Januari 10th, 2022
Peningkatan produksi energi terbarukan, dikombinasikan dengan gagasan sampah sebagai sumber potensial produk sampingan yang bermanfaat, dapat mengarah pada pengelolaan sampah kota (MSW) yang lebih berkelanjutan dan ramah lingkungan.
By Kameron J. Adams
Departemen Teknik Sipil & Lingkungan, Old Dominion University, Norfolk, AS
Dan Ben Stuart
Departemen Teknik Sipil & Lingkungan, Old Dominion University, Norfolk, AS
Dan Sandeep Kumar
Laboratorium Penelitian Biomassa (BRL), Kluster Energi BCET
Abstrak
Pada tahun 2017, Badan Perlindungan Lingkungan Amerika Serikat (EPA) melaporkan bahwa orang Amerika menghasilkan lebih dari 268 juta ton sampah kota (MSW). Mayoritas (52%) dari limbah ini berakhir di tempat pembuangan sampah, yang merupakan sumber emisi metana antropogenik terbesar ketiga. Perbaikan dalam hal pengelolaan limbah dan produksi energi dapat diselesaikan dengan mengintegrasikan pengolahan MSW dengan hidrotermal karbonisasi (HTC) dan anaerobik digesti (AD) untuk mengubah karbon organik MSW menjadi bahan bakar.
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk (a) menyelidiki eksperimen HTC pada berbagai suhu dan waktu tinggal (b) mengevaluasi sifat fase air dan padatan, dan (c) melakukan uji botol skala bangku AD pada fase air. Campuran bahan baku yang berbeda mewakili MSW digunakan. HTC pada 280 °C dan 10 menit menghasilkan total karbon organik (TOC) tertinggi sebesar 8.16 g/L dengan hasil biogas sebesar 222 mL biogas/g TOC. Hasil menunjukkan bahwa AD fase air dari bahan baku MSW campuran layak. Pendekatan terpadu menunjukkan pemulihan karbon organik sebesar 58% (hydrochar dan biogas). Studi ini adalah yang pertama dari jenisnya untuk menyelidiki berbagai suhu dan waktu untuk bahan baku heterogen (MSW campuran), dan secara khusus mengevaluasi biodegradabilitas anaerobik fase air HTC MSW.
1. Pengantar
Pada tahun 2017, Badan Perlindungan Lingkungan Amerika Serikat (EPA) melaporkan bahwa orang Amerika menghasilkan lebih dari 268 juta ton sampah kota (MSW); 52% (timbunan sampah), 13% (dibakar), dan 35% (daur ulang/kompos) [1]. Tempat pembuangan sampah sampah adalah sumber emisi metana antropogenik terbesar ketiga yang memiliki potensi perangkap gas rumah kaca 23 kali lebih banyak daripada CO2. Perbaikan dalam hal pengelolaan limbah dan produksi energi dapat diselesaikan dengan mengintegrasikan pengolahan MSW dengan hidrotermal karbonisasi (HTC) dan anaerobik pencernaan (AD) untuk mengurangi limbah ke tempat pembuangan sampah dan memaksimalkan karbon organik dan pemulihan sumber daya.
HTC didefinisikan sebagai kombinasi dehidrasi dan dekarboksilasi bahan baku organik di bawah media air/hidrotermal subkritis untuk memperkaya kandungan karbonnya sehingga sebanding dengan nilai kalor batubara kelas bitumen (24–27 MJ/kg). Literatur melaporkan kondisi operasi HTC mulai dari 180 °C hingga 320 °C berdasarkan bahan baku berbeda yang menghasilkan tiga produk utama dan hasil produk rata-rata; hydrochar "batubara hijau" (45-70%), fase air (5-25%), dan gas yang terutama CO2 (2–5%) [2]. HTC diamati sebagai teknik terukur untuk mengubah biomassa basah (misalnya, MSW) menjadi bahan bakar padat yang kaya karbon. HTC menawarkan banyak keuntungan sebagai salah satu proses yang paling efisien untuk fiksasi karbon dalam bahan bakar padat untuk bahan baku basah dalam waktu tinggal yang singkat; namun, pemulihan panas dan fase berair (dengan 20–45% total karbon organik (TOC)) daur ulang sangat penting untuk kelayakan limbah menjadi energi.
Pelajaran sebelumnya [2,3,4,5,6] telah menunjukkan bahwa fase air HTC dapat diubah untuk pengobatan biologis berikutnya, seperti AD. Sebuah studi baru-baru ini yang menggunakan HTC silase jagung diikuti oleh AD fase air (tanpa perlakuan awal) mencapai 16.3 L CH4/Kg bahan basah segar, membuktikan lebih lanjut bahwa fase air memiliki banyak potensi untuk menghasilkan biogas yang lebih tinggi [4]. Kelompok lain [3] melakukan eksperimen batch HTC menggunakan residu pertanian sebagai bahan baku; dan menghitung potensi biogas untuk air proses yang dihasilkan (fase air) setelah HTC. Untuk fase air, mereka melaporkan, TOC (12-26 g/L) dan pH (3-5), mendukung gagasan bahwa fase berair memiliki potensi besar untuk pengobatan lebih lanjut dengan AD.
Namun, studi penelitian tentang biodegradabilitas anaerobik dari fase air HTC MSW belum dilakukan [2]. Ada beberapa senyawa kimia yang ada dalam fase air HTC seperti asam organik (misalnya, asam laktat dan asam asetat), aromatik, dan senyawa fenolik.7]. Beberapa senyawa ini berpotensi dapat diperoleh kembali sebagai produk sampingan atau diproses lebih lanjut setelah perlakuan awal untuk meningkatkan hasil biogas. Sistem AD nasional diproyeksikan untuk mengurangi konsumsi energi kumulatif hampir 15 juta T/J dan mengurangi emisi GRK sebesar 7.2 miliar ton CO2 lebih dari 50 tahun dan telah digunakan untuk mengobati MSW; namun, skalanya tidak besar di AS karena kelayakan ekonomi dan kerugiannya termasuk waktu penyimpanan padatan berminggu-minggu hingga berbulan-bulan untuk produksi energi biogas [8].
Ada lebih sedikit penelitian yang dilakukan pada aliran limbah kompleks untuk pengelolaan limbah yang berkelanjutan, tetapi HTC menawarkan cara inovatif untuk mengolah bahan baku MSW yang mengandung kelembapan tinggi dan kandungan karbon tinggi. Berge dkk. menyelidiki HTC dari MSW karena sedikit pekerjaan yang telah dilakukan untuk mengeksplorasi karbonisasi aliran limbah kompleks ini untuk mengevaluasi HTC sebagai teknik pengelolaan limbah yang berkelanjutan. Tujuan dari studi mereka adalah untuk menentukan kelayakan model hidrotermal karbonisasi aliran limbah kota terutama yang biasanya akan pergi ke tempat pembuangan sampah. Tujuan mereka termasuk mengevaluasi implikasi lingkungan yang terkait dengan karbonisasi aliran limbah kota yang representatif, mengevaluasi sifat arang hidro, dan menentukan energi karbonisasi yang terkait dengan setiap aliran limbah. Satu temuan utama adalah bahwa 20–37% karbon awal dipindahkan ke fase air setelah HTC dari bahan baku MSW campuran, yang dapat diperoleh kembali untuk energi; Namun, dalam studi mereka, percobaan karbonisasi tidak dioptimalkan, dan fase air tidak diuji untuk kecernaan [2].
Keuntungan menggunakan HTC dibandingkan metode pengelolaan limbah konvensional termasuk tidak diperlukan pemisahan bahan baku, bahan baku basah dapat digunakan tanpa pengeringan, dan menggunakan suhu yang lebih rendah dan energi yang lebih sedikit dibandingkan dengan perlakuan termal lainnya seperti insinerasi dan pirolisis. Waktu tinggal AD dari fase air telah terbukti lebih cepat daripada pencernaan padatan konvensional (organik MSW).9]. Pentingnya penelitian ini adalah tepat waktu dalam hal pengelolaan limbah padat dan limbah menjadi energi. HTC skala komersial adalah industri yang sedang berkembang dengan tiga pabrik operasional skala besar di dunia; penanganan fase air merupakan faktor penting dalam hal peningkatan HTC untuk praktik pengelolaan limbah yang berkelanjutan [10]. Jika proses terintegrasi (HTC + AD) yang diusulkan menggunakan MSW ini terbukti layak secara tekno-ekonomi, ini bisa menjadi monumental dalam hal mengurangi banyak masalah lingkungan yang terkait dengan pembakaran dan penimbunan konvensional seperti polusi udara, polusi air tanah, dan penimbunan terbatas. ruang angkasa.
Untuk secara khusus memahami komposisi produk setelah HTC MSW campuran, dan biodegradabilitas fase air HTC MSW sambil membangun beberapa pekerjaan yang dilakukan oleh Berge et al., tujuan dari studi khusus ini adalah untuk (a) menyelidiki percobaan karbonisasi pada suhu yang berbeda (250 , 280, 310 °C) dan waktu tinggal (10 menit, 1 jam, 6 jam) (b) mengevaluasi sifat fasa air dan arang hidro (c) melakukan uji botol skala bangku AD pada fasa air untuk menghasilkan data eksperimen tentang hasil biogas untuk memahami biodegradabilitas (Gambar 1). Ada banyak penelitian tentang perlakuan hidrotermal dari bahan baku biomassa homogen (misalnya, rumput, kayu, makanan) dan beberapa penelitian yang menggabungkan HTC dan AD [3,4,9,11,12,13]. Studi ini adalah yang pertama dari jenisnya untuk menyelidiki berbagai suhu dan waktu untuk bahan baku heterogen seperti model MSW campuran yang biasanya akan dibuang ke TPA, dan selanjutnya mengevaluasi biodegradabilitas anaerobik fase air HTC MSW.
Gambar 1: Diagram skema aliran proses secara keseluruhan.
2. Bahan dan metode
2.1. Bahan baku
Campuran komposisi yang diketahui (kertas, plastik, logam, kaca, makanan) yang mewakili limbah yang biasanya dibuang ke tempat pembuangan sampah dibuat untuk bahan baku HTC (berdasarkan%). Campuran MSW disimulasikan dengan menggunakan bahan-bahan berikut, dan air deionisasi (DI) ditambahkan ke dalam campuran untuk mendapatkan konsentrasi padatan 20 % berat; Kertas 45.5% (kertas kantor bekas yang diparut), kaca 9.6% (botol kaca yang dihancurkan), plastik 16.4% (botol plastik robek), 17.6% makanan (pelet makanan kelinci), 10.9% logam (kaleng aluminium parut) [2].
2.2. Eksperimen Karbonisasi Hidrotermal
HTC dari bahan baku MSW campuran dilakukan menggunakan reaktor batch bertekanan tinggi 500 mL (Seri PARR 4570). Literatur melaporkan kondisi HTC berkisar antara 180–320 °C dan waktu tinggal berkisar antara 5 menit-12 jam [14]. Kondisi proses berikut (250, 280, 310 °C) dan (10 menit, 1 jam dan 6 jam) dipilih berdasarkan suhu HTC yang lebih rendah (250 °C) dan tinggi (310 °C) dengan waktu tinggal durasi lama, untuk membandingkan produk akhir HTC MSW dan distribusi karbon.
Setelah campuran bahan baku simulasi MSW dibuat dan air DI ditambahkan untuk 20 % berat padatan, percobaan dijalankan pada 250, 280, 310 °C selama 10 menit, 1 jam dan 6 jam dalam rangkap tiga. Perlu dicatat bahwa 310 °C hanya dijalankan selama 10 menit dan 1 jam. Proses tersebut meliputi fase pemanasan, fase reaksi (ketika kondisi subkritis dan suhu yang diinginkan terpenuhi), dan fase pendinginan. Setelah mempertahankan suhu dan waktu yang diinginkan di bawah kondisi tekanan autogenous, reaktor didinginkan dengan cepat ke kondisi sekitar menggunakan air melalui koil pendingin. Setelah reaksi berlangsung, campuran yang dihasilkan ditempatkan dalam gelas kimia dan pH fase air diukur. Campuran produk disaring dengan vakum (1.5 m, filter mikrofiber kaca Whatman 47 mm). Selanjutnya, padatan ditempatkan dalam oven pada suhu 105 ° C selama 24 jam untuk menghilangkan kelembaban dan fase air diukur dan disimpan dalam freezer (4 ° C) untuk analisis lebih lanjut.
2.3. Pencernaan Anaerobik
Metode dan Alat Uji
AD dilakukan menggunakan uji botol batch dan hasil biogas diukur menggunakan perpindahan air. Gelas ukur dibalik dalam wadah 45 L (Sterilit) berisi air dan produksi gas dipantau setiap hari dalam mL biogas yang dihasilkan. Lima fase air HTC MSW berikut digunakan untuk analisis; 250 °C (10 menit, 1 jam), 280 °C (10 menit, 1 jam), 310 °C (1 jam); setiap kondisi dilakukan dalam rangkap tiga. Untuk AD, rata-rata 1 g kebutuhan oksigen kimia (COD) (~0.3 g TOC) ditambahkan ke dalam botol dan 400 mL inokulum. Inokulum (TS = 4.5%, VS = 77%) diperoleh dari digester anaerobik di pabrik pengolahan air limbah Atlantic Roads Sanitation District (HRSD) Atlantik (Virginia Beach, VA, USA). Air DI ditambahkan ke saluran 450 mL untuk memastikan headspace yang sama.
Botol dibersihkan dengan nitrogen selama 1 menit untuk memastikan kondisi anaerobik di ruang kepala dan segera ditutup dengan tutup karet yang dirancang dengan saluran masuk untuk pengukuran gas. Tabung plastik berukuran seperdelapan inci (Aqua Culture Standard Airline Tubing) ditempatkan pada saluran masuk dan tabung dihubungkan dari botol ke dalam gelas ukur terbalik di dalam bak berisi air. Selama 15 hari, botol destruksi ditempatkan dalam water bath shaker yang dipanaskan (New Brunswick Scientific G-76D) pada suhu 37 °C (untuk mempertahankan kondisi mesofilik) dan 40 rpm untuk pencampuran. Biogas dipantau setiap hari dan dicatat dalam mL biogas yang dihasilkan. Volume gas dikoreksi untuk uap air, kondisi normal (0 °C dan 1 atm), dan diukur dengan mengurangkan hasil gas dari inokulum sebagai kontrol. Kromatografi gas (SRI 8610C) yang dilengkapi dengan detektor TCD/FID digunakan untuk memantau keberadaan metana dan karbon dioksida.
2.4. Metode analitis
2.4.1. Karbonisasi Hidrotermal dan Produk: Padatan dan Gas
Semua padatan (bahan awal HTC MSW dan arang hidro) diuji untuk padatan total, padatan volatil, dan abu masing-masing sebagaimana dijelaskan dalam ASTM E1756-08, Metode EPA 1684, ASTM E1755-01. Analisis unsur (Thermo Finnigan Flash EA 1112 elemental analyzer) dengan standar 2,5-Bis (5-tert-butylbenzoxazol-2-yl) thiophene (BBOT) (bersertifikat no. 202147-10/03/2015, ThermoFisher Scientific, Cambridge, UK) dilakukan dalam rangkap tiga untuk bahan awal dan hidrochar HTC MSW. Padat wt.% yield dan nilai kalor yang lebih tinggi (HHV) menggunakan persamaan Dulong yang dimodifikasi [15], dihitung untuk hidrochar HTC MSW. Analisis termogravimetri (TGA) arang hidro dilakukan menggunakan TGA-50H (Shimadzu Corporation) mengikuti standar ASTM D7582-15 untuk mengevaluasi sifat bahan bakar arang hidro.
Profil pembakaran dari TGA digunakan untuk mengevaluasi kelas batubara (misalnya, lignit, bituminous); dengan demikian, profil pembakaran dievaluasi menggunakan 10 mg dari 280 °C pada hidrochar 10 menit. Udara terkompresi digunakan pada 50 mL/menit dengan suhu dinaikkan dari 25 °C menjadi 750 °C pada 12.5 °C/menit selama 60 menit dan ditahan pada 750 °C selama 30 menit. Analisis Brunauer, Emmett, and Teller (BET) dilakukan dengan menggunakan NOVA 2200e luas permukaan dan ukuran pori analyzer (Quantachrome Instruments) untuk menentukan luas permukaan HTC MSW hydrochar; 0.2 g sampel dihilangkan gasnya selama 4 jam pada 95 °C. Setelah penimbunan kembali dengan helium, massa sampel yang dihilangkan gasnya dicatat. Sel sampel yang berisi sampel kemudian direndam dalam nitrogen cair pada -196 °C selama periode analisis. Area permukaan BET multi-titik sampel kemudian diukur. Hasil fase gas HTC MSW dihitung menggunakan perbedaan hasil fase padat dan berair.
2.4.2. Fase berair
Fase air HTC MSW dianalisis untuk total padatan, padatan yang mudah menguap, dan abu seperti yang dijelaskan dalam ASTM E1756-08, Metode EPA 1684, ASTM E1755-01, masing-masing. Mereka juga diuji untuk TOC dan TN (total organic carbon/total nitrogen (TOC/TN) analyzer TOC-VCSN, Shimadzu dilengkapi dengan ASI-V autosampler), COD menggunakan (HACH COD 20-1500 mg/L) tabung destruksi dan HACH DR/890 Colorimeter, dan pH (kertas pH Fisherbrand). Gula dan asam organik diukur dengan Thermo Scientific Dionex Ultimate 3000 HPLC yang dilengkapi dengan kolom Aminex HPX-87P (gula), dan kolom Aminex HPX-87H (asam organik), dan detektor RefractoMax521 RI (indeks bias). Semua analisis dilakukan dalam rangkap tiga.
3. Hasil dan Diskusi
3.1. Karbonisasi Hidrotermal dan Distribusi Karbon
HTC dilakukan pada tiga suhu yang berbeda (250, 280, 310 °C) dan tiga waktu tinggal (10 menit, 1 jam, 6 jam) untuk menyelidiki efek dari berbagai suhu dan waktu untuk bahan baku MSW campuran. Suhu ini dipilih sebagai suhu rendah, menengah, dan tinggi. Meskipun waktu tinggal bervariasi, waktu dipilih untuk mewakili waktu tinggal yang lebih pendek hingga lebih lama. Setiap waktu lebih dari 6 jam dikesampingkan karena peningkatan penggunaan energi; HTC pada 310 °C untuk waktu tinggal 6 jam tidak dilakukan karena kisaran suhu yang lebih tinggi ini. Satu studi sebelumnya (menggunakan reaktor 160 mL pada 250 °C selama 20 jam) telah dilakukan untuk bahan baku MSW campuran ini; namun, suhu dan waktu yang bervariasi tidak diselidiki atau dioptimalkan karena itu bukan fokus penelitian mereka [2].
Untuk rangkaian percobaan ini, keseimbangan massa menunjukkan bahwa 22–48% karbon tetap berada dalam fase padat (hydrochar), 33–45% dalam fase air dan 15–44% dalam fase gas (Gambar 2). Fasa gas dihitung dari pengurangan fasa air dan fasa padat. Literatur melaporkan bahwa komposisi utama fase gas HTC adalah karbon dioksida dan sejumlah kecil CO, CH4, dan H2 gas [16]. Harus dinyatakan seperti dalam banyak penelitian tentang HTC, bahwa sulit untuk membuat perbandingan langsung terutama dengan kandungan arang hidro karena semua faktor HTC (suhu, waktu, tekanan, desain reaktor, konsentrasi) semuanya mempengaruhi karbonisasi. Kondisi 280 °C dan 10 menit menghasilkan persentase karbon tertinggi dalam fase air (45%). Dengan menaikkan suhu 30 °C dari 250 °C, waktu tinggal berkurang dari 6 jam menjadi 10 menit menghasilkan lebih banyak karbon dalam fase air, lebih sedikit gas, dan persentase padatan dari waktu tinggal yang lebih lama (Gambar 2).
Gambar 2: Distribusi karbon setelah HTC. Nilai adalah rata-rata dari analisis rangkap tiga. Bilah kesalahan mewakili standar deviasi.
3.2. Komposisi Fase Air
Hasil persen karbon fase air HTC MSW berkisar antara 34–45% sesuai dengan literatur sebelumnya [3,4]. Kondisi 280 °C pada 10 menit menghasilkan TOC tertinggi pada 8.16 g/L dengan yang lain berkisar antara 6-7 g/L (Gambar 3). Literatur melaporkan fase cair HTC berkisar antara 5–20 g/L [3]. Penelitian serupa dilakukan oleh Berge et al. menggunakan bahan baku serupa melaporkan TOC fase berair 20 g/L dan COD 60 g/L. Reaksi ini berlangsung dalam reaktor yang jauh lebih kecil (160 mL) untuk waktu yang lebih lama (20 jam) pada suhu 250 °C, yang dapat menjadi alasan untuk hasil TOC dan COD fase berair yang lebih tinggi dibandingkan dengan yang dilakukan dengan reaktor 500 mL yang digunakan untuk pelajaran ini. TOC cenderung menurun dengan meningkatnya suhu. Penjelasan untuk ini adalah bahwa bahan organik yang larut dalam air adalah zat antara dalam pembentukan gas dan minyak/arang; persentase yang lebih tinggi dari senyawa gas adalah hasil dari karbonisasi yang lebih lama seperti yang dapat dilihat dengan reaksi pada 6 jam [17]. Nilai COD menghasilkan jumlah yang lebih tinggi dari TOC, yang menunjukkan adanya anorganik dalam fase air [9].
Gambar 3: COD dan TOC fase cair HTC MSW. Bilah kesalahan mewakili standar deviasi.
Beberapa asam organik (misalnya, laktat dan asetat) dan gula terdeteksi dalam fase air HTC MSW. Kehadiran gula dan asam organik terutama disebabkan oleh hidrolisis selulosa dan hemiselulosa dan produk degradasinya seperti furfural dan hidroksimetilfurfural (HMF).7,9]. Fase air HTC adalah campuran yang sangat kompleks yang terdiri dari banyak senyawa yang berbeda seperti yang dilaporkan dalam literatur [7]. Analisis fase air HTC MSW menunjukkan senyawa organik utama adalah asam asetat dan asam laktat (Tabel 1). Gula utama termasuk mannose dan xylose. Di antara senyawa lain, adalah sejumlah kecil asam format, HMF dan furfural. Kondisi 280 °C dan 10 menit menghasilkan 13.3 g/L asam laktat yang berpotensi untuk pemulihan. PH untuk semua sampel fase air berkisar antara 3-4 karena adanya asam organik. Sebuah penelitian serupa melaporkan hanya data kualitatif untuk senyawa yang ada dalam fase air HTC MSW termasuk asam asetat yang diukur dalam penelitian ini [2]. Dalam studi yang sama, fenol juga diidentifikasi, dan umumnya dilaporkan sebagai penghambat biodegradabilitas anaerobik.
Tabel 1: Senyawa utama dalam fase air HTC MSW.
Kontribusi TOC utama untuk fase air HTC MSW dikaitkan dengan karbonisasi komponen organik dalam bahan baku seperti kertas, makanan, dan plastik. Kertas kantor yang robek menyumbang 45%, hampir setengah dari total berat bahan baku HTC, dan terlebih lagi, adalah bahan utama (kertas) yang dibuang di tempat pembuangan sampah. Sebuah studi yang dilakukan HTC pada kertas bekas dan daur ulang air proses selanjutnya dengan kondisi proses 200 °C selama 16 jam melaporkan TOC dan COD fase berair masing-masing sebagai 9.15 g/L dan 24.8 g/L [18]. Hasil percobaan pada suhu 280 °C selama 10 menit TOC dan COD fase berair masing-masing adalah 8.16 g/L dan 25.48 g/L (Gambar 3). Mereka juga mengidentifikasi asam laktat sebagai asam organik yang teridentifikasi paling melimpah, yang juga merupakan kasus untuk data eksperimen ini untuk eksperimen HTC MSW. Meskipun kondisi reaksi bervariasi antara penelitian, kesamaan ini dapat memberikan wawasan tentang pengaruh kertas pada komposisi fase air HTC.
3.3. Pencernaan Anaerobik Fase Air HTC MSW
Fase berair pulih dari lima kondisi HTC diuji untuk menyelidiki biodegradabilitas menggunakan proses AD. Tabel 2 menunjukkan total produksi biogas dan mL biogas yang dihasilkan per gram TOC dan COD. Produksi biogas berkisar antara 48–327 mL biogas/g TOC.
Tabel 2: Produksi biogas dari fase air HTC MSW dan perbandingan dari literatur.
Untuk uji batch AD ini, biogas dikuantifikasi sebagai kombinasi CH4 dan CO2. Waktu retensi 15 hari digunakan karena fase air membutuhkan waktu lebih sedikit untuk terdegradasi dibandingkan dengan substrat padat konvensional dengan waktu tinggal berminggu-minggu hingga berbulan-bulan.
Kondisi 280 °C dan 10 menit disorot sebagai kondisi paling ideal dalam rangkaian percobaan ini karena hasil TOC tertinggi dalam fase air, suhu kisaran menengah, dan waktu tinggal terpendek 10 menit. Gambar 4 menunjukkan dua rangkaian percobaan yang memvariasikan jumlah TOC yang digunakan pada kondisi ini dan produksi gas kumulatif dari dua konsentrasi TOC (0.1 g dan 0.5 g) pada 280 °C selama 10 menit. Peningkatan jumlah TOC menunjukkan peningkatan hasil biogas. Literatur melaporkan produksi biogas harian meningkat pesat dalam 7 hari pertama karena bahan organik yang tersedia, yang juga diamati dalam rangkaian percobaan ini [9]. Fenol adalah senyawa penghambat yang terkenal untuk kinerja AD. Literatur melaporkan bahwa dengan konsentrasi fenol kurang dari 500 mg/L, substrat difermentasi menjadi metana.
Konsentrasi fenol berkisar antara 800-1200 mg/L, pencernaan tidak ditingkatkan atau dihambat, tetapi dengan konsentrasi fenol lebih besar dari 2000 mg/L, penghambatan terjadi.19]. Untuk mengesampingkan kemungkinan penghambatan fenol terhadap AD, total fenolat diuji pada suhu 280 °C selama 10 menit yang menghasilkan 16.1 mg/L yang jauh di bawah nilai yang dilaporkan dari penghambatan fenol terhadap AD.
Gambar 4: Produksi biogas kumulatif untuk 280 °C dan 10 menit (0.1 g dan 0.5 g TOC).
Rata-rata 1 g COD digunakan untuk pengujian AD. Potensi metana biokimia (BMP) adalah prosedur untuk menentukan produksi metana dari substrat organik selama biodegradabilitas anaerobik. BMPCOD teoritis dihitung berdasarkan konversi 1 g COD menghasilkan 0.35 L CH4 pada suhu dan tekanan normal, untuk merasakan biodegradabilitas fase air HTC MSW. Secara teoritis, 1 g COD dapat menghasilkan 464 mL biogas dengan asumsi 60% campuran biogas adalah CH4 [20]. Literatur melaporkan hasil biogas 1.9–22.8 mL/mL air limbah HTC yang digunakan dengan eksperimen batch [5]. Studi lain menunjukkan hasil biogas untuk air proses lumpur limbah 500 mL biogas/g TOC, dan 600 mL CH4/g TOC menggunakan air limbah HTC silase jagung [21].
Telah diketahui bahwa AD melibatkan proses kompleks hidrolisis, asidogenesis, asetogenesis, dan metanogenesis. Metanogenesis adalah fase penghasil energi, atau fase di mana produk penghasil energi (CH4 dan CO2) diproduksi. Komponen organik utama dari fase air HTC MSW adalah asam laktat yang berkisar antara 8.7-13.7 g/L. Sebuah penelitian telah dilakukan yang menyelidiki pengaruh asam laktat pada DA limbah dapur, karena asam laktat merupakan produk fermentasi utama limbah dapur selama DA. Studi mereka menyimpulkan bahwa asam laktat memiliki pengaruh negatif pada kinerja metanogenesis karena tingkat produktivitas biogas yang lebih rendah terlihat selama AD [22].
Kondisi 280 °C dan 10 menit menjadi fokus percobaan ini terutama karena hasil TOC tertinggi dalam waktu tinggal terpendek. Meskipun kondisi ini menghasilkan TOC tertinggi, kondisi 250 °C menghasilkan yield biogas tertinggi per gram TOC (327.4 mL biogas/g TOC). Berdasarkan penelitian yang telah disebutkan sebelumnya, asam laktat dapat mempengaruhi produksi biogas pada tahap metanogenesis penghasil energi. Efek asam laktat dapat dipantau untuk potensi pemulihan dan/atau untuk meningkatkan hasil biogas. Kertas menyumbang hampir setengah persen berat dalam bahan baku MSW campuran asli.
Penelitian pada limbah kertas HTC dilakukan BMP pada fasa air dan hasil biogas adalah 730 mL biogas/g bahan kering organik (ODM); mereka juga mencatat tren biodegradabilitas yang lebih cepat selama beberapa hari pertama karena asam organik yang tersedia [18]. Seiring dengan pH, suhu, dan konsentrasi, rasio karbon terhadap nitrogen (C/N) merupakan parameter penting dalam keseluruhan fungsionalitas AD dan produksi biogas. Literatur melaporkan konsentrasi amonia di bawah 200 mg/L bermanfaat untuk proses AD karena nitrogen sangat penting untuk mikroorganisme anaerob.23]. Hasil biogas sangat tergantung pada rasio C/N dan kisaran optimal dilaporkan sebagai 20-30 [24]. Tabel 2 juga melaporkan rasio C/N dari fase air HTC MSW yang digunakan untuk rangkaian percobaan ini. Kondisi 250 °C dan 10 menit menghasilkan mL biogas/g TOC tertinggi dan selanjutnya memiliki rasio C/N terendah 40—rasio C/N terendah dari semua kondisi lain yang diuji. Semua rasio C/N lainnya berada di bawah enam puluhan yang dapat menjelaskan biodegradabilitas yang lebih rendah.
Sampai saat ini dan sejauh pengetahuan terbaik, belum ada penelitian lain untuk menguji fase air HTC dari bahan baku MSW campuran yang merupakan pentingnya uji batch ini, untuk menunjukkan bahwa itu layak dan dapat dilakukan. Eksperimen ini adalah bukti konsep bahwa TOC yang tersedia dalam fase air HTC MSW dapat menjadi substrat yang layak untuk produksi biogas. Studi lebih lanjut harus menyelidiki menggunakan konsentrasi TOC yang lebih tinggi, pemulihan asam laktat, dan potensi penambahan co-substrat untuk meningkatkan dan memaksimalkan produksi biogas. Penambahan nitrogen dan peningkatan rasio C/N sangat penting dalam meningkatkan hasil biogas secara keseluruhan dan meningkatkan sistem AD.
3.4. Komposisi Fase Padat
Hasil hydrochar berkisar antara 35-56% (Tabel 3). Studi menggunakan bahan baku serupa memiliki hasil berkisar antara 29-63% [2]. Hasil yang lebih besar disebabkan oleh senyawa yang tidak dimodifikasi seperti kaca dan logam. Bahan jenis char dihasilkan terutama dari karbonisasi kertas, makanan, dan plastik. Rendemen hidrochar terendah diperoleh pada kondisi 280 °C selama 6 jam dan tertinggi pada suhu 250 °C selama 10 menit. Pada suhu yang lebih rendah 250 °C selama 10 menit, kertas masih dalam bentuk bahan baku asli kertas robek, menunjukkan bahwa untuk suhu ini, 10 menit tidak cukup waktu untuk sepenuhnya mengkarbonisasi bahan baku menjadi arang hidro.
Tabel 3: Karakteristik bahan baku awal dan hidrochar HTC MSW yang dihasilkan.
Komposisi unsur hydrochar disajikan pada Tabel 3. HTC dari bahan baku MSW campuran menghasilkan hydrochar HTC MSW dengan persentase karbon yang lebih tinggi dengan oksigen tereduksi dan abu. Dari bahan baku asli (kertas, plastik, makanan), terjadi peningkatan HHV sebesar 40%. Nilai abu berkisar antara 4.8-21.7%, meningkat seiring dengan meningkatnya waktu tinggal dan suhu. Nilai abu tertinggi sebesar 21.7% dihasilkan dari kondisi reaksi 310 °C selama 1 jam. Nilai kalor yang lebih tinggi dihitung menggunakan persamaan Dulong yang dimodifikasi [15] dengan nilai berkisar antara 19–25 (MJ/kg) yang dibandingkan dengan HHV batubara peringkat rendah (misalnya, lignit dan sub-bituminus).
Dalam penelitian lain, tren hidrochar HTC telah menunjukkan bahwa saat suhu reaksi meningkat, kandungan energi meningkat dan hasil hidrochar menurun. Umumnya, kandungan karbon hidrochar meningkat dengan meningkatnya suhu, menghasilkan peningkatan HHV [21]. Tren yang diamati untuk eksperimen ini, seiring waktu meningkat, HHV meningkat. Peningkatan suhu menyebabkan dekomposisi dan penghilangan hemiselulosa yang kaya oksigen; oleh karena itu, meningkatkan nilai HHV dan bahan bakar.
TGA dan BET
Meskipun fokus penelitian ini bukanlah arang hidro; analisis termogravimetri (TGA) dan analisis luas permukaan BET dilakukan untuk menyelidiki sifat bahan bakar potensial dan aplikasi arang hidro berdasarkan luas permukaan, masing-masing. Hidrochar dari kondisi 280 °C dan 10 menit digunakan untuk percobaan ini. Profil pembakaran TGA digunakan untuk membandingkan peringkat yang berbeda (yaitu, lignit, bitumen, dll.) dari batubara, karena masing-masing memiliki profil pembakaran ideal yang terdiri dari empat elemen yang ditemukan dalam kromatogram TGA.
Dalam pengklasifikasian kategori batubara, titik karakterisasinya adalah “peak temperature (PT)” di mana kehilangan berat maksimum, berkisar antara di bawah 400 °C hingga di atas 700 °C [25]. Komponen lain dari profil pembakaran termasuk suhu pengapian (IT), suhu pengapian karbon tetap (ITFC), dan suhu burnout (BT) [25]. Tabel 4 membandingkan parameter pembakaran khas batubara lignit, bitumen dan antrasit dengan arang hidro MSW HTC. Suhu hidrochar HTC MSW ditentukan berdasarkan puncak turunan dalam kromatogram TGA (Gambar 5), yang dilakukan dalam rangkap dua. Profil pembakaran batubara lignit biasanya memiliki dua puncak yang juga terlihat pada profil pembakaran hidrochar HTC yang menandakan beberapa kemiripan dengan batubara kelas lignit.
Gambar 5: TGA hidrochar HTC MSW (kondisi 280 °C, 10 menit) dilakukan dalam rangkap dua (garis merah muda dan hijau). Puncak-puncak pada grafik turunan merepresentasikan profil pembakaran arang hidro.
Tabel 4: Perbandingan parameter pembakaran jenis batubara umum dengan hidrochar HTC MSW eksperimental [25].
Ada banyak potensi arang hidro untuk digunakan sebagai amandemen tanah dan bahkan bantuan dalam proses AD karena pori-pori terbuka selama karbonisasi. Luas permukaan arang hidro ini rata-rata 1.2 m2/G. Ada berbagai macam area permukaan arang hidro; namun, literatur melaporkan bahwa peningkatan waktu tinggal memungkinkan modifikasi selulosa dan hemiselulosa yang secara positif dapat mempengaruhi luas permukaan; 10 menit bukanlah waktu yang cukup untuk secara efektif meningkatkan ukuran pori dan luas permukaan [14]. Arang hidro yang diuji memiliki waktu tinggal HTC 10 menit pada 280 °C, yang dapat menjadi alasan untuk luas permukaan rata-rata yang begitu kecil. Kertas, makanan, dan plastik merupakan komponen hidrochar HTC MSW. Kondisi analisis BET 95 °C dipilih karena menggunakan suhu yang lebih tinggi mengeluarkan zat berminyak dari arang hidro selama analisis. Alasan untuk ini adalah bahwa titik didih plastik adalah sekitar 105 °C, dan selama analisis BET bahan plastik (biocrude) apa pun di dalam arang hidro dapat dimodifikasi.
3.5. Diskusi
Keseimbangan Bahan
Gambar 6 menguraikan keseimbangan materi keseluruhan dari dua proses yang dilakukan untuk lebih memahami ruang lingkup proses HTC + AD yang terintegrasi. Neraca massa dihitung berdasarkan berapa banyak karbon yang masuk ke sistem dan keluar dari sistem dalam bentuk fase padat, cair, dan gas. Gambar ini mensimulasikan apa yang akan terjadi jika 100 Kg C (230 Kg campuran MSW) dikarbonisasi dan fase berair yang dihasilkan digunakan untuk AD, berdasarkan data neraca massa eksperimental untuk 280 °C dan 10 menit (Gambar 2).
Liter biogas dihitung dengan menggunakan hasil biogas eksperimental tertinggi 222 mL biogas/g TOC. Biogas atau kombinasi CH4 dan CO2 dikuantifikasi bersama-sama untuk eksperimen AD batch ini; oleh karena itu, untuk simulasi ini diasumsikan bahwa CH4 menyumbang 60% dan CO2 menyumbang 40% dari campuran biogas dalam perhitungan Kg C untuk biogas. Komposisi biogas tergantung pada substrat yang digunakan tetapi dilaporkan berkisar antara 50–70% CH4 dan 30–40% CO2 [20].
Gambar 6: Keseimbangan material keseluruhan dari proses gabungan HTC + AD.
Biogas biasanya memiliki nilai termal 22 MJ/m3 dan metana dengan nilai termal 36 MJ/m3. Proses penggunaan 100 Kg C ini dapat menghasilkan produksi energi sebesar 218 MJ berdasarkan liter biogas yang dihasilkan. Saat mengevaluasi neraca massa, 5 Kg C keluar dari sistem sebagai biogas. Ini sekarang menimbulkan pertanyaan bagaimana memanfaatkan sisa 40 Kg (89%) karbon, dan mengapa karbon itu tidak dicerna.
Mengenai HTC, ada penelitian terbatas yang menyelidiki fase berair; Selain itu, fase berair dari bahan baku campuran seperti model aliran MSW campuran biasanya menuju ke tempat pembuangan akhir. Studi tertutup untuk pekerjaan yang dilakukan dalam makalah ini menyelidiki HTC dari fraksi organik MSW (OFMSW) ditambah dengan AD [6,26]. Pekerjaan yang dilakukan oleh Lucian et al. adalah studi bagus khusus untuk fraksi organik sampah kota; namun, ini tidak mempertimbangkan fraksi yang masih berakhir di TPA (jika tidak dipisahkan menjadi fraksi organik) dan nasibnya. Kami telah menunjukkan bahwa AD layak; namun, meningkatkan pencernaan sangat penting dalam mendukung proses HTC + AD terintegrasi untuk menangani MSW. Pengujian di masa depan harus mengevaluasi rute apa yang akan meningkatkan pencernaan termasuk penyelidikan pada peningkatan kondisi sistem AD dengan menurunkan rasio C/N dengan penambahan nitrogen, pra-perawatan fase berair, atau pencernaan bersama.
4. Kesimpulan
Sampai saat ini ada sejumlah penelitian terbatas pada bahan limbah campuran HTC. Pendekatan terpadu (HTC dan AD) menunjukkan perolehan kembali karbon organik sebesar 58% dalam bentuk hydrochar dan biogas. Pada skala komersial, pabrik HTC dianggap sebagai biorefineries di mana hydrochar telah dieksplorasi secara lebih rinci; namun, mengambil keuntungan penuh dari semua aliran keluar seperti fase air HTC akan memaksimalkan penggunaan sistem ini, dan membuat keseluruhan proses lebih ramah lingkungan. Sejauh pengetahuan kami, belum ada laporan lain yang menyelidiki dan memahami biodegradabilitas aliran MSW campuran dengan memvariasikan waktu tinggal dan suhu. Studi ini merupakan bukti konsep bahwa AD dari fase air HTC MSW layak dan memiliki potensi untuk ditingkatkan. Pengujian di masa depan akan fokus pada peningkatan hasil biogas dari fase air, dan komposisi biogas tertentu. Untuk memulihkan, memanfaatkan, dan memaksimalkan karbon fase air, keseimbangan massa menunjukkan peningkatan fase air HTC MSW (misalnya, pra-perawatan, co-digesti) akan diperlukan untuk sistem terintegrasi.
Kontribusi Penulis:
Konseptualisasi, KJA dan SK; Kurasi data, KJA; Analisis Formal, KJA; Perolehan dana, BS dan SK; Investigasi, KJA; Metodologi, KJA dan BS; Sumber Daya, BS dan SK; Pengawasan, BS dan SK; Tulisan—draf asli, KJA; Penulisan—review & penyuntingan, KJA Semua penulis telah membaca dan menyetujui versi naskah yang diterbitkan.
Pendanaan:
Penelitian ini didanai oleh Fiberight, LLC. nomor penghargaan 500298-010.
Ucapan Terima Kasih:
Penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada ODU Biomass Research Laboratory (BRL), Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan ODU yang telah mendukung proyek ini. Penulis juga ingin mengucapkan terima kasih kepada Departemen Kimia ODU; Oumar Sacko, dan pabrik pengolahan air limbah Virginia Atlantic HRSD (David Ewing) atas dukungan mereka dalam proyek ini.
Referensi:
- Badan Perlindungan Lingkungan AS (EPA). Memajukan Manajemen Material Berkelanjutan: Lembar Fakta 2017 Menilai Tren dalam Pembuatan Material, Daur Ulang, Pengomposan, Pembakaran dengan Pemulihan Energi dan Penimbunan di Amerika Serikat; EPA: Washington, DC, AS, 2019.
- Berge, ND; Ro, K.; Mao, J.; Flora, JR; Chappel, MA; Bae, S. Hidrotermal Karbonisasi Aliran Limbah Kota. Mengepung. Sci. Technol. 2011, 45, 5696 – 5703. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
- Oliveira, saya.; Blöhse, D.; Ramke, H.-G. Karbonisasi hidrotermal dari residu pertanian. Bioresour. teknologi. 2013, 142, 138 – 146. [Google Scholar] [CrossRef]
- Wirth, B.; Mumme, J. pencernaan anaerobik air limbah dari karbonisasi hidrotermal silase jagung. aplikasi Bioenergi 2013, 1, 1 – 10. [Google Scholar] [CrossRef]
- Wirth, B.; Ibu, J.; Erlach, B. Pengolahan anaerobik air limbah yang berasal dari karbonisasi hidrotermal. Dalam Prosiding Konferensi dan Pameran Biomassa Eropa ke-20, Milan, Italia, 18–22 Juni 2012. [Google Scholar]
- Lucian, M.; Volpe, M.; Merzari, F.; Wust, D.; Kruse, A.; Andreottola, G.; Fiori, L. Karbonisasi hidrotermal digabungkan dengan pencernaan anaerobik untuk valorisasi fraksi organik limbah padat kota. Bioresour. teknologi. 2020, 314, 123734. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
- Becker, R.; Dorgerloh, U.; Paulke, E.; Ibu, J.; Nehls, I. Karbonisasi hidrotermal biomassa: Komponen organik utama dari fase air. Kimia Ind. teknologi. 2014, 37, 511 – 518. [Google Scholar] [CrossRef]
- DiStefano, TD; Belenky, LG Analisis siklus hidup energi dan emisi gas rumah kaca dari biodegradasi anaerobik limbah padat perkotaan. J. Environ. Eng 2009, 135, 1097 – 1105. [Google Scholar] [CrossRef]
- Erdogan, E.; Atila, B.; Ibu, J.; Reza, MT; Toptas, A.; Elibol, M.; Yanik, J. Karakterisasi produk dari karbonisasi hidrotermal jeruk pomace termasuk kecernaan anaerobik dari cairan proses. Bioresour. teknologi. 2015, 196, 35 – 42. [Google Scholar] [CrossRef]
- Maaf, BDM; Doyle, L.; Renz, M.; Salimbeni, A. Karbonisasi Hidrotermal Skala Industri: Aplikasi Baru untuk Limbah Biomassa Basah; ttz Bremerhaven: Bremerhaven, Jerman, 2016. [Google Scholar]
- Marques, IP Perawatan pencernaan anaerobik dari air limbah pabrik zaitun untuk penggunaan kembali limbah dalam irigasi. Desalinasi 2001, 137, 233 – 239. [Google Scholar] [CrossRef]
- Posmanik, R.; Labatut, RA; Kim, AH; Usack, JG; Penguji, JW; Angenent, L. Coupling pencairan hidrotermal dan pencernaan anaerobik untuk valorisasi energi dari model bahan baku biomassa. Bioresour. teknologi. 2017, 233, 134 – 143. [Google Scholar] [CrossRef]
- Zhao, K.; Li, Y.; Zhou, Y; Guo, W.; Jiang, H.; Xu, Q. Karakterisasi produk karbonisasi hidrotermal (hydrochars dan cairan bekas) dan kinerja produksi biometananya. Bioresour. teknologi. 2018, 267, 9 – 16. [Google Scholar]
- Kambo, H.; Dutta, A. Tinjauan komparatif biochar dan hydrochar dalam hal produksi, sifat fisiko-kimia dan aplikasi. Memperbarui. Menopang. Energi Rev. 2015, 45, 359 – 378. [Google Scholar] [CrossRef]
- Channiwala, S.; Parikh, P. Korelasi terpadu untuk memperkirakan HHV bahan bakar padat, cair dan gas. Bahan bakar 2002, 81, 1051 – 1063. [Google Scholar] [CrossRef]
- Funke, A.; Ziegler, F. Hidrotermal karbonisasi biomassa: Ringkasan dan diskusi mekanisme kimia untuk rekayasa proses. Biofuel Bioprod. Biorefining 2010, 4, 160 – 177. [Google Scholar]
- Hoekman, SK; Bros, A.; Robbins, C. Hidrotermal Karbonisasi (HTC) dari Biomassa Lignoselulosa. Bahan Bakar Energi 2011, 25, 1802 – 1810. [Google Scholar] [CrossRef]
- Weiner, B.; Poerschmann, J.; Wedwitschka, H.; Koehler, R.; Kopinke, F.-D. Pengaruh penggunaan kembali air proses pada karbonisasi hidrotermal kertas. ACS Berkelanjutan. Kimia Ind. 2014, 2, 2165 – 2171. [Google Scholar] [CrossRef]
- Fedorak, PM; Hrudey, SE Efek fenol dan beberapa alkil fenolat pada metanogenesis anaerobik batch. Res air. 1984, 18, 361 – 367. [Google Scholar] [CrossRef]
- Jørgensen, PJ Biogas-Energi Hijau; Fakultas Ilmu Pertanian, Universitas Aarhus: Aarhus, Denmark, 2009. [Google Scholar]
- Reza, MT; Andert, J.; Wirth, B.; Busch, D.; Pielert, J.; Lynam, JG; Mumme, J. Hidrotermal karbonisasi biomassa untuk energi dan produksi tanaman. aplikasi Bioenergi 2014, 1, 11 – 29. [Google Scholar] [CrossRef]
- Zhang, B.; Cai, W.-M.; Dia, P.-J. Pengaruh asam laktat pada pencernaan anaerobik dua fase limbah dapur. J.Lingkungan. Sci. 2007, 19, 244 – 249. [Google Scholar]
- Chen, Y.; Cheng, JJ; Creamer, KS Penghambatan proses pencernaan anaerobik: Sebuah tinjauan. Bioresour. teknologi. 2008, 99, 4044 – 4064. [Google Scholar] [CrossRef]
- Dioha, aku.; Ikeme, CH; Nafi'u, T.; Soba, NI; Yusuf, MBS Pengaruh rasio karbon terhadap nitrogen terhadap produksi biogas. Int. Res. J.Nat. Sci. 2013, 1, 1 – 10. [Google Scholar]
- Cumming, JW; McLaughlin, J. Perilaku termogravimetri batubara. termokim. Akta 1982, 57, 253 – 272. [Google Scholar] [CrossRef]
- Lucian, M.; Volpe, M.; Gao, L.; Piro, G.; Goldfarb, JL; Fiori, L. Dampak kondisi karbonisasi hidrotermal pada pembentukan arang hidro dan arang sekunder dari fraksi organik sampah kota. Bahan bakar 2018, 233, 257 – 268. [Google Scholar] [CrossRef]
Artikel ini awalnya diterbitkan oleh Penerima Lisensi MDPI, Basel, Swiss, pada 06 September 2021, dan telah diterbitkan ulang sesuai dengan Lisensi Publik Internasional Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0. Anda bisa membaca artikel aslinya disini . Pandangan yang diungkapkan dalam artikel ini adalah milik penulis sendiri dan bukan WorldRef.
Jelajahi layanan WorldRef untuk mempelajari bagaimana kami membuat ekspansi global Anda lebih mudah dan ekonomis!
Tenaga Panas dan Kogenerasi | Pertambangan dan Mineral | Pengendalian Polusi Udara | Sistem Penanganan Material | Pengolahan Air dan Air Limbah | Suku Cadang, Alat dan Barang Habis Pakai | Solusi Pembangkit Listrik | Solusi Listrik Terbarukan dengan Pembiayaan
