Tecnología Mainstream SCEPPHAR: implementando la recuperación de recursos en depuradoras urbanas

La tecnología ‘Mainstream SCEPPHAR’, desarrollada en el marco del proyecto europeo SMART-Plant, muestra una configuración novedosa en Estaciones depuradoras acerando al sector del agua hacia un escenario de economía circular.

El sector del tratamiento de aguas residuales busca un cambio de paradigma, centrándose en la recuperación de los recursos materiales y energéticos de estas aguas. Por este motivo, se busca la transformación de las actuales Estaciones de Depuración de Aguas Residuales (EDAR) en Estaciones de Recuperación de Recursos del Agua (ERRA, Water Resource Recovery Facilites, WRRF, en inglés). Por lo tanto, el objetivo de las ERRA es, además de la obtención de agua tratada con bajos niveles de contaminantes, la recuperación de energía (biogás, biometano o hidrógeno), así como la recuperación de recursos de interés (fertilizantes, bioplásticos o celulosa).

Este trabajo presenta el desarrollo y resultados de la tecnología “Mainstream SCEPPHAR” (Short Cut Enhanced Phosphorus and PolyHydroxyAlkanoate Recovery), mostrando una configuración novedosa de ERRA y acercando de este modo al sector del agua hacia un escenario de economía circular. El sistema Mainstream SCEPPHAR ha sido desarrollado por el grupo de investigación GENOCOV de la Universitat Autònoma de Barcelona y la empresa municipal Aigües de Manresa S.A. y se ha implementado por primera vez a escala piloto, en condiciones ambientales reales, en las instalaciones de la depuradora de Manresa - Sant Joan de Vilatorrada (Figura 1). El sistema ha mejorado la eficiencia de tratamiento de agua residual urbana al mismo tiempo de recuperar fertilizantes y lodos con contenido en precursores de bioplásticos.

Este trabajo ha formado parte del proyecto europeo SMART-Plant (Scale-up of low-carbon footprint Material Recovery TEchniques, EU-H2020, GA-690323, www.smart-plant.eu). El proyecto ha tenido una duración de 4 años, una inversión de 9.768.806€ y han formado parte 26 socios (empresas y universidades) de 10 países de la UE. El principal objetivo de SMART-Plant ha sido escalar y demostrar soluciones innovadoras en condiciones reales para mejorar las EDAR actuales. Durante el proyecto se han testado nueve configuraciones de planta piloto distintas con la intención de mejorar el tratamiento de aguas residuales, la eficiencia energética, la reducción de gases de efecto invernadero y la recuperación de recursos del agua. Para difundir las tecnologías desarrolladas se han redactado fichas técnicas con información de sus principales características, disponibles en: https://www.smart-plant.eu/index.php/technical-factsheets.

Descripción del proceso

El nuevo proceso Mainstream SCEPPHAR (Larriba et al., 2020) nace de las experiencias previas del grupo GENOCOV en el desarrollo de sistemas de tratamiento de aguas residuales, especialmente de los sistemas tipo reactor discontinuo secuencial (Sequencing Batch Reactor, SBR) para el tratamiento combinado de nitrógeno y fósforo (Baeza et al., 2017; Guisasola et al., 2019; Marcelino et al., 2011; Pijuan et al., 2004; Tayà et al., 2011). El esquema global de la configuración Mainstream SCEPPHAR se muestra en la Figura 2. Se observa que a partir del agua residual se obtienen tres corrientes de salida: agua residual tratada cumpliendo con los límites de vertido de materia orgánica y nutrientes; fósforo recuperado en forma de estruvita y una corriente de purga con lodos de alto contenido en polihidroxialcanoato (PHA), que es un precursor de bioplásticos. La Figura 3 muestra un diagrama detallado de la operación de la planta, la cual se basa en un sistema de dos lodos compuesto de las siguientes unidades: dos reactores SBR de igual volumen útil (2.5 m³), el primero principalmente heterótrofo (R1-HET) y el segundo autótrofo (R2-AUT), un tanque de intercambio (R4-INT, 2.5 m³) y un reactor de precipitación química de fósforo en forma estruvita (R3-PRE, 0.15 m³).

Cada ciclo de la planta se inicia cargando el agua residual (proveniente del efluente del sedimentador primario) en el reactor R1-HET. Este reactor lleva a cabo la mayor parte de procesos heterótrofos y su lodo está enriquecido en organismos acumuladores de fósforo (Polyphosphate Accumulating Organisms, PAO), que son los organismos que realizan la eliminación biológica de fósforo (Enhanced Biological Phosphorus Removal, EBPR). La primera fase del reactor R1-HET es anaeróbica, dónde los PAO consumen materia orgánica, liberan fósforo y acumulan PHA. Cuando finaliza esta fase se realiza una purga, obteniendo un lodo rico en PHA, y se deja sedimentar el reactor para iniciar el intercambio de volúmenes entre los reactores R1-HET y R2-AUT. Una vez sedimentado el reactor R1-HET, el 70% de volumen se envía al tanque R4-INT. En este punto, una pequeña parte del volumen se envía al reactor de precipitación y el resto al reactor R2-AUT. En R2-AUT se realiza una fase aeróbica para que se produzca la oxidación del amonio presente en el agua a nitrito (nitritación). Después de una fase de sedimentación, los sobrenadantes de los reactores R2-AUT y R3-PRE se devuelven al reactor R1-HET, dónde en condiciones anóxicas los PAO desnitrifican el nitrito, convirtiéndolo en nitrógeno gas y captan fósforo. El ciclo sigue con una fase aeróbica para asegurar que todo el fósforo del agua se elimina. Después de dejar sedimentar el reactor R1-HET, el sobrenadante se descarga en el efluente y el proceso se inicia de nuevo.

Uno de los puntos a destacar es la oxidación del amonio en el reactor R2-AUT hasta nitrito, en vez de nitrato como en los sistemas convencionales. Esta estrategia permite reducir los costes de aireación y, además, en la fase anóxica de R1-HET, los PAO son capaces de desnitrificar desde nitrito. La implementación de la nitritación se consigue mediante un control de la duración de la fase de aeróbica, deteniendo la aireación cuando se detecta que la  mayoría del amonio se ha oxidado (Marcelino et al., 2011). Aplicando esta estrategia en ciclos sucesivos, se consigue lavar mayoritariamente a los microorganismos oxidantes de nitrito (Nitrite Oxidising Organisms, NOB), sin afectar a los microorganismos oxidantes de amonio (Ammonia Oxidising Organisms, AOB).

Implementación del proceso

La planta piloto Mainstream SCEPPHAR se operó durante 550 días con diferentes estrategias operacionales, consiguiendo tratar hasta 5 m³ de agua residual por día, cumpliendo los límites de vertido más restrictivos (Larriba et al., 2020). Para conseguir la automatización de la planta piloto. los reactores R1-HET y R2-AUT estaban equipados con sondas de nivel, pH, temperatura, oxígeno disuelto y potencial redox. Además, el reactor R2-AUT se equipó con un sensor ion-selectivo de amonio (Hach) para controlar la duración de la fase aeróbica. El reactor de intercambio (R4-INT) disponía únicamente de un sensor de nivel y el R3-PRE disponía de sonda de pH. Todos los reactores menos R4-INT disponían de aireación y agitación.

Durante el proyecto se han testado nueve configuraciones de planta piloto distintas con la intención de mejorar el tratamiento de aguas residuales, la eficiencia energética, la reducción de gases de efecto invernadero y la recuperación de recursos del agua.

La Figura 4 muestra los perfiles de entrada y salida de la planta piloto obtenidos durante el último periodo de operación de la planta, así como los límites de vertido de nitrógeno total y fósforo. A partir del día 330 de este periodo se operó la planta con eliminación de nitrógeno vía nitrito, mediante el control de la duración de la fase aeróbica en el reactor R2-AUT, obteniendo un valor promedio en el efluente de 3.2 ± 2.0 g N·m^-3 de nitrito y 0.6 ± 0.7 g N·m^-3 de nitrato. Los rendimientos de eliminación obtenidos durante todo este periodo fueron del 80, 85 y 86% para la demanda química de oxígeno (DQO), nitrógeno total y fósforo total, respectivamente. La Figura 5 muestra un ejemplo de los perfiles de concentraciones en los reactores R1-HET y R2-AUT durante un ciclo de operación (día 410). Los resultados del reactor R1-HET muestran como los PAO liberan 17 g P·m^-3 durante la fase anaeróbica y acaban captándolo totalmente durante las siguientes fases anóxica y aeróbica. También se observa que gracias a la última fase aeróbica de R1-HET se oxida el amonio restante a nitrito. En R2-AUT se observa como los AOB son capaces de oxidar todo el amonio a nitrito durante la fase aeróbica. Durante el ciclo no se observa nitrato, evidenciando que no hay mucha actividad NOB en el reactor.

Respecto a la recuperación de fósforo durante la operación, entre el 45 y el 63% del fósforo de la entrada se pudo recuperar en forma de estruvita en el reactor de precipitación R3-PRE. Estos valores son mucho más elevados que los valores típicos reportados en estudios anteriores utilizando recuperación de estruvita en los sobrenadantes de la digestión anaerobia (alrededor del 12%). La recuperación de fósforo en el reactor R3-PRE es posible gracias a la alta concentración de fósforo obtenida al final de la fase anaeróbica del reactor R1-HET: se obtuvo un incremento promedio de 6.2 ± 2.4 veces la concentración de fósforo a la entrada la planta (Larriba et al., 2020).

En cuanto a la producción de precursores de bioplásticos (PHA), la planta piloto consiguió obtener una biomasa con un contenido de hasta el 9% en PHA, un valor más grande que los típicos en este tipo de lodos, gracias a que la purga se realizaba al final de la fase anaeróbica en vez de al final de la fase aeróbica como en un sistema EBPR convencional. La concentración de PHA obtenida actualmente todavía está lejos del 40% recomendado para que su recuperación pueda ser económicamente viable (Werker et al., 2018), pero su contenido podría mejorarse disminuyendo el tiempo de residencia celular o con otras estrategias de operación (Chan et al., 2017). Alternativamente, esta biomasa se puede utilizar para potenciar la producción de energía en forma de biogás (Chan et al., 2020).

Finalmente, el estudio de viabilidad económica (Larriba et al., 2020) muestra que actualmente la implementación de la tecnología SCEPPHAR presenta unos costes estimados ligeramente superiores a una EDAR convencional y por tanto necesitaría de un aumento en la tarifa del agua del 15% , por lo que sería necesario legislar incentivos que favorezcan la recuperación de recursos para hacerla económicamente viable.  No obstante, los resultados obtenidos son prometedores y la operación de la planta puede optimizarse en futuros proyectos.

Conclusiones

El sistema Mainstream SCEPPHAR es una prometedora tecnología capaz de recuperar de las aguas residuales una serie de productos de valor añadido para la sociedad. La operación en planta piloto ha demostrado que no se compromete la eficiencia de tratamiento del agua, ya que todos los nutrientes en el efluente están por debajo de los límites de vertido. Además, se ha demostrado la posibilidad de introducir la economía circular en el ámbito del tratamiento del agua mediante los resultados obtenidos con la recuperación de fósforo en forma de estruvita y la obtención de biomasa con precursores de bioplásticos.

Bibliografía

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Chan, C., Guisasola, A., Baeza, J.A., 2020. Correlating the biochemical methane potential of bio-P sludge with its polyhydroxyalkanoate content. J. Clean. Prod. 242. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.118495

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Guisasola, A., Chan, C., Larriba, O., Lippo, D., Suárez-Ojeda, M.E., Baeza, J.A., 2019. Long-term stability of an enhanced biological phosphorus removal system in a phosphorus recovery scenario. J. Clean. Prod. 214. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.12.220

Larriba, O., Rovira-Cal, E., Juznic-Zonta, Z., Guisasola, A., Baeza, J.A., 2020. Evaluation of the integration of P recovery, polyhydroxyalkanoate production and short cut nitrogen removal in a mainstream wastewater treatment process. Water Res. 172, 115474. https://doi.org/10.1016/j.watres.2020.115474

Marcelino, M., Wallaert, D., Guisasola, A., Baeza, J.A., 2011. A two-sludge system for simultaneous biological C, N and P removal via the nitrite pathway. Water Sci. Technol. 64, 1142–1147. https://doi.org/10.2166/wst.2011.398

Pijuan, M., Saunders, A.M., Guisasola, A., Baeza, J.A., Casas, C., Blackall, L.L., 2004. Enhanced biological phosphorus removal in a sequencing batch reactor using propionate as the sole carbon source. Biotechnol. Bioeng. 85, 56–67. https://doi.org/10.1002/bit.10813

Tayà, C., Guisasola, A., Baeza, J.A., 2011. Assessment of a bioaugmentation strategy with polyphosphate accumulating organisms in a nitrification/denitrification sequencing batch reactor. Bioresour. Technol. 102, 7678–84. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2011.05.041

Werker, A., Bengtsson, S., Korving, L., Hjort, M., Anterrieu, S., Alexandersson, T., Johansson, P., Karlsson, A., Karabegovic, L., Magnusson, P., Morgan-Sagastume, F., Sijstermans, L., Tietema, M., Visser, C., Wypkema, E., van der Kooij, Y., Deeke, A., Uijterlinde, C., 2018. Consistent production of high quality PHA using activated sludge harvested from full scale municipal wastewater treatment – PHARIO. Water Sci. Technol. 78, 2256–2269. https://doi.org/10.2166/wst.2018.502

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