Nuevo método termoquímico alivia el problema de la energía del lodo de las aguas residuales

Imagine un escenario en el que los lodos producidos por las plantas de tratamiento de aguas residuales, después de la digestión, pudieran convertirse en una fuente potencial de energía. Sin embargo, la realidad a menudo se queda corta de este ideal. El procesamiento termoquímico, un método para convertir lodos digeridos en energía, enfrenta desafíos significativos para lograr la autosuficiencia energética.

La investigación indica que los tratamientos termoquímicos como la incineración y la pirólisis luchan con el balance energético. Para la incineración, el valor energético anual del digestato sólido es de 6.391 MWh. Sin embargo, el secado de lodos del 73% al 35% de humedad consume 3.120 MWh, casi la mitad del contenido energético. La recuperación de nitrógeno como sulfato de amonio requiere 3.363 MWh adicionales. Incluso con la recuperación de calor (5.936 MWh), la demanda total de energía (6.483 MWh) supera las ganancias.

La pirólisis enfrenta obstáculos similares. Los lodos deben secarse primero al 10% de humedad. En un escenario, el vapor producido por pirólisis se condensa, mientras que el gas de síntesis y el biochar se queman para la recuperación de energía. Sin embargo, el balance térmico total sigue siendo negativo (-4.553 MWh), con el secado (3.440 MWh) y la pirólisis (496 MWh) superando el calor recuperado (2.746 MWh). Incluso quemando todos los productos de pirólisis se obtienen solo 5.600 MWh, todavía 1.699 MWh por debajo de los requisitos.

La gasificación también presenta dificultades. El secado de lodos al 10% de humedad antes de la gasificación requiere una relación de equivalencia de 0.3 para la autosuficiencia. Sin embargo, incluso quemando el gas de síntesis resultante, queda un balance energético negativo.

Las lagunas de lodos, a menudo combinadas con digestión anaeróbica, ofrecen una solución de baja tecnología, especialmente para plantas de tratamiento pequeñas. Combinando digestión fría, secado al aire y espesamiento por gravedad, estas lagunas suelen tener un tamaño de 0.2-0.5 m³ por persona y están diseñadas para 7-15 años de uso antes de la eliminación de lodos. Las profundidades varían de 3 a 5 metros, con al menos 1 metro de francobordo.

La construcción adecuada incluye taludes de 3:1 y revestimientos impermeables que se extienden 1 metro por encima y por debajo del nivel máximo del agua. La distribución de entrada asegura una distribución uniforme de los lodos, mientras que los vertederos de salida devuelven el agua desplazada a la planta de tratamiento. Las lagunas dobles permiten que una se llene mientras la otra se vacía. Los lodos retirados de las lagunas varían desde un 20% de sólidos en capas compactadas hasta solo unos pocos por ciento en capas superficiales, lo que requiere una eliminación final.

Las tecnologías actuales suelen recuperar estruvita del sobrenadante del digestor anaeróbico, especialmente en sistemas mejorados de eliminación biológica de fósforo. Sin embargo, altas concentraciones de iones competidores (Ca²⁺, NH₄⁺, Na⁺) dificultan la precipitación de K-estruvita en el agua de digestión de lodos. Los cálculos termodinámicos muestran que, si bien la estruvita y la hidroxiapatita pueden formarse a niveles de pH más altos, la K-estruvita no precipita en los digestores debido a la dominancia de la cristalización de estruvita.

Los lodos digeridos presentan mayor fluidez y menor elasticidad en estados estacionarios, lo que se atribuye a fuerzas coloidales más débiles o estructuras menos rígidas. Compuestos por agua, materia orgánica, células microbianas y sustancias poliméricas extracelulares (EPS), las propiedades de los flóculos de lodo, incluida la transferencia de masa, las características de la superficie y la estabilidad, están fuertemente influenciadas por la composición de los EPS.

El pretratamiento con microondas/peróxido de hidrógeno (MW/H₂O₂) altera visiblemente el color y la estructura de los lodos. Si bien el calentamiento por microondas solo causa una mínima disrupción de los flóculos, el tratamiento con MW/H₂O₂ rompe completamente las membranas celulares, liberando el contenido celular. Sin embargo, menos del 40% de los orgánicos se transfieren al sobrenadante, lo que sugiere una descomposición parcial a temperaturas inferiores a 100 °C.

La estabilización con cal eleva el pH de los lodos a ≥12 durante al menos dos horas utilizando Ca(OH)₂ o CaO, inactivando eficazmente bacterias y virus (aunque menos eficaz contra parásitos) y reduciendo los olores. El tratamiento térmico implica presurizar los lodos a 260 °C durante 30 minutos, matando patógenos y mejorando la deshidratación.

Los parámetros críticos de monitoreo incluyen:

• pH : Típicamente neutro (7.0) en lodos crudos, ligeramente más alto en lodos digeridos y más bajo en lodos en fase ácida.
• Alcalinidad Total (AT) : Expresada como mg-CaCO₃/L, crucial para mantener condiciones débilmente alcalinas en la fermentación metánica.
• Ácidos Grasos Volátiles (AGV) : Productos intermedios de la digestión donde altas concentraciones de propionato pueden indicar inestabilidad del proceso.

La relación AGV/AT (FOS/TAC) sirve como parámetro operativo, aunque no debe ser la única métrica de control.

Se han evaluado materiales de inmovilización como agar, alginato de calcio, poliacrilamida (PA) y alcohol polivinílico (PVA), junto con carbón activado en polvo (PAC) y resina DEAE. Mientras que la PA demostró una fuerte capacidad de proliferación microbiana, la resina DEAE mostró propiedades de sedimentación superiores. La cavitación ultrasónica mejora la deshidratación al interrumpir la estructura de los lodos, especialmente cuando se combina con tratamientos químicos como polielectrolitos o álcali.