Cuantificación de la emisión, impacto y control odorífero derivado del tratamiento de aguas residuales municipales

Abstract

En la sociedad actual, especialmente en los países más desarrollados, no se concibe una urbe donde no se realice un adecuado tratamiento de las aguas residuales, previamente canalizadas hasta una estación depuradora (EDAR). Sin embargo, el impacto odorífero de este tipo de instalaciones es fuente de frecuentes quejas y protestas en las áreas residenciales cercanas a las mismas, debido a que la contaminación por olores puede causar importantes efectos negativos sobre la salud humana y el medio ambiente. Dicha contaminación suele derivar de la presencia de compuestos orgánicos volátiles (COV) y otros nitrogenados o sulfurados en las emisiones gaseosas de las EDAR, algunos de los cuales presentan umbrales olfativos muy bajos (ppb o ppt). En el marco de la economía circular, abordar las prioridades sociales con un enfoque múltiple es una de las directrices marcadas por todas las instituciones gubernamentales. Siguiendo esa dinámica, este trabajo de investigación se ha centrado en dos retos sociales marcados por la Unión Europea: “Acción por el clima, eficiencia de recursos y materias primas” y “Energía segura, limpia y eficiente”. El tratamiento integral del agua residual en las EDAR, y todos los factores asociados a él, forman parte del primer reto, lo que incluye, por tanto, la correcta gestión de las emisiones odoríferas contaminantes. En este sentido, en la presente Tesis Doctoral se ha abordado el origen, cuantificación y modelado de la dispersión de dichas emisiones, así como su control a través de dos tecnologías de desodorización: la adsorción mediante carbón activo granular (CAG) y la biofiltración. En el primer bloque de este trabajo, se ha realizado una comparación entre dos EDAR urbanas de pequeño-mediano tamaño con diferentes tecnologías biológicas y ampliamente implantadas en el tratamiento secundario de las aguas residuales (fangos activos de aireación prolongada y biodiscos), demostrando que el modo de operación y el consecuente contenido bacteriano de los lodos generados tienen gran influencia en el impacto odorífero resultante. Por otra parte, también se ha estudiado la emisión odorífera de una EDAR urbana de gran tamaño (950.000 habitantes equivalentes) que dispone de desodorización mediante CAG. Así, se ha cuantificado la emisión de sus principales puntos críticos de olor, con el añadido de estimar el impacto odorífero que en su conjunto produce la EDAR en zonas colindantes. Dicho objetivo se ha alcanzado a través del desarrollo de un modelo de dispersión Euleriano, demostrándose de forma satisfactoria cómo varía de forma cuantitativa dicho impacto en función de las diferentes estaciones del año. En un segundo bloque, gracias al estudio del CAG contaminado (procedente de distintos emplazamientos en la desodorización de la EDAR urbana mencionada con anterioridad), desde diferentes perspectivas como la olfatométrica, fisicoquímica y textural, así como al análisis cuantitativo de los compuestos volátiles retenidos, se ha profundizado en la comprensión del proceso de eliminación de olores en EDAR mediante la tecnología de adsorción. Sin embargo, una vez cubierta su función, el citado material adsorbente es catalogado como residuo peligroso y generalmente termina siendo depositado en vertedero sin tratamiento ni valorización alguna. Entre las alternativas de valorización, la regeneración térmica del CAG en atmósfera inerte es la más utilizada a escala industrial, pero las complejas condiciones en las que es necesario realizarla hacen que actualmente su depósito en vertedero siga resultando la opción más económica, puesto que, aunque el producto resultante sea de valor añadido, el coste de implantación de un proceso supone la inversión en la nueva instalación, sumado a los costes de operación para mantener las condiciones inertes y el aporte energético, dado que se requieren altas temperaturas de operación. Todo ello, hacen poco atractiva la inversión en este sistema de valorización. Además, transportar el CAG contaminado a otras localizaciones geográficas alejadas incrementa aún más el coste de regeneración haciendo poco escogida esta opción. En este contexto, este trabajo ha permitido demostrar que la regeneración térmica oxidativa del CAG procedente de la desodorización, a bajas temperaturas comprendidas entre 250 y 350ºC, constituye una alternativa más simple y económica que la citada anteriormente, al objeto de obtener carbones regenerados cuyas propiedades texturales y estructurales hacen que sean susceptibles de ser reutilizados como rellenos adsorbentes de olores en EDAR. Desde una perspectiva también circular, y dando respuesta al reto “Energía segura, limpia y eficiente”, en este segundo bloque se ha enlazado el problema de la generación de residuos en forma de carbón activado contaminado de las EDAR con la necesidad de materiales carbonosos para la nueva generación de baterías de litio-azufre (Li-S), las cuales han ido adquiriendo gran importancia, hasta el punto de convertirse en un sistema de almacenamiento de energía muy efectivo. Con esta investigación, se ha conseguido demostrar el notable rendimiento electroquímico obtenido en baterías Li-S usando electrodos preparados a partir de carbones procedentes de la regeneración oxidativa de carbones activados procedentes del control de emisiones olorosas de EDAR. De esta manera, se ha demostrado que, tras un proceso sencillo y económico de regeneración en atmósfera oxidativa (aire), también es posible obtener carbones con excelentes propiedades para permitir una segunda aplicación de los mismos en el desarrollo de baterías Li-S sostenibles. Finalmente, en el tercer y último bloque, se ha abordado la eliminación mediante biofiltración de dos compuestos gaseosos presentes de forma habitual en las emisiones odoríferas de EDAR: ácido butírico y D-limoneno. Para ello, se han realizado experimentos de biofiltración a escala piloto con diferentes rellenos (virutas de madera de forma exclusiva o mezcladas con compost estabilizado de lodos de EDAR), estudiando la influencia que tienen tanto el material de relleno como la naturaleza del compuesto a eliminar mediante biofiltración en las eficacias de eliminación de olor de los diferentes biofiltros seleccionados. Todo ello acompañado de análisis microbiológicos que han permitido cuantificar los microorganismos aerobios que sobreviven durante la experimentación, así como la identificación taxonómica de las comunidades bacterianas presentes en los rellenos de los biofiltros, con el objetivo de evaluar la evolución de estas comunidades microbianas cuando se exponen a corrientes gaseosas independientes de ácido butírico y D-limoneno. Gracias a la presente Tesis Doctoral, se aporta nueva y relevante información, así como conocimiento científico que puede servir de apoyo para una correcta implantación y gestión de EDAR, sobre todo en la línea de olor, línea menos estudiada frente a las líneas de aguas y lodos. Además, este trabajo tiene una repercusión muy favorable sobre el medio ambiente, en tanto que contribuye a profundizar en el conocimiento sobre las emisiones odoríferas generadas en las EDAR y su minimización, así como en la búsqueda de alternativas de valorización de los residuos que se generan en el tratamiento de tales emisiones contaminantes.

Wastewater treatment is essential for the development of cities in today's society, especially in the most developed countries. Nevertheless, the odour impact of wastewater treatment plants (WWTPs) is the source of many complaints and protests in nearby residential areas, since odour pollution can cause significant negative effects on human health and the environment. This is due to the large number of volatile organic compounds (VOCs) and other nitrogenous or sulphur compounds contained in the gaseous emissions derived from such facilities, some of which have very low odour threshold values in terms of ppbv or pptv. In the context of the circular economy, addressing social priorities with a multiple pproach is one of the guidelines set by all government institutions. In this regard, this research work focuses on two societal challenges set by the European Union: "Climate action, environment, resource efficiency and raw materials" and "Secure, clean and efficient energy". The integral wastewater treatment carried out in WWTPs, and all the factors associated with it, are part of the first challenge, which therefore includes the adequate management of odour pollution. In this sense, this Doctoral Thesis has addressed the origin, quantification and modelling of the dispersion of odour emissions, as well as their control through two deodorisation technologies: adsorption by means of granular activated carbon (GAC) and biofiltration. In the first section of this research study, two small-medium sized municipal WWTPs, based on activated sludge process (extended aeration) and rotating biological contactors as biological treatments, were comparatively evaluated, demonstrating that the biological wastewater treatment technology and the consequent bacterial content in the sludge generated have a marked influence on the odour impact of such facilities. On the other hand, the odour emission from a large urban WWTP (950,000 equivalent inhabitants), with deodorisation thorough GAC, has also been studied. Thus, the emission from the most critical odour sources has been quantified, also estimating the odour impact that this WWTP has in neighbouring areas. This objective has been achieved through the development of an Eulerian dispersion model, successfully demonstrating how such impact varies quantitatively depending on the different seasons of the year. In the second section, physicochemical, olfactometric and textural characterizations of the GAC used by the above mentioned facility as odour treatment system at four different stages, as well as the chromatographic quantification of the retained odoriferous compounds, have been carried out in order to better understand the odour removal process by GAC adsorption. However, when the lifespan of GAC used in deodorisation is completed, it becomes hazardous industrial waste, which is mostly discarded in landfills. Among the recovery technologies of such waste, thermal regeneration in inert atmosphere is the most widely used one at industrial scale, but the complex conditions in which it is necessary to carry it out entail that landfilling continues to be the most economical alternative nowadays, although the resulting product has added value. This is due to the fact that implementing a process involves investing in the new installation, added to the operational costs to maintain the inert conditions and the energy input, since high operating temperatures are required. For those reasons, such recovery technology is not an attractive alternative for facilities that use CAG routinely. In this context, this study has proven that the oxidative thermal regeneration of GAC derived from deodorisation, at low temperatures between 250 and 350 ºC, constitutes a simpler and cheaper alternative than its counterpart in an inert atmosphere to obtain regenerated carbons whose textural and structural properties make them susceptible to being reused as odour adsorbents in WWTPs. Furthermore, from a circular perspective as well and responding to the challenge “Secure, clean and efficient energy”, the problem of the generation of waste in terms of contaminated activated carbon from WWTPs has been linked to the need for carbonaceous materials for the sustainable development of emerging energy storage systems, such as lithium-sulphur (Li-S) batteries. In this sense, this PhD Thesis demonstrates the remarkable electrochemical performance of Li-S batteries using electrodes prepared from carbon from the oxidative thermal regeneration of activated carbons used in WWTP deodorisation. In this way, it has been shown that, after a simple and economical process of regeneration in air atmosphere, it is also possible to obtain carbon with excellent properties for contributing to the development of sustainable Li-S batteries. Finally, in the third and last section, the removal through biofiltration of two gaseous compounds commonly present in odour emissions derived from WWTPs, butyric acid and D-limonene, has been evaluated. For this purpose, several biofiltration experiments have been carried out on a pilot scale with different packed beds (wood chips exclusively or mixed with sewage sludge compost), studying the influence of the biofiltered compound as well as the filter bed on the odour removal performance. The study has been successfully complemented with microbiological monitoring to quantify the aerobic microorganisms that survived during the experimentation, as well as the taxonomic identification of the bacterial communities present in the above mentioned packing materials, with the aim of evaluating the evolution of such communities when they are subjected to separate gaseous streams of butyric acid and D-limonene. As a result of this Doctoral Thesis, new and relevant results are provided, as well as scientific knowledge that might serve as support for an adequate implementation and management of WWTPs, especially in the odour line, which is a less studied field compared to the wastewater line and sludge line. In addition, this research study has a significant favourable impact on the environment, since it contributes to deepen the knowledge on odour emissions derived from WWTPs and their minimization, as well as on the search for alternatives to recover waste generated in the treatment of such polluting emissions.