El óxido nitroso (N2O) es un gas de efecto invernadero que contribuye significativamente a la huella de carbono en el sector del agua, ya que ocasiona alrededor del 25% de las emisiones globales en este sector. El principal contribuidor a su generación son los procesos de eliminación biológica de nitrógeno en las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR).
Gracias al proyecto NITROUS, se ha realizado una evaluación exhaustiva del impacto de los factores de estrés ambiental en diferentes condiciones operativas sobre la generación de N2O. Para lograrlo, se han empleado técnicas de modelización para analizar con precisión los patrones de generación de N2O.
Los resultados de este estudio identifican las principales vías de mitigación del N2O mediante el funcionamiento y control de la EDAR. Esta estrategia basada en datos representa una herramienta prometedora para facilitar el control de las emisiones de N2O en EDAR y avanzar en la gestión sostenible de las aguas residuales.
En los últimos años, la creciente concienciación sobre el impacto ambiental de las actividades humanas ha impulsado la necesidad de buscar soluciones sostenibles en diferentes sectores, incluyendo el tratamiento de aguas residuales. Los reactores biológicos, ampliamente utilizados en estaciones de depuración de aguas residuales (EDAR), desempeñan un papel fundamental en la eliminación de contaminantes y la preservación de la calidad del agua. Sin embargo, estas instalaciones también pueden ser fuentes significativas de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), como el óxido nitroso (N2O), que contribuye al calentamiento global y al desgaste de la capa de ozono.
El N2O es un subproducto de los procesos de eliminación de nitrógeno, como la nitrificación y desnitrificación, que tienen lugar en los reactores biológicos. A medida que los microorganismos transforman los compuestos nitrogenados presentes en el agua residual, el N2O se libera a la atmósfera en fase gas. Dado su potencial de calentamiento global hasta 265 veces mayor que el dióxido de carbono (CO2) (IPCC, 2019), su gestión y reducción se han convertido en una prioridad en el sector del agua.
Los resultados de este estudio identifican las principales vías de mitigación del óxido nitroso mediante el funcionamiento y control de la EDAR.
En este contexto, la monitorización y gestión en tiempo real de la generación de N2O en los reactores biológicos emerge como una estrategia prometedora para identificar el origen de las emisiones y minimizarlas y, por lo tanto, reducir el impacto sobre el cambio climático de este tipo de instalaciones. Al emplear metodologías avanzadas y enfoques innovadores, es posible identificar los factores clave que influyen en su producción y tomar medidas correctivas de manera oportuna.
Motivos que desencadenan las emisiones de GEI
Las EDAR pueden emitir GEI de forma directa durante el tratamiento de las aguas. Algunos ejemplos serían la emisión de N2O durante la desnitrificación incompleta en los reactores biológicos, o la emisión de metano (CH4) y N2O debido al almacenamiento y la descomposición incontrolada de lodos. Para reducir estas emisiones, se pueden tomar medidas sobre la operación de las plantas como optimizar la desnitrificación y mejorar la gestión de los lodos.
Es por ello que, con el objetivo principal de plantear estrategias de mitigación, el primer paso consiste en estudiar las correlaciones entre los distintos parámetros que se monitorizan en una EDAR y la generación de N2O, concretamente en los reactores biológicos. De esta manera, se puede profundizar en las causas por las que se producen los picos de generación de N2O, analizando qué parámetros se pueden controlar para reducir estas emisiones y plantear nuevas estrategias de control operativo.
La importancia de la mitigación de N2O en EDAR
La depuración de aguas residuales es esencial para garantizar la óptima calidad del agua y proteger el medio ambiente, pero también es un núcleo de generación de emisiones directas de N2O que contribuyen a la huella de carbono. Esto afecta a las estrategias de neutralidad climática que impulsan las operadoras de aguas, ya que se enfrentan al desafío de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero asociadas a los procesos de depuración.
En cuanto a la legislación, actualmente en España no se dispone de ninguna regulación que aborde el control de emisiones de N2O en EDAR. Sin embargo, en un futuro cercano, se anticipan nuevas regulaciones que exigirán una mayor supervisión de la monitorización de N2O y la imposición de tasas por emisiones de carbono relacionadas con este proceso, como ya ocurre en otros países como Dinamarca. Este hecho se convierte en una oportunidad clave para aquellas operadoras que centren sus esfuerzos en buscar la neutralidad climática y la reducción de su huella de carbono.
Mitigar el N2O en las EDAR es esencial para abordar el cambio climático, cumplir con las regulaciones ambientales, mejorar la calidad del aire y la salud humana y promover la sostenibilidad.
Es importante destacar que existen tecnologías y prácticas disponibles para mitigar las emisiones de N2O en las EDAR. Estas incluyen sistemas de control y monitoreo de emisiones, optimización de procesos y el uso de tratamientos biológicos avanzados. Implementar estas medidas puede reducir significativamente las emisiones de N2O y mejorar la sostenibilidad ambiental de las EDAR.
En resumen, mitigar el N2O en las EDAR es esencial para abordar el cambio climático, cumplir con las regulaciones ambientales, mejorar la calidad del aire y la salud humana y promover la sostenibilidad. Es necesario invertir en tecnologías y prácticas que reduzcan estas emisiones y promuevan una gestión responsable de las aguas residuales.
En el año 2022, la generación de óxido nitroso (N2O), en las EDAR gestionadas por Aigües de Barcelona, se estimó en 2.261,2 tn CO2eq, equivalentes al 4,6 % del total de emisiones de depuración. Sin embargo, existe un alto grado de incertidumbre asociado a estas emisiones y campañas experimentales como las desarrolladas en el presente proyecto son necesarias para conocer su impacto real, pues se estiman pueden ser superiores. En investigaciones anteriores se constató que los gases son liberados a la atmósfera justo en el momento en que se realiza la aireación en el reactor biológico, lo que produce un desfase temporal y espacial que complica identificar relaciones operacionales. Estudios previos desarrollados por Aigües de Barcelona y Cetaqua, Centro Tecnológico del Agua, concluyeron que la captura o mitigación a través de un post-tratamiento del N2O en EDAR era técnicamente inviable debido a las bajas concentraciones en que se encuentran estos gases. Es por ello que, con motivo de reducir estas emisiones, se debería minimizar su generación en el origen, cuando aún están en fase líquida, a través de la modificación de parámetros operativos en los reactores. Este será el objetivo que perseguirá el presente proyecto NITROUS.
El objetivo principal del proyecto NITROUS es monitorear y entender las emisiones de N2O en la ecofactoría de Sant Feliu de Llobregat, que gestiona Aigües de Barcelona, y reducir su huella de carbono.
El objetivo principal del proyecto NITROUS es monitorear y entender las emisiones de N2O en la ecofactoría de Sant Feliu de Llobregat, que gestiona Aigües de Barcelona, y reducir su huella de carbono.
Para ello se ha planteado:
En noviembre de 2021, Aigües de Barcelona publicó su Política de Acción Climática, que reafirma el compromiso de la compañía ante la emergencia climática. En ella, Aigües de Barcelona define la hoja de ruta hacia la neutralidad climática, que fija 2050 como año límite para alcanzar la neutralidad, y un objetivo intermedio de reducción del 55% de sus emisiones de GEI para el 2030, respecto a las emisiones de 2019.
Así, el monitoreo y control de N2O en las EDAR resulta esencial para alcanzar los mencionados objetivos de descarbonización.
Para el desarrollo del estudio se seleccionó la ecofactoría de Sant Feliu de Llobregat (Barcelona, España), ya que resulta un caso de estudio ideal al contar con procesos de eliminación biológica de nitrógeno y digestión anaerobia de lodos. La ecofactoría está diseñada principalmente para tratar aguas residuales domésticas e industriales, con una población equivalente de 373.333 habitantes y un caudal medio de diseño de 64.000 m3/día (46.693 m3/día y 17.042.783 m3/año durante 2022).
1. Monitorización
Para poder monitorizar las emisiones de N2O a tiempo real se ha instalado en uno de los reactores biológicos dos sensores electroquímicos que miden N2O disuelto en agua, junto con un analizador de gases que mide N2O en fase gas. La campaña de monitorización tiene una duración prevista de 10 meses (de febrero a diciembre de 2023).
Los sensores van conectados a un controlador programable que almacena los datos de concentración de N2O de forma instantánea. El analizador de gases se ha conectado a una campana flotante ubicada cerca de uno de los sensores en el reactor.
En paralelo, se compila información sobre la operación de la ecofactoría como datos a tiempo real de caudales de entrada y recirculaciones, calidad del agua, condiciones de aireación en los reactores, etc.
Con la finalidad de obtener los datos necesarios para llevar a cabo el proyecto, se plantea una campaña, de una duración mínima de 10 meses, para recoger condiciones representativas de verano y de invierno y tener en cuenta las diferentes condiciones diurnas y estacionales de operación durante un período representativo. Durante este, Cetaqua realiza las tareas de mantenimiento y calibración de los sensores necesarios y la recogida de datos, así como la resolución de incidencias para garantizar la obtención de datos de calidad.
2. Análisis de datos
Durante este período, los datos recopilados son sometidos a un riguroso proceso de análisis mediante un sistema avanzado que engloba técnicas de minería de datos y de estadística compleja. El propósito principal de este proceso es la creación de un modelo matemático basado en machine learning - aprendizaje automático - que sea capaz de anticipar las emisiones.
Además, se ha analizado qué parámetros operativos son más relevantes y cómo estos influyen e interaccionan en la generación de N2O.
3. Modelo de soporte
Con los resultados obtenidos, se está desarrollando un modelo de soporte a la toma de decisiones que permitirá optimizar la operación de la ecofactoría para minimizar emisiones de N2O y, en consecuencia, reducir la huella de carbono.
El desarrollo, mejora e implementación de nuevos modelos como el planteado en el proyecto NITROUS es clave para la digitalización del sector y para conseguir los compromisos de reducción de emisiones de gases de efecto invernadero y, en consecuencia, de neutralidad climática.
Los resultados obtenidos hasta la fecha han permitido predecir las concentraciones de N2O en el reactor biológico de la ecofactoría a diez minutos vista.
Mediante las técnicas de machine learning se han investigado comportamientos locales durante diferentes períodos de tiempo. Concretamente, se ha observado la contribución de cada variable operacional en el modelo predictivo. Los resultados pusieron de manifiesto que la temperatura, las concentraciones de amonio y el oxígeno disuelto presentes en el reactor biológico son características vitales para el modelo y, en consecuencia, las que más influyen en las dinámicas de generación de N2O.
Mediante el proyecto NITROUS, Aigües de Barcelona consolida los conocimientos sobre las dinámicas de generación de emisiones de gases de efecto invernadero en las plantas de tratamiento que gestiona. De este modo, la operadora se posiciona como actor referente en el camino hacia la transición ecológica, siguiendo la hoja de ruta marcada para alcanzar la neutralidad climática (emisiones de GEI iguales o inferiores a cero) antes de 2050.
Bajo esta premisa, los impactos perseguidos en el proyecto NITROUS han sido los siguientes:
El sector del agua, igual que otros sectores, se ve obligado a adaptar su estrategia y definir mecanismos que permitan mitigar su contribución al cambio climático y adaptarse a los impactos y consecuencias del mismo.
La sinergia entre los resultados de este proyecto y las interacciones con actores clave en el sector del tratamiento de aguas residuales ha generado un valioso conjunto de hallazgos que identifican nuevas áreas de investigación, desarrollo e innovación (I+D+i) a ser implementadas en las instalaciones gestionadas por Aigües de Barcelona.
El desarrollo de algoritmos y nuevos modelos de control dirigidos a mitigar en tiempo real la generación de N2O en EDAR es un campo aún en desarrollo y con muchas posibilidades de mejora. Como siguientes pasos, se evaluará la posibilidad de implementar estos modelos de control desarrollados directamente en el sistema de control y operación de la EDAR para poder validar su funcionamiento y evaluar el potencial real de reducción de emisión de GEI a través de un seguimiento en tiempo real.
El desarrollo, mejora e implementación de nuevos modelos como el planteado en el proyecto NITROUS es clave para la digitalización del sector y para conseguir los compromisos de reducción de emisiones de gases de efecto invernadero y, en consecuencia, de neutralidad climática.
Al equipo de investigación experto en modelización: Evina Katsou, Nilay Sayi Ucar, Kyriakos Kandris y Vasileia Vasilaki, del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental de la Universidad de Brunel, Londres.
También a todos los integrantes de Aigües de Barcelona que conforman el equipo de la ecofactoría de Sant Feliu de Llobregat.
REFERENCIAS
Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), 2019. Resumen para responsables de políticas: Cambio climático y tierra. Contribución del Grupo de Trabajo II al Sexto Informe de Evaluación del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático. Disponible en: https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/sites/4/2020/06/SRCCL_SPM_es.pdf (última consulta 06/09/2023)
Artículo de Miguel García Martínez, Cetaqua; Laura Flores Rosell, Cetaqua; Yago Lorenzo-Toja, Cetaqua; Mario Ruiz Mateo, Aigües de Barcelona; Eva León González, Aigües de Barcelona; Nuria Basset Olive, Aigües de Barcelona y Marta Bromsons Plana, Aigües de Barcelona.
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