Optimization of acid regeneration in continuous ion-exchange processes for nitrogen removal from poultry manure

The growing demand for sustainable energy production and effective waste management has increased interest in biogas generation from poultry manure. However, elevated nitrogen concentrations can inhibit methanogenic microorganisms, reducing process efficiency. This thesis investigates the removal of ammonium ions from poultry manure through a continuous fixed-bed adsorption process using a cation-exchange resin (Amberlyst 15), followed by a desorption step to enable resin regeneration and industrial reuse. Building upon previous adsorption studies, this work focuses on the comparative evaluation of different acidic regenerating agents. Sulfuric acid (H₂SO₄), nitric acid (HNO₃), and phosphoric acid (H₃PO₄) were tested under optimized operating conditions to assess desorption efficiency, resin stability, and regeneration performance. The results revealed distinct differences in desorption behavior, with H₂SO₄ and HNO₃ demonstrating significantly higher regeneration efficiency compared to H₃PO₄. CHNS analysis confirmed variations in nitrogen removal and highlighted compositional changes in the resin after regeneration. Furthermore, scanning electron microscopy (SEM) and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) analyses were conducted for H₂SO₄ and HNO₃ to validate structural integrity and elemental distribution, strengthening the reliability of the experimental findings. In addition to technical performance, corrosion and economic aspects associated with acid selection were considered to identify the most suitable regenerating strategy. The results contribute to improving nitrogen management in poultry manure treatment and support the development of a more efficient and industrially feasible process for enhanced biogas production.

La crescente domanda di produzione energetica sostenibile e di una gestione efficace dei rifiuti ha aumentato l’interesse verso la produzione di biogas a partire dal letame avicolo. Tuttavia, elevate concentrazioni di azoto possono inibire i microrganismi metanogeni, riducendo l’efficienza del processo. La presente tesi analizza la rimozione degli ioni ammonio dal letame avicolo mediante un processo continuo di adsorbimento a letto fisso, utilizzando una resina a scambio cationico (Amberlyst 15), seguito da una fase di desorbimento per consentire la rigenerazione della resina e il suo riutilizzo in ambito industriale. Sulla base di precedenti studi sull’adsorbimento, il lavoro si concentra sulla valutazione comparativa di diversi agenti rigeneranti acidi. L’acido solforico (H₂SO₄), l’acido nitrico (HNO₃) e l’acido fosforico (H₃PO₄) sono stati testati in condizioni operative ottimizzate al fine di valutare l’efficienza di desorbimento, la stabilità della resina e le prestazioni di rigenerazione. I risultati hanno evidenziato differenze significative nel comportamento di desorbimento, con H₂SO₄ e HNO₃ che hanno mostrato un’efficienza di rigenerazione nettamente superiore rispetto a H₃PO₄. L’analisi CHNS ha confermato variazioni nella rimozione dell’azoto e ha evidenziato possibili modifiche composizionali della resina dopo i cicli di rigenerazione. Inoltre, analisi mediante microscopia elettronica a scansione (SEM) e spettroscopia a dispersione di energia (EDS) sono state condotte per H₂SO₄ e HNO₃ al fine di verificare l’integrità strutturale e la distribuzione elementare, rafforzando l’affidabilità dei risultati sperimentali. Oltre alle prestazioni tecniche, sono stati considerati anche gli aspetti legati alla corrosione e ai costi economici associati alla scelta dell’acido, con l’obiettivo di individuare la strategia di rigenerazione più idonea. I risultati contribuiscono al miglioramento della gestione dell’azoto nel trattamento del letame avicolo e supportano lo sviluppo di un processo più efficiente e industrialmente applicabile per l’incremento della produzione di biogas.