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

Abstract

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.