Exploring METland® technology: treating wastewater by integrating electromicrobiology into Nature-based Solutions
El agua, además de ser fuente de vida, es un factor indispensable para un desarrollo social, económico y medioambiental. Actualmente, el uso global de agua se ha multiplicado por seis en los últimos 100 años, y continúa aumentando. Lo que antes era un bien de primera necesidad accesible a la mayoría...
| Autor: | |
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| Tipo de recurso: | tesis doctoral |
| Fecha de publicación: | 2021 |
| País: | España |
| Institución: | Universidad de Alcalá (UAH) |
| Repositorio: | e_Buah Biblioteca Digital Universidad de Alcalá |
| Idioma: | inglés |
| OAI Identifier: | oai:ebuah.uah.es:10017/54178 |
| Acceso en línea: | http://hdl.handle.net/10017/54178 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | Microbiología Metabolismo Bacteriano Procesos microbianos Química Chemistry |
| Sumario: | El agua, además de ser fuente de vida, es un factor indispensable para un desarrollo social, económico y medioambiental. Actualmente, el uso global de agua se ha multiplicado por seis en los últimos 100 años, y continúa aumentando. Lo que antes era un bien de primera necesidad accesible a la mayoría de la población, ahora ha llegado a cotizar en bolsa (Nasdaq Veles California Water Index) para poder comprar el derecho a usarlo en el futuro. Una de las medidas urgentes que se han adoptado a nivel mundial está recogida en la Agenda 2030 de las Naciones Unidas. En ella se establecen los Objetivos de Desarrollo Sostenible, entre los que se encuentra el “garantizar la disponibilidad de agua y su ordenación y saneamiento sostenible”. Es en este contexto donde las Soluciones basadas en la Naturaleza (NBS, por sus siglas en inglés) pueden aportar una alternativa para el tratamiento de aguas residuales. Los humedales construidos constituyen un tipo de NBS basados en la creación de unas condiciones óptimas para el desarrollo de bacterias capaces de eliminar los contaminantes del agua. Además, cuentan con una vegetación específica que aporta soporte físico y biogeoquímico de la comunidad microbiana, lo que permite que sea un ecosistema muy resiliente. La electroquímica microbiana es una disciplina emergente que estudia la interacción entre microorganismos y materiales conductores de la electricidad. Su vertiente más aplicada está representada por las Tecnologías Electroquímicas Microbianas (METs, por sus siglas en inglés). Estos sistemas aprovechan el mecanismo de transferencia extracelular (EET) que presentan las bacterias electroactivas para convertir la energía química, almacenada en los contaminantes del agua, en corriente eléctrica. Una de las METs con mayor impacto ambiental son los METland®. El término nace de la incorporación de las METs a los humedales (wetlands) construidos con el objetivo de intensificar esta tecnología; es decir, aumentar la eficiencia de tratamiento de contaminantes del agua residual por unidad de superficie. El lecho de los METland® es de material carbonoso conductor de la electricidad, lo que permite que las bacterias electroactivas, como Geobacter, lo utilicen como aceptor terminal de electrones (TEA) extracelular. Esta fuente inagotable de TEA estimula el metabolismo oxidativo de las bacterias, incrementando la oxidación de contaminantes Esta tesis ha explorado la denominada tecnología METland®, operándola siempre en condiciones de anegación, donde los procesos anaerobios cobran más importancia. Los METland® han mejorado la eficiencia en el tratamiento de las aguas residuales con respecto a los humedales construidos, pero aún es necesario determinar cómo actúan e interaccionan entre sí, cada uno de sus principales componentes: vegetación, microorganismos y material del lecho (Capítulo 2). El impacto de la vegetación en la eficiencia del tratamiento de un METland® es menor que en un humedal construido ya que, el propio material conductor actúa como TEA sustituyendo, de una forma más efectiva, al oxígeno que producen las raíces de las plantas. En este nuevo nicho ecológico, las bacterias electroactivas encontrarán una ventaja competitiva, desarrollándose en mayor medida y dando lugar a “sinergias eléctroquímicas”. Los estudios electroquímicos (Capitulo 3) de la interfase bacteria-material, permiten explicar tanto la transferencia extracelular de electrones como el mecanismo de transferencia a través del lecho conductor. Los materiales con baja resistencia eléctrica, como el coque grafitado, favorecen una transferencia continua de electrones (mecanismo tipo geoconductor). En cambio, en otros como el biochar, abundan los compuestos oxigenados que, en forma quinonas, dan lugar una transferencia discontinua (mecanismo tipo geobatería). El flujo de electrones en un METland® anegado, además de estar determinado por el material del lecho, también va a depender de la concentración y localización del TEA. Este flujo de electrones puede ser controlado gracias a un nuevo dispositivo denominado e-sink (o sumidero de electrones), inventado y patentado por el grupo de investigación de Bioe (Capítulo 4). Gracias al efecto del e-sink, las reacciones de oxidación de la materia orgánica no se verán limitadas, lo que se traduce en un aumento de la eficiencia del tratamiento. El escalado de esta tecnología es ya una realidad, existen METlands localizados en diferentes regiones climáticas de todo el mundo. Estos sistemas pueden tratar cientos de metros cúbicos de agua al día de diversa naturaleza, tanto urbanas como industriales. En este contexto, hemos explorado su uso en el tratamiento de aguas residuales de ganadería. Los experimentos a escala laboratorio sugieren un futuro prometedor en su aplicación para el tratamiento de purines (Capítulo 5). Asimismo, el proceso de escalado del sistema METland se ha completado en un entorno real (TRL8) como el Instituto de Nutrición Animal de la Estación Experimental del Zaidín en Granada (CSIC). Como conclusión, la tecnología METland® es una realidad en el mercado del tratamiento de las aguas residuales de pequeñas aglomeraciones urbanas, dada su alta eficiencia y versatilidad. Los METlands son una solución respetuosa con el medio ambiente que minimiza los costes de operación y mantenimiento, que permite un tratamiento efectivo de las aguas residuales en localizaciones descentralizadas. No obstante, se debe seguir investigando en este campo para entender mejor la interacción bacteria–lecho conductor, así como seguir innovando en aquellos aspectos de diseño (configuración, materiales) que permitan optimizar su eficiencia. |
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