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Lagunaje 2.0: depurando aguas residuales/cosechando microalgas (I)

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Sobre el blog

Juan José Salas
MÉDICO DEL AGUA y DOCTOR EN QUÍMICA. Director de Servicios Tecnológicos de la Fundación CENTA. 36 años de experiencia en el tratamiento de las aguas residuales, especialmente de los vertidos generados en las pequeñas aglomeraciones urbanas.
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La tecnología de Lagunaje (conocida también en otras latitudes como Lagunas de Estabilización), consta de varias balsas conectadas en serie, en las que la profundidad de las mismas va disminuyendo gradualmente, a la vez que se va incrementado su contenido en oxígeno disuelto, y en las que se reproducen los fenómenos de autodepuración que se dan de forma natural en los cursos de aguas.

En el Lagunaje se reproducen los fenómenos de autodepuración que se dan de forma natural en los cursos de aguas

En cierta forma, podría definirse el Lagunaje como un río compartimentado”, en el que la primera etapa anaerobia simula las condiciones que se dan en los cauces cuando se produce un vertido con una fuerte carga orgánica biodegradable, mientras que las etapas posteriores se asemejan a las situaciones que se van instaurando aguas abajo del vertido, donde de forma natural se van recuperando las condiciones iniciales de la masa de agua receptora.

El Lagunaje como un río compartimentado

Como consecuencia de los elevados requisitos de superficie para la implantación de esta tecnología, y la variabilidad de la calidad de efluente final, relacionada con la diferente productividad de la biomasa algal a lo largo del año, que hace que parte de la misma acabe en los efluentes tratados, su implantación en nuestro entorno se ha ido reduciendo notablemente. A ello contribuye también el hecho de que aunque en el Cuadro I (ANEXO I), del Real Decreto 509/1996, que traspuso la Directiva 91/271/CEE a nuestro ordenamiento jurídico, se recoge que “Los análisis de vertidos procedentes de sistemas de depuración por lagunaje se llevarán a cabo sobre muestras filtradas; no obstante, la concentración de sólidos totales en suspensión en las muestras de aguas sin filtrar no deberá superar los 150 mg/l", generalmente no se aplica este resquicio legal, que permitiría un cumplimiento más factible de la normativa de vertido.

Como ha ocurrido en numerosas ocasiones, en las que lo que antes era considerado como un residuo, acaba convirtiéndose en un recurso, en el caso del Lagunaje se asiste, de un tiempo a esta parte, a un notable desarrollo de sistemas orientados a la producción masiva de microalgas empleando como sustrato aguas residuales para, además de depurar estas aguas, obtener una valiosa biomasa algal, con interesantes y valiosas posibilidades de aplicación.

Se asiste a un notable desarrollo de sistemas orientados a la producción masiva de microalgas empleando como sustrato aguas residuales

Para hablar de este tema, el Médico del Agua ha contactado con José Antonio Perales, Catedrático de Universidad, del Área de Tecnologías del Medio Ambiente (Universidad de Cádiz) y fundador de la línea de investigación Ficotecnología Ambiental, centrada en el uso de la biotecnología de microalgas para el aprovechamiento de las aguas residuales.

Médico del Agua (MdA).- Por empezar por el principio, ¿en qué consiste la fotobiodepuración para el tratamiento de las aguas residuales?

José Antonio Perales (JAP).- La fotobiodepuración básicamente consiste en la depuración de aguas residuales por medio de organismos fotosintéticos, desde plantas hasta microalgas. En el caso de la fotobiodepuración empleando microalgas o ficodepuración, el término microalgas engloba microorganismos unicelulares capaces de hacer la fotosíntesis, tanto algas eucariotas como cianobacterias. Éstas asimilan los nutrientes del medio (agua residual) y los incorporan a su biomasa, debiendo ser posteriormente separada por medios físico o químicos (cosechado).

MdA.- ¿Se trata de algo novedoso, o ya viene de antiguo?

JAP.- El aprovechamiento de organismos fotosintéticos para la depuración de aguas residuales es una práctica común en sistemas de tratamiento extensivos como son las lagunas facultativas o los humedales artificiales. Sin embargo, el uso específico de la biotecnología de microalgas para el tratamiento de aguas residuales no se empezó a proponer hasta la década de los años cincuenta del pasado siglo por Oswald et al. (1957), en California (EEUU).

Desde entonces se trabaja en la optimización de los reactores para su cultivo, buscando geometrías y modos de operación que optimicen y homogeneicen la distribución de la luz en el medio de cultivo, pues la luz es uno de los factores de crecimiento usualmente limitante de la cinética del proceso. Asimismo, se trabaja en optimizar el método de cosechado de la biomasa, ya que es la etapa más costosa del proceso.

MdA.- ¿Qué ventajas supone frente a un tratamiento convencional de las aguas residuales?

JAP.- La principal ventaja que tiene este tratamiento frente a los tratamientos convencionales es su sencillez de operación y mantenimiento, además de que se consigue de forma simultánea, en el caso de cultivos mixtos de microalgas y bacterias, eliminar materia orgánica y nutrientes (N y P). Esta eliminación de nutrientes se logra tanto de forma biótica, incorporándolos a la biomasa, como por fenómenos abióticos, como son la precipitación de fosfatos, o el stripping de amoniaco, originados por una alta actividad fotosintética, que produce un incremento en el pH del medio.

Igualmente, 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).

Finalmente, 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).

Adicionalmente, la biomasa obtenida tiene un alto potencial para ser utilizada como materia prima para la producción de biocombustible (biogás, principalmente), bioplásticos o biofertilizantes, poseyendo enzimas y aminoácidos que mejoran el crecimiento de los cultivos, siendo más interesante que el tradicional lodo de depuradora.

Por último, los costes de operación e inversión son relativamente bajos, por ejemplo, en el caso de fotobiorreactores abiertos el único elemento electromecánico es el motor (paddle wheel) que impulsa el agitador de eje horizontal, que tiene una demanda energética muy baja.

MdA.- ¿Y cuáles serían sus principales inconvenientes?

JAP.- Entre los cuellos de botella de esta tecnología están principalmente la demanda de espacio y el consumo energético de la etapa de cosechado.

Entre los cuellos de botella de esta tecnología se encuentran la demanda de espacio y el coste de la etapa de cosechado

Esta tecnología requiere de mucho espacio, debido a que para que no haya efecto de sombreado y para que todo el medio tenga acceso a la luz, la profundidad de la lámina de agua en reactores abiertos no debería superar los 30 cm, lo cual, junto a tiempos hidráulicos de residencia de entre 3 (cultivos mixtos microalgas-bacterias) y 7 días (cultivos puros), hace que el espacio requerido sea bastante alto.

En cuanto a la fase de cosechado se intenta trabajar en nuevas tecnologías de separación, mediante membranas, flotación o decantación, mejorando la sedimentabilidad de los flóculos bacterias-microalgas. Asimismo. también se está trabajando con procesos que emplean cultivos inmovilizados.

Otro inconveniente de esta tecnología es que se encuentra limitada a ciertas latitudes, ya que la radiación solar y la temperatura son fundamentales para una adecuada cinética del proceso.

MdA.- ¿Qué tipos principales de reactores se emplean para el cultivo de microalgas?

JAP.- Para el cultivo de microalgas con fines comerciales se utilizan todo tipo de reactores, tanto abiertos como cerrados. Los fotobiorreactores cerrados tienen productividades más altas y existe un mayor control sobre el proceso, pero los costes de inversión y operación son mucho más altos. Este coste es asumible siempre y cuando el producto que se vaya a obtener sea de alto valor, cosa que no pasa cuando el medio es agua residual, ya que los posibles usos de la biomasa generada están limitados por normativa. Además, los caudales a tratar, por lo general, son tan altos que el inmovilizado de un sistema de fotobiorreactores cerrados supondría una inversión inasumible. A todo esto, hay que añadir los problemas de biofouling y calentamiento, que exigen un mantenimiento y una limpieza periódica, así como elevados costes energéticos.

                               Fotobiorreactores cerrados

Por todo lo comentado, los sistemas más utilizados en la depuración de aguas residuales son los de tipo abierto, en concreto los HRAP (High Rate Algal Pond) o raceway, por su alta productividad y la simplicidad de operación. Estos sistemas consisten en un estanque ovalado, formado por dos canales, por los que el medio circula gracias a la acción de una rueda de paletas que gira sobre un eje horizontal. Generalmente, tienen una profundidad de entre 10 y 40 cm, de forma que se favorezca el acceso a la luz y una relación longitud/anchura superior a 10 por cuestiones hidráulicas.

                        Fotobiorreactores abiertos

MdA.- ¿En qué estriba la principal dificultad del proceso?

JAP.- La principal dificultad radica en que se trata de un bioproceso con una cinética muy dependiente de parámetros ambientales no controlables, como la temperatura, como todos los bioprocesos, pero también la radiación solar, resulta en este caso crítica, lo que se traduce en la necesidad de un diseño apropiado y adaptado a la variabilidad estacional de dichos parámetros. Asimismo, en el ficotratameinto  el operador no determina la especie que crece en el reactor abierto, sino que es una variable que depende de cada emplazamiento y también tiene una variabilidad estacional, en algunos casos elevada.

MdA.- ¿Cuáles son las principales aplicaciones de la biomasa algal cosechada?....

En la próxima entrega José Antonio responderá a esta pregunta y seguiremos hablando de: productividades de biomasa algal, estado actual de la tecnología, su posible aplicación al tratamiento de las aguas residuales generadas en las pequeñas aglomeraciones urbanas y del Proyecto IDIAQUA. ¡Hasta pronto!

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