Evaluation of an anaerobic MBR as pretreatment for a CBMem system for the production and recovery of hydrogen from winery wastewater

Abstract

Las crecientes limitaciones de recursos han cambiado la perspectiva del enfoque de las aguas residuales; hoy en día, la provisión de tratamiento es igualmente importante que la recuperación de agua, nutrientes y energía [Veluhamy et al., 2021]. La producción de vino es una de las principales industrias de bebidas en Chile, sus aguas residuales si no son tratadas pueden generar contaminación del agua y degradación del suelo Ioannou et al., 2015]. Diversas tecnologías de tratamiento ofrecen una forma de convertir los recursos de las aguas residuales en productos comercializables. Algunos autores prefieren los métodos anaeróbicos para el tratamiento de aguas residuales y la recuperación de energía. La digestión anaeróbica combina cuatro pasos bioquímicos importantes para formar biometano o biohidrógeno. En los últimos años, el enfoque de la investigación se ha desplazado del metano al hidrógeno debido a su potencial como fuente de energía limpia inagotable, de bajo coste y renovable [Ngo et al., 2020].

El objetivo de este estudio fue modelar y simular un tren de tratamiento de aguas residuales vitinícolas y de generación de hidrógeno para implementar la tecnología de membranas bioactivas compuestas (CBMem) a escala real. La CBMem consiste en membranas de fibra hueca con bacterias acetogénicas encapsuladas; demostró ventajas en el rendimiento y la eficiencia de captura de hidrógeno [Prieto et al., 2016]. El afluente corresponde al agua residual generada en todas las etapas de la elaboración del vino y los requisitos del CBMem son una DQO soluble superior a 2000 mg/L y la eliminación de los sólidos en suspensión [Prieto et al., 2016]. El investigador realizó una revisión bibliográfica de diferentes biorreactores anaeróbicos. En resumen, un biorreactor anaeróbico de membrana (AnMBR) podría tratar las aguas residuales vitivinícolas y cumplir con las restricciones de la CBMem. Además, el autor revisó los parámetros operativos y de diseño que influyen en la producción de hidrógeno, los principales son el tiempo de retención hidráulico (HRT), el tiempo de retención de sólidos (SRT) y la tasa de carga orgánica (OLR). Los sólidos suspendidos en el licor mezclado (MLSS) influyen en el rendimiento de la membrana; por lo tanto, debe oscilar entre 10 y 20 g/L.

El autor construyó el modelo utilizando el software SIMBA, y simuló para SRT entre 2 y 15 días y para OLR en el rango de 10 a 30 kgCOD/m3 - d. En resumen, el pH y el hidrógeno inhibieron totalmente los procesos de oxidación anaeróbica, y el pH inhibió parcialmente la fermentación, por lo tanto, el modelo de digestión anaeróbica describió los procesos críticos para la implementación del CBMem. Los resultados demostraron que a mayor SRT, mayor producción de hidrógeno, y que el incremento de OLR promueve el mecanismo de inhibición de la actividad metanogénica. El investigador seleccionó un SRT de 7 días y un OLR de 21 kgCOD/m3-d para operar el AnMBR. Las principales ventajas de la aplicación del AnMBR en la industria vitivinícola son una eliminación del 23% de la DQO y una producción de hidrógeno de 821 m3/d. El hidrógeno producido puede transformarse en energía, y la energía disponible podría cubrir hasta el 1,4% de la demanda de la bodega.

The increasing resource limitations have changed the perspective of wastewater focus; nowadays, the provision of treatment is equally essential to the recuperation of water, nutrients, energy, and other by-products [Veluhamy et al., 2021]. Wine production is one of the leading beverage industries in Chile; its wastewater generates water pollution and soil degradation if not treated [Ioannou et al., 2015]. Various treatment technologies offer a way to convert the resources from wastewater into marketable products. Some authors prefer the anaerobic methods for wastewater treatment and energy recovery. Anaerobic digestion combines four significant biochemical steps to form biomethane or biohydrogen. Over the last years, the research focus has shifted from methane to hydrogen due to its potential as an inexhaustible, low-cost, and renewable source of clean energy [Ngo et al., 2020]. The objective of this study was to model and simulate a winery wastewater treatment and hydrogen generation train to implement full-scale composite bioactive membrane technology (CBMem). The CBMem consists of hollow fiber membranes with encapsulated acetogenic bacteria; it demonstrated advantages in yield and hydrogen capture efficiency [Prieto et al., 2016]. The influent corresponded to the wastewater generated from all the stages of the winemaking, and the CBMem requirements were a soluble COD higher than 2000 mg/L and the removal of the suspended solids [Prieto et al., 2016]. The researcher performed a literature review of different anaerobic bioreactors. In summary, an anaerobic membrane bioreactor (AnMBR) could treat winery wastewater and fulfill the CBMem restrictions. Besides, the author reviewed the operational and design parameters that influence hydrogen production. The main variables are hydraulic retention time (HRT), solids retention time (SRT), and organic loading rate (OLR). The mixed liquor suspended solids (MLSS) influence the membrane performance; therefore, it should be range between 10 and 20 g/L. The author built the model using the SIMBA software and simulated for SRT between 2 to 15 days and for OLR in the range of 10 to 30 kgCOD/m3 –d. In summary, pH and hydrogen inhibited the anaerobic oxidation processes entirely, and pH partially inhibited the fermentation; therefore, the anaerobic digestion model described the critical processes for the CBMem implementation. A high SRT allows higher hydrogen productions; therefore, operating at a higher SRT is advisable. The OLR increment promotes the inhibitory mechanism of the methanogenic activity; therefore, it is advisable to operate at a higher OLR. The researcher selected an SRT of 7 days and an OLR of 21 kgCOD/m3-d to operate the AnMBR. The principal advantages of implementing the AnMBR in the wine production industry are 23% of COD removal and hydrogen production of 821 m3/d. The hydrogen produced could be transformed into energy, and the available energy could cover up to 1.4% of the winery demand.