Estudio de viabilidad de la Incorporación de la fracción orgánica de los Residuos Sólidos Urbanos en el tratamiento de aguas residuales mediante membranas anaerobias.
INVESTIGADOR RESPONSABLE DEL PROYECTO:
JOSE FERRER POLO
Actualmente, la mayor parte de las aguas residuales urbanas tratadas en Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales (EDAR), eliminan la materia orgánica de la línea de aguas mediante procesos aerobios, siendo necesario el aporte de oxígeno por medios mecánicos con el consiguiente gasto energético. La aireación es un proceso esencial en la mayoría de EDARs que representa la mayor fracción de los costes energéticos, estando generalmente comprendido entre un 45 y un 75% (Henze et al., 2008).
Los tratamientos biológicos anaerobios se han venido utilizando durante el último siglo en la estabilización de los fangos producidos en la depuración del agua residual, en la degradación de residuos sólidos y en el tratamiento de aguas residuales con elevadas concentraciones de materia orgánica.
La degradación de la materia orgánica en condiciones anaerobias presenta las siguientes ventajas sobre la degradación en condiciones aerobias:
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No requiere aporte de oxígeno con lo que se reduce de forma significativa el consumo energético. Tal y como se ha comentado anteriormente, el coste de la aireación supone un importante porcentaje del coste energético total de una estación depuradora.
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Se reduce la producción de fangos en más de un 90% (Jeison, 2007). La gestión de los fangos supone un coste además de un problema ambiental y operacional. La utilización agrícola de estos fangos es cada vez más reducida debido a la disminución de las zonas de cultivo, a la lejanía de los puntos de aplicación y a las limitaciones impuestas por la legislación. Las tecnologías alternativas para la gestión de estos fangos (e.g. secado térmico, incineración) suponen un elevado coste tanto de construcción como de operación y, en algunos casos, un alto impacto ambiental.
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Genera una corriente de biogás (formado principalmente por CH4 y CO2) que puede ser empleado en la misma EDAR para producir energía calorífica o energía eléctrica.
La degradación anaerobia de la materia orgánica es llevada a cabo por diferentes grupos de microorganismos anaerobios que presentan una baja velocidad de crecimiento, por lo que se requieren elevados tiempos de permanencia en el reactor y elevadas temperaturas para conseguir una adecuada degradación de la materia orgánica. Los procesos convencionales de digestión anaerobia suelen tratar corrientes concentradas mediante etapas previas de espesado por gravedad o flotación y se suelen operar en condiciones mesofílicas (T= 35 ºC) y a tiempos de retención celular (TRC) superiores a 20 días. Estos procesos están constituidos por reactores de mezcla completa sin ninguna recirculación de sólidos, por lo que el tiempo de retención hidráulico (TRH) coincide con el TRC. Este hecho limita la carga orgánica a tratar y las concentraciones de microorganismos en el reactor y supone un elevado volumen del reactor. Para solventar estos problemas, se han desarrollado otras tecnologías de tratamiento anaerobio de las aguas residuales, en las que se consigue una mayor retención de la biomasa en el sistema, bien aprovechando la capacidad de formación de gránulos de la biomasa anaerobia, bien utilizando sistemas de crecimiento sobre soporte sólido. Entre los sistemas más estudiados se encuentran los filtros anaerobios (Young y McCarty, 1967), los reactores UASB (Up-flow Anaerobic Sludge Blanket; Lettinga et al., 1980) y los RALF (Reactores Anaerobios de Lecho Fluidizado). Sin embargo, estos reactores se han desarrollado para aguas residuales industriales con altas cargas orgánicas, siendo limitada su aplicación para aguas residuales urbanas, ya que la menor producción de biogás por metro cúbico de agua tratada no permite su calentamiento. Estos reactores principalmente se han utilizado en países con climas cálidos donde la escasa carga orgánica de las aguas residuales urbanas se compensa con las altas temperaturas del agua. En cambio, para climas templados y fríos, las bajas temperaturas, unidas a la baja carga orgánica de las aguas residuales urbanas hacen técnicamente inviable el uso de esta tecnología.
Sin embargo, la utilización de reactores biológicos de membranas (RBM) para retener los microorganismos en el sistema permite incrementar el TRC tanto como se desee sin incrementar el volumen del reactor. Un RBM se puede describir como la combinación de dos procesos, degradación biológica y separación, en uno único, donde los sólidos en suspensión y los microorganismos responsables de la biodegradación son separados del agua tratada mediante la unidad de filtración por membrana. Todos los microorganismos quedan confinados dentro del sistema, proporcionando un control perfecto de su tiempo de permanencia en el reactor y una alta calidad en el efluente obtenido. Por tanto, los RBM pueden operar con elevados TRC que permiten el desarrollo de microorganismos de crecimiento lento, sin necesidad de aumentar el volumen del reactor, consiguiendo elevados rendimientos de depuración a temperatura ambiente. Otra ventaja de los procesos de membrana respecto de las tecnologías basadas en la separación por gravedad es que retienen todos los microorganismos, estén o no formando flóculos, dando la oportunidad de crecer a especies que en otros sistemas serían simplemente lavadas del reactor (Ben Aim y Semmens, 2002). Este hecho aumenta las posibilidades de aplicación de esta tecnología para una gran diversidad de aguas residuales, incluso con contaminantes persistentes o difíciles de degradar. Por ejemplo, Hwu et al. (1998) encontraron que los microorganismos responsables de la degradación de ácido oleico no podían ser retenidos en reactores anaerobios de tipo RALF, disminuyendo el rendimiento del proceso.
El tratamiento a temperatura ambiente del agua residual urbana mediante la tecnología de membranas anaerobias supone un cambio de paradigma en el campo de la depuración de las aguas residuales urbanas (ARU) hacia un tratamiento sostenible que resulte beneficioso desde un punto de vista económico, social y ambiental. La eliminación de materia orgánica se llevará a cabo sin aporte de oxígeno, con producción de biogás y minimizando la producción de fangos. El elevado tiempo de retención necesario para el desarrollo de los microorganismos anaerobios a temperatura ambiente se obtendrá mediante la utilización de procesos de separación por membranas.
De esta forma el agua residual dejará de ser considerada como un residuo para convertirse en una materia prima para la obtención de recursos de gran utilidad como energía, nutrientes y agua reutilizable. En concreto, con este tipo de tecnología se pretende optimizar el uso de la materia orgánica presente en el ARU. Para ello, se utiliza una primera etapa de tratamiento anaerobio con el fin de maximizar su recuperación como fuente de energía en forma de biogás. En una segunda etapa de tratamiento aerobio la materia orgánica no eliminada en la etapa anaerobia se utiliza como fuente de carbono fácilmente biodegradable para la eliminación de nutrientes por vía biológica. De esta forma, el ARU se convertirá en una fuente “renovable” (existirá siempre) de energía y nutrientes, además de un recurso hídrico reutilizable.
En la actualidad los residuos sólidos urbanos (RSU) son gestionados de forma totalmente independiente a las aguas residuales urbanas. Mientras que en el caso de las aguas residuales, éstas son evacuadas de forma continua a través de una infraestructura de colectores hasta la EDAR para su tratamiento; en la mayoría de casos, los residuos sólidos urbanos son recogidos de forma puntual y transportados por vía terrestre hasta las instalaciones de tratamiento. Según datos del Plan Nacional Integrado de Residuos para el período 2008-2015, en el año 2006 el 10% de los residuos urbanos recogidos se destinó al reciclaje de materiales (vidrio, papel, envases ligeros y puntos limpios), el 13% se sometió a tratamiento biológico, el 9% se incineró y el 68% restante acabó en vertedero. La valorización de la fracción orgánica se realiza principalmente por procesos aerobios (compostaje) y anaerobios (biometanización). Al igual que en el caso del tratamiento de las aguas residuales, el tratamiento anaerobio de los residuos sólidos orgánicos presenta una mayor sostenibilidad desde el punto de vista tanto económico como medioambiental. Según datos del Plan Nacional de Residuos, la fracción orgánica de los RSU representa el 45% del total. La fracción orgánica contenida en los residuos urbanos se recoge mayoritariamente mezclada con otros residuos y se destina a instalaciones de tratamiento mecánico-biológico (instalaciones de triaje y compostaje e instalaciones de triaje, biometanización y compostaje) para su separación y valorización. Esta separación de la fracción orgánica de los RSU en la planta de tratamiento provoca un incremento de costes (ya que son necesarias operaciones previas para su separación y triaje) y una disminución en el porcentaje de la fracción orgánica que finalmente es valorizada (debido a la propia eficiencia de las operaciones de separación y triaje).
En la actualidad, el grupo de investigadores que solicita este proyecto están en la fase final de un proyecto de investigación financiado por el MCT (CTM2008-06809-C02/TECNO) cuyo objetivo principal consiste en el estudio del tratamiento de aguas residuales urbanas mediante procesos biológicos anaerobios con separación de la biomasa formada por membranas de ultrafiltración. Para ello se ha diseñado una planta a escala piloto con una capacidad de tratamiento de 200 l/h que se alimenta con agua residual urbana procedente de la EDAR del Barranco del Carraixet (Valencia). Los resultados obtenidos hasta el momento demuestran el potencial de esta tecnología para valorizar como fuente de energía en forma de biogás gran parte de la materia orgánica presente en el agua residual (Duran et al., 2010; Giménez et al., 2011). Otro de los aspectos relevantes observados radica en que un incremento en el contenido orgánico del agua residual a tratar permitiría obtener un mayor rendimiento y estabilidad en el proceso de tratamiento anaerobio, con una mayor producción de biogás.
Este cambio en la gestión conjunta de las aguas residuales y los residuos sólidos orgánicos presentará las siguientes ventajas:
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Reducción de los costes de recogida, transporte y tratamiento de los residuos sólidos urbanos al aprovechar la infraestructura de colectores ya existente. Distintos estudios realizados han concluido que no hay una afección negativa sobre la red de colectores por la incorporación de la fracción orgánica de los RSU (Evans et al., 2010).
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Reducción de los problemas asociados a la presencia de residuos orgánicos en la vía pública (olores, insectos, lixiviados, …)
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Mayor eficiencia de la separación de la fracción orgánica de los RSU al realizarse en origen en lugar de ser mezclada con otros residuos y, posteriormente, separada en las plantas de tratamiento de RSU.
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Simplificación de las instalaciones de tratamiento de los RSU, al separar la fracción orgánica en origen y ser tratada en la EDAR.
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La gestión propuesta no supone cambios significativos en las actuales EDAR, debido a que el incremento en el caudal de tratamiento es mínimo (Battistoni et al., 2007; Evans et al., 2010), pudiéndose aprovechar las instalaciones ya existentes. Únicamente sería necesario redireccionar la corriente influente hacia la digestión anaerobia, e incorporar en el digestor un módulo de membranas que permita incrementar el tiempo retención celular de éste.
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Reducción de la producción de lixiviados en las actuales instalaciones de tratamiento de RSU (plantas de clasificación, compostaje y vertederos) debido a que la principal fuente de generación de lixiviados en los RSU es la fracción orgánica de estos.
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Mayor producción de biogás y mayor estabilidad en el proceso de tratamiento anaerobio en la EDAR.
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En el caso de aguas residuales que presenten elevadas concentraciones de sulfatos (como es el caso de la Comunidad Valenciana), el incremento de la carga orgánica en la digestión anaerobia dará lugar a un biogás de mejor calidad al estar más enriquecido en metano, reduciéndose el porcentaje de sulfhídrico en el biogás.
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Permite tratar la fracción orgánica por vía anaerobia a temperatura ambiente, tradicionalmente inviable debido a la baja velocidad de crecimiento de los microorganismos anaerobios a dichas temperaturas. La utilización de procesos de separación por membranas permite obtener el elevado tiempo de retención necesario para el desarrollo de los microorganismos anaerobios a temperatura ambiente.
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Mejora de la relación C:N en el influente de la EDAR (Battistoni et al., 2007), debido a que se mezclan las aguas residuales urbanas (que tienen un elevado contenido en Nitrógeno) con la fracción orgánica de los RSU (que tiene un alto contenido en Carbono). El elevado contenido en Nitrógeno que tienen las aguas residuales frente al Carbono orgánico conlleva que el efluente del tratamiento anaerobio contenga elevadas concentraciones de nitrógeno, que deberán ser eliminadas mediante un tratamiento específico posterior para evitar problemas de eutrofización del medio acuático receptor. Por ello, la mezcla del agua residual con la fracción orgánica de los RSU permitirá reducir una mayor cantidad de nitrógeno en el tratamiento anaerobio reduciéndose la necesidad de un tratamiento posterior del exceso de nitrógeno.
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El agua residual urbana y la fracción orgánica de los RSU se convierten en una fuente “renovable” (existirán siempre) de energía y nutrientes, además de un recurso hídrico reutilizable.
Existe una amplia experiencia en los EEUU acerca de la utilización de las redes de saneamiento para la evacuación conjunta del agua residual con la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos (Thomas, 2011). Este sistema requiere la instalación en las viviendas de un pequeño triturador conectado al desagüe de la cocina que se encarga de disgregar los residuos orgánicos hasta un tamaño inferior a 2 mm. Sin embargo, la experiencia en Europa de la utilización de este sistema de gestión conjunta es muy limitada. Tan sólo cabe reseñar algunas experiencias en el Reino Unido (Thomas, 2011), Suecia (Evans et al., 2010) e Italia (Battistoni et al., 2007). Esta gestión de la fracción orgánica de los RSU presenta inconvenientes derivados del actual tratamiento de las aguas residuales cuando éste se realiza íntegramente por vía aerobia (fangos activados en la línea de aguas y digestión aerobia en la línea de fangos). Esto se debe a que el incremento en la carga orgánica se traduce directamente en un incremento de los costes energéticos asociados a la aireación. En cambio cuando la EDAR dispone de digestión anaerobia, una parte importante de la fracción orgánica de los RSU (60-70%) sedimentará en el decantador primario, por lo que será tratada por vía anaerobia (incrementando la producción de biogás), y el resto de la materia orgánica (30-40%) será oxidada en la línea de aguas con aporte de oxígeno (lo que supone un gasto energético importante). La propuesta de tratamiento incluida en este proyecto (tratar todo el influente en un reactor anaerobio de membranas), implicaría la valorización del 100% de la materia orgánica maximizando la recuperación energética.