CBL - Campus del Baix Llobregat

Projecte llegit

Títol: Disseny, construcció i operació d'una MEC submergida per recuperació d'amoni

Estudiant que ha llegit aquest projecte:

Tutor/a o Cotutor/a: CERRILLO MORENO, MÍRIAM

Departament: DEAB

Títol: Disseny, construcció i operació d'una MEC submergida per recuperació d'amoni

Data inici oferta: 21-12-2022      Data finalització oferta: 21-07-2023

Estudis d'assignació del projecte:
    GR ENG SIS BIOLÒGICS

Lloc de realització:


En empresa (cal signar un conveni de cooperació)

        Tutor/a Extern: August Bonmatí
        Institució/Empresa: IRTA

Segon tutor/a extern: Míriam Cerrillo Moreno

Paraules clau:
Sistemes bioelectroquímics, Amoni, Purins, Emissions a l'atmosfera

Descripció del contingut i pla d'activitats:
L'emmagatzematge dels purins generats en les granges en basses a
l'exterior presenta una important problemàtica a nivell
d'emissions de gasos d'efecte hivernacle i amoníac a l'atmosfera.
Ens els últims anys s'estan desenvolupant tècniques amb
l'objectiu de reduir aquestes emissions a l'atmosfera, com el
cobriment de basses o l'acidificació de purins. Com alternativa,
en aquest estudi es planteja l'aplicació dels sistemes
bioelectroquímics a les basses d'emmagatzematge de purins, donat
que han estat àmpliament estudiats per la recuperació d'amoni
d'efluents residuals.

L'objectiu del present treball és el disseny, construcció i
operació d'una nova configuració de Microbial Electrolysis Cell
(MEC), que pugui ser submergida en una bassa de purins per tal de
recuperar amoni. S'estudiarà el potencial efecte de l'extracció i
recuperació d'amoni per part de la MEC sobre les emissions a
l'atmosfera de l'emmagatzematge de purins en bassa.

La metodologia que s'emprarà serà la realització d'assajos en
petita escala al laboratori, i posterior escalat del sistema per
la utilització en basses d'1 m3 de purí. S'utilitzaran tècniques
electroquímiques pel control de la MEC, mitjançant un
potenciostat, i equips per la mesura d'emissions a l'atmosfera
(làser/fotoacústic).

Es realitzaran les tasques següents:
1.Revisió bibliogràfica sobre l'aplicació de les MECs a la
recuperació d'amoni i la configuració de MEC submergida.
2.Disseny de la configuració de MEC submergida a utilitzar i pla
de seguiment.
3.Construcció del sistema MEC submergit.
4. Operació del reactor MEC, preparació de solucions
d'alimentació, manteniment del mateix, presa de dades i mostreig
periòdic seguint el pla dissenyat.
5.Elaboració de les dades obtingudes per a la determinació de les
eficiències d'eliminació d'amoni i reducció d'emissions.
6.Elaboració de conclusions i orientació sobre la millora en el
disseny de la MEC submergida.

Aquest treball es realitzarà en el marc del projecte GEMBESH, en
el qual participen el tutors com investigadors, i l'estudiant
s'integrarà en l'equip del projecte.

Overview (resum en anglès): 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.


© CBLTIC Campus del Baix Llobregat - UPC