Generalmente, cuando pensamos en las algas en el contexto de la calidad del agua, pensamos en como los nutrientes de la escorrentía agrícola, de los efluentes de las estaciones depuradoras urbanas y de la escorrentía urbana proporcionan las condiciones para la proliferación de algas (Algal Blooms) en las masas de agua. Estas proliferaciones de algas dan lugar a la eutrofización y a zonas muertas, que causan efectos negativos en la calidad de las aguas y en la economía.
Los mismos procesos biológicos que dan lugar a los problemas de calidad de las aguas por el aporte de nutrientes pueden ser aprovechados para tratar, y recuperar, el nitrógeno y el fosforo a través de la producción biomasa de algas para la recuperación biología del agua residual. Las algas pueden ser cultivadas y recolectadas para ser transformadas en biocombustibles y bioproductos.
Las algas toleran un amplio espectro de condiciones ambientas con respecto a la temperatura, salinidad y calidad del agua
A la vez que el sector del agua residual intenta gestionar los elevados costes energéticos, con la recuperación de recursos y el cumplimiento de límites cada vez más estrictos de nutrientes, la industria de los biocombustibles y de los bioproductos está buscando materia prima para sus procesos productivos. El potencial de combinar ambos objetivos esta siendo reconocido, como demuestra la entrega del premio Paul L. Busch de 2016 a Jeremy S. Guest, profesor adjunto del departamento de la Ingeniería Civil y Ambiental de la Universidad de Illinois en Urbana‐ Champaign. Este premio de 100.000 $ reconoce el trabajo de Guest en el tratamiento de las algas y la recuperación de recursos.
En Octubre de 2016, la Water Environment Federation (WEF; Alexandria, Va) y la Algae Biomass Organization (ABO; Preston, Minn.) organizaron la jornada de Algas en el tratamiento de aguas residuales como parte de la conferencia Biomasa de Algas (Algae Biomass Summit). Esta jornada reunió a los desarrolladores de tecnologías de algas, a las principales firmas de diseño e ingeniería, a los responsables municipales, a los legisladores y a otros agentes implicados para revisar el estado del arte de los tratamiento terciarios del agua residual basados en algas. Los participantes en la conferencia también debatieron las oportunidades y retos de implementar estos sistemas en un contexto económico, ambiental y legislativo cambiante.
Tipos de algas
Las algas toleran un amplio espectro de condiciones ambientas con respecto a la temperatura, salinidad y calidad del agua. Las comunidades de algas que se encuentran en las operaciones de tratamiento y recolección típicamente tienen una tipología mixta, combinando tanto tipos fotosintéticos como heterótrofos, al igual que ocurre en la naturaleza.
La algas fotosintéticas utilizan utilizan como nutrientes el nitrógeno y el fosforo del agua residual, capturan carbón y dióxido de carbono, utilizan energía solar y producen oxigeno como un producto residual.
Las algas heterótrofas utilizan compuestos químicos orgánicos para obtener el carbón y la energía. Las algas verde‐azuladas son fotosintéticas, pero realmente son bacterias (cianobacteria) que contienen ficocianina, que es la que les da el color verde‐azulado. Las algas verde‐azuladas también producen microcistinas, que son las toxinas responsables de los efectos negativos de la proliferación de algas en los lagos. Otras algas son eucariontes, en oposición a bacterias, y son generalmente verdes, marrones o rojas.
Algas verdes típicas en las lagunas de aguas residuales
Tratamiento de Algas
El uso de las algas como tratamiento del agua residual es habitual
El uso de las algas como tratamiento del agua residual es habitual, como lo son los procesos biológicos que tienen lugar de forma natural en lagunas y lagos. Cerca de la mitad de las 16.000 instalaciones de recuperación de recursos (Water Resource Recovery Facilities, WRRFs) reguladas en los Estados Unidos tienen lagunas/lagos. Siendo estas lagunas más habituales en las instalaciones más pequeñas (Bastian, 2016). En la actualidad los esfuerzos se centran en cómo utilizar microalgas para el tratamiento del agua residual dentro de las WWRFs convencionales.
De forma similar a otras técnicas de tratamiento biológico de las aguas residuales, el tratamiento con algas puede emplearse con métodos de cultivo suspendido o cultivo fijo. Lastécnicas de cultivo suspendido utilizan palas para mantener las microalgas suspendidas para aprovechar la luz solar, combinadas con una profundidades someras para que penetre la luz solar. La configuración de estas lagunas que se muestra en la figura 2 ha dado lugar a que se empiecen a denominar como pistas de carreras (raceways) .
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Lagunas de algas de alta carga
Las técnicas de cultivo fijo utilizan un sustrato que rota alternativamente entre el agua residual (que proporciona los nutrientes) y la atmosfera (que proporciona la luz solar y el dióxido de carbono). Los dos tipos más comunes de tratamientos con algas de cultivo fijo son el reactor de película de algas rotativo (Rotating Algae Biofilm Reactor, RABR) y la película de algas rotatoria (Revolving Algal Biofilm, RAB).
En las pruebas piloto realizadas en Chicago, un sistema RAB ha demostrado su potencial para recuperar nutrientes del agua residual. El sistema RAB es capaz de producir una biomasa de algas concentrada (10% al 25% de solidos), que es valorizable y puede ser usado para producir una variedad de productos (Kumar, 2016).
El tratamiento mediante algas es aplicable a varios tipos de aguas residuales incluyendo el agua residual urbana, el agua producto de la extracción de petróleo y gas, la de las industrias lácteas o las de las granjas de porcino. En el tratamiento, los nitratos y los fosfatos se combinan con el agua y el dióxido de carbono para permitir el crecimiento de las algas. Las microalgas se representan habitualmente mediante la fórmula química C106H263O110N16P1. Según Ron Sims, autor de la presentación en el congreso sobre la “Empleo de microalgas en los tratamientos terciarios de aguas residuales basados en algas”, es importante considerar a la hora de evaluar el diseño que la relación de fosforo a nitrógeno es de 1 a 16, así como observar la necesidad de añadir dióxido de carbón para equilibrar la relación carbón:nitrógeno:fosforo que permita alcanzar una asimilación completa de los nutrientes.
La mayor parte de la legislación y normativa existe para el tratamiento del agua residual se ha preparado teniendo en mente del empleo de los sistemas de tratamiento convencionales. ¿Cómo encajan las algas en el marco normativo ambiental? En Estados Unidos es la norma 40 CFR Part 503 la que incluye la definición de los clases A y clases B para los biosolidos (en España el equivalente más cercano seria la normativa de residuos y la normativa de Apliacion de fangos en agricultura). Las algas procedentes del tratamiento de aguas residuales municipales (como parte del sistema de tratamiento) estarían sujetas a esta normativa. Los sólidos de algas del tratamiento municipal pueden cumplir con los criterios para la Clase A o para la clase A/EQ por varios métodos. No es probable que los metales sean problemáticos y la obtención de niveles bajos de metales y de patógenos de forma consistente puede proporcionar la base para la reducción de las necesidades de control y seguimiento, afirmo Robert Bastián en su presentación en el congreso, “Biotecnología de Algas para el tratamiento de aguas residuales. Aspectos normativos”.
Bio productos y Bio energía
Los sistemas basados en algas ofrecen una solución potencial, con un bajo consumo energético para la recuperación de nutrientes con una variedad de posibilidades para la producción de otros productos asociados con valor añadido.
A partir de la biomasa de algas pueden producirse un gran número de Bioproductos. Los fertilizantes basados en solidos de algas tiene aproximadamente un contenido del 8% al 10% de nitrógeno y del 1% al 2% de fosforo, afirma Bastian. La biomasa también puede utilizarse con fuente de alimento para la acuicultura y la agricultura. Sims también informa de que de la ficocianina pueden obtenerse pigmentos y antioxidantes.
El primer análisis técnico‐económico (TEA) de los biocombustibles de algas integrados con el tratamiento de aguas residuales fue realizado en 1960, según se indica en la presentación “Biotecnología de Algas para el Tratamiento de Aguas Residuales: Una introducción” efectuada por John Benneman. Mediante la digestión anaerobia, la biomasa puede producir biogás, si se mezcla con residuos de alimentos o con biosólidos del tratamiento de aguas residuales urbanas, se puede generar más metano para las necesidades combinadas de calor y energía. Procesos adicionales como la licuefacción hidrotérmica (“cocina a presión”) pueden convertir las algas en biocrudo. Otros procesos pueden producir biodiesel, bioplásticos, acetona, butanol y etanol, afirma Sims.
A la hora de evaluar cualquier oportunidad de recuperación de recursos energéticos, es importante calcular el retorno energético de la inversión (Energy Return of Investment, EROI): ¿Produce el sistema demás energía utilizable de la que consume?.
Conforme a un reciente informe Europeo, los biocombustibles de algas tienen un EROI de 1,9, significativamente más elevado que el 1,3 del etanol de maíz y del biodiesel. Adicionalmente, el biometano de las algas permite reducciones de los gases de efecto invernadero de más del 50% respecto a las del diésel. Además, la producción de biofuel por hectárea es de 10.000 kg CH4/ha. y año, suficiente para alimentar a 10 vehículos, doblando la del bioetanol de azúcar y las del diésel de aceite de palma, informa Frank Rogalla en su presentación, “Tratamiento del Agua Residual y recuperación de energía con cultivos de microalgas”.
Conclusiones
Los legisladores, los ayuntamientos y otras entidades industrializadas están implantados procesos de tratamiento terciarios como mecanismos para mitigar los efectos del nitrógeno, fosforo, metales pesados, y otros componentes junto con otros componentes tradicionales del tratamiento de agua residual. Pero estos sistemas tradicionales pueden ser un planteamiento costoso e intensivo desde el punto de vista energético.
Los sistemas basados en algas, que en la actualidad solo representan una pequeña fracción de los sistemas de tratamiento terciario en uso, ofrecen una solución potencial, con un bajo consumo energético para la recuperación de nutrientes con una variedad de posibilidades para la producción de otros productos asociados con valor añadido.
Sobre los autores
- Barry Liner es director del Centro de Ciencias e Ingeniería del agua en la WEF (Water Science & Enginnering Center).
- Noah Mundt. Director de programas en Siemens, fue el moderador del congreso y es miembro de la WEF y de ABO.
- Traducción: Benito Reig, director de ADECAGUA.
Referencias
- Bastian, R. (2016). “Algae Biotechnology for Wastewater Treatment: Regulatory Issues,” presented at Algae Biomass Summit, Oct. 23, 2016, Phoenix, Ariz.
- Benemann, J., Sims, R., Lundquist, T., and Rogalla, F. (2016). “Algae Biotechnology for Wastewater Treatment: An Introduction,” presented at Algae Biomass Summit, Oct. 23, 2016, Phoenix, Ariz.
- Kumar, Kuldip (2016). “Utilizing Algae Based Technologies for Nutrient Removal & Recovery: Opportunities & Challenges of Phycoremediation,” presented at Algae Biomass Summit, Oct. 23, 2016, Phoenix, Ariz.
- Lundquist, T., Spierling, R., Parker, L., Pittner, C., Medina, L., Steffen, T., Alvarez, J., Adler, N., and Benemmann, J. (2016). “The RNEW® Process: Recycled Water, Fertilizer, and Power from Wastewater,” presented at Algae Biomass Summit, Oct. 23, 2016, Phoenix, Ariz.
- Rogalla, F, De Godos, I., Arbib, Z., and Lara, E. (2016). “Wastewater Treatment and Energy Recovery with Cultivation of Microalgae,” presented at Algae Biomass Summit, Oct. 23, 2016, Phoenix, Ariz.
- Sims, Ron. (2016). “Microalgae‐based approaches to Algae‐based tertiary wastewater treatment,” presented at Algae Biomass Summit, Oct. 23, 2016, Phoenix, Ariz.
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