ES2695273T3 - Método para la recuperación de nitrógeno de un fluido que comprende amonio y un sistema bioeléctrico - Google Patents

Método para la recuperación de nitrógeno de un fluido que comprende amonio y un sistema bioeléctrico Download PDF

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Abstract

Método para la recuperación de nitrógeno de un fluido que comprende amonio, que comprende: - proporcionar un compartimento de ánodo (4) que comprende un ánodo (6); - proporcionar un compartimento de cátodo (8) que comprende un cátodo (10), en donde los compartimentos están separados por al menos una membrana de intercambio iónico (12) y en donde se proporciona un bioelectrodo como el ánodo, y el bioelectrodo comprende microorganismos configurados para catalizar la reacción en el ánodo; - proporcionar el fluido que comprende amonio que tiene una concentración de nitrógeno amónico >= 0,5 g/l en el compartimento de ánodo y un segundo fluido en el compartimento de cátodo; - aplicar un voltaje entre el ánodo y el cátodo tal que se consiga la recuperación de nitrógeno; y - extraer el nitrógeno del compartimento de cátodo.

Description

DESCRIPCION
Metodo para la recuperacion de nitrogeno de un fluido que comprende amonio y un sistema bioelectrico
La invencion se refiere a un metodo para la recuperacion de nitrogeno a partir de un fluido que comprende amonio. Tales metodos extraen nitrogeno a partir de un fluido, por ejemplo, en la forma de nitrogeno molecular (N2) o amomaco (NH3). Esto es importante, por ejemplo, en las plantas de tratamiento de aguas residuales, ya que el amonio se considera un contaminante.
Un metodo convencional para recuperar nitrogeno implica el uso de un separador de NH3. Este dispositivo es similar a un depurador de gas. El fluido que comprende amonio se pone en contacto con una corriente de gas que fluye en contracorriente, que separa el amonio del agua en forma de amoniaco. Sin embargo, este proceso consume mucha energfa y ademas requiere grandes cantidades de productos qmmicos.
El documento de patente aleman DE 101 38 966 A1 divulga un metodo para la ruptura electroqmmica en una solucion acuosa de una sal de amonio usando una celula electroqmmica que tiene un compartimento de anodo, una membrana de intercambio ionico y un compartimento de catodo.
El documento de patente internacional WO 2009/046417 A1 describe un tratamiento de aguas residuales usando una MFC (celula de combustible microbiana)que comprende un anodo y un catodo, en donde el anodo comprende bacterias, para generar electricidad.
Un objetivo de la invencion es evitar o al menos reducir las desventajas anteriores y proporcionar un metodo que es energeticamente eficiente para la recuperacion de nitrogeno a partir de un fluido que comprende amonio.
Este objetivo se logra mediante el metodo para la recuperacion de nitrogeno a partir de un fluido que comprende amonio segun la reivindicacion 1.
En el contexto de la invencion el termino “amonio” se entendera como iones NH4+, el termino “nitrogeno molecular” se entendera como N2, y “amoniaco” se entendera como NH3, (por ejemplo, en la fase gaseosa (g) o en solucion (aq)). El termino "recuperacion de nitrogeno" se entendera como la recuperacion de un compuesto que comprende nitrogeno, tal como nitrogeno molecular o amoniaco (NH3). El nitrogeno de amonio se entendera como nitrogeno en la forma de NH4+, y/o NH3.
Los iones de amonio seran transportados desde el compartimento del anodo a traves de la membrana de intercambio ionico. Ademas, los iones H+ se consumiran en el catodo, por ejemplo, mediante reduccion a hidrogeno. Debido a este consumo de iones H+ en el catodo, aumentara el pH del compartimento del catodo. Esto permite la volatilizacion y recuperacion del nitrogeno mediante la formacion de amoniaco segun la siguiente reaccion:
NH4+ OH-^ NH3 H2O.
El amomaco (NH3) se puede extraer del compartimento del catodo, purgando con una corriente de gas, tal como O2 o H2:
gas
NH3 (aq) ^ NH3 (g)
Por lo tanto, el nitrogeno amonico se recupera de una manera energeticamente eficiente. Ademas, no se requiere la adicion de productos qmmicos para aumentar el pH.
La al menos una membrana de intercambio ionico es, por ejemplo, una membrana de intercambio cationico (CEM), una membrana de intercambio anionico (AEM), una membrana de intercambio bipolar (BEM) o una membrana de mosaico de carga (CMM). Preferiblemente, la membrana que separa el compartimento del anodo del compartimento del catodo comprende una CEM, ya que la transferencia de NH4+ desde el compartimento del anodo es mas eficiente usando una CEM.
Preferiblemente, el voltaje aplicado esta en el intervalo de 10 mV - 50 V, mas preferiblemente 50 mV -10 V y lo mas preferible 100 mV - 5 V, por ejemplo 1 V - 2 V.
El voltaje preferiblemente es un voltaje de CC.
Preferiblemente, el metodo segun la invencion comprende la etapa de proporcionar un bioelectrodo como anodo y/o catodo.
En otras palabras, el anodo y el catodo se proporcionan como componentes de un sistema bioelectroqmmico. Convencionalmente, los sistemas bioelectroqmmicos se dividen en dos clases, a saber, celulas de electrolisis microbiana (MECs) y celulas de combustible microbianas (MFCs).
En las MECs convencionales, se aplica un voltaje para la electrolisis del agua para producir H2. Por lo general, el anodo se proporciona como un bioelectrodo para oxidar compuestos organicos para la produccion de electrones. Los electrones se usan para reducir protones (iones H+) en el catodo a hidrogeno. El objetivo de las MECs es producir un producto en el catodo, en la mayona de los casos, hidrogeno. Por el contrario, el metodo segun la invencion esta dirigido a la recuperacion de nitrogeno, por ejemplo, en forma de amoniaco o nitrogeno molecular. En las celulas de combustible microbianas convencionales (MFCs) los compuestos organicos son consumidos por las bacterias para producir electrones en el (bioanodo) y/o consumirlos en el (biocatodo) para producir una corriente. En otras palabras, el objetivo en las MFCs convencionales es producir electricidad. Por el contrario, la invencion esta dirigida a la recuperacion de nitrogeno.
Ademas, las MFCs convencionales no aplican un voltaje entre el anodo y el catodo, tal como en el metodo segun la invencion.
Por lo tanto, se observa que las denominadas MECs y MFCs no son estrictamente apropiadas para los componentes proporcionados por el metodo segun la invencion, ya que el metodo esta dirigido a la recuperacion de nitrogeno en lugar de solamente a la produccion de hidrogeno o electricidad, y se aplica un voltaje entre el anodo y el catodo. Por lo tanto, se usara el termino mas general de sistema bioelectroqmmico, es decir, un sistema bioelectroqmmico es cualquier sistema en donde microorganismos, tal como las bacterias, producen o consumen electrones. En particular, los sistemas bioelectroqmmicos comprenden sistemas que comprenden uno o mas bioelectrodos.
El bioelectrodo es un anodo provisto de microorganismos, tales como bacterias, por ejemplo, en forma de una biopelfcula sobre el electrodo.
Los microorganismos del bioelectrodo catalizan las reacciones en el anodo y/o el catodo, mejorando asf la eficiencia energetica.
Preferiblemente, el anodo se proporciona como un bioelectrodo. Las bacterias del bioelectrodo catalizan la reaccion en el anodo. Esto mejora la eficiencia energetica.
Debido a la oxidacion de compuestos organicos en el anodo, la recuperacion de nitrogeno del metodo segun la invencion es incluso mas eficiente. Los electrones producidos por las bacterias reducen el voltaje que debe aplicarse a traves del anodo y el catodo, lo que disminuye el consumo de energfa del sistema y conduce a un metodo eficiente.
Ademas, el metodo segun la invencion tiene la ventaja de que no se requieren productos qmmicos para aumentar el pH en el catodo.
El compuesto organico comprende, por ejemplo, acetato u otros acidos grasos, creatinina, acidos organicos, creatina o azucares. Los compuestos organicos complejos pueden ser descompuestos gradualmente por las bacterias del bioelectrodo.
Por ejemplo, la reaccion de oxidacion del acetato en un bioanodo viene dada por:
CH3COO- 4 H2O ^ 2 HCO3- 9H+ 8e-.
Asf, por cada mol de acetato, la bacteria produce ocho moles de electrones. Preferiblemente, el fluido que comprende amonio del metodo comprende compuestos organicos que pueden ser oxidados por las bacterias del bioelectrodo, por ejemplo, el fluido comprende una corriente de agua residual. Alternativamente, se pueden anadir compuestos organicos al fluido que comprende amonio.
Al menos algunos de los protones producidos en el anodo, por ejemplo, debido a la reaccion anterior, pasaran a traves de la membrana al compartimento del catodo. Esto aumenta la produccion de NH3, N2 y/o H2.
Preferiblemente, se proporciona un bioanodo en un compartimento del anodo anaerobico.
Preferiblemente, el metodo de la invencion comprende controlar el voltaje para controlar las velocidades de transporte de los iones. Al aumentar el voltaje entre el anodo y el catodo, la densidad de corriente aumenta y, por lo tanto, aumenta el transporte de iones. Esto conduce a un mayor transporte de amonio. Por lo tanto, invirtiendo un poco mas de energfa a traves de un voltaje incrementado se puede lograr una mayor recuperacion. Por lo tanto, al controlar el voltaje, se puede controlar la tasa de recuperacion y el gasto de energfa.
El metodo segun la invencion se puede combinar con otros metodos de tratamiento, por ejemplo, como un tratamiento previo o posterior. Por ejemplo, el metodo segun la invencion se combina con un proceso de precipitacion de MAP (fosfato de magnesio y amonio). Un fluido, preferiblemente orina o un fluido que comprende orina, se trata primero con el proceso MAP, eliminando asf el fosforo del fluido. El sobrenadante del proceso MAP se trata posteriormente con el metodo segun la invencion, para la eliminacion eficiente de nitrogeno del fluido.
Preferiblemente, el metodo segun la invencion comprende la etapa de proporcionar el fluido en el compartimento del catodo con un pH superior a 7, preferiblemente superior a 8, mas preferiblemente superior a 9, lo mas preferible superior a 10.
Como se menciono anteriormente, el pH en el catodo aumentara naturalmente debido al consumo de H+ en el catodo. En el metodo segun la invencion, este aumento en el pH no se contrarresta, como por ejemplo es practica comun con MECs o MFCs. Ademas, la etapa de proporcionar el fluido con un pH incrementado puede comprender aumentar activamente el pH del fluido, por ejemplo, anadiendo hidroxido de sodio (NaOH).
El pH relativamente alto en el catodo permite la recuperacion de nitrogeno segun la reaccion:
NH4+ OH-^ NH3 H2O.
En una forma de realizacion preferida segun la invencion, extraer el nitrogeno comprende extraer el amoniaco, y el metodo comprende ademas la etapa de alimentar el amomaco a una pila de combustible.
En esta forma de realizacion, el nitrogeno se extrae al menos en forma de amoniaco (NH3), por ejemplo, en forma de amoniaco gaseoso. El amoniaco se extrae y se alimenta a una celda de combustible. Se distinguen dos situaciones. En la primera situacion, tanto el gas de hidrogeno como el amomaco se producen en el compartimento del catodo. El amomaco se produce segun la reaccion anterior y el hidrogeno se produce por reduccion de iones H+ en el catodo. Por ejemplo, la celda de combustible es una celda de combustible de membrana de intercambio de protones o una celda de combustible de oxido solido (SOFC), o se proporcionan dos celdas de combustible separadas, una es una celda de combustible de hidrogeno y la otra es una celda de combustible de amoniaco.
Sorprendentemente, el contenido de energfa del combustible producido excede el requerimiento de energfa del suministro de voltaje, lo que resulta en una ganancia neta de energfa. Por ejemplo, el suministro de voltaje puede ser alimentado por la celda de combustible y el excedente puede usarse para otros fines.
En la segunda situacion, el fluido en el compartimento del catodo comprende oxfgeno (O2) o, preferiblemente, se suministra oxfgeno al compartimento del catodo. Los iones H+ pueden reaccionar con el oxfgeno disponible (O2) para formar agua (H2O) en lugar de hidrogeno, y el producto de salida del compartimento del catodo comprendera sustancialmente amoniaco, que puede alimentarse a una pila de combustible de amoniaco.
Se observa que no se requiere un pretratamiento del amoniaco antes de la produccion de electricidad.
En una forma de realizacion preferida alternativa segun la invencion, extraer el nitrogeno comprende extraer el nitrogeno molecular (N2) y el metodo comprende ademas la etapa de proporcionar un anodo adicional.
El efecto del anodo adicional es que el amoniaco se descomponga en nitrogeno molecular y, dependiendo de la configuracion, hidrogeno o agua.
Preferiblemente, pero no necesariamente, el anodo y el anodo adicional estan separados entre sf por una membrana de intercambio ionico.
Preferiblemente, el anodo y el anodo adicional se mantienen sustancialmente al mismo potencial con respecto al catodo, por ejemplo, conectandolos en paralelo.
Opcionalmente, el anodo adicional es un bioanodo.
El anodo adicional puede estar dispuesto en el compartimento del catodo o en un compartimento adicional.
Cuando el anodo adicional se proporciona en el compartimento del catodo, en otras palabras, el anodo se proporciona en un compartimento del anodo que esta separado del compartimento del catodo por una membrana de intercambio ionico y el compartimento del catodo comprende tanto el anodo adicional como el catodo, el amoniaco se oxidara en el anodo adicional segun la siguiente reaccion:
2 NH3 ^ N2 6H+ 6e-.
En el catodo, los protones se reduciran a hidrogeno gaseoso. Por lo tanto, tanto el nitrogeno molecular (N2) como el hidrogeno (H2) se producen en el compartimento del catodo.
Preferiblemente, el metodo comprende extraer el nitrogeno molecular y el hidrogeno por separado. El nitrogeno molecular se producira en el anodo adicional y, por lo tanto, se puede extraer de una salida en las proximidades del anodo adicional. Por otro lado, el gas hidrogeno se producira en el catodo y, por lo tanto, preferiblemente el gas hidrogeno se extrae de una salida en las proximidades del catodo.
En una forma de realizacion preferida alternativa, el metodo segun la invencion comprende ademas las etapas de: - proporcionar un compartimento adicional entre el compartimento del anodo y el compartimento del catodo y disponer el anodo adicional en el compartimento adicional;
- separar el compartimento del anodo del compartimento adicional con una primera membrana de intercambio ionico; y
- separar el compartimento adicional del compartimento del catodo con una segunda membrana de intercambio ionico.
Proporcionando un compartimento adicional entre el compartimento del anodo y el compartimento del catodo se pueden obtener diferentes reacciones en el anodo adicional y en el catodo en comparacion con la forma de realizacion anterior en la que ambos electrodos estan en el compartimento del catodo. Preferiblemente, los iones hidroxilo (OH') producidos en el catodo pasan a traves de la segunda membrana de intercambio ionico al compartimento adicional que comprende el anodo adicional. En el compartimento adicional, el amoniaco se descompone en nitrogeno molecular y protones segun 2 NH3 ^ N2 6H+ 6e-. Por cada mol de NH3, se forman tres moles de electrones. Los iones H+ reaccionan con el hidroxido (OH-) para formar H2O. Por lo tanto, el nitrogeno se extrae en forma de nitrogeno molecular (gas) y ademas se produce agua. Ambas sustancias son ecologicas.
Preferiblemente, la primera membrana es una membrana de intercambio cationico. Preferiblemente, la segunda membrana, es decir, la membrana entre el compartimento del catodo y el compartimento adicional es una membrana de intercambio anionico.
En una forma de realizacion preferida adicional segun la invencion, el metodo comprende la etapa de alimentar el fluido desde el compartimento del anodo al compartimento que comprende el anodo adicional.
El anodo adicional descompone el amoniaco del fluido en el compartimento con el anodo adicional, es decir, el compartimento del catodo o el compartimento adicional. Al alimentar al menos una parte del fluido del compartimento del anodo a este compartimento, el amomaco remanente en el efluente del compartimento del anodo puede descomponerse en el compartimento que comprende el anodo adicional. Preferiblemente, el fluido o parte del fluido del compartimento del anodo se alimenta periodicamente al compartimento que comprende el anodo adicional. En una forma de realizacion preferida segun la invencion, el metodo comprende la etapa de suministrar oxfgeno al compartimento del catodo.
Al suministrar oxfgeno (O2) al compartimento del catodo, se puede formar agua (H2O) debido a una reaccion entre el oxfgeno (O2), los electrones (e-) y los iones H+. Esto es una ventaja, por ejemplo, en el caso de que solo se este interesado en producir un producto de reaccion de amonio, tal como amoniaco (NH3) o nitrogeno (N2), pero no se desee produccion de hidrogeno. Debido a la reaccion de los protones con el oxfgeno, se producira agua en el catodo en lugar de hidrogeno. Ademas, la reduccion de O2 requiere menos energfa que la reduccion de H+, lo que aumenta aun mas la eficiencia energetica del procedimiento segun la invencion.
Ademas, las densidades de la corriente se aumentan y, como resultado, aumenta la velocidad de transporte de los iones NH4+.
Preferiblemente, el metodo segun la invencion comprende proporcionar un fluido que comprende orina como un fluido que comprende amonio, preferiblemente la concentracion de orina es alta, mas preferiblemente 100%.
La orina comprende niveles relativamente altos de nitrogeno en forma de urea. La urea se descompone en amoniaco y amonio. Por ejemplo, las plantas de tratamiento de aguas residuales deben eliminar cantidades considerables de amonio y amoniaco debido a la orina. En particular, ya que aproximadamente el 80% del nitrogeno en las aguas residuales proviene de la orina. El metodo segun la invencion es especialmente adecuado para esta tarea.
Preferiblemente, el metodo comprende la etapa de recoger la orina separada de otros fluidos de corriente residual, de manera que sea posible un tratamiento separado de la orina. Se observa que la orina comprende ademas varios compuestos organicos, tales como acidos grasos, acidos organicos, protemas, polisacaridos y lfpidos, por ejemplo. La cantidad tfpica de compuestos organicos oxidables en la orina es tan alta como de 10 g/l. Con el metodo segun la invencion, en donde se usa un bioelectrodo, dichos compuestos pueden oxidarse biologicamente, y ademas se producen electrones en este proceso. Esto conduce a un tratamiento eficaz de las aguas residuales. Ademas, el tratamiento del fluido que comprende amonio, tal como las aguas residuales, es sostenible. Se puede obtener energfa del proceso y COD (demanda qmmica de oxfgeno) y nitrogeno se eliminan del fluido.
En una forma de realizacion preferida segun la presente invencion, el metodo comprende proporcionar un fluido que comprende amonio que tiene una concentracion de nitrogeno del amonio > 0,5 g/l, preferiblemente > 1 g/l, mas preferiblemente > 5 g/l y lo mas preferible > 10 g/l.
Otras ventajas y detalles de la invencion se dilucidan usando los dibujos adjuntos, en donde:
- la figura 1 ilustra una primera forma de realizacion del metodo segun la invencion, en donde se producen hidrogeno y amoniaco;
- la figura 2 ilustra una segunda forma de realizacion del metodo segun la invencion en donde se produce amoniaco;
- la figura 3 ilustra una tercera forma de realizacion del metodo segun la invencion, en donde se proporciona un anodo adicional en el compartimento del catodo y se producen nitrogeno molecular e hidrogeno;
- la figura 4 ilustra una cuarta forma de realizacion del metodo segun la invencion, en donde se proporciona un anodo adicional en el compartimento del catodo y se produce nitrogeno molecular e hidrogeno;
- la figura 5 ilustra una quinta forma de realizacion del metodo segun la invencion en donde se proporciona un compartimento adicional y se proporciona un anodo adicional dentro de este compartimento adicional; - la figura 6 muestra los resultados experimentales en forma de un grafico de pH, voltaje de la corriente y voltaje de la celda a lo largo del tiempo; y
- la figura 7 muestra un diagrama de bloques de una combinacion de un proceso de MAP y el metodo segun la invencion.
En las figuras 1-5, se han dado a componentes similares, el mismo numero de referencia aumentado con cientos, por ejemplo, el elemento 14 en la figura 1 es similar al elemento 114, 214, 314, 414 en las figuras 2, 3, 4 y 5 respectivamente.
Un primer sistema bioelectroqmmico 2 (figura 1) comprende un compartimento de anodo 4 con un bioanodo 6 y un compartimento de catodo 8 con un catodo 10. El compartimento de anodo 4 y el compartimento de catodo 8 estan separados por una membrana de intercambio cationico 12. El bioanodo 6 y el catodo 10 estan conectados con un suministro de energfa 14.
El compartimento 4 de anodo comprende una entrada 16 para suministrar orina al compartimento de anodo 4, como se indica con la flecha. El compartimento 8 de catodo comprende una salida 18 para la extraccion de una mezcla de hidrogeno amoniaco (H2/NH3). El compartimento de anodo comprende una salida 20 para liberar el efluente. Preferiblemente, el efluente se libera periodicamente, por ejemplo, por medio de una valvula controlada por un mecanismo de control. El efluente se alimenta opcionalmente a un sistema para la eliminacion de fosforo. Esto es en particular eficiente debido a la baja concentracion de carbonato/bicarbonato del efluente. Ademas, el bajo pH del anodo es beneficioso para la recuperacion de fosforo, ya que el carbonato (CO32") se puede eliminar facilmente como CO2 a un pH bajo:
H2CO3 ~ H2O CO2
H2CO3 ^ H C O 3'+ H+ (pKa = 6,3)
HCO3- ~ H+ CO32" (pKa = 10,05)
Menos carbonato en la solucion significa que se formara menos carbonato de calcio (CaCO3) durante la recuperacion de fosfato como un fosfato de calcio (por ejemplo, hidroxiapatita, Ca5(PO4)3(OH)). Por lo tanto, la recuperacion de fosfato se vuelve mas eficiente.
La salida 18 del compartimento del catodo 8 esta conectada a una celda de combustible 22 para la produccion de electricidad. La cantidad de potencia producida por la pila de combustible 22 excede el consumo de potencia del suministro de energfa 14 y una parte de la potencia producida se dirige al suministro de energfa 14 para alimentar el proceso.
La orina suministrada al compartimento del anodo 4 a traves de la entrada 16 comprende iones amonio (NH4+) y compuestos organicos (COD), tales como iones acetato (CHaCOO'). Las bacterias del bioanodo 6 oxidaran el acetato segun la siguiente reaccion:
CH3COO- 4 H2O ^ 2 HCO3- 9H+ 8e-Por cada mol de acetato se producen ocho moles de electrones en el bioanodo 6.
El suministro de energfa 14 conectado a estos electrodos proporciona una fuerza conductora adicional para el transporte de amonio desde el compartimento de anodo 4 hasta el compartimento 8 de catodo (flecha A). Debido a esta energfa adicional, se logran densidades de corriente mas altas, lo que conduce a un alto transporte de amonio. En el catodo 10 los protones (H+) se reducen para formar hidrogeno (H2):
3 H2O ^ H2 2OH-+ H2O
Debido al consumo de protones del catodo 10, el pH del compartimento 8 del catodo aumenta. Esto permite la reaccion de los iones de amonio en el compartimento del catodo segun la reaccion:
NH4+ OH-^ NH3 H2O
Por lo tanto, el hidrogeno y el amomaco producidos se pueden extraer de la salida 18 y alimentar a una celda de combustible modificada 22. La celda de combustible modificada puede producir electricidad a partir de hidrogeno y amomaco. Alternativamente, la celda de combustible modificada se reemplaza por una celda de combustible de oxido solido (SOFC).
El sistema bioelectroqmmico 102 (figura 2) comprende un compartimento de anodo 104 con un bioanodo 106 y un compartimento de catodo 108 con un catodo 110. De nuevo, el compartimento de anodo 104 y el compartimento de catodo 108 estan separados por una membrana de intercambio cationico 112. El anodo 106 y el catodo 110 se conectan a una fuente de energfa 114. La orina se proporciona al compartimento de anodo 104 a traves de la entrada 116. El amoniaco (NH3) que se produce en el compartimento de catodo 108 se extrae a traves de la salida 118. El efluente del compartimento de anodo 104 se libera periodicamente a traves de la salida 120.
El amoniaco extrafdo a traves de la salida 118 se alimenta a una celda de combustible de amoniaco 122 para producir electricidad. De nuevo, la energfa producida excede el requerimiento de energfa del suministro de energfa 114 y se puede usar una parte de la electricidad para alimentar el suministro de energfa 114. El compartimento de catodo 108 comprende ademas una entrada 121 para proporcionar oxfgeno (O2) al fluido en el compartimento de catodo 108.
En el compartimento de anodo 104, tienen lugar las mismas reacciones que las descritas con respecto a la figura 1. En el compartimento de catodo, la disponibilidad de oxfgeno (O2) permite una reaccion en el catodo:
4H+ O2 4e-^ 2 H2O
Por lo tanto, sustancialmente no se produce hidrogeno y la salida 118 del compartimento 108 de catodo libera predominantemente amoniaco.
El sistema bioelectroqmmico 202 (figura 3) comprende un compartimento de anodo 204 con un bioanodo 206, un segundo compartimento 208 que comprende un catodo 210 y un anodo adicional 211. El catodo 210 y el anodo adicional 211 estan separados del anodo 206 por una membrana de intercambio cationico 212. El anodo 206, el catodo 210 y el anodo adicional 211 estan conectados a un suministro de energfa 214.
En este ejemplo, el voltaje del anodo 206 y el del anodo adicional 211 son sustancialmente iguales, ya que el anodo 206 y el anodo adicional 211 estan conectados en paralelo. Se observa que no es necesario que este sea el caso y que el voltaje de los electrodos se puede controlar individualmente segun la invencion.
El compartimento 204 de anodo comprende una entrada 216 para proporcionar orina y el compartimento 208 de catodo comprende una primera salida 217 para liberar nitrogeno molecular (N2) y una segunda salida 218 para liberar hidrogeno (H2). Ademas, el compartimento 204 de anodo comprende una salida 220 para periodicamente liberar el fluido efluente.
Las reacciones en el compartimento de anodo 204 son las mismas que las descritas anteriormente. En el segundo compartimento 208 se produce una reaccion adicional debido al anodo adicional 211. En el anodo adicional 211 el amoniaco (NH3) en el compartimento 208 se descompone segun la siguiente reaccion:
2N H 3^ N2 6H+ 6e- .
En el catodo, los protones se oxidan para formar hidrogeno. Por lo tanto, en el compartimento 208, se forma nitrogeno molecular en el anodo adicional 211 y se forma hidrogeno en el catodo 210, de manera que la salida 217 comprende sustancialmente N2 (g) y la salida 218 comprende sustancialmente H2 (g).
El sistema bioelectrico 302 (figura 4) muestra una disposicion similar a la figura 3. Una diferencia entre el sistema de la figura 3 y la figura 4 es que en el sistema 302 el segundo compartimento 308 comprende una entrada 322 que esta conectada a la salida 320 del compartimento de anodo 304 de modo que el efluente del compartimento de anodo 304 se dirige al segundo compartimento 308. Preferiblemente, el fluido se alimenta periodicamente al segundo compartimento 308.
El efluente que sale del compartimento de anodo 304 puede comprender todavfa algo de amoniaco que puede descomponerse mas exponiendolo al anodo adicional 311 en el segundo compartimento 308.
En el sistema 402 (figura 5), se proporcionan tres compartimentos: un compartimento 404 de anodo que comprende un bioanodo 406, un compartimento 408 de catodo que comprende un catodo 410 y un compartimento 409 adicional que comprende un anodo 411 adicional. El compartimento 404 de anodo esta separado del compartimento adicional 409 mediante una membrana de intercambio cationico 412 y el compartimento de anodo adicional 409 esta separado del compartimento de catodo 408 por una membrana de intercambio anionico 413. El anodo 406, el anodo 411 y el catodo 410 estan conectados al suministro de energfa 414. La orina se proporciona a traves de la entrada 416. El nitrogeno (N2) es liberado por la salida 418.
El efluente del compartimento de anodo 404 se alimenta desde la salida 420 del compartimento de anodo 404 a la entrada 422 del compartimento adicional 409. El fluido puede salir del compartimento adicional 409 a traves de la salida 424. Ademas, el compartimento de catodo 408 comprende una entrada 421 para suministro de O2
En el compartimento de catodo, el oxfgeno (O2) y los protones (H+) forman agua (H2O). Los iones hidroxido (OH-) pasan a traves de la membrana de intercambio anionico 413 (flecha B). Por lo tanto, no se produce hidrogeno y todo el amoniaco en la orina se descompone en agua y nitrogeno molecular N2 (g), que sale por la salida 418.
Opcionalmente, el compartimento 408 de catodo comprende una salida para el gas sobrante.
Se realizo un experimento usando el sistema 202 de la figura 3. El sistema se opero durante tres dfas con orina real y produjo 678,08 ml de gas, compuesto por 86% de H2, 0,05% de O2 y 6% de N2. El grafico de la figura 6 muestra otros resultados del experimento. El potencial del anodo y el catodo se midio con relacion a un electrodo de referencia Ag/AgCl. El grafico muestra un nivel de voltaje constante durante los 3 dfas tanto para el anodo (Eanodo), grafico 508, como para el sistema (Ecelula), grafico 500. La corriente, grafico 502, cayo ligeramente durante la operacion de tres dfas. Los niveles de pH del anodo, grafico 506 y del catodo, grafico 504, son constantes. Ademas, se recupero amoniaco en el experimento. En un experimento adicional, el sistema se opero de manera estable durante mas de 270 dfas.
En un experimento adicional, se produjo H2 y NH3 usando el sistema bio-electroqrnmico 2 de la figura 1. Los experimentos se llevaron a cabo utilizando diferentes tipos de membranas. Los resultados se muestran en la tabla a continuacion.
Figure imgf000008_0001
La primera columna de la tabla muestra el tipo de membrana: membrana de intercambio cationico (CEM) (membrana 12) o membrana de intercambio anionico (AEM) (en lugar de la membrana 12). La columna denota ademas si se utilizaron aguas residuales sinteticas o aguas residuales reales (r). En este caso, el agua residual real era orina.
La segunda columna muestra la demanda qmmica de oxfgeno (COD) del fluido en mg/l. COD es un parametro de suma de los compuestos oxidables en el fluido.
La tercera columna muestra la densidad de corriente (i) en A/m2.
La cuarta columna muestra la eficiencia coulombica (q CE), que es la eficiencia de conversion de COD a electrones. La quinta columna muestra la eliminacion de nitrogeno del influente como un porcentaje.
La ultima columna muestra la eficiencia de hidrogeno (q H2), que es la eficiencia de la corriente para el gas de hidrogeno.
Se observa que el uso de una CEM es particularmente ventajoso para eliminar el nitrogeno de un fluido, ya que se logra una alta eliminacion a densidades de corriente relativamente bajas, mientras que al mismo tiempo proporciona una alta eficiencia de hidrogeno.
El metodo segun la invencion se combina ventajosamente con etapas de tratamiento adicionales. Por ejemplo, el metodo segun la invencion se combina con un proceso de precipitacion de fosfato de amonio y magnesio (MAP) (figura 7).
La orina se suministra a un almacenamiento a a corto plazo, lo que permite la hidrolisis de urea para formar NH3. Ademas, el almacenamiento a sirve como un amortiguador para regular el flujo de entrada al sistema. Del almacenamiento a la orina fluye a un reactor p de estruvita, en el que se forma el fosfato de amonio y magnesio (MAP), MgNH4PO4.6 H2O. Por ejemplo, NH4+, Mg2+ y PO43- reaccionan a pH elevado para formar MAP. El MAP precipitado se extrae, como se indica mediante la flecha P, y puede usarse, por ejemplo, como fertilizante. Por lo tanto, en esta primera etapa de tratamiento, tanto el amonio como el fosforo se eliminan del fluido. Sin embargo, no todo el amonio precipitara.
El efluente sobrenadante del reactor p se alimenta al reactor y, en el que se aplica el metodo segun la invencion. En este ejemplo, el reactor y corresponde al sistema descrito en relacion con la figura 1, es decir, un sistema bioelectroqmmico para la produccion de NH3/H2. Sin embargo, en lugar de este sistema, cualquier otro sistema y metodo segun la invencion se puede usar para el reactor y.
La orina tratada que sale del reactor y estara vaciada de nitrogeno, COD y fosforo. La mezcla de hidrogeno/amoniaco se alimenta a una celda de combustible de oxido solido (SOFC) 8. Tambien se suministra oxfgeno a la celda de combustible 8. Tambien se pueden usar otros tipos de celulas de combustible, en particular cuando se usa un metodo diferente del de segun la invencion en el reactor y.
La energfa se producira en el sistema 8 y los productos finales son N2 y H2O, que son inocuos para el medio ambiente.

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Metodo para la recuperacion de nitrogeno de un fluido que comprende amonio, que comprende:
- proporcionar un compartimento de anodo (4) que comprende un anodo (6);
- proporcionar un compartimento de catodo (8) que comprende un catodo (10), en donde los compartimentos estan separados por al menos una membrana de intercambio ionico (12) y en donde se proporciona un bioelectrodo como el anodo, y el bioelectrodo comprende microorganismos configurados para catalizar la reaccion en el anodo;
- proporcionar el fluido que comprende amonio que tiene una concentracion de nitrogeno amonico > 0,5 g/l en el compartimento de anodo y un segundo fluido en el compartimento de catodo;
- aplicar un voltaje entre el anodo y el catodo tal que se consiga la recuperacion de nitrogeno; y
- extraer el nitrogeno del compartimento de catodo.
2. El metodo segun la reivindicacion 1, que comprende la etapa de proporcionar el fluido en el compartimento de catodo con un pH por encima de 7, preferiblemente por encima de 8, mas preferiblemente por encima de 9, lo mas preferible por encima de 10.
3. El metodo segun la reivindicacion 1 o 2, en donde la extraccion de nitrogeno comprende extraer amoniaco, el metodo ademas comprende la etapa de alimentar el amoniaco a una celula de combustible.
4. El metodo segun la reivindicacion 1 o 2, en donde la extraccion de nitrogeno comprende extraer el nitrogeno molecular, el metodo ademas comprende la etapa de proporcionar un anodo adicional.
5. El metodo segun la reivindicacion 4, en donde proporcionar un anodo adicional comprende proporcionar el anodo adicional (211) en el compartimento de catodo.
6. El metodo segun la reivindicacion 4, que ademas comprende las etapas de:
- proporcionar un compartimento adicional (409) entre el compartimento de anodo y el compartimento de catodo y disponer el anodo adicional (411) en el compartimento adicional;
- separar el compartimento de anodo del compartimento adicional por una primera membrana de intercambio ionico; y
- separar el compartimento adicional del compartimento de catodo por una segunda membrana de intercambio ionico.
7. El metodo segun la reivindicacion 4, 5, o 6, que comprende la etapa de alimentar fluido desde el compartimento de anodo al compartimento que comprende el anodo adicional.
8. El metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 1-7, que comprende la etapa de suministrar oxfgeno al compartimento de catodo.
9. El metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 1-8, que comprende proporcionar un fluido que comprende orina como fluido que comprende amonio.
10. El metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 1-9, que comprende proporcionar un fluido que comprende amonio que tiene una concentracion de nitrogeno amonico > 1 g/l, preferiblemente > 5 g/l, lo mas preferible > 10 g/l.
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