Estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR): Biorrefinerías del siglo XXI
En la actualidad diferentes grupos de investigación trabajan en proyectos innovadores para la valorización integral de los lodos de depuradora basados en el concepto de biorrefinería.
[Autor: Juan Antonio Melero Hernández. Grupo de Ingeniería Química y Ambiental de la Universidad Rey Juan Carlos]
Avanzando hacia una economía circular, nos encontramos con el desarrollo de las EDAR del futuro, concebidas como biorrefinerías que incorporan, entre otras mejoras, sistemas que ayudan a conseguir el máximo aprovechamiento de los recursos contenidos en los lodos. La escasez de los recursos fósiles y su elevado impacto ambiental como consecuencia de las emisiones de CO2 a la atmósfera está originando en la actualidad la búsqueda de alternativas energéticas más sostenibles y renovables. En este sentido la valorización energética de residuos de bajo coste es una alternativa muy interesante. Diferentes grupos de investigación estudían la obtención de bio-energía a partir de los lodos de depuradora.
Pero, ¿cómo obtenemos energía de estos lodos de depuradora?
Una de las alternativas más convencionales es la digestióna anaerobia en el que microorganismos metanogénicos convierten la materia orgánica biodegradable en biogás (mezcla de CH4 y CO2 principalmente). Sin embargo, diferentes grupos de investigación y empresas están desarrollando tecnologías para mejorar el aprovechamiento energético de estos residuos (en general buscando una mayor producción de CH4 y reduciendo la cantidad de digestato). Entre los pre-tratamientos que se están estudiando se incluyen tratamientos térmicos, químicos y mecánicos (Jain y col., 2015). También se ha publicado los interesantes resultados obtenidos con la sonicación de los lodos previa a su digestión anaerobia. La acción de los ultrasonidos rompe los flóculos biológicos y digrega las particulas de elevado tamaño favoreciendo el proceso de metanizacion (Mao y col., 2015). Actualmente, nuestro grupo de investigación estudia el uso de hierro metálico (Fe0) para favorecer la digestión anaerobia de los lodos y en combinación con oxidantes (H2O2) y ultrasonidos para la generación de radicales hidroxilo que favorezcan la cinética de digestión del lodo y su metanización.
Empresas, como Veolia, ha desarrollado soluciones tecnológicas para lograr este objetivo, destaca el proceso Exelys™ de hidrólisis térmica en continuo que permite optimizar la digestión anaerobia convencional, maximizando la producción de biogás y reduciendo la cantidad de lodos a gestionar. Existen además numerosas propuestas tecnológicas para optimizar la digestión anaerobia mediante la mejora de la hidráulica del proceso, destacando en este campo la familia de tecnologías BIOPAQ™ desarrolladas por Paques. Este desarrollo industrial ha permitido que la digestión anaerobia sea actualmente una tecnología madura, con más de 10.000 grandes plantas instaladas a nivel mundial. La proyección futura es muy optimista y, según la iniciativa global metano (Global Methane Initiative, GMI), promovida por la Agencia de Protección del Medioambiente (EPA), el número de plantas instaladas sólo en Asia y África superará las 500.000 para el año 2050.
El alcance de la digestión anaerobia se ha expandido gracias a la posibilidad de combinación de etapas en serie. Así, una primera etapa trabajando a pH ácido y temperaturas elevadas (entre 45-65 ºC), así como a tiempos de residencia relativamente cortos, puede servir como pre-tratamiento de residuos poco biodegradables y, además, co-generación de bio-hidrógeno que puede valorizarse energéticamente (Lv y col., 2010). En una segunda etapa, empleando fotofermentación, la eficiencia de generación de hidrógeno puede multiplicarse por un factor entre 1.4 y 3 lo que, a su vez, permite incrementar la cantidad de materia orgánica que sirve como sustrato para una posterior digestión anaerobia convencional, incrementando así la cantidad de metano generado (Shi y col, 2015).
Asimismo, en paralelo es importante la recuperación de nutrientes, una solución que aúna la eficiencia económica, técnica y medioambiental gracias a la recuperación de fósforo y nitrógenos de las aguas residuales. A las tradicionales tecnologías de recuperación de fósforo empleadas en la actualidad en plantas de tratamiento de aguas, denominadas plantas de eliminación biologica avanzada de fósforo (EBPR), se han ido adaptando soluciones recientes muy innovadoras que incluyen además la recuperación de C, N, P y K promoviendo la asimilación, en lugar de la oxidación, de la materia orgánica y los nutrientes como biomasa. Éstos puden ser recuperados posteriormente mediante digestión anaerobia en la que se liberan los nutrientes como sales inorgánicas y el C como metano.
Por otro lado, otra vía de aprovechamineto de los lodos de depuradora con fines energéticos ha sido la producción de biodiesel a partir de los lípidos y ácidos grados libres extraidos de esta materia prima residual. Incluso, para mejorar la eficacia del proceso, se han desarrollado trabajos que describen el procesado in-situ de los lípidos y ácidos grasos libres para la producción de biodiesel sin la necesidad de una etapa previa de extracción. El grupo de investigación de la URJC ha desarrollado tecnologías catalíticas basadas en catalizadores heterógenos ácidos que han permitido obtener un rendimiento global a esteres metílicos del 15 % en peso referido a lodo seco cuando se parte de lodo primario y de un 10 % a partir de lodo secundario (Melero y col., 2015): Además, en la actualidad se estudia el aprovechamiento de la digestión del sólido resultante del que se espera una mejora en su digestabilidad como consecuencia del pre-tratamiento térmico y catalítico llevado a cabo en el lodo para la producción de biodiesel.
Y además la historia no acaba aquí, pues en la actualidad se están explorando la producción de materiales de interés a partir de los lodos de depuradora: la recuperación de fibras de celulosa así como la producción de biopláticos y biopolimeros (Van Loodsdrecht, 2014). Éstos procesos permiten, gracias a los conocimientos adquiridos en sistemas biotecnológicos avanzados, la generación de compuestos de alto valor añadido que permiten no sólo economizar el tratamiento de resíduos y aguas residuales, sino teóricamente convertirlo en un proceso de biomanufactura industrial (Mo y col., 2013).
La integración de estos procesos (biorrefinería) permitirá una valorización viable de los lodos de depuradora y con un máximo aprovechamiento no sólo energético sino para la recuperación de nutrientes y otros compuestos de interés. Además esta propuesta puede favorecer la construcción de EDAR de menor tamaño y que puedan ser viables económicamente y dando servicio a pequeñas areas urbanas, todo ello dentro del marco global de la bioeconomía descentralizada, la cual ha tenido un impacto muy positivo en la última reunión del Convenio Marco de las Naciones Unidas relativo al Cambio Climático, celebrada hace unos meses en París.
Referencias
Jain S., Jain S., Wolf, I., Lee J., Tong Y. (2015). A comprehensive review on operating parameters and different pretreatment methodologies for anaerobic digestion of municipal solid waste. Renewable Sustainable Energy Review, 52, 142-154.
Lv, W., Schanbacher, F. L., Yu, Z. (2010). Putting microbes to work in sequence: recent advances in temperature-phased anaerobic digestion processes. Bioresource Technology, 101(24), 9409-9414.
Mao C., Feng Y., Wang X., Ren G. (2015) Review on research achievements of biogas from anaerobic digestion. Renewable Sustainable Energy Review, 45, 540-555.
Melero, J.A., Sánchez-Vázquez, R., Vasiliadou, I. A., Martínez, F., Bautista, L.F., Iglesias, J. (2015) Municipal sewage sludge to biodiesel by simulatenous extraction and conversion of lipids. Energy Conversion Management 103, 111-118
Mo, W., & Zhang, Q. (2013). Energy–nutrients–water nexus: integrated resource recovery in municipal wastewater treatment plants. Journal of Environmental Management, 127, 255-267.
Shi, X. Y., Li, W. W., & Yu, H. Q. (2015). Microbial hydrogen production from phenol in a two-step biological process. International Journal of Hydrogen Energy, 40(37), 12627-12633.
Van Loosdrecht, M., Brdjanovic, D. (2014). Anticipating the next century of wastewater treatment. Science, ,344 1452-1453.