Novel Bioreactors for Waste Gas Treatment

Rene, Eldon R.; Montes, María; Veiga, María C.; Kennes, Christian

doi:10.1007/978-94-007-2439-6_3

Cited by 9 publications

(4 citation statements)

References 123 publications

(169 reference statements)

Supporting

Mentioning

Contrasting

Unclassified

Order By: Relevance

“…Bioreactors such as biofilters and biotrickling filters are commonly applied for odor and volatile organic compound (VOC) control but less so for ammonia emission control. ,− In traditional biofilters, ammonia is absorbed onto the damp packing material and then further nitrified to nitrite and then nitrate. Biofiltration of ammonia can be very cost effective especially at low concentrations, since biofilters are simple to build and require low maintenance. , There are several studies demonstrating effective removal of ammonia at low nitrogen loading ranging from 0.85 to 22.5 gN m –3 h –1 , and many full-scale systems are operational. − However, under medium or high ammonia loading conditions, biofilters usually accumulate free ammonia (FA) and free nitrous acid (FNA) in the damp volume of their packed beds, which can have an inhibitory effect on the activity of nitrifying bacteria and cause process upset . Therefore, regular flushing to remove accumulated ammonium and metabolites and tight control of pH are needed to avoid failure of biofilters over the long term …”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Novel Integrated Biotrickling Filter–Anammox Bioreactor System for the Complete Treatment of Ammonia in Air with Nitrification and Denitrification

Tang

Deshusses

2020

Environ. Sci. Technol.

View full text Add to dashboard Cite

An integrated biotrickling filter–anammox bioreactor system for the complete treatment of ammonia in air with conversion to nitrogen gas without the supply of an extraneous electron donor for denitrification was established. Partial nitritation (i.e., conversion of ammonium to nitrite) was successfully achieved in the biotrickling filter (BTF) through free ammonia (FA) and free nitrous acid (FNA) inhibition on nitrite-oxidizing bacteria (NOB). During transients, while increasing nitrogen loading, FA was the main inhibitor of ammonia-oxidizing bacteria (AOB) and NOB, while during a steady state, it was mainly FNA, which was responsible for inhibitory effects due to the accumulation of nitrite. Ammonia removal by the BTF reached 50 gN m–3 h–1 with 100% removal at an inlet concentration of 404 ppmv and a gas residence time of 21 s. Average removal of ammonia during stable operation was 95%. The anammox bioreactor was slightly undersized compared to the BTF and could remove 75% of total nitrogen discharged by the BTF when the two reactors were connected and liquid was in one-pass mode. This undersizing caused accumulation of nitrite in the system when liquid was circled in a quasi-closed loop, which gradually inhibited the activity of anammox bacteria. Overall, this study demonstrates that ammonia in air can be effectively treated and converted to harmless nitrogen gas without an external electron donor supply using a biotrickling filter combined with an anammox bioreactor.

show abstract

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Novel Integrated Biotrickling Filter–Anammox Bioreactor System for the Complete Treatment of Ammonia in Air with Nitrification and Denitrification

Tang

Deshusses

2020

Environ. Sci. Technol.

View full text Add to dashboard Cite

show abstract

“…Per a dur a terme aquests càlculs és important tenir presents els materials de rebliment que s'utilitzaran en cada una de les configuracions. Així, en el cas de la configuració de biorentador s'utilitzarà material de rebliment desordenat, ja que el material desordenat és el més utilitzat en aquest tipus de bioreactors (Kennes and Veiga 2001), mentre que en el cas del biofiltre percolador s'utilitzarà material ordenat comercial, donat que ja s'ha demostrat la seva eficiència en el tractament de l'amoníac a concentracions moderades Biofiltre percolador (Dorado et al 2015). En la taula 4-1es poden veure les propietats dels diferents materials de rebliment utilitzats.…”

Section: Desenvolupament Del Dimensionat De La Planta Pilotunclassified

“…són tractats en columnes de rebliment és aconsellable mantenir una relació entre els diàmetres de la torre i del material de rebliment de com a mínim 15(Kennes and Veiga 2001;Shareefdeen and Singh 2005). En aquest cas, com a material desordenat s'han escollit anells Pall d'1" (25 mm).…”

unclassified

Tractament d'emissions gasoses amb altes càrregues d'amoníac mitjançant tecnologies biològiques avançades

Morral Molto

View full text Add to dashboard Cite

The growth in world population has led to a significant increase in the generation of wastes (solid, liquid and gaseous). Waste gas is probably the major issue in the case of waste treatment, due to the fact that once the pollutant is emitted into the atmosphere, its recovery and treatment are both very difficult and expensive. The main problems related to the waste gases are the global warming, the photochemical smoke or the acid rain, among others. The most extensively implemented systems are the physical-chemical treatments, such as adsorption with activated carbon, wet scrubbing and incineration. However, these treatments suffer two main drawbacks: firstly, they are environmentally unfriendly because in transferring a gas phase to a liquid phase (wet-scrubber) or to a solid phase (activated carbon), a secondary waste stream is generated; and secondly, these treatments, particularly incineration, all have high operational costs. For this reason, it is important to find more environmentally friendly and cost-effective alternatives to treat polluted gaseous streams. In biological-based treatments, pollutants can be either oxidized or reduced by specialized microorganisms to non-toxic or less harmful products. The main advantages they have over conventional physical-chemical treatment techniques are that they can be conducted at environmental temperatures (10-40 ºC) at atmospheric pressure and hardly any chemicals are required. This thesis is focused on the treatment of the high ammonia loads by biological techniques. Ammonia is related to the generation of photochemical smog, the formation of fine particles and also the eutrophication of surface water when it is in high concentrations, due to excessive growth of plants and algae. Ammonia is one of the main pollutants emitted in the industrial facilities. Some of the industrial activities where ammonia emissions can be found are wastewater treatment plants, the agricultural industry and composting plants, where ammonia emissions of 300 ppmv can be found with peaks that can reach up to 1000 ppmv. One of the biggest problems, when ammonia is treated by biooxidation, is the accumulation of the inhibitory species. Thus, the correct management of these compounds is crucial for the proper system performance. In order to overcome these limitations, this thesis shows the results obtained for different bioreactor configurations (biotrickling filters and bioscrubbers). In order to evaluate the operational limits of these configurations in the treatment of high ammonia loads, the technologies have been evaluated both at semi-industrial scale (real effluents from a composting plant) and at laboratory scale. Although the biological treatment of ammonia emissions could reduce or eliminate the amount of this pollutant that is emitted into the atmosphere, it generated a secondary stream with nitrite or nitrate (by-products of ammonia biological oxidation). However, these species still to have a negative impact on the environment. For this reason, in order to develop a process of zero nitrogen emissions, different reactors have been evaluated to carry out the complete removal of nitrite and nitrate through denitrification. Again, this process has been evaluated on both at laboratory and a semi-industrial scale. Thus, after affirming the feasibility of biological treatments of high ammonia loads as an economically and environmentally friendly alternative than physicochemical processes, this thesis shows the most favourable operational parameters for the treatment of gaseous emissions with high ammonia load, hence allowing the scaling of these technologies at industrial scale. En els darrers anys s'ha produït un increment considerable de la generació de residus sòlids, líquids i gasosos. De tots aquests, els residus gasosos són probablement els que tenen una major problemàtica associada, ja que un cop han estat emesos a l'atmosfera la seva recuperació és complicada i el seu tractament s'encareix. A més a més, un cop els gasos són alliberats a l'atmosfera aquests poden recorre grans distancies amb molt poc temps, afectant grans àrees de terreny. Les principals problemàtiques associades als contaminants gasosos són l'increment de la temperatura planetària, la generació de boirum o la pluja àcida, entre altres. Les tècniques fisicoquímiques estan àmpliament establertes pel tractament de les emissions gasoses. No obstant això, aquestes tenen associades un alt consum de reactius, combustibles o catalitzadors amb un cost elevat. Això fa que el cost operatiu d'aquestes tecnologies sigui elevat. Per aquesta raó, és important trobar solucions ambientalment i econòmicament sostenible pel tractament d'aquestes emissions. En aquest sentit els tractaments biològics es mostren com una prometedora alternativa. En el cas dels tractaments biològics, el contaminant pot ser tant oxidat com reduït a productes menys perillosos i menys tòxics mitjançant microorganismes especialitzats. Els principals avantatges dels tractaments biològics són que es poden dur a terme a temperatura ambient (10-40 ºC), a pressió atmosfèrica i que el seu consum de reactius és reduït en comparació a les tècniques fisicoquímiques. Aquesta tesi és centra en el tractament de les emissions d'altes càrregues d'amoníac mitjançant tècniques biològiques. L'amoníac és un contaminant primari, el qual està relacionat amb la generació de boirum, la formació de partícules i també amb l'eutrofització de les aigües superficials quan aquest es troba en altes concentracions, per a un creixement excessiu de plantes i algues. L'amoníac és un dels principals contaminants emesos en l'àmbit industrial. Algunes de les activitats industrials on es poden trobar emissions d'amoníac són les plantes depuradores daigües residuals, la indústria agropecuària i plantes de compostatge, on es poden trobar emissions d'amoníac de 300 ppmv amb pics que poden arribar fins a 1000 ppmv. Un dels majors problemes a l'hora dimplementar el tractament biològic de l'amoníac és l'acumulació d'espècies inhibitòries. És per aquesta raó que la correcta gestió d'aquests compostos esdevé crucial per aconseguir el correcte desenvolupament de la biomassa i garantir un correcte funcionament del sistema. Amb la finalitat de sobrepassar aquestes limitacions, en aquesta tesi es mostren els resultats obtinguts per a diferents configuracions de bioreactors (biofiltres percoladors i biorentadors). Amb l'objectiu d'avaluar els límits operacionals d'aquestes configuracions en el tractament damoníac a altes càrregues, les tecnologies s'han avaluat tant a escala semi-industrial (efluents reals procedents duna planta de compostatge) com a escala laboratori. Tot i que el tractament biològic de les emissions d'amoníac permet reduir o eliminar la quantitat daquest contaminant que es emesa a l'atmosfera, aquest es oxidat biològicament a nitrit o nitrat. No obstant això, aquestes espècies continuen tenien un impacte negatiu sobre el medi ambient. És per aquesta raó, que amb la finalitat de desenvolupar un procés d'emissions de nitrogen zero, s'han avaluat diferents reactors per a dur a terme l'eliminació del nitrit i nitrat mitjançant un procés de desnitrificació. Novament, aquest procés s'ha avaluat tan a escala laboratori com a escala semi-industrial. Així doncs, un cop demostrada la viabilitat dels tractaments biològics d'altes càrregues d'amoníac com alternativa econòmicament i ambientalment més sostenible que els processos fisicoquímics, aquesta tesi mostra els paràmetres operacionals més favorables pel tractament d'emissions gasoses amb alta càrrega d'amoníac, permetent així l'escalat d'aquestes tecnologies a escala industrial.

show abstract

“…On A bed és la secció del llit (m 2 ), i εmat és la porositat del material de rebliment (adimensional). Aquest paràmetre és de vital importància per el correcte funcionament dels biofiltres, ja que si la velocitat de pas de la fase líquida és superior a 10 m h -1 d'acord amb Kim i Deshusses (2008), o 20 m h -1 segons Kennes i Veiga (2001), es pot donar un arrossegament excessiu de la biomassa adherida al material de rebliment, amb la conseqüent inactivació del sistema.…”

Section: Introduccióunclassified

Eliminació de H2S mitjançant biofiltres percoladors : millora de la transferència d'oxigen

Rodriguez Mary

View full text Add to dashboard Cite

In the current energy crisis and climate change context, energy use of biogas has gained relevance, since it is possible to get energy from waste, and also minimizes the emission of methane into the atmosphere. However, biogas contains between 0.1-0.5% v / v H2S (1000-5000 ppmv), which must be removed in order to produce energy because, apart from producing a strong odor, its combustion mighty generate highly corrosive species, harmful to health and the environment, such as sulfur oxides and sulfuric acid. In this sense, biological treatments have proved to be very competitive when compared to physicochemical techniques, since they do not require the addition of reagents, using the metabolism of microorganisms to oxidize potential contaminants. Oxygen transfer to the aqueous phase is key to the proper operation of biotrickling filters, since for each mole of hydrogen sulfide degraded two moles of oxygen are required. Under conditions of oxygen deficit in the liquid phase, the oxidation reaction is not complete, thus accumulating elemental sulfur (an intermediate product) in the filter packing material. Sulfur is an insoluble pasty solid and, therefore, its accumulation increases operating costs. Eventually, if corrective actions are not scheduled, the biofilter can become completely clogged. The biofiltration process of an industrial scale biotrickling filter, which eliminates between 2000-2500 ppmv H2S at a gas flowrate of 80 m3 h-1 has been studied. The reduction of 0.8 pH units in the operation reported a 78% reduction in water consumption, which is used to regulate the pH. The viability of the biological oxidation of sulfur accumulated on the computer was checked, eliminating 40% of the sulfur accumulated on the packed bed in 21 days. This study proposes the use of intensive aeration equipment such as venturi devices, in order to supply the necessary amount of oxygen to maximize the formation of sulfate. Sulfate is finally removed from the biofilter by purging the liquid phase. For this purpose, three commercial aeration devices have been tested: a membrane diffuser, a jet-venturi and an venturi-efector operating at conditions similar to those usually found in biofiltration of hydrogen sulfide. Experiments were carried out under conditions similar to those that occur in biofiltration of hydrogen sulfide present in biogas: pressure greater than atmospheric pressure and the presence of sulfate in the liquid phase. Also, the effect of venturi configuration was tested by measuring the pressure drop along the device. With the diffuser membrane the effect of adding a non-aqueous phase in order to maximize oxygen transfer and the use of pure oxygen instead of air was studied. An intensive gas-liquid contactor (jet-venturi) was selected based on its energy consumption and efficiency in oxygen transfer. This device was implemented in an industrial scale biotrickling filter, reporting an improved conversion to sulfate (32%), with a 78% reduction of air supply. The operation of the biofilter with the jet-venturi resulted in an improvement in robustness and reliability of the desulfurizing system. Finally, a mathematical model that predicts the formation of sulfur and sulfate was developed. This rigorous model approach had not been reported until now. The model was calibrated and validated in two biofilters: a lab-scale and an industrial scale. A satisfactory fitting of the experimental and simulated data was obtained. En l’actual context de crisi energètica i canvi climàtic, l’aprofitament energètic del biogàs ha guanyat rellevància, donat que s’obté energia a partir dels residus i, alhora, es minimitza l’emissió de metà a l’atmosfera. Tanmateix, el biogàs conté entre 0.1-0.5 % v/v de H2S (1000–5000 ppmv), el qual ha de ser eliminat per tal d’aprofitar energèticament el biogàs, ja que, a part de desprendre una forta olor desagradable, al cremar és convertit en espècies altament corrosives, perjudicials per la salut i el medi ambient, com són els òxids de sofre i l’àcid sulfúric. En aquest sentit, els tractaments biològics han demostrat ésser molt competitius enfront les tècniques fisicoquímiques, ja que no requereixen l’addició de reactius, aprofitant el metabolisme dels microorganismes per tal d’oxidar els possibles contaminants. La transferència de l’oxigen a la fase aquosa és un factor clau per al correcte funcionament dels biofiltres percoladors, ja que per cada mol de sulfur d’hidrogen que es degrada són necessaris dos mols d’oxigen. En condicions de dèficit d’oxigen a la fase líquida, la reacció d'oxidació no es completa, i s’acumula sofre (producte intermedi) al material de rebliment de l’equip. El sofre és un sòlid pastós i, per tant, la seva acumulació augmenta els costos d’operació. Eventualment, si no es realitza una acció correctora, pot arribar a obturar totalment el biofiltre. S’ha estudiat el procés de biofiltració operant un biofiltre a escala industrial, que permet eliminar entre 2000-2500 ppmv de H2S amb un cabal de gas mitjà de 80 m3 h-1. La reducció del pH d’operació en 0.8 unitats ha reportat una reducció del 78 % del consum d’aigua, que s’usa per a la regulació del pH. S’ha comprovat la viabilitat de l’oxidació biològica de part del sofre acumulat a l’equip, eliminant el 40 % del sofre acumulat a l’equip en 21 dies. En el present estudi es proposa l’ús de dispositius intensius d’aeració, com són els dispositius venturi, per tal de poder subministrar la quantitat necessària d’oxigen per maximitzar la formació de sulfat. Aquest és posteriorment eliminat de l’equip mitjançant purgues de la fase líquida. Per a aquest fi s’han estudiat tres dispositius d’aeració comercials: un difusor de membrana, un ejector venturi i un jet venturi, en condicions d’operació similars a les que es donen en la biofiltració del sulfur d’hidrogen. S’han realitzat experiments en condicions similars a les que es donen en la biofiltració del sulfur d’hidrogen present al biogàs: pressió superior a l’atmosfèrica i presència de sulfat a la fase líquida. També s’ha estudiat l’efecte de la configuració del venturi, realitzant mesures de pèrdua de càrrega al llarg del dispositiu. Amb el difusor de membrana s’ha determinat l’efecte d’addicionar una fase no aquosa, per tal de maximitzar la transferència d’oxigen, i l’ús d’oxigen pur enlloc d’aire. L’equip que ha estat seleccionat, degut a la seva idoneïtat en base al seu consum energètic i l’eficàcia en la transferència d’oxigen, ha estat el jet venturi. Aquest dispositiu ha estat implementat en un biofiltre a escala industrial, reportant una millora en la conversió a sulfat del 32 %, amb una reducció del subministrament d’aire del 78%. L’operació del biofiltre amb el jet venturi s’ha traduït en una millora en la robustesa del sistema, ja que operant amb aquest dispositiu quan la càrrega d’entrada disminueix s’oxida parcialment el sofre acumulat a l’equip, mentre que amb el compressor, quan disminuïa el cabal de biogàs a tractar es parava l’entrada d’aire, empitjorant els problemes d’acumulació de sofre. Finalment, s’ha desenvolupat un model matemàtic que permet predir la formació de sofre i sulfat, fet que no havia estat reportat fins al moment. Aquest model ha estat ajustat i validat per dos biofiltres: un a escala laboratori i un a escala industrial. S’ha obtingut un ajust satisfactori de les dades experimentals i les simulades.

show abstract

Novel Bioreactors for Waste Gas Treatment

Cited by 9 publications

References 123 publications

Novel Integrated Biotrickling Filter–Anammox Bioreactor System for the Complete Treatment of Ammonia in Air with Nitrification and Denitrification

Novel Integrated Biotrickling Filter–Anammox Bioreactor System for the Complete Treatment of Ammonia in Air with Nitrification and Denitrification

Tractament d'emissions gasoses amb altes càrregues d'amoníac mitjançant tecnologies biològiques avançades

Eliminació de H2S mitjançant biofiltres percoladors : millora de la transferència d'oxigen

Contact Info

Product

Resources

About