¿Por qué los operadores de agua priorizan la reducción de las emisiones de óxido nitroso?

Una encuesta realizada por Xylem en 2023 a 100 empresas de servicios públicos reveló que el 75% tenía planes para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero antes de 2040, y muchas ya estaban reduciendo las emisiones mediante la instalación de tecnologías más eficientes desde el punto de vista energético y el uso de soluciones digitales para optimizar las operaciones. A pesar de su importante impacto, las empresas de servicios públicos clasificaron las emisiones de procesos, como el metano y el óxido nitroso, casi en último lugar en sus prioridades de actuación. Oliver Puckering, director del programa Partnership Accelerator de Xylem Innovation Labs, explica por qué las empresas de servicios públicos deben dar prioridad a la reducción de las emisiones de óxido nitroso y cómo actuar.

Según Puckering, es importante que las plantas de tratamiento de aguas residuales tomen medidas para reducir las emisiones de óxido nitroso, ya que este tiene un potencial de calentamiento global 300 veces superior al del dióxido de carbono. Dado que muchas empresas de servicios públicos han suscrito objetivos de cero emisiones netas, la reducción de las emisiones de óxido nitroso desempeñará un papel clave en el cumplimiento de estos objetivos. El óxido nitroso se genera en las plantas de aguas residuales durante los procesos de nitrificación y desnitrificación, que sirven para eliminar el amoníaco y proteger las aguas receptoras de las cargas nocivas de nitrógeno. Unas operaciones de proceso subóptimas pueden producir mayores niveles de óxido nitroso, que se desprende del líquido y se libera a la atmósfera cuando se añade aire adicional mediante sopladores.

La investigación de Xylem muestra que las emisiones de N2O pueden suponer entre el 25 y el 75% de las emisiones totales de una planta de tratamiento, dependiendo del proceso y de la mezcla de electricidad, mientras que otros estudios sobre emisiones de N2O han mostrado emisiones de N2O que suponen entre el 60 y el 80% de las emisiones totales. Las emisiones de N2O fluctúan constantemente: están influidas por patrones estacionales y factores como la temperatura, las cargas de nitrógeno y los patrones de demanda de aireación en las plantas de tratamiento.

Será necesario comprender mejor las emisiones de óxido nitroso en las plantas de tratamiento de aguas residuales para que las empresas de servicios públicos puedan cumplir sus objetivos de emisión de gases de efecto invernadero y establecer una base de referencia firme para las emisiones totales del sector del agua.

Tecnología para medir las emisiones de N2O

En comparación con la tecnología de medición de las variables estándar del proceso, como el amoníaco, el oxígeno disuelto y los sólidos en suspensión, las soluciones fiables de medición del óxido nitroso están todavía en una fase incipiente. Sin embargo, a medida que las normativas se hagan más estrictas, esperamos ver un desarrollo tecnológico significativo. Ya ha surgido una serie de soluciones de seguimiento de las emisiones de N2O, algunas de las cuales utilizan la medición directa y otras se basan en la modelización para estimar la producción y liberación de N2O.

Existen sensores capaces de medir directamente el N2O en fase líquida, gaseosa o en ambas fases. Aunque estos sensores ofrecen mediciones fiables dentro de su rango especificado, su implantación a gran escala en múltiples plantas de tratamiento sigue siendo un reto. No obstante, resultan beneficiosas para realizar campañas anuales de medición de N2O en lugares específicos de las plantas de tratamiento, como las balsas de lodos activados.

Los modelos empíricos y basados en el riesgo incorporan parámetros como el oxígeno disuelto, el nitrito, el nitrato y la dinámica de fluidos computacional. Estos modelos ofrecen una comprensión exhaustiva de las emisiones de N2O y resultan atractivos por su facilidad de aplicación y escalabilidad. Aunque se enfrentan a retos relacionados con la validación y la verificación, las empresas de servicios públicos de todo el mundo están adoptando cada vez más estos modelos en proyectos de demostración, lo que acelera el proceso de validación.

El seguimiento en tiempo real de las emisiones de N2O, ya sea a través de mediciones directas o de modelos, es crucial para disponer de estrategias de mitigación bien fundamentadas. Los sistemas de apoyo a la toma de decisiones con aprendizaje automático, por ejemplo, pueden utilizar los datos de monitorización de N2O para optimizar las condiciones operativas, incluido el control del oxígeno y el retorno de los lodos activados. De este modo se minimiza la generación de N2O y, por tanto, el riesgo de emisiones a través de la extracción de gases durante los procesos de nitrificación y desnitrificación, al tiempo que se cumplen los requisitos de tratamiento.

Nuevos métodos para evitar la producción de N2O

Es importante entender que, aunque las soluciones de mitigación pueden reducir las emisiones de N2O, es posible que no eliminen por completo la formación de N2O, que es intrínseca a los procesos de tratamiento biológico. La identificación de tecnologías y metodologías de tratamiento alternativas es clave para que las empresas de servicios públicos inicien un cambio gradual de los procesos de fangos activados hacia la recuperación de recursos.

Diversas empresas de servicios públicos han puesto en marcha estos procesos alternativos de recuperación, ya sean físicos, químicos o naturales mejorados (como el tratamiento con algas), para eliminar las vías que producen N2O. Para producir el tren de tratamiento más eficiente y eficaz, las empresas de servicios públicos deben evaluar sus opciones en función de las necesidades específicas de cada lugar en vez de adoptar un enfoque único para todos.

En 2019, el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC) introdujo unas directrices con un enfoque escalonado para la estimación de las emisiones de N2O. Estas directrices pueden ser un buen punto de partida para concienciar sobre las emisiones de N2O, sin embargo, a menudo subestiman las emisiones reales, lo que dificulta la planificación precisa de los esfuerzos de mitigación.

Según Puckering, "hay varias medidas que las empresas de servicios públicos pueden tomar hoy mismo para empezar a evaluar y reducir las emisiones reales de óxido nitroso". Las empresas de servicios públicos deberían adoptar un enfoque estratégico, centrándose en sus plantas de tratamiento más grandes y con los patrones de aireación más complejos, junto con auditorías combinadas de energía y emisiones. Esto permitirá a las empresas de servicios públicos empezar a aplicar acciones específicas, que luego constituirán la base de programas de mejora más amplios en toda su cartera de plantas de tratamiento.

El trabajo de Xylem Innovation Labs sobre vigilancia y control del óxido nitroso

Xylem Innovation Labs trabaja con empresas de nueva creación a través del programa Partnership Accelerator para llevar al mercado soluciones innovadoras para el agua con mayor rapidez. Este programa anual ayuda a identificar, comprometern y evaluar las tecnologías en todo el espectro de retos relacionados con el agua de los clientes y a nivel mundial, con un enfoque clave hacia la sostenibilidad y el balance cero.

Abordar las emisiones de óxido nitroso constituye uno de los pilares principales de este trabajo, que incluye el seguimiento de los precursores y del óxido nitroso directo, la modelización y los gemelos digitales, así como nuevas opciones de tratamiento para la recuperación de nutrientes. Desde el lanzamiento de Accelerator en 2022, "hemos acogido a 35 empresas a través del programa. Un ejemplo de tres participantes en el programa vinculados a diferentes aspectos de la reducción de emisiones son:

• Gross Wen Technologies, que ha desarrollado un proceso de tratamiento con algas para capturar y recuperar nutrientes.
• Aquamonitrix, que ofrece un sensor de nitritos y nitratos para examinar la acumulación de precursores.
• Cobalt Water Global, que proporciona un software que evalúa el riesgo del proceso de producción y emisión de óxido nitroso.