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Advanced modelling and control of nitrous oxide emissions from wastewater treatment plants

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La química del tratamiento de aguas residuales contribuye a controlar las emisiones de gases de efecto invernadero

Algunas depuradoras de aguas residuales emiten gases de efecto invernadero. Nuevos datos obtenidos sobre la compleja química de las depuradoras reales contribuyen a controlar las emisiones.

Cambio climático y medio ambiente

Las depuradoras de aguas residuales producen gases de efecto invernadero; además, filtran metano, un importante gas de efecto invernadero, y los óxidos de nitrógeno (N2O). Aunque las cantidades de N2O son reducidas, los volúmenes equivalentes tienen prácticamente trescientas veces el potencial de efecto invernadero del dióxido de carbono. De conformidad con el Acuerdo de París, dichas depuradoras deben reducir sus emisiones y alcanzar la neutralidad climática. Para ello, deberán limpiar los N2O. El problema es que las rutas de producción de los N2O son complejas y difíciles de determinar dentro de los procesos de tratamiento de aguas residuales. La biología subyacente no es especialmente complicada, teniendo en cuenta los cultivos bacterianos puros en condiciones de laboratorio controladas. Sin embargo, las depuradoras de aguas residuales se componen de una mezcla compleja e intercambiable de numerosas especies bacterianas que tienen diferentes metabolismos. La composición cambiante de los lodos sin tratar y la aireación física de las depuradoras de aguas residuales complica aún más la situación. Por consiguiente, comprender el problema de los N2O en condiciones de laboratorio no se traduce necesariamente en el funcionamiento de una depuradora real.

El problema de los N2O en condiciones reales

El proyecto financiado con fondos europeos AMACONOE examinó el problema de los N2O en las depuradoras de aguas residuales para contribuir a controlar las emisiones. El equipo recopiló la base de datos más exhaustiva del mundo sobre los parámetros operativos de depuradoras de escala completa y realizó análisis analíticos avanzados y de modelización de procesos a partir de los datos. La complejidad y el tamaño sin precedentes de la base de datos permitió llevar a cabo análisis imposibles de completar hasta entonces. La evaluación del modelo resultó en sugerencias de mejoras operativas y de diseño para las depuradoras de aguas residuales. Los investigadores descubrieron que las bacterias oxidadoras de amoníaco autótrofas producen N2O durante las fases de tratamiento aeróbicas (oxigenadas) de una depuradora y que en las mismas fases se genera nitrato (NO3) a causa de las bacterias oxidadoras de nitrógeno, según lo previsto. Aún más importante, el equipo descubrió que las concentraciones elevadas de nitrato al inicio de la fase de tratamiento anóxica (bajo contenido de oxígeno) eran cruciales para eliminar los N2O acumulados en el líquido. El catedrático Gürkan Sin, coordinador del proyecto, explica: «Planteamos la hipótesis de que los organismos heterótrofos preferirán utilizar primero el nitrato, y solo una vez que hayan acabado, utilizarán y eliminarán los N2O líquidos. Por tanto, es importante controlar tanto las actividades aeróbicas como anóxicas en la planta para que el funcionamiento sea equilibrado».

Medidas de control prácticas

Esto significa que las depuradoras de aguas residuales deben controlar cuidadosamente los sistemas de aireación, tanto en relación con su duración como con su intensidad. El proyecto desarrolló tecnologías que lo permitiesen. La primera fue un método para controlar la aireación durante la fase aeróbica para minimizar la tasa de producción de N2O simplemente con la cantidad correcta de aireación. Además, el equipo desarrolló un método de controlar la eliminación de N2O durante la fase anóxica regulando la fuente externa de carbono. En la práctica, esto significa la adición intermitente de aguas residuales afluentes durante las fases anóxicas. «Muchas plantas ya disponen de un sistema conocido como Control Supervisor y Adquisición de Datos SCADA», añade Sin. «Además, algunas depuradoras pueden disponer de una tecnología o algoritmo de control sofisticados. Por tanto, nuestros resultados pueden implementarse sea desde cero o revisando los procedimientos de control y automatización existentes en las plantas». Así, los operadores podrán analizar sus plantas y elegir la estrategia adecuada para limitar las emisiones de N2O. El resultado ha sido la obtención de técnicas específicas para limitar la producción de N2O durante el funcionamiento de la depuradora de aguas residuales. La capacidad de controlarlo contribuirá a mitigar el cambio climático. Esta investigación se llevó a cabo con el apoyo del programa de Acciones Marie Skłodowska-Curie.

Palabras clave

AMACONOE, depuradora, N2O, aguas residuales, biología, aguas de alcantarilla, gases de efecto invernadero, óxido de nitrógeno

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