Valorización de lodos de plantas de tratamiento de aguas mediante conversión hidrotérmica
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Resumen
El crecimiento sostenido en la generación de lodos de plantas de tratamiento de aguas residuales (PTAR) plantea un desafío ambiental, energético y económico de alta relevancia. En este contexto, la presente investigación evalúa la carbonización hidrotermal (HTC) como alternativa tecnológica para la valorización integral de lodos municipales, combinando experimentación, modelado matemático y análisis estadístico avanzado. Se desarrolló un diseño experimental tipo Central Composite Design (CCD) para analizar el efecto de la temperatura (150–250 °C), presión autógena la cual actúa como una
variable controlada que se varió en el rango 5 a 10 MPa y tiempo de residencia sobre el rendimiento de hidrochar, la eficiencia de carbonización y las propiedades fisicoquímicas del sólido obtenido. Se realizaron caracterizaciones mediante análisis próximo, CHN, TGA, BET, FTIR e ICP-OES para evaluar calidad energética, evolución estructural y partición de metales. Los resultados evidencian reducciones de masa del 40–70 %, incremento del carbono fijo y disminución de las relaciones atómicas O/C y H/C, confirmando un proceso progresivo de deshidratación, descarboxilación y aromatización. El hidrochar presentó mejoras en poder calorífico y estabilidad térmica respecto al lodo inicial. El análisis estadístico mostró alta significancia del efecto de la temperatura y su interacción con el tiempo de residencia.
Finalmente, se propuso un modelo matemático que integra balances de masa y aproximaciones cinéticas globales, permitiendo predecir el comportamiento del proceso bajo diferentes condiciones operativas. La HTC se consolida como una tecnología robusta y energéticamente competitiva para la valorización sostenible de lodos en esquemas de economía circular. (Texto tomado de la fuente)
Abstract
The continuous increase in sewage sludge generation from wastewater treatment plants (WWTPs) represents a major environmental, energy, and economic challenge. In this context, this research evaluates hydrothermal carbonization (HTC) as an integrated technology for the valorization of municipal sludge, combining experimental analysis, mathematical modeling, and advanced statistical assessment.
A Central Composite Design (CCD) was implemented to investigate the effects of temperature (180–250 °C), autogenous pressure, and residence time on hydrochar yield, carbonization efficiency, and physicochemical properties of the solid product. Comprehensive characterization was conducted through proximate analysis, CHN elemental analysis, TGA, BET surface area determination, FTIR spectroscopy, and ICP OES to assess energy quality, structural evolution, and metal partitioning. Results show mass reductions between 40–70 %, an increase in fixed carbon content, and a systematic decrease in atomic O/C and H/C ratios, confirming progressive dehydration, decarboxylation, and aromatization mechanisms. The produced hydrochar exhibited improved higher heating value and enhanced thermal stability compared to the raw sludge. Statistical analysis demonstrated the strong significance of temperature and its interaction with residence time on process performance. Finally, a mathematical model integrating mass balances and global kinetic approximations was proposed to predict process behavior under varying operational conditions. HTC emerges as a robust and energetically competitive technology for sustainable sludge valorization within circular economy frameworks.
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