Innovative bioprocesses for siloxanes removal from biogas and gaseous emissions/ Bioprocesos innovadores para la eliminación de siloxanos del biogás y de emisiones de gases

Abstract

Nowadays, environmental problems such as climate change, the formation of tropospheric ozone, the overuse of natural resources or atmospheric pollution constitute one of the greatest concerns worldwide. The policies and strategies currently enforced, such as the European Green Deal, are focused on boosting the efficient use of resources by moving towards a clean and circular economy, resilient to climate change and based on the reduction of harmful waste. This implies the implementation of measures that promote the prevention of environmental pollution by reducing the CO2 footprint and the emissions of hazardous compounds. Silicon derivatives such as siloxanes are among the harmful compounds emitted into the atmosphere from anthropogenic sources. Siloxanes are essential building block materials employed in several industrial sectors and in the manufacture of a large number of consumer products available in the market. This fact results in the emissions of volatile methyl siloxanes (VMS) to the atmosphere, along with their release into landfills and wastewater treatment plants ending up either in the air or in the biogas produced in anaerobic digestion. The potential toxic effect of these emissions has been proved in the bioaccumulation of VMS, affecting the respiratory tract and reproductive system of some animals. Moreover, they have been recently classified as potential compounds responsible for trophic magnification in aquatic and terrestrial food chains. Beyond their harmful effects, their presence in biogas entails a high economic impact during its valorisation as renewable energy due to the oxidation of VMS to silicon dioxide (SiO2) during biogas combustion, a crystalline deposit that causes corrosion of engines and turbines. In this context, there is a growing interest to develop efficient, sustainable and cost-effective technologies for the treatment and abatement of VMS emissions. Physical-chemical processes appear nowadays as the most efficient technologies for the removal of VMS from gaseous emissions. However, these technologies are characterized by their high operating and maintenance costs, along with their high carbon footprint. On the contrary, biotechnologies based on the biodegradation of VMS by the biological catalytic activity, represent a low cost and environmentally friendly alternative for the treatment of VMS gaseous emissions. However, the low solubility of these compounds in the aqueous phase of bioreactors, where the microorganisms responsible for their degradation uptake the pollutant, reduces the removal efficiency (RE) of these technologies and therefore limits their implementation. The present thesis focusses on the design and optimization of the operating parameters of novel high mass transfer bioreactors, such as two-phase partitioning biotrickling filter, with the aim of improving the removal of VMS by reducing the limitation of mass transfer associated with VMS. In addition, the microbial community involved in the degradation process were also investigated. The results obtained in this thesis demonstrated the feasibility of high mass transfer biological technologies, especially two-phase partitioning systems, as an innovative alternative for the removal of VMS. TP-BTFs thus stand as a new platform to abate siloxanes from aerobic atmospheric emissions and biogas due to their reduced environmental impact and their low cost compared to physical-chemical processes.

Hoy en día, problemas medioambientales como el cambio climático, la formación de ozono troposférico, la sobreexplotación de recursos naturales o la contaminación por emisiones gaseosas constituyen una de las mayores preocupaciones a nivel mundial. Las políticas y estrategias desarrolladas actualmente, como el Pacto Verde Europeo, se centran en impulsar el uso eficiente de los recursos transitando hacia una economía circular, resiliente frente al cambio climático y basada en la reducción de residuos nocivos. Eso implica la implementación de medidas que promuevan la prevención de la contaminación ambiental, reduciendo la huella de CO2 o las emisiones de compuestos peligrosos. Entre los compuestos nocivos emitidos a la atmósfera a partir de fuentes antropogénicas se encuentran los derivados de silicio como los siloxanos. Los siloxanos son compuestos esenciales que se emplean en un amplio número de sectores industriales y en la fabricación de una gran cantidad de productos de mercado. El extenso uso de estos compuestos deriva en la emisión de metilsiloxanos volátiles (MSV) a la atmósfera, así como en la descarga de siloxanos a vertederos y estaciones depuradoras de aguas residuales donde los MSV se transfieren finalmente al aire o al biogás producido en la digestión anaerobia. El efecto potencialmente tóxico de estas emisiones se ha demostrado en la bioacumulación de MSV, afectando al tracto respiratorio y al sistema reproductivo de algunos animales. Además, se han clasificado recientemente como compuestos que dan lugar a biomagnificación en la red trófica acuática y terrestre. Más allá de sus efectos nocivos, la presencia de MSV en el biogás se traduce en un alto impacto económico durante su valorización como energía renovable debido a la oxidación de los MSV a dióxido de silicio (SiO2) durante su combustión, un depósito cristalino que provoca la corrosión en motores y turbinas. Por todo ello, existe un creciente interés en desarrollar tecnologías eficientes, sostenibles y rentables para el tratamiento y mitigación de las emisiones de MSV. Los procesos físico-químicos son hoy en día las tecnologías más eficientes para la eliminación de dichos residuos, sin embargo, estas tecnologías se caracterizan por sus altos costes de operación y mantenimiento, y por su elevada huella de carbono. Por el contrario, las biotecnologías, basadas en la degradación de los MSV por acción catalítica biológica, representan una alternativa de bajo coste y respetuosa con el medio ambiente para el tratamiento de los MSV de corrientes gaseosas. Sin embargo, la baja solubilidad de los MSV en la fase acuosa de los biorreactores, donde los microorganismos responsables de su degradación captan el contaminante, reduce la eficiencia de estas tecnologías y por lo tanto limita su implementación. Esta tesis se centra en el diseño y optimización de los parámetros de operación de biorreactores novedosos de alta transferencia, como el biofiltro percolador bifásico, con el fin de mejorar el tratamiento de MSV reduciendo la limitación de transferencia de materia asociada a los MSV. Además, las comunidades microbiológicas involucradas en el proceso de degradación también serán estudiadas en esta tesis. Los resultados obtenidos en esta tesis demostraron la viabilidad de las tecnologías biológicas de alta transferencia, en concreto de los sistemas bifásicos, como alternativas innovadoras para la eliminación de MSV. Los 2P-BFP se establecen así como una nueva vía para el tratamiento de emisiones atmosféricas y corrientes de biogás contaminadas con siloxanos, debido a su reducido impacto ambiental y su bajo coste frente a otros procesos físico-químicos.