Towards energy neutral WWTPs: piloting mainstream partial nitritation AGS and anammox
Oriol Carbó Monmany
Les estacions depuradores d’aigües residuals (EDARs) tenen un rol crucial en protegir la salut pública tractant l’aigua residual abans d’abocar-la al medi ambient. Tanmateix, les plantes de tractament convencionals consumeixen substancials quantitats d’energia per abastar el procés. D’acord amb estimacions, el tractament de l’aigua residual representa un 3% del total del consum elèctric global, amb gasos d’efecte hivernacle i costos de tractament associats. Per afrontar aquests reptes, les EDARs estan adoptant tecnologies més eficients i utilitzant fonts d’energia renovables, com el biogàs produït en la digestió anaeròbia (AD) dels fangs. Tot i així, les EDARs encara tenen un consum net important d’electricitat i s’estan estudiant nous processos per aconseguir més eficiència i sostenibilitat en el tractament.
Aquesta tesi aborda una nova configuració a la línia d’aigua d’una EDAR amb l’objectiu de maximitzar la recuperació d’energia amb biogàs i minimitzar el consum energètic del tractament. Aquesta configuració es basa en un primer reactor de fangs actius d’alta càrrega (HRAS) seguit d’una eliminació autòtrofa del nitrogen (N) en dues etapes. Al reactor HRAS, la matèria orgànica de l’aigua d’entrada es redirigeix a la línia de fangs per a maximitzar la producció de biogàs amb AD. A l’eliminació autòtrofa del N proposada, primer s’implementa un reactor de biomassa aeròbia granular (AGS) adaptat a la nitritació parcial (PN, PN-AGS) i seguidament un reactor anammox. En comparació amb l’eliminació biològica del N convencional, el requeriment d’oxigen pot reduir-se fins a un 63% i el consum de matèria orgànica per la desnitrificació fins a un 100%.
S’ha utilitzat un reactor AGS de laboratori i s’ha dissenyat, construït i operat una planta pilot a l’EDAR de la Garriga per a provar la tota nova configuració proposada. Únicament s’ha fet servir aigua residual real de l’EDAR. Els objectius de la tesi eren, primer, desenvolupar una estratègia robusta i replicable per aconseguir AGS tractant la sortida d’un HRAS. Segon, adaptar el procés AGS per aconseguir PN, produint un efluent amb NO2– i NH4+ per alimentar el final anammox. Seguidament, estudiar el comportament del final procés anammox quan l’AGS està adaptat a la PN de forma estable i, finalment, quantificar el consum energètic i el potencial de recuperació d’energia de la nova configuració vs. l’EDAR de La Garriga, abordant la viabilitat energètica de la nova tecnologia.
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. Tanmateix, 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 demostrar 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. Al reactor anammox, es va aconseguir un efluent amb una qualitat adequada (i.e., TN < 8 mg/L) controlant la conversió de la prèvia PN a ratios NO2–/NH4+ inferiors (0.8 g N/g N) del teòric 1.32 g N/g N, implicant un requeriment d’oxigen inferior. Finalment, d’acord amb el balanç energètic, es podria assolir un 44% d’estalvi energètic (kWh/m3) aplicant la nova configuració basada en HRAS + PN-AGS + anammox.
Aquesta tesi estava emmarcada en un doctorat industrial amb l’empresa GS-Inima Environment. L’empresa ha guanyat el coneixement i l’expertesa en aquest nou procés i ara és capaç d’escalar-lo a escala real en una planta de demostració. La nova configuració basada en HRAS + PN-AGS + anammox s’ha registrat i patentat sota el nom PROGRAMOX®.
Les estacions depuradores d’aigües residuals (EDARs) tenen un rol crucial en protegir la salut pública tractant l’aigua residual abans d’abocar-la al medi ambient. Tanmateix, les plantes de tractament convencionals consumeixen substancials quantitats d’energia per abastar el procés. D’acord amb estimacions, el tractament de l’aigua residual representa un 3% del total del consum elèctric global, amb gasos d’efecte hivernacle i costos de tractament associats. Per afrontar aquests reptes, les EDARs estan adoptant tecnologies més eficients i utilitzant fonts d’energia renovables, com el biogàs produït en la digestió anaeròbia (AD) dels fangs. Tot i així, les EDARs encara tenen un consum net important d’electricitat i s’estan estudiant nous processos per aconseguir més eficiència i sostenibilitat en el tractament.
Aquesta tesi aborda una nova configuració a la línia d’aigua d’una EDAR amb l’objectiu de maximitzar la recuperació d’energia amb biogàs i minimitzar el consum energètic del tractament. Aquesta configuració es basa en un primer reactor de fangs actius d’alta càrrega (HRAS) seguit d’una eliminació autòtrofa del nitrogen (N) en dues etapes. Al reactor HRAS, la matèria orgànica de l’aigua d’entrada es redirigeix a la línia de fangs per a maximitzar la producció de biogàs amb AD. A l’eliminació autòtrofa del N proposada, primer s’implementa un reactor de biomassa aeròbia granular (AGS) adaptat a la nitritació parcial (PN, PN-AGS) i seguidament un reactor anammox. En comparació amb l’eliminació biològica del N convencional, el requeriment d’oxigen pot reduir-se fins a un 63% i el consum de matèria orgànica per la desnitrificació fins a un 100%.
S’ha utilitzat un reactor AGS de laboratori i s’ha dissenyat, construït i operat una planta pilot a l’EDAR de la Garriga per a provar la tota nova configuració proposada. Únicament s’ha fet servir aigua residual real de l’EDAR. Els objectius de la tesi eren, primer, desenvolupar una estratègia robusta i replicable per aconseguir AGS tractant la sortida d’un HRAS. Segon, adaptar el procés AGS per aconseguir PN, produint un efluent amb NO2– i NH4+ per alimentar el final anammox. Seguidament, estudiar el comportament del final procés anammox quan l’AGS està adaptat a la PN de forma estable i, finalment, quantificar el consum energètic i el potencial de recuperació d’energia de la nova configuració vs. l’EDAR de La Garriga, abordant la viabilitat energètica de la nova tecnologia.
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. Tanmateix, 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 demostrar 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. Al reactor anammox, es va aconseguir un efluent amb una qualitat adequada (i.e., TN < 8 mg/L) controlant la conversió de la prèvia PN a ratios NO2–/NH4+ inferiors (0.8 g N/g N) del teòric 1.32 g N/g N, implicant un requeriment d’oxigen inferior. Finalment, d’acord amb el balanç energètic, es podria assolir un 44% d’estalvi energètic (kWh/m3) aplicant la nova configuració basada en HRAS + PN-AGS + anammox.
Aquesta tesi estava emmarcada en un doctorat industrial amb l’empresa GS-Inima Environment. L’empresa ha guanyat el coneixement i l’expertesa en aquest nou procés i ara és capaç d’escalar-lo a escala real en una planta de demostració. La nova configuració basada en HRAS + PN-AGS + anammox s’ha registrat i patentat sota el nom PROGRAMOX®.