From waste to bio-oil : Hydrothermal liquefaction of digested sewage sludge in small and large scale

Abstract

FN’s bærekraftsmål er tydelige på hvilke tiltak som er nødvendige for å drastisk redusere de pågående klimaendringene i verden. Blant disse tiltakene finner man målet om bedre utnyttelse av bærekraftige råstoff, å sørge for at byer og lokalsamfunn er mer bærekraftige, og å sørge for ren energi for alle. For å oppnå dette må valg av råstoffkilder revurderes, og et av produktene som trenger en høyere utnyttelsesgrad i denne sammenhengen er avfallsprodukter. Å utnytte avfallsprodukter på en bedre måte, kan gjøre oss mindre avhengige av råolje, noe som er et nøkkelpunkt for å redusere CO2-utslippene i atmosfæren.

I denne avhandlingen brukes avfallsproduktet kloakkslam etter anaerob utråtning (utråtnet kloakkslam, digested sewage sludge, DSS) som råstoff i en studie for å produsere produkter med høyere verdi. Som prosess benyttes er hydrotermisk omdanning (hydrothermal liquefaction, HTL), en depolymeringsprosess brukt for å produsere bioolje fra kloakkslam ved hjelp av høy temperatur og høyt trykk. Det er gjort en systematisk tilnærming ved gjennomføring av HTL på DSS ved bruk av eksperimentelle design for å bestemme hvordan de forskjellige resultatene påvirkes ved justeringer i variablene som brukes. Disse resultatene innebærer blant annet oljeutbytte, karbongjenvinning, og hydrogen/karbon (H/C)-ratio og oksygen/karbon (O/C)-ratio. I tillegg er de produserte biooljene analysert ved hjelp av gasskromatografi – massespektrometri for å bestemme sammensetningen av oljene, for igjen å finne bruksområder for oljen.

Avhandlingen er delt inn i tre artikler. Den første artikkelen er en screeningprosess av variabler det er kjent at har effekter på andre råstoffer. Denne artikkelen gir informasjon om resultater som oljeutbytte, karbongjenvinning og atomiske ratioer mellom H/C og O/C. I tillegg gir den en grovinndeling av komponentsammensetningen i biooljene. Den andre artikkelen ser på de samme resultatene som artikkel 1, men er en systematisk tilnærming for å vurdere effektene av fem variabler, blant annet en oppskalering fra en 25 mL reaktor til en 5,3 L reaktor. Artikkelen bestemmer også hvilke komponenter det er mest av i oljene. Den tredje artikkelen studerer noen kjente forurensninger i kloakkslam, nemlig farmasøytisk aktive komponenter (pharmaceutically active compounds, PhACs) og hva so skjer med disse under HTL-prosessen. Det er kjent at kloakkslam, inkludert utråtnet kloakkslam, inneholder forskjellige typer PhACs, noe som er problematisk ved videre bruk, for eksempel til jordforbedring og deponering. Derfor fokuserer den tredje artikkelen på å se på hvilken effekt HTL har på fire forskjellige PhACs, for å finne graden av nedbrytning. Det organiske produktet blir analysert ved gasskromatografi – massespektrometri for å bestemme hvilke komponenter som dannes i nedbrytningen.

I avhandlingen vises et høyt utbytte av biooljen på opptil rundt 70 %, med karbongjenvinning på opptil 83 %. H/C-ratioen og O/C-ratioen har en betydelig forbedring fra råstoffet. Disse verdiene beholdes også ved oppskalering til reaktor på 5,3 L. Oljene analyseres for å finne brukbare komponenter. Typen forbindelse det er mest av er fettsyrer, som kan brukes i produksjonen av biodiesel (som fettsyremetylester, fatty acid methyl ester, FAME). Det viser seg også at uønskede komponenter i form av farmasøytiske forbindelser blir fullstendig nedbrutt, og skjema for nedbrytningsprosessen legges frem. Dette gir verdifull informasjon med tanke på hvilke komponenter som produseres fra PhACs, og også hva som kan forventes fra produkter med lignende oppbygning som de som er testet i dette arbeidet.

I helhet gir avhandlingen veldig lovende resultater for videre forskning og for videre oppskalering mot industrialisering. Store mengder brukbar olje blir produsert, med gode nivåer for H/C og O/C. Prosessen reduserer også mengden av et avfallsprodukt man tidligere ikke har hatt et godt bruksområde til.

The United Nations sustainable development goals clearly state the measures needed to accomplish the goal of critically reducing the climate changes. Among these measures, the need to utilise sustainable feedstocks and make cities more sustainable, as well as ensuring sustainable energy for all, are found. To accommodate this, we need to reconsider where to find potential feedstocks, and waste materials are some of the materials that need a higher level of utilisation. By utilising our waste materials in a higher manner, we can become less dependent on crude oil, which is a vital point to reduce the CO2-levels in our atmosphere.

This thesis utilises the waste material of sewage sludge after anaerobic digestion (digested sewage sludge, DSS) in the search to produce a material of increased value. The process used is hydrothermal liquefaction (HTL), which is a depolymerisation process used to produce a bio-oil from the feedstock by means of elevated temperature and pressure. When performing this process on DSS, a systematic approach is used by experimental designs to determine which factors contribute to the different outputs wanted, such as oil yield, carbon recovery, hydrogen/carbon (H/C)- and oxygen/carbon (O/C)-ratios. In addition, the bio-oils produced are analysed by gas chromatography – mass spectrometry to determine the contents of the oils, to further consider the application areas of the oil.

The thesis is divided into three papers. The first paper performs a screening of factors known to have an effect on other feedstocks, providing information of oil yields, carbon recoveries, and atomic ratios between H/C and O/C, as well as the composition of the bio-oils in a rough distribution of compound classifications. The second paper, while looking at the same outputs, is a systematic methodology to consider the effects of five factors, including upscaling from a 25 mL reactor to a 5.3 L reactor. It also determines the most abundant compounds in the oils. The third paper considers some of the known contaminants of sewage sludge, namely pharmaceutically active compounds (PhACs). Sewage sludge, and also digested sewage sludge, is known to contain different kinds of PhACs, which forms a problem for further utilisation as soil improvers. Thus, the third paper studies the effect of four PhACs when treated to the conditions of HTL, to find the level of degradation and the effect the HTL has on these PhACs. The organic product is analysed by gas chromatography – mass spectrometry to determine the degraded compounds.

The results obtained in this thesis show a high bio-oil yield output, with oil yields of around 70 % and carbon recoveries of up to 83 %. The H/C-ratio and O/C-ratio are significantly improved from the feedstock. These values are kept at high levels even after upscaling to the 5.3 L reactor. The oils are analysed to find useful compounds, the most abundant being fatty acids, which is useable for biodiesel (commonly used as fatty acid methyl esters, FAME). Unwanted products of pharmaceutically active compounds are shown to be completely degraded, and degradation schemes are shown, providing valuable information as to which compounds are produced from the PhACs, and thus what can be expected from similar compounds.

In total, the thesis provides results that are very promising for further research and upscaling towards an industrialisation. High amounts of useable oils are produced, with good levels of H/C and O/C, all of which reduces a waste compound which, until now, did not have a good utilisation area.