La limitación de recursos ha llevado al sector empresarial a reinventarse y mejorar paulatinamente los sistemas de producción, pasando de aquellos basados en sistemas lineales a modelos circulares, es decir, a modelos de producción y consumo que incrementen la vida útil de materiales y productos existentes a través de su compartición, reutilización, reparación, renovación y/o reciclaje tantas veces como sea posible para proporcionarle un valor añadido.
En el pasado, los mecanismos productivos donde la materia prima entra y luego sale procesada generando residuos que se deben tratar eran ampliamente utilizados y presentes, prácticamente, en todas las industrias y sistemas de producción, pero actualmente dichos sistemas han pasado a ser mecanismos donde el procesado de esta materia prima genera subproductos, antes llamados residuos, que son procesables y, por tanto, pueden generar un valor añadido o reciclarse para ser procesados de nuevo, optimizando así el sistema productivo.
Solo en España se han invertido 940 millones de euros en proyectos de investigación e innovación en economía circular durante el periodo 2018-2020, siendo uno de los principales ejes en los desafíos y retos globales propuestos para el año 2030, de los cuales el 57% ha ido dedicado a aguas.
Estaciones de Depuración de Aguas Residuales (EDAR) como fuente de recursos materiales y energéticos
Las EDAR, donde tradicionalmente han ido a parar las aguas residuales urbanas así como aquellas generadas en un sector industrial concreto, han pasado de ser una fuente de recursos desaprovechados a ser, en la actualidad, una fuente de recursos materiales y energéticos muy importante para diversos sectores. Esto se debe gracias a la aplicación de procesos químicos y biológicos de valorización como oxidación supercrítica de lodos, digestión anaerobia o procesos de separación por membranas.
En concreto, en el punto 17 de las estrategias propuestas en el borrador España circular del 2018 se hace hincapié en que las EDAR y las ERAR (estación depuradora de aguas residuales y estación de reutilización, respectivamente) sean consideradas como “fábricas” capaces de recuperar energía y nutrientes a partir de los caudales entrantes.
Las EDAR del sector agroalimentario se caracterizan por recibir un alto contenido de materia orgánica procedente de las diferentes fases de la producción. Esta materia orgánica, además de contener substancias recuperables, es el combustible perfecto para una serie de microrganismos capaces de transformarla en nuevos productos, generar una corriente eléctrica o un vector energético como el metano. El influente de una EDAR puede ser rico también en nutrientes como el fósforo o el nitrógeno o metales pesados que pueden ser recuperados en vez de ser diluidos o eliminados. El abanico de tecnologías existentes para revalorizar los influentes en una EDAR es amplio, abarcan desde los procesos de digestión anaerobia y uso de biodigestores, la separación de polifenoles o ácidos grasos mediante membranas o bien la generación de biomasa para uso en biofertilizantes.
Procesos bioelectroquímicos para la recuperación de recursos y obtención de energía
Bioelectroquímica: rama científica que estudia las interacciones de oxidación reducción en organismos o moléculas de origen biológico, más concretamente en la implementación de tecnologías que utilizan microorganismos capaces de oxidar, reducir moléculas o transferir electrones a electrodos.
Inicialmente durante los años 90, estos sistemas fueron concebidos como fuente energética a partir de los residuos con alta carga orgánica. Posteriormente, durante la primera década del siglo XXI, se observó su potencial tecnológico para el tratamiento de aguas residuales, eliminación de sulfuros, la recuperación o tratamiento de corrientes con metales pesados, desalación, o la producción de hidrógeno. Ya en la siguiente década, esta tecnología avanzó para dar lugar a aplicaciones en el campo de la biosíntesis, o el escalado de esta tecnología a escalas piloto o demostrativas.
La aplicación de la bioelectroquímica permite realizar procesos como la obtención de metano a partir de CO2, recuperación de metales, obtención de hidrógeno, biosíntesis molecular, obtención de biosensores o recuperación de nutrientes a partir de las aguas residuales o lodos procedentes de los diferentes procesos en una EDAR.
Los procesos bioelectroquímicos que se pueden implementar en EDAR están habitualmente fundamentados en la utilización de microorganismos, comúnmente bacterias electrogénicas capaces de interactuar con electrodos biocompatibles. En la superficie de los electrodos o de material conductor, las bacterias se adhieren generando una comunidad que intercambia electrones entre la superficie del material y la maquinaria enzimática de los microorganismos.
Uno de los ejemplos mas estudiados e implementados es la oxidación del acetato producido durante la degradación de la materia orgánica por parte de la bacteria modelo Geobacter Sulfureducens. Esta bacteria, en contacto con un electrodo, es capaz de transferir los electrones de dicha oxidación. De esta forma, poniendo en contacto el electrodo recubierto de bacterias con otro electrodo donde se produzca un proceso de reducción como la producción de hidrógeno, se establece una corriente eléctrica.
En la actualidad ya son numerosos los proyectos de investigación realizados en este campo por parte de empresas e instituciones públicas alrededor del mundo. Por ejemplo, ya en el marco de los proyectos FP7 aparecieron proyectos como Value from Urine, donde se recuperaba amonio mediante estos sistemas a partir de la orina o BioelectroMET, proyecto dedicado a la recuperación de metales pesados mediante sistemas bio-electroquímicos. Más recientemente proyectos del marco H2020 como MemBio se han centrado en el tratamiento directo de aguas residuales o el proyecto MIDES en la desalación de aguas salobres; o por ejemplo del programa LIFE como el proyecto ANSWER en el que se obtiene hidrógeno mediante la utilización de un sistema bioelectroquímico a la salida de un sistema de electrocoagulación con el propósito de recuperar y reducir el contenido de fósforo en aguas de cerveceras. En un futuro, se espera que las tecnologías basadas en los sistemas bioelectroquímicos alcancen una mayor madurez, incorporándose al mercado de tecnologías ya existentes para el tratamiento de aguas residuales de origen industrial.
En AINIA apostamos por la innovación en sistemas bioelectroquímicos para el tratamiento de corrientes de agua procedentes de EDAR que, combinados con otras tecnologías existentes como la digestión anaerobia o procesos de filtración como la ultrafiltración o la ósmosis inversa, pueden ser beneficiosos a la hora de obtener mayor beneficio económico del tratamiento. Un claro ejemplo de esta apuesta es el proyecto VIOe- en el que participamos junto a Depuración de Aguas del Mediterráneo (DAM), empresas asociada a AINIA Network, y donde se puede enriquecer el biogás producido por un digestor anaerobio utilizando una pila electrolítica microbiana acoplada al digestor. Otro ejemplo en el desde AINIA hemos participado como validadores de esta tecnología, es el proyecto H2AD donde el efluente procedente de diferentes industrias agroalimentarias, como la industria cervecera, ha sido revalorizado mediante la producción de hidrógeno.
Imagen 1. Planta piloto del proyecto H2Ad en las instalaciones de AINIA
El desarrollo e implementación de los sistemas bioelectroquímicos en Estaciones de Depuración de Aguas Residuales, tanto urbanas como industriales, mejora la recuperación de recursos y energía. Es un claro ejemplo de evolución desde una economía lineal basada en el producir-usar-tirar hacia la Economía Circular del agua. En AINIA seguimos trabajando para ofrecer soluciones basados en sistemas bioelectroquímicos que permitan rentabilizar los subproductos generando valor añadido.
En el marco del convenio de colaboración de AINIA con IVACE (Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial) para desarrollar actividades de I+D+i que sean transferibles al tejido industrial, se encuentra la iniciativa para el desarrollo y la validación de sistemas para la recuperación sostenible de nutrientes y compuestos de valor contenidos en matrices acuosas orgánicas complejas, directamente mediante la utilización de técnicas físicas de separación con membranas o indirectamente combinando cultivos acuáticos (microalgas, lemna) y sistemas físicos de separación.
