Implantación de un proceso de depuración de aguas residuales en dos fases mediante hongos filamentosos

El objetivo del proyecto BIOFUNGUS consiste en la validación de un nuevo proceso de depuración en dos fases basado en hongos filamentosos que permita una rápida respuesta del proceso de depuración y un elevado consumo de nutrientes.

La utilización de hongos filamentosos en los procesos de depuración de aguas residuales continúa siendo una aproximación novedosa. Diversos estudios previos han reportado notables ventajas asociadas al uso de estos organismos, como son: una mejora en el rendimiento de eliminación de compuestos nitrogenados, la capacidad de este tipo de hongos para favorecer la floculación de materia en suspensión, la reducción de sólidos generados en el proceso de depuración, mejoras en la etapa de deshidratación del fango, incremento en la producción de biogás mediante digestión y la resistencia a contaminantes emergentes junto con la posible degradación de los mismos.

Se han investigado varios géneros de hongos en el pasado, siendo los más prometedores para esta aplicación algunas especies de Mucor o Fusarium, habiéndose demostrado un elevado rendimiento de eliminación de sólidos totales y en suspensión, turbidez y Demanda Química de Oxígeno (DQO) [1], similares a tratamientos convencionales con bacterias. También se han estudiado otras especies de hongos como el Aspergillus niger, obteniéndose rendimientos de eliminación de DQO del 72% [2]. Otros autores han estudiado la aplicación de hongos para la desnitrificación del agua residual urbana demostrando su aplicabilidad [3].

Además de la degradación de materia orgánica y compuestos nitrogenados, se ha demostrado que la biomasa fúngica puede ser una fuente de subproductos de valor añadido como la amilasa, quitina, quitosano, glucosamina, ácido láctico y diversos compuestos antimicrobianos [4].

Por otro lado, la estructura del hongo, mediante su capa externa y su crecimiento mediante hifas y formación de micelio (conjunto de hifas), permite la retención de sólidos en suspensión para la captación de nutrientes. A su vez, el mayor número de genes en los hongos les confiere una mayor selectividad reproductiva, lo que se traduce en mejor adaptación ambiental. Otro aspecto muy interesante de los hongos es que contienen un grupo de encimas extracelulares que facilitan la biodegradación de compuestos refractarios. Esta particularidad se ha aprovechado para evaluar su utilización en el tratamiento de aguas residuales complejas o para la eliminación de contaminantes emergentes [5].

Con todo lo dicho, todas estas ventajas descritas, en ocasiones se diluyen al evaluarlas a una mayor escala en condiciones reales de operación. Es por este motivo que Empresa Municipal de Aguas y Saneamiento de Murcia, S.A (EMUASA) realiza el proyecto Biofungus de dos años de duración, donde se realiza un pilotaje de operación en continuo en una planta de lecho móvil MBBR (“Moving Bed Biofilm Reactor”) en dos fases diseñada para este propósito.

Durante el desarrollo del proyecto se contó con la participación de la Universidad de Murcia y con el Centro Tecnológico del Medio Ambiente, CETENMA.

Resultados y discusión

El proyecto Biofungus se ha centrado en el aislamiento de estirpes de hongo Mucor a partir de muestras de agua residual y su posterior validación para el tratamiento del agua residual en la planta piloto. Estas estirpes, obtenidas a partir de mutaciones espontáneas se analizaron en laboratorio escogiendo aquellas que mostrasen un mejor rendimiento de asimilación de nitratos.

La validación de las diferentes estirpes aisladas durante el proyecto se realizó en una planta piloto diseñada y construida a tal efecto. La planta piloto se muestra en la Figura 1, cuenta con un reactor aerobio MBBR (25%vol de soportes), equipado con difusores de burbuja fina, y un reactor anóxico independiente para su dosificación por separado de estirpes con diferente especialización. El uso de soportes plásticos, también conocidos como “carriers”, permite la fijación del hongo en la biopelícula formada sobre la superficie del mismo, asegurando una concentración de hongo estable en el reactor aerobio.

 

Figura 1. Fotografía de la planta piloto del proyecto Biofungus, ubicada en la Estación Depuradora de Aguas Residuales (EDAR) Murcia Este y esquema de funcionamiento de la planta piloto

El funcionamiento esquemático de la planta y sus diferentes etapas se presenta en la Figura 1. El agua influente a planta, tras su paso por el pretratamiento, entra en el reactor aerobio donde permanece en contacto con el hongo el tiempo de retención necesario para eliminar la materia orgánica y amonio presente en el agua. Posteriormente pasa a una fase de decantación donde es clarificada y recirculado el fango. El agua clarificada pasa entonces al tanque anóxico donde habita y se dosifica una segunda estirpe del hongo, esta especializada en desnitrificación. Tras esta etapa se localiza otro decantador para el clarificado final y recuperación de la biomasa fúngica.

Ha sido objeto del proyecto optimizar las condiciones del cultivo para maximizar su producción, prolongar la vida media de los cultivos y optimizar las cantidades dosificadas para asegurar los rendimientos de depuración.

Las condiciones óptimas para el cultivo del hongo, pH, temperatura de crecimiento y nutrientes, se establecieron en laboratorio. Se utilizaron aguas residuales urbanas y aguas residuales con alto contenido de DQO proveniente de industria alimentaria como sustratos para el cultivo, demostrándose en ambos casos el crecimiento del hongo Mucor. Imágenes de la estructura del hongo y del crecimiento sobre el carrier se presentan en la Figura 2.

Figura 2. a) Micelio de hongo Mucor en el medio de cultivo y b) adherido al carrier. c) Carrier de la planta piloto sembrado en medio de cultivo y d) su crecimiento tras 48 horas

La Figura 3 muestra los resultados analíticos del agua influente e influente de planta. Se puede ver un elevado rendimiento de eliminación de DQO y sólidos suspendidos (87% y 96% en promedio respectivamente), por el contrario, el valor de nitrógeno total eliminado (37% de media) es inferior a lo esperado. Aunque el rendimiento de eliminación de amonio es elevado (80%), el fango fúngico presenta una mala decantabilidad, impidiendo alcanzar una concentración estable de hongo dosificado en el interior del reactor anóxico y dificultando la eliminación en continuo del nitrato. Si bien, aunque con la configuración de diseño de la planta no se consiguió la eliminación en continuo del nitrato, se realizaron varios experimentos de control para validar el consumo del nitrato por parte del hongo.

Figura 3. Concentraciones de los principales parámetros medidos en el influente y efluente durante la operación en continuo de la planta piloto

En la Figura 4 se presenta uno de los experimentos de control donde se demuestra el consumo del nitrato por parte del hongo y su posterior consumo del amonio como fuente de nitrógeno. Se obtuvieron reducciones en la concentración de nitrato de 10-30 mgN-NO3/h y de amonio de 1,5-2 mgN-NH4/h, eliminando el 100% de nitrato y amonio, para concentraciones iniciales de 15mg/l, en cuestión de 1 y 12 horas respectivamente.

Figura 4. Experimento de control de consumo de nitrato y amonio tras dosificación del hongo Mucor

La resistencia del hongo a diferentes contaminantes emergentes ha sido un punto clave a estudiar durante el proyecto. La influencia e interacción de diferentes contaminantes emergentes sobre las estirpes del hongo Mucor utilizadas en el proyecto se analizaron tanto en laboratorio como en la planta piloto. Se seleccionaron diferentes fármacos, pesticidas, herbicidas y hormonas presentes en concentraciones representativas en el agua residual y se analizó su influencia sobre el crecimiento del hongo y sobre el proceso de la planta piloto. El listado de contaminantes utilizados de alta pureza se presenta en la Figura 5a.

Figura 5. a) Porcentaje de eliminación de contaminantes en el medio de cultivo tras 72h en contacto con el hongo. b) Rendimiento de depuración de la planta piloto tras añadir mezcla de 13 contaminantes a una concentración de 200 µg/l

Se comparó el crecimiento del hongo de una muestra de control con otras donde se añadió al medio de cultivo el contaminante. La prueba se realizó con cada contaminante de forma independiente y para concentraciones de 20 µg/l, 200 µg/l y 20 mg/l. En ningún caso el crecimiento del hongo se vio claramente afectado, midiéndose una leve disminución en la cantidad de micelio producido (entre el 2-5%) para todos los contaminantes excepto para el sulfametoxazol (10%).

Por otro lado, se evaluó la asimilación o degradación del contaminante por parte del hongo. Para ello se midió la concentración de cada contaminante tras 72 horas en contacto con el hongo. Como se observa en la Figura 5a, el promedio de eliminación de los contaminantes del medio de cultivo fue del 90% y del 71% para concentraciones de 20 µg/l y 200 µg/l respectivamente. Se desconoce si el contaminante se degrada en subproductos o es asimilado internamente por el hongo, pero se descartan procesos típicos durante el proceso de depuración como su evaporación (en compuestos volátiles), degradación por oxidación en la etapa de aireación o por otros agentes o compuestos químicos.

Finalmente, se realizó una prueba sobre la planta piloto para evaluar el comportamiento del proceso frente a un vertido de contaminantes. Se añadió al reactor aerobio una disolución de todos los contaminantes a una concentración de 200 µg/l. Los cinco días posteriores se realizó el seguimiento diario del rendimiento de eliminación de DQO y amonio del reactor aerobio. Como se puede ver en la Figura 5b, el rendimiento del proceso no se vio afectado, siendo el porcentaje de eliminación de DQO y amonio el esperado sin presencia de contaminantes. Esto confirma la estabilidad del proceso de depuración por hongos frente a compuestos inhibitorios.

Durante la operación en continuo del piloto hay que destacar también la baja producción de fango obtenida, con valores entre 0,3-0,6 kgMS/m3. Esta baja producción es una gran ventaja del proceso debido al problema que supone la gestión del fango en las EDAR convencionales.

Se caracterizó el potencial de biometanización (BMP) del fango producido y se realizaron ensayos de digestión anaerobia a escala laboratorio. Se concluyó que el fango fúngico es apto para su tratamiento como co-digestato.

Conclusiones

En el transcurso del proyecto Biofungus se ha comprobado que Mucor circinelloides tiene la capacidad de consumir materia orgánica del agua residual con rendimientos de eliminación de superiores al 90% y rendimientos de eliminación de amonio y nitrato del 100% tras dosificaciones puntuales. Se ha demostrado su crecimiento satisfactorio en aguas residuales, así como en aguas con alta DQO provenientes de empresas de productos alimenticios. La utilización de estos residuos permite su valorización, siendo beneficioso para las empresas en relación con la circularización de sus residuos.

Durante la operación del piloto se observó que el fango oleaginoso presentaba una alta flotabilidad y esto dificultaba conseguir una concentración estable del hongo en el reactor anóxico y eliminar el nitrato de forma continua. Se tendrán que valorar alternativas a la decantación tradicional para conseguir un correcto clarificado durante el proceso de depuración. Si bien, se ha demostrado que la dosificación puntual del hongo especializado en el consumo de nitrato es capaz de eliminar elevadas concentraciones de amonio y nitrato en cortos intervalos de tiempo, lo que es en sí mismo un resultado muy exitoso.

Se comprobó que el lodo resultante de depuración con hongo Mucor presentaba un mayor BMP a bajas edades del fango, aunque la producción de este baja y sus largos tiempos de retención resulten en un fango relativamente mineralizado.

Finalmente, se demostró que la capacidad de crecimiento del hongo no se ve afectada en presencia de estos contaminantes a concentraciones de hasta 20mg/l. Además, se ha demostrado la robustez del proceso frente a contaminantes emergentes, no viéndose afectada la capacidad de depuración tras un vertido de 200 µg/l de 13 contaminantes diferentes, entre ellos, fármacos, pesticidas o herbicidas.

Referencias

[1] A. Fakhru’l-Razi et al., J. Hazard. Mater. 147, p. 350–356, 2012.

[2] L. Coulibaly, Thèse de doctorat, Université Catholique de Louvain, Unité de génie.

[3] R. Guest et al., J. of Env. Eng. and Sci. 6, pp. 433-437, 2002.

[4] S. Sankaran et al., Critical Reviews in Env. Sci. And Tech. 40, nº 400-449, 2010.

[5] C. Cruz Morató et al. Science of the Total Environment 493, pp. 365-376, 2014.