Resumen de Modelització del tractament biològic de la fracció líquida de purins orientat a l'eliminació de nitrogen

Albert Magrí Aloy

• català

  La consolidació dun model intensiu per a la ramaderia comporta la necessitat daplicar estratègies de gestió optimitzades. En relació a les dejeccions del bestiar, la gestió cal fonamentar-la en tres punts bàsics: la minimització en origen, la planificació de la fertilització del sòl i la implementació de tecnologies de tractament complementàries. Tot i que és possible adoptar diferents criteris com a limitant en el moment de planificar la gestió de fems i purins, el nitrogen acostuma a ser el més important. El propòsit daquesta tesi doctoral és aprofundir en lestudi de tractaments que permetin afrontar un problema dexcedent de nitrogen derivat de la generació de purins. Concretament, semfatitza en la caracterització de processos biològics relacionats amb leliminació de nitrogen, utilitzant la modelització matemàtica com a eina bàsica de treball. Dues alternatives han estat considerades: i) el procés de nitrificació-desnitrificació (NDN) implementat en un reactor discontinu seqüencial (SBR), i ii) el procés SHARON (nitritació parcial en un quimiòstat aerobi) combinat amb el procés Anammox (oxidació anaeròbia de lamoni), una alternativa de tractament en principi més sostenible que lanterior actualment en incipient fase de desenvolupament.

  Sha desenvolupat un model matemàtic per tal de simular el procés biològic de NDN, incloent a més, fenòmens de precipitació de sals i de transferència líquid-gas. Per fer-ho, sha considerat al pH com a variable destat, doncs la seva dinàmica afecta a lequilibri químic, la disponibilitat de substrats per al creixement de la biomassa i els possibles fenòmens dinhibició. Aquest plantejament ha habilitat lestabliment dun model suficientment flexible per tal dadaptar-se a un ampli rang de càrrega nitrogenada. La implementació informàtica sha dut a terme utilitzant el llenguatge de programació Fortran. El calibratge del model aplicat al tractament de fracció líquida de purins sha efectuat utilitzant tècniques respiromètriques. Una anàlisi de sensibilitat prèvia ha permès identificar aquells paràmetres i processos amb major influència en la resposta del model i, per tant, orientar el disseny experimental. Una vegada en disposició del model calibrat, sha realitzat un estudi doptimització del cicle de tractament del SBR operat amb el propòsit deliminar nitrogen. Finalment, la bondat daquestes previsions ha estat validada experimentalment.

  Una versió simplificada del model inicial ha permès simular el procés SHARON. Sha realitzat una primera estimació de paràmetres cinètics utilitzant dades experimentals històriques obtingudes en un bioreactor alimentat amb un substrat sintètic. En base a les previsions del model, sha discutit sobre lefecte de determinats paràmetres en les característiques de lefluent del tractament, concretament en la relació nitrit/amoni. Serà aquesta proporció entre ambdues formes nitrogenades la que determinarà laptitud de lefluent SHARON per ser sotmès a un posterior procés Anammox.

  Com a conclusió general, cal considerar la modelització matemàtica com a una eina fonamental per tal de desenvolupar estratègies optimitzades de gestió de dejeccions ramaderes basades en leliminació de nitrogen. El procés convencional de nitrificació-desnitrificació implementat en sistemes discontinus tipus SBR representa una alternativa madura per tal de donar solució a situacions dexcedent de nitrogen vinculades a la gestió dels purins. Els requeriments energètics relacionats amb laeració són, però, el principal limitant en quant a una major implementació. Nous desenvolupaments biotecnològics en principi més eficients energèticament, com és el cas del procés SHARON-Anammox, podrien desplaçar en un futur proper el procés tradicional de NDN sempre i quan premisses com robustesa, flexibilitat o senzillesa siguin garantides.

  Resumen La consolidación de un modelo intensivo para la ganadería comporta la necesidad de aplicar estrategias de gestión optimizadas. En relación a las deyecciones del ganado, la gestión debe fundamentarse en tres puntos básicos: la minimización en origen, la planificación de la fertilización del suelo y la implementación de tecnologías de tratamiento complementarias. Aunque es posible adoptar diferentes criterios como limitante en el momento de planificar la gestión de estiércoles y purines, el nitrógeno acostumbra a ser el más importante. El propósito de esta tesis doctoral es profundizar en el estudio de tratamientos que permitan afrontar un problema de excedente de nitrógeno derivado de la generación de purines. Concretamente, se enfatiza en la caracterización de procesos biológicos relacionados con la eliminación de nitrógeno, utilizando la modelización matemática como herramienta básica de trabajo. Dos alternativas han sido consideradas: i) el proceso de nitrificación-desnitrificación (NDN) implementado en un reactor discontinuo secuencial (SBR), y ii) el proceso SHARON (nitritación parcial en un quimiostato aerobio) combinado con el proceso Anammox (oxidación anaerobia del amonio), una alternativa de tratamiento en principio más sostenible que la anterior actualmente en incipiente fase de desarrollo.

  Se ha desarrollado un modelo matemático que ha permitido simular el proceso biológico de NDN, incluyendo además, fenómenos de precipitación de sales y de transferencia líquido-gas. Para hacerlo, se ha considerado al pH como variable de estado, pues su dinámica afecta al equilibrio químico, la disponibilidad de sustratos para el crecimiento de la biomasa y los posibles fenómenos de inhibición. Este planteamiento ha habilitado el establecimiento de un modelo suficientemente flexible como para adaptarse a un amplio rango de carga nitrogenada. La implementación informática se ha realizado utilizando el lenguaje de programación Fortran. La calibración del modelo aplicado al tratamiento de fracción líquida de purines se ha efectuado utilizando técnicas respirométricas. Un análisis de sensibilidad previo ha permitido identificar aquellos parámetros y procesos con mayor influencia en la respuesta del modelo y, por lo tanto, orientar el diseño experimental. Una vez en disposición del modelo calibrado, se ha realizado un estudio de optimización del ciclo de tratamiento del SBR operado con el propósito de eliminar nitrógeno. Finalmente, la bondad de estas previsiones ha sido validada experimentalmente.

  Una versión simplificada del modelo inicial ha permitido simular el proceso SHARON. Se ha realizado una primera estimación de parámetros cinéticos utilizando datos experimentales históricos obtenidos en un birreactor alimentado con sustrato sintético. En base a las previsiones del modelo, se discute sobre el efecto de determinados parámetros en las características del efluente del tratamiento, concretamente en la relación nitrito/amonio. Será esta proporción entre las dos formas nitrogenadas la que determinará la aptitud del efluente SHARON para ser sometido a un posterior proceso Anammox.

  Como conclusión general, debe considerarse la modelización matemática como una herramienta fundamental para desarrollar estrategias optimizadas de gestión de deyecciones ganaderas basadas en la eliminación de nitrógeno. El proceso convencional de nitrificación-desnitrificación implementado en sistemas discontinuos tipo SBR representa una alternativa madura para dar solución a situaciones de excedente de nitrógeno vinculadas a la gestión de los purines. Los requerimientos energéticos relacionados con la aireación son el principal limitante en cuanto a una mayor implementación de esta tecnología. Nuevos desarrollos biotecnológicos más eficientes energéticamente, como es el caso del proceso SHARON-Anammox, podrían desplazar en un futuro próximo el proceso tradicional de NDN siempre y cuando premisas como robusteza, flexibilidad o sencillez sean garantizadas.

• English

  The consolidation of an intensive model for livestock farming calls for the application of optimized management strategies. As far as livestock waste is concerned, management should be based on three main aspects: on-site minimization, land fertilization planning and the implementation of complementary treatment technologies. Although various criteria may be considered as limiting when planning manure and slurry management, nitrogen is usually considered the most important. The aim of the present dissertation was to study different treatment options for tackling the problem of nitrogen surplus derived from slurry generation. It was specifically emphasised the characterization of biological processes related to nitrogen removal, using modelling as basic working tool. Two main alternatives were considered: i) the nitrification-denitrification (NDN) process using a sequencing batch reactor (SBR), and ii) the SHARON process (partial nitritation in an aerobic chemostat) coupled with the Anammox process (anaerobic ammonium oxidation), a treatment alternative that is, at least in principle, more sustainable than the previous, but which is currently still at an incipient stage of development.

  A mathematical model was developed, which allowed to simulate the biological process of NDN also taking into consideration salt precipitation and liquid-gas transfer phenomena. pH was considered state variable due to its effects on chemical equilibrium reactions, substrates availability for biomass growth and potential inhibition phenomena. This approach enabled to establish a model that was sufficiently flexible for application to a wide range of nitrogen loading rates. Computations were made using the Fortran programming language. Respirometric techniques were used for model calibration when treating liquid fraction of pig slurry. Sensitivity analysis helped to identify the parameters and processes with greater influence on the response of the model and, consequently, on the orientation of subsequent experimental designs. Once the calibrated model was available, an optimization study of the SBR cycle was conducted. Finally, the goodness of the model was experimentally validated.

  A simplified version of the initial model was constructed in order to simulate the SHARON process. A preliminary estimation of kinetic parameters was performed using historical experimental data obtained from a bioreactor fed with a synthetic substrate. The effects of certain parameters on the characteristics of treated effluent were subsequently discussed based on predictions made by the model, particularly focussing on the nitrite/ammonium ratio. This proportion between the two forms of nitrogen will determine the suitability of the SHARON effluent for a subsequent Anammox process.

  As general conclusion, mathematical modelling should be considered as a key tool for developing optimized livestock waste management strategies based on nitrogen removal. Conventional nitrification-denitrification process implemented in discontinuous SBR type systems represents a mature alternative for solving situations of nitrogen surplus derived from slurry management. However, the energy requirements associated with the aeration are the main limitation to a wider implementation of this technology. New, and more energy efficient, biotechnological developments such as the SHARON-Anammox process could replace the traditional NDN process in the near future if considerations like robustness, flexibility and simplicity can be ensured.

  Streszczenie Wzmocnienie intensywnego modelu hodowli trzody chlewnej wymaga zastosowania optymalnych strategi zarzadzania. Zarzadzanie odpadami towarzyszacymi hodowli trzody chlewnej powinno byc oparte na trzech glównych aspektach: minimalizacji w miejscu powstania, planowaniu nawozenia gleby i zastosowaniu komplementarnych rozwiazan technicznych. Mimo, iz przy planowaniu ograniczenia ilosci obornika rózne kryteria moga byc brane pod uwage, to azot zwykle odgrywa glówna role. Celem niniejszej rozprawy doktorskiej jest przestudiowanie rozwiazan, które pozwola stawic czolo problemowi nadmiaru azotu powstalego przy produkcji obornika. Polozono w niej nacisk na modelacje matematyczne, które zostaly uzyte do charakteryzacji biologicznego procesu usuwania azotu. Wzieto pod uwage dwie alternatywy: i) nitryfikacja-denitryfikacja (NDN), proces wykorzystujacy sekwencyjne reaktory porcjowe (SBR), oraz ii) proces SHARON (czesciowa nitrytacja w chemostacie tlenowym) razem z poczatkowym procesem Anammox (beztlenowe utlenianie amonu), który jest zastosowaniem alternatywnym, w zasadzie bardziej zrównowazonym niz poprzednie, ale obecnie bedacym w poczatkowej fazie rozwoju.

  Zostal rozwiniety matematyczny model, który umozliwil symulacje biologicznego procesu NDN, wlaczajac w to takze wytracanie sie soli oraz fenomen przemiany plynu w gaz. Czynnik pH zostal okreslony jako stale zmienny z powodu jego wplywu na stan równowagi chemicznej reakcji, na dostepnosc substratów dla rozwoju biomasy oraz na potencjalny fenomen zachamowania. To podejscie umozliwilo ustalenie modelu, który byl wystarczajaco elastyczny aby móc go zastosowac do szerokiej rangi rozpietosci zaladunku nitrogenu. Zastosowanie komputerowe zostalo przeprowadzone przy uzyciu jezyka programujacego Fortran. Do uzyskania wzoru modelu, aplikowanego do traktowania frakcji plynnej odchodu wieprzowego, zostaly uzyte techniki respirometryczne. Analiza czulosci pomogla w identyfikacji tych parametrów i procesów, z wyzszym wplywem na odpowiedz modelu, i konsekwentnie na kierunek kolejnych eksperymentów. Kiedy juz ustalono model wzorcowy zaczeto przeprowadzac optymalizacje cyklu SBR, którego celem byla oczywiscie eliminacja nitrogenu. Na koncu, prawidlowosc tych symulacji zostala potwierdzona eksperymentalnie.

  Na potrzeby symulacji procesu SHARON zostala stworzona uproszczona wersja poczatkowego modelu. Wstepna ocena parametrów kinetycznych zostala przedstawiona przy uzyciu historycznych danych eksperymantalnych uzyskanych z bioreaktora z syntetycznym substratem. W oparciu na przewidywaniach modelu dyskutuje sie na temat wplywu pewnych parametrów na wlasciwosci oczyszczania scieków, konkretnie w relacji do wspólczynnika azotyn/amon. Ta proporcja pomiedzy dwoma formami nitrogenu zdeterminowala stosownosc procesu SHARON dla kolejnego procesu Anammox.

  Podsumowujac, matematyczny model powinien byc uwazany jako kluczowy srodek do optymalizacji strategii zarzadzania odchodami opartymi na usuwaniu azotu. Konwencjonalne procesy NDN, oraz czesciowo te które zostaly zastosowane w systemie SBR reprezentuja dojrzala alternatywe rozwiazania kwesti nadmiaru azotu. Glównym ograniczeniem w szerszym zastosowaniu tej technologii sa wymagania energetyczne zwiazane z napowietrzaniem. Nowe rozwiazania biotechnologiczne, które sa bardziej energooszczedne, takie jak proces SHARON-Anammox moga w bliskiej przyszlosci zastapic tradycjonalny proces NDN zakladajac, iz zostana zapewnione takie koncepcje jak krzepkosc, elastycznosc oraz przejrzystosc.