Cada any s’apliquen milions de tones de fertilitzant mineral als sòls agrícoles. Tanmateix, tot i les grans pèrdues que es produeixen entre “el camp i el plat”, l’aigua residual municipal encara és un concentrat dels nutrients consumits per la societat i a la vegada una font de nutrients per al medi aquàtic receptor. Fins ara, les depuradores convencionals s’han centrat en eliminar els nutrients per evitar els seu efectes nocius sobre el medi ambient. La creixent conscienciació sobre la naturalesa finita de la matèria primera per a fabricar fertilitzants està afavorint que es substitueixi l’eliminació per la recuperació. En la darrera dècada s’han implementat dues tecnologies per al tractament del licor resultant del fang digerit de depuradores, el “centrat”: la precipitació de fòsfor en forma d’estruvita i la nitritació parcial-anammox (PNA) com una alternativa eficient energèticament per a l’eliminació de nitrogen. No obstant això, ningú ha explorat l’acoblament de totes dues. La tesi doctoral de Sara Johansson’ titulada “Taking advantage of autotrophic nitrogen removal: Potassium and phosphorus recovery from municipal wastewater”, investiga ambdues rutes per aprofitar la PNA autotròfica per a la recuperació de productes rics en nutrients.

Ruta 1: Precipitació induïda biològicament en els grànuls PNA – Contràriament a la precipitació química d’estruvita, que s’indueix per addició d’una font de magnesi i controlant el pH amb stripping de CO₂ per aeració o a través de l’addició d’una base, aquest procés és induït per gradients de pH i substrat creats per les propietats físiques i químiques de la biomassa. La investigadora va cultivar grànuls amb un alt contingut de matèria inorgànica en un reactor PNA d’escala laboratori alimentat per centrat i el va caracteritzar químicament. L’anàlisi espectroscòpic va determinar que els grànuls tenien un contingut de 36% de P₂O₅, similar al de la roca de fosfat, i un rati Ca/P proper al de la hidroxiapatita. La presència d’hidroxiapatita cristal·lina es va confirmar per difracció de raigs X. L’espectrometria va determinar que el contingut en metalls pesants complia amb els límits de la Unió Europea per a fertilitzants, a més dels requisits per a la indústria del fòsfor. A més a més, degut a l’alt contingut de matèria inorgànica dels grànuls cultivats, la seva eliminació no interfereix ni amb les demandes de PNA del fang per a la inoculació ni amb la bio-activitat del reactor; i el cultiu és fàcil degut a la decantació gravitacional. Com que el mineral es forma sense l’addició de productes químics, aquesta ruta representa una alternativa innovadora per a recuperar fòsfor d’aigua residual.

Ruta 2: Recuperació de potassi fòsfor en forma d’estruvita potàssica – La precipitació d’estruvita potàssica ha d’estar precedida per una fase d’eliminació del nitrogen, ja que l’amoni té un efecte negatiu en la formació d’estruvita potàssica. En aquesta tesi s’ha demostrat que el procés PNA és adequat per a l’eliminació del nitrogen del centrat. Reactors a escala laboratori i planta pilot varen eliminar fins a un 85% d’amoni, la qual cosa va permetre la formació d’estruvita potàssica. En la co-precipitació d’estruvita amònica es va recuperar un producte multi-nutrient que contenia N, P i K. A banda, el consum de bicarbonat per la biomassa autotròfica va reduir l’alcalinitat en un 90%, la qual cosa supera amb escreix la capacitat d’stripping del CO₂ per aeració. Així, el procés PNA previ a la precipitació d’estruvita pot reduir dràsticament la dosi d’àlcali necessària per a controlar el pH. Malgrat que el potassi normalment és un factor de creixement limitant en ecosistemes terrestres, no contribueix a l’eutrofització i, per tant, a diferència del fòsfor i el nitrogen, no està regulat ni a nivell europeu ni nacional. De resultes, el destí del potassi en depuradores no està ben documentat. En la tesi també es va dur a terme una campanya de mostreig de la línia de fangs d’una planta Bio-P amb l’objectiu de fer un mapping del flux de nutrients, especialment de potassi, i determinar on és millor d’implementar processos de recuperació. Els resultats indiquen que els tres macronutrients segueixen rutes diferents dintre de la planta. El potassi és un ió petit i es lixivia amb facilitat; el nitrogen pot agafar formes diverses, incloent estats gasosos; i el fòsfor en forma de fosfat té baixa solubilitat en aigua. Sara Johansson ha estimat que un 80% de la càrrega diària d’entrada de potassi abandona la planta en l’efluent, mentre que un 85% del fòsfor d’entrada acaba en la fracció de fangs i surt de la planta a través dels biosòlids. Pel que fa al nitrogen, un 80% s’elimina en la fase biològica en forma de nitrogen gas. Finalment, es va realitzar un balanç de masses dels sòlids per calcular el flux de centrat de 198 m³ d^-1 (<1% del fluxe d’entrada de la planta) i un fluxe diari de 49 P^-PO₄^3-, 241 N-NH⁴⁺ i 85 kg K⁺.

Actualment el procés PNA s’implementa amb èxit com una alternativa d’eliminació de nitrogen del centrat eficient des del punt de vista econòmic, energètic i de petjada de carboni. Aquesta tesi doctoral vol ampliar la perspectiva sobre les possibilitats del procés PNA en depuradores. Així, la naturalesa autotròfica del procés en fangs fa que l’stripping biològic del CO₂ tingui una eficiència alta, mentre que les propietats fisicoquímiques del fang granular indueixen la cristal·lització biològica. Per tant, l’eliminació autotròfica del nitrogen pot comportar estalvis d’energia i productes química a la vegada que produir compostos rics en nutrients que poden ser retornats al sòl com a fertilitzant. No es pot negar, doncs, que el procés PNA pot contribuir a convertir les depuradores en biorefineries en el marc de l’economia circular. A més, aquesta tesi també vol ampliar la discussió sobre la recuperació de nutrients més enllà del fòsfor i el nitrogen, i fer créixer la conscienciació sobre la dependència de la importació de minerals per fabricar fertilitzants i contribuir a un sistema de producció i consum d’aliments molt més sostenible. La tesi s’ha desenvolupat al grup de recerca LEQUIA de la UdG i a les instal·lacions de l’empresa Aquafin (Bèlgica) en el marc de la xarxa europea de doctorats industrials Marie Sklodowska Curie “TreatRec” (Horizon 2020, GA 642904). Així, va ser dirigida pels Drs Jesús Colprim (UdG), Maël Ruscalleda (actualment a l’empresa Createch360) i Bart Saerens (Aquafin).