Niparmox, una herramienta para el ahorro energético en depuradoras

Mª del Mar Micó Reche, Mª del Carmen Pérez Vizuete, Sandra Martínez Solla. Acciona, departamento de I+D+i, negocio Agua

13/06/2022

Una de las principales fuentes de costes en la operación de las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDARs) está relacionada con los consumos energéticos asociados a la aireación que los procesos biológicos convencionales utilizan para degradar la materia orgánica y el contenido en nitrógeno presente en el agua residual, representando más de un 50% del consumo energético global de dichas instalaciones.

En la mayoría de EDARs, la eliminación de nitrógeno transcurre a través de la vía de nitrificación-desnitrificación, que requiere un importante aporte de oxígeno para el primer paso, mientras que el segundo paso requiere consumir materia orgánica que puede estar presente en el agua residual, implicando recirculaciones internas, o aportada mediante fuentes externas si la relación carbono/nitrógeno (C/N) del agua de entrada es baja.

Estas necesidades se ven aumentadas si al nitrógeno presente en el agua residual (40-60 ppm de nitrógeno amoniacal) se le añaden los escurridos de centrífuga provenientes de procesos de digestión, que pueden alcanzar una concentración de hasta 1000 ppm. Este caudal de retornos sólo supone un 1% del caudal total que entra al reactor biológico y además lo hace de forma intermitente. Sin embargo, aporta un 10-20% del nitrógeno que entra al reactor biológico, con la repercusión en necesidades de aireación y materia orgánica que esto representa, y con la dificultad que supone para alcanzar los límites de vertido, especialmente cuando se trata de zonas sensibles, estando por debajo de los 10 g de nitrógeno por litro.

La solución Niparmox

Para solventar esta situación, asegurando menores consumos energéticos y contribuyendo a alcanzar los límites de vertido requeridos, el Departamento de I+D+i de Acciona, negocio Agua, ha diseñado y desarrollado una innovadora solución, denominada Niparmox.

Esta tecnología propia se encuadra dentro de los procesos de tratamiento de los efluentes de retornos de escurridos de la deshidratación de fangos digeridos anaeróbicamente, utilizando organismos autótrofos para la reducción del nitrógeno que llevan disueltos estos efluentes y desacoplando la eliminación de este nitrógeno de la línea principal, lo que otorga mayor estabilidad al proceso de depuración.

Las ventajas de la utilización de la eliminación de nitrógeno por vías autótrofas (nitritación parcial y desnitrificación autótrofa mediante la actividad de bacterias Anammox), radican en considerables ahorros en la aireación, así como en el hecho de que no es necesaria materia orgánica para desnitrificar los compuestos oxidados solubles del nitrógeno por vías heterótrofas, y una importante reducción en la producción de fangos por tratarse de procesos con baja tasa de crecimiento.

Las etapas que tienen lugar en el marco del proceso NIPARMOX® se muestran destacadas en el ciclo de nitrógeno de la Figura 1. Se trata del ciclo natural del nitrógeno que en las EDARs se materializa desde las especies derivadas del amonio hasta el N2 de la desnitrificación final.

Figura 1. Ciclo natural del nitrógeno, destacadas en azul y roja las etapas de la tecnología Niparmox.

El proceso Niparmox de Acciona se caracteriza por ser compacto y robusto, ya que los dos procesos implicados se desarrollan en dos biopelículas separadas en dos reactores en serie, soportadas en relleno plástico móvil, y de operación continua, tal y como se esquematiza en la Figura 2.

Figura 2. Esquema del proceso Niparmox.

En el primer reactor, denominado NIPAR, se controlan las condiciones para que se produzca la nitritación parcial del amonio a nitrito hasta alcanzar una proporción aproximada entre el nitrito y amonio de 1,3. La reacción simplificada es la siguiente:

NH4+ + 1.5O2 → NO2- + H2O + 2H+

Esta estequiometría y el hecho de que se nitrita tan solo un 50% del contenido total de amonio de entrada (de ahí el término “parcial”), justifican la reducción en un 62% de las necesidades de aireación en el paso de oxidación del nitrógeno en comparación con la conversión a nitrato convencional.

En este reactor se controlan las condiciones de aireación, pH y tiempos de retención para mantener un desarrollo de bacterias amonio-oxidantes, compatibles con las condiciones exigidas a este reactor para alimentar la etapa siguiente de microorganismos Anammox, intentando minimizar el desarrollo de microorganismos nitrito-oxidantes que oxiden el nitrito formado a nitratos (formación y acumulación de nitratos).

Es en este reactor donde se aplica el control desarrollado por Acciona para mantener estable un efluente continuo que cumpla con los requisitos anteriormente comentados. Ésta es la clave, junto al desarrollo de biopelículas separadas, de la robustez de este proceso.

El control está basado en un algoritmo que se alimenta a través de señales de sondas de amonio y nitratos, colocadas estratégicamente en distintos puntos del proceso. Dicho algoritmo hace un seguimiento de las señales de las sondas, y actúa sobre las variables controlables del proceso.

El efluente del reactor de nitritación parcial, con el ratio adecuado de amonio/nitrito, alimenta el reactor Anammox, donde se complementa la eliminación del nitrógeno siguiendo la siguiente estequiometría:

NH4+ + 1.32NO2- + 0.066HCO3- + 0.13H+ → 1.02N2 + 0.26NO3- + 2.03H2O + 0.066CH2O0.5N0.15

A diferencia del proceso de desnitrificación, la necesidad de carbono en este caso se suple con alcalinidad en lugar de materia orgánica, eliminando totalmente la necesidad de esta última.

Beneficios del proceso Niparmox.

La Figura 3 ilustra las ventajas que supone el tratamiento Niparmox comparado con el proceso convencional y con un proceso considerado “intermedio”, que combina la oxidación del amonio a nitrito y desnitritación autótrofa, nitritación-desnitritación.

Figura 3. Resumen de las necesidades de las diversas alternativas para la eliminación de nitrógeno. En azul, nitrificación-desnitrificación, en verde, nitritación-desnitritación, en rojo nitritación parcial-Anammox. MO=materia orgánica.

La reducción de las necesidades de aireación por kg de N eliminado, incluso contabilizando el oxígeno necesario para eliminar la materia orgánica que en el sistema convencional sucedería junto con la desnitrificación, supone una reducción de hasta el 25% del consumo energético del reactor biológico. Esto lleva asociado la posibilidad de aumentar la capacidad de tratamiento con la misma aireación que se utilizaba antes de implementar el proceso Niparmox. Además, se suprimen las necesidades de materia orgánica en aquellas aguas en las que la relación C/N sea bajo, con la repercusión en costes de operación que esto supone en forma de reactivos externos como metanol o similar, o en la energía consumida en recirculaciones internas.

Asimismo, la baja tasa de crecimiento de las bacterias Anammox caracterizadas por una alta eficiencia en la eliminación de nitrógeno, añadida al hecho del crecimiento soportado en ambos reactores, hace que el proceso Niparmox lleve aparejada una muy baja generación de fangos por nitrógeno eliminado en comparación con el sistema tradicional.

Escalado e implantación comercial de la tecnología

El proceso Niparmox se caracteriza por una instalación de diseño sencillo. Requiere un reactor de homogeneización, con decantación lamelar previa, para alimentar en continuo el proceso y laminar posibles interferencias. Dada la importancia de una temperatura superior a 30°C en el reactor Anammox, para favorecer su actividad, puede ser necesario un sistema de intercambio de calor para asegurar la temperatura del influente en las épocas más frías. A continuación, son necesarios dos reactores de proceso: el de nitritación parcial Nipar, aireado, y el que albergará la biomasa Anammox. La tecnología incluye un sistema de control de proceso que regula la aireación en el reactor Nipar minimizando el consumo y manteniendo el ratio adecuado entre la concentración de nitrito y amonio requerido.

El diseño del proceso Niparmox se calcula mediante un modelo biocinético con difusión de los diferentes componentes orgánicos y nitrogenados, solubles, coloidales o particulados, a través de biopelícula. Dicho modelo es uno de los resultados obtenidos en los últimos años por el Dpto de I+D+i del negocio de Agua de Acciona, a través de varios proyectos de I+D centrados en procesos de eliminación de nitrógeno por vías autótrofas (proyectos Elfa, Plinio y Niparmox), que han contado con financiación pública nacional.

Recientemente, Niparmox ha sido aplicado a escala real de manera exitosa en la EDAR de Kutahya, situada en la región del Egeo, Turquía. Acciona se ha encargado del diseño, construcción y puesta en marcha de dicha EDAR, que cuenta con una capacidad de capacidad de tratamiento de cerca de 120.000 m³/d. La Figura 4 muestra a la izquierda diversos equipos auxiliares, mientras que a la derecha puede observarse el reactor Nipar en el que destacan los carriers no colonizados, flotando, antes de activar la agitación sumergida.

Figura 4. Fotografías de la instalación Niparmox en la EDAR Kutahya. En la imagen de la izquierda, y de izquierda a derecha, se localizan el tanque de homogenización, el intercambiador de calor, el decantador lamelar, el edificio de las soplantes. Derecha, fotografía del reactor Nipar tras la adición de los carriers.

Asimismo, la tecnología Niparmox se implementará próximamente en la EDAR de Copero, España, una vez se finalicen las obras de remodelación de dicha instalación con capacidad de 25.000 m3/d, y en tres estaciones depuradoras que Acciona construirá y operará en Arabia Saudí, que tratarán un total de 440.000 m³/d de agua residual.

Conclusiones

La tecnología Niparmox es un sistema de eliminación de nitrógeno en línea de retornos caracterizado por su eficiencia, simplicidad y robustez, gracias al crecimiento soportado y por separado de las comunidades bacterianas capaces de llevar a cabo la desamonización mediante nitritación parcial y Anammox, controlado mediante un algoritmo creado ad-hoc.

La aplicación del proceso Niparmox proporciona una capacidad adicional en la eliminación global de nitrógeno en una EDAR, consiguiendo disminuir un 25% las necesidades de aireación en el reactor biológico con el impacto que esto supone en la energía consumida por la EDAR. Además, se elimina por completo la necesidad de aportar materia orgánica externa y reduce los consumos energéticos por recirculación.