Resumen

Este proyecto combina procesos clásicos de tratamiento de aguas residuales (decantación primaria, fangos activados y digestión anaerobia) con el proceso de filtración por membranas para incrementar el porcentaje de materia orgánica que puede ser valorizado en la digestión anaerobia. La implantación de esta tecnología en las EDAR existentes permitirá reducir significativamente su consumo energético y aumentar su capacidad de tratamiento aprovechando las infraestructuras existentes, generando un efluente de calidad adecuada para su reutilización agrícola o ambiental.

Objetivos generales 

- Determinar el comportamiento de distintos tipos de membrana para el tratamiento de agua residual bruta (no decantada) y del efluente de la decantación primaria.

- Optimizar el sistema de tratamiento propuesto para maximizar la producción de energía, aumentar la capacidad de tratamiento de la EDAR y obtener un efluente de calidad adecuada para distintos usos. Esta optimización incluye la determinación del intervalo óptimo para los distintos parámetros de operación, así como el desarrollo e implementación a escala piloto de sistemas de control.

- Estudiar las comunidades de microorganismos y patógenos presentes en los diferentes sistemas y establecer sus relaciones con las variables ambientales y de operación.

- Analizar la degradación de sustancias prioritarias y emergentes y los metabolitos generados en los esquemas de tratamiento planteados.

- Realizar un análisis económico (análisis de costes de inversión, operación y mantenimiento) y ambiental (análisis de ciclo de vida) del esquema propuesto.

El proyecto ha supuesto un avance significativo hacia la aplicación de los conceptos de la economía circular en el sector del tratamiento de aguas residuales aprovechando al máximo las infraestructuras de las actuales EDAR. Se ha optimizado el tratamiento de las aguas residuales urbanas incorporando la tecnología de membranas para tratar agua bruta y agua decantada, maximizando la valorización de la materia orgánica presente en estas aguas mediante la generación de biogás y minimizando el consumo energético para la obtención de un efluente de calidad adecuada para reutilización ambiental o agrícola.

Las membranas de ultrafiltración (M-UF) y microfiltración (M-MF) permitieron obtener recuperaciones del 100% en SST, del 70% en DQO, 26% en N y 42% en P, tanto para el agua bruta como decantada de la EDAR del Carraixet (Valencia). No obstante, sólo las membranas M-UF permiten una operación prolongada en el tiempo a flujos moderados (~15 LMH), mientras que en las membranas M-MF se produce un rápido ensuciamiento que hace inviable su operación a largo plazo, quedando descartado su uso. El rendimiento de las membranas dinámicas (M-D) se ve muy afectado por el tipo de afluente, siendo sólo viable con agua bruta, alcanzando para el caso estudiado recuperaciones del 79% en SST, 65% en DQO, 16% en N y 25% en P.

Los permeados de las membranas M-UF (para los dos tipos de afluente) serían adecuados para su empleo en fertirrigación, dadas sus concentraciones en nutrientes y además de la ausencia de patógenos. En caso de no poder usarse en técnicas de fertirrigación, el efluente de las membranas (tanto de M-UF como de M-D) debería someterse a un postratamiento para alcanzar límites de vertido, especialmente en lo referente a las concentraciones de nutrientes (N y P) si se vierte a zona sensible. Para la eliminación del P, los procesos de precipitación son una opción sencilla de implementar, si bien reducirían la capacidad de recuperación de P. En cuanto al N, los procesos de eliminación convencional vía nitrificación/desnitrificación empleando materia orgánica se han mostrado ineficaces por las bajas relaciones DQO/N_T (<3,3 gDQO/gN) en el permeado. La alternativa propuesta es implementar un proceso de nitritificación (oxidación del N-NH₄ a N-NO₂)/desnitritificación. La nitritificación se ha alcanzado fijando como condiciones operacionales óptimas 5 d de tiempo de retención celular (TRC), 5 horas de tiempo de retención hidráulico (TRH) y concentraciones de oxígeno disuelto < 0,5 mgO₂/L. La valorización energética de los fangos producidos en el rechazo de UF, permite aumentar la producción de metano en la digestión anaerobia mesofílica en un 29% a un TRC de 20 d.

El análisis económico de la propuesta de tratamiento basada en el uso de membranas de ultrafiltración, un proceso de nitritificación/desnitritificación y una digestión anaerobia mesofílica muestra un ahorro energético de 0,067 kWh/m³ respecto a no haber incorporado membranas en el proceso. El análisis de ciclo de vida muestra una disminución del 20% en el impacto sobre el calentamiento global, asociado al aumento de la recuperación energética y la disminución en las emisiones de N₂O. El escalado de la tecnología para el caso de la EDAR del Carraixet muestra un periodo de retorno de la inversión en torno a 11 años, próximo a la vida útil de las membranas de ultrafiltración, considerando unos costes de la energía de 0,231-0,340 €/kWh. La viabilidad económica mejoraría: reduciendo el coste de las membranas; incrementando la producción de biogás (ej., valorizando la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos) o de productos como sulfato amónico, estruvita, bioGNL, etc.

Publicaciones:

Ruiz-Martínez, J. Claros, J. Serralta, A. Bouzas, J. Ferrer (2018) Modeling the decay of nitrite oxidizing bacteria under different reduction potential conditions. Process Biochemistry; 71; 159-165. https://doi.org/10.1016/j.procbio.2018.05.021

Noriega-Hevia, J. Serralta, L. Borrás, A. Seco, J. Ferrer (2020) Nitrogen recovery using a membrane contactor: Modelling nitrogen and pH evolution. Journal of Environmental Chemical Engineering. 8; 103880. https://doi.org/10.1016/j.jece.2020.103880

Noriega-Hevia, J. Serralta, A. Seco, J. Ferrer (2021) Economic analysis of the scale-up and implantation of a hollow fibre membrane contactor plant for nitrogen recovery in a full-scale wastewater treatment plant. Separation and Purification Technology. 275; 119128. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2021.119128

Ángel Robles, Joaquín Serralta, Nuria Martí, José Ferrer and Aurora Seco (2021) Anaerobic membrane bioreactors for resource recovery from municipal wastewater: a comprehensive review of recent advances. Environmental Science Water Research & Technology; 7; 1944-1965. https://doi.org/10.1039/d1ew00217a

Sanchis-Perucho, D. Aguado, J. Ferrer, A. Seco and Á. Robles. (2022) Dynamic Membranes for Enhancing Resources Recovery from Municipal Wastewater. Membranes; 12; 214. https://doi.org/10.3390/membranes12020214

Aguado, G. Noriega-Hevia, J. Ferrer, A. Seco, J. Serralta (2022) PLS-based soft-sensor to predict ammonium concentration evolution in hollow fibre membrane contactors for nitrogen recovery. Journal of Water Process Engineering 47, https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2022.102735

Stéphanie Aparicio, Ángel Robles, José Ferrer, Aurora Seco, Luis Borrás-Falomir (2022) Assessing and modeling nitrite inhibition in microalgae-bacteria consortia for wastewater treatment by means of photo-respirometric and chlorophyll fluorescence techniques. Science of The Total Environment. 808; 152128. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.152128

Jiménez-Benítez, A. Robles, P. Sanchís-Perucho, J. Serralta, R. Barat, A. Seco (2022) Ultrafiltration after primary settler to enhance organic carbon valorization: energy, economic and environmental assessment. Bioresource Technology. Submitted.

Congresos:

Sanchis-Perucho, J. Godifredo, A. Robles, D. Aguado, R. Barat, A. Bouzas, A. Seco y J. Ferrer. 2019. Direct wastewater treatment by membrane technology. Comunicación oral en 9th International Water Association (IWA) Membrane Technology Conference & Exhibition for Water and Wastewater Treatment and Reuse (IWA-MTC 2019)

Godifredo Calvo, P. Sanchis-Perucho, Á. Robles, D. Aguado, A. Seco, R. Barat, J. Ferrer. 2019. The introduction of the ultrafiltation process in the mainstream of the WWTP: effect over the permeate quality. Comunicación oral en Congreso Young Water Professionals Spain, 2019

 Smets, G. Mannina, À. Robles, J. Comas, V. Ruano, C. Brepols, J. Harmand, I. Rodriguez-Roda, M. Heran, M. Alliet. 2021. MBR modelling jam – Who reproduces the full-scale data “best”? Workshop en 7th IWA Water Resource Recovery Modelling Conference, 2021

Tesis doctorales

Nombre:  Pau Sanchis Perucho

Director: Daniel Aguado García y Ángel Robles Martínez

Título: Filtración directa por membranas para potenciar la recuperación de recursos de las aguas residuales

Organismo: Universitat de València

Nombre: Jesús Godifredo Calvo

Director: Aurora Seco Torrecillas y Ramón Barat Baviera

Título:  Aplicación de la tecnología de membranas para potenciar la transformación de las EDAR convencionales en estaciones de recuperación de recursos: Efecto sobre el proceso de fangos activados

Organismo: Universitat Politècnica de València

Nombre:  Ivana Ivailova Petkova

Director:  Daniel Aguado García y Joaquín Serralta Sevilla

Título: Estudio del efecto de la introducción de membranas de ultrafiltración en la línea de aguas de un esquema de tratamiento de aguas residuales convencional sobre la digestión anaerobia del fango

Organismo:  Universitat Politècnica de València

Nombre:  Patricia Ruiz Barriga

Director:  José Ferrer Polo y Alberto Bouzas Blanco

Título:  Estudio de la recuperación de nutrientes de las aguas residuales mediante procesos de electrodiálisis y de celdas bioelectroquímicas

Organismo:  Universitat de València