Espectroscopia de fluorescencia, un método rápido y eficaz para analizar la calidad de las aguas residuales depuradas

Debido a que la mayoría de los compuestos químicos disueltos en agua interactúan con la luz, la espectroscopia de fluorescencia podría ofrecer información de un modo rápido y eficaz sobre la calidad de una muestra de aguas residuales depuradas. El proyecto FLUORO-BOOST investiga la capacidad de esta técnica para mejorar la eficiencia energética de las depuradoras de agua.

Gracias a una inversión de 14.300 millones de euros desde 2007 a 2013 y una actividad legisladora exigente, se ha mejorado considerablemente la recolección y la depuración de aguas residuales en la Unión Europea. Pero la depuración de una mayor cantidad de agua residual y la mejora constante de la calidad de los tratamientos a posteriori también ejerce una gran presión en las tecnologías disponibles hoy en día, una situación que hace que aumente el consumo de energético. La ventilación de aguas residuales sedimentadas en los procesos de lodos activados (ASP) supone más de la mitad del coste energético asociado a los tratamientos de aguas residuales.

Es más, el control de calidad utilizado hoy en día tiene mucho margen de mejora. Según la Dra. Elfrida Carstea de la Universidad de Birmingham, dedicada a dar con una solución a ambos problemas en el marco del proyecto FLUORO-BOOST (Fluorescence-Based Optimisation Of Sewage Treatment), los métodos de ensayo que garantizan la conformidad presentan insuficiencias.

En lugar de servirse de la técnica popular de vigilar el potencial de eliminación de oxígeno mediante bacterias heterotróficas anaerobias, la Dra. Carstea sugiere aplicar los progresos logrados recientemente en el ámbito de la espectroscopia de fluorescencia para optimizar el rendimiento de los tratamientos de aguas residuales. Ahora que el proyecto está llegando a su fin, la doctora compartió varios de sus resultados.

¿Cuáles son, en su opinión, las limitaciones de los métodos actuales de depuración de aguas residuales?

Las depuradoras de aguas residuales son un logro de la ingeniería y las técnicas empleadas resultan enormemente eficaces a la hora de reducir la concentración de sustancias orgánicas de los residuos. El trabajo constante de los ingenieros mejorará paulatinamente los procesos aplicados. Por lo tanto, se puede afirmar que los problemas no residen en el proceso de tratamiento en sí mismo, sino en los métodos de control de calidad utilizados.
Los tratamientos se basan en su mayor parte en la prueba BOD5 (la demanda biológica de oxígeno tras cinco días de reacción) como prueba de que se cumple con la normativa vigente. BOD5 se define como el potencial de eliminación de oxígeno del agua realizado por bacterias heterotróficas anaerobias, las cuales aprovechan la materia orgánica para mantener su metabolismo y reproducirse. Si bien esta es una medición interesante en el proceso de depuración, tiene varias desventajas que obligan a descartarla para su empleo en tareas de control de procesos y monitorización en línea. Esto es, es lenta a la hora de generar información, resulta trabajosa, las sustancias tóxicas influyen en las bacterias, puede no ser espejo de las condiciones que se dan en los tratamientos de procesado, no es lo suficientemente sensible o precisa a concentraciones bajas y provoca que los resultados tengan una incertidumbre de entre el quince y el veinte por ciento. Debido a estos problemas, la industria suele procesar en exceso las aguas para garantizar que cumplen con la legislación vigente.

Su investigación se basa en los últimos progresos en cuanto a espectroscopia de fluorescencia. ¿Por qué se decantaron por esta técnica?

Esta investigación se basa en estudios preliminares realizados por el profesor John Bridgman y sus colegas y publicados en Environmental Technology dedicados a la fluorescencia de las aguas residuales en plantas de depuración. En ellos se muestra que la técnica podría resultar muy útil en la caracterización y la vigilancia en línea. En varios estudios anteriores a este se argumentaba en favor de la idoneidad de esta técnica, pero pocos de ellos se dedicaban en concreto a la vigilancia de las aguas residuales y ninguno a las mediciones en tiempo real. La espectroscopia de fluorescencia posee gran cantidad de ventajas, a saber, es rápida, barata, no es reactiva, la preparación de muestras es mínima, posee gran sensibilidad y no resulta invasiva. Por tanto, esta técnica podría ofrecer información oportuna y ofrecer la posibilidad de poner en marcha estudios dinámicos con resoluciones temporales y espaciales elevadas. Es más, nuestra investigación se basa en estudios en los que se ensayó la portabilidad de la fluorescencia en aguas superficiales y potables que además han generado grandes oportunidades para el desarrollo de tecnologías nuevas en las que se emplea la fluorescencia para vigilar la calidad de las aguas residuales.

¿Cuáles fueron las principales dificultades a las que se enfrentó a la hora de aplicar esta técnica nueva?

Yo no las llamaría dificultades, sino retos. El establecimiento de correspondencias entre la fluorescencia y los datos de BOD5 fue más complicado de lo esperado. Obtuvimos resultados sorprendentes que plantearon más preguntas que las que se plantearon en un primer momento. No obstante, todo ello contribuirá a que conozcamos mejor la capacidad de la espectroscopia de fluorescencia como sustituta de BOD5 y como una herramienta eficaz en el control de procesos de las depuradoras.

¿En qué modo contribuye la tecnología a reducir el consumo de energía necesario para depurar aguas residuales?

La mayoría del consumo energético de las depuradoras se produce durante la ventilación intensa de las aguas residuales sedimentadas en lodos activados. Las bacterias y los microorganismos que generan el lodo activado se alimentan de aguas residuales que contienen desechos orgánicos. Para mantener la actividad biológica durante los procesos de lodos activados de reducción BOD5 se bombea aire en los tanques y de este modo se aporta suficiente oxígeno disuelto. La ventilación es una de las operaciones que más energía precisa de todas las que componen la depuración de aguas residuales, hasta el punto de que el proceso de lodos activados consume cerca de un 65 % de la energía empleada. El consumo de energía ha aumentado considerablemente en los últimos dos decenios, y se espera que se incremente en un 60 % adicional en los siguientes diez a quince años. Esta situación tiene su causa en la legislación y las normativas más estrictas que atañen a la liberación a los cursos de agua del efluente resultante del proceso de depuración.

La sustitución de un BOD5 desfasado e impreciso por la espectroscopia de fluorescencia ofrece una herramienta ideal y en tiempo real de control y corrección de los problemas de rendimiento de una planta depuradora. Se calcula que la vigilancia de la calidad de las aguas residuales durante las labores de depuración permitiría ahorrar un 40 % en costes energéticos. Así, la fluorescencia podría emplearse para optimizar el control de procesos de depuración y eliminar costes asociados inútiles asociados al sobretratamiento.

¿Resulta también adecuada la espectroscopia de fluorescencia para tratar agua potable?

Sí, la técnica resulta adecuada para controlar los tratamientos aplicados al agua potable y existen varios estudios que muestran su capacidad. En una publicación reciente en Science of the Total Environment firmada por el profesor Bridgeman et al. se describe un instrumento LED innovador desarrollado por los autores en las Universidades de Sheffield y de Birmingham. Este instrumento es capaz de detectar in situ picos de fluorescencia T y C en sistemas de abastecimiento de agua potable. Estos picos, tal y como muestran los responsables de la investigación, resultan interesantes pues el pico C ofrece una alternativa al carbono orgánico disuelto presente en el agua, mientras que el pico T permite identificar cualquier tipo de crecimiento microbiano, el cual se produce a causa de la presencia de carbono orgánico disuelto en conjunción con una concentración de cloro insuficiente en el agua.

El proyecto se aproxima a su fin. ¿Qué etapas restan de su investigación?

Continuaremos trabajando para poner en práctica la espectroscopia de fluorescencia aplicada a la vigilancia en tiempo real de plantas de tratamiento mediante estudios conjuntos y colaboraciones con científicos destacados en este ámbito. Además hemos puesto en marcha recientemente un estudio sobre el destino de las nanopartículas presentes en aguas residuales depuradas en el que se utilizan otras técnicas además de la espectroscopia de fluorescencia. Espero poder profundizar en este tema en breve

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¿Cuándo prevé que se implante la espectroscopia de fluorescencia en las plantas depuradoras?

Esta tecnología ya está comercializada. Nuestra innovación reside en su aplicación en tiempo real y sobre el terreno para realizar mediciones. Si bien la tecnología está dando sus primeros pasos, tiene un gran futuro por delante por su capacidad para controlar los procesos y reducir el consumo energético en las labores de depuración.

Fuente: Entrevista publicada en el número 45 de la revista de resultados research*eu, página 4.