Nutrient recovery from a wastewater treatment plant for agricultural applications in the context of the circular economy: a sustainable analysis
Visualitza/Obre
Estadístiques de LA Referencia / Recolecta
Inclou dades d'ús des de 2022
Cita com:
hdl:2117/361674
Correu electrònic de l'autorbacardicarlesgmail.com
Tipus de documentProjecte Final de Màster Oficial
Data2021-10-26
Condicions d'accésAccés obert
Llevat que s'hi indiqui el contrari, els
continguts d'aquesta obra estan subjectes a la llicència de Creative Commons
:
Reconeixement 3.0 Espanya
Abstract
El fòsfor és considerat un recurs essencial degut a la seva importància en el desenvolupament de
plantes, animals i humans. Es tracta d’un recurs no renovable i com a conseqüència al ràpid creixement
de la població mundial, la demanda de fòsfor per a aliments i fertilitzants per a cultius es veurà
inevitablement augmentada, situant les seves reserves en risc d’esgotament, la extinció de les quals es
preveu durant el pròxim segle. Per altra banda, el contingut de nitrogen al sòl és limitat, el que es
pretèn resoldre mitjançant la seva fixació en les seves formes reactives com els aminoàcids, nitrats i
amoni; no obstant, la fixació natural del nitrogen no és suficient per a cobrir tota la demanda energètica
i alimentària de la creixent població mundial, pel que la seva producció antropogènica està sorgint
actualment mitjançant processos industrials (procés Haber–Bosch) amb un alt cost energètic i altes
emissions de GEH.
En aquest treball, es va dur a terme una avaluació ambiental i econòmica de la recuperació de fòsfor i
nitrogen d’una EDAR i la seva posterior aplicació com a fertilitzants en un camp de cultiu.
Posteriorment, es va procedir a la comparació d’aquesta configuració amb l’aplicació directa de
fertilitzants minerals comercials al camp de cultiu. Per a la comparació de les dues alternatives es van
dur a terme tant un anàlisi de cicle de vida (ACV) com un anàlisi de cost de cicle de vida (CCV). L’ACV es
va dur a terme mitjançant el software OpenLCA v1.10.2 i la base de dades ecoinvent v3.6.
La configuració de la línia de fangs a avaluar es va implementar a gran escala a l’EDAR Murcia-Este i es
va basar en la producció d’una corrent enriquida amb PO4
- a partir del procés d’elutriació de fangs en
els espessidors primaris. La corrent rica en fòsfor es va tractar en una unitat de cristal·lització
d’estruvita, precipitant com a fosfats, amoni i magnesi en forma de perles d’estruvita. La recuperació
de nitrogen en forma de sals d’amoni (p.e., nitrat d’amoni) es va realitzar mitjançant columnes d’
intercanvi iònic de zeolita com a procés de preconcentració i una etapa de contactors de membrana
de fibra buida (HFMC).
En la majoria de categories ambientals, l'escenari de recuperació de nutrients va resultar en majors
impactes ambientals respecte a l'escenari base, atribuïts principalment als alts consums d'àcid nítric i
sulfat de potassi. Els resultats de l'ACV van suggerir la necessitat d’estratègies de millora de
l'acompliment ambiental de l'escenari de recuperació de nutrients centrant-se en la reducció dels
consums d'aquests fertilitzants. A més, com s'esperava, l'anàlisi CCV va resultar en costos més elevats
per a l'escenari de recuperació de nutrients. Finalment, després d'analitzar els resultats, es podria
plantejar el disseny d'un pla de negoci entorn a el model de recuperació de nutrients avaluat i els
nutrients recuperats per al seu ús com a fertilitzants per tal de promoure la transició d'un model
d'economia lineal a un model d'economia circular tenint en compte els aspectes mediambientals,
econòmics, aspectes tècnics i socials que pogués comportar. El fósforo es considerado un recurso esencial debido a su relevancia en el desarrollo de las plantas,
animales y humanos. Se trata de un recurso no renovable y como consecuencia al rápido crecimiento
de la población mundial, la demanda de fósforo para alimentos y fertilizantes para cultivos se verá
aumentada inevitablemente, poniendo sus reservas en riesgo de agotamiento. Por otro lado, el
contenido de nitrógeno en el suelo es limitado, lo que se pretende solventar mediante la fijación de
este en sus formas reactivas como aminoácidos, nitratos y amonio; no obstante, la fijación natural del
nitrógeno no es suficiente para cubrir toda la demanda energética y alimenticia de la creciente
población mundial, por lo que su producción antropogénica está surgiendo actualmente mediante
procesos industriales (proceso Haber–Bosch) con un alto coste energético y altas emisiones de GEI.
En el presente estudio, se realizó una evaluación ambiental y económica de la recuperación de fósforo
y nitrógeno de una EDAR y su posterior aplicación como fertilizantes en un campo de cultivo.
Posteriormente, se llevó a cabo la comparación con la aplicación de fertilizantes inorgánicos
comerciales directamente en el campo de cultivo. Para comparar las dos alternativas, se llevaron a
cabo tanto un análisis de ciclo de vida (ACV) como un análisis de coste de ciclo de vida (CCV). El ACV se
realizó a través del software OpenLCA v1.10.2 y la base de datos ecoinvent v3.6.
La configuración de la línea de lodos a evaluar se implementó a gran escala en la EDAR Murcia-Este y
se basó en la producción de una corriente enriquecida con PO4
- a partir de elutriación de lodos en los
espesadores primarios. La corriente rica en fósforo se trató en una unidad de cristalización de estruvita,
precipitando como fosfatos, amonio y magnesio en forma de perlas de estruvita. La recuperación de
nitrógeno como sales de amonio (p.e., nitrato de amonio) se llevó a cabo mediante columnas de
intercambio iónico de zeolita como proceso de preconcentración y una etapa de contactores de
membrana de fibra hueca (HFMC).
En la mayoría de categorías ambientales, el escenario de recuperación de nutrientes resultó en
mayores impactos ambientales respecto al escenario base, atribuidos principalmente a los altos
consumos de ácido nítrico y sulfato de potasio. Los resultados del ACV sugirieron la necesidad de
estrategias de mejora del desempeño ambiental de este escenario centrándose en la reducción de los
consumos de estos fertilizantes. Además, como se esperaba, el análisis CCV resultó en costes más
elevados para el escenario de recuperación de nutrientes. Finalmente, tras analizar los resultados, se
podría plantear el diseño de un plan de negocio entorno al modelo de recuperación de nutrientes
evaluado y los nutrientes recuperados para su uso como fertilizantes con el fin de promover la
transición de un modelo de economía lineal a un modelo de economía circular teniendo en cuenta los
aspectos medioambientales, económicos, aspectos técnicos y sociales que pudiera conllevar. Phosphorous is considered as an essential resource since it plays a key role in the development of
plants, animals and humans. It is a non-renewable resource and as a consequence to the fast growth
of the world population, phosphorous demand for food and fertilizers for crops will increase inevitably
putting its reserves in risk of depletion, which are estimated to be exhausted in the next century. On
the other hand, nitrogen content in soils is limited, which is proposed to be sold by fixing it in reactive
forms such as amino-acids, nitrate and ammonia; however, natural fixing is insufficient for covering all
the food and energy demand of the rising world population, so the anthropogenic production of
nitrogen is currently emerging by industrial processes(i.e., Haber–Bosch process) that are high energy
intensive and produce significant GHG emissions.
In this work, an environmental and economic assessment of phosphorus and nitrogen recovery from
a wastewater treatment plant and their further application as fertilizersin a crop field was carried out.
Later on, it was compared with the crop field application of commercial mineral fertilizers. To compare
both alternatives, a lifecycle assessment (LCA) and a lifecycle costing (LCC) were carried out. The LCA
was performed by means of the software OpenLCA v10.1.2 and the ecoinvent v3.6 database.
The sludge line configuration to be assessed was full-scale implemented in Murcia-Este wastewater
treatment plant (WWTP) and it was based on the production of a PO4-enriched stream from sludge via
elutriation in the primary thickeners. Phosphorus rich stream was treated in a struvite crystallizer unit,
precipitating as phosphates, ammonium and magnesium as struvite beads, while nitrogen recovery as
ammonium salts (e.g., ammonium nitrate) was recovered by means of zeolite ion exchangers columns
as a pre-concentration process and a hollow fibber membrane contactors (HFMC) stage to produce
liquid fertilizer.
In most of environmental categories, nutrient recovery scenario resulted in higher environmental
impacts than baseline scenario, which were mainly attributed to high requirements of nitric acid and
potassium sulphate, directly applied on the crop field and in the case of nitric acid also in the
ammonium nitrate recovery unit. LCA results suggested that some strategies would be needed to
improve the environmental performance of the nutrient recovery scenario focusing on the reduction
of these fertilizers requirements. Moreover, as expected, LCC analysis resulted in higher costs for
nutrient recovery scenario. Finally, after analysing the results, a business plan around the assessed
nutrient recovery model and the recovered nutrients for their use as fertilizers could be designed in
order to promote the transition from a linear economy model to a circular economy model taking into
consideration the environmental, economic, technical and social aspects that could entail.
MatèriesPhosphorus, Sewage -- Purification, Nytrogen, Fertilizers, Fòsfor, Aigües residuals -- Depuració, Nitrogen, Adobs
TitulacióMÀSTER UNIVERSITARI EN ENGINYERIA QUÍMICA (Pla 2019)
Col·leccions
Fitxers | Descripció | Mida | Format | Visualitza |
---|---|---|---|---|
Carles Bacardí Godoy - Masters Thesis Report.pdf | 1,159Mb | Visualitza/Obre |