimiento máximo de biogás (1404,3 mL) y el contenido de metano (654,4 mL) se presentan en la Fig. 3, que muestra la fuerte disminución del contenido de metano después de pH 8,5.

(a) Producción de biogás (ml) en función del pH, (b) contenido de metano (%) en función del pH, (c) contenido de metano (ml) en función del pH.

La optimización de la relación de carga orgánica se realizó a un pH constante (8,5) y una temperatura (35 ℃) del sustrato en todas las configuraciones experimentales. Cada reactor tenía una capacidad de 500 mL y contenía 400 mL de líquido total, incluido el sustrato de lodos de aguas residuales. Las proporciones de sustrato a agua en diferentes configuraciones de reactores por lotes se realizaron de la siguiente manera. En la configuración A: los reactores 1, 2 y 3 se realizaron en una proporción de sustrato de 1:3. En la configuración B: los reactores 4, 5 y 6 se realizaron con una proporción de sustrato de 1:5. En la configuración C: los reactores 7, 8 y 9 se realizaron con una proporción de sustratos de 1:6. En la optimización de la carga orgánica, las mediciones se realizaron por triplicado utilizando tres reactores para cada carga orgánica considerada en este estudio. La figura 4 muestra la producción óptima de biogás y el resultado de rendimiento de metano se midió en una proporción de 1:3. Este resultado está de acuerdo con el trabajo de Syaichurrozi y Sumardiono (2013)45.

(a) Producción de biogás (mL) en función de la relación de carga orgánica, (b) contenido de metano (%) en función de la relación de carga orgánica y (c) contenido de metano (mL) en función de la relación de carga orgánica.

La optimización de la temperatura se llevó a cabo con una relación de carga constante, el pH de la materia prima se mantuvo en relaciones de 1:3 y 8,5, respectivamente, en todas las configuraciones del experimento. Los reactores se protegieron en los baños de agua a diferentes temperaturas. Se ha utilizado la configuración experimental a diferentes temperaturas: baño de agua A: 25 ℃, baño de agua B: 35 ℃ y baño de agua C: 45 ℃. Para cada temperatura, los experimentos se realizaron por triplicado. Además, el rendimiento máximo del contenido de gas metano y el volumen de producción de biogás a la temperatura del baño de agua (35 ℃) y la temperatura del reactor (32 ℃) se muestran en la Fig. 5. Este resultado concuerda con el valor de la literatura informado en el siguientes trabajos46,47,48,49.

(a) Producción de biogás (ml) en función de la temperatura, (b) contenido de metano (%) en función de la temperatura y (c) contenido de metano (ml) en función de la temperatura.

El tiempo de retención hidráulica óptimo se optimizó a la temperatura, el pH y la relación de carga óptimos de la materia prima. La temperatura, el pH y la relación de carga óptimos de la materia prima fueron 35 ℃, 8,5 y 1:3, respectivamente, para todas las configuraciones experimentales. De manera similar a los informes anteriores, los valores de HRT se midieron periódicamente durante 30 días en intervalos de siete días. Según Rosenberg y Kornelius44, Bouallagui et al.50 y Ngoc y Schnitzer13, la DA efectiva de la materia orgánica en condiciones mesófilas se obtuvo a los 20, 25 y 28-35 días. Además, Atelge et al.51 reportaron un rango óptimo de TRH de 20 a 30 días, respectivamente. De manera similar, en nuestro estudio, el contenido máximo de biogás y metano obtenido a los 24 días (Fig. 6) concuerda bien con los valores de la literatura anterior.

(a) Producción óptima de biogás (ml) en función del tiempo de retención hidráulica, (b) contenido óptimo de metano (%) en función del tiempo de retención hidráulica, (c) contenido de metano (ml) en función del tiempo de retención hidráulica en 35 °C.

El tiempo óptimo de retención hidráulica se optimizó en la zona de temperatura de bacterias psicrófilas (25 ℃) y a pH óptimo y carga orgánica en una proporción de 8,5 y 1:3, respectivamente. Para la producción de biogás, en la comparación de la TRH entre la zona de temperatura bacteriana mesófila y psicrófila, la TRH óptima de temperatura psicrófila fue más larga que la zona de temperatura mesófila. Todos los experimentos se realizaron por triplicado. El volumen máximo de biogás y el contenido de metano se miden en un HRT óptimo de 45 días a una temperatura de 25 ℃. Los resultados del volumen máximo de biogás y el contenido de metano en la HRT óptima se muestran en la Fig. 7.

Según Davis et al. (2016)29 la relación con el calor específico del metano (también conocido como poder calorífico neto o valor calorífico inferior), sitúa el Cp(CH4) en 10 kWh/m3, mientras que el Centro Sueco de Gas52 sitúa el Cp(CH4) en 9,97 kWh/ m3. En este estudio se utilizó Cp (CH4) = 10 kWh/m3. Además, el valor de la eficiencia eléctrica (ηelec) depende de la tecnología utilizada. La eficiencia varía entre el 25 y el 31 por ciento, pero donde ciertas tecnologías son capaces de llegar hasta el 43%. De acuerdo con el artículo mencionado anteriormente, los valores van del 25 al 40%, pero donde la mayoría de las tecnologías presentadas tienen eficiencias mínimas del 30%. Por lo tanto, para este estudio, se considera razonable un valor de ηelec = 30%. Para optimizar la producción de biogás, la energía eléctrica máxima estimada fue de 18,9 kWh a los 24 días, mientras que a temperatura ambiente de producción de biogás, la energía eléctrica máxima estimada fue de 22,1 kWh a los 40 días. Asimismo, para el método de desplazamiento de agua, el contenido de metano se eleva hasta el 61,6%. Con base en este resultado, se mostró el potencial de producción de electricidad a partir de la producción de biogás en incienso y el valor estimado fue de 33,1 kWh a los 48 días. Sin embargo, la estimación del potencial de energía eléctrica total a partir de la producción de biogás en la optimización y temperatura ambiente fue de 54,5 kWh/mes y 83 kWh/48 días, respectivamente.

Antes de optimizar el valor óptimo de HRT de la producción de biogás, se simuló el valor óptimo de HRT mediante el uso de un programa informático de circulación de un modelo de optimización. Los parámetros en este modelo fueron los mismos que los parámetros del experimento mencionados anteriormente. Se ha observado que el valor óptimo de HRT para la producción de biogás se informó en diferentes zonas de temperatura, bajo psicrófila (25 ℃), mesófila (35 ℃) y termófila (45 ℃), respectivamente. En la simulación del modelo, se predijo una HRT óptima de producción de biogás antes de optimizar la temperatura y la HRT experimentalmente. Los efectos de la temperatura y la HRT para la producción de biogás se predicen en la simulación del modelo de producción de biogás. En general, con respecto a la temperatura y la HRT para la producción de biogás de simulación modelo, la temperatura de 35 ℃ es la temperatura óptima en lugar de 25 y 45 ℃. Por lo tanto, la temperatura óptima de producción de biogás en la simulación del modelo es buena, de acuerdo con el resultado experimental. Pero la comparación entre la simulación del modelo y la producción experimental de biogás a una temperatura de 45°C era imposible. Para esta investigación, el biogás no puede producir a una temperatura de 45 ℃. La Figura 8 muestra los resultados de la producción de biogás del modelo cinético en varias temperaturas.

Resultados de la simulación de la producción de biogás en función del tiempo de retención (días) a varias temperaturas de (a) 45 ℃, (b) 35 ℃ y (c) 25 ℃, respectivamente.

Los experimentos se realizaron a diferentes temperaturas, HRT, pH y concentraciones de carga orgánica para determinar los parámetros óptimos de producción de biogás. El HRT óptimo para los resultados de producción de biogás de simulación de modelo a una temperatura de 25 ℃ se muestra durante 30 días, pero a esta temperatura, el resultado de producción de biogás experimental se muestra durante 40 días. Esta comparación entre la simulación del modelo y los resultados de producción de biogás experimentales a una temperatura de 25 ℃, la producción de biogás de simulación del modelo es inferior a 10 días HRT. La TRH óptima entre la simulación del modelo y la producción experimental de gas metano es de 40 días. Este resultado muestra una TRH óptima similar entre la simulación y la producción experimental de gas metano, y la comparación entre los experimentos y la simulación del modelo de producción de gas metano concuerda bien. Además, la comparación entre el resultado de la producción de metano y biogás experimental y de simulación modelo a una temperatura de 25 ℃ se muestra en la Fig. 9.

(a) Producción de biogás (m3) en función del tiempo (días), simulación y resultados experimentales, (b) producción de gas metano (m3) en función del tiempo (días), simulación y resultados experimentales a 25 ℃.

El modelo de simulación de producción de biogás y gas metano a una temperatura de 35 ℃, la HRT óptima es de 25 días. Se muestra la producción experimental de biogás y gas metano a una temperatura de 35 ℃, la HRT óptima durante 24 días. Este resultado muestra que la comparación entre la simulación del modelo de biogás y la producción de gas metano es aproximadamente similar. Además, en la Fig. 10 se muestra la comparación entre el resultado de producción de metano y biogás experimental y de simulación modelo a temperaturas de 35 ℃.

Este documento presentó cuantitativamente la producción de electricidad a partir del biogás producido a partir de lodos de aguas residuales de bebidas en condiciones experimentales óptimas (es decir, temperatura, relación de carga y pH de 35, 1:3 y 8,5, respectivamente). Los resultados experimentales se compararon con los resultados de la simulación del modelo para su validación. El contenido máximo de metano del biogás en términos de VS y volumen es de 6,3 m3/g VS y 3,8 m3, respectivamente a los 24 días. El potencial de producción de biogás en términos de VS y volumen es de 15,4 m3/g VS y 9,3 m3 de volumen de biogás a los 24 días, respectivamente. Incluso a temperatura ambiente (25 ℃) se produjo un contenido notable de metano, el contenido máximo de metano del biogás en términos de VS y volumen es de 7,4 m3/g VS y 4,4 m3 CH4 a los 40 días, respectivamente. Además, el potencial de producción de biogás a temperatura ambiente en términos de VS y volumen es de 17,9 m3/g VS y 10,8 m3 de volumen de biogás a los 40 días, respectivamente. La predicción de la temperatura óptima y la HRT entre la simulación del modelo y la producción de biogás experimental está en buen acuerdo. La estimación del potencial eléctrico y la producción de biogás a temperatura ambiente es de 22,1 kWh y 18,9 kWh a los 40 y 24 días, respectivamente. Además, se encontró que el potencial total de generación de electricidad es de 83,0 kWh por 48 días y 54,5 kWh por mes, respectivamente. Además, empleando el método de desplazamiento de agua, se mejoró el contenido de metano del biogás producido al 61,6 %, como consecuencia, el potencial de producción de electricidad aumentó a 33,1 kWh a los 48 días. En general, los resultados de este estudio revelaron que los lodos de aguas residuales de bebidas podrían ser una materia prima muy prometedora para la generación de electricidad a partir de la producción de biogás por digestión anaeróbica y la mejora del contenido de metano. Desempeña un papel vital en la mitigación de las emisiones de gases de efecto invernadero y proporciona energía rentable y sostenible para el consumo interno de la industria y la comunidad circundante.

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Descargar referencias

Los autores agradecen el proyecto de investigación temática de la Universidad de Addis Abeba (Subvención No. TR/036/2020) para las instalaciones del laboratorio y East Africa Bottling Share Company por proporcionar lodos de aguas residuales.

Centro de Ciencias Ambientales, Facultad de Ciencias Naturales y Computacionales, Universidad de Addis Abeba, PO Box 1176, Addis Abeba, Etiopía

Haga clic en Descargar para guardar Anteneh Admasu - Yedilfana Setarge Mekonnen mp3 youtube com

Escuela de Ingeniería Mecánica e Industrial, Universidad de Addis Abeba, PO Box 1176, Addis Abeba, Etiopía

Wondwossen Bogale

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AA, WB y YSM escribieron el texto principal del manuscrito y prepararon todas las tablas y figuras. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Wondwossen Bogale o Yedilfana Setarge Mekonnen.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Admasu, A., Bogale, W. & Mekonnen, YS Análisis experimental y de simulación de la producción de biogás a partir de lodos de aguas residuales de bebidas para la generación de electricidad. Informe científico 12, 9107 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-12811-3

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Recibido: 27 diciembre 2021

Aceptado: 05 mayo 2022

Publicado: 01 junio 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-12811-3

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