Sistemas bioelectroquímicos de bajo consumo para reducir los niveles de nitrógeno en las depuradoras

La presencia de nitrógeno en las aguas residuales ha sido durante años una fuente de problemas de salud y medioambientales. Conseguir la eliminación de carbono orgánico y nitrógeno en el funcionamiento de una planta depuradora de aguas residuales urbanas, mediante consumos energéticos relativamente bajos, ha sido el objetivo del proyecto de investigación ‘Sistema bioelectroquímico a escala piloto para la eliminación simultánea de nitrógeno y carbono en plantas de tratamiento de aguas residuales urbanas’, desarrollado durante dos años por un grupo de investigadores del Instituto de Recursos Naturales de la Universidad de León (ULE), cuyos resultados acaban de ser publicados en la revista científica ‘Biociencia y Bioingeniería’.

“El objetivo del trabajo era estudiar la eliminación de nitrógeno y de carga orgánica, mediante la utilización de sistemas bioelectroquímicos, de las aguas de retorno procedentes de la deshidratación de fangos de una depuradora de aguas residuales urbanas”, explica Isabel San Martín investigadora del Grupo de Ingeniería de Bioprocesos Químicos y Ambientales y autora del proyecto en el que han trabajado también Raúl Mateos, Begoña Carracedo, Adrián Escapa y Antonio Morán.

Inicialmente se utilizaron celdas de electrolisis microbiana a escala de laboratorio para posteriormente diseñar y construir una planta piloto con un volumen total cercano a 150 litros, y con una capacidad de tratamiento de hasta 300 L/día. “El ensayo publicado tiene una duración aproximada de 60 días de operación del reactor a escala piloto, pero si tenemos en cuenta el trabajo de diseño y puesta a punto del reactor y el trabajo previo con las celdas a escala piloto, la duración ha sido de casi dos años”, señala San Martín al tiempo que recuerda que el escalado de esta tecnología “aún es muy costoso y no hay muchas plantas de sistemas bioelectroquímicos de este tamaño, de ahí la importancia de este trabajo, ya que supone un avance hacia el escalado de esta tecnología”.

El sistema bioelectroquímico (BES) utilizado contenía cinco pares de electrodos (operados hidráulica y eléctricamente en paralelo) y se alimentó con agua residual, concentrado o una mezcla de ambos durante más de 63 días, con un tiempo de retención hidráulica de un día. Los resultados obtenidos demostraron que se consiguen tasas de eliminación de carbono orgánico total y de nitrógeno de 80 y 70%, respectivamente, lo que evita las altas concentraciones en los retornos que vuelven a la cabecera de la planta de depuración. Un proceso además que se ejecuta con un bajo consumo energético. “Además de obtener la eliminación de contaminantes, en este trabajo de investigación comparamos el consumo energético de este sistema (0.18 kWh·m−3) con el que se gasta en los sistemas de aireación necesarios para la eliminación del nitrógeno, que en España se registra entre el 50-60% de la demanda total de energía de las instalaciones de depuración de aguas (0.53 kWh·m−3). Por lo tanto, estamos produciendo una eficiencia energética en el proceso al eliminar la materia orgánica y el nitrógeno con menor energía”, explica Isabel San Martín.

Los BES, una tecnología emergente

Según se detalla en el estudio publicado en la revista ‘Biociencia y Bioingeniería’, las aguas residuales urbanas que ingresan a una planta de tratamiento de aguas residuales, que representa la principal fuente de nitrógeno para la línea de flotación, contienen una baja concentración de nitrógeno, que generalmente es de alrededor de 45 mg L. Otra fuente importante de nitrógeno proviene de la centrifugación del lodo que produce una corriente líquida, conocida como concentrado, que se devuelve a la cabeza de la línea de agua. El contenido de nitrógeno en estos concentrados puede exceder los 1300 mg L, y puede representar el 15-20% del nitrógeno que ingresa a la planta. Su eliminación exige una entrada de energía adicional y la realización de tanques de tratamiento más grandes en la línea de agua, que conllevan un impacto significativo en el equilibrio económico de la planta. Además, como los contaminantes en el centro se diluyen cuando ingresan a las aguas residuales urbanas, su eliminación se vuelve más difícil. Por lo tanto, desarrollar nuevas estrategias para tratar los concentrados sin que sean devueltos a la línea de agua puede representar una importante fuente de ahorro monetario y de energía para la planta.

Los sistemas bioelectroquímicos (BES) son una tecnología emergente con una amplia gama de aplicaciones potenciales en el campo del tratamiento de aguas residuales. Uno de sus principales beneficios, en comparación con las tecnologías más convencionales, es que permiten la recuperación de parte del contenido de energía química presente en las aguas residuales, al tiempo que eliminan los contaminantes orgánicos. Los BES, cuando están diseñados para la eliminación simultánea de carbono y nitrógeno, tienen el potencial de convertirse en una tecnología eficaz y eficiente de tratamiento de aguas residuales.