Valorización de Aguas Residuales Industriales, la revolución de las Tecnologías Electroquímicas Microbianas
La valorización de aguas residuales hace referencia al proceso de recuperación de recursos, como son energía, nutrientes y agua, de las aguas residuales. De esta forma, en lugar de considerar estas aguas como un desecho para ser eliminado, el tratamiento se orienta no sólo a reducir el impacto ambiental que provocan, sino además a su reutilización y generación de nuevas sustancias e incluso energía. Mediante las Tecnologías Electroquímicas Microbianas, las aguas residuales pueden ser materia prima para producir fertilizantes, biocombustibles, bioplásticos, y por supuesto un agua limpia.
En general, la generación de productos de aguas residuales industriales utilizando sistemas bioelectroquímicos es un área en pleno desarrollo tecnológico, que posee un gran potencial para proporcionar beneficios ambientales y económicos.
Laura Katherin Chaparro Diaz. Estudiante de doctorado en Hidrología y Gestión de Recursos Hídricos. Área de Ingeniería Química. Universidad de Alcalá
El crecimiento de la población junto con la actividad industrial, hacen del agua un recurso cada vez más escaso. Por desgracia la economía lineal actual, centrada en la extracción, producción y el uso de recursos, ha desestimado durante décadas la valorización y aprovechamiento de los residuos generados. Para el agua residual, esto supone devolverla al medio en condiciones peores de aquellas en las que se recogió y con frecuencia en un punto muy alejado, alterando así el ciclo del agua y los ecosistemas vinculados.
Los métodos de depuración de agua tradicionales se han centrado en eliminar los elementos más abundantes, como partículas y materia orgánica, alcanzando buenos rendimientos, si bien esto suele demandar el uso excesivo de la energía y reactivos químicos. Este enfoque ya no es válido actualmente por el coste del tratamiento y porque a pesar de ello, la eliminación de contaminantes menos abundantes, pero de estructura química compleja no es eficiente, este es el caso de los microcontaminantes orgánicos que se incluyen en los denominados contaminantes emergentes (CE) del agua residual. Estos CE abarcan diferentes familias de sustancias, como son los fármacos, productos de higiene personal y doméstica, materiales avanzados, etc., todos ellos comúnmente utilizados en la vida moderna, pero inexistentes o raros en el mundo natural, hecho que dificulta su degradación.
Si bien estas sustancias se encuentran en bajas concentraciones en el agua residual doméstica, los perfiles de concentración en las aguas industriales son más elevados, fundamentalmente cuando estas sustancias se generan en la práctica industrial. La problemática de estos contaminantes orgánicos, de estructura compleja y naturaleza tóxica, requiere atajar su avance mediante el diseño de nuestros sistemas de tratamiento que sean menos demandantes de energía y que permitan la revalorización de residuos.
En este contexto, las TEM atraen el interés mundial en los últimos años, como una nueva tecnología biológica para el tratamiento de aguas residuales, generación de energía eléctrica sostenible y generación de subproductos de manera simultánea, dándole valor a las aguas residuales. Las TEM permiten eliminar la contaminación orgánica de las aguas residuales y generar electricidad aprovechando el metabolismo de las bacterias electroquímicamente activas. En estos sistemas, se producen interacciones entre estos microorganismos y los electrodos (Mook et al., 2013), ya que dichas bacterias son capaces de intercambiar electrones con un material sólido conductor de la electricidad, a través de mecanismos directos o indirectos (Borole et al., 2011; Schröder et al., 2015). Por ello, mediante los reactores basados en TEM es posible convertir directamente la energía química de la materia orgánica contaminante en energía eléctrica o bien aprovechar el flujo de electrones para la síntesis de sustancias mediante reacciones redox.
Numerosos trabajos del grupo de investigación Bioe de la UAH e IMDEA Agua (https://www.bioelectrogenesis.es/index.php/es/) han demostrado las ventajas del tratamiento electroquímico microbiano de las aguas residuales, entre las que destacan la gran variedad de sustratos que pueden ser oxidados o reducidos bioelectroquímicamente, la mínima producción de lodos (debido al bajo crecimiento celular de las bacterias electroactivas anaerobias en comparación con el metabolismo aerobio) y la producción limpia de subproductos (Asensio et al., 2021; Tejedor et al., 2020; Rodenas et al: 2019).
La valorización de aguas residuales, en el contexto de las TEM, tiene el potencial de proporcionar una solución sostenible y baja en carbono para el tratamiento de aguas residuales y la recuperación de recursos.
Los productos generados a través de procesos bioelectroquímicos con aguas residuales industriales permiten producir descomponer los contaminantes orgánicos de las aguas residuales en productos útiles tales como los biocombustibles (etanol, hidrogeno, metano) (Salehmin et al., 2023); materias primas industriales como son los ácidos acético, propiónico y butírico, aminoácidos y alcoholes (Dattatraya et al., 2022; Moreno, 2016): bioplásticos como el polihidroxibutirato (Muniesa, 2019; Manchon et al., 2022), sales de amonio y nitrato, que son la base de fabricación de fertilizantes (Carucci et al., 2022; Cheng et al., 2022; Nayak & Sevda, 2022; Reyes-Vidal et al., 2021).
Los productos específicos generados a partir de aguas residuales industriales con sistemas bioelectroquímicos dependerán del tipo de aguas residuales, de los microorganismos, de la forma de operar los biorreactores electroquímicos utilizados en el proceso. La investigación y desarrollo de estas tecnologías, objeto de estudio del grupo Bioe de la UAH e IMDEA Agua ofrece una nueva opción para el tratamiento de aguas residuales industriales, donde la valorización y reutilización es viables y puede llevarse a cabo gracias a las diferentes configuraciones de los sistemas bioelectroquímicos, que permiten el aprovechamiento de flujos de electrones redirigiendo estos hacia rutas de degradación que dan lugar a procesos con una menor huella energética y de CO2, así como menos riesgos (dada la inexistencia de subproductos tóxicos).
Con este tipo de procesos estudiados en el marco de la red REMTAVARES entre otros proyectos, se mejorará la relación coste-eficacia en los tratamientos de aguas residuales, ya que se optimizará la energía utilizada. Además, con la valorización de las aguas residuales industriales como fuente de materias primas, se generarán productos de interés para la sociedad con menor impacto ambiental.
Figura 1. Vías de tratamientos de aguas residuales industriales. La primera ruta (izquierda de la figura) corresponde a tratamientos convencionales, mientras que la vía de la derecha corresponde a la incorporación de las TEM.
Biblografía
Asensio, Y., Llorente, M., Fernández, P., Tejedor-Sanz, S., Ortiz, J., Ciriza, J., Monsalvo, V., Rogalla, F., Esteve-Núñez, A. Upgrading fluidized bed bioelectrochemical reactors for treating brewery wastewater by using a fluid-like electrode. 2021. Chemical Engineering Journal, Volume 406, 127103, ISSN 1385-8947, https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.127103.
Borole, A., Reguera, G., Ringeisen, B., Whang, Z., Feng, Y., & Hong, B. (2011). Electroactive biofilms: Current status and future research needs. Energy and Environmental Science, 4813–4834. https://doi.org/10.1039/c1ee02511b
Carucci A., Erby G., Puggioni G., Spiga D., Frugoni F., Milia S. Ammonium recovery from agro-industrial digestate using bioelectrochemical systems. 2022. Water Science and Technology, 85 (8), pp. 2432 – 2441, DOI: 10.2166/wst.2022.113
Cheng, K., Kaksonen, A., Cord-Ruwisch, R. Bioelectrochemical extraction of ammonium from low-strength wastewater with concomitant generation of high-purity hydrogen. Environmental Technology. DOI: 10.1080/09593330.2022.2141663.
Dattatraya Saratale G., Rajesh Banu J., Nastro R.A., Kadier A., Ashokkumar V., Lay C.-H., Jung J.-H., Seung Shin H., Ganesh Saratale R., Chandrasekhar K. Bioelectrochemical systems in aid of sustainable biorefineries for the production of value-added products and resource recovery from wastewater: A critical review and future perspectives. 2022. Bioresource Technology, 359, DOI: 10.1016/j.biortech.2022.127435
Manchon, C., Muniesa-Merino, F., Serna, D., Asensio, Y., Wardman, C., Esteve-Nuñez, A. 2022.Fluid-like electrodes and Purple Phototrophic Bacteria: bridging the gap in wastewater biorefineries, Chemical Engineering Journal,Volume 453, Part 2, 139828, ISSN 1385-8947. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.139828
Mook, W.T., Aroua, M.K.T., Chakrabarti, M.H., Noor, I.M., Irfan, M.F., Low, C.T.J., 2013. A review on the effect of bio-electrodes on denitrification and organic matter removal processes in bio-electrochemical systems. J. Ind. Eng. Chem. 19, 1–13. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2012.07.004
Moreno, R. Bioprocesses for wastewater treatment: integration of bioelectrochemical systems and other technologies. 2016. Tesis doctoral, Universidad de León.
Muniesa, Fernando., 2019. Electrosintesis Microbiana A Partir De Cultivos Mixtos De Bacterias Fototrofas Rojas. Trabajo de fin de Grado. Universidad Politecnica de Madrid.
Nayak S., Sevda S. Urine based bioelectrochemical system: Resources recovery and domestic wastewater treatment prospectives. 2022. Bioresource Technology Reports, 20, art. no. 101257 DOI: 10.1016/j.biteb.2022.101257
Reyes-Vidal, Y., Bacame-Valenzuela, J., Pérez-García, J., Hernández Palomares, A., Espejel Ayala, F. Chapter 14 – Bioelectrochemical Methods for the Recovery of Products From Wastewater, Editor(s): Maulin P. Shah, Angana Sarkar, Sukhendu Mandal, Wastewater Treatment, Elsevier,2021, Pages 295-310, ISBN 9780128218815, https://doi.org/10.1016/B978-0-12-821881-5.00014-3
Rodenas, P., Wardman, C., Esteve-Núñez, A. (2019). ‘Chapter 13 – Metals recovery from wastewater by microbial electrochemical technologies’. Wastewater Treatment Residues as Resources for Biorefinery Products and Biofuels pp. 281 – 307 Elsevier.