{"id":133687,"date":"2018-07-16T13:29:17","date_gmt":"2018-07-16T12:29:17","guid":{"rendered":"http:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/remtavares\/?p=133687"},"modified":"2018-07-16T16:40:22","modified_gmt":"2018-07-16T15:40:22","slug":"recuperacion-de-nutrientes-y-energia-en-aguas-residuales-domesticas-mediante-bacterias-fototroficas","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/remtavares\/2018\/07\/16\/133687","title":{"rendered":"Recuperaci\u00f3n de nutrientes y energ\u00eda en aguas residuales dom\u00e9sticas mediante bacterias fototr\u00f3ficas"},"content":{"rendered":"<p>El Grupo de Ingenier\u00eda Qu\u00edmica y Ambiental (GIQA) de la Universidad Rey Juan Carlos ha desarrollado una tecnolog\u00eda en colaboraci\u00f3n con la empresa FCC AQUALIA para el tratamiento de aguas residuales con recuperaci\u00f3n de nutrientes y energ\u00eda, dentro del contexto de econom\u00eda circular en el \u00e1mbito de la gesti\u00f3n de los recursos h\u00eddricos. Esta tecnolog\u00eda se basa en el empleo de unos microorganismos altamente vers\u00e1tiles, las bacterias fototr\u00f3ficas p\u00farpura (PPB), para la acumulaci\u00f3n de todo el contenido en Carbono, Nitr\u00f3geno y F\u00f3sforo de las aguas residuales dom\u00e9sticas, empleando para ello energ\u00eda solar infrarroja. El proceso est\u00e1 siendo actualmente implementado a escala piloto en una Estaci\u00f3n Depuradora de Aguas Residuales. Los prometedores resultados obtenidos hasta ahora permiten vaticinar un r\u00e1pido desarrollo de la tecnolog\u00eda, la cual est\u00e1 siendo impulsada a trav\u00e9s de propuestas de financiaci\u00f3n europea.<\/p>\n<p><em>Dr. Daniel Puyol Santos, Investigador Ram\u00f3n y Cajal, Grupo de Ingenier\u00eda Qu\u00edmica y Ambiental (GIQA), Universidad Rey Juan Carlos.<\/em><br \/>\n<em> Dr. V\u00edctor Monsalvo Garc\u00eda, Director del \u00c1rea de Ecoeficiencia, Departamento de Innovaci\u00f3n y Tecnolog\u00eda, FCC AQUALIA.<\/em><\/p>\n<p><!--more--><\/p>\n<p><strong>Econom\u00eda circular en el tratamiento de aguas residuales: biorrefiner\u00edas<\/strong><\/p>\n<p>El sistema productivo moderno est\u00e1 modificando su modelo conceptual para un dise\u00f1o de producci\u00f3n basado en la econom\u00eda 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 emisi\u00f3n 0. El tratamiento de aguas residuales es una plataforma id\u00f3nea para basar el desarrollo tecnol\u00f3gico enfocado al cambio de modelo productivo, pues es un sistema ampliamente extendido y muy estudiado [1]. Adem\u00e1s, entre el 50 y el 100% de los recursos perdidos como residuos est\u00e1n contenidos en las aguas residuales. Recientemente han surgido varias alternativas de tratamiento de aguas residuales basadas en el concepto de econom\u00eda circular. Entre ellas, el grupo de Batstone y col. proponen un sistema de depuraci\u00f3n en tres etapas: acumulaci\u00f3n total de la materia org\u00e1nica y los nutrientes en biomasa mediante un biorreactor de membrana, liberaci\u00f3n de los nutrientes y energ\u00e9tica mediante digesti\u00f3n anaerobia y recuperaci\u00f3n de nutrientes mediante precipitaci\u00f3n de estruvita o bien producci\u00f3n directa de fertilizantes org\u00e1nicos a partir de la biomasa [2]. El n\u00facleo principal de su propuesta es la etapa de acumulaci\u00f3n mediante la acci\u00f3n de bacterias anaerobias fototr\u00f3ficas p\u00farpura o PPB (de sus siglas en ingl\u00e9s, Purple Phototrophic Bacteria).<\/p>\n<p>Las bacterias PPB permiten la acumulaci\u00f3n a trav\u00e9s de la asimilaci\u00f3n de los nutrientes contenidos en el agua residual, principalmente N y P. Adem\u00e1s, emplean luz infrarroja como fuente energ\u00e9tica, y por ello su eficiencia en reciclaje de C es muy elevada, pudiendo potencialmente crecer con un rendimiento biomasa\/sustrato cercano al 100% en t\u00e9rminos de C [3]. Su metabolismo permite obtener diversos productos de alto valor a\u00f1adido. Son capaces de acumular P en forma de polifosfato y tener un alto contenido proteico, por lo que la biomasa puede emplearse como fertilizante org\u00e1nico, o bien como prote\u00edna bacteriana de alto poder nutritivo para alimentaci\u00f3n. Adem\u00e1s, acumulan C en forma de polihidroxialcanoatos, que pueden emplearse como biopl\u00e1sticos. Su alto contenido en l\u00edpidos tambi\u00e9n hace que su potencial de conversi\u00f3n energ\u00e9tica (por ejemplo, en forma de biog\u00e1s a trav\u00e9s de digesti\u00f3n anaerobia) sea muy elevada. Todo ello hace que el desarrollo de procesos basados en la utilizaci\u00f3n de bacterias PPB suponen una plataforma \u00fanica para desarrollar un cambio de paradigma en el tratamiento de aguas residuales enfocado a la obtenci\u00f3n de productos y valorizaci\u00f3n energ\u00e9tica [4]. Este enfoque de fotobiorrefiner\u00eda es muy novedoso, y el GIQA, liderado por el Dr. Daniel Puyol y los Prof. Juan Antonio Melero y Fernando Mart\u00ednez, ha desarrollado una tecnolog\u00eda de tratamiento de aguas residuales y efluentes l\u00edquidos basada en estas bacterias PPB, en colaboraci\u00f3n con el Departamento de Innovaci\u00f3n y Tecnolog\u00eda de FCC AQUALIA, representada por D. Frank Rogalla y el Dr. V\u00edctor Monsalvo.<\/p>\n<p><strong>Reactores anaerobios tipo carrusel, un nuevo concepto de tratamiento de aguas residuales <\/strong><\/p>\n<p>Tradicionalmente, los reactores tipo carrusel se han empleado para la depuraci\u00f3n de aguas residuales mediante organismos heterog\u00e9neos que mezclan estos organismos con otros organismos procariotas. Alternativas como los raceways permiten el cultivo de organismos fototr\u00f3ficos tales como algas y cianobacterias (www.all-gas.eu). Tambi\u00e9n se han empleado, en menor medida, para la obtenci\u00f3n de biomasa para ser empleada posteriormente como fuente energ\u00e9tica. Sin embargo, existen algunas limitaciones que impiden desarrollar el concepto de biorrefiner\u00eda en EDAR basadas en estas soluciones, como son:<\/p>\n<ul>\n<li>El elevado consumo de ox\u00edgeno de los sistemas aerobios supone un coste de operaci\u00f3n elevado, con elevadas emisiones de CO<sub>2<\/sub> asociadas. La baja eficiencia de s\u00edntesis celular hace que su valorizaci\u00f3n energ\u00e9tica v\u00eda digesti\u00f3n solamente sea interesante para EDAR de gran tama\u00f1o.<\/li>\n<li>La baja velocidad de crecimiento de organismos fototr\u00f3ficos requiere operar con elevados tiempos de residencia, en la mayor\u00eda de los casos superiores a los 2-3 d, con la necesidad de superficie que ello conlleva dado que, adem\u00e1s, los raceways alimentados con luz visible no pueden tener una profundidad excesiva para asegurar la penetraci\u00f3n lum\u00ednica.<\/li>\n<li>Precisamente debido a la penetraci\u00f3n de la luz visible, es necesario controlar el crecimiento de biomasa de tal manera que no suponga una limitaci\u00f3n en la transferencia lum\u00ednica. La materia en suspensi\u00f3n residual debe, por tanto, ser controlada y eliminada antes de alimentarse al raceway.<\/li>\n<li>En reactores oligotr\u00f3ficos sucede la proliferaci\u00f3n de algas oxig\u00e9nicas, las cuales evitan el crecimiento de organismos anaerobios y, por tanto, se limita la recuperaci\u00f3n de la materia org\u00e1nica, incrementando la emisi\u00f3n de gases NO<sub>X<\/sub>. En reactores eutr\u00f3ficos, por el contrario, la capacidad de tratamiento est\u00e1 limitada por la baja carga org\u00e1nica que son capaces de soportar los organismos fotosint\u00e9ticos. Por ello, el tiempo de residencia hidr\u00e1ulico debe ser, incluso, m\u00e1s elevado.<\/li>\n<li>La capacidad de eliminaci\u00f3n de f\u00f3sforo est\u00e1 limitada principalmente al crecimiento de los organismos fotosint\u00e9ticos, dado que las algas s\u00f3lo pueden acumular limitadas cantidades de poli-fosfato. Por tanto, es necesario el uso de tecnolog\u00edas en serie para recuperar el f\u00f3sforo residual.<\/li>\n<\/ul>\n<p>La tecnolog\u00eda ADVANSIST desarrollada por GIQA y FCC Aqualia supone un nuevo concepto de <em>fotobiorreactor anaerobio tipo carrusel <\/em>(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 tecnolog\u00edas de carrusel aerobios convencional y sistemas tipo raceway, pero adem\u00e1s permite:<\/p>\n<ul>\n<li>Incrementar la cantidad de N y P extra\u00eddo del agua residual mediante su asimilaci\u00f3n y acumulaci\u00f3n, y por tanto la capacidad de recuperaci\u00f3n de nutrientes.<\/li>\n<li>Eliminar el riesgo de producci\u00f3n de toxinas debido a la proliferaci\u00f3n de cianobacterias.<\/li>\n<li>Aumentar considerablemente la concentraci\u00f3n de biomasa en el interior del reactor, dado que la luz infrarroja tiene una capacidad de penetraci\u00f3n superior a la luz visible. Adem\u00e1s, se permite el tratamiento de aguas no sedimentadas dado que la materia residual en suspensi\u00f3n apenas absorbe en el rango infrarrojo. Todo ello permite trabajar con reactores de menor tama\u00f1o.<\/li>\n<li>Aumentar notablemente la producci\u00f3n de biog\u00e1s, incluida la velocidad de producci\u00f3n, dado que las bacterias PPB son m\u00e1s f\u00e1cilmente digeribles que el resto de biomasa fototr\u00f3fica debido a que carecen de pared celular con base celul\u00f3sica.<\/li>\n<\/ul>\n<div><a href=\"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/remtavares\/files\/2018\/07\/Figura-1-URJC-julio-18.png\"><img decoding=\"async\" class=\"aligncenter  wp-image-133689\" title=\"Figura 1 \" src=\"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/remtavares\/files\/2018\/07\/Figura-1-URJC-julio-18-1024x690.png\" alt=\"\" width=\"401\" height=\"269\" srcset=\"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/remtavares\/files\/2018\/07\/Figura-1-URJC-julio-18-1024x690.png 1024w, https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/remtavares\/files\/2018\/07\/Figura-1-URJC-julio-18-300x202.png 300w\" sizes=\"(max-width: 401px) 100vw, 401px\" \/><\/a><\/div>\n<p style=\"text-align: left;\"><strong>Figura 1:<\/strong> Fotobiorreactor anaerobio tipo carrusel. El agua residual se alimenta lateralmente. El agua se circula en el reactor y el efluente tratado se evac\u00faa por el extremo opuesto. El sistema cuenta con una cubierta que selecciona la longitud de onda incidente, dejando paso \u00fanicamente a la luz infrarroja, adem\u00e1s de garantizar un ambiente anaerobio.<\/p>\n<p><strong>Desarrollo tecnol\u00f3gico del fotobiorreactor anaerobios tipo carrusel \u201cADVANSIST\u201d: escala semi-piloto<\/strong><\/p>\n<p>La viabilidad de la tecnolog\u00eda se ha demostrado durante un periodo de 1 a\u00f1o en la EDAR de la URJC (M\u00f3stoles). Los reactores, de 0,5 m<sup>3<\/sup> de volumen cada uno, constan de un sistema de circulaci\u00f3n de agua a bajo coste (<em>paddle wheels<\/em>). Se cuenta con un sistema de separaci\u00f3n de biomasa que consiste en dos sedimentadores troncoc\u00f3nicos de 0,2 m<sup>3<\/sup> 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 operaci\u00f3n.<\/p>\n<p><a href=\"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/remtavares\/files\/2018\/07\/Figura-2-URJC-julio-18.jpg\"><img decoding=\"async\" class=\"aligncenter  wp-image-133690\" title=\"Figura 2\" src=\"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/remtavares\/files\/2018\/07\/Figura-2-URJC-julio-18.jpg\" alt=\"\" width=\"420\" height=\"565\" srcset=\"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/remtavares\/files\/2018\/07\/Figura-2-URJC-julio-18.jpg 677w, https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/remtavares\/files\/2018\/07\/Figura-2-URJC-julio-18-222x300.jpg 222w\" sizes=\"(max-width: 420px) 100vw, 420px\" \/><\/a><\/p>\n<p style=\"text-align: left;\"><strong>Figura 2:<\/strong> Imagen de los fotobiorreactores tipo carrusel instalados en la planta de tratamiento de aguas residuales de la URJC antes de iniciar su operaci\u00f3n.<\/p>\n<p>La operaci\u00f3n 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 volum\u00e9trico del 50% una vez por semana. Esto permiti\u00f3 el crecimiento selectivo de biomasa fototr\u00f3fica para una puesta en marcha m\u00e1s r\u00e1pida durante el tratamiento en continuo. El cambio de r\u00e9gimen de discontinuo a continuo se realiz\u00f3 utilizando un tiempo de residencia hidr\u00e1ulico inicial de 48 h, que se disminuy\u00f3 paulatinamente hasta 18 h al final del pilotaje. Inicialmente, se ha trabajado con el agua residual bruta. El aporte de materia org\u00e1nica adicional permiti\u00f3 la asimilaci\u00f3n completa de todo el N y el P presente en el agua residual. Esto se debe principalmente a la baja concentraci\u00f3n de materia org\u00e1nica presente en el agua residual del Campus, con valores promedio de 200 mg demanda qu\u00edmica de ox\u00edgeno (DQO)\/L.<\/p>\n<p>Durante el periodo de tratamiento en discontinuo, la biomasa fototr\u00f3fica coloniz\u00f3 paulatinamente los reactores hasta alcanzar una concentraci\u00f3n en torno a 200 mg de s\u00f3lidos vol\u00e1tiles\/L. Se alcanzaron eficiencias de degradaci\u00f3n de DQO, N y P del 90, 45 y 50%, respectivamente, en ambos reactores. El cambio operativo de r\u00e9gimen a continuo supuso una disminuci\u00f3n de estas eficiencias debido principalmente al aumento de carga espec\u00edfica y a la necesidad de aclimataci\u00f3n por parte de la biomasa. A partir de la adici\u00f3n de una fuente adicional de materia org\u00e1nica, la eficiencia de consumo de DQO aument\u00f3 considerablemente en ambos reactores, hasta estabilizarse en un valor en torno al 70%, para tiempos de residencia hidr\u00e1ulicos de 48 y 36 h. Con el objetivo de incrementar estas eficiencias, a partir del d\u00eda 200 de operaci\u00f3n se instal\u00f3 un sistema de control de recirculaci\u00f3n de biomasa para mantener estable la concentraci\u00f3n de la misma en los reactores.\u00a0 De esta forma, se logr\u00f3 aumentar la eficiencia en la degradaci\u00f3n de DQO hasta valores cercanos al 95% de forma sostenida, as\u00ed como aumentar considerablemente la eliminaci\u00f3n de N, con valores variables entre el 60 y el 100%, y de P, con eficiencias de eliminaci\u00f3n del 50%. De igual modo, se logr\u00f3 disminuir el tiempo de residencia hidr\u00e1ulico de la instalaci\u00f3n hasta 18 h, lo cual supone un avance muy importante en el desarrollo de esta tecnolog\u00eda, pues permite disminuir en m\u00e1s de 4 veces el volumen necesario para su implementaci\u00f3n a escala real, en comparaci\u00f3n con otros sistemas fototr\u00f3ficos.<\/p>\n<p><strong>Desarrollo tecnol\u00f3gico de los raceways anaerobios: escala piloto<\/strong><\/p>\n<p><strong>\u00a0<\/strong>Los resultados obtenidos son prometedores, por lo que FCC Aqualia contin\u00faa apostando por el desarrollo de esta tecnolog\u00eda en colaboraci\u00f3n con el GIQA, para maximizar el aprovechamiento del agua residual como recurso y promover un uso m\u00e1s sostenible de los recursos h\u00eddricos. Por ello, actualmente se est\u00e1 construyendo la planta demostrativa sobre la tecnolog\u00eda de bacterias PPB m\u00e1s grande del mundo, donde la materia org\u00e1nica y los nutrientes ser\u00e1n transformados en bioenerg\u00eda y\/o fertilizantes org\u00e1nicos, con una capacidad de tratamiento de 80 m<sup>3<\/sup>\/d. La inauguraci\u00f3n de la planta est\u00e1 prevista para septiembre de 2018, y la importancia estrat\u00e9gica de la misma, tanto para FCC AQUALIA como para el GIQA, har\u00e1 de la divulgaci\u00f3n cient\u00edfica un objetivo fundamental para dar a conocer este hito tecnol\u00f3gico.<\/p>\n<ol>\n<li>van Loosdrecht, M.C.M. and D. Brdjanovic, <em>Anticipating the next century of wastewater treatment.<\/em> Science, 2014. <strong>344<\/strong>(6191): p. 1452-1453.<\/li>\n<li>Batstone, D.J., et al., <em>Platforms for energy and nutrient recovery from domestic wastewater: A review.<\/em> Chemosphere, 2014(0).<\/li>\n<li>Hulsen, T., D.J. Batstone, and J. Keller, <em>Phototrophic bacteria for nutrient recovery from domestic wastewater.<\/em> Water Res, 2014. <strong>50<\/strong>: p. 18-26.<\/li>\n<li>Puyol, D., et al., <em>Resource Recovery from Wastewater by Biological Technologies: Opportunities, Challenges, and Prospects.<\/em> Front Microbiol, 2016. <strong>7<\/strong>: p. 2106.<\/li>\n<\/ol>\n<p>&nbsp;<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>El Grupo de Ingenier\u00eda Qu\u00edmica y Ambiental (GIQA) de la Universidad Rey Juan Carlos ha desarrollado una tecnolog\u00eda en colaboraci\u00f3n con la empresa FCC AQUALIA para el tratamiento de aguas residuales con recuperaci\u00f3n de nutrientes y energ\u00eda, dentro del contexto de econom\u00eda circular en el \u00e1mbito de la gesti\u00f3n de los recursos h\u00eddricos. Esta tecnolog\u00eda se basa en el empleo de unos microorganismos altamente vers\u00e1tiles, las bacterias fototr\u00f3ficas p\u00farpura (PPB), para la acumulaci\u00f3n de todo el contenido en Carbono, Nitr\u00f3geno y F\u00f3sforo de las aguas residuales dom\u00e9sticas, empleando para ello energ\u00eda solar infrarroja. 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