Recuperación de nutrientes y energía en aguas residuales domésticas mediante bacterias fototróficas

El Grupo de Ingeniería Química y Ambiental (GIQA) de la Universidad Rey Juan Carlos ha desarrollado una tecnología en colaboración con la empresa FCC AQUALIA para el tratamiento de aguas residuales con recuperación de nutrientes y energía, dentro del contexto de economía circular en el ámbito de la gestión de los recursos hídricos. Esta tecnología se basa en el empleo de unos microorganismos altamente versátiles, las bacterias fototróficas púrpura (PPB), para la acumulación de todo el contenido en Carbono, Nitrógeno y Fósforo de las aguas residuales domésticas, empleando para ello energía solar infrarroja. El proceso está siendo actualmente implementado a escala piloto en una Estación Depuradora de Aguas Residuales. Los prometedores resultados obtenidos hasta ahora permiten vaticinar un rápido desarrollo de la tecnología, la cual está siendo impulsada a través de propuestas de financiación europea.

Dr. Daniel Puyol Santos, Investigador Ramón y Cajal, Grupo de Ingeniería Química y Ambiental (GIQA), Universidad Rey Juan Carlos.
Dr. Víctor Monsalvo García, Director del Área de Ecoeficiencia, Departamento de Innovación y Tecnología, FCC AQUALIA.

Economía circular en el tratamiento de aguas residuales: biorrefinerías

El sistema productivo moderno está modificando su modelo conceptual para un diseño de producción basado en la economía circular, en la que todos los elementos excedentes del sistema se transforman en materia prima, que es incorporada de nuevo al sistema, lo cual implica potencialmente un concepto de emisión 0. El tratamiento de aguas residuales es una plataforma idónea para basar el desarrollo tecnológico enfocado al cambio de modelo productivo, pues es un sistema ampliamente extendido y muy estudiado [1]. Además, entre el 50 y el 100% de los recursos perdidos como residuos están contenidos en las aguas residuales. Recientemente han surgido varias alternativas de tratamiento de aguas residuales basadas en el concepto de economía circular. Entre ellas, el grupo de Batstone y col. proponen un sistema de depuración en tres etapas: acumulación total de la materia orgánica y los nutrientes en biomasa mediante un biorreactor de membrana, liberación de los nutrientes y energética mediante digestión anaerobia y recuperación de nutrientes mediante precipitación de estruvita o bien producción directa de fertilizantes orgánicos a partir de la biomasa [2]. El núcleo principal de su propuesta es la etapa de acumulación mediante la acción de bacterias anaerobias fototróficas púrpura o PPB (de sus siglas en inglés, Purple Phototrophic Bacteria).

Las bacterias PPB permiten la acumulación a través de la asimilación de los nutrientes contenidos en el agua residual, principalmente N y P. Además, emplean luz infrarroja como fuente energética, y por ello su eficiencia en reciclaje de C es muy elevada, pudiendo potencialmente crecer con un rendimiento biomasa/sustrato cercano al 100% en términos de C [3]. Su metabolismo permite obtener diversos productos de alto valor añadido. Son capaces de acumular P en forma de polifosfato y tener un alto contenido proteico, por lo que la biomasa puede emplearse como fertilizante orgánico, o bien como proteína bacteriana de alto poder nutritivo para alimentación. Además, acumulan C en forma de polihidroxialcanoatos, que pueden emplearse como bioplásticos. Su alto contenido en lípidos también hace que su potencial de conversión energética (por ejemplo, en forma de biogás a través de digestión anaerobia) sea muy elevada. Todo ello hace que el desarrollo de procesos basados en la utilización de bacterias PPB suponen una plataforma única para desarrollar un cambio de paradigma en el tratamiento de aguas residuales enfocado a la obtención de productos y valorización energética [4]. Este enfoque de fotobiorrefinería es muy novedoso, y el GIQA, liderado por el Dr. Daniel Puyol y los Prof. Juan Antonio Melero y Fernando Martínez, ha desarrollado una tecnología de tratamiento de aguas residuales y efluentes líquidos basada en estas bacterias PPB, en colaboración con el Departamento de Innovación y Tecnología de FCC AQUALIA, representada por D. Frank Rogalla y el Dr. Víctor Monsalvo.

Reactores anaerobios tipo carrusel, un nuevo concepto de tratamiento de aguas residuales

Tradicionalmente, los reactores tipo carrusel se han empleado para la depuración de aguas residuales mediante organismos heterogéneos que mezclan estos organismos con otros organismos procariotas. Alternativas como los raceways permiten el cultivo de organismos fototróficos tales como algas y cianobacterias (www.all-gas.eu). También se han empleado, en menor medida, para la obtención de biomasa para ser empleada posteriormente como fuente energética. Sin embargo, existen algunas limitaciones que impiden desarrollar el concepto de biorrefinería en EDAR basadas en estas soluciones, como son:

• El elevado consumo de oxígeno de los sistemas aerobios supone un coste de operación elevado, con elevadas emisiones de CO₂ asociadas. La baja eficiencia de síntesis celular hace que su valorización energética vía digestión solamente sea interesante para EDAR de gran tamaño.
• La baja velocidad de crecimiento de organismos fototróficos requiere operar con elevados tiempos de residencia, en la mayoría de los casos superiores a los 2-3 d, con la necesidad de superficie que ello conlleva dado que, además, los raceways alimentados con luz visible no pueden tener una profundidad excesiva para asegurar la penetración lumínica.
• Precisamente debido a la penetración de la luz visible, es necesario controlar el crecimiento de biomasa de tal manera que no suponga una limitación en la transferencia lumínica. La materia en suspensión residual debe, por tanto, ser controlada y eliminada antes de alimentarse al raceway.
• En reactores oligotróficos sucede la proliferación de algas oxigénicas, las cuales evitan el crecimiento de organismos anaerobios y, por tanto, se limita la recuperación de la materia orgánica, incrementando la emisión de gases NO_X. En reactores eutróficos, por el contrario, la capacidad de tratamiento está limitada por la baja carga orgánica que son capaces de soportar los organismos fotosintéticos. Por ello, el tiempo de residencia hidráulico debe ser, incluso, más elevado.
• La capacidad de eliminación de fósforo está limitada principalmente al crecimiento de los organismos fotosintéticos, dado que las algas sólo pueden acumular limitadas cantidades de poli-fosfato. Por tanto, es necesario el uso de tecnologías en serie para recuperar el fósforo residual.

La tecnología ADVANSIST desarrollada por GIQA y FCC Aqualia supone un nuevo concepto de fotobiorreactor anaerobio tipo carrusel (Figura 1), en el cual se fomenta el crecimiento de bacterias PPB mediante el uso selectivo de luz infrarroja filtrada, logra vencer las dificultades inherentes a las tecnologías de carrusel aerobios convencional y sistemas tipo raceway, pero además permite:

• Incrementar la cantidad de N y P extraído del agua residual mediante su asimilación y acumulación, y por tanto la capacidad de recuperación de nutrientes.
• Eliminar el riesgo de producción de toxinas debido a la proliferación de cianobacterias.
• Aumentar considerablemente la concentración de biomasa en el interior del reactor, dado que la luz infrarroja tiene una capacidad de penetración superior a la luz visible. Además, se permite el tratamiento de aguas no sedimentadas dado que la materia residual en suspensión apenas absorbe en el rango infrarrojo. Todo ello permite trabajar con reactores de menor tamaño.
• Aumentar notablemente la producción de biogás, incluida la velocidad de producción, dado que las bacterias PPB son más fácilmente digeribles que el resto de biomasa fototrófica debido a que carecen de pared celular con base celulósica.

Figura 1: Fotobiorreactor anaerobio tipo carrusel. El agua residual se alimenta lateralmente. El agua se circula en el reactor y el efluente tratado se evacúa por el extremo opuesto. El sistema cuenta con una cubierta que selecciona la longitud de onda incidente, dejando paso únicamente a la luz infrarroja, además de garantizar un ambiente anaerobio.

Desarrollo tecnológico del fotobiorreactor anaerobios tipo carrusel “ADVANSIST”: escala semi-piloto

La viabilidad de la tecnología se ha demostrado durante un periodo de 1 año en la EDAR de la URJC (Móstoles). Los reactores, de 0,5 m³ de volumen cada uno, constan de un sistema de circulación de agua a bajo coste (paddle wheels). Se cuenta con un sistema de separación de biomasa que consiste en dos sedimentadores troncocónicos de 0,2 m³ de capacidad, lo cual permite controlar y fijar el tiempo de residencia de la biomasa. La Figura 2 muestra una imagen de los reactores antes de empezar su operación.

Figura 2: Imagen de los fotobiorreactores tipo carrusel instalados en la planta de tratamiento de aguas residuales de la URJC antes de iniciar su operación.

La operación de los reactores se ha dividido en varias etapas experimentales. En la primera se ha trabajado en discontinuo, alimentando los reactores en lotes de agua con un intercambio volumétrico del 50% una vez por semana. Esto permitió el crecimiento selectivo de biomasa fototrófica para una puesta en marcha más rápida durante el tratamiento en continuo. El cambio de régimen de discontinuo a continuo se realizó utilizando un tiempo de residencia hidráulico inicial de 48 h, que se disminuyó paulatinamente hasta 18 h al final del pilotaje. Inicialmente, se ha trabajado con el agua residual bruta. El aporte de materia orgánica adicional permitió la asimilación completa de todo el N y el P presente en el agua residual. Esto se debe principalmente a la baja concentración de materia orgánica presente en el agua residual del Campus, con valores promedio de 200 mg demanda química de oxígeno (DQO)/L.

Durante el periodo de tratamiento en discontinuo, la biomasa fototrófica colonizó paulatinamente los reactores hasta alcanzar una concentración en torno a 200 mg de sólidos volátiles/L. Se alcanzaron eficiencias de degradación de DQO, N y P del 90, 45 y 50%, respectivamente, en ambos reactores. El cambio operativo de régimen a continuo supuso una disminución de estas eficiencias debido principalmente al aumento de carga específica y a la necesidad de aclimatación por parte de la biomasa. A partir de la adición de una fuente adicional de materia orgánica, la eficiencia de consumo de DQO aumentó considerablemente en ambos reactores, hasta estabilizarse en un valor en torno al 70%, para tiempos de residencia hidráulicos de 48 y 36 h. Con el objetivo de incrementar estas eficiencias, a partir del día 200 de operación se instaló un sistema de control de recirculación de biomasa para mantener estable la concentración de la misma en los reactores.  De esta forma, se logró aumentar la eficiencia en la degradación de DQO hasta valores cercanos al 95% de forma sostenida, así como aumentar considerablemente la eliminación de N, con valores variables entre el 60 y el 100%, y de P, con eficiencias de eliminación del 50%. De igual modo, se logró disminuir el tiempo de residencia hidráulico de la instalación hasta 18 h, lo cual supone un avance muy importante en el desarrollo de esta tecnología, pues permite disminuir en más de 4 veces el volumen necesario para su implementación a escala real, en comparación con otros sistemas fototróficos.

Desarrollo tecnológico de los raceways anaerobios: escala piloto

 Los resultados obtenidos son prometedores, por lo que FCC Aqualia continúa apostando por el desarrollo de esta tecnología en colaboración con el GIQA, para maximizar el aprovechamiento del agua residual como recurso y promover un uso más sostenible de los recursos hídricos. Por ello, actualmente se está construyendo la planta demostrativa sobre la tecnología de bacterias PPB más grande del mundo, donde la materia orgánica y los nutrientes serán transformados en bioenergía y/o fertilizantes orgánicos, con una capacidad de tratamiento de 80 m³/d. La inauguración de la planta está prevista para septiembre de 2018, y la importancia estratégica de la misma, tanto para FCC AQUALIA como para el GIQA, hará de la divulgación científica un objetivo fundamental para dar a conocer este hito tecnológico.

1. van Loosdrecht, M.C.M. and D. Brdjanovic, Anticipating the next century of wastewater treatment. Science, 2014. 344(6191): p. 1452-1453.
2. Batstone, D.J., et al., Platforms for energy and nutrient recovery from domestic wastewater: A review. Chemosphere, 2014(0).
3. Hulsen, T., D.J. Batstone, and J. Keller, Phototrophic bacteria for nutrient recovery from domestic wastewater. Water Res, 2014. 50: p. 18-26.
4. Puyol, D., et al., Resource Recovery from Wastewater by Biological Technologies: Opportunities, Challenges, and Prospects. Front Microbiol, 2016. 7: p. 2106.