Defensa de tesi doctoral d’Oriol Carbó Monmany: “Towards energy neutral WWTPs: piloting mainstream partial nitritation AGS and anammox”

Resum:

Les estacions depuradores d’aigües residuals (EDARs) tenen un paper crucial en la protecció de la salut pública, ja que tracten l’aigua residual per poder retornar-la en bon estat al medi natural. Tanmateix, també consumeixen grans quantitats d’energia. D’acord amb algunes estimacions, el tractament d’aigua representa el 3% del consum elèctric global, amb les emissions de gasos d’efecte hivernacle i els costos econòmics que això comporta.

En aquest context, l’empresa GS INIMA, un referent mundial en el sector d’aigua, està treballant en una nova configuració de tractament d’aigua a les EDARs que redueixi el consum d’energia (gràcies a una menor necessitat d’aportació d’oxigen), i optimitzi la producció i recuperació del biogàs resultant de la digestió anaeròbia dels fangs (a través d’un menor consum de matèria orgànica en el procés de desnitrificació).

Aquesta configuració, patentada i registrada amb el nom comercial de PROGRAMOX®, consta d’un primer reactor de fangs actius d’alta càrrega (en anglès, high-rate activated sludge o HRAS) en el qual la matèria orgànica de l’aigua es redirigeix a la línia dels fangs per afavorir la producció de biogàs. A continuació, té lloc una eliminació autòtrofa del nitrogen en dues etapes: la primera, un reactor de biomassa aeròbia granular (en anglès, aerobic granular sludge o AGS) adaptat a un procés de nitritació parcial (en anglès, partial nitritation o PN) i la segona,  un reactor anammox (anaerobic ammonium oxidation). L’objectiu final, estalviar energia i fer que el procés de depuració sigui més sostenible, tant mediambientalment com econòmicament.

Per assolir aquest objectiu, GS INIMA ha col·laborat amb el Laboratori d’Enginyeria Química i Ambiental de la Universitat de Girona (LEQUIA), un dels grups de recerca pioners a Espanya en l’estudi dels tractaments PN-AGS i anammox. La tesi d’Oriol Carbó, centrada en aquests dos processos, tenia dos objectius científics: 1) optimitzar aquests processos per garantir la seva robustesa i replicabilitat, i 2) quantificar el consum energètic i el potencial de recuperació d’energia de l’EDAR.  L’investigador va iniciar el treball de recerca en un reactor AGS als laboratoris del LEQUIA. Després va realitzar més experiments en una planta pilot especialment construïda per estudiar tota la configuració PROGRAMOX® (HRAS + PN-AGS + anammox) i capaç de tractar 1.5m³ per dia. La planta es va ubicar a l’EDAR de La Garriga i es va operar amb aigua residual d’aquesta instal·lació.

Els resultats obtinguts han permès tant al grup de recerca com a l’empresa adquirir nous coneixements i experteses en els processos investigats. De fet, actualment GS INIMA està treballant en la construcció d’una nova planta de demostració per validar la configuració PROGRAMOX® a escala real. Al reactor AGS, una purga selectiva de dalt del llit de fangs decantats va demostrar ser una estratègia exitosa per sostenir la formació de grànuls aerobis al sistema. Tot i així, una completa granulació de la biomassa no va ser crucial per al correcte funcionament del reactor. Mantenir una bona decantabilitat (SVI, < 100 mL/g) amb una barreja de grànuls i flocs va resultar ser suficient per eliminar la matèria orgànica i reprimir la formació de NO₃^–. Es va aconseguir una PN estable a la línia d’aigua tractant l’efluent d’un HRAS. Es va reprimir l’activitat dels bacteris nitrit-oxidants (NOB) gràcies a la producció d’àcid nitrós lliure (FNA) al reactor. Pel que fa al reactor anammox, es va aconseguir un efluent amb una qualitat adequada (TN < 8 mg/L) controlant la conversió de la prèvia PN a ratis NO₂^–/NH₄⁺ inferiors (0.8 g N/g N) del teòric 1.32 g N/g N, implicant un requeriment d’oxigen inferior. Finalment, el balanç energètic realitzat indica que amb la nova configuració PROGRAMOX® es podria assolir un 44% d’estalvi energètic (kWh/m³) en les EDARs, la qual cosa podria tenir un impacte significatiu en la sostenibilitat d’aquestes infraestructures.

Aquesta tesi s’ha desenvolupat en el marc d’un projecte de doctorat industrial cofinançat pel Ministeri de Ciència, i ha tingut dos directors a l’entorn acadèmic (els Drs. Jesús Colprim i Albert Magrí) i una directora a l’entorn empresarial (la Dra. Belén Gutiérrez, de l’àrea de R+D de GS INIMA).

Publicació: Oriol Carbó, Jaume Teixidó, Joan Canals, Antonio Ordóñez, Albert Magrí, Mercè Baldi, Belén Gutiérrez, Jesús Colprim, Achieving mainstream partial nitritation with aerobic granular sludge treating high-rate activated sludge effluent, Journal of Water Process Engineering, Volume 60, 2024, 105165, ISSN 2214-7144, https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2024.105165.