Científicos del grupo Bioelectrogénesis, formado por la Universidad de Alcalá e IMDEA Agua, estudian la aplicación de las Tecnologías Electroquímicas Microbianas al tratamiento de aguas residuales en pequeñas poblaciones mediante su implantación en humedales construidos. La investigación se engloba en el marco del proyecto Smart Wetland, financiado por el programa INNPACTO del Ministerio de Economía y Competitividad y la experimentación se llevó a cabo en las instalaciones de CENTA (Centro de Experimentación de las Nuevas Tecnologías del Agua) en Carrión de los Céspedes, Sevilla. El objetivo principal de la investigación es conocer si dicha tecnología mejoraría la depuración respecto a los humedales construidos convencionales.

 

Los tratamientos convencionales de agua residual requieren elevados costes de energía, operación y mantenimiento. Además, debido al crecimiento de la población y a la expansión urbana, el volumen de lodos de depuración producidos está aumentando constantemente. Por ello es necesario un nuevo nexo agua-energía para hacer frente a la futura demanda global de agua.

 

El descubrimiento de bacterias electroactivas, capaces de ceder electrones provenientes de la oxidación de compuestos orgánicos o inorgánicos a un electrodo, llevó al desarrollo de las Tecnologías Electroquímicas Microbianas (MET, del inglés). 

 

Entre estos sistemas se encuentran las denominadas Microbial Fuel Cells (MFC) y durante los últimos años se ha propuesto que podrían jugar un importante papel en el tratamiento de aguas residuales para convertir dichos residuos en energía limpia1,2. En estos dispositivos, los electrones producidos en el metabolismo microbiano son transferidos a un primer electrodo (ánodo) y desde este a un segundo electrodo (cátodo), unidos ambos por un cable conductor en el que se sitúa una resistencia, generando una corriente eléctrica². En esta configuración, el ánodo actúa como aceptor final de electrones, al igual que cualquier otro aceptor natural como el oxígeno, el nitrato o el hierro (III), y el cátodo como donador de electrones, como otros compuestos orgánicos, el hierro (II), el sulfuro, etc. 

 

Las bacterias electroactivas por excelencia pertenecen al género Geobacter, y han sido utilizadas en multitud de estudios. La ventaja de explotar las comunidades microbianas electroactivas es que los electrodos pueden estimular el metabolismo microbiano en sistemas anaerobios que están limitados en aceptores de electrones³. El material electroconductor puede representar una fuente ilimitada de aceptores de electrones, permitiendo a su vez modular el potencial redox, en comparación con el potencial reductor que generalmente controlan estos sistemas anaerobios. 

 

Otra ventaja es que el potencial electroquímico se puede controlar alterando la configuración del sistema. Así, los sistemas electroquímicos microbianos se pueden operar de distintas formas, como en I) Cortocircuito, sin resistencia entre los electrodos; II) MFC, capaz de extraer electrones a través de una resistencia; III) o como celdas electrolíticas microbianas (MEC, del inglés), fijando un determinado potencial en un electrodo a través de una fuente de alimentación o un potenciostato.

 

 

Unos sistemas adecuados en los que implantar estas tecnologías emergentes son los humedales construidos, que constituyen una buena alternativa al tratamiento de aguas residuales en pequeñas comunidades y que son utilizados en todo el mundo⁴.

 

Presentan como ventajas unos costes bajos de operación y mantenimiento, bajos requerimientos de energía, baja producción de lodos de depuración (sólo en el tratamiento primario) y buena integración en el paisaje, puesto que imitan a los humedales naturales5. Sin embargo, también tienen algunas limitaciones, como son el gran requerimiento de suelo (entre 3 y 10 m² por habitante equivalente, dependiendo del diseño)⁶ y la colmatación por la acumulación de sólidos⁷ si la carga orgánica a la que trabajan es superior a la recomendada (6 g DBO₅/m²d).

 

Los humedales construidos son sistemas constituidos por un lecho o filtro de gravas, en el que se plantan macrófitas (plantas acuáticas) y en el que crece el biofilm microbiano, principal responsable de los procesos de depuración de contaminantes. Existen diversos tipos de humedales construidos: de flujo superficial, en los que la lámina de agua se ve en superficie y que imitan en mayor medida los humedales naturales, y de flujo subsuperficial, en los que el agua circula por el interior del lecho de gravas. Dentro de estos últimos podemos distinguir los de flujo horizontal, sistemas en los que principalmente se dan procesos anaerobios, y de flujo vertical, en los que dominan los procesos aerobios⁸.

 

 

Los investigadores llevaron a cabo un experimento en el que integraron las tecnologías electroquímicas microbianas en biofiltros utilizados en humedales construidos de flujo subsuperficial horizontal, es decir, en sistemas anaerobios con el objeto de estudiar si dicha tecnología mejoraría la eliminación de los distintos contaminantes presentes en las aguas residuales respecto a los humedales construidos convencionales y poder reducir la superficie de estos. Los humedales construidos de flujo subsuperficial horizontal se diseñan con una profundidad de 50-60 cm, por lo que una mejora en la depuración implicaría una reducción en superficie.

 

Otro objetivo fue conocer si el material conductor de los electrodos favorecería las bacterias electroactivas y estudiar qué microorganismos podrían estar relacionados con las distintas rutas metabólicas.

Para ello construyeron tres biofiltros electroquímicos con distintas configuraciones (Fig. 1) y un biofiltro control de gravas.

 

 

 

Uno de los biofiltros (B) estaba formado por un lecho de material conductor (gránulos de coque), actuando como un único electrodo. Los resultados obtenidos en este biofiltro se compararon con el biofiltro de material inerte (gravas) (A).

 

Se construyó también un biofiltro híbrido con dos electrodos separados (un ánodo y un cátodo) (D), insertos en un lecho de gravas y que se operó como una MEC, fijando un potencial en el ánodo de +300 mV, potencial al que Geobacter es capaz de oxidar acetato (materia orgánica). Este sistema fue comparado con otro biofiltro híbrido formado por un único electrodo de material conductor (gránulos de coque) inserto a su vez en un lecho de gravas. Los sistemas fueron alimentados con agua residual real y se estudió la eliminación de diversos contaminantes (DQO, DBO, sólidos en suspensión, nitrógeno total, amonio). Se ensayaron varios tiempos de retención hidráulica y, por tanto, de carga orgánica.

 

Las comunidades microbianas se analizaron mediante la técnica de secuenciación de ADN ribosomal q-PCR, que proporciona la asignación taxonómica de las secuencias de ADN y su proporción en la comunidad.

 

Los resultados son muy prometedores. El biofiltro conductor fue capaz de eliminar el 91% de la DQO y el 96% de la DBO en tan solo 12 horas, con una carga orgánica 4 veces superior a la recomendada (24 g DBO/m2d) y cumpliendo en todo momento los límites de vertido establecidos por la Directiva Europea de tratamiento de aguas residuales (Dir. 91/271/EEC of 21 May 1991)9, con valores medios de DQO y DBO5 en el efluente muy por debajo de los límites (<36 mg/l y <10 mg/l, respectivamente). En cambio el biofiltro de gravas solo fue capaz de cumplir dichos límites a un tiempo de retención casi 7 veces superior (3.4 días) (Fig. 2).

 

 

Asimismo, el biofiltro conductor fue capaz de eliminar casi un 40% del amonio y el nitrógeno total en 12 horas, alcanzando tasas de eliminación del 97% de amonio y 69% de nitrógeno total en 3.4 días (Fig. 3).

 

 

 

En cuanto al estudio de las comunidades microbianas, los resultados mostraron una mayor diversidad y una mayor presencia de Geobacter y otras bacterias electroactivas como Geothrix o Desulfobulbaceae en el material conductor, mostrando que este material es capaz de favorecer su presencia. Un resultado interesante fue la presencia de bacterias capaces de realizar distintas rutas metabólicas del nitrógeno. Así, se detectaron bacterias autótrofas oxidadoras de amonio, como las de la familia Nitrosomonadaceae, y bacterias de la familia Brocadiaceae, implicadas en los procesos Anammox, asociadas al material conductor. También se encontró en dicho material un alto porcentaje de bacterias del género Thiobacillus, lo que resulta muy interesante puesto que las bacterias del género Geobacter pueden transferir directamente electrones de su metabolismo a Thiobacillus que, a su vez, reduce nitrato10,11.

 

Los resultados sugieren que la superficie de un humedal construido de flujo subsuperficial horizontal podría reducirse significativamente implementado en ellos las Tecnologías Electroquímicas Microbianas. 

 

Los investigadores han llamado a estos sistemas MET-lands, de Tecnologías Electroquímicas Microbianas (MET, sus siglas en inglés) y humedales (en inglés wetlands).