APRÈN. Portal de la producció docent del professorat de la UPC

La transformació de biogàs a biometà millora el seu ús com a substitut del gas natural i com a combustible per a vehicles, a més de reduir les emissions de gasos d'efecte hivernacle. S'ha utilitzat un contactor de membrana de fibra buida i s'ha investigat l'ús d'amoníac aquós renovable com a absorbent, avaluant diversos paràmetres operatius per al CO2 i CH4. S'ha comparat la seva eficiència amb altres absorbents com la monoetanolamina (MEA) i l'aigua. Els resultats han mostrat que, en utilitzar aigua, l'eliminació màxima de CO2 va ser del 75% amb un augment en la relació gas-líquid (G/L) de 0,5 a 1,5, mentre que amb MEA al 1 M, l'eliminació va superar el 98% en augmentar la G/L de 1 a 20. S'ha utilitzat una solució sintètica de NH4OH per avaluar diferents relacions i concentracions, aconseguint mantenir les concentracions de CH4 i CO2 dins dels límits legals. S'han provat solucions renovables d'amoníac de sistemes MEC a escala de laboratori, obtenint resultats interessants amb una solució de 0,132 M i una G/L de 3. També s'han realitzat proves amb biogàs real de diverses indústries, on s'ha concentrat l'amoníac a 0,255 M, aconseguint eficiències d'eliminació superiors al 95% amb una G/L de 10. A 0,311 M, l'eficiència es va mantenir per sobre del 90% fins a una relació de 12, obtenint concentracions adequades de CH4 i CO2 per a la injecció a la xarxa.

La transformación de biogás a biometano mejora su uso como sustituto del gas natural y como combustible para vehículos, además de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Se utilizó un contactor de membrana de fibra hueca y se investigó el uso de amoníaco acuoso renovable como absorbente, evaluando varios parámetros operativos para el CO2 y CH4. Se comparó su eficiencia con otros absorbentes como la monoetanolamina (MEA) y agua. Los resultados mostraron que, al usar agua, la eliminación máxima de CO2 fue del 75% con un aumento en la relación gas-líquido (G/L) de 0.5 a 1.5, mientras que con MEA al 1 M, la eliminación se mantuvo superior al 98% al aumentar la G/L de 1 a 20. Se utilizó una solución sintética de NH4OH para evaluar diferentes relaciones y concentraciones, logrando mantener las concentraciones de CH4 y CO2 dentro de los límites legales. Se probaron soluciones renovables de amoníaco de sistemas MEC a escala de laboratorio, obteniendo resultados interesantes con una solución de 0.132 M y una G/L de 3. También se realizaron pruebas con biogás real de diversas industrias, donde se concentró el amoníaco a 0.255 M, logrando eficiencias de eliminación superiores al 95% con una G/L de 10. A 0.311 M, la eficiencia se mantuvo por encima del 90% hasta una relación de 12, obteniendo concentraciones adecuadas de CH4 y CO2 para inyección en la red.

Slurry management on pig farms, especially fattening pigs, is a critical environmental concern due to ammonia (NH3) and greenhouse gas (GHG) emissions. This project proposes the design, construction and operation of a submerged Microbial Electrolysis Cell (sub-MEC) system for the recovery of ammonium (NH4+) and the reduction of emissions in slurry storage tanks, improving agricultural sustainability. Experiments began in the laboratory and progressed to a pilot scale. The methodology includes two experimental setups: in the laboratory, two 40 L methacrylate tanks (one with MEC and the other as a control) were used to replicate ideal conditions for ammonium recovery, biogas production and emission control . At pilot scale, two 1 m3 IBC tanks were used under real environmental conditions. The MEC includes a cation exchange membrane that separates the cathode from the anode. In the laboratory, a potentiostat was used to supply power and monitor the voltage and current, while a direct current (DC) power supply was used on the pilot scale. A Lindvall hood was used to measure NH3 and GHG emissions, and analytical methods were applied to monitor the system. The results show that the sub-MEC efficiently recovers ammonium and reduces gas emissions. In the laboratory experiment, 6.44% nitrogen (N) was recovered over two periods. The first period showed higher N recovery with an average current density of 0.19 A/m2, a nitrogen transfer rate of 0.82 gN/m2/day and a Coulombic efficiency of 6.04%. The concentration of NH3 in the tank with MEC was lower than in the control tank, suggesting that a large long-term reduction in NH3 emissions could be achieved. The production of methane (CH4) in the biogas was 16.30% in the first period, increasing to 27.96% in the second. At pilot scale, the MEC system recovered 61.43 gN in 117 days. Regarding NH3 emissions, the MEC tank showed a slightly lower emission rate (ER) (0.15 mg/m2/s) compared to the control tank (0.16 mg/m2/ s). The system's effectiveness in reducing NH3 was demonstrated under controlled conditions, suggesting that the MEC could achieve similar reductions in real environments with longer observation periods. CH4 ER in the MEC tank were lower (0.09 mg/m2/s) than in the control tank (0.15 mg/m2/s). CO2 emissions were slightly higher in the MEC tank, with a ER of 0.13 mg/m2/s compared to 0.10 mg/m2/s in the control. N2O ER were undetectable in both tanks. Overall, the MEC technology is promising for the sustainable management of pig slurry. With continued research and improvement, the sub-MEC system has the potential to improve NH4+ recovery, biogas production and emissions control under real-world conditions.

La gestió del purí a les granges de porcs, especialment de porcs d'engreix, és una preocupació ambiental crítica a causa de les emissions d'amoníac (NH3) i gasos d'efecte hivernacle (GEH). Aquest projecte proposa el disseny, construcció i operació d'un sistema de Cel·la d'Electròlisi Microbiana submergit (sub-MEC) per a la recuperació d'amoni (NH4+) i la reducció d'emissions en tancs d'emmagatzematge de purí, millorant la sostenibilitat agrícola. Els experiments es van iniciar en laboratori i van avançar a una escala pilot. La metodologia inclou dues configuracions experimentals: en laboratori, es van utilitzar dos tancs de metacrilat de 40 L (un amb MEC i l'altre com a control) per replicar condicions ideals de recuperació d'amoni, producció de biogàs i control d'emissions. A escala pilot, es van utilitzar dos tancs IBC d'1 m3 en condicions ambientals reals. La MEC inclou una membrana d'intercanvi catiònic que separa el càtode de l'ànode. En el laboratori, es va utilitzar un potenciostat per subministrar energia i monitorar la tensió i el corrent, mentre que a escala pilot es va emprar una font d'alimentació de corrent continu (CC). A més, es va utilitzar una campana Lindvall per mesurar les emissions de NH3 i GEH, i es van aplicar mètodes analítics per monitorar el sistema. Els resultats mostren que el sub-MEC recupera eficientment l'amoni i redueix les emissions de gasos. En l'experiment de laboratori, es va recuperar un 6,44% de nitrogen (N) durant dos períodes. El primer període va mostrar una major recuperació de N amb una densitat de corrent mitjana de 0,19 A/m2, una taxa de transferència de nitrogen de 0,82 gN/m2/dia i una eficiència coulòmbica del 6,04%. La concentració de NH3 al tanc amb MEC va ser més baixa que en el de control, suggerint que es podria aconseguir una gran reducció a llarg termini en les emissions de NH3. La producció de metà (CH4) al biogàs va ser del 16,30% en el primer període, augmentant al 27,96% en el segon.A escala pilot, el sistema MEC va recuperar 61,43 gN en 117 dies. Pel que fa a les emissions d'NH3, el tanc MEC va mostrar una taxa d'emissió (TE) lleugerament inferior (0,15 mg/m2/s) en comparació amb el tanc de control (0,16 mg/m2/s). L'eficàcia del sistema en la reducció d'NH3 es va demostrar en condicions controlades, suggerint que la MEC podria aconseguir reduccions similars en entorns reals amb períodes més llargs d'observació. Les TE de CH4 al tanc MEC van ser més baixes (0,09 mg/m2/s) que en el tanc de control (0,15 mg/m2/s). Les emissions de CO2 van ser lleugerament més altes al tanc MEC, amb una TE de 0,13 mg/m2/s en comparació amb 0,10 mg/m2/s al control. Les TE de N2O van ser pràcticament indetectables en ambdós tancs. En resum, la tecnologia MEC és prometedora per a la gestió sostenible dels purins de porcs. Amb investigació i millora contínues, el sistema sub-MEC té el potencial de millorar la recuperació de NH4+, la producció de biogàs i el control d'emissions en condicions reals.

This bachelor's thesis project proposes an analysis and evaluation of the impact of the new modification of the European Union's wastewater treatment regulations on the different Wastewater Treatment Plants (WWTP) in Catalonia. This modification was made due to the need to update Directive 91/271/EEC on wastewater treatment, which was drafted over 30 years ago. This revision includes the adoption of new standards regarding water quality, improving environmental preservation and addressing the current environmental challenges by implementing green and sustainable technologies. The project includes the study of a specific treatment plant to develop a predictive model of the costs required to meet the new standards of the Directive. The German ATV-131E Standard was used to estimate that operating costs will increase by 2% due to the use of methanol for denitrification. This increase is reflected in the treatment plants managed by the Catalan Water Agency, calculating a global economic impact. The analysis concludes that technological adaptation and the use of renewable energies are essential to minimize the economic impact and comply with the new environmental requirements, ensuring a more sustainable management of urban wastewater.

El present treball de final de grau proposa una anàlisi i avaluació sobre l'impacte de la nova modificació de la normativa de la Unió Europea sobre el tractament d'aigües residuals per a les diferents Estacions Depuradores d'Aigües Residuals (EDAR) de Catalunya. Aquesta modificació s'ha realitzat per la necessitat d'actualitzar la Directiva 91/271/CEE sobre tractament d'aigües residuals que es va redactar fa més de 30 anys. Aquesta revisió inclou l'adopció de nous estàndards pel que fa la qualitat de les aigües millorant la preservació del medi ambient i afrontant els nous reptes ambientals amb els que es troba actualment el tractament de les aigües residuals, implementant tecnologies verdes i sostenibles. El projecte inclou l'estudi d'una depuradora específica per desenvolupar un model predictiu dels costos necessaris per complir els nous estàndards de la Directiva. Usant com a base de càlcul la Norma ATV-131E Alemanya, s'ha estimat que els costos operatius necessaris per donar compliment al nou límit del nitrogen augmentaran un 2% a causa de l'ús del metanol per la desnitrificació. Aquest increment es reflecteix en les depuradores gestionades per l'Agència Catalana del Aigua (ACA), calculant un impacte econòmic global. L'anàlisi conclou que l'adaptació tecnològica i l'ús d'energies renovables són essencials per minimitzar l'impacte econòmic i complir amb els nous requisits ambientals, assegurant una gestió més sostenible de les aigües residuals urbanes.

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.

Nowadays, livestock manure, especially pig slurry, presents a significant environmental problem. In Catalonia, there are approximately 7.9 million pigs that generate around 9.4 million tons of slurries each year (INE, 2020). This waste not only poses problems for soil and water, but the gases emitted into the atmosphere also contribute to the greenhouse effect. Currently, there are treatment technologies available to reduce the negative effects caused by this type of waste, which holds great potential to be used as an energy source. Among these methods, anaerobic digestion (AD) is one of the most widely used. AD allows the recovery of a large amount of energy contained in organic matter in the form of methane and carbon dioxide-rich biogas, while also obtaining a much more stable digested product. This study examines the effect of adding zerovalent iron nanoparticles (nZVI) to laboratory-scale anaerobic digesters for pig slurry treatment, aiming to increase the production and quality of biogas under psychrophilic conditions (ambient temperature). Experiments have been conducted in two types of configurations: discontinuous, to determine the optimal dosage of nanoparticles (NPs), and afterwards in a continuous system, using a complete mixed tank reactor (continuous stirred tank reactor, CSRT), both under psychrophilic conditions. Monitoring has been carried out, tracking both the biogas and methane production, as well as the characteristics of the final effluent. Discontinuous assay results show that the optimal dosage of NPs to achieve the highest biogas production is 84 mg NP/g VS, compared to the other treatments of 42 and 168 mg NP/g VS. Using the higher dosage, there is inhibition of microbial activity. Continuous results have shown a 10% increase in methane concentration compared to the control reactor. However, a decrease in the total volumetric biogas production has also been observed due to various factors such as temperature, ammonia concentration in the reactor, and changes in the microbial population caused by the presence of the nanoparticles. Based on the obtained results, it can be concluded that the addition of iron particles in anaerobic digestion is an interesting strategy for on-site improvement of biogas production.

Hoy en día las deyecciones ganaderas y en especial los purines de cerdo presentan una problemática medioambiental de gran importancia. En Cataluña hay unos 7,9 millones de cerdos, que cada año generan alrededor de 9,4 millones de toneladas de purines (INE, 2020). Este residuo no solo plantea problemas para el suelo y el agua, sino que los gases emitidos a la atmósfera contribuyen al problema del efecto invernadero. Actualmente, existen tecnologías de tratamiento para reducir los efectos negativos que ocasionan este tipo de residuos, los cuales a su vez contienen un gran potencial para ser utilizados como fuente de energía. Entre estos métodos, la digestión anaeróbica (DA) es uno de los más utilizados. La DA permite la recuperación de una gran cantidad de energía contenida en la materia orgánica en forma de biogás, un gas rico en metano y dióxido de carbono, al mismo tiempo que se obtiene un producto digerido mucho más estable y con un alto valor como fertilizante. En este trabajo se estudia el efecto de la adición de nanopartículas de hierro zerovalente (nZVI) en digestores anaerobios a escala de laboratorio para el tratamiento de purines de cerdo, con el objetivo de aumentar la producción y la calidad del biogás en condiciones de temperatura psicrófilas (temperatura ambiente). Se han realizado experimentos en dos tipos de configuraciones: de forma discontinua para determinar la dosis óptima de nanopartículas (NP) y posteriormente en continuo en un reactor de mezcla completa (continuous stirred tank reactor, CSRT). El seguimiento se ha llevado a cabo monitorizando tanto la producción de biogás como su composición en metano y dióxido de carbono, así como las características del efluente final. Los resultados de los ensayos discontinuos han mostrado que la dosis óptima de NP, entre las ensayadas, que permite alcanzar la mayor producción de biogás es de 84 mg de NP por gramo de SV, en comparación con los otros tratamientos de 42 y 168 mg de NP por gramo de SV. En la dosis más elevada se produce una inhibición de la actividad microbiana. Los resultados en continuo han mostrado un aumento del 10% en la concentración de metano respecto al reactor control. Por otro lado, también se ha observado una disminución en la producción volumétrica total de biogás debido a diversos factores como la temperatura, la concentración de amonio en el reactor y los cambios en la población microbiológica causados por la presencia de las nanopartículas. Con los resultados obtenidos se puede concluir que la adición de nanopartículas de hierro en la digestión anaerobia es una estrategia interesante para mejorar la calidad del biogás in situ.

This study consisted of evaluating, analyzing and comparing the effect produced by iron nanoparticles in the anaerobic digestion process. For this, two tests have been carried out. One continuous test to observe the effects on the digester effluent and another batch type to determine the methanogenic activity. The results show an improvement in the anaerobic digestion process, increasing its percentage of methane in both mesophilic and thermophilic conditions. However, it has not been seen better in the methanogenic activity tests, obtaining higher production in the case of the AGV MIX substrate.

Aquest estudi ha consistit en avaluar, analitzar i comparar l'efecte produït de les nanopartícules de ferro en el procés de digestió anaeròbia. Per a això s'han realitzat dos assajos. Un assaig en continu, per observar els efectes en l'efluent del digestor i un altre tipus batch per determinar l'activitat metanogánica. Els resultats mostren una millora del procés de digestió anaeròbia incrementant el seu percentatge de metà tant en condicions mesòfiles com termòfiles. No obstant això no s'ha vist millora en els assajos d'activitat metanogènica, obtenint major producció en el cas del substrat de MIX d'AGV.