Evaluación y modelado de la transferencia de oxígeno con burbujas ultrafinas en el tratamiento de aguas residuales

Abstract

Se evalúa el potencial de la tecnología de burbujas ultrafinas (UFB) de oxígeno como alternativa a los sistemas convencionales de aireación en plantas de tratamiento de aguas residuales mediante lodos activados, con el objetivo de mejorar la eficiencia de transferencia de oxígeno y reducir el alto consumo energético del proceso. Se modela una planta municipal utilizando el software SuperPro Designer. El afluente presenta un caudal de 2.000 m³/h y una carga orgánica de 428 kgDBO₅/h. Se comparan tres escenarios de aireación: aire atmosférico, oxígeno puro y oxígeno inyectado mediante boquillas de burbujas ultrafinas (UFB O₂). La tecnología UFB se representa mediante un incremento del coeficiente volumétrico de transferencia de masa desde 4 h⁻¹ hasta 7,65 h⁻¹. Los resultados indican que la sustitución de aire por oxígeno reduce el consumo energético de aireación en un 50 %, mientras que el uso de UFB O₂ alcanza una reducción del 40 %, con una huella de carbono de 0,25 kgCO₂eq/m³ frente a 0,28 kgCO₂eq/m³ del caso base. La tecnología de UFB surge como una alternativa viable para optimizar energética y ambientalmente los procesos biológicos en el tratamiento de aguas. Proporciona una oxigenación más sostenida y contribuye a la reducción de emisiones. No obstante, su implementación requiere sistemas combinados de aireación y mezcla, así como validación a escala piloto, con un impacto moderado en la inversión de capital.

The potential of ultrafine oxygen bubble (UFB) technology is evaluated as an alternative to conventional aeration systems in activated sludge wastewater treatment plants, aiming to improve oxygen transfer efficiency and reduce the high energy consumption of the process. A municipal plant was modeled using the software SuperPro Designer. The influent flow rate is 2000 [m³/h], with an organic load of 428 [kg BOD₅/h]. Three aeration scenarios were compared: atmospheric air, pure oxygen, and oxygen injected through ultrafine bubble nozzles (UFB O₂). The UFB technology was represented by an increase in the volumetric mass transfer coefficient from 4 [h⁻¹] to 7.65 [h⁻¹]. The results indicate that replacing air with oxygen reduces aeration energy consumption by 50%, while UFB O₂ achieves a 40% reduction, with a carbon footprint of 0.25 kg CO₂eq/m³, compared to 0.28 kg CO₂eq/m³ in the base case. UFB technology emerges as a viable alternative to improve the energy and environmental performance of biological processes in water treatment. It provides more sustained oxygenation and reduces emissions. Its implementation requires combined aeration–mixing systems and pilot-scale validation, with a moderate impact on capital investment.