Evaluation of nutrient recovery from urban wastewater for sustainable fertilizer production

Abstract

(English) The 20th-century introduction of the Haber-Bosch nitrogen fixation process significantly disrupted the nitrogen cycle in ecosystems, contributing to environmental issues and nutrient loss. The heavy reliance on inorganic fertilizers in agriculture, particularly in regions like China, America, and Oceania, exacerbates the problem. Spain, once a net exporter of agricultural products, now heavily depends on imports for fertilizers, highlighting the need for alternative nutrient recovery sources like wastewater, manure, and food waste. Element flow analysis and the nutrient footprint method aid in nutrient management strategies. Embracing nutrient recovery can help Spain achieve sustainable agriculture, reduce reliance on external markets, and ensure food security while protecting the environment. With the world's population projected to reach 9.8 billion by 2050, demand for nitrogen and phosphorus in agriculture will surge. Recovering nutrients from wastewater treatment plants becomes vital for sustainability, addressing resource depletion, and pollution challenges. Despite progress, full-scale resource recovery in the wastewater sector remains limited due to existing practices focusing on wastewater treatment rather than resource utilization. Nitrogen flow analysis (NFA) was carried out for Spain with the year 2016 as reference. To assess some interactions and flows of N, specific sub-models were also considered for the agriculture and waste management systems. For the food and non-food flow systems, country-specific data were considered. The sectors covered were crop production (CP), animal production (AP), food processing (FP), non-food production (NF) and human consumption (HC). The results reveal a total annual import of 2142 kt N/y, of which 43 % accumulated in stocks of soils and water bodies (913 kt N/y). The largest proportion of losses was associated with emissions from agriculture (724 kt N/y to water bodies and 132 kt N/y accumulated in soils), followed by industry emissions to the atmosphere (122 kt N/y).Wastewater treatment plants (WWTPs) received around 67 kt N/y, of which 26 % was removed as biosolids and 20 % of these biosolids were recovered to be used for fertilising applications. It has been also evaluated hybrid system combining zeolites as a sorption stage and a hollow fiber membrane contactor (LLMC) for ammonia (NH3) recovery from treated urban wastewater. The system was tested with wastewater treatment plant (WWTP) effluent (mainstream, 50 mg N-NH4/L) and anaerobic digestion centrates (sidestream, 600–800 mg N-NH4/L) from another WWTP. Natural zeolite, primarily clinoptilolite, demonstrated effective desorption of retained ammonium using a 2% NaOH solution in a closed-loop configuration, resulting in an ammonia-rich brine that enabled over 95% NH3 recovery using polypropylene LLMC. A 1 m3/h demonstration plant processed both urban wastewaters, which were pretreated by ultrafiltration, removing over 90% of suspended solids and 60–65% of COD. The 2% NaOH regeneration brines (2.4–5.6 g N-NH4/L) were treated in a closed-loop LLMC pilot system, producing 10–15% N streams with potential use as liquid fertilizers. Finally,the life cycle assessment (LCA) and techno-economic assessment (TEA) of a novel pilotscale plant aimed at recovering ammonium nitrate and struvite for subsequent application in agriculture was conducted. The nutrient recovery scheme included (i) struvite crystallisation and (ii) ion-exchange process combined with gas permeable membrane contactor (commented before). The LCA showed that using a fertilizer solution containing the recovered nutrients was environmentally better inmost of the impact categories evaluated. The TEA illustrated that nutrient recovery considering the whole value chain for fertilizer application can be an attractive full-scale alternative from a sustainability point of view.

(Español) La introducción del proceso de fijación de nitrógeno Haber-Bosch en el siglo XX perturbó el ciclo del nitrógeno (N) en los ecosistemas, agravando problemas ambientales y pérdida de nutrientes. La dependencia de fertilizantes inorgánicos, especialmente en China, América y Oceanía, agrava el problema. España, antes exportador neto de productos agrícolas, ahora depende de importaciones, destacando la necesidad de fuentes alternativas de recuperación de nutrientes. El análisis del flujo de elementos y el método de huella de carbono ayudan en las estrategias de gestión. La recuperación de nutrientes puede lograr la sostenibilidad, seguridad alimentaria y protección ambiental. La población mundial alcanzará 9.8 mil millones en 2050, aumentando la demanda de nitrógeno y fósforo en la agricultura. La recuperación de estos de aguas residuales es vital para abordar los desafíos de agotamiento de recursos y contaminación, aunque las prácticas actuales limitan la recuperación al centrarse en la eliminación. Se hizo un análisis del flujo de nitrógeno (AFN) para España en 2016. Se evaluaron interacciones y flujos de N, considerando submodelos de agricultura y residuos. Se usaron datos específicos del país para flujos de alimentos y otros.Considerando estos sectores: producción de cultivos (CP), producción animal (AP), procesamiento de alimentos (FP), producción no alimentaria (NF) y consumo humano (HC), se obtuvieron relevantes resultados: importación anual de 2142 kt de N, 43 % acumulado en suelos y agua (913 kt de N). Pérdidas: emisiones de agricultura (724 kt de N a cuerpos de agua y 132 kt de N en suelos), emisiones industriales a la atmósfera (122 kt de N). Plantas de tratamiento de aguas residuales (WWTPs) recibieron 67 kt de N, eliminando 26 % como lodos y recuperando 20 % como fertilizantes. Además, se evaluó un sistema híbrido con zeolitas y contactores de membrana (LLMC) para recuperar NH3 de aguas residuales. La zeolita demostró una efectiva desorción de amonio con NaOH al 2 % en circuito cerrado, logrando recuperar más del 95 % de NH3 con LLMCs de polipropileno.La planta piloto trató efluentes de EDAR mediante un pretratamiento con ultrafiltración, eliminando más del 90 % de sólidos y 60-65 % de DQO. Las salmueras de regeneración de NaOH al 2 % fueron tratadas en el LLMC, produciendo corrientes de N del 10-15 % para usar como fertilizantes. Se evaluó la recuperación de nitrato de amonio y estruvita en agricultura mediante el uso de ACV (análisis del ciclo de vida) y ATE (análisis tecno económico). El esquema incluyó cristalización de estruvita para recuperar fósforo e intercambio iónico combinado con LLMC para recuperar N. El ACV mostró que la solución de fertilizante con nutrientes recuperados fue mejor ambientalmente, meintras que el TEA demostró potencial viabilidad de la recuperación de nutrientes en toda la cadena de valor en el caso de haber un incremento dle valor de mercado de los fertilizantes producidos. Con esto, España puede avanzar hacia la sostenibilidad en la agricultura, disminuir su dependencia de importaciones y proteger el medio ambiente. La recuperación de nutrientes es esencial para enfrentar los desafíos futuros y garantizar una agricultura sostenible.