Simplemente la inversión en plantas depuradoras no va al ritmo del desarrollo urbano, sobre todo en muchos países de América Latina los sistemas de tratamiento están muy distantes de lo que requiere el ambiente, ¿el por qué? las plantas de tratamiento convencionales, además de ser una costosa instalación, tienen elevados costos operativos, no sólo requieren del consumo de productos químicos sino también energía. Esto hace que el problema, más que ambiental, sea económico. Para tener una idea, un estudio del IDEA (Instituto para la Diversificación y Ahorro de Energía en España) se indica que la depuración de aguas residuales urbanas en España consume 305 MW o 0,67 kWh/m3[1].
Pero, ¿y si con las aguas residuales se pudiera generar energía?
Parece ilógico, pero que creen, ¡si se puede! Y con esta publicación quiero comentarles de algunas tecnologías en desarrollo que han llamado mi atención por referirse al tema, porque no suponen una opción más para el tratamiento del agua residual, sino que suponen un cambio radical, dejar de ver las aguas residuales como un gasto, y comenzar a plantearse que pueden ser un recurso energético.
Generación de gas
La co-digestión
El concepto realmente no es nuevo, en muchas plantas de tratamiento operan unidades para la estabilización de lodos que provienen de las unidades de separación de las fracciones sólidas, este proceso involucra biodgestores anaerobios, donde mediante un tratamiento biológico se descompone la materia orgánica, en ausencia de oxigeno, produciendo gas con un alto contenido de metano que se puede aprovechar como combustible. El problema de esta tecnología es que tiene un rendimiento muy bajo, el sistema a veces resulta difícil de operar debido a las distintas velocidades de reacción de las bacterias y periodos de residencia muy altos.
Sin embargo, desde la década de los 80 se planteó la alternativa de procesamiento denominada co-digestión, la cual ha cobrado especial relevancia en los últimos años por los resultados que se han obtenido, el proceso consiste en tratar en conjunto los lodos estabilizados de las plantas de tratamiento con otros sustratos que compensen los nutrientes que estos no tienen, mejorando el rendimiento de la digestión[2]. Las plantas operadas actualmente con este procedimiento han registrado hasta del 300 % de aumento en la producción de biogás.
Ejemplo de plantas de codigestión a escala industrial[2]
| Volumen del digestor, m3 | Co-sustratos | Aumento de la producción de biogás, % | |
|---|---|---|---|
| Graz, Austria | 3 x 4000 | 5-20% de lodo flotante del matadero de pollo | 90-220 |
| Schwechat, Austria | 2 x 4500 | 15% de grasa de curtido | 100-160 |
| Tulln, Austria | 620 | 4% de proteína | 80 |
| Rheda, Alemania | 5000 | 18% de lodo flotante y contenido estomacal de ovino | 60 |
| Radeberg, Alemania | 4600 | 27% varios | 300 |
| Samnaun, Suiza | 600 | 5-28% de restos de comida | 42-235 |
Parece soñado incrementar tanto la producción de biogás, y aún más utilizarlo para suplir los requerimientos energéticos de alguna instalación; pues permítanme decirles que la empresa ACCIONA, lo consiguió en la planta de tratamiento de Copero en Sevilla, el sistema de codigestión le ha permitido a esta planta ser autosostenible desde el punto de vista energético, dejando de consumir 2.190.000 kWh anualmente[3].
Proyecto LIFE SAVING-E
Por otro lado, un grupo de investigación de la Universidad Autónoma de Barcelona está desarrollando el proyecto LIFE SAVING E, el cual contempla la modificación del proceso de tratamiento, para que en lugar de consumir energía pase a producirla[4], ¿Qué tal?
La idea es utilizar todo el contenido de carbono orgánico que contiene el agua residual para la producción de biogás. Como ya les mencione, el biogás se produce durante la digestión anaerobia a partir de la materia orgánica presente en el agua residual, el problema es que una parte del carbono orgánico se consume durante la eliminación del nitrógeno, por lo cual no todo se recupera para la producción de biogás. El paso innovador del proyecto es generar la eliminación de nitrógeno sin consumir carbono orgánico, empleando para ello un grupo de bacterias denominadas Anammox, que crecen de forma autótrofa.
El nitrógeno ingresa a las plantas de tratamiento en forma de nitrógeno amoniacal, convencionalmente este se oxida primero a nitrato y luego se reduce a nitrógeno gaseoso, que se libera a la atmósfera. Lo que hacen las bacterias es transformar el amonio y nitrito en nitrógeno, sin consumir carbono orgánico. Además, para conseguir ello primeramente se debe reducir parte del amonio en nitrito, y esta conversión consume hasta 50% menos energía que el proceso actual. Con este cambio en el esquema de tratamiento, no solo se espera ahorrar energía sino también producirla, si todo va como lo planeado en el proyecto se espera producir un excedente de energía equivalente a 9 kWh por habitante al año[4]. Nada mal no!
Generación de combustibles
Ya existen alternativas tecnológicas que contemplan en el tratamiento del agua residual la generación de un combustible útil.
Una de estas tecnologías que en los últimos años ha surgido como alternativa a los costosos sistemas convencionales para la eliminación de fosforo y nitrógeno, es la depuración con microalgas conocida como fotobiotratamiento. Las aguas residuales contienen elevadas concentraciones de nitrógeno y fósforo que deben ser eliminadas antes de su vertido para evitar los problemas de eutrofización del medio receptor, los sistemas convencioneales para empleados para ello además de costosos tienen un elevado consumo de energía (entre el 60 y 80 % del total del proceso de tratamiento)[5].
El principio es sencillo, incluso imita el funcionamiento habitual de la naturaleza. Consiste en acelerar el crecimiento de microorganismos fotosnteticos, especialmente microalgas seleccionadas por sus características y capacidad de generar otros compuestos útiles, introduciéndolas en el agua residual bajo condiciones de luz y aireación.
Las especies se seleccionan no solo por su capacidad de crecimiento y adaptación al medio, sino también por su contenido en lípidos. Lo que supone además de la obvia ventaja de eliminación de nutrientes con un proceso menos complicado que los actuales, la potencialidad de utilizar la biomasa generada para la producción de biodisel, dándole un valor añadido en comparación a los sistemas habituales de producción de aceites para su uso como combustibles.
En Veracruz, cientificos Méxicanos han instalado una biorefineria para la producción de biogas, biodiesel e hidrógeno a partir de microalgas y aguas residuales domésticas. Según una nota de presensa del CONACYT, a finales de 2016 ya se encontraban realizando pruebas piloto, la ventaja de este sistema es que a diferencia de otras biorefinerias instaladas para obtener bioetanol, esta planta utiliza un material biológico que no tiene prioridad alimentaria[6].
Generación de electricidad
Pues sí, las opciones no acaban con la generación de gas y combustibles. La bioelectrogénesis llegó al terreno de las plantas de tratamiento para aprovechar la energía química contenida en el agua residual ¡y convertirla en energía eléctrica!
Un nuevo campo, la electroquímica bacteriana, desarrolla la capacidad de ciertas bacterias de producir electricidad. A través de este proceso, determinadas bacterias pueden oxidar la materia orgánica y transferir directamente los electrones generados a una superficie sólida conductora como el grafito[7].
El funcionamiento parece sencillo, sobre el papel claro, las cepas de bacterias se incorporan al agua residual utilizando unas denominadas células de combustible microbianas, donde las seleccionadas bacterias usan la materia orgánica presente en el agua como si fuera combustible, oxidándola para generar CO2 y protones, y emitiendo electrones que se pueden recuperar mediante un electrodo.
Así, la bioelectrogénesis se convierte en un prometedor proceso para el tratamiento del agua residual, permitiendo un autoconsumo de energía. Ya existen algunas empresas[7] inmersas en esta línea de trabajo, preparando soluciones basadas en la generación de energía a partir del agua residual.
Cada tecnología tiene inmersos muchos más detalles de los que puedo contar para no hacer demasiado larga la publicación, solo pretendo resaltar la importancia de cambiar el paradigma de la gestión de las aguas residuales, y en lugar de considerarlas un desecho del que hay que disponer tomemos el ejemplo de los pioneros que en ellas han visto un recurso energético, y quizás con ello, avanzar verdaderamente en la solución del problema.
Todas las imágenes son de licencias CC. Fuentes: detalle de efluente, signo de dolar, biodigestor, surtidor de combstible, microalgas
Referencias
[1] IDEA. Estudio prospectivo: Consumo energético en el sector del agua.
[2] Oliva, D. y Pereda, I. Tecnología de codigestión anaerobia: una alternativa para Cuba. http://www.cubasolar.cu/biblioteca/Ecosolar/Ecosolar19/HTML/articulo01.htm
[3] IAGUA. El proyecto Codigestión de Lodos de Acciona, premiado por Actualidad Económica. Disponible en: https://www.iagua.es/noticias/depuracion/13/05/27/el-proyecto-codigestion-de-lodos-de-acciona-premiado-por-actualidad-economica-30779.
[4] Condorchem. Generación de energía a partir de aguas residuales urbanas: Proyecto LIFE SAVING-E.
[5] Universidad de Cadiz. Nuevo procedimiento de eliminación de nutrientes de aguas residuales mediante fotobiotratamiento con microalgas. http://cth.uca.es/esp/patentes/cartera-patentes/1/nuevo-procedimiento-de-eliminacion-de-nutrientes-de-aguas-residuales-mediante-fotobiotratamiento-con-microalgas
[6] Guerrero, A. (2016). Instalan biorefineria que genera biocombustibles a partir de microalgas y aguas residuales. Nota de Prensa, disponible en: http://www.conacytprensa.mx/index.php/tecnologia/energia/11061-instalan-biorrefineria-biocombustibles-a-partir-de-microalgas
[7] León, A. (2011). La bioelectrogénesis revoluciona el tratamiento de aguas al considerar el residuo como recurso energético. Disponible en: http://www.interempresas.net/Agua/Articulos/50390-bioelectrogenesis-revoluciona-tratamiento-aguas-considerar-residuo-recurso-energetico.html