Aguas residuales: Una pila de energía

La gestión del agua ha sido históricamente un grave problema para las sociedades, tanto desde el punto de vista de la salud como desde el punto de vista ambiental. Pero además, la gestión del agua supone un problema económico importante, pues para solventar la problemática anterior las sociedades han tenido que implementar costosos procesos de potabilización y tratamiento de aguas residuales que requieren del consumo de productos químicos y, sobretodo de energía, cantidades ingentes de energía.

Una Energía que en función del país del que hablemos puede moverse en un consumo energético que ronda el 3% o el 5% sobre el total de consumo de energía de un país entero, pudiendo suponer entre el 30% o el 40% del consumo energético realizado por un municipio, e incluso el 40% de los costes de explotación de dicha depuradora

Aunque actualmente existe muchísimo margen para la mejora de los tratamientos y de su consumo energético, con sólo proponer medidas corto-placistas o incluso integrando en el largo plazo la eficiencia energética en los planes de depuración, algunos pioneros empiezan a ver en las aguas residuales algo más que un coste que hay que optimizar, cambiando radicalmente de concepto, y comenzando a plantearse realmente que el agua residual es un recurso energético aprovechable.

Una alternativa de las planteadas en esta línea tan novedosa es la co-digestión anaerobia, aplicada al tratamiento de las aguas residuales y sus lodos.
Muchas de las depuradoras de aguas residuales que existen en la actualidad disponen de un sistema de tratamiento y estabilización de lodos procedentes de su línea de fangos (la fracción sólida que queda después de todo tratamiento de aguas), y en muchas ocasiones este tratamiento incluye la digestión anaerobia, un proceso biológico para la descomposición de la materia orgánica en ausencia de oxígeno que produce un biogás que se puede aprovechar como combustible, gracias a su alto contenido en metano (CH4 entre un 50% y un 70%) con un poder calorífico medio de 6,4 kW/m3 (PCI para un biogás al 60%).
La idea de la co-digestión pasa por realizar un tratamiento conjunto de los lodos de depuración y otros sustratos, que pueden ser de múltiples orígenes, que compensen los nutrientes y la humedad, llevando al sustrato al punto más próximo al óptimo para su digestión anaerobia, que al final redundará en un aumento sustancial en la generación de biogás, además de poder integrar el tratamiento de otros residuos orgánicos dentro de instalaciones existentes, lo que reduciría sus costes de gestión.

Las pruebas en laboratorio han llegado a registrar incrementos en la generación de biogás mediante la co-digestión anaerobia con lodos de hasta el 200%, y la experiencias llevadas a cabo a escala de campo son lo suficientemente relevantes como para que podamos pensar en un nuevo modelo de gestión de los lodos, con incrementos que llevan a una generación de biogás de más del doble del generado en condiciones normales.

Existen en la actualidad también otras dos alternativas tecnológicas que contemplan la depuración de las aguas residuales como un modo de generar un combustible útil para su posterior uso en procesos de combustión o generación energética.

La primera de ellas es la depuración con microalgas, también denominado fotobiotratamiento. Una tecnología que está surgiendo en los últimos años como alternativa a los costosos tratamientos terciarios de eliminación de nitrógeno y fósforo que se llevan a cabo en último término en nuestras depuradoras de aguas residuales urbanas y cuyo objetivo es eliminar el exceso de nutrientes que lleva el agua, causantes de los problemas de eutrofización que se experimentan en ríos y lagos, y que además puede aportar el valor añadido de consumir CO2 para la generación de biomasa.

El principio es sencillo y está inspirado en el funcionamiento habitual de la naturaleza. Se trata de favorecer e incluso acelerar el crecimiento de algas microscópicas, seleccionadas específicamente por sus propiedades y por el potencial de generación de diversos compuestos útiles, introduciéndolas en aguas residuales con un alto contenido en nutrientes, aireadas y expuestas a la luz solar.

De esta forma las microalgas encuentran el medio perfecto para crecer y propagarse consumiendo los nutrientes que contaminan el agua y convirtiéndolos en biomasa.

Además, el fotobiotratamiento tiene la posibilidad de integrar el tratamiento de las emisiones de contaminantes de ciertos procesos, como la combustión, al tener la capacidad de asimilar el CO2.

De hecho, si se utiliza el CO2 para disolverlo en agua, se incrementa el carbono en la ecuación básica de nutrientes C:N:P (Carbono/Nitrógeno/ Fósforo) justo para el nutriente donde las aguas residuales urbanas pueden ser más deficitarias. Así, al llevarlas a un mayor equilibrio de nutrientes, además de eliminar un contaminante como el CO2 en el mismo proceso de depuración, se incrementa sustancialmente la reducción del resto de nutrientes presentes, al equilibrar su composición en el agua, y se favorece un mayor crecimiento y desarrollo de la biomasa.

La segunda tecnología busca dar un valor energético a los lodos, el residuo de la depuración de aguas residuales urbanas por antonomasia, y un problema importante debido a su volumen constantemente creciente y a una salida de valorización cada vez más limitada.

Aunque puedan presentar un poder calorífico interesante para su valorización energética, estos lodos presentan el problema de una alta humedad, por lo que en muchas ocasiones esta alternativa se descarta, dados los costes para su secado previo. Aquí es donde entra la tecnología de gasificación en agua supercrítica, una tecnología actualmente en desarrollo que permitiría gasificar biomasas y residuos carbonosos con un alto grado de humedad para la generación de un gas de síntesis, también denominado syngas, que podría utilizarse para la generación de energía. Aquí, el grado de humedad del lodo deja de ser una desventaja, pues el agua se convierte en el seno en el que se produce la reacción de gasificación.
Aplicada a un proceso de gasificación, el agua supercrítica permite que la fracción sólida de los lodos quede íntimamente mezclada con el agua, favoreciendo las reacciones de descomposición, las transferencias de materia y, en definitiva, la descomposición última de la materia orgánica del lodo en un gas de síntesis compuesto por H2, CO, CH4 y CO2, que resultará de interés para la generación de energía.

La utilización del agua supercrítica es ya una realidad y se ha aplicado con claro éxito a pequeña escala para la co-oxidación de residuos, presentándose como una tecnología prometedora en proyectos como Life Lo2x – Supercritical Water Co-oxidation of Urban Sewage Sludge and Water, con el Instituto Tecnológico Agroalimentario (AINIA) en la cabeza, donde se plantea como un medio para el tratamiento rentable de los fangos de depuración.

El siguiente paso no tardará en llegar a la escala industrial o semi-industrial, en forma de plantas piloto, y pronto existirá una alternativa válida para el tratamiento de fangos biológicos e incluso aguas residuales mediante su gasificación en agua supercrítica, de forma que se pueda conseguir su depuración a la par que su aprovechamiento energético insitu, permitiendo disponer de una fuente alternativa de suministro a las instalaciones de tratamiento, incluso más allá de la autosostenibilidad.

Pero las alternativas no acaban con las tecnologías vistas hasta el momento, ya que además de lo visto, en los últimos cinco años está adoptando una especial pujanza también una interesante línea de trabajo en el tratamiento de aguas residuales que propone un método para convertir la energía química que contienen las mismas (en forma de contaminantes orgánicos disueltos) en energía eléctrica, usando para ello la Bioelectrogénesis.

Esta tecnología novel, basada en el descubrimiento y desarrollo de bacterias con capacidad de producir electricidad, propone la electroquímica bacteriana (MET) como medio para depurar las aguas residuales generando a su vez electricidad.

Células de combustible microbianas, bioreactores o las lagunas electrogénicas son las tres líneas que actualmente se proponen para dar cabida a esta tecnología en el tratamiento de aguas residuales. Las tres líneas cuentan con numerosos estudios al respecto, que han ido creciendo exponencialmente en los últimos años, y de hecho, existen incluso desarrollos ya a escala industrial o semi-industrial puestos en el mercado por algunas startups.
La bioelectrogénesis se convierte así en una alternativa muy interesante para el tratamiento secundario anaerobio de aguas residuales que puede llegar incluso a sustituir a los convencionales en aguas residuales con baja carga contaminante o incluso complementarlos, permitiendo un autoconsumo energético (o incluso un excedente para otros procesos) y una baja producción de lodos, alcanzando rendimientos similares a los tratamientos convencionales.

Dentro de muy poco, y siguiendo la tendencia de estas nuevas tecnologías, la generación de aguas residuales va a ser una ventaja competitiva para todos aquellos que sepan ver “la energía que llevan dentro”.

Si quieres saber más sobre este tema lee: Calidad Ambiental