Integrated anaerobic digestion and hydrothermal carbonization of sewage sludge : Mass, nutrient and energy balance

Abstract

The aim of sewage sludge treatment is shifting from waste disposal towards processing sewage sludge into valuable products such as fertilizers and biofuels as a part of shift towards circular economy. Novel sludge treatment methods are researched to achieve this while also controlling the various pollutants in sewage sludge. Hydrothermal carbonization (HTC) has recently gained attention in sludge treatment due to being suitable for wet feedstocks, and yielding hydrochar, a solid carbon product. One recent approach is to integrate HTC with anaerobic digestion to utilize the energy content of sludge more efficiently and to improve dewatering and nutrient recovery. This study assessed the impacts of integrating HTC with anaerobic digestion at a centralized sludge treatment plant. Mass, nutrient and energy balances were calculated for a theoretical plant treating 50 000 t/a dewatered sewage sludge to study how HTC of digestate and circulation of HTC filtrate to anaerobic digestion affect mass flows, nutrient recovery and energy balance. Different uses for biogas, hydrochar and digestate were considered. The results show that phosphorus is concentrated in hydrochar due to improved mass reduction, while HTC did not affect total phosphorus recovery. Filtrate circulation led to 11 % more nitrogen in reject water, increasing nitrogen recovery from liquid fraction. Filtrate circulation improved biogas production by 8 % from the same amount of input sludge. Upgrading biogas to traffic fuel led to more positive energy balances than combined heat and power production. Integrated anaerobic digestion and HTC had a more positive energy balance than stand-alone anaerobic digestion when the solid products (hydrochar and dewatered digestate) were incinerated, but a less positive energy balance when solid products were used in agriculture, indicating that increased biogas production alone did not compensate for the higher energy consumption of the HTC process. Overall, HTC can act as an advanced dewatering method, concentrating nutrients in hydrochar and reducing the moisture content which makes incineration more efficient, but the feasibility of hydrochar for fertilizer use or incineration should be studied further.

Ravinteiden ja energian talteenoton merkitys yhdyskuntajätevesilietteen käsittelyssä kasvaa kiertotalouteen siirtymisen myötä. Uusia lietteenkäsittelymenetelmiä kehitetään, jotta lietteestä voidaan prosessoida hyödyllisiä tuotteita, kuten lannoitteita ja polttoaineita sekä samalla vähentää lietteen sisältämistä haitta-aineista koituvia riskejä. Märkähiiltoa (engl. hydrothermal carbonization, HTC) on tutkittu lietteenkäsittelymenetelmänä, koska se soveltuu suuren kosteuspitoisuuden syötteille ja tuottaa kiinteän hiilimäisen tuotteen (märkähiili). HTC:tä on tutkittu mm. mädätteen jälkikäsittelymenetelmänä, jotta lietteen energiasisältö voitaisiin hyödyntää tehokkaammin sekä tehostaa vedetöintiä ja ravinteiden talteenottoa. Tässä työssä tutkittiin HTC:n vaikutuksia keskitetyn biokaasulaitoksen massa- ja ravinnevirtoihin sekä energiataseeseen. Massa-, ravinne- ja energiataseet laskettiin teoreettiselle laitokselle, joka käsittelee 50 000 t/v vedetöityä jätevesilietettä. Energiataselaskelmissa tarkasteltiin biokaasun käyttöä sähkön ja lämmön yhteistuotannossa sekä jalostusta liikennepolttoaineeksi, sekä märkähiilen ja vedetöidyn mädätteen polttoa ja maatalouskäyttöä. Tulosten mukaan märkähiilen fosforipitoisuus on yli kaksinkertainen vedetöityyn mädätteeseen verrattuna, mikä johtuu HTC:n vedenpoistoa tehostavasta vaikutuksesta. HTC:llä ei ollut vaikutusta siihen, kuinka paljon fosforia kokonaisuudessaan saadaan talteen. HTC:n prosessiveden kierrätys lisäsi typen määrää rejektivedessä 11 %, jolloin myös typpeä voitiin ottaa talteen enemmän nestejakeesta. Prosessiveden kierrätys lisäsi biokaasun tuotantoa 8 % samasta määrästä käsiteltävää lietettä. Biokaasun jalostus liikennepolttoaineeksi johti positiivisempiin energiataseisiin kuin sähkön ja lämmön yhteistuotanto. Märkähiiltoprosessilla mädätykseen yhdistettynä oli positiivisempi energiatase kuin pelkällä mädätyksellä, kun kiinteät tuotteet (märkähiili ja vedetöity mädäte) oletettiin poltettavaksi. Kun taas oletettiin, että märkähiili ja mädäte käytetään maataloudessa, oli pelkän mädätyksen energiatase positiivisempi yhdistettyyn käsittelyyn verrattuna, mikä tarkoittaa, että pelkkä lisääntynyt biokaasun tuotanto yhdistetyssä käsittelyssä ei riitä kattamaan HTC:n energiankulutusta. Johtopäätöksenä voidaan todeta, että HTC tehostaa vedenpoistoa ja siten märkähiilen ravinnepitoisuudet ovat mädätettä suurempia. Alhaisempi kosteuspitoisuus myös tehostaa lopputuotteen polttoa, koska kosteuden haihdutus kuluttaa vähemmän energiaa. Märkähiilen käyttökelpoisuudesta lannoitteena ja polttoaineena tarvitaan kuitenkin lisää tietoa.