Cádiz, España.- Eliminar nitrógeno y fósforo de las aguas residuales a través de un procedimiento más ágil y barato, usando para ello microalgas, ha sido el punto de partida de la investigación que han realizado varios científicos de la Universidad de Cádiz, integrados en el grupo TEP-181: Tecnología del Medio Ambiente adscrito al Campus de Excelencia Internacional del Mar (CEI.Mar). Bajo la coordinación del profesor José Antonio Perales Vargas-Machuca, un equipo de expertos ha trabajado en un nuevo sistema de eliminación de nutrientes de aguas residuales mediante fotobiotratamiento con microalgas, un proceso que además posibilita operar durante la noche y obtener energía a través de la biomasa resultante.
Las aguas residuales presentan elevadas concentraciones de nitrógeno y fósforo que deben eliminarse antes de que éstas acaben en el estuario de un río o en los aledaños de un parque natural, con el fin de evitar problemas que pueden llevar a la degradación de la calidad ambiental de toda una zona. Actualmente, existen procesos eficaces para eliminar estos contaminantes de las aguas residuales urbanas, pero estas tecnologías presentan una serie de desventajas derivadas de su elevado coste y complejidad de operación, la generación de residuos (lodos) o su alto consumo energético. Para acabar con estos inconvenientes, diversos científicos han centrado sus estudios en depurar aguas con microalgas como el equipo investigador de la UCA que se centra en trabajar en procesos de fotobiodepuración con microalgas, una biotecnología que requiere de luz para poder llevarse a cabo. «Esta tecnología de eliminación de nutrientes en aguas residuales presenta dos hándicaps que requieren de una optimización de la superficie ocupada por los reactores y la separación de la biomasa del medio de cultivo o cosechado», como explica el profesor José Antonio Perales. «Las microalgas requieren nitrógeno, fósforo, agua y luz básicamente. Los tres primeros elementos los encontramos en las aguas residuales urbanas, pero para obtener la energía necesaria, los reactores tienen que estar expuestos al sol, del mismo modo que un panel solar. No podemos hacer reactores excesivamente profundos porque no le llegaría luz a las microalgas, esta limitación respecto a la trayectoria de luz ha de ser salvada al objeto de reducir el espacio que ocuparían estos fotobiorreactores», aclara el coordinador del grupo.
Cuanto menor es la trayectoria de luz, mayor es la concentración de microalgas que se alcanza en el medio de cultivo, no obstante, si se utiliza un reactor con una trayectoria de luz demasiado corta (poco profundo) el problema sería la excesiva superficie necesaria. Por ello, lo más frecuente es usar fotobiorreactores con mayores trayectorias de luz, «estos presentan la ventaja de tener menos costes de inversión, pero se alcanzan concentraciones de biomasa más bajas. Lo que nos lleva a otro problema: el cosechado». El cosechado o la separación es el proceso mediante el cual se desunen los elementos sólidos (biomasa algal) del agua. Toda esta técnica «supone un alto consumo de energía que sólo es rentable si el objetivo es obtener productos de elevado valor añadido de la biomasa, como es el caso de los carotenoides y xantofilas (ambos pigmentos orgánicos), pero no cuando el objetivo es depurar aguas residuales», tal y como aseveran desde la UCA.
Con todo ello, este equipo comenzó a encajar piezas y durante la realización de diversos experimentos cultivando microalgas en aguas residuales observaron que «las microalgas, como cualquier organismo se alimenta, y una parte de lo que ingieren lo usan para crecer, mientras que otra parte lo almacenan como reserva. En el caso del nitrógeno y fósforo, nutrientes contaminantes presentes en el agua residual, las microalgas lo asimilan más rápido de lo que precisarían para crecer. Consumen todo el fósforo y nitrógeno y cuando estos nutrientes desaparecen de las aguas residuales aún las microalgas no han crecido todo lo que se esperaría, lo que explica que estén internamente saturadas de estos elementos. Las microalgas crecen posteriormente a expensas de estas reservas», subraya el profesor de la UCA que ha coordinado toda esta investigación.
Alimentación en la oscuridad
Con esta idea, realizaron diversos experimentos y comprobaron que las microalgas asimilan nitrógeno y fósforo también en la oscuridad. «Para que las algas crezcan necesitábamos luz, pero para que incorporen los nutrientes no, así que podemos aprovechar esta capacidad en reactores sin limitación de profundidad (sin luz) con lo que subsanamos parcialmente el problema del espacio requerido en los fotobiorreactores».
El siguiente paso sería la separación o cosechado. Separar el agua ya depurada y mantener una concentración alta de microalgas en el fotobiorreactor, donde crecerían a expensas de las reservas de modo que pudiesen ser empleadas de nuevo para llevar a cabo un proceso de depuración continuado. De esta forma, «podemos decidir si sacar poca biomasa muy rica en nitrógeno y fósforo o una gran cantidad de biomasa pobre en estos nutrientes, dependiendo del objetivo del proceso, depurar aguas o producir biomasa», en palabras del investigador de la UCA. «Este problema se solventa utilizando tecnología de separación por membranas».
Y todo ello sin tener que interrumpir el proceso en fase nocturna. Y es que, como indica José Antonio Perales, «el sistema que hemos diseñado funciona de forma continua día y noche frente a los sistemas convencionales que solo pueden ser alimentados en la fase diurna. Todas las algas que producimos en fase luminosa (de día) con el agua residual asimilan el nitrógeno y el fósforo y crecen a expensas de las reservas de nutrientes mientras que en la fase oscura (noche) se limitan a depurar las aguas por incorporación de nutrientes sin crecimiento», sentencia el investigador.
Esta patente, en la que han trabajado, además de Perales, Jesús Ruiz, Pablo Álvarez, Zouhayr Arbib, Carmen Garrido y Jesús Barragán, es el principio de un camino que llevará al equipo de la UCA a crear un prototipo y ponerlo a funcionar en continuo. «Hasta la fecha solamente tenemos evidencias experimentales de que el proceso puede funcionar, pero es preciso comprobarlo mediante un prototipo operando en continuo durante un periodo de tiempo razonable. Una vez ajustadas las variables de operación bajo condiciones controladas en laboratorio, lo instalaremos en nuestras dependencias exteriores y comprobaremos su estabilidad frente a los cambios estacionales de luz, temperatura y otras variables, comparando nuestro sistema con fotobiorreactores tradicionales».
Todo este trabajo ha sido el fruto de dos proyectos de investigación: uno del Plan Nacional, titulado Utilización de microalgas para la eliminación de nutrientes de aguas residuales y producción de biocombustibles, y otro, esta vez de Excelencia de la Junta de Andalucía, denominado Estudio de la viabilidad del uso de microalgas en la depuración de aguas residuales: Biofijación de CO2 y producción de biocombustible.
