Disseny, construcció i operació d'una cel·la d'electròlisi microbiana (MEC) submergida per a la recuperació d'amoni

Abstract

Currently, there is a major issue with the slurries generated on farms, due to the emissions produced during their storage and treatment. These slurries are rich in ammonia, a highly volatile component that, when released, causes various environmental problems such as acidification, secondary generation of N2O with a significant greenhouse effect, and its oxidation to nitrate, which can contaminate groundwater. On the other hand, the nitrogen present in slurries, if recovered, can be used to produce organic fertilizers and prevent pollution caused by synthetic fertilizers. Bioelectrochemical systems are a novel biotechnological process that allows for the recovery of the ammonia present in livestock manure. The objective of this project is to design, construct, and operate a Microbial Electrolysis Cell (MEC) that can be submerged in a slurry pond to recover ammonia. Initially, laboratory experiments have been conducted with two prototype cells of different sizes, with the ultimate goal of scaling up and implementing the system in a slurry pond on a farm. The first designed prototype is called the small MEC, which has a CMI-7000 cation exchange membrane containing the cathode compartment, with a volume of 0.22 L. The MEC has been placed in a 1.70 L container for the initial experiments. The second prototype is the large MEC, constructed with a NAFION membrane sack that also contains the cathode compartment, with a volume of 1.22 L. In this case, the experiments have been carried out by submerging the MEC in a 40 L acrylic tank. Both cathodic compartments contain a recirculating NaCl solution (0.1 g/L) using an external bottle. The anode (carbon felt), where microorganisms adhere to form a biofilm, is wrapped around the membrane externally. In the case of the small MEC, it was initially submerged in a synthetic solution (COD, 16 g/L; N-NH4+, 1 g/L) with continuous feeding. After 50 days, a change in the solution was made, and the test was performed discontinuously using slurries (CODt, 22 g/L; N-NH4+, 1.2 g/L). The maximum current density achieved with the synthetic feed was 0.18 A/m2, with a maximum nitrogen transfer of 0.58 g/m2/d. Once the feed was changed to slurry, the maximum nitrogen transfer reached 1.99, with the highest current density of 0.39 A/m2. In the case of the large MEC, it was initially submerged in a synthetic solution (COD, 16 g/L; N-NH4+, 1 g/L). After 84 days, the synthetic solution was replaced with slurries (CODt, 22 g/L; N-NH4+, 1 g/L). With the synthetic solution, the maximum current density achieved was 0.76 A/m2, and the highest nitrogen flux transferred through the membrane was 3.2 g/m2/d. When submerged in slurries, the nitrogen transfer increased to 4.9 g/m2/d, with a maximum current density of 1.7 A/m2. In conclusion, it can be said that in both prototypes, both the small MEC and large MEC, there are much more stable values and a higher recovery of nitrogen in the slurry solution. Based on the obtained results, it can be concluded that scaling up the prototype for its application in slurry ponds will be feasible, although the conditions may vary.

Actualmente hay una gran problemática con los purines que se generan en las granjas, debido a las emisiones que se producen en su almacenamiento y tratamiento. Estos purines son ricos en amonio, un componente muy volátil que al emitirse genera diversas problemáticas ambientales, acidificación, generación secundaria de N2O con un alto efecto invernadero y su oxidación a nitrato, que puede contaminar las aguas subterráneas. Por otro lado, el nitrógeno presente en los purines, si logramos recuperarlo, se puede utilizar para producir fertilizantes orgánicos y evitar contaminaciones por el uso de fertilizantes sintéticos. Los sistemas bioelectroquímicos son un novedoso proceso biotecnológico que permite recuperar el amonio presente en las deyecciones ganaderas. El objetivo de este proyecto es el diseño, construcción y operación de una MEC, del inglés "Microbial Electrolysis Cell", que pueda sumergirse en un estanque de purines y así recuperar el amonio. Inicialmente, se han realizado experimentos en el laboratorio con dos prototipos de células, de diferentes tamaños, con el objetivo final de escalarlo e implementar el sistema en un estanque de purines de una granja. El primer prototipo diseñado fue la llamada MEC pequeña, con una membrana de intercambio catiónico CMI-7000 que contiene en su interior el compartimento del cátodo y que tiene un volumen de 0,22 L. La MEC se ha introducido en un recipiente de 1,70 L para realizar los primeros experimentos. El segundo prototipo diseñado, la MEC grande, se ha construido con un saco de membrana de NAFION que contiene también el compartimento del cátodo de 1,22 L. En este caso, los experimentos se han realizado sumergiendo la MEC en un tanque de metacrilato de 40 L. Ambos compartimentos catódicos contienen una solución de NaCl (0,1g/L) que recircula con una botella externa. Alrededor de la membrana, externamente, se enrolla el ánodo (carbon felt), donde los microorganismos se adhieren formando un biofilm. En el caso de la MEC pequeña, inicialmente se sumergió en una solución sintética (DQOs, 16 g/L; N-NH4+, 1 g/L) con una alimentación continua. Pasados 50 días, se realiza un cambio en la solución y se realiza el ensayo en discontinuo con purines (DQOt, 22 g/L; N-NH4+, 1,2 g/L). La densidad de corriente máxima alcanzada con la alimentación en sintético es de 0,18 A/m2 y una transferencia de N máxima de 0,58 g/m2/d. Una vez se hace el cambio de alimentación a purín, el máximo nitrógeno transferido fue de 1,99 g/m2/d y la densidad de corriente más alta de 0,39 A/m2. En el caso de la MEC grande, en primer lugar, se sumergió con solución sintética (DQOs, 16 g/L; N-NH4+, 1 g/L). Después de 84 días, la solución sintética se reemplazó por purines (DQOt, 22 g/L; N-NH4+, 1 g/L). Con la solución sintética, la densidad de corriente máxima alcanzada fue de 0,76 A/m2 y el mayor flujo de nitrógeno transferido a través de la membrana fue de 3,2 g/m2/d. La MEC sumergida en purines incrementó la transferencia de nitrógeno hasta 4,9 g/m2/d, con una densidad de corriente máxima de 1,7 A/m2. Como conclusión, se puede decir que, en ambos prototipos, tanto la MEC pequeña como la MEC grande, tienen valores mucho más estables y una mayor recuperación de nitrógeno en solución de purines. A partir de los resultados obtenidos, se puede concluir que será viable escalar el prototipo para su aplicación en los estanques de purines, aunque las condiciones pueden variar.

Actualment hi ha una gran problemàtica amb els purins que es generen a les granges, degut a les emissions que es produeixen en el seu emmagatzematge i tractament. Aquests purins són rics en amoni, un component molt volàtil i que en emetre’s genera diverses problemàtiques ambientals, acidificació, generació secundaria de N2O amb un alt efecte hivernacle i la seva oxidació a nitrat, que pot contaminar les aigües subterrànies. Per altre costat el nitrogen present als purins, si l’aconseguim recuperar, es pot utilitzar per produir fertilitzants orgànics i evitar contaminacions per l’ús de fertilitzants sintètics. Els sistemes bioelectroquímics, és un novedos procés biotecnològic que permet recuperar l’amoni present a les dejeccions ramaderes. L’objectiu d’aquest projecte és el disseny, construcció i operació d’una MEC, de l’anglès Microbial Electrolysis Cell, -que es pugui submergir en una bassa de purins i així recuperar l’amoni. Inicialment, s’han realitzat els experiments al laboratori amb dos prototips de cel·les, amb diferents mides, amb l’objectiu final d’escalar-lo i implementar el sistema en una bassa de purins d’una granja. El primer prototip dissenyat va ser l’anomenada MEC petita, amb una membrana d’intercanvi catiònic CMI-7000 que conté a l’interior el compartiment del càtode i que té un volum de 0,22 L. La MEC s’ha introduït en un recipient de 1,70 L per tal de realitzar els primers experiments. El segon prototip dissenyat, la MEC gran, s’ha construït amb un sac de membrana de NAFION que conté també el compartiment del càtode de 1,22 L. En aquest cas els experiments s’han realitzat submergint la MEC en un tanc de metacrilat de 40 L. Ambdós compartiments catòdics conten una solució de NaCl (0,1g/L) que recircula amb una ampolla externa. Al voltant de la membrana, exteriorment, s’enrotlla l’ànode (carbon felt) -que és on els microorganismes s’adhereixen formant un biofilm. En el cas de la MEC petita, inicialment es va submergir en una solució sintètica (DQOs, 16 g/L; N-NH4+, 1 g/L) amb una alimentació en continu. Passats 50 dies, es fa un canvi en la solució i es va realitzar l’assaig en discontinu amb purins (DQOt, 22 g/L; N-NH4+, 1,2 g/L). La densitat de corrent màxima assolida amb l’alimentació en sintètic és de 0,18 A/m2 i un N transferit màxim de 0,58 g/m2/d. Una vegada es fa el canvi d’alimentació a purí, el màxim nitrogen transferit va ser de 1,99 g/m2/d i la densitat de corrent més elevada de 0,39 A/m2. En el cas de la MEC gran, primerament, es va submergir amb solució sintètica (DQOs, 16 g/L; N-NH4+, 1 g/L). Després de 84 dies, la solució sintètica es va reemplaçar per purins (DQOt, 22 g/L; N-NH4+, 1 g/L). Amb la solució sintètica, la densitat de corrent màxima assolida va ser de 0,76 A/m2 i el major flux de nitrogen transferit per la membrana va ser de 3,2 g/m2/d. La MEC submergida en purins, el nitrogen transferit va incrementar fins 4,9 g/m2/d, amb una densitat de corrent màxima de 1,7 A/m2. Com a conclusió, es pot dir que en ambdós prototips, tant la MEC petita com la MEC gran, tenen valors molt més estables i una major recuperació de nitrogen en solució de purins. A partir dels resultats obtinguts, es pot concloure que serà viable escalar el prototip per la seva aplicació en les basses de purí, tot i que les condicions poden variar.