| Tesis Doctorales de la Universidad de Alcalá |
| ELECTROBIOREMEDIATION STRATEGIES FOR REMOVING NITROGEN AND EMERGING POLLUTANTS IN URBAN WASTEWATER: THE METLAND SOLUTION AS TERTIARY & QUATERNARY TREATMENT. | | Autor/a | Jiménez Conde, Mario | | Departamento | Química Analítica, Química Física e Ingeniería Química | | Director/a | Esteve Núñez, Abraham | | Codirector/a | García Calvo, Eloy | | Fecha de defensa | 24-07-2024 | | Calificación | Sobresaliente cum laude | | Programa | Hidrología y Gestión de los Recursos Hídricos (RD 99/2011) | | Mención internacional | No | | Resumen | El crecimiento de la población ha generado un aumento significativo en la demanda de agua potable de calidad. Este incremento en la demanda, junto a los efectos del cambio climático, ha ejercido una considerable presión sobre los recursos hídricos, lo que se ha traducido en un incremento significativo en la contaminación del agua. Asegurar la buena calidad y mejora de los recursos hídricos es un concepto que queda reflejado en el objetivo de desarrollo sostenible 6, que pretende garantizar la disponibilidad, la gestión sostenible del agua y el saneamiento para todos. En este contexto, las pequeñas poblaciones, donde hay una escasez de recursos técnicos y económicos, plantean un reto para la depuración de sus aguas de manera eficaz y económicamente viable. Además, los procesos de tratamiento adicionales que garantizan una mejora de la calidad de vertido, como son los tratamientos terciarios y cuaternarios, suponen generalmente un incremento del coste muy difícil de asumir. Una oportunidad para enfrentar estos retos son las Soluciones Basadas en la Naturaleza (NBS, por sus siglas en inglés). Dentro de las NBS, los Humedales de Tratamiento representan una tecnología eficiente, aunque requieren de grandes superficies.
La propuesta que recoge la tesis para aportar una solución económica y tecnológicamente avanzada está basada en las Tecnologías Electroquímicas Microbianas (MET, por sus siglas en inglés). Las MET constituyen un sector puntero de la biotecnología que aporta soluciones novedosas a diversos problemas medioambientales. El concepto se deriva de la combinación de dos disciplinas: la electroquímica y la microbiología. Esta disciplina se basa en la interacción de las denominadas bacterias electroactivas con materiales conductores de la electricidad. Las bacterias electroactivas son microorganismos capaces de ceder electrones extracelularmente (EET, por sus siglas en inglés). A partir de esta cualidad se han desarrollado múltiples dispositivos con distintos fines, como el tratamiento de aguas residuales. Una de las aplicaciones que ha surgido en la última década son los METland®. El concepto METland® surge de la fusión de las MET con los humedales de tratamiento (Treatment Wetland en inglés). Los METland®, son sistemas tipo biofiltro en los que se sustituye el lecho convencional de los humedales de tratamiento (generalmente grava) por un material conductor de la electricidad, lo que permite el desarrollo e interacción de bacterias electroactivas. Todo ello contribuye a mejorar las ratios de depuración, reduciendo la superficie necesaria en algunos casos a 0.1 m2/p.e.
En esta tesis, se han explorado nuevas estrategias para la eliminación de nitrógeno y contaminantes emergentes de efluentes de estaciones de tratamiento, caracterizados por tener una baja Demanda Química de Oxígeno (DQO). El análisis se ha organizado en un total de diez capítulos, cuatro de ellos (4, 5, 7 y 8) experimentales. Además, se incluyen dos capítulos (6 y 9) con propuestas de escalado y aplicación, que buscan trasladar los resultados experimentales a un contexto práctico.
El capítulo 1 constituye una sección de introducción al concepto de agua residual, poniendo el foco especialmente en el nitrógeno y los contaminantes emergentes. También desarrolla el concepto de MET y un estado del arte de los METland®. El capítulo 2 describe los objetivos en los que se basa la tesis. El objetivo principal fue explorar las interacciones de los METland® con diferentes compuestos de nitrógeno y contaminantes emergentes de los efluentes de depuradoras. La idea era establecer las mejores configuraciones operativas que hicieran de los METland® una tecnología viable y económicamente sostenible para actuar en tratamientos terciarios y cuaternarios.
El capítulo 3 recoge la metodología aplicada en los capítulos experimentales, describiendo las localizaciones donde se desarrolla la actividad experimental, el diseño de los sistemas a escala laboratorio y a escala demostrativa. También se recoge una descripción de todo lo relativo a la mecánica de muestreo y equipos utilizados.
En lo que respecta a los capítulos experimentales, se han creado dos secciones principales, cada una recoge la investigación realizada en una localización concreta.
La sección I agrupa los capítulos 4, 5 y 6. En ella se exploró la eliminación de nitrógeno, principalmente en forma de nitrato, y de contaminantes emergentes. El agua del estudio provenía del efluente de la EDAR de fangos activos del municipio de Carpio. Debido a la baja DQO que contenía, se utilizaron astillas de madera para suplementar el lecho electroconductor del METland®. De esta forma se proporcionaba una fuente de electrones que facilitaba las reacciones de desnitrificación de los sistemas. La configuración de los METland® fue inundada para garantizar unas bajas concentraciones de oxígeno en el lecho, lo que permitió las reacciones de desnitrificación. De forma paralela se realizó un estudio de la degradación de los contaminantes emergentes.
En el capítulo 4, se desarrolla el estudio a una escala laboratorio, lo que permitía tener variables como las temperaturas controladas. En la experimentación se utilizaron sistemas de lecho de grava inerte como control, para evaluar la eficiencia de depuración asociada exclusivamente a las propiedades electroconductoras del material. Los resultados a escala laboratorio mostraron que el sistema formado por una mezcla homogénea de astillas de madera con el material electroconductor resultó ser el más eficiente para eliminar nitrato. Sin embargo, el que alcanzó un mayor rendimiento para la eliminación de contaminantes emergentes fue el sistema formado únicamente por material electroconductor. Paralelamente, se realizaron análisis de secuenciación masiva y se aplicaron herramientas de análisis electroquímico. El fin era determinar el impacto de la presencia de bacterias electroactivas en el aumento de las tasas de degradación. Los resultados mostraron una abundancia relativa alta de bacterias electroactivas en los sistemas con material electroconductor frente a los sistemas de lechos inertes, donde no se encontraron presentes. Con el fin de conocer la viabilidad de los sistemas a largo plazo, se realizó un análisis que evaluaba la colmatación de los sistemas a lo largo del tiempo, demostrando ser los sistemas basados en la tecnología METland® mucho más resistentes a estos procesos de colmatación. El capítulo 5 se basó en los resultados obtenidos en el capítulo 4 con el objeto de operar una escala demostrativa en la propia EDAR de Carpio. Se instalaron dos sistemas: uno compuesto únicamente por material electroconductor (más eficiente para eliminar contaminantes emergentes) y el otro formado por material electroconductor y astillas de madera (más eficiente para la eliminación de nitrato). El estudio confirmó los resultados obtenidos en el laboratorio, siendo el METland® compuesto por material electroconductor con astillas de madera el que mostró el mayor rendimiento en la eliminación de nitratos. En cuanto a los contaminantes emergentes, ambos sistemas mostraron rendimientos de depuración muy similares. Sin embargo, se concluyó que las concentraciones de entrada eran muy bajas, lo que resultó en tasas de degradación limitadas y dificultó la comparación entre los sistemas. También se realizaron análisis de secuenciación masiva junto con herramientas de detección bioelectroquímica para explorar el papel de las bacterias electroactivas en los procesos de transformación del nitrógeno, principalmente mediante reacciones de desnitrificación. En el capítulo 6, recurrimos a los resultados obtenidos en el capítulo 4 y 5, para diseñar una propuesta a escala real como tratamiento terciario y cuaternario que garantice que el efluente de aguas residuales de la EDAR de Carpio alcance una calidad segura para abastecer al humedal que se pretende recuperar.
La sección II agrupa los capítulos 7, 8 y 9. Esta sección exploró nuevamente la eliminación de compuestos de nitrógeno en aguas con baja carga orgánica. En este caso, las aguas estudiadas fueron las aguas residuales del Instituto IMDEA Agua (capítulo 7, escala laboratorio) y el efluente de la EDAR de OTOS (Murcia) (capítulos 8, “experimentación a escala demostrativa”, y 9, “propuesta de escalado real”). Ambas aguas se caracterizaban por tener una baja carga orgánica y presencia de nitrógeno en forma de amonio. Dada la presencia de amonio, el estudio se dirigió también a explorar los procesos de nitrificación para poder eliminar el nitrógeno del agua.
El capítulo 7 recoge la experimentación a escala laboratorio para evaluar los procesos de nitrificación de los sistemas METland® frente a sistemas de grava inerte. Además, desarrolla una estrategia basada en la utilización de humus de lombriz como bioestimulador de las reacciones de nitrificación. El experimento mostró como la combinación de humus con el material electroconductor fue la configuración más eficiente para los procesos de nitrificación. Se realizaron nuevamente pruebas para evaluar los procesos de colmatación de los sistemas, siendo el sistema de material electroconductor mezclado con humus de lombriz el que mostró una mayor resistencia a la colmatación.
El capítulo 8 supone el diseño de un tren de tratamiento de nitrificación – desnitrificación a escala demostrativa utilizando las configuraciones METland® que han resultado ser más eficientes. Para el proceso de nitrificación (capítulo 7) y para los procesos de desnitrificación (capítulos 4 y 5), se evaluó el impacto de las temperaturas y de la aplicación de distintos caudales a los sistemas. Se observó que temperaturas y caudales elevados favorecieron el aumento de las tasas de degradación de los sistemas. De forma paralela se realizaron análisis de secuenciación masiva junto con herramientas de detección bioelectroquímica para explorar el papel de las bacterias electroactivas en los procesos de transformación del nitrógeno y detectar el papel bioelectroquímico de estas bacterias en las reacciones de nitrificación.
El capítulo 9 utilizó los resultados obtenidos el estudio de las distintas configuraciones METland (capítulo 8). Se desarrolló la propuesta de un sistema a escala real que garantice la eliminación de nitrógeno y contaminantes emergentes. El objetivo buscado es evitar procesos de eutrofización o de ecotoxicidad al liberar el agua al medio.
Por último, el capítulo 10 incluye la discusión general, las conclusiones finales y las perspectivas futuras en base a los resultados obtenidos a lo largo del estudio. El estilo se centra en la formulación de una serie de preguntas relevantes que pretenden guiar al lector a través de los puntos más relevantes de la tecnología METland en el contexto de esta investigación. La tesis explora la relación de las bacterias electroactivas, presentes en los METland®, respecto a los distintos compuestos de nitrógeno y contaminantes emergentes. De esta forma se pretende mejorar la comprensión del papel de estos microorganismos y sus procesos bioelectroquímicos en la degradación de estos compuestos. Con esta información se pretende desarrollar propuestas futuras que aborden problemáticas con tipos de agua similares, bajo una perspectiva de sostenibilidad y costes económicos bajos, que hagan que la implantación de esta tecnología sea más accesible. |
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