Eliminar y recuperar el nitrógeno en aguas residuales

La presencia de altas concentraciones de nitrógeno en el medio ambiente puede crear graves problemas, como la eutrofización de los ríos o el deterioro de la calidad del agua. Para poder reducir las altas concentraciones, eliminando o recuperando el nitrógeno contenido en las aguas residuales, se emplean grandes cantidades de energía. Esto ha impulsado la investigación de nuevas tecnologías capaces de valorizar la energía química y los nutrientes contenidos en estas aguas. Dentro de las principales tecnologías innovadoras se encuentran los sistemas bioelectroquímicos, que son capaces de recuperar parte de la energía empleada para el tratamiento, en forma de electricidad o de hidrógeno, al mismo tiempo que recuperan el nitrógeno.

El primer paso consistió en la determinación de las condiciones de operación que optimizan la recuperación de nitrógeno. Para ello, se estudió el efecto del potencial aplicado, del tipo de catolito y del tamaño del reactor en un electrolizador biocatalítico (MEC) alimentado inicialmente con digerido y posteriormente con purín de cerdo.  En este primer ensayo se observó que al doblar el tamaño del reactor (de 0,5 a 1 L) se reduce la eficiencia de recuperación de nitrógeno amoniacal (de 47 a 42%). Además, los resultados también mostraron la preferencia de usar una solución tamponada de fosfato como catolito frente a cloruro sódico. Finalmente, se concluyó que el efecto del potencial aplicado era despreciable en la recuperación de amonio para esas densidades de corriente.

Aplicando las conclusiones obtenidas en este primer paso, aumentamos el tamaño del reactor MEC hasta 16 litros. En este segundo paso se estudió el efecto del escalado en la biopelícula anódica y el efecto del tiempo de operación en la membrana de intercambio catiónico. Para ello se emplearon técnicas físicas, químicas y de microscopía, mostrando una estratificación vertical de las comunidades microbianas del ánodo y una fuerte adhesión de microorganismos en la membrana alterando sus propiedades superficiales.

El siguiente paso fue seguir aumentando el tamaño del reactor bioelectroquímico a 150 litros y realizar una caracterización preliminar del funcionamiento del sistema para la eliminación simultánea de materia orgánica y nitrógeno. En una primera fase se trabajó en modo de celda de combustible microbiano (MFC), obteniéndose bajas tasas de eliminación. Sin embargo, el cambio de modo MFC a modo MEC permitió alcanzar tasas de eliminación del 100% al tratar agua residual. Posteriormente, se alimentó con sobrenadante de digestión anaerobia disminuyendo de nuevo esas tasas debido a su alto contenido en nitrógeno y su materia orgánica difícilmente biodegradable. Respecto al consumo energético, este estaba dentro de los valores atribuidos a los sistemas aeróbicos convencionales.

Finalmente, la influencia de la membrana en la recuperación de nitrógeno se ha puesto de manifiesto en los capítulos anteriores por la importancia que tiene tanto en el funcionamiento como en el coste del sistema. Por lo tanto, en el último capítulo experimental, se estudió la evolución de las propiedades mecánicas, químicas y electroquímicas de cinco tipos de membranas de intercambio catiónico a lo largo de cuatro meses de operación dentro de un sistema bioelectroquímico. Las mayores diferencias se encontraron en la variación de los parámetros superficiales, de la estabilidad térmica y de los fenómenos capacitivos debidos a la transferencia de carga.