Podríamos definir la fotobiodepuración de aguas residuales como un conjunto de procesos biológicos en los que aprovechamos las capacidades de organismos fotosintéticos para reducir la carga contaminante presente en las aguas residuales, especialmente en términos de contenido en nitrógeno y fósforo.
[learn_more caption=”Leer más”] El uso de organismos fotosintéticos en depuración de aguas no es nuevo, de hecho es quizás uno de los mecanismos de depuración más antiguos, algunos procesos de depuración que aprovechan las capacidades de estos organismos serían:
Humedales artificiales son ecosistemas artificiales diseñados específicamente para el tratamiento de aguas residuales mediante la optimización de los procesos biológicos, físicos y químicos que se producen en los sistemas de humedales naturales en las plantas acuáticas enraizadas en un sustrato o flotantes-sumergidas en un estanque. (Freeman, 1993; Witthar, 1993)
Lagunaje facultativo. Las lagunas de estabilización son una tecnología adecuada y generalizada para el tratamiento de aguas residuales urbanas de pequeños nucleos de población, especialmente en climas templados-cálidos (Mayo, 1995). En estas lagunas ocurren un conjunto de procesos físicos y bioquímicos, especialmente en las lagunas facultativas donde la relación sinérgica entre microalgas (incluyendo cianobacterias) y bacterias heterotróficas juega un papel importante en la reducción del el contenido en materia orgánica de aguas residuales y la eliminación de nutrientes. (Torres et al, 1997;. Agunwamba, 1992).
Fitoremediación La fitorremediación es el uso de las plantas para la retirada de suelos pocos profundos o aguas con moderados niveles de contaminación por muchos tipos de contaminantes como metales pesados y contaminantes orgánicos persistentes, como los pesticidas (McCutcheon et al, 2008). Las plantas también ayudan a evitar que el viento, la lluvia y los flujos de aguas subterráneas dispersen los contaminantes del área afectada a otros sitios [EPA, 2011].
Fotobiorreactores de microalgas:
Muchas especies de microalgas pueden crecer en agua residual gracias a su habilidad para utilizar eficientemente el nitrógeno inorgánico y el fósforo de este medio, a la vez que eliminan de manera eficaz estos nutrientes (Pittman et al., 2011). Las importantes ventajas de este proceso sobre los métodos de tratamiento convencional incluye; se trata de una tecnología menos compleja que las convencionales para eliminar nitrógeno y fósforo, abre la posibilidad de reciclar eficientemente el nitrógeno y el fósforo y por último los costes. La inversión requerida para una instalación de un sistema basado en las microalgas en comparación a un sistema de lodos activos es de menos de la mitad y los costes de operación de menos de un quinto (Craggs et al., 2011).
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Las principales razones para investigar en el campo de la aplicación de la biotecnología de microalgas en el campo de la depuración de aguas podrían resumirse en los siguientes puntos:
Aproximadamente el 25% de todas las alteraciones de los cuerpos de agua se deben a fenómenos relacionados con las altas concentraciones de nutrientes (nitrógeno y fósforo), siendo estos nutrientes los principales causantes de la eutrofización (De Bashan and Bashan, 2004; EPA, 2008).
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Los síntomas crónicos del sobre-enriquecimiento de nutrientes o eutrofización incluyen: bajos niveles de oxígeno disuelto, aumento de la turbidez del agua y el agotamiento de la flora y la fauna.
La legislación relativa al tratamiento del agua residual se está volviendo gradualmente más estricta y los tratamientos convencionales no pueden llevar a cabo la eliminación necesitada de ciertos contaminantes.
Estas regulaciones* están llevando a ampliaciones e instalación de nuevos procesos en las estaciones depuradoras. Este es el caso de la regulación de la concentración de nitrógeno y fósforo en los efluentes tratados, necesitándose procesos avanzados para lograr la eliminación requerida y así evitar el riesgo de eutrofización de las aguas receptoras.
* Directiva 91/271/CEE, modificada por la Directiva 98/15/CE.
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Las estaciones convencionales de tratamiento de aguas residuales son capaces de eliminar de forma muy eficiente sólidos en suspensión y materia orgánica mediante procesos físico-químicos y biológicos.
[learn_more caption=”Leer más”] Sin embargo, no están diseñadas para eliminar nitrógeno y fósforo. La normativa* establece un nivel de tratamiento más riguroso para el efluente de estaciones depuradoras de aguas residuales urbanas cumplan con los límites generales de vertido establecidos para estos nutrientes. La tecnología actual para eliminar nutrientes de las aguas residuales combinan reactores biológicos anaerobios para la eliminación del fósforo por via biológica y reactores biológicos aerobias y anóxicas para la nitrificación y la desnitrificación de las aguas respectivamente (veas procesos como Bardenphro, AO, A2O, UCT etc) (Metcalf-Eddy, 2004). Además, en los casos en que sólo se emplean procesos biológicos para eliminar el nitrógeno se precisan procesos físico-químicos para la precipitación de fósforo. Estos procesos aun siendo bastante efectivos, presentan una serie de inconvenientes:
– Para la eliminación biológica del nitrógeno se requiere la adición de una fuente de carbono orgánica externa o interna.
– La eliminación simultanea del nitrógeno y el fosforo mediante procesos biológicos es una tecnología extremadamente compleja de operar por lo que requiere personal altamente cualificado..
– La precipitación fisicoquímica del fósforo conlleva elevados costes de operación derivados fundamentalmente del consumo de reactivos.
– La elevada producción de lodos, especialmente en el caso de los procesos físico-químicos, con el consiguiente gasto asociado a su correcta gestión.
– La implantación de estos sistemas en estaciones ya construidas supone importantes cambios en el diagrama de flujo de la instalación y la parada de la misma para poder realizar las modificaciones pertinentes.
Se precisa pues de un proceso de eliminación simultáneo de nitrógeno y fósforo simple y con un coste económico razonable**, que pueda, sobre todo, ser implementado en las estaciones convencionales ya construidas sin necesidad de pararlas. Es decir, que el nuevo proceso se localice aguas abajo de la estación depuradora o en la cabecera de la misma. La utilización de microalgas para la eliminación de nutrientes tiene una serie de ventajas respecto a los procesos biológicos y físico-químicos anteriormente mencionados:
– Se consigue una eliminación simultánea del nitrógeno y fósforo.
– No requiere una fuente de carbono orgánico externo.
– Se produce un efluente oxigenado, lo cual es beneficioso para el medio acuático receptor.
– El nitrógeno y el fósforo se recuperan en forma de biomasa de algas de alto valor añadido.
– Se trata de una tecnología ―fin de línea‖, la cual no conlleva grandes modificaciones en el diagrama de flujo de las estaciones depuradoras existentes que requieran la eliminación de nutrientes de sus efluentes.
** Los procesos biológicos tradicionales de eliminación de nutrientes pueden suponer entre el 60 y el 80 % del consumo de energía de todo el proceso global de depuración (Clarens et al.,2010). [/learn_more]
Las crecientes necesidades de alimentos en el mundo no pueden ser satisfechas excepto con la adición de fertilizantes (FAO, 2005); éstos se basan en nitrógeno y fósforo. [learn_more caption=”Leer más”] Sin embargo, a pesar de que el nitrógeno es un recurso ilimitado, se requiere aportar una considerable cantidad de energía en la producción de fertilizantes nitrogenados (Farrell et al., 2006). Por otro lado, el fósforo es obtenido en su totalidad a partir de fuentes no renovables, e incluso mermas parciales en las reservas de fósforo podrían a largo plazo resultar relevantes en la sostenibilidad de la agricultura (Van Vuuren et al., 2010). Por tanto, se puede establecer que el mundo podría padecer severas limitaciones de fósforo en un futuro cercano. [/learn_more]
El empleo de microalgas como método de biofijación de CO2 ha suscitado la atención de la comunidad científica en los últimos años debido a que suple algunos de los inconvenientes de los procesos comentados anteriormente. [learn_more caption=”Leer más”]Las microalgas son microorganismos fotosintéticos procariotas o eucariotas que tienen la capacidad crecer y vivir en ambientes muy severos debido a su estructura unicelular o multicelular simple (Mata el al., 2010). El mecanismo fotosintético de las microalgas es similar al de las plantas superiores, pero debido a su estructura unicelular simple y al hecho de que se encuentran generalmente sumergidas en un medio acuoso, donde tienen acceso de forma eficiente al agua, CO2 y a los nutrientes esenciales, son generalmente mucho más eficientes convirtiendo la energía solar en biomasa que las plantas superiores. Las microalgas son las responsables de la producción de más del 50% del O2 del planeta (Carlson et al., 2007) y tienen la capacidad de biofijar CO2 mientras capturan la energía solar con una eficiencia entre 10-50 veces superior a las plantas terrestres (Usui and Ikenouchi, 1997; Li et al., 2008).[/learn_more]
En un contexto de creciente inestabilidad del precio del petróleo, los costes medioambientales, sociales y económicos en torno a este mercado son los principales motores del fomento de los biocombustibles por parte de las autoridades públicas (Directiva 2003/30/CE). Estas instituciones han apostado por el aumento de las políticas a favor de los biocombustibles, debido a los potenciales beneficios medioambientales, de seguridad energética y económicos ofrecidos. [learn_more caption=”Leer más”]Sin embargo, la producción de estos combustibles es un arma de doble filo, estando vinculado al uso de agua, terreno agrícola o recursos alimenticios. Cuando estas debilidades son considerados, las perspectivas de éxito de la producción de biocombustibles se presentan inciertas (Zibermann et al., 2013) y consecuentemente el aumento en la producción de esta fuente de energía está comenzando a ser motivo de preocupación. En el caso de la biotecnología de microalgas aplicado al campo de la depuración de aguas, se trata de un proceso en el que no es preciso suelo fértil, no se consume el recurso agua y aprovecha fuentes residuales de nutrientes para producir biomasa, sin competir con la producción de alimentos por estos recursos.[/learn_more]
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Clarens, A. F.; Resurreccion, E. P.; White, M. A.; Colosi, L. M. 2010. Environmental Life Cycle Comparison of Algae to Other Bioenergy Feedstocks. Environ. Sci. Technol., 44, 1813–1819.
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