Resumen de Electro-oxidación solar fotovoltaica (esof) de aguas residuales con carga orgánica
El desarrollo de nuevos procesos de tratamiento de aguas residuales con carga orgánica debe estar guiado por criterios de sostenibilidad que integren simultáneamente rentabilidad económica, aceptación social y protección del medio ambiente. La presente tesis doctoral estudia la integración de la energía solar fotovoltaica con criterios de sostenibilidad como estrategia en el tratamiento de aguas residuales con carga orgánica.
Los efluentes contaminados con materia orgánica biodegradable son tratados principalmente mediante procesos biológicos, caracterizados por ser poco intensivos en energía. Sin embargo, esta clase de tratamientos no son capaces de hacer frente a la presencia de sustancias biorrefractarias. Los procesos avanzados de oxidación, gracias a la intermediación de oxidantes fuertes, consiguen la degradación de la materia orgánica. De entre estos, los procesos basados en tecnología de electro-oxidación permiten la transformación de la materia orgánica en dióxido de carbono debido a la generación de radicales hidroxilos cuando en el electrodo adecuado se establece la suficiente diferencia de tensión entre ánodo y cátodo como consecuencia de la corriente eléctrica circulante, evitando la formación de lodos (procedentes de la reproducción y crecimiento microbiano) como sucede en procesos biológicos y de coagulación. De esta forma, con un nivel de conductividad suficiente en el efluente, se evita la necesidad de utilizar reactivos químicos y se elimina la necesidad de gestionar lodos. De entre los distintos materiales electródicos existentes, los electrodos fabricados en diamante dopado con boro son bien conocidos por favorecer la generación de radicales hidroxilos frente a reacciones secundarias al tiempo que presentan excelentes propiedades de resistencia mecánica y química. Sin embargo, la tecnología de electro-oxidación, al ser intensiva en energía eléctrica por unidad de volumen tratado, condiciona el perfil medioambiental de la tecnología en su comparación con otras tecnologías para efluentes biodegradables, al transferir los impactos entre los distintos compartimentos ambientales (elevado consumo energético frente a generación de lodos y consumo de reactivos). En este sentido, la intensificación del proceso de electro-oxidación mediante la integración de energía solar fotovoltaica para generar la corriente entre electrodos permite disponer de un proceso con emisiones mínimas de dióxido de carbono por unidad de volumen tratado resultando una opción que mejora el perfil medioambiental de los procesos convencionales de tratamiento, al utilizar energía renovable y evitar la generación/gestión de lodos y el consumo de reactivos químicos.
El objetivo de la presente tesis es demostrar la viabilidad tecnológica de un proceso integrado y autosostenible de Electro-Oxidación asistido por energía Solar Fotovoltaica (proceso ESOF) para el tratamiento de aguas residuales contaminadas con carga orgánica y evaluar la sostenibilidad ambiental del proceso ESOF al utilizar energía solar fotovoltaica frente a la energía de red en el proceso de electro-oxidación.
Para ello, en primer lugar se realizó un estudio a escala de laboratorio de la degradación del Carbono Orgánico Total en disoluciones de lignosulfonato (sustancia orgánica biorrefractaria empleada como modelo) en una planta de electro-oxidación a escala de laboratorio empleando corriente eléctrica de red. Los resultados obtenidos en modo discontinuo mostraron que existe una relación de tipo hiperbólico entre la constante cinética de eliminación de Carbono Orgánico Total y un parámetro theta que relaciona corriente aplicada y cantidad de materia orgánica. De esta forma, bajo altos valores de theta el proceso estará controlado por la transferencia de materia mientras que para bajos valores de theta, el proceso estará controlado por la corriente aplicada, ya que el proceso tiene lugar en dos etapas en serie: transporte hasta la superficie del electrodo y reacción en la superficie con los radicales hidroxilos.
En segundo lugar se estudió la degradación del Carbono Orgánico Total en disoluciones de lignosulfonato con corriente procedente directamente de módulos solares fotovoltaicos (proceso ESOF).
En tercer lugar se escala a planta piloto el proceso ESOF. Se instaló y adaptó una planta piloto de electro-oxidación con una capacidad de tratamiento 50 veces superior, siendo posible la alimentación con corriente continua y mediante energía solar fotovoltaica en la EDAR de Aguilar de Campoo (Palencia). De la comparación con los resultados obtenidos a escala de laboratorio para el tratamiento de lignosulfonato y aguas residuales urbanas procedentes de la EDAR con alimentación de red, se dedujo que el escalado del proceso y del consumo energético de la planta es posible por cuanto la configuración de los electrodos es similar en ambos equipos. La planta piloto fue capaz de operar en modo continuo, demostrando la viabilidad tecnológica del proceso de electro-oxidación de aguas residuales urbanas de baja carga orgánica y bajas conductividades (menos de 1 mS·cm-1) en continuo para una relación caudal por área de electrodo de 29 L·m-2·h-1, con eliminaciones superiores al 50% en Carbono Orgánico Total y Demanda Química de Oxígeno con una potencia eléctrica por unidad de área anódica de 0,80 kW·m-2, lo que conduce a un consumo energético específico para la electro-oxidación del orden de 25 kWh·m-3.
En cuarto lugar se ha empleado la metodología del Análisis de Ciclo de Vida para evaluar la sostenibilidad ambiental de la energía suministrada al proceso de electro-oxidación mediante corriente de la red y mediante energía solar fotovoltaica. Los resultados mostraron valores del orden de 0,5 kgCO2-eq.·kWh-1 y 0,2 kgCO2-eq.·kWh-1 para la red eléctrica española en 2007 y diferentes escenarios para el horizonte 2030 respectivamente. La energía procedente de módulos solares utilizando diferentes tecnologías fotovoltaicas arrojan valores del orden de 0,030 kgCO2-eq.·kWh-1 bajo irradiación en España para 2007 y de 0,010 kgCO2-eq.·kWh-1 considerando la evolución de las diferentes tecnologías fotovoltaicas en el horizonte 2030. Estos datos se pueden interpretar como una relación del orden 1/17 en la contribución al calentamiento global del suministro directo de energía integrada en el proceso de tratamiento por electro-oxidación frente al suministro de energía de la red en España.
