Wastewater treatments in real case studies: separation & purification in the framework of the circular economy

Abstract

(English) This thesis explores innovative strategies for resource recovery and water reuse from wastewater streams in three key sectors (agrifood, industrial, and urban) by integrating membrane technologies and chemical precipitation. While membrane and chemical treatments have been widely studied independently, this work is among the first to demonstrate their combined and sector-specific application in real or pilot-scale scenarios, framed within circular economy principles. In the agrifood sector, pig slurry liquid fraction was used as a representative effluent. This thesis is the first to evaluate both acidification and basification strategies for nutrient recovery from SLF using a membrane-based treatment train. Acidification, combined with microfiltration and forward osmosis, enabled >80% recovery of NPK nutrients. In contrast, basification allowed for selective nitrogen recovery using precipitation and membrane-assisted stripping. From these strategies, the basic treatment was validated under real on-farm conditions over two years, demonstrating its seasonal robustness and nitrogen recoveries between 46–56%. Water recovery for reuse in irrigation ranged from 39–75%, confirming the viability of decentralised systems in rural settings and marking a significant advance beyond laboratory-scale approaches. For the industrial sector, this thesis presents a novel circular treatment train for acid mine drainage, integrating reverse osmosis with bipolar membrane electrodialysis and chemical precipitation, a combination not previously applied to this matrix. This enabled the selective recovery of high-value metals (Al, Zn, Cu, Mn, Mg, Ca) with >60% efficiency, along with 97% water recovery and in-situ regeneration of NaOH. This approach shifts the paradigm from pollutant removal to resource valorisation, offering a replicable model for sustainable mining wastewater treatment with chemical reuse loops. In the urban context, microplastic pollution was addressed through the first systematic study on how microfiltration membrane configuration affects recovery efficiency. Using synthetic wastewater and varying spacer geometries and sizes, it was found that smaller diamond or corrugated geometries significantly improved performance, with recovery rates >99% and water reuse at 80%. This work provides practical design guidance for future applications in microplastic retention under real wastewater conditions. Additionally, circularity indicators (resource and water recovery) were applied to each case study, allowing for a quantitative assessment of circular performance. All recovered products and waters were analysed following the current Spanish legislation, confirming their potential reuse in irrigation, industrial, and cleaning applications. Overall, this thesis not only demonstrates the technical feasibility of integrated membrane–chemical systems, but also establishes their role as scalable, circular solutions for wastewater treatment across multiple sectors. (Català) Aquesta tesi explora estratègies innovadores per a la recuperació de recursos i la reutilització d’aigua a partir de corrents residuals en tres sectors clau (agroalimentari, industrial i urbà) mitjançant la integració de tecnologies de membrana i processos de precipitació química. Tot i que els tractaments amb membranes i els químics han estat àmpliament estudiats de manera independent, aquest treball és un dels primers que demostra la seva aplicació combinada i sectorial específica en escenaris reals o a escala pilot, dins del marc dels principis de l’economia circular. En el sector agroalimentari, es va utilitzar la fracció líquida del purí porcí com a efluent representatiu. Aquesta tesi és la primera que avalua tant estratègies d’acidificació com de basificació per a la recuperació de nutrients a partir del purí mitjançant un tren de tractament basat en membranes. L’acidificació, combinada amb la microfiltració i l’òsmosi directa, va permetre recuperar més del 80 % dels nutrients NPK. En canvi, la basificació va afavorir la recuperació selectiva de nitrogen mitjançant precipitació i stripping assistit per membrana. A partir d’aquestes estratègies, el tractament bàsic es va validar en condicions reals de granja durant dos anys, demostrant robustesa estacional i recuperacions de nitrogen d’entre el 46 % i el 56 %. La recuperació d’aigua per a reutilització en reg va oscil·lar entre el 39 % i el 75 %, confirmant la viabilitat de sistemes descentralitzats en entorns rurals i marcant un avenç significatiu respecte als enfocaments a escala de laboratori. Pel que fa al sector industrial, aquesta tesi presenta un tren de tractament circular innovador per al drenatge àcid de mina, que integra òsmosi inversa amb electrodiàlisi de membrana bipolar i precipitació química, una combinació no aplicada prèviament a aquesta matriu. Això va permetre la recuperació selectiva de metalls de gran valor (Al, Zn, Cu, Mn, Mg, Ca) amb eficiències superiors al 60 %, juntament amb una recuperació d’aigua del 97 % i la regeneració in situ de NaOH. Aquest enfocament canvia el paradigma de l’eliminació de contaminants a la valorització de recursos, oferint un model replicable per al tractament sostenible d’aigües residuals mineres amb cicles de reutilització de reactius. En el context urbà, es va abordar la contaminació per microplàstics mitjançant el primer estudi sistemàtic sobre com la configuració de les membranes de microfiltració afecta l’eficiència de recuperació. Utilitzant aigües residuals sintètiques i variant les geometries i mides dels espaiadors, es va comprovar que les geometries corrugades o en forma de diamant més petites milloraven significativament el rendiment, amb taxes de recuperació superiors al 99 % i una reutilització d’aigua del 80 %. Aquest treball aporta orientacions pràctiques de disseny per a futures aplicacions en la retenció de microplàstics en condicions reals d’aigües residuals. A més, es van aplicar indicadors de circularitat (recuperació de recursos i d’aigua) en cada cas d’estudi, permetent una avaluació quantitativa del rendiment circular. Tots els productes i aigües recuperats es van analitzar segons la legislació espanyola vigent, confirmant el seu potencial de reutilització en reg, aplicacions industrials i de neteja. En conjunt, aquesta tesi no només demostra la viabilitat tècnica dels sistemes integrats membrana-química, sinó que també estableix el seu paper com a solucions escalables i circulars per al tractament d’aigües residuals en múltiples sectors. (Español) Esta tesis explora estrategias innovadoras para la recuperación de recursos y la reutilización de agua a partir de corrientes residuales en tres sectores clave (agroalimentario, industrial y urbano) mediante la integración de tecnologías de membrana y procesos de precipitación química. Aunque los tratamientos de membrana y los químicos se han estudiado ampliamente de forma independiente, este trabajo es de los primeros en demostrar su aplicación combinada y sector-específica en escenarios reales o a escala piloto, enmarcando el estudio dentro de los principios de la economía circular. En el sector agroalimentario se empleó la fracción líquida del purín porcino como efluente representativo. Esta tesis es la primera en evaluar tanto estrategias de acidificación como de basificación para la recuperación de nutrientes a partir de la fracción líquida del purín mediante un tren de tratamiento basado en membranas. La acidificación, combinada con microfiltración y ósmosis directa, permitió recuperar más del 80 % de los nutrientes NPK. En cambio, la basificación favoreció la recuperación selectiva de nitrógeno mediante precipitación y stripping asistido por membrana. A partir de estas estrategias, el tratamiento básico se validó en condiciones reales de granja durante dos años, demostrando una robustez estacional y recuperaciones de nitrógeno entre el 46 % y el 56 %. La recuperación de agua para su reutilización en riego osciló entre el 39 % y el 75 %, lo que confirma la viabilidad de sistemas descentralizados en entornos rurales y marca un avance significativo frente a los enfoques a escala de laboratorio. Para el sector industrial, esta tesis presenta un tren de tratamiento circular novedoso para el drenaje ácido de mina, que integra ósmosis inversa con electrodiálisis de membrana bipolar y precipitación química, combinación no aplicada previamente a esta matriz. Esto permitió la recuperación selectiva de metales de alto valor (Al, Zn, Cu, Mn, Mg, Ca) con eficiencias superiores al 60 %, junto con una recuperación de agua del 97 % y la regeneración in situ de NaOH. Este enfoque cambia el paradigma de la eliminación de contaminantes a la valorización de recursos, ofreciendo un modelo replicable para el tratamiento sostenible de aguas residuales mineras con ciclos de reutilización de reactivos. En el contexto urbano, se abordó la contaminación por microplásticos mediante el primer estudio sistemático sobre cómo la configuración de membranas de microfiltración afecta la eficiencia de recuperación. Usando aguas residuales sintéticas y variando las geometrías y tamaños de los espaciadores, se comprobó que las geometrías corrugadas o diamante de menor tamaño mejoran significativamente el rendimiento, con tasas de recuperación superiores al 99 % y reutilización de agua al 80 %. Este trabajo aporta directrices de diseño prácticas para futuras aplicaciones de retención de microplásticos en condiciones reales de aguas residuales. Además, se aplicaron indicadores de circularidad (recuperación de recursos y agua) en cada estudio de caso, permitiendo una evaluación cuantitativa del desempeño circular. Todos los productos y aguas recuperados se analizaron conforme a la legislación española vigente, confirmando su potencial de reutilización en riego, aplicaciones industriales y limpieza. En conjunto, esta tesis no solo demuestra la viabilidad técnica de los sistemas integrados membrana-química, sin