Una tesis del Lequia demuestra la viabilidad del proceso de alto rendimiento de lodos activos para tratar aguas residuales

El sector del agua es uno de los grandes consumidores de energía. Según la Agencia Internacional de la Energía, en 2014 el 4% del consumo mundial de electricidad se utilizó para extraer, distribuir y tratar agua. Las proyecciones indican que este porcentaje se podría doblar en 2040 debido al incremento de la demanda de plantas de desalinización y de depuradoras de aguas residuales más eficientes. Por todo ello, urge desarrollar e implementar procesos de tratamiento de agua que sean ambientalmente más sostenibles.

La mayoría de las depuradoras urbanas de aguas residuales realizan un tratamiento convencional de lodos activados (en inglés, conventional activated sludge o CAS), con tanques de decantación, reactores biológicos donde se oxida la materia orgánica, y sistemas de aeración y recirculación. Muchas también incorporan un proceso de digestión anaerobia de los lodos decantados que permite producir biogás y, de esta forma, recuperar parte de la energía consumida. En las últimas décadas se ha investigado la optimización de este proceso a través de la substitución de la decantación primaria por un proceso biológico de alta carga. Es el llamado tratamiento de lodos activados de alto rendimiento (en inglés, high-rate activated sludge o HRAS), que se define como un proceso de depuración ´acelerado´ capaz de eliminar más materia orgánica y recuperar más energía. Sin embargo, aún es necesario conocer el HRAS con más profundidad para garantizar su estabilidad, e implementarlo a escala real y de forma generalizada.

Joan Canals Tuca, con una larga trayectoria profesional en el sector del agua, conocía bien esta carencia cuando inició su tesis doctoral. Por ello, decidió estudiar los distintos parámetros que intervienen en la estabilidad de un proceso HRA y permitirían optimizarlo. El trabajo experimental se desarrolló en la depuradora de Montornès del Vallès (Barcelona), en una planta piloto HRAS capaz de tratar 35 m3 de agua por día y compuesta por dos reactores biológicos y dos decantadores que operaban de forma alterna. El investigador monitorizó el funcionamiento de la planta con distintos caudales durante 497 días por medio de un sistema digital. Los parámetros operacionales estudiados fueron el oxígeno disuelto, el potencial de oxidación-reducción y los caudales de entrada, salida y recirculación. También se determinó de forma continua el contenido de sólidos en suspensión en el influente, el reactor biológico, el efluente y el flujo de recirculación. Finalmente, se realizaron simulaciones del proceso para evaluar su robustez y escalabilidad.

Los resultados obtenidos demuestran que el HRAS puede ser un proceso eficiente y estable, con una alta capacidad de eliminación de contaminantes y un bajo consumo de energía. Así, el HRAS presenta una mejor eliminación de distintos contaminantes (compuestos de nitrógeno y fósforo) respecto al decantador primario, con tasas de eliminación que están relacionadas con las concentraciones de nutrientes en la entrada. Un resultado destacable es que la eliminación de nitrógeno y fósforo muestra correlaciones positivas con la demanda química de oxígeno (DQO) total y la fracción particulada, denotando la importancia de los procesos de adsorción, independientemente de la oxidación de la DQO. El HRAS también presenta un bajo consumo específico de oxígeno (SOC) para distintos parámetros como la DQO total y soluble, y la demanda bioquímica de oxígeno en 5 días (DBO5), consiguiendo así una elevada eficiencia energética. El análisis del proceso a largo plazo indica que la mejor vía para la eliminación de nitrógeno en la siguiente etapa de tratamiento es la nitrificación/desnitrificación complementada con la oxidación anaerobia del amonio (anammox) en la línea de recirculación. Además, se observa que el HRAS tiene una eficiencia energética más alta a concentraciones de influente elevadas, con un consumo de oxígeno específico influido por la concentración del influente y su biodegrabilidad.

El impacto potencial de estos resultados es muy alto. Si se llevara a cabo un proceso HRAS optimizado junto con un proceso anammox en la línea de recirculación, se reduciría el 40% del consumo de electricidad de una depuradora de aguas residuales y el 34% del volumen de los reactores. Ello solo requeriría aumentar un 11% el volumen del reactor de la digestión anaerobia (a causa del aumento de la generación de biogás). Unas cifras significativas que invitan a seguir trabajando para escalar el proceso e implementarlo a escala real.

La tesis ´Operation and control of high rate activated sludge process in urban wastewater treatment plants´ ha sido dirigida por Héctor Monclús, Maria Martín y Alba Cabrera, del grupo de investigación Laboratorio de Ingeniería Química y Ambiental (Lequia) de la Universitat de Girona. El trabajo experimental se ha llevado a cabo en el marco de un proyecto de I+D industrial de la empresa GS Inima Environment, cofinanciado por el CDTI.