| Tesis Doctorales de la Universidad de Alcalá |
| MICROBIAL ELECTROCHEMICAL STRATEGIES FOR RECOVERING NUTRIENTS AFTER TREATING AND RE-USING URBAN WASTEWATER FROM A UNIVERSITY CAMPUS | | Autor/a | Gashtasebi, Akram | | Departamento | Química Analítica, Química Física e Ingeniería Química | | Director/a | Esteve Núñez, Abraham | | Codirector/a | Boltes Espínola, Ana Karina | | Fecha de depósito | 26-07-2024 | | Periodo de exposición pública | 27 de julio a 10 de septiembre de 2024 | | Fecha de defensa | Sin especificar | | Programa | Hidrología y Gestión de los Recursos Hídricos (RD 99/2011) | | Mención internacional | No | | Resumen | Resumen
La demanda mundial de agua está aumentando debido a la urbanización, la industrialización y la expansión agrícola, lo que conduce a un incremento en la producción de aguas residuales y problemas ambientales. La escasez de agua dulce es una preocupación creciente, con muchas regiones enfrentando estrés hídrico exacerbado por el cambio climático. Para abordar esto, los países están implementando políticas para reutilizar aguas residuales.
En este contexto, esta tesis doctoral explora las aguas residuales como un recurso doble, tanto agua en sí misma como nutrientes, a través del uso de biofiltros electroactivos llamados METland®, con fines agrícolas. Los sistemas METland® de la presente tesis están hechos de un material sostenible a base de carbono: biochar electroconductor como material de lecho. Aunque su eficiencia en la eliminación de contaminantes orgánicos y nitrógeno de aguas residuales urbanas e industriales ya había sido demostrada, su rendimiento para la depuración de aguas residuales de un campus universitario no había sido analizado a fondo para reutilizar el agua en el riego de cultivos del suelo. Además, se estableció una estrategia para tratar y reutilizar aguas residuales del Campus Externo de la Universidad de Alcalá. Finalmente, esta investigación evaluó un nuevo concepto de economía circular, primero para evaluar la capacidad del lecho electroconductor (EC - biochar) de METland® para adsorber nutrientes durante el tratamiento de aguas residuales y, eventualmente, reutilizar el material como fertilizante del suelo. Así, la disertación se organiza en siete capítulos, cuatro de los cuales son experimentales y se resumen a continuación.
Capítulo 1: Sección introductoria para revisar aspectos generales sobre soluciones basadas en la naturaleza para el tratamiento de aguas residuales y la reutilización del agua. Además, también cubre el uso de biochar como enmienda de suelo sostenible. Finalmente, el capítulo proporciona una visión general comprensiva de la tecnología METland®, discutiendo los sistemas de última generación bajo varios modos operativos y configuraciones electroquímicas.
Capítulo 2: Detalla los materiales y metodologías empleados a lo largo de la investigación, abarcando configuraciones experimentales, diseño y construcción de biofiltros, el cultivo de plantas en sistemas de suelo e hidropónicos, y los procedimientos de prueba y análisis. Se utilizaron varios tipos de biofiltros y biochar para evaluar su efectividad en la eliminación de contaminantes y el soporte del crecimiento vegetal. Las plantas se cultivaron tanto en suelos enmendados con biochar como en sistemas hidropónicos para evaluar el impacto en la salud del suelo, la disponibilidad de nutrientes, la calidad del agua y la salud general de las plantas. Este enfoque detallado proporcionó un marco robusto para investigar las interacciones entre el biochar, las bacterias electroactivas y el crecimiento de las plantas en diferentes entornos.
Capítulo 3: Presenta un estudio experimental centrado en las capacidades de adsorción del biochar y los mecanismos a través de los cuales se liberan nutrientes en el suelo. Evalúa la eficiencia del biochar en la captura de nutrientes de las aguas residuales y sus beneficios subsiguientes como enmienda del suelo. Se exploró el potencial transformador del biochar como una solución sostenible para convertir nutrientes de las aguas residuales en fertilizantes valiosos para el suelo. Estudios previos informaron su capacidad para mejorar el crecimiento de las plantas, particularmente cuando se combina con materia orgánica que facilita la liberación gradual de nutrientes. Además, el biochar juega un papel crucial en la gestión de residuos al absorber y transformar eficientemente los contaminantes en sistemas de biofiltración, contribuyendo así a la purificación del agua y la reducción de la contaminación. El capítulo también explora innovaciones como fertilizantes de liberación lenta basados en biochar (SRF). Al esclarecer los mecanismos del biochar para el almacenamiento y liberación de nutrientes, este capítulo destaca su potencial para avanzar en la agricultura sostenible y la gestión de residuos, allanando el camino para futuras innovaciones en la recuperación de nutrientes de las aguas residuales.
Capítulo 4: Explora el impacto del biochar EC como enmienda del suelo en el contexto de la disponibilidad de nutrientes dentro de los sistemas de tratamiento de aguas residuales. El suelo, reconocido por sus capacidades naturales de filtración, desempeña un doble rol como participante activo en los ecosistemas y como medio que facilita interacciones cruciales entre el suelo, el agua y los sistemas de cultivos. Las soluciones basadas en la naturaleza para tratar aguas residuales, como los filtros verdes, aprovechan la complejidad, reactividad, fertilidad y permeabilidad del suelo para filtrar eficazmente el agua y facilitar procesos biológicos, químicos y físicos. Este capítulo investiga los patrones de liberación de cationes y aniones principales del biochar EC. Se utilizaron biofiltros basados en suelo para evaluar dos tipos de biochar en diferentes dosis, usando suelo sin biochar como control.
Capítulo 5: Introduce la estrategia de economía circular para implementar la tecnología METland®, centrándose en dos aspectos principales: reutilizar las aguas residuales urbanas después del tratamiento y usar biochar electroconductor EC de los lechos de METland® como enmienda del suelo. Los girasoles (Helianthus annuus L.), un cultivo oleaginoso significativo a nivel mundial, se utilizaron para evaluar el impacto de i) regar con agua tratada y ii) aplicar biochar EC al suelo. El estudio evalúa la efectividad de reutilizar agua con diferentes dosis de nitrato (15 y 35 ppm NO3-) en comparación con el agua del grifo. Además, se demostró que dos tipos de biochar electroconductor: biochar crudo y biochar previamente utilizado en METland® para el tratamiento de aguas residuales, juegan un papel positivo en la mejora sostenible de la fertilidad del suelo para el cultivo de girasoles.
Capítulo 6: Aborda el desafío crítico de la escasez de agua en el Campus Externo de la Universidad de Alcalá (UAH) evaluando el potencial de la tecnología METland® para tratar aguas residuales y reutilizar el efluente para el riego del campus. El capítulo comienza probando la eficacia de los biofiltros METfilter® en el tratamiento de aguas residuales reales provenientes del campus de la UAH, enfocándose en la eliminación de COD y contaminantes de nitrógeno utilizando diferentes materiales de lecho. Además, este capítulo evalúa el uso de diversos materiales, incluido el humus, para mejorar la eficiencia del tratamiento de aguas residuales. La calidad del agua tratada se evaluó posteriormente a través de un análisis químico exhaustivo y evaluando su idoneidad para el crecimiento de cultivos hidropónicos, incluyendo análisis de emisión de fluorescencia para descartar cualquier impacto de estrés en la fotosíntesis. Además, el capítulo propone un diseño para implementar múltiples unidades METfilter® con el objetivo de reducir la dependencia del agua subterránea y promover prácticas sostenibles de uso del agua en el Campus Externo de la UAH.
Capítulo 7: Ofrece una discusión integral, sacando conclusiones y proponiendo futuras direcciones de investigación basadas en los hallazgos experimentales. Esta sección está estructurada en un formato de preguntas y respuestas para mejorar la legibilidad y facilitar la comprensión para el lector. La discusión sintetiza los resultados clave de los capítulos anteriores, abordando la eficacia del biochar y la tecnología METland® en el tratamiento de aguas residuales, la recuperación de nutrientes y la agricultura sostenible. Se sacan conclusiones sobre las aplicaciones prácticas y los beneficios potenciales de estas tecnologías. Además, se proponen direcciones futuras de investigación, destacando áreas para una mayor investigación para optimizar y expandir el uso del biochar y la tecnología METland® en varios contextos ambientales y agrícolas. |
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