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Lagunaje 2.0: cosechando microalgas/depurando aguas residuales (y II)

Sobre el blog

Juan José Salas
MÉDICO DEL AGUA y DOCTOR EN QUÍMICA. 40 años de experiencia en el tratamiento de las aguas residuales, especialmente de los vertidos generados en las pequeñas aglomeraciones urbanas. En la actualidad: Jubilado pero Activo (JpA)
  • Lagunaje 2.0: cosechando microalgasdepurando aguas residuales (y II)

Ciclo simbiotico en el que se basa la ficodepuración.

En la anterior entrega del post Lagunaje 2.0, el Dr. Perales nos había introducido en el tratamiento de las aguas residuales mediante el cultivo de microalgas (ficodepuración), hablándonos de sus fundamentos, de los tipos de reactores que se emplean y de las principales ventajas e inconveniente de este proceso. En esta segunda entrega, continuamos con la entrevista.

MdA.- José Antonio, ¿cuáles son las principales aplicaciones de la biomasa algal cosechada?

JAP.- Cuando hablamos de biomasa algal generada, empleando como medio de cultivo aguas residuales, los usos quedan limitados, por cuestiones regulativas,  a la producción de biocombustibles,  bioplásticos y biofertilizantes.

Los principales aplicaciones de la biomasa algal se orientan a la producción de biofertilizantes, bioplásticos y biocombustibles

Los biofertilizantes, basados en biomasa algal, tienen propiedades que aceleran los procesos microbianos del suelo y mejoran la asimilación de nutrientes por parte de las plantas. Entre los compuestos que poseen estos biofertilizantes se encuentran compuestos activos extracelulares, vitaminas, aminoácidos, fitohormonas y compuestos bactericidas. Su uso puede reducir el uso de fertilizantes minerales y evitar el deterioro de los suelos, además es un fin muy adecuado para sistemas aplicados en entornos rurales.

En cuanto a los bioplásticos, la posibilidad de obtener PHA (polihidroxialcanoatos), o ácido poliláctico como subproductos de la depuración de aguas residuales, permite abrir una vía hacia procesos productivos circulares, sin suponer un coste de producción más alto que los del producto derivado del petróleo, que se pretende sustituir. A pesar de que por esta fuente jamás se alcanzará la productividad necesaria para abastecer las demandas mundiales, esta vía se presenta como un complemento más verde a los productos derivados del petróleo, reduciendo así el uso de los precursores poliméricos convencionales.

Por último, la biomasa algal puede ser materia prima para producir biocombustibles, desde biohidrógeno y bioetanol procedentes de la fermentación de los carbohidratos de la biomasa, biodiesel, a partir de la fracción lipídica, o biogás a partir de la digestión anaerobia de toda la biomasa.

Actualmente, la vía más prometedora parece ser la de la transformación de la biomasa en biogás en un digestor anaerobio. La ventaja que presenta esta vía es que la biomasa no necesita estar completamente seca para ser digerida, reduciendo el consumo energético de la etapa de cosechado. En general la producción de biogás a partir de biomasa de microalgas es inferior a la que se obtiene de la digestión a anaerobia de lodos de EDAR debido, principalmente, a la baja biodegradabilidad de la pared celular de las microalgas, siendo necesario someter la biomasa a pretratamientos para mejorar si digestibilidad.


Bioferti¡lizante de biomasa algal (Fuente: Universidad de Almería)

MdA.- ¿De qué productividades hablamos?

JAP.- Un HRAP de gran escala (>200 m3) tiene productividades de unos 12-40 g SS·m2/d (Park et al., 2011) dependiendo en gran medida de la especie cultivada, el clima y el modo de operación. Por lo general, la concentración de biomasa en el medio, cuando se tratan aguas residuales se suele mantener en torno a 0,2-0,4 g SS/L (Arbib et al. 2015; Mehrabadi et al. 2016).

MdA.- ¿En qué estado se encuentra actualmente esta tecnología y cuales son perspectivas futuras?

JAP.- Actualmente se sigue investigando en esta tecnología innovando en nuevos fotobiorreactores y modos de operación, que reduzcan el tiempo de residencia o que separen el tiempo de retención celular del hidráulico, para así disminuir la demanda de espacio. Por otro lado, también se trabaja en la búsqueda de nuevos procesos de cosechado y preconcentración, junto con un mejor conocimiento de la relación entre las condiciones de cultivo y la decantabilidad de la biomasa, todo ello orientado a reducir el coste de la etapa más energéticamente exigente del proceso.

MdA.- ¿Este tratamiento elimina también nutrientes y patógenos?

El uso de microalgas como tratamiento de depuración elimina de forma eficaz las distintas especies de nitrógeno y el fósforo, tanto de forma biótica, incorporándolas a la biomasa, como por fenómenos abióticos, como la precipitación de fosfatos o el stripping de amoniaco, originados por una alta actividad fotosintética, que produce un incremento en el pH del medio.

La eliminación de patógenos y de otros contaminantes tiene lugar por desinfección solar, la alta exposición a la radiación ultravioleta, el incremento del pH y la sobre-oxigenación del medio pueden provocar la fotolisis y oxidación de algunos patógenos y contaminantes (Muñoz y Guieysse, 2006).

Además, hay estudios que demuestran que mediante este tratamiento se eliminan también metales pesados (Wilde y Benemann, 1993; Yu y Wang, 2004), fármacos (Villar-Navarro et al., 2016; Wang et al., 2017) y, de forma general se consigue una mayor detoxificación del agua residual (Díaz-Garduño et al., 2017).

MdA.- ¿Sería de aplicación la ficodepuración para el tratamiento de las aguas residuales generadas en las pequeñas aglomeraciones urbanas?

JAP.- La estrategia comentada previamente, de utilizar un cultivo en simbiosis microalgas-bacterias para tratar agua pretratada, sería de aplicación en pequeñas aglomeraciones, ya que la operación no sería muy complicada.

MdA.- Actualmente participas con tu Grupo junto a CENTA y otros centros de investigación y organismos públicos en el proyecto IDIAQUA, ¿en qué consiste vuestra participación?

JAP.- En este proyecto se pretende potenciar la investigación en la depuración de aguas residuales de pequeños municipios. Entre las actividades de nuestro grupo se encuentra la elaboración de un documento de estado del arte de la depuración de aguas residuales mediante el uso de microalgas, adaptándolo a las condiciones de los pequeños municipios, también proponer mejoras para el fotobiorreactor HRAP que se encuentra en las instalaciones del CENTA y  la realización de una estancia de investigación allí, de forma que a partir de los frutos de las investigaciones realizadas con ese fotobiorreactor se elaborare un manual de arranque y operación para estos equipos.

MdA.- Por último, ¿puede considerarse el cultivo intensivo de microalgas como una nueva oportunidad para la tecnología clásica de Lagunaje?

JAP.- En cierto modo los fotobiorreactores pueden considerarse como una versión de lagunajes avanzados, en los que se mejora el acceso a la luz limitando la profundidad y se añade una homogeneización del medio mediante la agitación para así favorecer los fenómenos de transferencia de materia y, de ese modo, reducir el tiempo de residencia, yendo más allá que un lagunaje en la que el medio está prácticamente estanco y las velocidades de eliminación de contaminantes no dejan de ser prácticamente las de los fenómenos naturales de autodepuración.

Los fotobiorrectores pueden considerarse como una versión avanzada de los lagunajes clásicos

Algunos datos interesantes sobre la FICODEPURACIÓN

  • La tasa media de crecimiento de las microalgas es de 100 veces mayor que la de las plantas terrestres.
  • Las microalgas fijan CO2 con una eficiencia 10-50 veces superior a la de los árboles.
  • Se consiguen tiene productividades de 12-40 g SS/m2·día, dependiendo en gran medida de la especie cultivada, el clima y el modo de operación.
  • La concentración de biomasa algal en el medio, cuando se tratan aguas residuales, se suele mantener en torno a 0,2-0,4 g SS/l.
  • La cantidad de biogás que puede obtenerse a partir de la digestión anaerobia de la biomasa algal, se sitúa en 0,180-0,587 m3 de biogás/kg de sólidos en suspensión volátiles.

Para finalizar, agradecer al Dr. Perales el tiempo que nos ha dedicado para ilustrarnos sobre este prometedor tratamiento de las aguas residuales, y recordarle a los lectores que si le han gustado los dos posts, pueden manifestarlo “pinchando” los corazones azules que aparecen al comienzo de ellos. ¡MUCHAS GRACIAS!

Referencias

Arbib, Z., de Godos, I., Fernandez, M., Lara, E., Llamas, B., Rogalla, F., 2015. Wastewater as biofuel: nutrient and energy recovery with algae treatment, en: Proceed. Water & Energy Water Environment Fed. pp. 8-10.

Díaz-Garduño, B., Pintado-Herrera, M.G., Biel-Maeso, M., Rueda-Márquez, J.J., Lara-Martín, P.A., Perales, J.A., Manzano, M.A., Garrido-Pérez, C., Martín-Díaz, M.L., 2017. Environmental risk assessment of effluents as a whole emerging contaminant: Efficiency of alternative tertiary treatments for wastewater depuration. Water Res. 119, 136-149.

Mehrabadi, A., Farid, M.M., Craggs, R., 2016. Variation of biomass energy yield in wastewater treatment high rate algal ponds. Algal Res. 15, 143-151.

Muñoz, R., Guieysse, B., 2006. Algal-bacterial processes for the treatment of hazardous contaminants: A review. Water Res.

Mussgnug, J.H., Klassen, V., Schlüter, A., Kruse, O., 2010. Microalgae as substrates for fermentative biogas production in a combined biorefinery concept. J. Biotechnol. 150, 51-56. https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2010.07.030 Oswald, W.J., Gotaas, H.B., Golueke, C.G., Kellen, W.R., Gloyna, E.F., 1957. Algae in Waste Treatment. Sewage Ind. Waste. 29, 437-457.

Park, J.B.K., Craggs, R.J., 2011. Algal production in wastewater treatment high rate algal ponds for potential biofuel use. Water Sci. Technol. 63, 2403-2410.

Vergara-Fernández, A., Vargas, G., Alarcón, N., Velasco, A., 2008. Evaluation of marine algae as a source of biogas in a two-stage anaerobic reactor system. Biomass and Bioenergy 32, 338-344.

Villar-Navarro, E., Baena-Nogueras, R.M., Paniw, M., Garrido-Perez, C., Lara-Martin, P.A., Perales, J.A., 2016. Removal of emerging pollutants in conventional and microalgae-based biotechnology urban wastewater treatment plants. IWA – The International Water Association, (Jerez de la Frontera).

Wang, J.-H., Zhang, T.-Y., Dao, G.-H., Xu, X.-Q., Wang, X.-X., Hu, H.-Y., 2017. Microalgae-based advanced municipal wastewater treatment for reuse in water bodies. Appl. Microbiol. Biotechnol. 101, 2659-2675.

Wilde, E.W., Benemann, J.R., 1993. Bioremoval of heavy metals by the use of microalgae. Biotechnol. Adv. 11, 781-812.