{"id":132887,"date":"2016-11-07T10:51:31","date_gmt":"2016-11-07T09:51:31","guid":{"rendered":"http:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/remtavares\/?p=132887"},"modified":"2016-11-08T12:07:31","modified_gmt":"2016-11-08T11:07:31","slug":"met-lands-una-tecnologia-para-el-tratamiento-de-aguas-residuales-en-pequenas-poblaciones-2","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/remtavares\/2016\/11\/07\/132887","title":{"rendered":"MET-lands: una tecnolog\u00eda para el tratamiento de aguas residuales en peque\u00f1as poblaciones"},"content":{"rendered":"

Cient\u00edficos del grupo Bioelectrog\u00e9nesis, formado por la Universidad de Alcal\u00e1 e IMDEA Agua, estudian la aplicaci\u00f3n de las Tecnolog\u00edas Electroqu\u00edmicas Microbianas al tratamiento de aguas residuales en peque\u00f1as poblaciones mediante su implantaci\u00f3n en humedales construidos. La investigaci\u00f3n se engloba en el marco del proyecto Smart Wetland, financiado por el programa INNPACTO del Ministerio de Econom\u00eda y Competitividad y la experimentaci\u00f3n se llev\u00f3 a cabo en las instalaciones de CENTA (Centro de Experimentaci\u00f3n de las Nuevas Tecnolog\u00edas del Agua) en Carri\u00f3n de los C\u00e9spedes, Sevilla. El objetivo principal de la investigaci\u00f3n es conocer si dicha tecnolog\u00eda mejorar\u00eda la depuraci\u00f3n respecto a los humedales construidos convencionales. <\/span><\/p>\n

Arantxa Aguirre Sierra, Grupo Bioelectrog\u00e9nesis, Universidad de Alcal\u00e1 e IMDEA Agua<\/span><\/em><\/p>\n

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Los tratamientos convencionales de agua residual requieren elevados costes de energ\u00eda, operaci\u00f3n y mantenimiento. Adem\u00e1s, debido al crecimiento de la poblaci\u00f3n y a la expansi\u00f3n urbana, el volumen de lodos de depuraci\u00f3n producidos est\u00e1 aumentando constantemente. Por ello es necesario un nuevo\u00a0nexo\u00a0agua-energ\u00eda para hacer frente a la futura demanda global de agua.<\/span><\/p>\n

El descubrimiento de bacterias electroactivas, capaces de ceder electrones provenientes de la oxidaci\u00f3n de compuestos org\u00e1nicos o inorg\u00e1nicos a un electrodo, llev\u00f3 al desarrollo de las Tecnolog\u00edas Electroqu\u00edmicas Microbianas (MET, del ingl\u00e9s). Entre estos sistemas se encuentran las denominadas Microbial Fuel Cells (MFC) y durante los \u00faltimos a\u00f1os se ha propuesto que podr\u00edan jugar un importante papel en el tratamiento de aguas residuales para convertir dichos residuos en energ\u00eda limpia<\/span>1,2<\/span><\/sup>. En estos dispositivos, los electrones producidos en el metabolismo microbiano son transferidos a un primer electrodo (\u00e1nodo) y desde este a un segundo electrodo (c\u00e1todo), unidos ambos por un cable conductor en el que se sit\u00faa una resistencia, generando una corriente el\u00e9ctrica<\/span>2<\/span><\/sup>. En esta configuraci\u00f3n, el \u00e1nodo act\u00faa como aceptor final de electrones, al igual que cualquier otro aceptor natural como el ox\u00edgeno, el nitrato o el hierro (III), y el c\u00e1todo como donador de electrones, como otros compuestos org\u00e1nicos, el hierro (II), el sulfuro, etc. Las bacterias electroactivas por excelencia pertenecen al g\u00e9nero <\/span>Geobacter<\/span><\/em>, y han sido utilizadas en multitud de estudios. La ventaja de explotar las comunidades microbianas electroactivas es que los electrodos pueden estimular el metabolismo microbiano en sistemas anaerobios que est\u00e1n limitados en aceptores de electrones<\/span>3<\/span><\/sup>. El material electroconductor puede representar una fuente ilimitada de aceptores de electrones, permitiendo a su vez modular el potencial redox, en comparaci\u00f3n con el potencial reductor que generalmente controlan estos sistemas anaerobios.<\/span>\u00a0 <\/span>Otra ventaja es que el potencial electroqu\u00edmico se puede controlar alterando la configuraci\u00f3n del sistema. As\u00ed, los sistemas electroqu\u00edmicos microbianos se pueden operar de distintas formas, como en i) Cortocircuito, sin resistencia entre los electrodos; ii) MFC, capaz de extraer electrones a trav\u00e9s\u00a0de una resistencia; iii) o como celdas electrol\u00edticas microbianas (MEC, del ingl\u00e9s), fijando un determinado potencial en un electrodo a trav\u00e9s de una fuente de alimentaci\u00f3n o un potenciostato.<\/span><\/p>\n

Unos sistemas adecuados en los que implantar estas tecnolog\u00edas emergentes son los humedales construidos, que constituyen una buena alternativa al tratamiento de aguas residuales en peque\u00f1as comunidades y que son utilizados en todo el mundo<\/span>4<\/span><\/sup>. Presentan como ventajas unos costes bajos de operaci\u00f3n y mantenimiento, bajos requerimientos de energ\u00eda, baja producci\u00f3n de lodos de depuraci\u00f3n (s\u00f3lo en el tratamiento primario) y buena integraci\u00f3n en el paisaje, puesto que imitan a los humedales naturales<\/span>5<\/span><\/sup>. Sin embargo, tambi\u00e9n tienen algunas limitaciones, como son el gran requerimiento de suelo (entre 3 y 10 m<\/span>2<\/span><\/sup> por habitante equivalente, dependiendo del dise\u00f1o)<\/span>6<\/span><\/sup> y la colmataci\u00f3n por la acumulaci\u00f3n de s\u00f3lidos<\/span>7<\/span><\/sup> si la carga org\u00e1nica a la que trabajan es superior a la recomendada (6 g DBO<\/span>5<\/span><\/sub>\/m<\/span>2<\/span><\/sup>d). Los humedales construidos son sistemas constituidos por un lecho o filtro de gravas, en el que se plantan macr\u00f3fitas (plantas acu\u00e1ticas) y en el que crece el biofilm microbiano, principal responsable de los procesos de depuraci\u00f3n de contaminantes. Existen diversos tipos de humedales construidos: de flujo superficial, en los que la l\u00e1mina de agua se ve en superficie y que imitan en mayor medida los humedales naturales, y de flujo subsuperficial, en los que el agua circula por el interior del lecho de gravas. Dentro de estos \u00faltimos podemos distinguir los de flujo horizontal, sistemas en los que principalmente se dan procesos anaerobios, y de flujo vertical, en los que dominan los procesos aerobios<\/span>8<\/span><\/sup>.<\/span><\/p>\n

Los investigadores llevaron a cabo un experimento en el que integraron las tecnolog\u00edas electroqu\u00edmicas microbianas en biofiltros utilizados en humedales construidos de flujo subsuperficial horizontal, es decir, en sistemas anaerobios con el objeto de estudiar si dicha tecnolog\u00eda mejorar\u00eda la eliminaci\u00f3n de los distintos contaminantes presentes en las aguas residuales respecto a los humedales construidos convencionales y poder reducir la superficie de estos. Los humedales construidos de flujo subsuperficial horizontal se dise\u00f1an con una profundidad de 50-60 cm, por lo que una mejora en la depuraci\u00f3n implicar\u00eda una reducci\u00f3n en superficie.<\/span><\/p>\n

Otro objetivo fue conocer si el material conductor de los electrodos favorecer\u00eda las bacterias electroactivas y estudiar qu\u00e9 microorganismos podr\u00edan estar relacionados con las distintas rutas metab\u00f3licas.<\/span><\/p>\n

Para ello construyeron tres biofiltros electroqu\u00edmicos con distintas configuraciones (Fig. 1) y un biofiltro control de gravas.<\/span><\/p>\n

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Fig. 1. Dise\u00f1o simplificado de los cuatro sistemas: A) Biofiltro de gravas (control); B) biofiltro conductor; C) Biofiltro h\u00edbrido y D) Biofiltro polarizado.<\/span><\/p>\n

Uno de los biofiltros (B) estaba formado por un lecho de material conductor (gr\u00e1nulos de coque), actuando como un \u00fanico electrodo. Los resultados obtenidos en este biofiltro se compararon con el biofiltro de material inerte (gravas) (A).<\/span><\/p>\n

Se construy\u00f3 tambi\u00e9n un biofiltro h\u00edbrido con dos electrodos separados (un \u00e1nodo y un c\u00e1todo) (D), insertos en un lecho de gravas y que se oper\u00f3 como una MEC, fijando un potencial en el \u00e1nodo de +300 mV, potencial al que <\/span>Geobacter<\/span><\/em> es capaz de oxidar acetato (materia org\u00e1nica). Este sistema fue comparado con otro biofiltro h\u00edbrido formado por un \u00fanico electrodo de material conductor (gr\u00e1nulos de coque) inserto a su vez en un lecho de gravas. Los sistemas fueron alimentados con agua residual real y se estudi\u00f3 la eliminaci\u00f3n de diversos contaminantes (DQO, DBO, s\u00f3lidos en suspensi\u00f3n, nitr\u00f3geno total, amonio). Se ensayaron varios tiempos de retenci\u00f3n hidr\u00e1ulica y, por tanto, de carga org\u00e1nica.<\/span><\/p>\n

Las comunidades microbianas se analizaron mediante la t\u00e9cnica de secuenciaci\u00f3n de ADN ribosomal q-PCR, que proporciona la asignaci\u00f3n taxon\u00f3mica de las secuencias de ADN y su proporci\u00f3n en la comunidad.<\/span><\/p>\n

Los resultados son muy prometedores. El biofiltro conductor fue capaz de eliminar el 91% de la DQO y el 96% de la DBO en tan solo 12 horas, con una carga org\u00e1nica 4 veces superior a la recomendada (24 g DBO\/m<\/span>2<\/span><\/sup>d) y cumpliendo en todo momento los l\u00edmites de vertido establecidos por la Directiva Europea de tratamiento de aguas residuales (Dir. 91\/271\/EEC of 21 May 1991)<\/span>9<\/span><\/sup>, con valores medios de DQO y DBO<\/span>5<\/span><\/sub> en el efluente muy por debajo de los l\u00edmites (<36 mg\/l y <10 mg\/l, respectivamente). En cambio el biofiltro de gravas solo fue capaz de cumplir dichos l\u00edmites a un tiempo de retenci\u00f3n casi 7 veces superior (3.4 d\u00edas) (Fig. 2).\"\"<\/a><\/span><\/span><\/p>\n

Fig. 2. Valores medios de DQO y DBO5 del influente y el efluente de los biofiltros de coque y gravas. Las barras de error representan los intervalos al 95% de confianza.<\/span><\/p>\n

Asimismo, el biofiltro conductor fue capaz de eliminar casi un 40% del amonio y el nitr\u00f3geno total en 12 horas, alcanzando tasas de eliminaci\u00f3n del 97% de amonio y 69% de nitr\u00f3geno total en 3.4 d\u00edas (Fig. 3).<\/span><\/p>\n

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Fig. 3. Valores medios de nitr\u00f3geno total, amonio y nitrato del influente y el efluente de los biofiltros de coque y gravas. Las barras de error representan los intervalos al 95% de confianza.<\/span><\/p>\n

En cuanto al estudio de las comunidades microbianas, los resultados mostraron una mayor diversidad y una mayor presencia de <\/span>Geobacter<\/span><\/em> y otras bacterias electroactivas como <\/span>Geothrix<\/span><\/em> o <\/span>Desulfobulbaceae<\/span><\/em> en el material conductor, mostrando que este material es capaz de favorecer su presencia. Un resultado interesante fue la presencia de bacterias capaces de realizar distintas rutas metab\u00f3licas del nitr\u00f3geno. As\u00ed, se detectaron bacterias aut\u00f3trofas oxidadoras de amonio, como las de la familia <\/span>Nitrosomonadaceae<\/span><\/em>, y bacterias de la familia <\/span>Brocadiaceae<\/span><\/em>, implicadas en los procesos Anammox, asociadas al material conductor. Tambi\u00e9n se encontr\u00f3 en dicho material un alto porcentaje de bacterias del g\u00e9nero <\/span>Thiobacillus<\/span><\/em>, lo que resulta muy interesante puesto que las bacterias del g\u00e9nero <\/span>Geobacter<\/span><\/em> pueden transferir directamente electrones de su metabolismo a <\/span>Thiobacillus<\/span><\/em> que, a su vez, reduce nitrato<\/span>10,11<\/span><\/sup>.<\/span><\/p>\n

Los resultados sugieren que la superficie de un humedal construido de flujo subsuperficial horizontal podr\u00eda reducirse significativamente implementado en ellos las Tecnolog\u00edas Electroqu\u00edmicas Microbianas.<\/span>\u00a0 <\/span>Los investigadores han llamado a estos sistemas MET-lands, de Tecnolog\u00edas Electroqu\u00edmicas Microbianas (MET, sus siglas en ingl\u00e9s) y humedales (en ingl\u00e9s wetlands).<\/span><\/p>\n

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REFERENCIAS<\/p>\n

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1<\/span>\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 <\/span>H. Liu, R. Ramnarayanan and B. E. Logan, <\/span>Environ. <\/span><\/em>Sci. Technol.<\/span><\/em>, 2004, <\/span>38<\/span><\/strong>, 2281\u20135.<\/span><\/p>\n

2<\/span>\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 <\/span>B. E. Logan, B. Hamelers, R. Rozendal, U. Schr\u00f6der, J. Keller, S. Freguia, P. Aelterman, W. Verstraete and K. Rabaey, <\/span>Environ. Sci. Technol.<\/span><\/em>, 2006, <\/span>40<\/span><\/strong>, 5181\u20135192.<\/span><\/p>\n

3<\/span>\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 <\/span>A. Kato Marcus, C. I. Torres and B. E. Rittmann, <\/span>Biotechnol. Bioeng.<\/span><\/em>, 2007, <\/span>98<\/span><\/strong>, 1171\u20131182.<\/span><\/p>\n

4<\/span>\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 <\/span>J. Garc\u00eda, D. P. L. Rousseau, J. Morat\u00f3, E. Lesage, V. Matamoros and J. M. Bayona, <\/span>Crit. Rev. Environ. Sci. Technol.<\/span><\/em>, 2010, <\/span>40<\/span><\/strong>, 561\u2013661.<\/span><\/p>\n

5<\/span>\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 <\/span>J. Garc\u00eda, J. Vivar, M. Aromir and R. Mujeriego, <\/span>Water Res.<\/span><\/em>, 2003, <\/span>37<\/span><\/strong>, 2645\u20132653.<\/span><\/p>\n

6<\/span>\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 <\/span>J. Vymazal and L. Kropfelova, <\/span>Wastewater Treatment in Constructed Wetlands with Horizontal Sub-Surface Flow<\/span><\/em>, Springer, 2008, vol. 14.<\/span><\/p>\n

7<\/span>\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 <\/span>C. C. Tanner and J. P. Sukias, <\/span>Water Sci. <\/span><\/em>Technol.<\/span><\/em>, 1995, <\/span>32<\/span><\/strong>, 229\u2013239.<\/span><\/p>\n

8<\/span>\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 <\/span>R. Kadlec and S. Wallace, <\/span>Treatment wetlands<\/span><\/em>, Taylor & Francis Group, Boca Raton, FL, 2009.<\/span><\/p>\n

9<\/span>\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 <\/span>European Union, 40\u201352.<\/span><\/p>\n

10<\/span>\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 <\/span>A.-E. Rotaru, P. M. Shrestha, F. Liu, B. Markovaite, S. Chen, K. P. Nevin and D. R. Lovley, <\/span>Appl. <\/span><\/em>Environ. <\/span><\/em>Microbiol.<\/span><\/em>, 2014, <\/span>80<\/span><\/strong>, 4599\u20134605.<\/span><\/p>\n

11<\/span>\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 <\/span>S. Kato, K. Hashimoto and K. Watanabe, <\/span>Proc. Natl. <\/span><\/em>Acad. Sci.<\/span><\/em>, 2012, <\/span>109<\/span><\/strong>, 10042\u201310046.<\/span><\/p>\n

12<\/span>\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 <\/span>A. Esteve-N\u00fa\u00f1ez, A. Bern\u00e1 Galiano, A. Reija Maqueda, C. Arag\u00f3n, A. Aguirre-Sierra, T. Bachetti de Gregoris, R. Esteve-N\u00fa\u00f1ez, B. Barroeta Garc\u00eda, J. R. Pidre, J. Fern\u00e1ndez Ontivero and J. J. Salas, in <\/span>MFC4-4th International Microbial Fuel Cell Conference<\/span><\/em>, Cairns, Australia, 2013, pp. 130\u2013131.<\/span><\/p>\n

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Cient\u00edficos del grupo Bioelectrog\u00e9nesis, formado por la Universidad de Alcal\u00e1 e IMDEA Agua, estudian la aplicaci\u00f3n de las Tecnolog\u00edas Electroqu\u00edmicas Microbianas al tratamiento de aguas residuales en peque\u00f1as poblaciones mediante su implantaci\u00f3n en humedales construidos. La investigaci\u00f3n se engloba en el marco del proyecto Smart Wetland, financiado por el programa INNPACTO del Ministerio de Econom\u00eda y Competitividad y la experimentaci\u00f3n se llev\u00f3 a cabo en las instalaciones de CENTA (Centro de Experimentaci\u00f3n de las Nuevas Tecnolog\u00edas del Agua) en Carri\u00f3n de los C\u00e9spedes, Sevilla. El objetivo principal de la investigaci\u00f3n es conocer si dicha tecnolog\u00eda mejorar\u00eda la depuraci\u00f3n respecto a\u2026<\/p>\n","protected":false},"author":42,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"ngg_post_thumbnail":0},"categories":[1],"tags":[],"blocksy_meta":{"styles_descriptor":{"styles":{"desktop":"","tablet":"","mobile":""},"google_fonts":[],"version":4}},"aioseo_notices":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/remtavares\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/132887"}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/remtavares\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/remtavares\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/remtavares\/wp-json\/wp\/v2\/users\/42"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/remtavares\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=132887"}],"version-history":[{"count":21,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/remtavares\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/132887\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":132914,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/remtavares\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/132887\/revisions\/132914"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/remtavares\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=132887"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/remtavares\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=132887"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/remtavares\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=132887"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}