Starnit: control de procesos biológicos de eliminación de nitrógeno

Acciona ha finalizado con éxito el proyecto de I+D Starnit, cofinanciado por el Centro para el Desarrollo Tecnológico y la Innovación (CDTI) y que ha culminado con el desarrollo de la tecnología propia Starnit. Se trata de una novedosa estrategia de control que permite estabilizar, de forma sostenible, un proceso de eliminación de nitrógeno en línea principal de la depuración de agua residual. Este proceso se caracteriza por una reducción del consumo energético superior al 25% y por prescindir de recirculaciones internas y de materia orgánica externa para la eliminación de nitrógeno, siendo especialmente interesante para EDARs con digestión anaeróbica, especialmente aquellas en las que el ratio C/N sea bajo.

En los sistemas convencionales de nitrificación y desnitrificación (Figura 1 a), la ruta metabólica de eliminación de N requiere, por un lado, aportar oxígeno mediante la aireación, que hay que sumar a la aireación para eliminar la materia orgánica, y que puede suponer entre el 60-80% del total del proceso de depuración convencional ^[1]. Por otro lado, es necesario también aportar materia orgánica, bien proveniente de fuentes externas (suponiendo un gasto por consumo de reactivos) o bien de recirculaciones internas dentro de la misma planta (aumentando los costes energéticos de la operación por bombeos), lo que causa que la cantidad de materia disponible para su transformación en biogás disminuya.

Frente a estos sistemas, existen alternativas que buscan reducir el consumo energético para conseguir el mejor balance posible con respecto a la bioenergía que puede obtenerse en planta. Entre estos nuevos sistemas destaca la combinación de los procesos de Nitrificación Parcial y Anammox, NP/A (Figura 1 b). En este proceso, la nitrificación se detiene con la conversión de parte del amonio a nitrito, mientras que bacterias Anammox oxidan a continuación el amonio restante bajo condiciones anaerobias, utilizando el nitrito como aceptor de electrones para producir nitrógeno gas ^[2].

Con estas premisas, Starnit se centró en desarrollar y validar una nueva estrategia de control del proceso de nitritación parcial, el punto más delicado de la integración NP/A en línea principal, mediante el uso de subproductos generados en la propia Estación Depuradora de Aguas Residuales (EDAR), en concreto escurridos de centrífuga a un pH adecuado. Esta propuesta de control permite regular la actividad y la distribución poblacional de las bacterias nitrificantes, inhibiendo las bacterias nitrito-oxidantes (NOB) frente a las amonio-oxidantes (AOB). Con ello se consigue una nitritación parcial estable, lo que espontáneamente resulta desfavorable a las temperaturas y concentraciones propias del agua residual.

La experimentación se realizó en una planta piloto diseñada, construida y operada por el Departamento de Innovación de Acciona, negocio Agua. La planta piloto se ubicó en una EDAR de Arroyo Culebro Cuenca Baja (Getafe, Madrid), operada por Acciona. La planta piloto consistía en dos líneas MBBR (reactor de bipelícula en lecho móvil, Moving Bed Biofilm Reactor), en el que las bacterias nitrificantes crecían en forma de biopelícula sobre soportes plásticos en movimiento.

La alimentación se llevaba a cabo mediante el dopaje con sales de amonio de agua de servicio, para enfocar el estudio en el verdadero efecto del control sobre las poblaciones NOB y AOB. El escurrido utilizado en el control de poblaciones se preparaba de manera similar. Los soportes colonizados de bacterias nitrificantes de la llamada Línea B eran sumergidos periódicamente, y durante tiempos variables, en dicho escurrido sintético para tratar de determinar la mejor estrategia de contacto con la que mantener la nitritación parcial estable de una manera eficiente. La Línea A se empleaba como control y la nitrificación evolucionaba de forma natural en ella.

Mediante contactos de larga duración denominados “de choque” por la intensidad asociada a la duración de dichos contactos, se consiguió arrancar la inhibición de las NOB en la línea B (Figura 2). Se demostró así que varios contactos semanales más breves y frecuentes (de mantenimiento) podían sostener en el tiempo la inhibición alcanzada mediante los contactos de choque previos. Además, se demostró que dejando evolucionar libremente el sistema hacia la nitrificación total, tiempo después, también era posible recuperar la nitritación parcial llevando a cabo contactos de mantenimiento semanales durante un mes. Incluso en el caso de la línea A, una vez detenido el periodo de comparación entre líneas, pudo conseguirse rápidamente la nitritación estable mediante un solo contacto de choque.

En colaboración con el Institut Català de Recerca de l’Aigua (ICRA), se llevó a cabo el estudio de la biomasa presente en los reactores de ambas líneas mediante secuenciación genética, con la intención de establecer una relación entre lo que se observa a nivel químico en el proceso y cómo se refleja esto en la distribución de poblaciones en la biomasa soportada y suspendida de los reactores MBBR.

De estos análisis se puede concluir que efectivamente el tratamiento con escurrido parece tener un claro efecto en la abundancia de las poblaciones de bacterias Nitrosomonas (AOB) y Nitrospira (NOB), disminuyendo la abundancia relativa de los dos grupos en el reactor en el que la nitritación parcial era estable. Mientras que lo esperable hubiese sido que la abundancia de AOB superara a la de NOB en la Línea B en estos momentos, estos estudios mostraron que en episodios de nitritación parcial ambas bacterias nitrificantes presentan una menor abundancia que en el caso de los momentos de nitrificación total, en los que además la abundancia de NOB sí era superior al de AOB.

Además de la vertiente más puramente experimental, el proyecto permitió el estudio de los aspectos principales de la implementación real de un sistema NP/A (precedido de un aeróbico de alta carga o A-Stage para maximizar la cantidad de materia orgánica dirigida a la digestión) gracias a los resultados obtenidos en la experimentación.

Por otro lado, se pudo estimar la diferencia de costes entre este sistema y un sistema convencional (0,13 €/m^{3 [3]}), concluyéndose que los ahorros con procesos A-Stage+NP/A pueden oscilar entre un 6 y un 16% respecto a los gastos de operación (OPEX) de un sistema convencional (implicando una reducción tan sólo en la aireación de al menos un 43-47%), dependiendo de la relación C/N del agua de entrada. Cabría añadir además la mejora de costes que supondría un incremento en la producción de biogás gracias al fango del sistema A-Stage.

El proyecto Starnit ha permitido establecer los protocolos de aplicación de escurrido para lograr la estabilidad de la nitritación parcial previa al proceso Anammox en un sistema MBBR. Esto permitirá conseguir una tecnología de eliminación de nitrógeno en línea principal caracterizada por un menor consumo energético y de reactivos que podría combinarse con un sistema de alta carga (A-Stage) para eliminar materia orgánica, y en consecuencia, maximizar la producción de biogás.

Tras ensayar diferentes modos de contacto para lograr unas condiciones óptimas que logren mantener una nitritación parcial estable, se han podido obtener diferentes conclusiones con respecto a la operación de un reactor de tipo MBBR.

El contacto con escurrido de centrífuga, o diluciones del mismo, a pH adecuado es capaz de lograr que la biomasa nitrificante evolucione desde la nitrificación total hacia la inhibición de la población NOB y por tanto, pase a establecerse una nitritación parcial estable. La inhibición puede ser gradual y mantenerse en el tiempo si los contactos se llevan a cabo cada 6-7 días, con una duración corta. Por otra parte, si lo que se desea es conseguir un impacto rápido en el proceso, de manera que la inhibición se manifieste lo antes posible, el contacto ha de ser de larga duración.

Se pudo estimar la diferencia de costes entre el sistema A-Stage+NP/A y un sistema convencional, concluyéndose que los ahorros pueden oscilar entre un 6 y un 16% respecto a los OPEX, manteniéndose contactos periódicos para asegurar la estabilidad de la nitritación parcial.

Referencias

[1] J. Serralta, J. Ribes, A. Seco, J. Ferrer, A supervisory control system for optimising nitrogen removal and aeration energy consumption in wastewater treatment plants, Water Sci. Technol. 45 (2002). http://wst.iwaponline.com/content/45/4-5/309.

[2] M. Strous, E. Pelletier, S. Mangenot, T. Rattei, A. Lehner, M.W. Taylor, M. Horn, H. Daims, D. Bartol-Mavel, P. Wincker, V. Barbe, N. Fonknechten, D. Vallenet, B. Segurens, C. Schenowitz-Truong, C. Médigue, A. Collingro, B. Snel, B.E. Dutilh, H.J.M. Op den Camp, C. van der Drift, I. Cirpus, K.T. van de Pas-Schoonen, H.R. Harhangi, L. van Niftrik, M. Schmid, J. Keltjens, J. van de Vossenberg, B. Kartal, H. Meier, D. Frishman, M.A. Huynen, H.-W. Mewes, J. Weissenbach, M.S.M. Jetten, M. Wagner, D. Le Paslier, Deciphering the evolution and metabolism of an anammox bacterium from a community genome, Nature. 440 (2006) 790–794. https://doi.org/10.1038/nature04647.

[3] O.M. Herrero Chamorro, Gestión de lodos, normativa y destino final: aplicación agrícola, Jorn. Técnica. La Gestión Lodos Depuradoras Urbanas (EDARs 2013). (2013). http://catedramln.unizar.es/files/conferencias/lodos2013/Herrero.pdf.

Agradecimientos

Acciona agradece al Canal de Isabel II que permitiera el desarrollo del proyecto Starnit en la EDAR Arroyo Culebro Cuenca Baja y a todo el personal de operación y mantenimiento de la EDAR. También agradece al Centro para el Desarrollo Tecnológico y la Innovación (CDTI) el apoyo económico para la financiación del proyecto.