La tecnología de nanoburbujas puede ayudar a las plantas de tratamiento de aguas residuales a reducir dos importantes costes operativos: la energía destinada a la aireación y la dosificación de productos químicos, al tiempo que favorece una producción constante de agua limpia.
Esta tecnología genera burbujas de gas extremadamente pequeñas que permanecen en el agua durante más tiempo que las burbujas convencionales, aumentando las posibilidades de que el oxígeno o el ozono se disuelvan y participen en el proceso de tratamiento. Una transferencia de gas más eficiente puede reducir el caudal de aire necesario para el tratamiento biológico, mientras que una mejor oxidación y flotación puede reducir la demanda de productos químicos en aplicaciones adecuadas.
Estas ventajas cobran cada vez más relevancia a medida que aumentan los costes energéticos y las empresas de servicios públicos europeas se preparan para el objetivo de neutralidad energética del sector de las aguas residuales de la Unión Europea para 2045.
¿Qué es la tecnología de nanoburbujas?
Las nanoburbujas son burbujas de gas extremadamente pequeñas, generalmente definidas en la literatura sobre tratamiento de agua como burbujas con diámetros inferiores a aproximadamente 200 nanómetros. A esa escala, son invisibles a simple vista y miles de veces más pequeñas que un grano de sal convencional.
Estas pequeñas burbujas tienen una gran superficie en relación con su volumen, lo que aumenta el área de contacto disponible para la transferencia de gas.
Las burbujas convencionales, tanto gruesas como finas, ascienden a través de un tanque de aireación debido a que la flotabilidad las empuja hacia la superficie. El gas que no se haya disuelto cuando las burbujas alcanzan la superficie se libera a la atmósfera.
Las nanoburbujas tienen una flotabilidad muy baja y pueden permanecer suspendidas en el agua durante mucho más tiempo. También presentan una elevada relación entre superficie y volumen. Estas propiedades aumentan el contacto entre el gas y el líquido circundante, creando más oportunidades para que el oxígeno, el aire o el ozono se transfieran al agua.
¿Ozono u oxígeno?
La generación de nanoburbujas no constituye un único proceso de tratamiento. Tanto el gas utilizado como el objetivo del tratamiento son importantes.
Las nanoburbujas de oxígeno pueden favorecer el tratamiento biológico y el control del oxígeno disuelto. Las nanoburbujas de ozono pueden utilizarse cuando se requiere una oxidación o desinfección más intensa.
Dado que las nanoburbujas pueden mejorar la transferencia de gas y la oxidación, ayudan a que los procesos de tratamiento de aguas residuales funcionen con una menor demanda energética y química.
Cómo reducen las nanoburbujas los costes energéticos de la aireación
La aireación suele ser el proceso de mayor consumo energético en una planta de lodos activados. La tecnología de nanoburbujas actúa sobre esta carga mejorando la transferencia del oxígeno desde el gas inyectado hacia las aguas residuales.
Cuando se disuelve una mayor proporción del oxígeno suministrado, puede ser necesario utilizar menos gas para mantener la misma concentración de oxígeno disuelto.
Una mayor eficiencia en la transferencia de oxígeno puede reducir la cantidad de aire necesaria
La aireación convencional produce burbujas que ascienden a través del tanque. Cualquier gas que no se haya disuelto antes de que las burbujas lleguen a la superficie se pierde en la atmósfera.
Las nanoburbujas se comportan de forma diferente. Su elevada relación superficie-volumen, su baja flotabilidad y su estabilidad prolongada aumentan tanto la superficie como el tiempo disponibles para la transferencia de gas.
Los estudios experimentales han registrado, en determinadas condiciones de ensayo, un mayor rendimiento en la transferencia de oxígeno con nanoburbujas que con burbujas de mayor tamaño. Los resultados dependen del método de generación de las burbujas, la calidad del agua, el caudal de gas y la configuración del tratamiento.
Para una planta de tratamiento de aguas residuales, la implicación práctica es que puede necesitarse menos aire u oxígeno puro para alcanzar un objetivo determinado de oxígeno disuelto. Esto puede reducir la energía necesaria para producir y distribuir gas durante el tratamiento secundario, especialmente en procesos de lodos activados.
Una menor demanda de aire puede reducir el trabajo de los sopladores
La mayor parte de la electricidad utilizada en la aireación es consumida por los sopladores que suministran aire u oxígeno puro a las aguas residuales.
El aire de los sopladores también puede proporcionar mezcla y mantener los sólidos biológicos en suspensión, por lo que el caudal de aire no siempre puede reducirse en proporción directa a la demanda de oxígeno.
Cuando el proceso puede funcionar con un caudal de aire menor, los sistemas de sopladores compatibles pueden operar a una potencia inferior o durante menos tiempo. La reducción alcanzable depende, en parte, de los controles del soplador, de su capacidad de regulación y de los requisitos mínimos de mezcla del tanque.
La generación de nanoburbujas también consume electricidad, especialmente cuando el agua se bombea, recircula o presuriza. Por lo tanto, una evaluación energética fiable debe comparar la demanda total del sistema antes y después de la instalación.
El ahorro de los sopladores debe medirse después de contabilizar la energía utilizada por el generador de nanoburbujas.
La aireación consume una parte considerable de la electricidad de la planta
La proporción exacta varía en función del diseño de la planta y de los requisitos de tratamiento. El Departamento de Energía de Estados Unidos indica que la aireación suele representar más de la mitad de la energía utilizada por una planta de lodos activados, siendo los sopladores responsables de la mayor parte de este consumo.
Esto convierte el suministro de oxígeno en un objetivo lógico para mejorar la eficiencia. Sin embargo, no establece un porcentaje estándar de ahorro atribuible a la tecnología de nanoburbujas.
Un estudio revisado por pares sobre un sistema de biopelícula aireado con nanoburbujas registró aproximadamente un 80 % menos de energía de aireación que la configuración convencional utilizada en ese experimento.
Este resultado demuestra el potencial técnico en esas condiciones concretas, pero no debe interpretarse como un ahorro típico para el conjunto de una planta.
El ahorro real depende de la carga del influente, el diseño del tanque, los equipos de aireación existentes, el estado de los difusores, los controles de oxígeno disuelto, los requisitos de mezcla y el consumo del generador.
Cómo pueden reducir las nanoburbujas los costes químicos
Nanobubble technology is often described as chemical-free, but that phrase needs qualification. The system can deliver air, oxygen or ozone without adding conventional treatment chemicals. Whether it can eliminate a particular chemical depends on the contaminant, process stage and required effluent quality.
La tecnología de nanoburbujas suele describirse como un tratamiento sin productos químicos, pero esta afirmación requiere cierta precisión.
El sistema puede suministrar aire, oxígeno u ozono sin añadir productos químicos de tratamiento convencionales. Sin embargo, la posibilidad de eliminar un producto químico concreto depende del contaminante, de la etapa del proceso y de la calidad requerida para el efluente.
Existen dos formas principales en las que esta tecnología puede afectar a la demanda de productos químicos.
Una oxidación más eficiente puede sustituir o reducir determinados tratamientos químicos
El oxígeno y el ozono pueden oxidar determinados contaminantes orgánicos e inorgánicos. Las nanoburbujas mantienen el gas en contacto con el agua durante más tiempo, lo que puede mejorar el aprovechamiento del oxidante suministrado.
Las nanoburbujas de ozono también pueden favorecer vías de oxidación avanzada asociadas a especies reactivas del oxígeno. Estas especies altamente reactivas pueden contribuir a la degradación de algunos contaminantes orgánicos y microorganismos.
Su formación y efecto en el tratamiento dependen de la química del agua, la dosis de ozono, el pH y el diseño del proceso.
En una aplicación adecuada, esto puede reducir la dependencia de desinfectantes a base de cloro, productos químicos para el control de olores u otros oxidantes.
Sin embargo, no debe presentarse como un sustituto universal de la dosificación química sin realizar pruebas específicas para cada aplicación.
Las burbujas pequeñas pueden mejorar la flotación de partículas
Las nanoburbujas pueden adherirse a partículas finas y favorecer su agregación o flotación.
Las revisiones actuales identifican la flotación por aire disuelto asistida por nanoburbujas como una de las aplicaciones más avanzadas de esta tecnología en el tratamiento del agua.
Una mejor interacción entre las burbujas y las partículas puede reducir la cantidad de coagulante o floculante necesaria en algunos procesos de separación.
No obstante, la química de la flotación sigue siendo importante y las nanoburbujas no eliminan automáticamente la necesidad de acondicionamiento químico. El efecto debe demostrarse teniendo en cuenta los sólidos, surfactantes y coloides específicos presentes en las aguas residuales.
The safest commercial conclusion is that nanobubbles can create opportunities to optimise chemical dosing. They should not be described as eliminating all chemicals across an entire treatment plant.
La conclusión comercial más prudente es que las nanoburbujas pueden crear oportunidades para optimizar la dosificación de productos químicos. No deberían describirse como una tecnología capaz de eliminar todos los productos químicos de una planta de tratamiento completa.
| Característica | Burbujas finas convencionales | Nanobubbles |
| Tamaño de la burbuja | Generalmente medido en milímetros | Generalmente inferior a aproximadamente 200 nanómetros |
| Movimiento en el agua | Ascienden hacia la superficie | Flotabilidad muy baja y suspensión prolongada |
| Oportunidad de transferencia de gas | Limitada por el tiempo de ascenso y la profundidad del tanque | Mayor tiempo de contacto entre el gas y el líquido |
| Efecto energético | Depende de la eficiencia del difusor, el ensuciamiento y el control del soplador | Puede reducir el caudal de aire necesario, pero debe incluirse la energía del generador |
| Efecto químico | Principalmente suministra oxígeno para el tratamiento biológico | Puede favorecer la oxigenación, la oxidación con ozono y la flotación |
| Instalación | Utiliza infraestructura de difusores sumergidos y sopladores | Configuration vLa configuración varía y puede complementar los equipos de tratamiento existentesaries and may supplement existing treatment equipment |
Ahorro real y retorno de la inversión
No existe un periodo de retorno universal para un sistema de nanoburbujas.
La rentabilidad de una instalación depende de factores específicos de cada planta, como la carga orgánica, las tarifas energéticas, el estado de los difusores, la eficiencia de los sopladores y el consumo de productos químicos.
Un caso de negocio fiable debería establecer una línea base medida que incluya:
- El consumo eléctrico de sopladores, bombas y generadores.
- La demanda de oxígeno y la estabilidad del oxígeno disuelto.
- El consumo de productos químicos según el objetivo del tratamiento.
- Los costes de mantenimiento y sustitución.
- La capacidad de tratamiento y el rendimiento del efluente.
La evaluación posterior a la instalación debe utilizar los mismos límites del sistema. Contabilizar una reducción en la potencia de los sopladores y excluir el generador de nanoburbujas exageraría el ahorro.
Las plantas también deben considerar los gastos evitados
Una mejor transferencia de oxígeno puede ayudar a un proceso biológico limitado a admitir una carga adicional, mientras que una oxidación o flotación mejoradas pueden reducir la necesidad de construir nuevos tanques, instalar sistemas químicos u realizar otras ampliaciones.
Estos beneficios son valiosos, pero requieren datos de ingeniería y rendimiento específicos de cada planta.
PMnB ha documentado aplicaciones municipales en las que el tratamiento con nanoburbujas se integró en infraestructuras de aguas residuales existentes y se utilizó para mejorar el rendimiento del tratamiento, reduciendo al mismo tiempo la demanda energética
Cómo contribuye la aireación con nanoburbujas al objetivo de la UE para 2045
Para las empresas de servicios públicos que gestionan sistemas de alcantarillado y plantas de tratamiento de aguas residuales, mejorar la eficiencia de la aireación puede reducir una de las principales fuentes de demanda eléctrica y contribuir al cumplimiento de objetivos más amplios de neutralidad energética.
La Directiva revisada sobre el tratamiento de las aguas residuales urbanas establece un objetivo nacional de neutralidad energética para 2045 destinado a las plantas de tratamiento de aguas residuales urbanas que gestionen cargas iguales o superiores a 10.000 habitantes equivalentes.
También introduce auditorías energéticas periódicas y objetivos intermedios progresivos.
La obligación se aplica a nivel nacional, en lugar de exigir que cada planta alcance individualmente la neutralidad energética.
La generación de energía renovable es un elemento central del objetivo, pero la reducción de la demanda sigue siendo una parte importante del cálculo.
La electricidad que una planta deja de consumir reduce la cantidad de energía renovable que debe generarse o adquirirse para equilibrar el consumo del sector.
La aireación es un buen objetivo para reducir costes
Dado que la aireación suele constituir la mayor carga eléctrica del tratamiento con lodos activados, mejorar la eficiencia de la transferencia de oxígeno puede ser una medida práctica para reducir la demanda.
La aireación con nanoburbujas puede combinarse con la optimización de los sopladores, el control del oxígeno disuelto, bombas eficientes, la recuperación de energía de los lodos y la generación de energía renovable.
Por tanto, debe evaluarse como uno de los componentes de un plan energético más amplio para una planta o empresa de servicios públicos, y no como una vía independiente hacia la neutralidad energética.
Otras aplicaciones de las nanoburbujas en aguas residuales
Además de la aireación en procesos de lodos activados, las nanoburbujas pueden contribuir a distintos objetivos de tratamiento en las etapas de tratamiento primario y biológico:
- Control de olores y sulfuros: el oxígeno o el ozono pueden favorecer la oxidación de compuestos reducidos de azufre.
- Flotación y separación de sólidos: las burbujas pequeñas pueden mejorar el contacto con las partículas finas.
- Oxigenación de embalses y lagunas: el contacto prolongado con el gas puede ayudar a restablecer condiciones aeróbicas.
- Control de algas: el tratamiento basado en ozono puede favorecer la oxidación en masas de agua afectadas, ayudando a controlar las condiciones que provocan proliferaciones de algas.
- Biopelículas y tratamiento biológico: una mayor disponibilidad de oxígeno puede favorecer la actividad microbiana aeróbica.
El gas, la dosis y la configuración del sistema adecuados deben seleccionarse en función del problema específico de calidad del agua.
La misma tecnología puede utilizarse para tratar aguas residuales en procesos de tratamiento biológico, pulido terciario, control de olores y tratamiento de lagunas.
Preguntas frecuentes
Evaluar el sistema de tratamiento completo
La tecnología de nanoburbujas puede reducir los costes del tratamiento de aguas residuales cuando una mejor transferencia de gas se traduce en reducciones medibles de la demanda de aireación, la dosificación de productos químicos o las necesidades de infraestructura.
La oportunidad es mayor cuando el sistema se evalúa utilizando una línea base clara de consumo energético y rendimiento del tratamiento.
Hable con un ingeniero de PMnB para evaluar en qué puntos la oxigenación o la oxidación mediante nanoburbujas podrían mejorar el rendimiento de su proceso de tratamiento de aguas residuales.
