| Tesis Doctorales de la Universidad de Alcalá |
| GENERANDO BIOMASA CON AGUAS REGENERADAS: OPORTUNDAD PARA LA BIOECONOMÍA CIRCULAR | | Autor/a | Pradana Yuste, Raúl Jerónimo | | Departamento | Química Analítica, Química Física e Ingeniería Química | | Director/a | Bustamante Gutiérrez, Irene de | | Directores/as | González González, Borja Daniel; Sixto Blanco, Hortensia Concepción | | Fecha de defensa | 15-07-2024 | | Calificación | Sobresaliente cum laude | | Programa | Hidrología y Gestión de los Recursos Hídricos (RD 99/2011) | | Mención internacional | No | | Resumen | La industria cervecera es una de las más relevantes en el sector agroalimentario, siendo la cerveza la quinta bebida más consumida en el mundo. Su fabricación, además de requerir importantes cantidades de agua como recurso, también genera un gran volumen de aguas residuales, cuyo tratamiento resulta costoso y complejo.
Hoy en día, a medida que los desafíos medioambientales, económicos y sociales propios de un contexto de cambio climático como el que vivimos cobran cada vez más relevancia, la necesidad de promover un modelo de desarrollo sostenible y economía circular es cada vez mayor. Las soluciones Basadas en la Naturaleza (SBN) pueden jugar un papel crucial en esta transición. Los Filtros Verdes (FV) son un tipo de SBN para el tratamiento de las aguas residuales, en la cual estas aguas se emplean para regar una extensión de terreno, generalmente una plantación forestal, aprovechando los procesos de atenuación natural para depurar el agua, siendo un ejemplo de fitorremediación.
El objetivo principal de este trabajo es evaluar la aplicabilidad de los FV forestales para tratar las aguas residuales de la industria cervecera, al tiempo que se produce biomasa. Del mismo modo, también se busca desarrollar un proceso replicable y extrapolable a otros escenarios distintos, siguiendo una metodología “del-Laboratorio-al-Campo”, en el que cada fase de estudio se ha diseñado a partir de los resultados de las anteriores.
Así, la investigación llevada a cabo a lo largo de esta tesis doctoral ha permitido profundizar en el conocimiento de los FV a un mayor nivel del alcanzado hasta ahora en la literatura científica. Además, también ha servido para sentar un punto de partida acerca de la aplicabilidad de estos sistemas en el tratamiento de las aguas residuales de la industria cervecera y la producción de biomasa de manera conjunta.
Se han identificado los parámetros clave en los procesos de atenuación natural que acontecen en estos sistemas, así como las mejores prácticas para maximizar su rendimiento. De entre estas prácticas, destaca la necesidad de un simple pero riguroso proceso de mantenimiento, que garantice el correcto desarrollo de la plantación, abandonando el concepto de los FV como un sistema de “desechar y olvidar”. Esto se ha mostrado como cierto para todo FV, sin importar el contexto en el que se apliquen, y se ha visto confirmado en el caso utilizar aguas procedentes de la industria cervecera.
La aplicación de riego con cargas hidráulicas o de contaminantes demasiado altas, junto con la presencia de suelos de textura gruesa con bajos tiempos de retención del agua o el escaso desarrollo microbiano en la rizosfera, están entre las causas principales de fracaso en el uso de estas tecnologías. El incompleto tratamiento del nitrógeno y su consiguiente infiltración hacia el acuífero en forma de nitrato es la principal consecuencia negativa de ello. En este sentido, la selección de un material vegetal apropiado y la existencia de un pretratamiento adecuado juegan un papel clave en el éxito de estas plantaciones.
Las especies pertenecientes a la familia de las salicáceas, como los chopos y los sauces, destacan como el material vegetal más empleado en estos sistemas, gracias a sus características fisiológicas adaptadas a las condiciones de humedad, presentando altas tasas de transpiración y una elevada tasa de captación de nutrientes, haciéndolos candidatos perfectos para soluciones de fitorremediación, al tiempo que son capaces de generar biomasa como recurso sostenible y valorizable para múltiples usos.
En los diversos ensayos llevados a cabo, tanto en condiciones de invernadero como de campo, estas especies han mostrado bajas tasas de mortalidad en presencia del agua residual secundaria de la industria cervecera, demostrando ser capaces de desarrollarse correctamente. Sin embargo, su capacidad de producción se vio mermada en ambos casos, comparando con los grupos de control o con las producciones medias obtenidas en este tipo de plantaciones al utilizar agua limpia para el riego.
Resulta de mayor interés que estos ensayos también han permitido identificar diferencias significativas en la respuesta que los diferentes genotipos estudiados han mostrado a la exposición a este tipo de agua, tanto en términos de producción como de actividad fisiológica y capacidad de atenuación de contaminantes. Por ello, la selección del material vegetal adecuado deberá realizarse teniendo en cuenta el objetivo final de cada caso concreto, priorizándose unos genotipos sobre otros en función de si se busca un mayor rendimiento de depuración o de producción. Los genotipos híbridos ‘AF34’ (Populus) y ‘Levante’ (Salix) resultaron ser los más productivos (4,12Mg ha-1 de producción estimada en el caso de ‘AF34’, siendo la media de la plantación 1,62Mg ha-1); los genotipos híbridos ‘2000Verde’ e ‘I-214’ (ambos del género Populus) los que mejor adaptación fisiológica presentaron (además de buenas tasas de atenuación de nitrógeno); y el genotipo de chopo autóctono ‘PO-10-10-20’ una elevada capacidad de atenuación, aunque menor tasa de producción de biomasa.
El tratamiento del agua residual de la industria cervecera utilizando FVs forestales ha resultado ser todo un desafío. De entre sus características fisicoquímicas, las elevadas concentraciones en Na+ han supuesto el mayor de los inconvenientes, unido a las particulares características texturales e hidrodinámicas del suelo (afectado por la actividad industrial durante décadas). Se ha observado la ocurrencia de procesos de intercambio catiónico tanto a escala de laboratorio como de campo. El aporte de importantes cantidades de Na+ al suelo ha llevado a un empobrecimiento de sus propiedades hidráulicas, limitando la infiltración del agua y afectando a la capacidad de tratamiento del sistema, así como al desarrollo vegetal. Limitar los aportes de este ion durante las fases de pretratamiento de las EDAR en la industria cervecera sería de gran interés para mejorar el rendimiento de los FV en estos contextos.
De igual forma que en lo observado en la literatura disponible, el lixiviado de contaminantes, y en concreto del nitrógeno, también ha supuesto un problema en esta investigación. Este lixiviado se ha producido en parte como consecuencia del efecto nocivo del Na+, que ha provocado condiciones de encharcamiento perpetuo, interrumpiendo los ciclos de nitrificación-desnitrificación en el suelo. Además, la ocurrencia de fuertes eventos de lluvia también ha propiciado la desorción de los nutrientes retenidos en el suelo.
Aun con todo, la plantación piloto ha demostrado ser capaz de obtener buenos resultados de atenuación de los contaminantes presentes en el agua residual secundaria de la industria cervecera. Se han obtenido especialmente buenos porcentajes de eliminación -superiores al 90%- en el caso de la materia orgánica, los sólidos en suspensión y el fósforo. Al mismo tiempo, se ha recargado el acuífero subyacente, con un aporte total de 482,1 m3 de agua infiltrada. Además, cabe destacar que, aunque la elevada sodicidad (y, por tanto, salinidad) del agua haya supuesto un detrimento en el desarrollo y el rendimiento del FV, también se han conseguido muy buenos porcentajes de atenuación de estos parámetros (superiores al 85%), cuyo tratamiento no se realiza durante los procesos convencionales de la EDAR instalada en la parcela donde se ha desarrollado esta investigación. Del mismo modo, a pesar de haber obtenido menores rendimientos en términos de producción de biomasa que otras plantaciones con agua limpia, el valor de este tipo de sistemas radica en la revalorización de un residuo, preservando los recursos hídricos para otros fines.
El uso de enmiendas orgánicas que propicien la actividad microbiológica en el suelo y que mejoren sus características hidráulicas, así como la implementación de unas adecuadas prácticas de cultivo y manejo del suelo, junto con la adición de compuestos inorgánicos ricos en Ca2+, suponen prácticas recomendables que podrían paliar los efectos nocivos observados al aplicar este tipo de agua residual al suelo, aunque la limitación de las fuentes de Na+ en primer lugar resultaría de gran interés. Todo esto llevaría a una mejora general en la salud del suelo, el desarrollo de la vegetación, y el rendimiento general del sistema, obteniendo una mejor atenuación natural de contaminantes y permitiendo la aplicación de mayores volúmenes de agua, una mayor producción de biomasa y una recarga efectiva del acuífero subyacente con un agua de mejor calidad.
El procedimiento experimental llevado a cabo a lo largo de la investigación de esta tesis doctoral ha demostrado ser de gran interés tanto para testar un alto número de materiales vegetales diferentes –poniendo en evidencia la elevada variabilidad intra- e inter- específica presente en las salicáceas– como para emular posibles eventos que tendrán lugar en un caso real a escala de campo, pudiendo identificar los procesos responsables de los mismos.
En general, es necesario investigar más a fondo las posibles mejoras en la aplicación de los FV forestales en el proceso de tratamiento de aguas residuales en la industria cervecera, tanto en términos de atenuación de contaminantes como de producción de biomasa. Variaciones en el diseño de la plantación, en su mantenimiento y en los tratamientos previos podrían suponer cambios muy significativos en los resultados obtenidos. De igual modo, es necesario profundizar en los diferentes beneficios adicionales que estos sistemas pueden aportar al entorno donde se implementan, como son el secuestro o captura de carbono o el incremento de biodiversidad asociada (flora y fauna) a través de la creación de nichos ecológicos diversos, así como la valoración y cuantificación de otros servicios ecosistémicos como la regulación de la calidad el aire, la protección de suelo o regulación del ciclo hidrológico. |
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