Saneamiento con Energía

Popular y eficiente. Dos adjetivos que en el siguiente caso particular no aluden a una persona sino a una tecnología para tratar las aguas residuales: lodos activados.

Lo anterior, dado que es el sistema más utilizado en el mundo con ese fin y porque cumple cabalmente con la necesidad de tratamiento. Sin embargo, a juicio de los investigadores Thais González, Juan Pablo Miranda y Gladys Vidal –del Grupo de Ingeniería y Biotecnología Ambiental de la Universidad de Concepción (GIBA-UDEC)– "su proceso demanda una gran cantidad de energía y materiales, por lo que no se presenta como una solución sustentable a futuro sino como un potencial problema frente a nuevos escenarios, como el aumento de la población y urbanización, el cambio climático y la intensificación de la agricultura y la actividad industrial".

En ese contexto, como parte el libro "Soluciones Basadas en la Naturaleza para la Descontaminación de Descargas Puntuales y Difusas" (2021), destacan una nueva tecnología desarrollada exponencialmente en las últimas décadas: las celdas de combustibles microbianas (CCMs). Esta alternativa "tiene la capacidad de poder tratar las aguas servidas y al mismo tiempo recuperar energía eléctrica a partir de microrganismos electroactivos (bioelectricidad)", señalan.

En el documento de investigación "Celdas de Combustible Microbiano para el Ciclo Urbano Sustentable del Agua" (2020), editado por el Centro de Desarrollo Urbano Sustentable, Cedeus, se detalla que las CCMs transforman la energía química de los desechos orgánicos e inorgánicos de las aguas residuales municipales e industriales, y de los sustratos orgánicos de sedimentos, cubiertas vegetales o zonas bentónicas, en energía eléctrica. "Esta tecnología puede aplicarse para la producción de energía, el desarrollo de biosensores, y la biorremedación de aguas contaminadas", especifican sus dos autores, Ignacio Vargas y Javier Rivera.

Microorganismos

En este proceso se utilizan microorganismos como catalizadores para convertir la energía química de los residuos en electricidad. "La energía química se encuentra en los enlaces de un compuesto orgánico o inorgánico, el cual es oxidado cediendo electrones a un electrodo llamado ánodo, que transmitirá los electrones externamente a un segundo electrodo (cátodo). Es un acto que genera corriente eléctrica de forma análoga al funcionamiento de las pilas con un flujo de electrones y diferentes potenciales", plantean los expertos de Cedeus.

En GIBA-UDEC sostienen que los microorganismos de las CCMs poseen la capacidad de oxidar la materia orgánica a dióxido de carbono, protones y electrones actuando como biocatalizadores de dichas reacciones redox. "Se les conoce como exoelectrogénicos, bacterias que respiran ánodos o microorganismos electroquímicamente activos, existiendo en gran abundancia y diversidad en ambientes naturales como sedimentos marinos, suelos terrestres y arrozales. Los potenciales redox en estos ambientes son bajos y hay una concentración limitada de nutrientes, lo que facilita la aparición de vías metabólicas reductoras de metales. Además, pueden ser encontrados en aguas servidas de la industria cervecera, porcina y láctea", afirman.

Realidad Nacional

Los investigadores de Cedeus precisan que en el ciclo urbano del agua en las cuencas andinas de Chile se han detectado tres zonas claves en donde la tecnología de celdas de combustibles microbianas podría ser un aporte significativo en el uso sustentable del agua y la energía:

• Zona alta de la cuenca, "aguas arriba" de la ciudad, donde la actividad de la industria minera afecta y compromete la calidad de los recursos hídricos con que se abastece la urbe. En concreto, en el sector minero se puede usar esta solución para mitigar el impacto del drenaje ácido de minas.

• Dentro de la ciudad, donde el correcto y eficiente uso del recurso es clave para el desarrollo urbano sustentable.

• Zona "aguas abajo" de la ciudad donde se descargan las aguas residuales producidas por sus habitantes.

De acuerdo a la realidad nacional, las CCMs podrían actuar como "complemento en el tratamiento de aguas servidas y la producción de energía eléctrica. Su integración permitiría reducir los costos de tratar esta agua y los gastos energéticos asociados", aseguran Vargas y Rivera.

Perspectiva Futura

¿Qué futuro tienen las CCMs? Para los especialistas de GIBA-UDEC son una "tecnología emergente y potencial que satisface la demanda de energía con un esfuerzo integrado para promover y resolver la generación de energía independiente. Adicionalmente, es la única que puede generar energía de residuos sin la entrada de energía externa y/o adicional, lo que hace que esta solución sea adecuada para áreas remotas".

También valoran la cantidad de tecnologías de segunda generación ya desarrolladas a partir de las CCMs: celdas de electrolisis microbiana, celdas de desalinización microbiana y celdas de electrosíntesis microbiana.

Agregan: "Se puede esperar que, en los próximos años, la cantidad y variedad de estas tecnologías aumente, lo que justificará una mayor investigación sobre el desarrollo de CCMs. Sin embargo, la necesidad más inmediata es que éstas produzcan una mayor potencia de salida a menores costos en comparación con su estado actual. Sus aplicaciones en el mundo real ahora están limitadas debido a la baja densidad de potencia, pero se está llevando a cabo una intensa investigación para optimizar los parámetros operativos y superar los desafíos que hagan posible su implementación práctica en un futuro próximo".

Sobre la posibilidad de utilizar esta opción en el tratamiento de aguas servidas, consideran que puede proporcionar energía limpia y segura para las personas, además del tratamiento efectivo de las aguas residuales con bajos niveles de ruido y emisiones de gases de efecto invernadero.

Exponen al respecto que "la aplicación de CCMs para el tratamiento de aguas servidas tiene varios atractivos, como una eficiencia potencialmente alta para la conversión de la materia orgánica en electricidad, incluso trabajando a temperaturas mesofílicas más bajas. Una amplia diversidad de compuestos orgánicos presentes en las aguas servidas se podría utilizar como sustratos para producir electricidad y compensar el costo del tratamiento".

En el mismo sentido, el informe de Cedeus asegura que las CCMs son una "alternativa sustentable que podría tener un impacto positivo en el manejo del recurso hídrico en la ciudad. A su vez, permitiría valorizar parte de la inmensa cantidad de residuos que ésta genera a diario".

También concluye que su desarrollo y el descubrimiento y caracterización de nuevos microorganismos electroquímicamente activos "son un aporte para la búsqueda de soluciones de tratamiento de aguas residuales mineras"; que el desarrollo de biosensores basados en CCMS "permite ayudar a mejorar la sustentabilidad urbana en relación al uso del agua en áreas verdes"; y que esta tecnología acoplada a humedales construidos hace posible "recuperar energía eléctrica y, al mismo tiempo, proporcionar un tratamiento efectivo de aguas grises".

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DATO:

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Bacterias, hasta la fecha, son los microrganismos electroquímicamente activos que se han logrado aislar e identificar, según investigadores de GIBA-UDEC.

Artículo publicado en InduAmbiente 173 (noviembre-diciembre 2021), páginas 14 a 15.