Optimization of Membrane Processes for the Recovery of NH3; and Improvement in the Treatment of Agro-industrial Wastewater

Abstract

Ammonia can have significant impacts on air quality, water, ecosystems, and human health, emphasizing the importance of properly managing emissions of this compound. Ammonia is also present in wastewater from various human activities. These wastewater streams cause environmental and public health risks if not managed properly. Livestock wastewater, primarily composed of pig slurry, cow, and poultry manure, contains high concentrations of organic matter and nutrients. The most efficient biological process for the proper management of livestock wastewater is anaerobic digestion (AD) due to its ability to biotransform organic matter into biogas, although its capacity to remove nutrients is very limited. The biogas produced from AD of livestock wastewater is crucial for the environmental sustainability and the economic viability of animal farms, as well as for helping to mitigate climate change. AD is a natural process in which microorganisms decompose organic matter in the absence of oxygen, producing methane and carbon dioxide, along with a nutrient-rich effluent called digestate. However, high concentrations of certain compounds such as NH₃, which is found in nitrogen-rich organic wastes like manures, can inhibit the AD process. Elevated concentrations of total ammonia nitrogen can exacerbate inhibition, with levels above 400 mg NH₃-N L¯¹ causing significant issues. Strategies to mitigate NH₃ inhibition include the extraction of total ammonia nitrogen from digesters, aiming to improve biogas productivity and overall process stability. In recent decades, the removal of NH₃ from drinking water and wastewater has become a focal point in the water sector. Various technologies have been employed for NH₃ removal during the treatment of municipal, agricultural, livestock, and industrial wastewater, including physical, chemical, and microbial processes. Each method has its advantages and disadvantages, depending on specific treatment conditions.

This thesis evaluated the performance of AD combined with gas-permeable membrane technology which aimed at providing a sustainable technological platform for extracting nitrogen from pig and poultry manure, thus reducing NH₃ emissions and providing valuable products such as fertilizers and increased biogas yields (as a result of decreased NH₃ inhibition of the AD process). Membrane technology, known for its compact design and low energy consumption, is increasingly being considered for NH₃ recovery from high-load wastewater due to its economic advantages, ease of operation, and greater sustainability. Membrane contactors efficiently separate NH₃ from wastewater, requiring less energy compared to traditional NH₃ removal methods such as microbiological nitrification-denitrification processes, and allowing for in-situ extraction. Hydrophobic membranes facilitate NH₃ transfer to the receiving liquid phase, where it can be converted into commercial fertilizers such as ammonium sulfate. The use of sulfuric acid in the process results in efficient NH₃ capture, producing high-quality fertilizers. Overall, membrane-based NH₃ recovery presents a promising approach for sustainable waste treatment and resource recovery.

El amoniaco puede tener impactos significativos en la calidad del aire, el agua y los ecosistemas, así como en la salud humana, lo que resalta la importancia de gestionar adecuadamente las emisiones de este compuesto. El amoniaco también está presente en las aguas residuales provenientes de diversas actividades humanas. Estas aguas residuales conllevan riesgos ambientales y de salud pública si no se gestionan adecuadamente. Las aguas residuales ganaderas, constituidas principalmente por purines de cerdo, vaca y gallinaza, contienen altas concentraciones de materia orgánica y nutrientes. El proceso biológico más eficiente para la gestión adecuada de las aguas residuales ganaderas es la digestión anaerobia (DA) por su capacidad de biotransformar materia orgánica en biogás, aunque su capacidad para eliminar nutrientes es muy limitada. El biogás producido de la DA de aguas ganaderas es crucial para la sostenibilidad ambiental y la viabilidad económica de las granjas de animales, y para ayudar a mitigar el cambio climático. La DA es un proceso natural en el que los microorganismos descomponen la materia orgánica en ausencia de oxígeno, produciendo metano y dióxido de carbono, junto con un efluente rico en nutrientes llamado digestato. Sin embargo, las altas concentraciones de ciertos compuestos como el NH₃, que se encuentra presente en residuos orgánicos ricos en nitrógeno como los purines, pueden inhibir el proceso de DA. Concentraciones elevadas de nitrógeno amoniacal total pueden exacerbar la inhibición, con niveles por encima de 400 mg NH₃-N L¯¹ causando problemas significativos. Las estrategias para mitigar la inhibición de NH₃ incluyen la extracción de nitrógeno amoniacal total de los digestores, con el objetivo de mejorar la productividad del biogás y la estabilidad general del proceso. Las estrategias para mitigar la inhibición de NH₃ incluyen la extracción de nitrógeno amoniacal total de los digestores, con el objetivo de mejorar la productividad del biogás y la estabilidad general del proceso. En las últimas décadas, la eliminación de NH₃ del agua potable y las aguas residuales se ha convertido en un punto focal en el sector del agua. Se han empleado diversas tecnologías para la eliminación de NH₃ durante el tratamiento de aguas residuales municipales, agrícolas, ganaderas e industriales, que abarcan procesos físicos, químicos y microbianos. Cada método tiene sus ventajas y desventajas, dependiendo de las condiciones específicas de tratamiento. La presente tesis evaluó el desempeño de la DA combinada con la tecnología de membranas permeables al gas amoniaco, con el objetivo de disponer de una plataforma tecnológica sostenible para extraer nitrógeno del purín de cerdo y gallinaza, reduciendo así las emisiones de NH₃ y proporcionando productos valiosos como fertilizantes y mayores productividades de biogás (como consecuencia de la disminución en la inhibición del proceso de DA por NH₃). La tecnología de membranas, conocida por su diseño compacto y bajo consumo de energía, está siendo cada vez más considerada para la recuperación de NH₃ de aguas residuales de alta carga debido a sus ventajas económicas, facilidad de operación y mayor sostenibilidad. Los contactores de membranas separan eficientemente el NH₃ del agua residual, requiriendo menos energía en comparación con los métodos tradicionales de eliminación de NH₃ como los procesos microbiológicos de nitrificación-desnitrificación, y permitiendo una extracción in-situ. Las membranas hidrofóbicas facilitan la transferencia de NH₃ hacia la fase líquida receptora, donde puede convertirse en fertilizantes comerciales como el sulfato de amonio. El uso de ácido sulfúrico en el proceso resulta en una captura eficiente de NH₃, produciendo fertilizantes de alta calidad. En general, la recuperación de NH₃ basada en membranas presenta un enfoque prometedor para el tratamiento sostenible de residuos y la recuperación de recursos.