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

Este estudio presenta un conjunto integral de modelos matemáticos para analizar el funcionamiento de un sistema de biorreactor anaeróbico de membrana (AnMBR), centrándose en los mecanismos de ensuciamiento de la membrana y la influencia de los productos microbianos solubles (SMPs). Los modelos incluyen un modelo de digestión con producción de SMP (para considerar los SMP generados en el sistema), un modelo de flujo de permeado (para capturar la dinámica y los mecanismos de ensuciamiento), modelos de regresión (para describir el impacto a largo plazo del ensuciamiento en múltiples ciclos de operación de la membrana) y un modelo de Caudal de permeado (para analizar la dinámica de la disminución del caudal en el tiempo y el impacto de los SMP en este). Se estudiaron cuatro mecanismos de ensuciamiento: formación de torta, bloqueo completo, bloqueo estándar y bloqueo intermedio. Estos mecanismos fueron evaluados para entender su contribución a la dinámica de ensuciamiento y para identificar los mecanismos dominantes que afectan el rendimiento de la membrana. Los datos utilizados para desarrollar y validar los modelos fueron obtenidos de Aqualia, que operó una planta piloto de un biorreactor anaeróbico de membrana (AnMBR) durante 331 días. Aunque el modelo de caudal de permeado mostró un buen ajuste con los datos experimentales en el primer ciclo simulado (durante 21 días) (R^2=0.93), su desempeño fue limitado al capturar la dinámica completa del sistema. Esta limitación se debe a la dependencia del modelo de caudal de permeado del modelo de digestión anaeróbica, en particular de la precisión en la determinación de los SMP, que se deriva del ajuste del modelo de digestión anaeróbica. Este último mostró niveles variables de precisión, con coeficientes de correlación bajos para componentes como el sustrato (R² = 0.21) y el nitrógeno amoniacal total (R² = 0.01), y una correlación moderadamente alta para el componente de biomasa (R² = 0.68). Los resultados mostraron que la formación de torta fue el mecanismo de ensuciamiento más significativo, ajustándose mejor en todos los ciclos de filtración simulados. El bloqueo intermedio permitió el mayor tiempo de operación, superando los 80 días en tres ciclos. En comparación, la formación de torta, el bloqueo completo y el bloqueo estándar provocaron una disminución del flujo de permeado mucho más rápida, dentro de los 40-60 días bajo las mismas condiciones.

El tratamiento de aguas residuales representa un reto fundamental para la preservación de los recursos hídricos y la sostenibilidad agrícola. Este trabajo tiene como objetivo evaluar la eficiencia de tres tipos de membranas de filtración (dos de nanofiltración y una de ósmosis inversa) en la regeneración de aguas depuradas, con el fin de valorizar estas aguas para su reutilización en el sector agrícola. El proceso experimental se llevó a cabo en un sistema de filtración a escala laboratorio, utilizando ósmosis inversa y nanofiltración para la eliminación de contaminantes típicos de las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR), como sales, materia orgánica (DQO), fosfatos y amonio. Para simular el efluente de una EDAR urbana, se prepararon soluciones de agua sintética con concentraciones específicas de estos contaminantes, de acuerdo con la normativa vigente. Las pruebas se realizaron a diferentes presiones de operación (6, 10, 14 y 20 bar), analizando la permeabilidad y el rechazo de solutos en distintos escenarios, en presencia de sales, materia orgánica y de nutrientes. Los resultados muestran que la membrana NF90 (nano-filtration) fue la más eficiente en la eliminación de nutrientes y materia orgánica, mientras que la SW30 (sea water) destacó en la reducción de la salinidad. Este estudio proporciona una base técnica valiosa para la selección de membranas en procesos de tratamiento de aguas, particularmente en aplicaciones agrícolas. Además, destaca la importancia de considerar la interacción entre diferentes contaminantes y su influencia en la eficiencia de las membranas.

This Final Degree Project (TFG) addresses the production and use of biomethane as a sustainable fuel for urban transport in Barcelona, with a particular focus on the hydrogenotrophic biological methanation (MBH) process at the pilot plant located at the Wastewater Treatment Plant (EDAR) in Prat de Llobregat. This process converts carbon dioxide and hydrogen into methane through specialized microorganisms, producing a gas with a methane concentration higher than 95%, suitable for use as a direct substitute for Compressed Natural Gas (CNG). In this study, the produced biomethane was used to assess its performance as fuel in a CNG bus from the fleet of Transports Metropolitans de Barcelona (TMB), thus contributing to the decarbonization of urban public transport. One of the main focuses of the research is the optimization of the nutrient formulation required for the growth and activity of microorganisms (especially nitrogen in the form of ammonium). Initially, the pilot plant had a nutrient composition limitation that restricted methane productivity. After adjusting the nutrient formulation, a significant improvement in production levels was achieved. The careful control of ammonium (NH4 + ) and its potential transformation into ammonia (NH3) is considered a critical aspect, as high concentrations of ammonia can inhibit microbial activity and, therefore, reduce system productivity. The study concludes that it is possible to increase ammonium concentration up to 400 ppm without causing inhibition, as long as strict control of pH and temperature is maintained. Additionally, the study includes a comprehensive comparison between various fuels (CNG, biomethane, diesel, hybrid, electric, and hydrogen), evaluating them according to criteria such as energy efficiency, fuel cost, associated carbon dioxide emissions, refueling time, and maintenance costs. The results show that biomethane is a viable alternative to reduce greenhouse gas emissions and contribute to the transition towards cleaner transport. However, the comparison highlights that, in the long term, electric fuel is the best solution for the complete decarbonization of urban public transport in Barcelona.

Las sequías en Cataluña son un fenómeno recurrente, que se ve amplificado por los efectos del cambio climático. En este contexto, urge la necesidad de tomar medidas para afrontar los desafíos hídricos del presente y el futuro. Este es el caso de un club deportivo en Cataluña, que busca implementar soluciones para mitigar el impacto de la escasez de agua, promoviendo a su vez una gestión más eficiente de este recurso. Dicho club deportivo, dispone de un sistema de depuración de aguas residuales; el cual consiste de dos depósitos de decantación, seguidos de dos reactores secuenciales por lotes o SBR, por sus siglas en inglés (Sequential Batch Reactor). Estas, una vez depuradas, se vierten al cauce de un río cercano. La idea principal es poder reutilizar esta agua depurada para regar sus jardines y pistas deportivas, mediante la implantación de un tratamiento de regeneración de las aguas. Para ello, se estudiaron diferentes tecnologías de regeneración, disponibles a escala comercial, para escoger cuál se podría implantar en el club deportivo, en función de la composición del efluente de la depuradora. Por esta razón, se realiza una caracterización fisicoquímica en las instalaciones del DEAB (Departament d'Enginyeria Agroalimentària i Biotecnologia) del agua de salida de la depuradora, y se contactó con tres empresas de tratamiento de aguas residuales para obtener cuatro ofertas con tecnologías de regeneración. A partir de estos datos y de las eficiencias de eliminación de cada tecnología según la literatura, se elaboró un balance másico por cada una de las ofertas recogidas. De esta manera, se pudo estimar la calidad del agua regenerada con las tecnologías que ofertaba cada empresa. En base a los resultados obtenidos, se llegó a la conclusión de que la tecnología más adecuada es la combinación de un filtro de arenas con unas membranas de ultrafiltración, ya que el efluente obtenido es de alta calidad, no sobrepasa los límites impuestos en el RD 1620/2007 y es la más viable económicamente. Además, este estudio también contempló el análisis del funcionamiento de la depuradora del club deportivo, para así proponer vías de mejora en la depuradora. Para ello, se calcularon los rendimientos de depuración a partir de una caracterización fisicoquímica del agua residual, afluente y efluente de la depuradora. Mediante los resultados obtenidos, se pudo concluir que la depuradora no opera eficientemente, ya que los rendimientos de depuración de los SST, DQO y turbidez eran relativamente bajos. Igualmente, se observó que los valores de salida de la depuradora superan los establecidos en la autorización concedida por la Agència Catalana de l'Aigua. Por esta razón, se decidió evaluar el funcionamiento del reactor por lotes secuenciales (SBR) que tiene el club deportivo, mediante la ratio F/M, la VCO, TRH, el porcentaje de eliminación de DQO y la cantidad de SST en el reactor. Por la falta de datos numéricos, no se pudo calcular estos parámetros operacionales y, por lo tanto, no se pudo concluir cómo funciona el reactor. Es necesario realizar un estudio más extenso del sistema de depuración del club deportivo, para identificar posibles problemas y tomar las medidas necesarias.