Defensa de tesi doctoral de Joan Canals Tuca: “Operation and control of high rate activated sludge process in urban WWTPs”

El sector de l’aigua és un dels grans consumidors d’energia. Segons l’Agència Internacional de l’Energia, el 2014 el 4% del consum mundial d’electricitat es va utilitzar per extreure, distribuir i tractar aigua. Les projeccions indiquen que aquest percentatge es podria doblar el 2040, degut a l’increment de la demanda de plantes de dessalinització i de depuradores d’aigües residuals més eficients. Cal, doncs, desenvolupar i implementar de manera urgent processos de tractament d’aigua que siguin més sostenibles des del punt de vista ambiental.

La majoria de les depuradores urbanes d’aigües residuals actuals realitzen un tractament convencional de fangs activats (en anglès, conventional activated sludge o CAS), amb tancs de decantació, reactors biològics on s’oxida la matèria orgànica, i sistemes d’aeració i recirculació. Moltes també incorporen un procés de digestió anaeròbia dels fangs decantats que permet produir biogàs i, d’aquesta manera, recuperar part de l’energia consumida. En les darreres dècades s’ha investigat l’optimització d’aquest procés a través de la substitució de la decantació primària per un procés biològic d´alta càrrega. És l’anomenat tractament d’alt rendiment de fangs activats (en anglès, high-rate activated sludge o HRAS); d’alguna manera, un procés de depuració “accelerat”, capaç d’eliminar més matèria orgànica i de recuperar més energia. Tot i així, encara ens manca conèixer el HRAS amb més profunditat per garantir-ne l’estabilitat, i implementar-lo a escala real i de manera generalitzada.

Joan Canals, amb una llarga trajectòria professional en el sector de l’aigua, coneixia bé aquesta mancança quan va iniciar la seva tesi doctoral. Per això va decidir estudiar els diferents paràmetres que intervenen en l’estabilitat d’un procés HRAS i permetrien optimitzar-lo. El treball experimental es va desenvolupar a la depuradora de Montornès del Vallès (Barcelona), en una planta pilot HRAS capaç de tractar 35m3 d’aigua per dia i composada per dos reactors biològics i dos decantadors primaris que s’operaven de manera alterna. An HRAS pilot plant with two biological reactors and two clarifiers (operated alternatively) was designed and constructed to treat 35m³ of water per day. L’investigador va monitoritzar el funcionament de la planta amb diferents cabals durant 497 dies per mitjà d’un sistema digital. Els paràmetres operacionals estudiats van ser l’oxigen dissolt, el potencial d’oxidació-reducció i els cabals d’entrada, sortida i recirculació. També es va determinar de manera contínua el contingut de sòlids en suspensió a l’influent, al reactor biològic, a l’efluent i al flux de recirculació. Finalment, es varen realitzar simulacions del procés per avaluar-ne la seva robustesa i escalabilitat. Finally, he carried out simulations to assess the process robustness and feasibility.

Els resultats obtinguts demostren que l’HRAS pot ser un procés eficient i estable, amb una alta capacitat d’eliminació de contaminants i un baix consum d’energia. Així, el HRAS presenta una millor eliminació de diversos contaminants (compostos de nitrogen i fòsfor) respecte al decantador primari, amb taxes d’eliminació que estan relacionades amb les concentracions de nutrients a l’entrada. Un resultat destacable és que l’eliminació de nitrogen i fòsfor mostra correlacions positives amb la demanda química d’oxigen (DQO) total i la fracció particulada, i fa palesa la importància dels processos d’adsorció, independentment de l’oxidació de la DQO. El HRAS també presenta un baix consum específic d’oxigen (SOC) per a diversos paràmetres com la DQO total i soluble, i la demanda bioquímica d’oxigen en 5 dies (DBO5), indicant una elevada eficiència energètica. L’anàlisi del procés a llarg termini indica que la millor via per a l’eliminació de nitrogen en l’etapa següent de tractament és la nitrificació/desnitrificació complementada amb l’oxidació anaeròbia de l’amoni (anammox) a la línia de retorn. A més, s’observa que l’HRAS té una eficiència energètica més alta a concentracions d’influent elevades, amb un consum d’oxigen específic influenciat per la concentració de l’influent i la seva biodegradabilitat.

L’impacte potencial d’aquests resultats és molt alt. Si es dugués a terme un procés HRAS juntament amb un procés anammox a la línia de retorn, s’arribaria a reduir el 40% del consum d’electricitat d’una depuradora d’aigües residuals i el 34% del volum dels reactors. Això només comportaria incrementar en un 11% el volum del reactor de la digestió anaeròbia (a causa de l’augment de la generació de biogàs). Unes xifres significatives que encoratgen a seguir treballant per escalar el procés i implementar-lo a escala real.

Aquesta tesi ha estat dirigida pel Dr. Hèctor Monclús, la Dra. Maria Martín i la Dra. Alba Cabrera del grup de recerca Laboratori d’Enginyeria Química i Ambiental (LEQUIA) de la Universitat de Girona. El treball experimental s’ha dut a terme en el marc d’un projecte de R+D industrial de l’empresa GS INIMA Environment co-finançat pel CDTI. La defensa, que és pública, tindrà lloc el proper 21 de maig a l’Aula Magna de la Facultat de Ciències de la UdG.