Análisis de la dinámica del nitrógeno en un sistema continuo acoplado contactor de membrana hidrofóbica / reactor anaerobio

Abstract

Currently the management of organic waste has become a major problem due to the fact that a bad management can produce emissions of greenhouse gases into the atmosphere and leaching of this waste can seep into contaminating aquifers. One of the ways to manage organic waste is from anaerobic digestion, producing methane. However, one of the limitations for anaerobic production process is the accumulation of ammonia nitrogen that is obtained from the degradation of compounds with high nitrogen content. The accumulation of high amounts of nitrogen produces serious problems to the methanogenic bacteria, inhibiting or even inactivating them. Consequently, an accumulation of fatty acids and a drastic drop in pH in the reactor is given. It is therefore important to develop methods for removing ammonia nitrogen or extracting ammonia nitrogen. For this purpose, in this work it is studied the feasibility of using hydrophobic membranes which allow the passage of gases, but not soluble aqueous products. Thus allowing passage of nitrogen as free ammonia, since it mostly remains gaseous form. In this work, not only was intended to verify that hydrophobic membranes are a good method to remove ammonia in an anaerobic digester, but also to study whether less ammonia nitrogen promoted a higher COD degradation and an increased production of biogas. In order to make this study, three anaerobic continuous stirred digesters at 35ºC where operated, with different ratios between the membrane area and the useful reactor volume, with the following ratios: 1 to reactor 1 (R1), 1.6 to reactor 3 (R3) and without membrane to reactor 2 (R2). Once at steady state, it was found that the nitrogen removal was 60 and 67 % of the influent in R1 and R3, respectively. A high COD degradation due to nitrogen removal was achieved by membrane reactors, obtaining 90% and 85% in R1 and R3, respectively, while a degradation of 78% was achieved in the reactor without membrane. Regarding biogas, an increase of 55.7 and 78.8 % in the reactor R1 and R3 was reached respectively, compared to the reactor R2.

Actualment la gestió dels residus orgànics s'ha convertit en una gran problemàtica. Això és degut al fet que una mala gestió pot produir emissions de gasos d'efecte hivernacle a l'atmosfera i els lixiviats d'aquests residus poden filtrar-se en aqüífers contaminant-los. Una de les maneres de gestionar els residus orgànics és a partir de la digestió anaeròbia, produint metà. No obstant això, una de les limitacions per al procés de la producció anaeròbia és l'acumulació de nitrogen amoniacal que s'obté de la degradació de compostos amb un alt contingut en nitrogen. L'acumulació d'altes quantitats de nitrogen produeix problemes seriosos en els bacteris metanogènics, inhibint-les, o fins i tot arribant a inactivar-les. En conseqüència, es dóna una acumulació d'àcids grassos i una caiguda dràstica de pH en el reactor. Per tant, és important el desenvolupament de mètodes per eliminar el nitrogen amoniacal o extreure el nitrogen amoniacal. Amb aquesta finalitat, en el present treball, s'estudia la viabilitat de l'ús de membranes hidrofòbiques les quals permeten el pas de gasos, però no de productes aquosos. Per tant, permeten el pas del nitrogen en forma d'amoníac ja que majoritàriament es manté forma gasosa. A partir d'aquest treball, no només es pretenia comprovar que les membranes hidrofòbiques són un bon mètode per eliminar l'amoníac en un digestor anaerobi, sinó que a més una presència de nitrogen amoniacal menor fomentava una degradació de DQO major i una major producció de biogàs. Per realitzar l'estudi, es van operar 3 digestors anaerobis , agitats i a 35ºC , amb diferents relacions entre l'àrea de membrana i el volum útil de reactor, amb uns valors de 1 per al reactor 1 (R1), de 1,6 per al reactor 3 (R3) i sense membrana en el reactor 2 (R2). Un cop a estacionari , es va comprovar que l'eliminació de nitrogen va ser de 60 i 67% de l'influent en R1 i R3 respectivament. A partir de l'eliminació de nitrogen es va aconseguir una degradació de DQO més elevada en els reactors amb membrana, obtenint un 90% i un 85% en R1 i R3, mentre que en el reactor sense membrana es va obtenir una degradació del 78%. Pel que correspon al biogàs es va aconseguir un augment en comparació amb el reactor R2 del 55,7 i 78,8 % en el reactor R1 i R3, respectivament.

Actualmente la gestión de los residuos orgánicos se ha convertido en una gran problemática. Esto es debido a que una mala gestión puede producir emisiones de gases de efecto invernadero a la atmósfera y los lixiviados de estos residuos pueden filtrarse en acuíferos contaminándolos. Una de las maneras de gestionar los residuos orgánicos es a partir de la digestión anaerobia, produciendo metano. No obstante, una de las limitaciones para el proceso de la producción anaerobia es la acumulación de nitrógeno amoniacal que se obtiene de la degradación de compuestos con un alto contenido en nitrógeno. La acumulación de altas cantidades de nitrógeno produce problemas serios en las bacterias metanogénicas, inhibiéndolas, o incluso llegando a inactivarlas. En consecuencia, se da una acumulación de ácidos grasos y una caída drástica de pH en el reactor. Por tanto, es importante el desarrollo de métodos para eliminar o extraer el nitrógeno amoniacal del digestor. Con esta finalidad, en el presente trabajo se estudió la viabilidad del uso de membranas hidrofóbicas combinadas con digestores anaerobios, las cuales permiten el paso de gases pero no de productos acuosos; por tanto, permiten el paso del nitrógeno en forma de amoníaco. Paralelamente, se pretendía comprobar que, gracias al empleo de las membranas hidrofóbicas, se mejoraba la degradación de materia orgánica (cuantificada como DQO) y la producción de biogás, por la reducción de la inhibición debida al amoníaco. Para realizar el estudio, se operaron tres digestores anaerobios, agitados y a 35ºC, con diferentes relaciones entre el área de membrana y el volumen útil de reactor, con unos valores de 1 Para el reactor 1 (R1), de 1,6 para el reactor 3 (R3) y sin membrana en el reactor 2 (R2). Una vez en estado estacionario, se comprobó que la eliminación de nitrógeno fue de 60 y 67% del influente en R1 y R3, respectivamente. A partir de la eliminación de nitrógeno se consiguió una degradación de DQO mayor en los reactores con membrana, obteniendo un 90% y un 85% en R1 y R3, respectivamente, mientras que en el reactor sin membrana se obtuvo una degradación del 78%. Por lo que corresponde al biogás se alcanzó un aumento respecto al reactor R2 del 55,7 y 78,8% en el reactor R1 y R3, respectivamente.