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Generación de energía a partir de aguas residuales urbanas: Proyecto LIFE SAVING-E

Aguas residuales urbanasEn el proceso de tratamiento de las aguas residuales urbanas se consume grandes cantidades de energía, siendo el coste de la energía uno de los costes más importantes de todo el proceso de depuración. Con la finalidad de disminuir el elevado coste de la energía, un grupo de investigación del Departamento de Ingeniería Química Biológica y Ambiental de la Universitat Autònoma de Barcelona está desarrollando el proyecto LIFE SAVING E, coordinado por el Dr. Julián Carrera y financiado por el programa LIFE de la Unión Europea, el cual se plantea como objetivo la modificación del proceso de depuración para que éste pase de consumir energía a producirla en términos de balance neto. De hecho, se estima que a nivel de la Unión Europea un sistema así supondría un ahorro de entre 500 y 1.000 millones de euros al año para los países de la Unión.

El Dr. Julián Carrera ha accedido amablemente a responder a las preguntas planteadas por Condorchem Envitech para que los lectores de este blog puedan conocer mejor el proyecto LIFE SAVING E.

Dr. Carrera, ¿cómo es posible que una depuradora urbana sea capaz de generar energía en vez de consumirla?

Actualmente, en una depuradora urbana se eliminan básicamente dos tipos de contaminación, la materia carbonosa y la que contiene nitrógeno. Para llevar a cabo el proceso es necesario aportar aire, hecho que provoca un elevado consumo de energía. Una parte de esta energía, hoy en día sí que se puede recuperar al producir biogás. El biogás es una mezcla de metano y CO2 que se produce en un proceso biológico llamado digestión anaerobia. El problema reside en que sólo se recupera aproximadamente el 40% de la energía total que se consume. Por lo tanto, en el balance global, actualmente las depuradoras consumen energía. Lo que en este proyecto se desea conseguir es poder destinar a la producción de biogás la totalidad del carbono orgánico que contiene el agua residual que entra en la depuradora. El biogás se genera a partir del carbono orgánico del agua residual y, en estos momentos, una parte del carbono orgánico no se puede utilizar para producir biogás porque se necesita para eliminar el nitrógeno. El proyecto LIFE SAVING-E, lo que introduce como novedad, es la eliminación del nitrógeno sin la necesidad de utilizar carbono orgánico. Así, se puede dedicar todo el carbono orgánico a la producción de biogás, produciendo mayor cantidad de biogás y, por tanto, mucha más energía.

Entonces, el factor clave que hace innovador el proyecto es el la posibilidad de eliminar el nitrógeno sin la necesidad de consumir carbono orgánico. ¿Cómo es esto posible?

Así es. Actualmente, para eliminar el nitrógeno se llevan a cabo dos procesos biológicos. El primero se denomina nitrificación y en él se necesita oxígeno; el segundo se llama desnitrificación y requiere el consumo de carbono orgánico. Para eliminar el nitrógeno sin consumir carbono orgánico, se utilizará el primer paso – la nitrificación, en el que se necesita oxígeno -, pero se llevará a cabo de una manera más corta de lo que se hace actualmente. Por tanto, se utilizará una menor cantidad de oxígeno del que se requiere actualmente. Aquí ya se produce un ahorro en el consumo de energía. Y, por otro lado, el segundo proceso – la desnitrificación , se realizará sin consumir carbono orgánico utilizando un tipo de bacterias novedoso que actualmente no se utilizan en las depuradoras. Son llamadas bacterias anammox, crecen de forma autótrofa – sin utilizar el carbono orgánico en su crecimiento – y fueron encontradas el año 1995, relativamente hace poco tiempo.

¿Qué hacen las bacterias anammox para eliminar el nitrógeno sin necesidad de carbono orgánico?

El nitrógeno llega a la depuradora en forma de nitrógeno amoniacal. Actualmente, el nitrógeno amoniacal primero se debe oxidar a nitrato y posteriormente el nitrato se reduce a nitrógeno gas, que se libera a la atmósfera al ser un gas inocuo. Lo que hacen las bacterias anammox es transformar amonio y nitrito en nitrógeno gas. Y esto lo hacen sin consumir carbono orgánico. Para conseguir que este proceso sea posible, previamente parte del amonio que entra a la depuradora se debe oxidar parcialmente a nitrito. Esta conversión consume mucha menos energía que lo que se hace actualmente, que es oxidar todo el amonio hasta nitrato. De hecho, se puede ahorrar hasta un 50% del oxígeno, por lo que ya se ahorra energía. Y después, las bacterias anammox, que son anaerobias, son capaces de utilizar nitrito y amonio para producir nitrógeno gas, sin consumir ni oxígeno ni carbono orgánico.

¿Qué cantidad de energía se puede llegar a producir introduciendo estos cambios en el proceso?

Actualmente, una depuradora urbana consume al año entre 8 y 16 kWh por habitante. Esto traducido al ámbito de la Unión Europea equivale a entre 500 y 1.000 millones de euros. Con el nuevo proceso se pretende no sólo producir energía suficiente como para compensar el consumo – que además se habrá reducido -, sino que si todo funciona correctamente, se podría llegar a producir un excedente. En este caso se podría llegar a generar, en término de balance neto, hasta 9 kWh por habitante y año. Además, el proceso conlleva una importante reducción de la emisión de gases de efecto invernadero, por el ahorro energético producido y por la generación de energía mediante una fuente limpia.

Este nuevo proceso se encuentra en fase de desarrollo, ¿cuáles crees que serán las principales dificultades técnicas que se deberán superar?

Bien, las bacterias anammox presentan buenas velocidades de crecimiento a temperaturas elevadas. No obstante, se ha observado que su crecimiento se ve ralentizado a temperaturas de entre 10 y 15 ºC, que es la que puede existir en las depuradoras en invierno. También se prevé otro reto relacionado con la estabilidad de la producción biológica de nitrito a temperaturas bajas, que si todo va bien, se superará con un novedoso sistema de control que hemos desarrollado nosotros mismos.

¿En qué fase se encuentra el proyecto actualmente?

El desarrollo de nuevas tecnologías es un proceso lento. Esta tecnología se lleva desarrollando en el laboratorio desde hace tres años. A partir de los resultados obtenidos, muy buenos, se ha solicitado un proyecto LIFE para seguir trabajando a una escala mayor. Hasta el momento se ha trabajado con reactores de 5 litros y ahora, con la financiación de la Unión Europea, se va a trabajar con una planta piloto que tendrá unos 1.000 litros. Es un proyecto con un horizonte temporal de tres años y medio, empezó en octubre de 2015 y ahora se está construyendo la planta piloto. Estará instalada en una EDAR real en junio de este año y estará operando aproximadamente unos tres años. Cuando el proyecto finalice, sobre marzo de 2019, se tendrán suficientes datos para poder acometer con éxito el escalado hasta escala real. En ese momento la tecnología necesaria para la operación del proceso a escala real también estará ya desarrollada.

Y ya para finalizar, ¿quién está detrás de este proyecto?

Se trata de un proyecto financiado por la Unión Europea y formado por cuatro socios. La investigación más básica la realizó nuestro grupo de investigación – GENOCOV – que pertenece al departamento de ingeniería química, biológica y ambiental de la Universitat Autònoma de Barcelona. Existe también un socio tecnológico y empresarial, la empresa Depuración de Aguas del Mediterráneo, que es la empresa explotadora de la EDAR donde se ubicará la planta piloto. Además, forma parte del proyecto la administración pública, la Agencia Catalana del Agua, que es la propietaria de la EDAR donde se ubicará la planta piloto y quien en definitiva decidirá si esta tecnología se puede implementar o no de forma práctica. Finalmente, el último socio es una asociación sin ánimo de lucro, llamada Plataforma Europea del Agua, que se encarga de la difusión del proyecto en el ámbito de la Unión Europea.

Para concluir, por parte de Condorchem Envitech, desearle suerte al coordinador del proyecto LIFE SAVING-E, el Dr. Julián Carrera, encargado de dirigir una iniciativa que construirá a escala piloto una planta de depuración de aguas residuales urbanas que, en lugar de consumir energía, la generará. Este proyecto, sin duda, cambiará la forma de percibir el agua residual, pasando de verla como un residuo a apreciarla como un recurso.

Cogeneración a partir de residuos

La cogeneración consiste en la producción simultánea, y aprovechamiento, de dos o más tipos de energías diferentes; normalmente, energía eléctrica y energía térmica (calor). A diferencia del proceso convencional de producción de electricidad en centrales térmicas, en el que se produce una gran cantidad de calor que no se aprovecha y que se libera al medio ambiente, en los sistemas de cogeneración, implícitamente, la planta de producción de energía está cerca del lugar de consumo de la misma.

La posibilidad de utilizar un residuo como materia prima para un proceso de producción de energía es muy atractiva tanto desde el punto de vista económico como desde el ambiental. Económicamente, porque se transforma un residuo (que lleva asociado un coste de gestión) en energía (que implica un ingreso económico). Y ambientalmente, porque es una vía de reducir la cantidad de residuos generados.

Así pues, las instalaciones idóneas para albergar un proceso de cogeneración deberán, por un lado, producir un residuo que sea combustible o pueda ser transformado en un combustible. Y por el otro lado, deberán tener demanda de energía térmica y energía eléctrica. Estos requisitos se cumplen fácilmente en:

1. Las plantas de tratamiento de aguas residuales mediante proceso biológico, ya sean urbanas como industriales. Los lodos generados, a través de un proceso de digestión anaerobia, son transformados en biogás (dióxido de carbono y metano) y lodos estabilizados, los cuales tienen aplicación agrícola como fertilizantes. El biogás, dependiendo de la riqueza relativa en metano que posea, tiene un mayor o menor poder calorífico, que en cualquier caso puede ser utilizado en un proceso de cogeneración.

En las plantas de tratamiento de aguas residuales, la energía térmica producida en el proceso de cogeneración se puede utilizar para mantener constante la temperatura del digestor anaerobio (a 36 ºC) y para calentar previamente los lodos digeridos antes del proceso de deshidratación, y consecuentemente aumentar la eficacia de esta operación.

2. Las explotaciones agrícolas y/o ganaderas, en las que se producen residuos biodegradables que también sonsometidos a un tratamiento de digestión anaerobia, para reducir la cantidad de residuos, a la vez que se genera una considerable cantidad de biogás.

En este tipo de explotaciones, el calor que se desprende en la cogeneración se puede utilizar para mantener a una temperatura confortable las naves en las que se encuentran los animales, para mantener controlada la temperatura en los invernaderos y para disminuir la sequedad del residuo sólido final precalentándolo previamente a la deshidratación.

3. Vertederos de residuos sólidos urbanos (RSU), en los que, dadas las condiciones en las que se encuentran los residuos y su naturaleza orgánica, se produce un proceso natural de biometanización en el que se genera biogás.
En los vertederos de RSU, la energía térmica excedente de la cogeneración puede ser de gran utilidad en el proceso de tratamiento de los lixiviados generados, concretamente, para reducir la humedad del residuo final, incluso hasta llegar a secarlo, mediante un proceso de concentración-evaporación.

Para transformar el biogás en energía eléctrica y energía térmica existen dos tecnologías alternativas: los motores de combustión y las microturbinas. Los motores de combustión sólo son válidos cuando la concentración de metano en el biogás es superior al 40%. Tienen una eficacia eléctrica del 35-40% y una eficacia térmica del 35-40%. En contrapartida, las microturbinas pueden operar con una riqueza de metano del 30% (35% en el arranque), su eficiencia eléctrica es del 25-30% y su eficiencia térmica del 55-60%. Considerando la eficiencia global (la suma de la eficiencia eléctrica y de la eficiencia térmica), las microturbinas presentan mejores resultados que los motores de combustión.

En cuanto al mantenimiento, las microturbinas sólo tienen una parte móvil y son lubricadas por aire, mientras que los motores de combustión son mucho más complejos a nivel mecánico y precisan de aceite para su lubricación. Esto hace que el mantenimiento necesario de las microturbinas sea muy bajo mientras que los motores necesitan de atención constante.

En el caso de los motores, el calor excedente se obtiene de dos fuentes diferentes: del circuito de refrigeración y de los gases de combustión, mientras que en el caso de las microturbinas, la energía térmica se obtiene de una única corriente, aprovechando la alta temperatura de los gases de combustión.

Tanto en el caso de los motores de combustión como en el de las microturbinas, el biogás debe ser limpiado antes de entrar en contacto con estos equipos. En ambos casos se deben eliminar del biogás los siloxanos, los cuales se adsorben en un filtro de carbón activo. En el caso de los motores de combustión, además, también se debe eliminar del biogás el sulfuro de hidrógeno (H2S), el cual es un ácido muy corrosivo.

En cuanto a las emisiones, los motores de combustión generan mayor cantidad tanto de monóxido de carbono como de óxidos de nitrógeno.

Así pues, mediante un proceso de cogeneración se puede reducir la cantidad de residuo generado a la vez que se produce energía eléctrica, que se puede autoconsumir o vender a través de la red general, y energía térmica, que se puede utilizar tanto dentro del propio proceso, como para reducir la humedad del residuo final mediantes técnicas de evaporación-concentración. Tanto por la reducción de la cantidad de residuo como por la producción de energía, el proceso de cogeneración es completamente viable económicamente y el período de retorno de la inversión suele ser relativamente corto.

cogeneración a partir de residuos

Evaporadores al vacío para el tratamiento de residuos líquidos en centrales nucleares

istock_000014949943xsmallSegún los diferentes tipos de reactores se producen diferentes corrientes de desechos. Estas corrientes difieren tanto en contenido de actividad como en cantidad de desechos líquidos generados.

Estos desechos líquidos activos se producen en la depuración de los refrigerantes primarios (PWR, BWR), limpieza de la piscina de almacenamiento del combustible gastado, desagües, agua de lavado y fugas de agua. Asimismo, Las operaciones de descontaminación de reactores también producen desechos líquidos.

Los desechos radiactivos líquidos obtenidos contienen en general componentes radiactivos solubles e insolubles y sustancias no radiactivas. El objetivo es descontaminar los desechos líquidos hasta tal grado que el volumen total descontaminado de desechos acuosos pueda liberarse al medio ambiente o reciclarse. Los concentrados de desechos se someten posteriormente a acondicionamiento, almacenamiento y evacuación.

Se utilizan normalmente técnicas estándar para descontaminar las corrientes de desechos líquidos. Cada proceso tiene un efecto particular sobre el contenido radiactivo del líquido. El mejor efecto de reducción de volumen, en comparación con otras técnicas, se logra mediante la evaporación al vacío.

La evaporación al vacío es un método comprobado para el tratamiento de desechos radiactivos líquidos que proporciona a la vez buena descontaminación y reducción de volumen. El evaporador al vacío elimina el agua del proceso en fase vapor quedando componentes no volátiles tales como sales que contienen la mayoría de los radionucleidos. La evaporación es probablemente la mejor técnica para desechos con un contenido relativamente elevado en sales y una composición química bastante heterogénea.

En el siguiente documento podrás encontrar más información acerca del tratamiento de residuos líquidos en centrales nucleares.

pdfadobe1Tratamiento de residuos líquidos en centrales nucleares

Tratamiento de purgas de desulfuración en centrales térmicas

evaporador desulfuracion central termica condorchemEn cumplimiento de la normativa medioambiental referida al nivel de azufre en los gases de emisión a la atmósfera, las centrales térmicas implantan la tecnología de desulfuración, que desarrolla el siguiente proceso: los gases procedentes de la combustión de carbón en la caldera, una vez pasados por los electro-filtros, son impulsados por unos ventiladores hacia un calentador gas-gas donde se aumenta su temperatura. Una vez han alcanzado la temperatura requerida, se introducen en el absorbedor o scrubber, donde la lechada de cal (absorbente) captura su SO2, y utiliza aire de oxidación para favorecer la reacción química. Desde allí los gases se dirigen hacia la chimenea para evitar condensaciones y salen al exterior a una temperatura superior al punto de rocío del azufre. Gracias a este proceso de desulfuración, el SO2 se reduce en un 95%.

Como resultado del proceso, en el fondo del absorbedor queda una lechada de yeso que, una vez desecada, se transporta a una planta de Residuos Sólidos Urbanos (RSU). Alternativamente, estudios recientes están evaluando la posibilidad de que como subproducto se utilize en otras aplicaciones, como enmendante de suelos y producción agrícola. Igualmente, el agua de filtrado obtenida es en su mayoría reutilizada en el mismo proceso y sólo una pequeña parte (purgas) se deriva a la planta de tratamiento de efluentes.

Dicha planta consiste principalmente en un evaporador al vacío tipo flash a circulación forzada para tratar las purgas del scrubber de la desulfuradora, después de pasar por una etapa previa de depuración Físico-Química. El agua salobre se destila en el evaporador y se obtiene agua destilada de alta calidad que se recicla al absorbedor o scrubber, mientras que el concentrado (salmuera) representa menos del 5-10% en volumen del agua tratada. En este proceso se obtiene un VERTIDO CERO.