Ver Patrocinadores

Ver organismos públicos que nos apoyan

  • Revista
  • Casos de éxito

Casos de éxito

Cuando se prueban las soluciones técnicas

Caso de éxito
banner-medium
Diseño para minimizar las emisiones de N₂O en la nueva planta de tratamiento y reciclaje de agua de Kalmarsundsverket (Suecia)

30/07/2026

Diseño para minimizar las emisiones de N₂O en la nueva planta de tratamiento y reciclaje de agua de Kalmarsundsverket (Suecia)

376
 

Introducción y planteamiento del problema

 
La empresa sueca de gestión del agua, Kalmar Vatten, está construyendo la principal planta de reciclaje urbano de Suecia, Kalmarsundsverket, como parte de su misión de realizar un tratamiento avanzado de las aguas residuales municipales y lograr la neutralidad climática, al tiempo que mejora la infraestructura hídrica.
 
Además de tratar las aguas residuales, esta innovadora instalación producirá agua reciclada para su uso futuro en riego e industria, producirá mejoradores de suelo certificados y generará biogás para calefacción y electricidad. Para Kalmar Vatten, abordar las emisiones de gases de efecto invernadero en la fase de diseño representa un paso crucial hacia la neutralidad climática, ya que las emisiones del proceso tienen un impacto significativo en su huella de carbono.
 
Kalmar Vatten contrató a AM-Team para integrar la minimización de las emisiones de óxido nitroso (N2O) en la fase de diseño de su nueva planta de tratamiento de aguas residuales Kalmarsundsverket.
 
El objetivo era comprender los mecanismos de formación de N2O en diferentes variantes de diseño e identificar las configuraciones óptimas de biorreactores que minimizaran las emisiones y maximizaran la eficiencia del tratamiento, plasmando así el principio de «mínimo N2O desde el diseño». AM-Team colaboró estrechamente con el proveedor de equipos (Xylem) y la empresa de ingeniería (Eliquo Malmberg Water) para encontrar soluciones de mitigación viables y eficaces.
 
“AMNOXA ™ nos permitió probar multitud de escenarios de diseño. Pudimos observar el efecto exacto de cómo las diferentes opciones de mezcla, estrategias de aireación y ubicaciones de dosificación de carbono afectaban la formación de N2O y el rendimiento de la planta” - Dr. Qing Zhao, Ingeniero de Procesos y Desarrollo, Kalmar Vatten.
 

Aspectos destacados del caso

 
  • Se adoptó un enfoque de "mínimo N2O desde el diseño" para minimizar la huella de carbono en la etapa de diseño de una nueva planta de tratamiento.
     
  • El modelo AMNOXATM visualizó el rendimiento de la planta y los puntos críticos de N2O en 3D y reveló dos riesgos dominantes de formación de N2O en los diseños de la nueva planta.
     
  • Con base en los resultados del modelado, se ajustaron elementos críticos del diseño: modificación del muro deflector, ubicación de la dosificación externa de carbono y estrategias de aireación.
     
  • La eficiencia de la planta se maximizó en paralelo con la minimización de N2O.
     
  • Los resultados del modelo también se utilizarán para determinar futuros puntos de monitoreo de N2O.
 

Autores

 

 

Solución y objetivos

 
El innovador enfoque de ingeniería digital permitió realizar pruebas virtuales de múltiples configuraciones de diseño, imposibles de evaluar in situ en una planta inexistente.
 
El uso óptimo de la información obtenida del modelo reduciría las emisiones y mejoraría la eficiencia desde el primer día de funcionamiento.
 
Los objetivos eran:
 
  • Comprender los mecanismos de formación de N2O en los nuevos diseños de biorreactores.
     
  • Optimizar la ubicación del mezclador y la aireación para minimizar la producción de N2O.
     
  • Pruebe y compare estrategias de mitigación para diversas opciones de diseño.
     
  • Determinar las ubicaciones óptimas de los sensores de N2O para el monitoreo futuro.
     
  • Integrar mejoras de eficiencia junto con reducciones de emisiones.
 


Acercamiento

 
El marco de modelado AMNOXA ™ de AM-Team se utilizó para una evaluación 3D integral de la nueva planta. AMNOXA ™ se basa en el manejo especializado de datos de tratamiento y en una combinación de modelado 3D y dinámico.
 
El modelo 3D utilizado en este proyecto consiste en un modelo de dinámica de fluidos computacional (CFD) basado en la física con biocinética integrada. Se consideran de forma realista la conversión de nutrientes y carbono, así como la producción, el transporte y la eliminación de N2O.
 
El enfoque de modelado (Figura 1) incluyó:
 
  • Geometría detallada del reactor, incluyendo todas las zonas, entradas, salidas, mezcladores y difusores.
     
  • Datos de diseño para dos escenarios: condiciones de puesta en marcha en 2027 (18.000 m³/d) y capacidad futura en 2050 (27.000 m³/d).
     
  • Análisis hidrodinámico para identificar patrones de mezcla y posibles problemas de reflujo.
     
  • Análisis de puntos críticos de N2O y sus causas raíz, identificando los factores locales que impulsan la producción de N2O.
     
  • Pruebas virtuales de escenarios de mitigación que incluyen la distribución del afluente, estrategias de aireación y optimización de la dosificación de carbono.
     
“El análisis de puntos críticos en 3D es una de las características clave de AMNOXA ™ , que permite optimizar las plantas de tratamiento biológico de manera muy eficaz” - Dr. Giacomo Bellandi, Líder Técnico, AM-Team.
 
 
 
Figura 1. En una primera etapa, se crearon modelos 3D de los diseños existentes, seguidos de un análisis hidráulico general (etapa 2) y un análisis biocinético (etapa 3). Este último permitió visualizar el rendimiento de la planta y la producción y emisión de N2O en 3D completo.
 
 

Resultados y conclusiones

 
Análisis de la causa raíz: comprensión de los mecanismos de formación de N2O
 
AMNOXA TM reveló las vías bioquímicas específicas que impulsan la formación de N2O en el nuevo diseño del reactor. Como se muestra en el mapa de calor de N2O de la Figura 2, se identificaron dos mecanismos principales que crean "puntos críticos de producción de N2O" locales:
 
  • Desnitrificación por AOB: Al comienzo de las zonas aeróbicas, los bajos niveles de oxígeno disuelto (OD) combinados con altos niveles de amoníaco desencadenarían que las bacterias oxidantes de amoníaco (AOB) produjeran N2O a través de la vía de desnitrificación. Esto fue particularmente evidente en las zonas (Figura 1) donde la transición de condiciones anóxicas a aeróbicas creó una zona donde los niveles de OD tuvieron dificultades para alcanzar el punto de ajuste rápidamente, proporcionando condiciones ideales para esta vía.
     
  • Desnitrificación heterótrofa: En zonas anóxicas donde la relación carbono/nitrógeno (C/N) era subóptima, la desnitrificación incompleta condujo a la acumulación de N2O como producto intermedio. El diseño inicial mostró una desnitrificación incompleta, particularmente en zonas donde la dosificación externa de carbono aún no se había mezclado y utilizado completamente por las bacterias heterótrofas, creando puntos críticos de producción de N2O.
     
 
Figura 2. Vista superior del reactor con análisis de puntos críticos de N2O. La producción de N2O por desnitrificación de AOB (arriba) indica una posible mejora en la distribución y estrategia de aireación. Los puntos críticos causados por la desnitrificación heterotrófica (abajo) muestran una alta actividad de producción de N2O en las proximidades de las tuberías de entrada.
 
“AMNOXA ™ es una solución que permite, de forma exclusiva, una mínima emisión de N2O desde el diseño. Esto es crucial, ya que no se dispone de datos de monitorización en la fase de diseño, pero aun así es necesario tomar decisiones importantes. Queríamos lograr un diseño con una mínima emisión de N2O integrada” - Dr. Qing Zhao, Ingeniero de Procesos y Desarrollo, Kalmar Vatten.
 
 

Optimización del diseño: Mínimo N2O por diseño

 
La importancia de minimizar el N2O en la etapa de diseño quedó patente al probar diversas configuraciones de reactor. Cada modificación de diseño pudo evaluarse en función de su impacto tanto en la formación de N2O como en la eficiencia general de la planta.
 
  • Mitigación de reflujos no deseados: El análisis hidrodinámico reveló reflujos significativos en algunas zonas anóxicas. El modelo mostró que ajustar la orientación del mezclador o las paredes deflectoras podría reducir los reflujos entre un 70 % y un 80 % sin comprometer la eficiencia de la mezcla. Este cambio de diseño mejoró los patrones de flujo y minimizó el riesgo de reciclaje de oxígeno no deseado hacia las zonas anóxicas, lo que habría exacerbado la producción de N2O a través de la vía de desnitrificación de las bacterias oxidantes de amonio (AOB). Finalmente, el consorcio del proyecto seleccionó el ajuste de las paredes deflectoras como la opción más viable para implementar en el diseño final.
     
  • Ubicación de la dosificación de carbono: Los resultados mostraron que la reubicación del tubo externo de dosificación de carbono mejoró la distribución del carbono y la completitud de la desnitrificación (Figura 3). Esta distribución uniforme del carbono —que solo se puede lograr mediante pruebas virtuales— mejoró tanto la mitigación de N2O (al garantizar una desnitrificación completa) como la eficiencia operativa (al optimizar el uso del carbono).
 
 
Figura 3. Distribución de la dosificación química con la ubicación de dosificación de carbono original (arriba a la izquierda) y optimizada (abajo a la izquierda). A la derecha, las curvas de distribución de volumen de la configuración optimizada muestran una mejora evidente en el logro de una mezcla casi completa (curva vertical).
 
  • Estrategia de aireación: Las pruebas virtuales revelaron que aumentar la aireación en la primera zona aeróbica (zona 8) redujo la actividad de desnitrificación de las bacterias oxidantes de amonio (AOB) en un 70 % (Figura 4a). Sin embargo, esto también incrementó la nitrificación general, lo que provocó mayores niveles de nitrato y la consiguiente producción heterotrófica de N2O en las zonas de aireación. Por lo tanto, el impacto neto sobre el N2O fue negativo (Figura 4b). Esto demostró la importancia de un diseño de sistema equilibrado en lugar de optimizaciones aisladas, una conclusión clave que guió las recomendaciones finales para las estrategias de control operativo.
 
 
Figura 4. Tras la optimización general del sistema, se utilizó AMNOXA ™ para identificar con mayor precisión vías específicas que permitieran reducir aún más la concentración de N2O . El ajuste de la aireación disminuyó la producción de AOB en un 70 % (a), pero afectó negativamente la producción de N2O por desnitrificación, lo que resultó en un aumento neto de N2O ( b). Por consiguiente, esta medida no se implementó.
 
 

Aumento de la eficiencia y mejora del rendimiento (3E: Emisiones, Efluentes, Eficiencia)

 
Las optimizaciones del diseño aportaron beneficios que van más allá de la mitigación del N2O. El principio de «mínimo N2O desde el diseño» condujo intrínsecamente a una planta más eficiente:
 
  • Mayor eficiencia de mezcla: Se lograron flujos inversos reducidos y patrones de mezcla más uniformes, lo que mejoró la cinética general del tratamiento y evitó el reciclaje de oxígeno que habría contribuido a la formación de N2O.
     
  • Optimización del uso del carbono: La optimización de la ubicación de la dosificación de carbono mejoró la eficiencia de la distribución, lo que significa que la misma cantidad de carbono externo logró mejores resultados de desnitrificación. Esto se traduce en posibles ahorros operativos gracias a un uso más eficaz de las fuentes de carbono, al tiempo que se reducen las emisiones de N2O derivadas de una desnitrificación incompleta.
     
  • Mejor calidad del efluente: Las estrategias de aireación equilibrada y dosificación de carbono, diseñadas para minimizar el N2O, también mejoraron la eficiencia de eliminación de nitrógeno. La desnitrificación completa implica una menor presencia de nitratos y una mejor calidad general del efluente, lo que respalda el objetivo de Kalmar Vatten de reducir el nitrógeno y el fósforo del efluente en al menos un 35 % en comparación con su antigua planta, al tiempo que se prepara para un futuro aumento en la carga de entrada.
     
“El análisis de puntos críticos realizado por AM-Team reveló dónde y cómo era probable que se produjera N2O. Al identificar y abordar esas causas raíz, pudimos mitigar el N2O basándonos en una metodología científicamente sólida” - Dr. Qing Zhao, Ingeniero de Procesos y Desarrollo, Kalmar Vatten.
 

Ubicación de los sensores para la monitorización futura

 
Dada la naturaleza compleja y dinámica del sistema con múltiples zonas de aireación oscilante, el análisis AMNOXA ™ identificó las ubicaciones óptimas de los sensores para el monitoreo futuro de N2O. El modelado reveló que las emisiones pueden variar significativamente durante las transiciones de condiciones anóxicas a aeróbicas y durante los picos de carga. Para un monitoreo integral, se recomendó un modelo dinámico o un gemelo digital para respaldar la optimización continua durante la operación de la planta.
 
 

Conclusión e impacto

 
Kalmar Vatten, los socios del consorcio Xylem y Eliquo Malmberg Water y AM-Team integraron con éxito principios de diseño climáticamente inteligente en la nueva planta de tratamiento de aguas residuales mediante el modelado AMNOXA ™. Al identificar los mecanismos de formación de N2O en la fase de diseño, pudieron optimizar las configuraciones del reactor antes de la construcción, materializando así el principio de «mínimo N2O desde el diseño».
 
Entre los logros más destacados se incluyen:
 
  • Comprensión integral de los mecanismos de formación de N2O específicos del nuevo diseño del reactor basada en un análisis de puntos calientes de N2O en 3D.
     
  • Optimizaciones prácticas del diseño: reducción del reflujo del 70-80% mediante el perfeccionamiento de la pared divisoria, la optimización de la ubicación de los puntos de dosificación de carbono y estrategias de aireación equilibradas.
     
  • Identificación de parámetros operativos críticos (punto de ajuste de OD en la primera zona aeróbica, optimización de la relación DQO/N) para la gestión continua de N2O.
     
  • Mejoras simultáneas en emisiones, calidad de los efluentes y eficiencia operativa: el enfoque 3E que respalda la visión más amplia de economía circular de Kalmar Vatten.
     
“Si bien el N2O suele recibir atención en las plantas de tratamiento existentes, se puede lograr un impacto significativo en su mitigación durante la etapa de diseño, antes de la construcción. AMNOXA ™ es la única solución que permite minimizar el N2O desde su diseño, a la vez que maximiza el rendimiento general de la planta” - Dr. Giacomo Bellandi, Dr., Líder Técnico, AM-Team.
 
AMNOXA ™ permitió evaluar exhaustivamente la planta antes de su construcción. Kalmar Vatten ahora puede poner en marcha su nueva planta con total confianza, sabiendo que está diseñada desde cero para minimizar las emisiones de N2O, a la vez que maximiza el rendimiento del tratamiento y la recuperación de recursos. Este proyecto establece un nuevo estándar para la infraestructura de aguas residuales respetuosa con el clima: diseñar soluciones que minimicen las emisiones desde el principio, en lugar de adaptarlas posteriormente.
 
[1] Desnitrificación de AOB: si bien se supone que las AOB nitrifican (NH4 + O2 → NO2 ) , también pueden crear N2O en condiciones de alto amoníaco y bajo oxígeno disuelto: NO2 + NH4 → N2O ( 'desnitrificación de AOB')
[2] Desnitrificación incompleta: mientras que se supone que las bacterias heterótrofas desnitrifican completamente (NO 3 + C → N 2 ), pueden detenerse en N 2 O en circunstancias limitantes de C (NO 3 + C → N 2 O)
 
 
 
Publicidad

Deja tu comentario

Comentarios Publicar comentario

No hay comentarios publicados hasta la fecha.

Volver
am team