AEI 516 - Sistemas bioelectroquímicos para aumentar la sostenibilidad en procesos de tratamiento de aguas

Hoy en día, las plantas de tratamiento de aguas residuales (EDARs) depuran las aguas residuales para poder devolverlas al medioambiente, tratándolas como un residuo y destinando muchos recursos, tanto energéticos como económicos, en su depuración. Durante los últimos años, las tecnologías aplicadas en las estaciones depuradoras se han ido mejorando para aumentar su rendimiento y, así, disminuir los consumos energéticos.

También se ha empezado a valorizar algún residuo como es la utilización de la digestión anaeróbica para la producción de biogás que puede ser utilizado para calderas o motores de cogeneración para producir energía térmica y/o eléctrica. Más recientemente se están implementando sistemas de purificación del biogás para producir biometano. El biometano tiene calidad para ser inyectado a la red de gas natural, de modo que es un producto con valor comercial.

En últimos años, se ha incrementado la investigación y el desarrollo sobre tecnologías innovadoras que permiten recuperar recursos del agua residual al mismo tiempo que se lleva a cabo la depuración. Así, se está produciendo un cambio de paradigma que consiste en dejar de considerar las EDARs como plantas de tratamiento de aguas residuales, a considerarlas plantas para extraer recursos, los cuales principalmente son energía y nutrientes. Dentro de estas tecnologías encontramos los sistemas bioelectroquímicos (BES), que son fruto de la sinergia de dos ciencias: la electroquímica y la biotecnológica. Las tecnologías BES integran electrodos (ánodo y cátodo) dentro de reactores biológicos. Mediante microorganismos adheridos sobre los electrodos, las BES catalizan diferentes reacciones de oxidación y reducción para recuperar/valorizar recursos contenidos en el agua residual. Por lo tanto, la sinergia y combinación de un proceso biológico con uno de electroquímico, en un mismo reactor, permite mejorar el rendimiento de los procesos actuales del tratamiento de aguas residuales, desde un punto de vista de especificidad y eficiencia energética y también abre la puerta a la recuperación de recursos.

Los primeros sistemas BES reportados fueron las pilas microbianas de combustible, utilizadas para producir electricidad a la vez que depuran aguas residuales. En estos sistemas, la materia orgánica contenida en el agua residual es oxidada por parte de los microorganismos adheridos al ánodo. Los electrones que resultan de esta oxidación son transferidos al ánodo y utilizados para producir energía eléctrica. Actualmente, aunque se haya llegado a probar a escala piloto en EDARs, no se ha demostrado su viabilidad tecno-económica. No obstante, si ésta se consiguiese, permitiría disminuir la energía consumida en procesos de depuración de aguas residuales y, por lo tanto, aumentar la sostenibilidad del proceso.

Además de esta aplicación, las tecnologías BES tienen otros usos potenciales. Algunos de ellos se están desarrollando y optimizando en el marco de proyectos de investigación financiados por parte de la Comisión Europea y de los gobiernos tanto español como catalán. Entre otros proyectos, y para tener una visión global de las potenciales aplicaciones de los sistemas BES, a continuación se resumen los proyectos MIDES, Run4Life, Greener, Power2Biomethane, Watertur y UrbanGreenUp, en los cuales participa Leitat.

El objetivo del proyecto MIDES (Microbial Desalination for Low Energy Drinking Water) es desarrollar un sistema más sostenible para la desalinización de agua salina con un coste energético, por volumen de agua producida, significativamente inferior al actual. La estrategia para conseguirlo es integrar sistemas BES, en este caso una Microbial Desalination Cell (MDC), como a pretratamiento al proceso de la osmosis inversa. Actualmente el 70% de las plantas de desalinización utilizan la osmosis inversa para desalinizar el agua. Esta tecnología tiene un consumo energético de 3kWh por metro cúbico de agua desalinizada. En la MDC se obtiene energía eléctrica de la degradación de la materia orgánica contenida en el agua residual. Esta energía eléctrica se utiliza directamente en la MDC para reducir el contenido de sal en el agua marina, mediante un proceso similar a la electrodiálisis, sin tener que utilizar energía eléctrica externa. Eso permite reducir el consumo energético del proceso global de desalinización alrededor de 0.5 kWh/m3.

El proyecto Run4Life (Recovery and Utilization of Nutrients 4 Low Impact Fertilizers), tiene el objetivo de cambiar el paradigma de la gestión de las aguas residuales domésticas mediante el desarrollo y la implantación de sistemas descentralizados de depuración y recuperación de nutrientes. El proyecto también analiza la viabilidad de utilizar los productos recuperados como fertilizantes para la agricultura y la reutilización del agua tratada. En estos contextos, Leitat ha desarrollado un sistema BES para la recuperación de nitrógeno amoniacal presente en las aguas negras domésticas, resultando en la producción de un fertilizante. La materia orgánica del agua negra es tratada en la cámara anódica de un reactor BES. Asimismo, los iones amonio pasan a través de una membrana selectiva a la cámara catódica donde se convierten en amoníaco al encontrarse en condiciones básicas. En esta cámara, una corriente de aire extrae el amoníaco. Esta corriente de aire, rica en amoníaco, es burbujeada en una trampa ácida, generando una solución líquida del fertilizante, nitrato de amonio. Los estudios de laboratorio demuestran que la tecnología es capaz de eliminar hasta el 82% de nitrógeno de las aguas negras y recuperar el 61% en forma de fertilizantes.

Otra problemática actual es la contaminación ambiental derivada de la actividad antrópica que afecta a los ríos, lagos, acuíferos y tierras. Existen diferentes soluciones tecnológicas para la eliminación de diferentes contaminantes como, por ejemplo, metales, hidrocarburos y pesticidas. Estas tecnologías se basan fundamentalmente en procesos fisicoquímicos, con un alto consumo energético y de recursos. Para desarrollar métodos más eficientes y sostenibles, hay estudios que demuestran que hay bacterias, hongos y fotótrofos con la capacidad de transformar los contaminantes tóxicos en productos inocuos. En este contexto, el proyecto Greener (Integrated systems for Effective Environmental remediation), estudia y desarrolla nuevas metodologías sostenibles y con bajo coste para eliminar los contaminantes de las zonas contaminadas. Entre estas, se estudia la aplicación de las BES para reducir la contaminación en los vectores agua y sedimentos. En concreto, Leitat trabaja en el desarrollo y la aplicación de los sistemas BES tanto en tierras como en aguas contaminadas, para degradar contaminantes como metales, hidrocarburos, pesticidas y antibióticos.

Otro campo de aplicación de los sistemas BES es la sinergia entre los BES y los humedales construidos. Leitat ha bautizado esta sinergia como a Electrowetland, pero científicamente es conocida como constructed wetland coupled microbial fuel cell. Los humedales construidos son sistemas naturales de tratamiento de aguas residuales en los que la materia orgánica y los nutrientes son eliminados mediante procesos físicos, químicos y biológicos. El gradiente de potencial redox que se genera de forma natural en el lecho filtrante, hacen de los humedales construidos, ambientes idóneos para la implementación de los sistemas BES. Situando el ánodo en la zona anaerobia del humedal, se genera electricidad espontáneamente a la vez que se mejoran las eficiencias de tratamiento del agua residual. Así pues, los Electrowetlands son intensificaciones de los humedales convencionales que permiten la reducción de la superficie necesaria para el tratamiento, así como la utilización de la electricidad generada para la alimentación de sensores de bajo consumo energético. Leitat participa en proyectos como URBANGreenUP (New Strategy for Renaturing Cities through Nature Based Solutions) y Watertur (Investigación de tecnologías para la gestión inteligente y sostenible del ciclo del agua en instalaciones turísticas), con el objetivo de desarrollar e implantar en ambientes reales esta tecnología innovadora.

Finalmente, los sistemas BES también se están estudiando como sistemas alternativos de almacenaje de electricidad. El desarrollo y la implementación de tecnologías de almacenaje de energía son esenciales para la sostenibilidad de la penetración de las energías renovables al sistema eléctrico. En este sentido, las tecnologías Power-to-gas, destinadas a almacenar la energía eléctrica en un vector energético gaseoso (hidrógeno o metano), constituyen una aproximación útil y alternativa a las baterías para almacenar grandes cantidades de energía. Los sistemas BES, en concreto la utilización de estos para llevar a cabo la conversión de dióxido de carbono a metano, proceso conocido como a electrometanogénesis, representan una tecnología Power-to-gas adicional a la metanización química y biológica existente. El sistema BES se puede integrar en digestores anaeróbicos tradicionales representando una ventaja en cuanto a la estabilidad del proceso biológico y al aumento de la calidad y cantidad de biogás producido y Leitat ha trabajado en un proyecto donde se ha podido demostrar esto. Con la misma estrategia, en otro proyecto, Power2Biomethane, se ha constituido y operado un prototipo de 32 L formato por 45 celdas bioelectroquímicas. Este ha sido operado con aguas residuales municipales, como una demanda de densidad de corriente de 0,5 A/m2 y consiguiendo una producción de metano de 4,4 L/m2 al día. Por lo tanto, se demuestra la capacidad de este prototipo de convertir energía eléctrica de almacenaje es alrededor del 50%. Además, este reactor es capaz de eliminar el 70% de la materia orgánica presente en las aguas residuales.

En conclusión, los sistemas BES surgen de la conjunción de procesos electroquímicos y biológicos, resultando en un nuevo grupo de tecnologías innovadoras, con un menor consumo de recursos asociado a su operación. Los campos de aplicación, tal como se han recogido en el texto, incluyen tanto la recuperación de energía y nutrientes, como la eliminación de contaminantes o la conversión de energía eléctrica en metano, entre otros. No obstante, actualmente, las BES tienen que encarar un gran reto, su validación más allá del laboratorio y la demostración que son tecnoeconómicamente competitivas con las tecnologías implementadas actualmente. En este sentido, somos optimistas porque hay muchos grupos de investigación desarrollando los sistemas BES y se están obteniendo buenos resultados en los prototipos. La demostración de la competitividad de las BES es una condición previa e indispensable para su implantación en el mercado, como una alternativa real para fomentar la sostenibilidad en los procesos que tienen un impacto sobre nuestro entorno.

Pau Bosch-Jimenez
Daniele Molognoni
Clara Corbella
Eduard Borràs Investigadores de los departamentos de Economía Circular y Energía e Ingeniería de Leitat Technological Center