Proyecto All-gas. Cultivo de microalgas con producción de biocombustibles y eliminación de nutrientes

Este año el proceso de lodo activado cumple 100 años desde la primera publicación en Manchester en Abril 1914. Nadie contesta el efecto positivo de las miles de plantas de lodo activado en el mundo sobre los recursos acuaticos, pero a cambio de un consumo energético significativo alrededor de 0,5 kwh/m3 – y una producción de fango de 0,1 kg/m3, que tienen sus efectos secundarios sobre el medio ambiente. Este impacto indirecto puede ser cuestionado porque una materia prima con un potencial energético alrededor de 2 kwh/m3 se desaprovecha, y hay alternativas para recuperar mas recursos de las aguas residuales.

Las microalgas pueden tener un papel fundamental en el futuro de la valorización de aguas residuales. aqualia, consciente de ello, ha desarrollado un proceso de reuso de aguas residuales mediante cultivo de algas-bacterias que tiene las siguientes características:

1. Balance Energético Positivo:

Los tratamientos convencionales de fangos activos consumen una cantidad de energía importante, principalmente en la inyección de oxígeno para la degradación de la materia orgánica y eliminación de nutrientes, entre 0,2 y 0,4 kwh/m3. Las microalgas presentes en los cultivos mixotróficos algas-bacterias (fig 1.) pueden producir  el oxígeno necesario para que las bacterias degraden la materia orgánica y realicen el proceso de nitrificación, reduciéndose por tanto el consumo energético asociado a la inyección de oxígeno en estos procesos. Para conseguir un balance energético positivo en el proceso de cultivo con microalgas es importante:

• Utilizar lagunas abiertas de alta eficiencia energética: aqualia ha desarrollado un HRAP (High Rate Algae Process) optimizado, actualmente en proceso de patente, con cultivo mixotrófico de algas-bacterias. Este sistema mejora el paddle wheel convencional (fig.2).
• Cosechado de bajo coste.
• Producción de biocombustibles: Las algas pueden ser digeridas anaeróbicamente, produciendo biogás.

2. Incorporación de Nitrógeno (N) y Fósforo (P)

Durante su crecimiento fotosintético, las microalgas incorporan los nutrientes contenidos en las aguas residuales, siendo recuperados en el cosechado posterior. (García et al.,2006; Powell et al. 2009; Park and Craggs, 2010). Por otro lado los sistemas de cultivo con microalgas presentan elevados rendimientos de eliminación de N y P, cumpliendo las normativas más estrictas, evitando de esta forma los problemas de eutrofización por presencia de nutrientes en el vertido. Las lagunas  facultativas y madurativas utilizadas en depuración de aguas residuales tienen consumos energéticos muy reducidos, pero presentan bajos rendimientos de eliminación de N y P (fig.2).

3. Eliminación de patógenos

Las lagunas proporcionan la mayor eliminación de patógenos de entre todos los sistemas de tratamientos biológicos de aguas residuales (Ruiz-Marin et al., 2010; Schumacher et al., 2003; Wang et al., 2010).

4. Reducción de emisones CO2

La asimilación por las microalgas del CO2 producido por las bacterias, reduce la emisión de gases invernadero, asociado al tratamiento de aguas residuales. (Oswald et at. 1988).

5. Obtención de biomasa de valor

De las algas se pueden extraer biofertilizantes gracias a la asimilación de los nutrientes de las aguas residuales y el lenta liberación de los mismos en el proceso de fertilización, que ha sido probado consistentemente. (Olguín et al., 2003; de Godos et al., 2009; Mulbry et al., 2005).Tambien hay opciones de valorizarlos como fuente de proteína para nutrición animal (Zepka et al., 2010).

Descripción y objetivos del proyecto

Para el desarrollo de esta prometedora tecnología de reuso de agua, aqualia ha implementado en la depuradora de El Torno en Chiclana de la Frontera (Cádiz), cinco proyectos de investigación, desarrollo y demostración: FP7 ALL-GAS, CENIT VIDA, FP7 SWAT, INNPACTO DOWSTREAM e INNPRONTA ITACA.

El objetivo de los proyectos de algas de aqualia en Chiclana es el de modificar el enfoque tradicional de la depuración, convirtiendo las aguas residuales en un producto con valor a partir de un mero residuo costoso. Dicho de otro modo, estos proyectos se plantean sustituir las tecnología de depuración de lodo activado, de más de 100 años y que cuentan  con un elevado consumo energético y producción de fangos, por un nuevo sistema con balance energético positivo y la obtención simultánea de productos de valor a partir de la biomasa generada.

En concreto, el proyecto All-gas (www.all-gas.eu) se enmarca dentro del Séptimo Programa Marco (FP7) de la Comunidad Europea y de la Directiva de Energías Renovables 2009/28, que prevé en la UE un 20 % de reducción en la emisión de Gases Invernadero, por debajo de los niveles de 1990 y que un 20% del consumo de energía en la EU se obtenga de fuentes renovables.

De un total de 14 propuestas presentadas a la convocatoria Biofuels from Algae del FP7 (2 de Alemania, Francia, Israel, 6 de España,..) han sido seleccionados tres proyectos, uno de los cuales es el Proyecto All-gas, liderado por aqualia, que ha obtenido la máxima puntuación de la Comunidad Europea en aspectos como la excelencia científica y tecnológica y sostenibilidad a largo plazo.

El proyecto tiene un presupuesto de 11,8 M€, con 60%  de subvención de la EU, y será llevado a cabo por un consorcio formado por 5 empresas que aportan su experiencia en los distintos campos de actuación, de España, Holanda, Austria, Reino Unido y Alemania y un comité de expertos Internacionales (de EEUU, Nueva Zelanda, Reino Unido y la Universidad de Almeria en España). 

Objetivos del proyecto All-gas:

• Demostrar a escala industrial (10 hectáreas) el cultivo de algas con un balance energético positivo.
• Utilización de los nutrientes del agua residual para este cultivo de algas, evitándose de esta forma el aporte fertilizantes inorgánicos al cultivo. Habitualmente se estima que un 30% del coste de producción de los  biomasa en  fotobiorreactores es debido al aporte de fertilizantes al sistema.
• Producción de biocombustibles (biogás) a partir de las aguas residuales: flota de vehículos demostrativa. 
• Valorización de las algas no sólo energéticamente, sino con productos de alto valor añadido (biofertilizantes, proteína para nutrición animal, farmacéutico, cosmético, dietético, pigmentos, etc).

Para llevar a cabo los objetivos planteados, se ha realizado un diseño innovador que se presenta en el diagrama de flujo adjunto.

En el diseño a escala industrial, el agua residual procedente de la planta depuradora, tras el desarenado-desengrasado será bombeada a la nueva instalación. Las unidades de proceso son las siguientes:

1. Pretratamiento anaerobio mediante reactores del tipo UASB de las aguas residuales, previo al cultivo de algas.
2. Cultivo de algas mediante lagunas abiertas de alto rendimiento (HRAP), con inyección de CO2 y  sistema de agitación.
3. Cosechado de algas.
4. Digestores anaerobios de algas generadas.
5. Deshidratación y posible utilización como biofertilizantes.
6. Secado solar de la biomasa.
7. Caldera de biomasa a partir de biomasa externa limpia como hueso de aceituna para la generación del CO2 adicional necesario para el cultivo de algas.
8. Tratamiento del biogás generado, separándolo en sus dos componentes principales (Metano y CO2)  para su uso en una estación de servicio (biometano) y como fuente de carbono para el cultivo de algas (CO2).

Para garantizar el éxito final del proyecto, previamente a la instalación definitiva a escala industrial, se esta realizando  un intensivo plan de investigación, por lo que el proyecto se desarrollará en tres fases:

1) Piloto: investigación a pequeña escala. Durante los dos primeros años, actualmente en curso.

2) Prototipo: investigación a escala real. Durante el tercer año del proyecto. Actualmente en construcción.

3) Planta industrial: desarrollo a escala real. Del año 3 al año 5.

(Descargar para seguir con la lectura)

Reportaje publicado en el Nº169 Especial Bionergía 2013

Puedes descargar el Reportaje completo aquí