Integración del tratamiento de aguas residuales y la producción de microalgas para aplicaciones relacionadas con la agricultura

Abstract

El concepto de escasez hídrica es relativamente nuevo pero ya afecta a casi el 40% de la población mundial. Según datos de las Naciones Unidas, 3 de cada 10 personas carecen de acceso a servicios de agua potable seguros y aproximadamente el 70% de las aguas extraidas de ríos, lagos y acuíferos naturales se utilizan para riego. A esto se suma que aproximadamente el 80% de las aguas residuales resultantes de la actividad humana se vierten al medioambiente sin ningún tratamiento, lo que supone un gran problema ambiental. La depuración de aguas residuales urbanas mediante métodos convencionales consiste en una serie de procesos físicos, químicos y biológicos que tienen como fin garantizar que el agua que se vierte al medioambiente cumple unos criterios de calidad mínimos. Estos son cada vez más exigentes. Se estima que en España se depuran alrededor de 4950 hm3 de agua residual anuales; para ello, son necesarias más de 4700 estaciones depuradoras de aguas residuales y un presupuesto superior a los 1300 millones de euros. La eliminación de la materia orgánica presente en el agua residual es uno de los aspectos más optimizados en los procesos de tratamiento actuales. Sin embargo, a pesar de ser eficientes, gran parte de esta materia orgánica se transforma en CO2 y acaba inevitablemente en la atmósfera. Otro inconveniente de los procesos de depuración actuales ocurre durante la eliminación del nitrógeno y del fósforo. Para eliminarlos correctamente se requieren grandes consumos energéticos y la instalación de equipos y procesos complejos. Tanto el carbono, como el nitrógeno y el fósforo son esenciales para el crecimiento de las microalgas. Por este motivo, durante los últimos años, los sistemas de tratamiento de aguas residuales basados en microalgas han captado un gran interés comercial. Su principal ventaja frente a los procesos tradicionales es la posible valorización de la biomasa producida para obtener bioproductos sostenibles o energía. Además, al ser microorganismos fotosintéticos, son capaces de asimilar el CO2 producido en los procesos tradicionales aumentando la sostenibilidad del proceso. Desde el punto de vista económico, el cultivo de microalgas utilizando aguas residuales como fuente de nutrientes también resulta especialmente interesante. De hecho, al combinar el tratamiento de aguas residuales con el cultivo de microalgas, los costes de producción de la biomasa microalgal se pueden reducir teóricamente a menos de 1 €·kg-1, muy por debajo de los 5-10 €·kg-1 actuales cuando se emplean otras fuentes de nutrientes. El principal uso de las microalgas es la producción de suplementos nutricionales, especialmente suplementos protéicos. La biomasa microalgal producida utilizando aguas residuales no puede emplearse directamente como alimento. Sin embargo, puede usarse para producir alimentos de forma indirecta: como materia prima para la obtención de bioestimulantes agrícolas o piensos para animales, especialmente para la acuicultura. El potencial de esta tecnología es enorme. Uno de los mayores problemas relacionados con la depuración de aguas residuales urbanas mediante microalgas es que se procesan enormes cantidades de agua y se necesitan reactores de gran tamaño. Debido a su necesidad de luz, los fotobiorreactores utilizados para producir microalgas no pueden ser muy profundos, por lo que se necesitan grandes superficies. En concreto, para depurar el agua residual de una ciudad, se requieren fotobiorreactores de aproximadamente 5-6 m2 por habitante. Hasta la fecha, la gran mayoría de los estudios científicos publicados se han realizado a escala de laboratorio o a escala piloto durante periodos de tiempo muy reducidos. La duración de los ensayos es muy relevante, ya que un proceso estable durante un periodo de tiempo muy corto no permite predecir su comportamiento en condiciones reales. La validación de dichos procesos a mayor escala y su optimización es esencial para captar el interés comercial y conseguir la implementación industrial de los procesos de depuración de aguas residuales basados en microalgas. Otro inconveniente viene dado por el reducido número de microalgas disponibles en los bancos de algas. A pesar de que hay cientos de miles de cepas de microalgas distintas en la naturaleza, muy pocas han sido estudiadas en detalle y solo algunas de ellas utilizando aguas residuales. Así pues, en esta Tesis Doctoral se pretende validar procesos basados en microalgas a una escala precomercial, demostrar la viabilidad tecnológica de su uso para la depuración de aguas residuales y estudiar cómo influyen las variables de operación y las condiciones ambientales en su eficiencia y productividad. Para ello, se han estudiado distintos tipos de fotobiorreactores (raceway y thin layer) y se han llevado a cabo ensayos durante todas las estaciones del año, permitiendo predecir valores de eficiencia y productividad de biomasa anuales. Los reactores tipo raceway, los más comunes a nivel mundial, son sistemas económicos y relativamente fáciles de operar, pero solo permiten alcanzar productividades relativamente bajas (20 g·m-2·día-1). Esto se debe, principalmente, a que la altura del cultivo es de unos 10-30 cm, lo que da lugar a un bajo aprovechamiento de la luz, ya que las microalgas se sombrean unas a otras. Además, la transferencia de materia en este tipo de reactores es reducida, lo que limita la asimilación de nutrientes y la eliminación de gases. Es por ello por lo que en esta Tesis también se ha llevado a cabo el estudio de otro tipo de sistemas: los reactores de capa fina o thin layer. Estos trabajan con una altura de cultivo inferior a 5 cm, lo que incrementa significativamente la disponibilidad de luz que tienen las células. Así, se consiguen alcanzar productividades de biomasa por unidad de superficie y tiempo muy superiores, en el rango 35-45 g·m-2·día-1. Hasta ahora, los reactores de capa fina no han sido optimizados a escala piloto y se desconoce su eficacia recuperando nutrientes del agua residual urbana. En este trabajo se han utilizado fotobiorreactores tipo raceway de 80 m2 y fotobiorreactores thin layer de 63 y 163 m2, lo que supone un gran avance con respecto a los estudios previos donde los procesos se validaban a escalas de 10-20 m2 como máximo. Se ha estudiado el potencial de estos sistemas utilizando agua de la red y fertilizantes comerciales como medio de cultivo, donde se han llegado alcanzar productividades de biomasa de 5100, 5600 y 9100 kg·año-1, respectivamente. A continuación, con el fín de conseguir un proceso más sostenible, se ha validado el uso de dichos reactores pero usando agua residual urbana como la principal fuente de nutrientes. Las productividades obtenidas fueron similares a las observadas en los cultivos con ferilizantes comerciales. Esto permite prever que, si se escala el proceso a un reactor de 10000 m2, se podrían llegar a eliminar 10.6 toneladas de nitrógeno y 0.5 toneladas de fósforo al año, a la vez que se producirían hasta 56.5 toneladas de biomasa con un alto valor añadido. La utilización de aguas residuales no solo aumenta la sostenibilidad del proceso; un análisis económico preliminar ha demostrado que usando agua residual como medio de cultivo para el cultivo de microalgas se podría reducir el cose de producción en 0.44 €·kg-1 a la vez que se obtendría agua regenerada que podría reutilizable para riego. Esta Tesis también ha tenido como objetivo estudiar el uso de membranas de ultrafiltración para aumentar la eficiencia del proceso. El uso de estas membranas es común en los procesos tradicionales de depuración de aguas, pero no ha sido implementado aún en procesos basados en microalgas. Su uso viene justificado por el bajo contenido en nutrientes de algunas aguas residuales, lo que da lugar a productividades de biomasa muy reducidas por presentarse limitación de nutrientes. El uso de membranas de ultrafiltración hace posible separar el tiempo de retención hidráulica del tiempo de retención celular, lo que permite tratar un mayor volumen diario de agua residual por unidad de superficie y, además, aumentar el aporte de nutrientes al cultivo, con lo que se incrementa la productividad. Escalando los valores obtenidos en esta Tesis tras el uso de membranas de ultrafiltración a un reactor raceway teórico de 10000 m2 acoplado a una membrana de utrafiltración, se podrían tratar 2.58 M m3 anuales agua residual produciendo 79.92 tn de biomasa al año. Es decir, el uso de membranas permitiría procesar hasta un 130% más de agua residual por unidad de superficie, a la vez que obtener 30 tn anuales más de biomasa. Finalmente, la biomasa obtenida en el tratamiento de agua residual mediante procesos microalgales, se propone como materia prima para la producción de bioestimulantes. Se ha estudiado así el potencial de distintas biomasas obtenidas como bioestimulante, obteniendo resultados prometedores. En concreto, una de las cepas seleccionadas (Chlorella vulgaris MACC 1) aumentó el desarrollo de raíces hasta un 493% e incrementó la expansión de cotiledones en un 60.9%. Los bioestimulantes agrícolas basados en microalgas ya son una realidad comercial. Sin embargo, hasta la fecha su producción se realiza utilizando agua limpia y fertilizantes comerciales como fuente de nutrientes. Los resultados de este trabajo demuestran que las aguas residuales, que suponen un problema ambiental, podrían ser utilizadas como fuente de nutrientes para la producción de bioestimulantes, lo que podrían no solo minimizar la necesidad de agua de riego y de fertilizantes, sino también mejorar la calidad de los alimentos que consumimos y la salud de los consumidores.