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Ingeniería ambiental

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Tratamiento de aguas residuales, efluentes y aire al servicio del Medio Ambiente

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.

Ósmosis forzada para el tratamiento de aguas salinas

Ósmosis forzadaLa ósmosis forzada (en inglés Forward Osmosis, o FO) es una tecnología emergente de membranas que presenta una serie de características ventajosas en relación a la ósmosis inversa. Aunque actualmente se presenta como una tecnología complementaria, tiene proyección suficiente para llegar a ser la opción de referencia en numerosas aplicaciones.

A nivel industrial, la ósmosis forzada se basa en el fenómeno natural en el que un solvente fluye desde una región con una baja presión osmótica, a través de una membrana semipermeable, hasta otra región con una elevada presión osmótica. Este fenómeno ocurre continuamente en la naturaleza, en las plantas, en los árboles, en las bacterias, en las células animales, etc.

La ósmosis forzada es un proceso mediante el cual se produce agua de gran calidad a partir de un efluente acuoso con mayor o menor grado de contaminación, utilizando una membrana semipermeable y una solución con una elevada presión osmótica. En el proceso se consume muy poca energía, puesto que se lleva a cabo a presiones muy bajas y a temperatura ambiental, siendo ésta una de las ventajas más destacadas.

Para la explotación del fenómeno natural en aplicaciones concretas, se pueden utilizar dos fluidos con diferentes presiones osmóticas para que, por ejemplo, agua pura de una solución de agua marina, fluya a través de la membrana para diluir una solución con una presión osmótica aún mayor. Es importante destacar que este fenómeno natural se produce a temperatura ambiente y sin la necesidad de aplicar una presión importante. La única energía necesaria externa es la que se requiere para superar la resistencia a la fricción en ambos lados de la membrana (normalmente, 2-3 bar). La solución de elevada presión osmótica se la conoce como «agente osmótico» (draw solution en inglés) y debe de ser de manipulación sencilla y segura, de preparación sencilla y de separación fácil del producto final (generalmente agua de alta calidad).

En comparación con un sistema de ósmosis inversa convencional, la ósmosis forzada presenta una larga lista de ventajas. La principal reside en el hecho de que la ósmosis forzada se lleva a cabo a presiones reducidas, con el consecuente ahorro energético que ello representa. Asimismo, las membranas de ósmosis forzada son más resistentes al ensuciamiento y toleran mejor el cloro, por lo que las limpiezas son menos necesarias y más efectivas, alargando así la vida útil de las membranas. No obstante, la ósmosis forzada no produce agua de alta calidad apta para su uso en una única etapa, puesto que después de la etapa de ósmosis forzada el agua está mezclada con el agente osmótico y se precisa de una segunda etapa para separar el agente osmótico del agua producida. En la segunda etapa, se regenera el agente osmótico a la vez que se produce el agua de alta calidad (figura 1).

Los dos procesos, el de ósmosis forzada y el de regeneración del agente osmótico, están unidos por la recirculación de la solución del agente osmótico, la cual tiene una presión osmótica superior a la del alimento. El agente osmótico concentrado permite que se produzca el flujo de agua pura desde la solución alimento. Como consecuencia, el agente osmótico se diluye con el flujo de agua pura que atraviesa la membrana. El agente osmótico diluido, posteriormente, se concentra al separarlo del agua pura en el sistema de regeneración. La combinación de la operación de los dos sistemas es un parámetro clave en el diseño del sistema para que la operación del conjunto sea sencilla, robusta y fiable.

esquema ósmosis forzada

Las ventajas más importantes de la ósmosis forzada en relación a la ósmosis inversa convencional son las siguientes:

  • Consumo energético menor, especialmente en el caso de soluciones con presiones osmóticas elevadas.
  • Baja propensión al ensuciamiento de la membrana.
  • Limpieza más fácil y efectiva de la membrana.
  • Mayor vida útil de la membrana.
  • Costes de operación más bajos.

La ósmosis forzada puede ser utilizada en una amplia variedad de aplicaciones posibles, ya que permite el tratamiento de aguas marines y salmueras, de aguas con sales minerales y metales, de efluentes con alta carga orgánica y de efluentes con sílice entre otros tipos de efluentes, siendo las más destacadas las que se relacionan a continuación:

  • Producción de agua en zonas con problemas de escasez.
  • Tratamiento de efluentes cuando la normativa obligue a la reutilización.
  • Implantación de un sistema de vertido cero.
  • Tratamiento de efluentes complejos y difíciles de tratar con tecnologías convencionales.
  • Alternativa viable cuando se requiera reducir el consumo de energía.

Así pues, la ósmosis forzada es una tecnología emergente, totalmente viable y fiable, que se presenta como una clara competidora de la ósmosis inversa convencional y de otras tecnologías de separación. A modo de resumen, la ósmosis forzada:

  • Es un proceso alternativo a la ósmosis inversa, en el que se reduce la energía y se disminuye la proporción de rechazo producido.
  • Es una tecnología que se presenta como una alternativa emergente a los procesos de evaporación térmica convencionales.
  • Permite una amplia variedad de aplicaciones diferentes.
  • Es una tecnología emergente que se seguirá desarrollando y aún se obtendrán mejores rendimientos.
  • Reduce costes de inversión y de operación en las aplicaciones de vertido cero en comparación con otras tecnologías.
  • Las próximas mejoras servirán para reducir las necesidades del pretratamiento e incrementar aún más su eficiencia.

Condorchem Envitech pone al alcance de sus clientes el diseño e implantación de sistemas óptimos de ósmosis forzada. Concretamente, dispone de tres opciones de tratamiento mediante esta tecnología, en las que el agente osmótico es una solución termolítica, capaces de satisfacer las necesidades de muy diversos clientes,. Las opciones tecnológicas son las siguientes:

OPCIÓN 1

  • Solución focalizada en la membrana.
  • Elevada recuperación de agua, incluso en el caso de efluentes que ensucian considerablemente la membrana.
  • Tratamiento para efluentes con sílice, contaminación orgánica y minerales.

OPCIÓN 2

  • Tecnología considerada el buque insignia de la ósmosis forzada.
  • Máxima recuperación de agua de alta calidad.
  • Tratamiento de salmueras de hasta 250.000 ppm de sólidos disueltos totales.

OPCIÓN 3

  • Recuperación completa del agua. Solución de vertido cero.
  • Combina tecnología MBC con cristalizadores.
  • Mejora de la eficiencia en relación a los procesos de evaporación multiefecto.

Destilación por membranas para tratar aguas residuales

Destilacion por membranasEl tratamiento de efluentes salinos y salmueras no es posible utilizando procesos convencionales. La única tecnología que ofrece una solución completa es la evaporación al vacío, puesto que la ósmosis inversa o la electrodiálisis generan un efluente de rechazo el cual debe ser gestionado. Y la destilación convencional conlleva unos costes que hacen que no sea viable económicamente.

No obstante, existe una tecnología que, aunque la primera patente data de 1963, su utilización empieza a emerger en la actualidad aprovechando todos los desarrollos de la ingeniería de membranas. Se trata de la destilación por membranas.

La destilación por membranas consiste en un proceso térmico en el que únicamente las moléculas de vapor pueden pasar a través de la membrana, la cual es hidrofóbica. El alimento que se ha de tratar está en contacto directo con una de las superficies de la membrana pero no penetra a través de los poros de la membrana al ser ésta hidrofóbica. La fuerza impulsora para la separación es la presión de vapor a través de la membrana, y no la presión total como ocurre con la ósmosis inversa. Al aumentar la temperatura del alimento aumenta la presión de vapor y, por tanto, también aumenta el gradiente de la presión de vapor que es la fuerza impulsora.

Desde el punto de vista comercial es una tecnología que no ha sido ampliamente implantada por las siguientes razones:

  • La eficiencia térmica del proceso es reducida por las pérdidas de calor por conductividad de las membranas que se produce.
  • Se producen efectos de polarización de concentración y temperatura que disminuyen el flujo de permeado a través de la membrana.
  • Se produce el efecto wetting que consiste en la penetración de impurezas presentes en el alimento en los poros de la membrana, disminuyendo así el flujo de permeado.

A pesar de estos inconvenientes que a medida que progresa la investigación se van superando, la tecnología presenta una serie de ventajas que hacen que sea competitiva cada vez en más aplicaciones. Las ventajas más importantes de la destilación por membrana son:

  • Al igual que en la evaporación, el proceso no está limitado por el equilibrio, por lo que se pueden conseguir los factores de recuperación del agua y de concentración del rechazo que sean necesarios. A diferencia de la ósmosis inversa, no existe un equilibrio el cual establece un límite en la separación.
  • Generalmente la tecnología no requiere un pretratamiento del alimento para alargar la vida de la membrana.
  • La eficiencia del sistema y la buena calidad del agua producida prácticamente son independientes de la concentración de sal del alimento.
  • Rechazo del 100% de solutos no volátiles.
  • Posibilidad de tratar efluentes corrosivos y ácidos, que en destilación convencional es complicado por los materiales que se requieren.
  • Flexibilidad de operación al tratarse de módulos independientes.

La selección de la membrana es clave para el buen funcionamiento del proceso. Las características de la membrana tienen influencia directa en el proceso, las más relevantes son: la porosidad, el tamaño del poro, el grosor de la membrana, la conductividad térmica y la composición, la cual está relacionada con la resistencia al ataque químico.

Las características de la destilación por membranas hacen que sea una tecnología con una aplicación satisfactoria en áreas tan diferentes como:

  • Producción de agua pura.
  • Desalación de salmuera.
  • Eliminación de tintes y tratamiento de aguas residuales de la industria textil.
  • Concentración de ácidos y sustancias corrosivas, así como separación de mezclas azeotrópicas en la industria química.
  • Concentración de zumos y procesado de leche en la industria alimentaria.

La destilación por membranas es una tecnología que cada vez es más competitiva en una amplia variedad de sectores industriales puesto que permite tratar efluentes complejos. Se trata de una técnica que, conjuntamente con la evaporación al vacío, son de las pocas tecnologías que permiten tratar efluentes salinos y salmueras sin producir si es necesario una corriente de rechazo, puesto que la separación no está limitada por el equilibrio. No obstante, la destilación por membranas aún no es una tecnología con una elevada eficiencia energética por las pérdidas de calor por conductividad de la membrana, por lo que su aplicación queda restringida a aquellas aplicaciones en las que la destilación convencional o la evaporación al vacío no son alternativas viables, como es el caso de cuando se desea concentrar ácidos o sustancias corrosivas.

Tratamiento de efluentes procedentes de la estabilización del mosto

estabilización del mostoLa recuperación de las sales disueltas en el agua residual tras un proceso de estabilización del  mosto de uva puede ser muy interesante para los productores de vino, ya que permite obtener fertilizantes de gran calidad para la viña, debido a su gran riqueza en potasio, sin ningún coste.

El mosto de uva contiene diferentes sales disueltas, principalmente de los cationes de potasio, calcio, hierro, cobre y magnesio. Entre ellas se encuentran las sales tártricas formadas básicamente por el bitartrato de potasio y, en mucha menor cantidad, por el bitartrato de calcio. Estas sales se forman a partir del ácido tartárico, que de forma natural contienen las uvas, y los cationes potasio y calcio presentes en el suelo del cultivo. En el caso de mostos poco ácidos, cultivados en climas calurosos, se suele corregir su acidez mediante la adición de ácido tartárico.

Durante el proceso de fermentación del mosto, las sales de bitartrato superan su límite de solubilidad y precipitan en parte, quedando adheridas en las paredes y fondos de los depósitos. A pesar de esta precipitación, el vino, ya fermentado, continúa siendo una solución saturada de bitartrato potásico. Esta condición conlleva que el vino sea inestable, puesto que ante la mínima variación de las condiciones se puede volver a producir una precipitación de estas sales.

La aparición de posos en la botella y la turbidez en el vino está bien vista por algunos consumidores, ya que ya que su presencia se percibe como algo natural y como un síntoma de que el producto ha sido escasamente tratado y, por tanto, es más rico e íntegro. A pesar de ello, la estabilización del mosto para evitar la precipitación de estas sales se considera como un proceso indispensable desde el punto de vista comercial para la mayoría de mercados. Todavía en muchos lugares la presencia de estos sedimentos se considera que afecta negativamente al aspecto del vino y no es bien recibida por los consumidores.

La técnica mayormente empleada para eliminar las sales de bitartrato en el vino consiste en un tratamiento con frío. Al bajar la temperatura del caldo, disminuye la solubilidad del tartrato potásico y éste precipita. Posteriormente se separa del vino mediante filtración. Este proceso requiere entre 5 y 10 días, lo que obliga a tener los depósito llenos, por lo que se reduce la capacidad de maniobra de la bodega, y el consumo de una cantidad ingente de energía eléctrica para enfriar el mosto.

Para salvar estos inconvenientes, se pueden utilizar otros procesos más competitivos, como es el caso del intercambio iónico mediante resinas catiónicas. Se trata de una técnica que requiere una inversión económica claramente inferior en relación al resto y proporciona resultados excelentes para cualquier tipo de vino. Además, produce un ligero aumento de la acidez total y una ligera disminución del pH, hechos que amplían las garantías de conservación del vino y mejoran sus cualidades organolépticas.

En el tratamiento mediante intercambio catiónico se hace pasar el vino a través de unas columnas dispuestas en serie en las que en su interior se encuentran unas resinas de intercambio catiónicas. Este proceso se realiza en discontinuo puesto que las resinas se agotan y deben regenerarse para recuperar la capacidad de sus grupos funcionales. Al pasar el vino a través de las resinas catiónicas, se lleva a cabo la sustitución de los cationes por iones H+, eliminando así los iones de potasio y calcio responsables de la precipitación de los bitartratos. Cuando se observa en el vino que va saliendo de la columna de intercambio iónico un incremento de pH, indicación de que la resina ya no tiene capacidad de seguir captando cationes y liberando iones H+, se detiene el proceso y se inicia la regeneración de la resina. Para tal fin se hace pasar ácido sulfúrico en contracorriente a través de la columna. Cuando se da por finalizada la regeneración de las resinas, éstas deben ser lavadas para arrastrar los restos de agentes regenerantes que hayan podido quedar en el interior de las columnas. Este proceso se realiza haciendo circular agua osmotizada, operación que finaliza en función de los valores de pH del efluente de lavado.

Fruto de la regeneración y de la limpieza posterior, se genera un efluente de aguas ácidas ricas en calcio y, especialmente, en potasio. Para gestionar correctamente este efluente existen varias alternativas, siendo una de las más interesantes la recuperación de las sales mediante una evaporación al vacío.

La evaporación al vacío permite evaporar el solvente trabajando a temperaturas relativamente bajas, en torno a los 40 ºC, factor decisivo para que el consumo de energía eléctrica sea moderado. Como resultado, se obtienen unas sales que se pueden utilizar como fertilizantes para la viña por su riqueza en potasio, elemento fundamental para el desarrollo vegetativo de las vides.

Así pues, la evaporación al vacío permite poner en práctica un ejemplo de recuperación de recursos a partir de los residuos, modelo que acabará imponiéndose a medio plazo en cualquier proceso de gestión de efluentes puesto que supone importantes beneficios a nivel económico y ambiental.