Estudio de la recuperación de nitrógeno del permeado de un AnMBR mediante la combinación de zeolitas y contactor de membranas de fibra hueca.

Abstract

[ES] Dentro de los contaminantes más habituales de las aguas residuales se encuentran los nutrientes, como el nitrógeno. El vertido de altas concentraciones de este elemento en zonas sensibles puede generar problemas ambientales y de sanidad en los cuerpos de agua. Por dicha razón, es crucial eliminar el nitrógeno de las aguas residuales. Los tratamientos biológicos más utilizados para la eliminación del nitrógeno en las aguas residuales consisten en los procesos de nitrificación y desnitrificación. Si bien, estos procesos son efectivos para la eliminación del nitrógeno, suelen tener dificultades para eliminarlo por completo. Por lo tanto, en límites de vertido más exigentes, puede que no cumplan las especificaciones. Adicionalmente, este tipo de tratamientos apuntan sólo a la eliminación del nitrógeno, pero no a la recuperación. En la actualidad hay un creciente interés en la recuperación del nitrógeno de las aguas residuales debido a su importancia para la agricultura y a las prácticas de economía circular. El aprovechamiento del nitrógeno presente en las aguas residuales no solo ayuda a reducir el impacto ambiental, sino que también ofrece una oportunidad para reutilizar este recurso. Por lo tanto, el enfoque actual de los procesos de depuración se centra en tratamientos que no solo permitan la eliminación del nitrógeno, sino también a su recuperación. Los tratamientos anaerobios, como los reactores anaerobios de membrana (AnMBR), permiten una reducción del consumo energético al no requerir oxígeno y la valorización de la degradación de la materia orgánica mediante la producción de biogás. El permeado obtenido de los AnMBR contiene elevadas concentraciones de nitrógeno amoniacal, por lo que se deben aplicar tratamientos terciarios, como el intercambio iónico, para su recuperación. Este proceso permite tanto la eliminación del amonio del efluente como la obtención del amonio retenido concentrado en una corriente separada, lo cual facilita su posterior recuperación. El objetivo de este trabajo es estudiar la recuperación del nitrógeno mediante una columna de intercambio iónico con zeolitas y un contactor de membrana de fibra hueca. Para ello, se alimentó permeado de un AnMBR a una columna rellena de zeolitas, y se realizaron múltiples ciclos de saturación-regeneración. La etapa de saturación terminaba cuando la concentración en el efluente superaba los 5 mg N/L. Como solución de regeneración, se utilizó NaOH, por lo cual, la corriente de regeneración, caracterizada por tener un pH alto y una alta concentración de nitrógeno amoniacal, fue alimentada a un contactor de membranas a contracorriente con una solución de ácido sulfúrico para formar sulfato de amonio. Como resultado, se obtuvo una capacidad máxima de retención de amoniaco de 3.68 mg NH4+/g Zeolita y una capacidad para tratar agua residual de 982.97 mL/g Zeolita, cumpliendo con los límites de vertido establecidos. En cuanto a la capacidad de retención de amonio a largo plazo, los resultados muestran que las zeolitas pierden capacidad para retener amonio tras varios ciclos de saturación-regeneración. Esto puede atribuirse a la exposición a soluciones alcalinas y ácidas que pueden afectar la estructura porosa de las zeolitas y reducir su capacidad de adsorción. Se estudió también la posibilidad de utilizar parámetros como el pH y la conductividad para monitorear el punto de saturación de las zeolitas, encontrando que por las interacciones con otros iones y por la naturaleza variante del agua residual, no es viable utilizar estos parámetros con este propósito. La etapa de regeneración mostró una eficiencia promedio del 94% en los 17 ciclos realizados, permitiendo concentrar el nitrógeno amoniacal hasta 12.22 veces. Además, se integró eficazmente la etapa de intercambio iónico con el contactor de membranas, con un % de recuperación de 86%, logrando producir una corriente de sulfato de amonio con concentración de hasta 4365.5 mg N/L, con un factor de concentración de 97 veces.

[EN] Among the most common contaminants in wastewater, one finds nutrients such as nitrogen. The discharge of high concentrations of this element in sensitive areas can generate environmental and health problems in water bodies. For this reason, it is crucial to remove nitrogen from wastewater. The most used biological treatments for the elimination of nitrogen in wastewater consist of nitrification and denitrification processes. Although these treatments are effective in removing nitrogen, they often have difficulty removing it completely. Therefore, at more demanding discharge limits, they may not meet specifications. Additionally, these types of treatments aim only at the elimination of nitrogen, but not at recovery. Currently, there is a growing interest in nitrogen recovery from wastewater due to its importance for agriculture and circular economy practices. The use of nitrogen present in wastewater not only helps reduce environmental impact, but also offers an opportunity to reuse this resource. Therefore, the current approach to purification processes focuses on treatments that not only allow the removal of nitrogen, but also its recovery. Anaerobic treatments, such as anaerobic membrane reactors (AnMBR), allow a reduction in energy consumption by not requiring oxygen and the valorization of the degradation of organic matter through the production of biogas. The permeate obtained from the AnMBR contains high concentrations of ammoniacal nitrogen; hence, tertiary treatments such as ion exchange must be applied for its recovery. This process allows both the elimination of ammonium from the effluent and the obtainment of the retained ammonium concentrated in a separate stream, which facilitates its subsequent recovery. The objective of this work is to study the recovery of nitrogen using an ion exchange column with zeolites and a hollow fiber membrane contactor. To do this, AnMBR permeate was fed to a column filled with zeolites, and multiple saturation-regeneration cycles were carried out. The saturation stage ended when the concentration in the effluent exceeded 5 mg N/L. As the regeneration solution, NaOH was used; therefore, the regeneration stream, characterized by having a high pH and a high concentration of ammoniacal nitrogen, was fed to a countercurrent membrane contactor with a sulfuric acid solution to form ammonium sulphate. As a result, a maximum ammonia retention capacity of 3.68 mg NH4+/g Zeolite and a capacity to treat waste water of 982.97 mL/g Zeolite was obtained, complying with the established discharge limits. Regarding the long-term ammonium retention capacity, the results show that zeolites lose their capacity to retain ammonium after several saturation-regeneration cycles. This can be attributed to exposure to alkaline and acidic solutions that can affect the pore structure of zeolites and reduce their adsorption capacity. The possibility of using parameters such as pH and conductivity to monitor the saturation point of the zeolites was also studied, finding that due to interactions with other ions and the varying nature of the wastewater, it is not viable to use these parameters for this purpose. The regeneration stage showed an average efficiency of 94% in the 17 cycles carried out, allowing ammoniacal nitrogen to be concentrated up to 12.22 times. Furthermore, the ion exchange stage was effectively integrated with the membrane contactor, with a % recovery of 86%, producing an ammonium sulfate stream with a concentration of up to 4365.5 mg N/L, with a concentration factor of 97 times.