Sewage sludge disposal routes : thermal treatments and energy recovery

Sewage sludge management has been getting continuously increasing attention in EU; directives and good environmental practices prescribe to switch from the actual disposal routes. After having assessed the extent of the issue and performed an overview of the current situation, the present thesis aims at comparing the energetic performance of established and innovative thermal conversion routes, the disposal macro-category identified as the main increasing one in the next future. A SWOT analysis of the candidate energy recovery processes is included, as preliminary study before modeling. Then, several investigations, comprising also Aspen models, regarding sludge energy behavior in the different routes have been developed. The sludge characteristics, namely composition and lower heating value, have been taken in consideration all along the work. The concept of Waste Hierarchy has been representing a constant in the technologies evaluation. Co-incineration of sludge in a waste-to-energy plant is a viable option, although the R1 index is decreased, and the actually available capacity has to be considered for the sludge amount to dispose of. Dewatered sludge (25% dry solid) incineration can be auto-thermal, if preheated air temperature is adjusted according to the type of sludge, ranging from ambient temperature to 650 °C. Sludge feeding in mono-incineration plant can lead to a specific net electric power production of 0.49 kWh/kg of dry raw sludge and 0.26 kWh/kg of dry digested sludge, generated by means of a heat-recovery steam cycle. The incineration plants inadequacy to small-scale application, due to both economic and environmental reasons, could promote innovative technologies development for sludge management. Pyrolysis-based model simulation results show that, although energy recovery is still quite far from being achieved, the process has the capability of disposing of raw primary sludge without supplementary fuel consumption, while for digested sludge, anyway, the consumption is contained. This result, together with the possibility of wide improvements through process optimization and better knowledge gaining, makes pyrolysis a promising low energy and environmentally sustainable thermal route for sludge disposal.

In Europa, la gestione dei fanghi di depurazione attira attenzione sempre crescente; direttive e buona pratiche ambientali prescrivono di trovare soluzioni diverse dalle modalità di smaltimento attualmente perseguite. Dopo aver valutato l'entità del problema ed eseguito una panoramica della situazione attuale, la presente tesi si propone di confrontare le performance energetiche di percorsi di conversione termica, sia consolidati che innovativi, essendo questa stata identificata come la principale macro-categoria di smaltimento/recupero in aumento nel prossimo futuro. Un’analisi SWOT dei processi candidati a recupero di energia è inclusa, come studio preliminare alla modellazione. Segue lo sviluppo di alcuni studi, che comprendono anche modelli in Aspen PLUS, riguardanti il comportamento energetico dei fanghi nei diversi percorsi. Le caratteristiche dei fanghi, vale a dire composizione e potere calorifico inferiore, sono state prese in considerazione lungo tutto il lavoro. La nozione di gerarchia dei rifiuti ha inoltre rappresentato una costante nella valutazione delle tecnologie. Il co-incenerimento dei fanghi in un termovalorizzatore di rifiuti è una valida opzione, sebbene l’indice R1 venga ridotto, e la capacità effettivamente disponibile debba essere considerata per comprendere la quantità di fanghi che può essere smaltita. L’incenerimento di fanghi disidratati (al 25% di sostanza secca) può essere auto-termico, se la temperatura di preriscaldamento dell’aria è regolata in base al tipo di fango, da temperatura ambiente fino a 650 °C. L’utilizzo di fanghi in un impianto di mono-incenerimento può portare a una produzione di potenza elettrica specifica lorda di 0.49 kWh/kg di fanghi secchi, se grezzi, e di 0.26 kWh/kg di fanghi secchi, se digeriti, generata mediante un ciclo a vapore a recupero. L’inadeguatezza degli impianti di incenerimento in applicazioni di piccola scala, dovuta a ragioni sia economiche che ambientali, potrebbe favorire lo sviluppo di tecnologie più innovative per la gestione dei fanghi. I risultati della simulazione del modello di pirolisi mostrano che, sebbene il processo sia ancora abbastanza lontano dal produrre un output di energia netto, esso prensenta la capacità di smaltire fanghi grezzi senza l’utilizzo di combustibile supplementare, mentre per i fanghi digeriti tale consumo è comunque contenuto. Questo risultato, insieme alla possibilità di ampi miglioramenti ottenibili attraverso ottimizzazione e una più profonda conoscenza del processo, rende la pirolisi un’opzione di smaltimento promettente, in qualità di trattamento termico a bassa energia, e sostenibile in termini ambientali.