Una tesis del Lequia explora la eliminación autotrófica de nitrógeno para recuperar potasio y fósforo de agua residual

Cada año se aplican millones de toneladas de fertilizantes minerales en suelos agrícolas. Sin embargo, a pesar de las grandes pérdidas entre ´el campo y el plato, el agua residual municipal aún es un concentrado de los nutrientes consumidos por la sociedad y a la vez una fuente de nutrientes para el medio acuático receptor.

Hasta la fecha, las depuradoras convencionales se han centrado en eliminar los nutrientes para evitar su impacto nocivo sobre el medio ambiente. La creciente concienciación sobre la naturaleza finita de la materia prima para fabricar fertilizantes está favoreciendo la sustitución de la eliminación por la recuperación. En la última década se han implantado dos tecnologías para el tratamiento del licor resultante del fango digerido de depuradoras, el ´centrado´: la precipitación de fósforo en forma de estruvita y la nitritación parcial anammox (PNA) como alternativa eficiente energéticamente para eliminar nitrógeno. No obstante, nadie ha explorado el acoplamiento de ambas.

La tesis doctoral de Sara Johansson, titulada ´Taking advantage of autotrophic nitrogen removal: Potassium and phosphorus recovery from municipal wastewater´, investiga las dos rutas para aprovechar la PNA autotrófica para recuperar productos ricos en nutrientes.

Ruta 1: Precipitación inducida biológicamente en los gránulos PNA

Contrariamente a la precipitación química de estruvita, inducida por adición de una fuente de magnesio y controlando el pH con stripping de CO2 por aireación a través de la adición de una base, este proceso es inducido por gradientes de pH y de sustrato creados por las propiedades fisicoquímicas de la biomasa.

La investigadora cultivó gránulos con un alto contenido de materia inorgánica en un reactor PNA a escala laboratorio con centrado y lo caracterizó químicamente. El análisis espectroscópico determinó que los gránulos tenían un contenido del 36% de P2O5, similar al de la roca de fosfato y un ratio de Ca/P cercano al de la hidroxiapatita. La hidroaxiapatita cristalina se confirmó por difracción de rayos X. La espectrometría determinó que el contenido en metales pesados cumple con los límites de la Unión Europea para fertilizantes y con los requisitos de la industria del fósforo.

Además, debido al alto contenido de materia inorgánica de los gránulos cultivados, su eliminación no interfiere ni con las demandas de PNA del fango para la inoculación ni con la bioactividas del reactor; y el cultivo es favorecido por la decantación gravitacional. Puesto que el mineral se forma sin adición de productos químicos, esta ruta es una alternativa innovadora de recuperación de fósforo de agua residual.

Ruta 2: Recuperación de potasio y fosforo en forma de estruvita potásica

La precipitación de estruvita potásica debe ir precedida de una fase de eliminación del nitrógeno, ya que el amonio tiene un efecto negativo en la formación de estruvita potásica. En esta tesis se ha demostrado que el proceso PNA es adecuado para la eliminación del nitrógeno del centrado. Reactores a escala laboratorio y planta piloto eliminaron hasta un 85% de amonio, permitiendo la formación de estruvita potásica.

En la coprecipitación de estruvita amónica se recuperó un producto multinutriente con N, P y K. El consumo de bicarbonato para la biomasa autotrófica redujo la alcalinidad en un 90%, superando con creces la capacidad de stripping del CO2 por aireación. Así, el proceso PNA previo a la precipitación de estruvita puede reducir drásticamente la dosis de álcali necesaria para controlar el pH. A pesar de que el potasio normalmente es un factor de crecimiento limitante en ecosistemas terrestres, no contribuye a la eutrofización y, por lo tanto, a diferencia del P y del N, no está regulado ni a nivel europeo ni nacional. Por ello el destino del potasio en depuradoras no está bien documentado.

En la tesis también se llevó a cabo una campaña de muestreo de la línea de fangos de una planta Bio-P para hacer un mapping del flujo de nutrientes, especialmente de potasio, y determinar dónde es mejor implementar procesos de recuperación. Los resultados indican que los tres macronutrientes siguen rutas distintas dentro de la planta. El K es un catión pequeño y se lixivia con facilidad; el N adopta formas diferentes, incluyendo estados gaseosos; y el P tiene baja solubilidad en agua. Sara Johansson ha estimado que un 80% de la carga diaria de entrada de K abandona la planta en el efluente, mientras que un 85% del P de entrada acaba en la fracción de fangos y abandona la planta a través de los biosólidos. En cuanto al N, un 80% se elimina en la fase biológica en forma de nitrógeno gas. Finalmente, se realizó un balance de masas de los sólidos para calcular el fuljo de centrado de 198 m3 d-1 (<1% del flujo de entrada de la planta) y un flujo diario de 49 P-PO43-, 241 N-NH4+ i 85 kg K+.

Implementación del proceso

Actualmente el proceso PNA se implementa con éxito como una alternativa de eliminación del nitrógeno del centrado eficiente desde un punto de vista económico, energético y de huella de carbono. Esta tesis doctoral quiere ampliar la perspectiva sobre las posibilidades del proceso PNA en depuradoras. Así, la naturaleza autotrófica del proceso en fangos incrementa la eficiencia del stripping del CO2, mientras que las propiedades físicoquímicas del fango granular inducen la cristalización biológica. Por lo tanto, la eliminación autotrófica del nitrógeno puede comportar ahorros de energía y productos químicos a la vez que producir compuestos ricos en nutrientes que pueden ser retornados al suelo como fertilizante. No se puede negar, pues, que el proceso PNA puede contribuir a convertir las depuradoras en biorefinerías en el marco de la economía circular. La tesis también persigue ampliar la discusión sobre la recuperación de nutrientes más allá del fósforo y del nitrógeno, y hacer crecer la concienciación sobre la dependencia de la importación de minerales para fabricar fertilizantes y contribuir a un sistema de producción y de consumo de alimentos mucho más sostenible.

La tesis se ha desarrollado en el grupo de investigación Lequia de la UdG y en las instalaciones de la empresa Aquafin (Bélgica) en el marco de la red europea de doctorados industriales Marie Sklodowska Curie ´TreatRec´ (Horizon 2020, GA 642904). La tesis ha sido dirigida por los doctores Jesús Colprim (UdG), Maël Ruscalleda (actualmente en la empresa Createch360) y Bart Saerens (Aquafin).