Breve introducción a la economía circular en aguas residuales: agua, nutrientes y energía

Escrito por Rubén García Tirado

 

 

 

 

La actual situación de cambio climático y crecimiento demográfico está poniendo en jaque la capacidad de las sociedades modernas de garantizar la disponibilidad de recursos básicos tales como alimentos, agua y energía para la ciudadanía, al menos con la facilidad y abundancia a la que estábamos (mal) acostumbrados.

En el contexto europeo, la escasez hídrica amenaza aproximadamente el 30% de la población, especialmente aquella situada en los países del sur y del arco mediterráneo [1]. La actividad agrícola por su parte, base de la seguridad alimentaria, se encuentra gravemente afectada por este estrés hídrico, la falta de materia orgánica del suelo (desertificación) y el alto coste y escasez de los fertilizantes que aportan los nutrientes necesarios para el crecimiento vegetal, principalmente nitrógeno (N), fosforo (P) y potasio (K). Por otro lado el aumento de los costes de la energía, agravados por la guerra en Ucrania, han puesto en riesgo el abastecimiento de la población y la industria, causando a su vez una subida en el coste de producción y precio final de numerosos productos.

Todo ello está obligando a la búsqueda de fuentes alternativas de estos recursos que puedan cubrir las crecientes necesidades y, en especial los residuos, aquello que en nuestra actual economía lineal de producción-consumo-deshecho se considera algo sin valor de lo que hay que desprenderse con el menor coste posible, puede ser ahora la solución. Esto es lo que desde hace un tiempo se ha bautizado como Economía Circular (EC) y pretende reutilizar, valorizar y recuperar recursos de los residuos para incorporarlos al sistema productivo y mercado, reduciendo de este modo el consumo y dependencia de los recursos naturales.

En concreto las aguas residuales, urbanas e industriales, recogen gran cantidad y variedad sustancias y compuestos valorizables incluyendo precisamente los 3 recursos críticos previamente identificados: agua, nutrientes y energía, esta última mayoritariamente en forma química en la materia orgánica [1]. La implantación de procesos de recuperación y valorización de estos recursos permiten transformar las actuales estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR) en biorrefinerías, en las que, por analogía de las refinerías petroquímicas, se separan y obtienen diferentes productos de valor a partir de una materia prima multicomponente.

La regeneración del agua residual previamente depurada para su reutilización es una práctica relativamente habitual, especialmente en las regiones con mayor estrés hídrico. Para ello es necesario un tratamiento terciario en el que se busca principalmente la desinfección del agua para asegurar la calidad del efluente sobre todo en términos de patógenos, requiriéndose diferentes calidades en función del tipo de uso final del agua ya se en el sector urbano (baldeo de calles, fuentes recreativas…), industrial (agua de proceso, refrigeración…) o para riego agrícola, en el que se distinguen de nuevo diferentes subcategorías en función del tipo de cultivo y sobre todo el nivel de contacto del agua con los productos comestibles [2].

En el campo de la reutilización de agua existen multitud de tecnologías que se han demostrado aptas para la regeneración de agua, siendo los más comunes los procesos de cloración y canales de luz ultravioleta (UV), pero siendo también posible, según las necesidades, los procesos de oxidación avanzada (AOP) para la eliminación de compuestos recalcitrantes o las tecnologías de membranas (ultra/nano-filtración o incluso osmosis inversa) en función de la calidad requerida [1, 2]. La eficiencia y eficacia de estas tecnologías se encentra en continua optimización a causa del progresivo endurecimiento de normativas de calidad del agua, como la Directiva Europea CE/741/2020 para aplicaciones agrícolas de agua regenerada.

Figura 2. Relación de tecnologías y calidades alcanzadas del agua regenerada [2]

Las aguas residuales son también ricas en nutrientes, especialmente N y P, los cuales deben ser eliminados durante el proceso de depuración ya que pueden tener un impacto negativo importante en el medio receptor causando episodios de eutrofización (crecimiento algal descontrolado), anoxia e incluso toxicidad [1]. Parte de estos nutrientes son asimilados durante el crecimiento de la biomasa en los procesos de depuración de fangos activos, lo que permite concentrarlos en el residuo sólido típico de las EDAR, los lodos. No obstante, esto es habitualmente insuficiente para cumplir con los limites de vertido, especialmente en zonas sensibles, por lo que suele recurrirse a procesos biológicos y/o químicos para completar la eliminación.

Por un lado, la eliminación de N suele realizarse mediante nitrificación-desnitrificación, que transforma las diferentes formas de N en N₂ gas que se libera a la atmosfera, con elevados costes de energía y sin posibilidad de recuperación de dicho nutriente. Por otro lado la eliminación biológica de P puede maximizarse mediante la estimulación de bacterias acumuladoras de fósforo (PAO) en los reactores biológicos, pero suele ser habitual completar la eliminación mediante precipitación química, lo que conlleva importantes consumos de reactivos (habitualmente sales trivalentes de hierro o aluminio), concentrándose de nuevo en ambos casos el P en el lodo.

Una opción para maximizar el potencial de recuperación de nutrientes en aguas residuales es actuar sobre las corrientes de las EDAR donde estos pueden estar más concentrados, como son las corrientes de retorno de las etapas de espesamiento y/o deshidratación de lodos. En este escenario, las tecnologías de microalgas han demostrado tener un elevado potencial de recuperación de N y P en aguas residuales pero su aplicación a gran escala parece estar en parte limitada por las necesidades de terreno, inestabilidad de proceso y posibles requerimientos de aporte de CO2. Por otro lado la aplicación de tecnologías de membrana (ultrafiltración, osmosis inversa o contactores de membrana) y/o precipitación controlada de estruvita o similares, pueden permitir recuperar gran parte del N y P en forma de sales y o biofertilizantes líquidos concentrados.

Figura 2. Ciclo de nutrientes en una gestión circular del agua residual [3]

Por último, la materia orgánica constituye el principal “contaminante” de las aguas residuales y es la responsable de los mayores costes asociados a la depuración. Por un lado, su eliminación mediante los procesos biológicos convencionales requiere elevado consumo energético para la aeración del medio y permitir el metabolismo microbiano: por un lado la oxidación de esa materia orgánica hasta CO2 (respiración o catabolismo), y por otro lado la asimilación de la misma (crecimiento o anabolismo). Por otro lado, este crecimiento microbiano genera una biomasa que resulta el principal constituyente del lodo de depuradora anteriormente citado, residuo mayormente orgánico obtenido de la depuración cuya gestión supone otro de los costes principales de las EDAR.

Una alternativa para el tratamiento de la materia orgánica son los procesos anaerobios de depuración, en los que bacterias y arqueas específicas producen una serie etapas hidrolíticas y fermentativas en ausencia de aire para convertir la materia orgánica (DQO) en biogás, mezcla principalmente de metano y dióxido de carbono. Este biogás tiene un elevado potencial energético y puede ser utilizado como biocombustible si se somete a un proceso de purificación o upgrading para eliminar impurezas y, opcionalmente, alcanzar concentraciones de metano suficiente para su uso en vehículos o inyección en red de suministro de gas [2].

Estos procesos anaerobios están bastante implantados en aguas residuales industriales con alta carga mediante tecnologías como los reactores anaerobios de membrana (AN-MBR) o de flujo ascendente (UASB, EGSB y IC) pero estas presentan todavía algunas limitaciones para su aplicación a aguas urbanas a causa de la baja carga y temperaturas. Es por este motivo que la tecnología anaerobia en EDAR se encuentra principalmente aplicada mediante digestores anaerobios al tratamiento y estabilización de lodos, donde se concentra la mayor parte de la materia orgánica retirada del agua residual y por tanto el potencial de producción de metano.

Figura 3. Consumo y producción energética a partir de la DQO (COD) del agua residual para tratamientos aerobios y anaerobios [4]

Esta coyuntura de la mayoría de EDAR sitúa por lo tanto gran parte del potencial de la economía circular a partir de aguas residuales en los lodos de depuradora, donde como se ha comentado se acaba concentrando gran parte de los nutrientes y materia orgánica. Cabe comentar que, ciertamente la práctica mas habitual de gestión de los lodos en España y gran parte del arco mediterráneo es a precisamente la aplicación agrícola. Esto es por ende, una práctica, al menos primaria, de economía circular donde se aportan la materia orgánica y nutrientes del lodo al suelo agrícola para que pueda ser aprovechada para el crecimiento y producción de los cultivos [2].

No obstante, las nuevas directivas ambientales y de gestión agrícola, como el RD 1051/2022 de nutrición sostenible, han puesto de manifiesto el posible riesgo de esta práctica por la posible presencia de patógenos y microcontaminantes en el lodo y el afecto adverso de una dosificación inadecuada de nutrientes en relación a las demandas de los cultivos, lo que podría llevar a la contaminación de aguas superficiales y subterráneas cercanas [1].

Estas alertas han despertado de nuevo la necesidad de buscar nuevas formas de valorizar los lodos de EDAR lo que ha impulsado el desarrollo de diferentes posibles tecnologías como son los tratamientos termoquímicos. Estos, incluyendo la pirólisis, carbonización hidrotermal (HTC) o la gasificación, dan lugar a diferentes fracciones de sólido (biochar o biocarbones), líquido (aceites o disoluciones acuosas ricas en materia orgánica y nutrientes) o gas (pyrogas o syngas) que podrían ser utilizados directamente como biocombustibles o como materias primas para la síntesis de diferentes productos de valor añadido, incluyendo hidrógeno, metanol, fertilizantes o comodities varios [2].

Con todo esto, cabe comentar que en esta entrada solo se ha mencionado algunas técnicas para la recuperación de los recursos más básicos contenidos en las aguas residuales, per existe una mucho mas amplia gama de posibilidades como son la recuperación de moléculas de alto valor añadido como polifenoles, macronutrientes o ingredientes activos farmacéuticos (especialmente de aguas industriales), de metales, proteínas, celulosa, etc. y la valorización avanzada de lodos en forma de biomateriales como adsorbentes, bioplásticos o incluso materiales de construcción [1, 2].

En cualquier caso, hay que tener en cuenta que las tecnologías y prácticas de economía circular tendrán inevitablemente un límite técnico y coste que habrá que evaluar en cada caso. Todo apunta que estas solo serán sostenibles si vienen acompañadas de un cambio responsable en las prácticas de producción y consumo que se centren en cubrir las necesidades reales de los ciudadanos más que en obtener buenos indicadores de satisfacción y beneficios económicos.

Figura 4. Esquema conceptual del planteamiento de economía circular en aguas residuales [1]

Referencias:

[1] European Environmental Agency, EEA Report Nº5., 2022. Beyond water quality-Sewage treatment in a circular economy.

[2] Guerra-Rodríguez, S., Oulego, P., Rodríguez, E., Singh, D.N., Rodríguez-Chueca, J., 2020. Towards the implementation of circular economy in the wastewater sector: Challenges and opportunities. Water (Switzerland) 12.

[3] Ye, Y., Ngo, H.H., Guo, W., Chang, S.W., Nguyen, D.D., Zhang, X., Zhang, J., Liang, S., 2020. Nutrient recovery from wastewater: From technology to economy. Bioresour. Technol. Reports 11, 100425.

[4] Chetty, S., Pillay, K., 2015. Application of the DIY carbon footprint calculator to a wastewater treatment works. Water SA 41, 263–272.