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La Clave | Experiencias
La gestión del agua en la economía circular
Frank Rogalla
Ingeniero ambiental. Director de Innovación y Tecnología de Aqualia.
Víctor Monsalvo
Dr. en Ingeniería Química. Responsable del Área de Ecoeficiencia de Aqualia.
El ciclo integral del agua es fundamental para la economía circular. La utilización de flujos circulares de materiales y energía minimiza los impactos ambientales, además de restituir el capital natural y fomentar su regeneración.
La nueva gestión del ciclo del agua permite alcanzar la circularidad en otros sectores, como son la agricultura, industria y energía. Por otro lado, la presión hídrica asociada al crecimiento de población y la escasez de agua promueven el modelo circular de la gestión del ciclo integral del agua.
El presente artículo resume algunos ejemplos de las nuevas oportunidades en los ámbitos de la potabilización y la depuración.
Potabilización
Nitrato en el acuífero, un problema endémico
En España, la intensa explotación agrícola ha creado zonas con alta presencia de nitratos en aguas subterráneas por la contaminación difusa de los acuíferos a causa de los fertilizantes y la actividad ganadera, que produce la contaminación de los acuíferos. El tratamiento se puede convertir en valorización, ya que se genera una corriente rica en nitratos mediante membranas (ósmosis inversa, nanofiltración), resinas de intercambio iónico, o electrodiálisis.
La solución más implantada es la ósmosis inversa, que separa el agua en una corriente de agua potable baja en iones y una corriente concentrada (salmuera) que se puede valorizar:
- Reutilización agrícola directa. El agua con salinidad moderada y rica en nitratos se puede utilizar para el riego de cultivos, aportando fertilizantes y un ahorro económico a los agricultores de la zona.
- Aprovechamiento en la red de alcantarillado. La inyección de una corriente rica en nitratos en los colectores puede evitar malos olores o corrosión, fenómenos asociados al ácido sulfhídrico. En este caso, la capacidad oxidativa de los nitratos evita la reacción de reducción del sulfato a sulfhídrico. Esta solución ya se aplica de forma comercial para reducir la generación de H2S en, por lo menos, el 80%, alargando la vida de la red de saneamiento y de las estaciones depuradoras de aguas residuales.
Minimización de residuos y su aprovechamiento
Uno de los objetivos principales de la economía circular es minimizar la generación de residuos y recuperarlos para su incorporación al circuito productivo. En el ciclo del agua, se realizan actividades de extracción de compuestos de valor:
- Extracción de ácidos húmicos presentes en las aguas brutas, principalmente en las superficiales, como subproductos de degradación de la materia orgánica. Mediante coagulación-floculación se puede llegar a extraer un 90% de los ácidos húmicos presentes en las corrientes de agua bruta, generando compuestos de valor como enmienda agrícola para mejorar la productividad de suelos por su aportación en microelementos, que estimulan la formación de raíces.
- Recuperación de sales coagulantes de hierro (Fe) y aluminio (Al), comúnmente usadas en la coagulación de aguas potables, que se acumulan en el fango obtenido y se depositan en vertedero. Para minimizar este vertido y reutilizar las sales de Fe y Al para otros usos, como la precipitación de fósforo en aguas residuales o la limpieza del biogás, se pueden recuperar estas sales metálicas mediante procesos de filtración/acidificación y resolubilización.
Una planta tipo de 20 000 m3/día de producción de agua potable (para 100 000 habitantes) produce entre 500-1000 t/año de fango, con una cantidad de aluminio de hasta 200 t/año. Las soluciones innovadoras llegan a recuperar el 75% de las sales, reduciendo de forma proporcional el consumo de estos reactivos.
Depuración
Se estima que hay más de 70 000 estaciones de depuración de aguas residuales (EDAR) en la UE tratando más de 40 000 millones de metros cúbicos al año y que apenas se reutiliza el 2,5% de las aguas tratadas. Estas EDAR representan cerca del 1% del consumo de electricidad de la UE (25 000 GWh/año) y generan anualmente unos 13 millones de toneladas de fangos.
La UE fomenta la reorientación de la economía hacia un modelo circular y promueve el cambio de concepto de EDAR a una biofactoría que, en vez de consumir, genera energía y, al mismo tiempo, recupera el agua y otros productos como los nutrientes.
Aguas residuales como fuente de energía y nutrientes: tratamientos anaerobios y descentralizados
Los procesos anaerobios aprovechan la materia orgánica contenida en las aguas residuales y la convierten directamente en biogás renovable, disminuyendo notablemente los costes de operación. Esta tecnología es común en aguas residuales industriales concentradas más calientes, con reactores de alta carga (UASB, EGSB, etc.), pero ya existen alternativas para aguas residuales urbanas, con sistemas de flujo ascendente y manto de lodos modificado, compatibles con aguas residuales de baja carga (DQO: 200 a 500 mg/l) y temperaturas del agua por debajo de 20 °C. Sus principales ventajas son:
- Bajo consumo energético alimentando y mezclando la cama de lodos del reactor por gravedad, evitando altas tasas de recirculación de efluente, utilizando pulsos intermitentes para alcanzar velocidades ascensionales entre 6–12 m/h; aprovechamiento del biogás generado para aumentar mezcla sin consumo energético significante.
- Recuperación del metano disuelto en el efluente del reactor UASB, que a bajas temperaturas (T < 20 °C) y con poca carga orgánica puede alcanzar entre un 20% y un 60% del metano generado, con un sistema de stripping para mantener un balance energético positivo del proceso y evitar emisiones de gases de efecto invernadero en el postratamiento.
- Favorecimiento de la hidrólisis de los sólidos acumulados gracias a una zona inferior de digestión fría que es agitada con los propios pulsos. Los sólidos influentes se retienen con tiempos de residencia > 20 días, permitiendo su hidrólisis con temperaturas menores a 15 °C.
Por otro lado, los biorreactores anaerobios de membranas (AnMBR) eliminan la materia orgánica del agua residual sin necesidad de aporte de oxígeno, al tiempo que recuperan la energía intrínseca de la materia orgánica en forma de biogás, reduciendo la producción de fangos. Los AnMBR permiten la eliminación anaerobia de la materia orgánica incluso en baja concentración y a bajas temperaturas gracias a la separación por membranas que garantizan elevados tiempos de retención celular (TRC), una alta concentración de biomasa y la desinfección física. La ultrafiltración y la retención total de los sólidos eleva la biodiversidad microbiológica y contribuye a una adecuada eliminación de los contaminantes presentes en el agua al mismo tiempo que retiene los patógenos.
La tecnología AnMBR alcanza flujos netos transmembrana del mismo orden que en los sistemas de membranas aerobias con una menor necesidad de limpieza química. Dada la elevada calidad del efluente obtenido con la tecnología AnMBR, su reúso directo en agricultura aporta nutrientes recuperados del agua (N y P) a los cultivos. También es factible su utilización para la recarga de acuíferos o su reutilización en actividades urbanas e industriales.
La transformación directa de la materia orgánica del agua residual en biogás permite producir energía eléctrica y/o calorífica en la propia planta, o bien el gas puede ser afinado para ser utilizado como combustible para vehículos o para inyectarlo a redes de gas natural.
La utilización de los AnMBR permite un nuevo concepto de reutilización local si se instala como reactor compacto en edificios de oficinas o en fábricas, tratando de manera descentralizada las aguas negras. Se puede alcanzar una eliminación de materia orgánica superior al 90% a temperatura ambiente, a la vez que se obtiene biogás con una concentración de metano de más del 75%, y agua de fertirrigación o de proceso, reduciendo las emisiones de CO2 y el uso de fertilizantes minerales.
En la visión de recuperación descentralizada de recursos, también se han desarrollado inodoros con doble tubería para separar la orina, con un consumo de agua mínimo o inexistente, y obtener corrientes altamente concentradas, ya que se emiten de uno a dos litros de orina por persona por día, equivalente a solo el 1% del volumen diario de agua residual, que acumula más de 90% del nitrógeno. La separación de esta corriente concentrada presenta varias ventajas en la operación de las EDAR: la reducción de muchos microcontaminantes problemáticos; la eliminación de la principal fuente de nitrógeno; y la reducción drástica del proceso de nitrificación/desnitrificación y su consumo de energía.
Como la producción de fertilizantes nitrogenados artificiales consume mucha energía y las reservas de roca de fósforo de fácil extracción están concentradas en un puñado de países, el tratamiento de la orina de forma separada permite recuperar estos nutrientes en forma de precipitados minerales como la estruvita. El bajo volumen de estas corrientes permite implementar soluciones descentralizadas, instalando los reactores en zonas específicas de los edificios.
Piloto AnMBR en contenedor, con el reactor, el módulo de membranas y el tanque de agua tratada.
Intensificación y simplificación de la digestión anaeróbica
La codigestión consiste en alimentar con residuos industriales, agroalimentarios o ganaderos los digestores de las EDAR para producir más biogás con el tratamiento conjunto. La digestión anaerobia se diseña tradicionalmente con tiempos de retención (TRH) de entre 25-30 días, incluyendo el proceso de hidrólisis, cuando estudios recientes indican que unos TRH de solo 15 días permiten producir más del 85% del biogás.
Como algunos residuos comerciales tienen un potencial de producción de biogás mucho más alto que los lodos municipales, la mezcla de cosustratos permite balancear las concentraciones de los elementos más importantes (carbono, nitrógeno y fósforo). Los cosustratos interesantes se pueden evaluar con el protocolo estandarizado Biological Methane Potencial (BMP). Cuando los lodos mixtos de EDAR alcanzan un BMP de 200-400 NLCH4/gVS, los cosustratos pueden llegar hasta 800 NLCH4/gVS, pero solo el ensayo determina la riqueza en metano del biogás y otros contaminantes como el sulfhídrico.
Además de la productividad, hay que evaluar el coste de transporte de los residuos, ya que 50 km puede ser el límite para la viabilidad económica del proceso. Otro asunto relevante es la estacionalidad o continuidad de producción de cosustrato, ya que la regularidad del suministro facilita la operación de los digestores.
Se seleccionan los cosustratos que producen más biogás, preferiblemente aquellos con mayor facilidad para su dosificación/homogeneización con los lodos de la EDAR, ya que la dosificación líquida facilita una buena mezcla. Una producción de H2S no es motivo de exclusión, dado que con una microoxigenación es posible minimizar su contenido en el biogás.
Recientes estudios han mostrado que el concepto de digestión anaerobia en dos etapas —también conocida como pretratamiento térmico o digestión dual— es efectivo para incrementar: i) la estabilidad y reducción de patógenos de los digeridos; ii) la carga orgánica (OLR); iii) la actividad específica de los microorganismos metanogénicos y su producción de metano; iv) la eficiencia de reducción de sólidos volátiles (VS) y v) la deshidratabilidad de los lodos.
La digestión dual optimiza las principales etapas de la digestión aumentando la actividad enzimática hidrolítica de los organismos acidógenos y favoreciendo el desarrollo de los metanógenos, mejorando así los rendimientos de producción de biogás y de eliminación de VS. Una hidrólisis con TRH cortos (< 5 días) suele ir seguida de una fase de metanogénesis con TRH <15 días. Las temperaturas termófilas (55 °C) en la hidrólisis mejoran la eliminación de patógeno y permiten la obtención de fango compatible con las nuevas normas de reutilización.
En España, casi el 30% del lodo total es producido en pequeñas EDAR (< 20 000 habitantes equivalentes). Para reducir los costes de gestión y el impacto medioambiental se desarrolla la digestión con infraestructura simplificada. Para sistemas pequeños (< 2000 Hab-Eq.) se pueden utilizar bolsas de polietileno; para poblaciones medianas (< 20.000 Hab-Eq.) se opta por balsas cubiertas. Los principales beneficios de la digestión anaerobia descentralizada son el transporte de menos fango ya que ha sido estabilizado in situ y con un menor consumo de reactivos para espesamiento, además de la disponibilidad de biogás para motogeneradores.
Recuperación de fertilizantes con estruvita
La agricultura hasta ahora depende de fertilizantes artificiales y para su sostenibilidad habrá que mejorar la explotación de corrientes ricas en nutrientes no valorizadas. Este tipo de residuos, tanto minerales como orgánicos, pueden sustituir los recursos no renovables actualmente importados por España y permitir grandes ahorros económicos, fomentando nuevos desarrollos descentralizados.
En el caso del fósforo, sus principales fuentes son las minas de roca, cuyo 90% se concentra en solo 5 países. En el caso de amonio, su fabricación a partir de gas natural convertido a hidrógeno y combinado con el nitrógeno del aire en el proceso Haber Bosch necesita una energía fósil de 10 a 15 kWh/kgN, generando emisiones de casi 2 t de CO2 por tonelada de amonio.
Para reducir la alta dependencia externa de nutrientes se deben generar las cadenas de valor entre la producción de fertilizantes y la depuración de aguas residuales, convirtiendo las EDAR en biorrefinerías para suministrar materias primas para la formulación de fertilizantes como la estruvita ((NH4) MgPO4·6H2O). La UE establece los requerimientos para los fertilizantes en la UE, y su revisión reciente recomienda incluir los productos de depuración para su uso en la industria fertilizante en la Categoría de Material Componente 12 (CMC 12).
En el caso de España, el Plan Nacional de Depuración, Saneamiento, Eficiencia, Ahorro y Reutilización (DSEAR), de julio de 2021, resalta distintas iniciativas sobre el uso de la estruvita:
- modificar la normativa española para permitir la comercialización y aplicación de la estruvita como fertilizante agrario en armonía con la normativa europea;
- fomentar el uso de subproductos y el aprovechamiento de fertilizantes, mencionando expresamente la estruvita en el desarrollo de la Estrategia Española de Economía Circular.
Además de la productividad, hay que evaluar el coste de transporte de los residuos
La recuperación del fósforo en las aguas residuales urbanas —que suelen contener menos de 10 mg P/L, pasa por la preconcentración para superar los 50 mg PTotal/L y así lograr rendimientos económicamente viables en la cristalización. Corrientes internas en EDAR tras la digestión anaerobia de lodos presentan concentraciones favorables para la cristalización controlada y la recuperación de estruvita. Para una sustitución efectiva de las fuentes tradicionales de nutrientes por parte de las empresas fertilizantes es necesario un control de la homogeneidad y la calidad del producto. La recuperación de nutrientes en la deshidratación de los fangos de las EDAR reduce el consumo energético, de reactivos y la producción de lodos, evitando un retorno a la cabecera de planta de alrededor del 5% del fósforo y hasta el 15 % del nitrógeno.
Utilizando un reactivo rico en magnesio (Mg(OH)2) y modificando el pH del escurrido de la deshidratación de fangos se logra la cristalización del fósforo en forma de estruvita.
Con la cristalización en una planta modular se consigue un producto sólido de diámetro de partícula, regulable mediante ligeros ajustes en la operación para generar cristales de estruvita de dimensiones y composición homogénea, permitiendo la explotación comercial con la calidad requerida por la industria de fertilizantes. Los rendimientos de recuperación de fósforo se mantienen entre el 80–90%. Además del interés comercial de la estruvita, se eliminan problemas y costes de operación causados por los atascos y averías de una cristalización descontrolada de la estruvita.