Un nuevo tratamiento elimina hasta un 70 % del nitrógeno que se arroja a la naturaleza por los desagües

Un nuevo modelo de reactor de biopelícula adaptado a la realidad brasileña y que emplea espuma de poliuretano para ayudar a reducir los costos puede hacer que disminuya hasta un 70 % la concentración de compuestos nitrogenados en los desagües cloacales, según apunta un estudio dado a conocer en la revista Environmental Technology. Científicos del país perfeccionaron un modelo matemático que permite entender y prever el mecanismo de remoción del nitrógeno en la biopelícula que se forma con base en bacterias que transforman los compuestos nitrogenados en nitrógeno, un gas que es inofensivo para el medio ambiente, colaborando así para la realización de investigaciones futuras.

Este estudio estuvo a cargo de Bruno Garcia Silva, quien lo llevó a cabo durante su doctorado en ingeniería hidráulica y saneamiento en la Universidad de São Paulo (USP), en Brasil, bajo la orientación del profesor Eugenio Foresti, de la Escuela de Ingeniería de São Carlos (EESC-USP). El trabajo contó con el apoyo de la FAPESP.

El referido artículo es uno de los resultados del Proyecto Temático intitulado “Aplicación del concepto de biorrefinería a estaciones de tratamiento biológico de aguas residuales. El control de la contaminación ambiental aliado a la recuperación de materia y energía”, coordinado por el profesor Marcelo Zaiat. Y comprende también la labor de equipos de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar) y del Instituto Mauá de Tecnología.

“La remoción del nitrógeno se concreta aún en pocas estaciones de tratamiento de desagües cloacales en Brasil, mientras que en Europa y Estados Unidos esto se lleva a cabo con mayor asiduidad. La idea es desarrollar [la infraestructura necesaria] en el marco de nuestra realidad. Acá generalmente se emplean reactores anaeróbicos, que generan un efluente con baja carga orgánica, lo que dificulta el proceso de remoción del nitrógeno”, explica Garcia.

El retiro de los denominados compuestos nitrogenados (entre ellos nitrito, nitrato y amoníaco) tanto de los desagües domésticos como de los efluentes industriales es esencial, pues los mismos pueden contaminar cuerpos de agua superficiales (lagos, represas y arroyos) y subterráneos (tales como los grandes acuíferos), favoreciendo el aumento descontrolado de la población de bacterias, algas y plantas, en un proceso conocido como eutrofización.

Asimismo, el consumo de agua contaminada con nitratos puede derivar en el desarrollo de enfermedades como la metahemoglobinemia, conocida como síndrome del bebé azul. Esta afección es más común en niños, y puede causar dolor de cabeza, mareos, fatiga, letargia e incluso shock, depresión respiratoria grave y alteraciones neurológicas tales como convulsiones y coma en los casos graves.

“Cuando se produce la proliferación de algas, una de las consecuencias que hemos detectado en represas como Billings [una de las principales fuentes de agua de São Paulo], por ejemplo, es la muerte de peces por falta de oxigenación del agua. Se pierde así un área que podría ser de abastecimiento, de esparcimiento o de ambas cosas debido al exceso de algas, cuya remoción resulta sumamente difícil en el medio líquido”, destaca Foresti, coordinador del grupo.

Las diferencias

Tal como lo explican los investigadores, las principales diferencias de este nuevo modelo de reactor residen en la biopelícula, que se forma tras un proceso biológico en el cual las bacterias crean una especie de película sobre una espuma, en este caso de poliuretano. Asimismo, la configuración del aparato hace posible lo que los investigadores denominan “contradifusión”, es decir, que el oxígeno se inserte en el lado opuesto al de los contaminantes.

“El oxígeno se transporta hacia dentro de la espuma, pues de este modo permanece únicamente en donde es necesario para que se concrete la reacción. No queríamos que ese gas estuviera en contacto con la materia orgánica todo el tiempo, pues las bacterias lo consumirían todo para degradarla y no sobraría nada para consumir el nitrito y el nitrato. Por eso insertamos el oxígeno del otro lado de la biopelícula. La idea es que la materia orgánica que llega a la biopelícula por el lado opuesto pueda ser oxidada no solamente por el oxígeno, sino también por el nitrito y el nitrato”, comenta Garcia.

Cuando no hay oxígeno entrando en el reactor, el amoníaco permanece inalterable. Pero cuando llega a la parte en donde hay entrada de oxígeno, empieza a transformarse en nitrito y nitrato. “Como la única salida es a través de la biopelícula, los compuestos atraviesan esa barrera por difusión en la dirección contraria a la de la materia orgánica. El encuentro de la materia orgánica en el contraflujo genera excelentes condiciones para la remoción de ese nitrito y ese nitrato, porque ya no hay oxígeno sino materia orgánica necesaria para la desnitrificación”, añade el investigador.

Foresti explica que los reactores anaeróbicos (que degradan la materia orgánica mediante el uso de bacterias que no requieren de oxígeno para vivir) se están utilizando cada vez más en Brasil en los municipios debido al clima predominante, que es más cálido que en el hemisferio norte. Las altas temperaturas permiten una actividad mayor de las bacterias para descomponer la materia orgánica. En Europa y en Estados Unidos sucede lo contrario, pues con las temperaturas bajas el proceso es diferente. La materia orgánica presente en la fase líquida, después de la remoción del fango, es oxidada mediante un proceso aeróbico (en presencia de oxígeno).

Sin embargo, debido a los costos, en Brasil no se retiran totalmente los compuestos nitrogenados, que se liberan directamente en la naturaleza. Este nuevo modelo de reactor se destina a desarrollar una segunda etapa para el tratamiento de las estaciones de desagüe cloacales, más fácil y más barata, con la mira puesta en tecnologías y asociaciones futuras.

Con beca de la FAPESP en Estados Unidos

Garcia contó con la colaboración de colegas del laboratorio del profesor Robert Nerenberg, de la Universidad de Notre Dame, en Estados Unidos, en donde se desempeñó como investigador visitante entre 2019 y 2020 con el apoyo de la FAPESP.

“La diferencia de mi proyecto con el de ellos reside en que, en lugar de usar la espuma de poliuretano, ellos emplean una membrana semipermeable, similar a un tubito lleno de aire en su interior. En contacto con el agua, ese tubito permite el paso del oxígeno, pero no del agua, y la biopelícula crece adherida a esa superficie. Es decir, a través de las paredes de ese tubito se les suministra oxígeno a las bacterias. Por eso el oxígeno va de dentro afuera y el agua aporta amoníaco y la materia orgánica. Es el mismo sistema de contradifusión. La diferencia reside en que acá nosotros utilizamos un material más sencillo y más barato”, pondera Garcia.

“En la biopelícula, la bacteria crece adherida a la superficie. Pero no sería un filtro propiamente dicho, pues no ofrece una resistencia mecánica al paso de las partículas. Lo que hace ese reactor a decir verdad es servir de material de soporte para que las bacterias crezcan y consuman la materia orgánica soluble y los compuestos nitrogenados”, explica el científico.

Los próximos pasos

Foresti adelanta que la nueva configuración del reactor ya está inspirando estudios más recientes del grupo. En un programa de cooperación entre la Compañía de Saneamiento Básico del Estado de São Paulo (Sabesp) y la FAPESP, los investigadores pretenden poner a prueba el nuevo modelo con los desagües reales de la ciudad de São Carlos, que ya pasaron por un reactor anaeróbico en la estación de tratamiento operada por el Servicio Autónomo de Agua y Desagües de São Carlos (SAAE). Investigadores de la UFSCar y del Instituto Mauá también integran ese programa de cooperación y desarrollarán otros sistemas que se pondrán a prueba.

“La investigación de Bruno es la primera que aplica el proceso de contradifusión de esta forma acá en Brasil. Él comprobó el concepto en agua residual sintética. La eficiencia que halló con esa configuración de reactor fue mucho mayor que la que se había verificado en investigaciones anteriores, pero aún debemos analizar diversos factores”, destaca Foresti.

La nueva configuración ha sido puesta a prueba por ahora en laboratorio. En tanto, en el marco de nuevos proyectos habrá que validar su eficiencia, pues no es posible prever de qué manera operará este equipo con grandes cantidades de efluentes. Asimismo, es necesario probar el sistema con desagües reales domésticos y efluentes industriales, ya que hasta ahora las muestras fueron de desagües sintéticos, preparados por el propio equipo de investigadores.

“Es posible que haya que mejorar el diseño y la geometría. ¿Cómo optimizar ese diseño para obtener una mayor área superficial por volumen de reactor a los efectos de abaratarlo? Este trabajo aporta las bases, los fundamentos para seguir pensando en este proceso, y también en la herramienta, que es el modelo matemático”, culmina Garcia.