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Integración de los sistemas
bioelectroquímicos con la
digestión anaerobia para
optimizar la recuperación de
energía y nutrientes
A. Bonmatí, M. Cerrillo
1ª Jornada Técnica en depuración de aguas residuales: Digestión Anaerobia
7-8 Julio, 2016
Castellón
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BIOCOMBUSTIBLE
BIOREFINERÍA
ELECTRICIDAD
PRODUCTOS
Biorefinería
BIOMASA
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DIGESTIÓN
ANAEROBIA
TRATAMIENTO
BIOGAS
Efluente
rico en
nutrientes
Biorefinería -
Digestión Anaerobia
BIOMASA
• Influente de alta carga orgánica
• Inhibiciones (N-NH4+, lípidos, etc.)
• El efluente a menudo necesita postratamiento
y/o gestión correcta
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ELECTRICIDAD BES
(MFC / MEC)
PRODUCTOS
Efluente rico
en nutrientes
Biorefinería -
Sistemas Bioelectroquímicos
BIOMASA
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Biorefinería -
Sistema combinado DA + BES
DIGESTIÓN
ANAEROBIA
BES
(MFC / MEC)
? +
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Influente
alta/baja carga
orgánica
Efluente
Bacteria Ánodo Cátodo
e-
Membrana
intercambio
catiónico
H+ H+
Microbial Fuel Cell (MFC)
Aire m.o.
Ref. Rabaey and Verstraete 2005, Trends Biotechnol., 23, 291-298.
Sistemas Bioelectroquímicos
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e-
H+ H+
Microbial Electrolysis Cell (MEC)
m.o.
H+
H2
Ref. Rabaey and Verstraete 2005, Trends Biotechnol., 23, 291-298.
Sistemas Bioelectroquímicos
Productos:
• H2
• H2O2
• NaOH
• CH4
• …
Influente
alta/baja carga
orgánica
Efluente
Bacteria Ánodo Cátodo
Membrana
intercambio
catiónico
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Moléculas orgánicas complejas (polisacáridos, lípidos, proteínas)
Monómeros
(carbohidratos, aminoácidos, ácidos grasos)
Acetato H 2 Propionato Butirato
Ánodo
CH 4
Bacterias fermentadoras hidrólisis
Fermentación
redox Mediadores
e -
e -
Bacterias anodófilas oxidación
e - CO 2
e - e - e - e - acetoclásticas Archaea
Archaea
e -
H +
Cátodo
Sistemas Bioelectroquímicos
hidrogenófilas
1.- Degradación materia orgánica
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Competición entre bacterias exoelectrogénicas y
metanogénicas?
ÁNODO
H2, CO2 ACETATO
BIOGÁS
(CH4, CO2)
e-
e-
Acetoclásticas Archaea
Archaea Hidrogenófilas
Bacterias
Homoacetogénicas
Bacterias
Anodófilas / Exoelectrogénicas
Oxidación sintrófica
del Acetato (SAOs) SAB
Sistemas Bioelectroquímicos
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Gao et al. 2013
Sistemas Bioelectroquímicos
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Eficiencia MFC con diferentes sustratos
Sustrato Concentración Densidad de corriente
(mA/cm2)
Acetato 1 g/L 0,8
Lactato 18 mM 0,005
Glucosa 6,7 mM 0,7
Almidón 10 g/L 1,3
Celulosa 4 g/L 0,02
Aguas residuales urbanas 600 mg/L 0,06
Aguas residuales cervecera 2240 mg/L 0,2
Pan et al. 2010
Acetato es el sustrato que genera mayores densidades de corriente
Los sustratos complejos generan bajas densidades de corriente
Sistemas Bioelectroquímicos
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e-
H+ H+
2. Difusión/migración de amonio
m.o.
NH4+
Agua
amoniacal NH4+
H+
H2
Ref. Rabaey and Verstraete 2005, Trends Biotechnol., 23, 291-298.
Sistemas Bioelectroquímicos
Influente
alta/baja carga
orgánica
Efluente
Bacteria Ánodo Cátodo
Membrana
intercambio
catiónico
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e-
H+ H+
3. Formación de CH4
m.o.
H+ CO2
CH4
Biogás
enriquecido
(upgrading)
Biogás
Sistemas Bioelectroquímicos
Influente
alta/baja carga
orgánica
Efluente
Bacteria Ánodo Cátodo Ewe = -0,8 V
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DIGESTIÓN
ANAEROBIA
Electricidad
Productos
Efluente
BES
(MFC / MEC)
Digestión anaerobia+
Sistemas Bioelectroquímicos
BIOMASA
BIOGÁS
Efluente
rico en
nutrientes
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OBJETIVOS
DEL SISTEMA COMBINADO
1.- Aumento de la producción de biogás
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BES colocado en el interior del reactor anaerobio
Hipótesis Una mayor generación de H2 puede
favorecer la formación de CH4 via archaeas hidrogenófilas
1.- Aumento de la producción de biogás
OBJETIVOS
DEL SISTEMA COMBINADO
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BES situado en el interior del reactor UASB
2.- Aumentar la degradación de compuestos
recalcitrantes
Potencia la degradación de
p-nitrofenol (PNP)
Menor requerimiento de co-
sustrato orgánico
UASB
BES
Shen et al. 2014 WR
OBJETIVOS
DEL SISTEMA COMBINADO
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Refinado del efluente y producción de energía
adicional
Aumento de la robustez del sistema completo
Recuperación de nitrógeno aprovechando la
difusión a través de la membrana y recuperación mediante
stripping y absorción
Optimización de la DA recirculación del efluente
con menos N-NH4+ para reducir la inhibición.
3.- Mejorar la operación de la digestión anaerobia
OBJETIVOS
DEL SISTEMA COMBINADO
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Aire + NH3
DA
NH4
+ NH4+
Ánodo Cátodo
Purín porcino
Purín porcino refinado
CS
Aire
CS: Columna stripping CA: Columna absorción CEM: Membrana intercambio catiónico CR: Circuito recirculación
Biogás Potenciostato
MEC
CEM
Tanque Efluente
Tanque Influente
Medidor de flujo de gas
CR
CA
Purín porcino digerido
Agua amoniacal
SISTEMA COMBINADO
AD+BES+STP/ABS
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1. Reactor DA 4. Columnas
Stripping / absorción
2. MEC
3. Potenciostato
SISTEMA COMBINADO
AD+BES+STP/ABS
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Pulido de efluente y producción adicional de energía
DIGESTIÓN
ANAEROBIA
SÓLIDO 1.3 gDQO/d
15 346 C/d
130 C/dia
(0,1%)
BIOGÁS 2.9 gDQO/d
34 969 C/d
6.7 gDQO/d
80 489 C/d
PURÍN
PORCINO 9.5 gDQO/d
113 734 C/d
5.4 gDQO/d
65 143 C/d
SEPARACIÓN
MECÁNICA
125 µm
MICROBIAL
FUEL CELL
EFLUENTE 3.24 gDQO/d
39 046 C/d
ELECTRICIDAD
Y OTROS 2.19g DQO/d
26 096 C/d
100% 31 % 14 %
34 % 23 %
0.3 %
Eliminación de DQO: 31% 66%
Baja recuperación de energía
SISTEMA COMBINADO
AD+BES+STP/ABS
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Recuperación de nitrógeno Combinar DA con MFC
0%
20%
40%
60%
80%
100%
100 500 Open circuitAm
mo
niu
m R
em
ova
l eff
icie
ncy
(%)
External resistance (Ω)
Raw pig slurry Digested pig slurry
Mayor recuperación de N-NH4+ al procesar digerido 40%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
0
50
100
150
200
250
300
0 12 24 36 48 60 72
Re
mo
val e
ffic
ien
cy (%
)
Cu
rre
nt
de
nsi
ty (m
A m
-2)
Time (hours)
Series1
COD removal
Ammonium removal
Current density
SISTEMA COMBINADO
AD+BES+STP/ABS
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Mayor recuperación de N-NH4+ al procesar digerido 35%
pH del cátodo > 11 favorece el stripping directo
0%
20%
40%
60%
80%
100%
0
100
200
300
400
500
600
700
0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144R
em
ova
l eff
icie
ncy
(%
)
Cu
rre
nt
de
nsi
ty (m
A m
-2)
Time (hours)
COD removal
Ammonium removal
Current density
0%
20%
40%
60%
80%
100%
-200 -100 0 Open circuit
Am
mo
niu
m R
em
ova
l eff
icie
ncy
(%)
Anode potential (mV)
Raw pig slurry
Digested pig slurry
SISTEMA COMBINADO
AD+BES+STP/ABS
Recuperación de nitrógeno Combinar DA con MEC
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Aumento de la robustez de todo el sistema
Los pulsos de AGV son rápidamente degradados,
produciendo un aumento en la densidad de corriente
0
500
1.000
1.500
2.000
2.500
3.000
3.500
0
10
20
30
40
50
60
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
VFA
(p
pm
)
Cu
rre
nt
de
nsi
ty (m
A) /
Am
mo
niu
m r
em
ova
l (%
)
Time (days)
Acetate
Propionate
Butirate
Current density
0
500
1.000
1.500
2.000
2.500
3.000
3.500
0
10
20
30
40
50
60
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
VFA
(p
pm
)
Cu
rre
nt
de
nsi
ty (m
A) /
Am
mo
niu
m r
em
ova
l (%
)
Time (days)
Acetate
Propionate
Butirate
Current density
SISTEMA COMBINADO
AD+BES+STP/ABS
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0
500
1.000
1.500
2.000
2.500
3.000
3.500
0
10
20
30
40
50
60
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
VFA
(p
pm
)
Cu
rre
nt
de
nsi
ty (m
A) /
Am
mo
niu
m r
em
ova
l (%
)
Time (days)
Ammonium rem
Acetate
Propionate
Butirate
Current density
0
500
1.000
1.500
2.000
2.500
3.000
3.500
0
10
20
30
40
50
60
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
VFA
(p
pm
)
Cu
rre
nt
de
nsi
ty (m
A) /
Am
mo
niu
m r
em
ova
l (%
)
Time (days)
Ammonium rem
Acetate
Propionate
Butirate
Current density
SISTEMA COMBINADO
AD+BES+STP/ABS
Los pulsos de AGV son rápidamente degradados,
produciendo un aumento en la densidad de corriente
La recuperación de amonio también se ve favorecida
Aumento de la robustez de todo el sistema
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5 fases operacionales (Tª= 55ºC, TRH = 10 d)
Fase
Período
(d)
VCO
(kgDQO m-3 d-1)
VCN
(kgN m-3 d-1)
Recirculación
(% of flow rate)
1 1-110 3.02±0.60 0.17±0.03 0
2 110-200 6.25±1.05 0.34±0.06 0
3 200-240
6.25±1.05 0.34±0.06
25
4 240-299 50
5 299-236 75
MEC DA
DA
MEC DA
SISTEMA COMBINADO
AD+BES+STP/ABS
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100% VCO Recirculación
25% 50% 75%
Recuperación de energía: producción de metano x 2
DA
MEC DA
SISTEMA COMBINADO
AD+BES+STP/ABS
MEC DA
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Recirculación
25% 50% 75% 100% VCO
MEC DA DA
MEC DA
SISTEMA COMBINADO
AD+BES+STP/ABS Calidad efluente: Eliminación DQO (DA)
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Calidad efluente: Eliminación DQO (DA-MEC) ≈60%
Recirculación
25% 50% 75% 100% VCO
MEC DA DA
MEC DA
SISTEMA COMBINADO
AD+BES+STP/ABS
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Calidad efluente: Eliminación Amonio (MEC) Proporcional
a la generación eléctrica 1/α disfunción de la DA
(A m-2)
SISTEMA COMBINADO
AD+BES+STP/ABS
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Biocátodo para producir CH4 a partir del CO2
contenido en el biogás
4.- Enriquecimiento del biogás (upgrading)
DA
H+
A C
Tanque
influente
Tanque
efluente
MEC
CH4
H2O
CO2
H2O
CO2
CH4
CH4
OBJETIVOS
DEL SISTEMA COMBINADO
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SISTEMA COMBINADO
AD+BES-BC
Dos posibles vías metabólicas:
• Transferencia e- directa
CO2 + 8 H+ + 8 e- CH4 + 2 H2O (Ecat = -0.24 V vs. NHE)
• Transferencia e- indirecta
2 H+ + 2 e- H2 (Ecat = -0.41 V vs. NHE)
CO2 + 4 H2 CH4 + 2 H2O
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SISTEMA COMBINADO
AD+BES-BC
0
50
100
150
200
250
0 20 40 60 80 100
Cu
rre
nt
de
ns
ity (
A m
-3)
Time (d)
0
50
100
150
200
250
0 20 40 60 80 100
Cu
rre
nt
de
ns
ity (
A m
-3)
Time (d)
Inoculación MEC
Biomasa
granular
UASB
BC1
BC2
Enriquecimiento
(metanol)
Producción metano 0.22 m3 m-3 d-1
Producción metano 0.23 m3 m-3 d-1
Rápido arranque
No hay diferencias en la producción de CH4
Inoculación biocátodo
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DA
NH4
+ NH4+
Ánodo Cátodo
Purín porcino
Purín porcino refinado
CS: Columna stripping CA: Columna absorción CEM: Membrana intercambio catiónico CR: Circuito recirculación
Biogás
Potenciostato
MEC
CEM
CR
Purín porcino digerido
OBJETIVOS DEL SISTEMA
COMBINADO AD+BES-BC
1. Pulido efluente
3. Estabilización DA
2. Recuperación de amonio
CH4
CO2
CH4
4. Enriquecimiento biogás
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3 fases operacionales (Tª 55ºC, TRH=10d)
Fase Período
(d)
VCO
(kgDQO m-3 d-1)
VCN
(kgN m-3 d-1)
Recirculación
(% of flow rate)
1 1-78 3.92±0.61 0.22±0.03 0
2 78-126
7.39±1.36 0.40±0.06
0
3 126-222 50
MEC DA
MEC DA
SISTEMA COMBINADO
AD+BES-BC
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0
20
40
60
80
100
- 25 50 75 100 125 150 175 200 225
CO
D r
em
ova
l eff
icie
ncy
(%
)
Time (days)
AD
AD+MEC
Phase 1 Phase 2 Phase 3
Recirculación
50% 100% VCO
MEC DA
MEC DA
1. Pulido del efluente (DA-MEC)
SISTEMA COMBINADO
AD+BES-BC
Eliminación de DQO del sistema combinado cercano al 50%
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Recirculación
50% 100% VCO
2. Recuperación de amonio (MEC)
SISTEMA COMBINADO
AD+BES-BC
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
40%
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220
NH
4+
rem
ova
l e
ffic
ien
cy (
%)
Cu
rre
nt
de
ns
ity (
A m
-2)
Time (d)
Ammonium removal efficiency Current density
Phase 1 Phase 2 Phase 3
Período inestable
Recuperación de NH4+ promedio del 25%
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0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
- 25 50 75 100 125 150 175 200 225
Me
than
e p
rod
uct
ion
(m
3m
-3d
-1)
Time (days)
Phase 1 Phase 2 Phase 3
100% VCO Recirculación
50%
MEC DA
MEC DA
3. Estabilización del DA (producción metano)
SISTEMA COMBINADO
AD+BES-BC
Producción de CH4 se restablece a los valores iniciales
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4. Enriquecimiento de biogás (MEC)
SISTEMA COMBINADO
AD+BES-BC
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220
CO
2c
on
ve
rsio
n t
o C
H4
(L m
-3d
-1)
Cu
rre
nt
de
ns
ity (
A m
-2)
Time (d)
Methane production Current density
Phase 1 Phase 2 Phase 3
Período inestable
• Extrapolando resultados Biogás (60 CH4 / 40% CO2) podría
alcanzar valores de 89% CH4 / 11% CO2
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• La combinación de Digestión Anaerobia (DA) con
los Sistemas Bioelectroquímicos es una
prometedora configuración de tratamiento:
• Aumenta la producción de biogás
mayor producción y/o enriquecimiento del
biogás.
• Recupera amoniaco de aguas residuales
de alta carga.
• Mejora la robustez del sistema.
• Pero aún está lejos del mercado, su escalado
presenta algunas dificultades.
Results CONCLUSIONES
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¡¡Gracias por vuestra
atención!!
Este estudio ha sido financiado por el Ministerio de
Ciencia y Tecnología (MICINN) (CTM2009-12632
subprograma TECNO), el Ministerio de Economía y
Competitividad (RTA2012-00096-00-00), y el Departament
d’Economia i Coneixement de la Generalitat de Catalunya
(beca pre-doctoral 2013FI_B00014).