Lodos activados:  a 100 años, el retorno al origen

Julieta Espinosa

Dr. Germán Buitrón Méndez. Fotografía: Jorge Alcántara

El 3 de abril será conmemorado el primer centenario de la presentación en público de un proceso que revolucionó el tratamiento de aguas residuales en el mundo: el proceso de lodos activados. Un hecho histórico que tuvo como recinto el Grand Hotel de Manchester, Reino Unido, donde los miembros de la Society of Chemical Industry efectuaban su reunión en 1914 y, donde el Dr. Edward Ardern y el Sr. William Lockett dieron lectura al texto titulado Experiments on the oxidation of sewage without the aid of filters (Experimentos en la oxidación de aguas residuales sin el auxilio de filtros).
Aceptado internacionalmente, el proceso de lodos activados ha sentado la base para el desarrollo tecnológico en el tratamiento de aguas residuales; de ahí que, dada su importancia, Serendipia presenta una charla con el Dr. Germán Buitrón Méndez, coordinador de la Unidad Académica Juriquilla del Instituto de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México y experto reconocido en tratamiento de aguas residuales; desarrollo de procesos para el tratamiento de efluentes; cinética, bioquímica y microbiología de la degradación de compuestos tóxicos; y producción de hidrógeno, biogás y electricidad a partir de residuos.
Miembro del Sistema Nacional de Investigadores en su nivel III y de la Academia Mexicana de Ciencias, el Dr. Buitrón Méndez hace un recorrido histórico por las tecnologías que han hecho posible el tratamiento de las aguas residuales, desde finales del siglo XIX hasta la actualidad.

 

La contribución de Ardern y Lockett

La mayoría de los procesos de tratamiento de aguas residuales que se utilizan en el mundo están basados en el concepto desarrollado por Ardern y Lockett en 1914; aunque, antes de ello, ya existían procesos de tratamiento en Inglaterra, donde de hecho, surgieron.
A finales del siglo XIX, los ingleses se dieron cuenta de que cuando arrojaban aguas negras al Río Támesis y después, aguas abajo, las sacaban para beber, la gente se enfermaba. Una epidemia de cólera fue la que desató la investigación en la materia y, así, surgieron los procesos de biopelículas, filtros. Filtraban sobre rocas el agua residual, se formaba una biopelícula y ésta degradaba la materia orgánica. Estos fueron los primeros procesos en utilizarse para tratar de sanear las aguas residuales.
Las biopelículas, no obstante, eran algo lentas, se tapaban los filtros con facilidad. Fue entonces que Ardern y Lockett descubrieron que se podía incrementar el proceso y presentaron los lodos activados, aunque, cabe destacar que antes de su exposición, hubo mucha investigación detrás.
Fue un descubrimiento que revolucionó al mundo. Ardern y Lockett andaban en un burro con un barril de madera demostrando el proceso que, además, era muy sencillo. Si se toma agua residual y se airea, después de tres días, las bacterias empiezan a aglomerarse y degradan la materia orgánica formando los lodos activados. Así nació el proceso de lodos activados, como un aporte tecnológico a lo que ya existía.

 

El porqué de los lodos activados

Ardern y Lockett lo llamaron proceso de lodos activados -en inglés activated sludge-, que ni son lodos ni están activados. Los nombraron así por practicidad y porque los «lodos activados», cuando funciona bien, huelen a tierra mojada y se ven como lodo; y porque supusieron que eran una especie de carbón activado, un material activado que adsorbía y quitaba la contaminación.
No son ni lodos ni están activados, son bacterias que se juntan para formar flóculos en suspensión; y éstos (formados por un complejo microbiano bastante diverso: protozoarios, hongos, rotíferos…) llevan a cabo la degradación de la materia orgánica. La degradan en un medio aerobio, en el que el oxígeno oxida la materia orgánica y la transforma en CO2 más biomasa.
La ventaja del proceso radica en que, al estar los flóculos en suspensión, hay una mejor transferencia de contaminantes y de oxígeno en comparación con el filtro, que estaba fijo, en aquel entonces. Los lodos activados hicieron el proceso más rápido o más pequeño, según se vea.

Del proceso en lotes al proceso continuo

El proceso de lodos activados consiste de dos etapas, dos etapas indisociables, también interesantes por la evolución que han tenido. Primero, las bacterias degradan la materia orgánica y la transforman a CO2 más biomasa, para después ser separadas del agua clarificada.
Mediante aireación, las bacterias floculan, forman racimos, cuya velocidad de sedimentación es mayor que cuando están sueltas y se pueden separar del agua. Es como el agua de tamarindo; si la dejamos un momento, el tamarindo empieza a flocular y se va al fondo del vaso, al tiempo que el agua queda clarificada. Así funciona este proceso.
Las bacterias floculan por medio de ciertas sustancias llamadas exopolímeros, que cuando se deja de airear el agua residual, «en teoría», se pueden separar. Ese es el principio. Los primeros procesos de lodos activados fueron en lotes, en los que se cargaba el agua residual, se aireaba y se dejaba reaccionar, se paraba la aireación, se dejaban decantar los flóculos y se vaciaba el tanque.
Con el tiempo, el proceso original de lodos activados tuvo problemas, ya que operar en lote implicaba tener a un operador controlando el proceso, además de que los difusores de aire eran de cerámica y se tapaban con facilidad. Entonces, nació el proceso continuo, que es el proceso de lodos activados que conocemos: un tanque, en el que las bacterias degradan la materia orgánica y otro, en el que son separadas; el agua sale clarificada y parte de los lodos sedimentados es regresada al inicio.
De este proceso existen numerosas variantes y es el proceso más utilizado; su expansión internacional se dio después de la Segunda Guerra Mundial por los norteamericanos. Esta tecnología de los años 50, desafortunadamente, es la tecnología que seguimos utilizando en México. Desafortunadamente, porque ha habido avances considerables en los países desarrollados.

 

Y después de los lodos activados…

El primer hito ocurrió al pasar de los filtros a la invención de Ardern y Lockett, que con variantes tecnológicas se desarrolló y llegó a su madurez en los años 50. A partir de entonces, en muchos lugares no hubo cambios, pero hace 15 a 20 años se desarrolló una variante que revolucionó la tecnología: los procesos con membranas.
Como mencioné, en teoría, los flóculos sedimentan muy bien pero, en la práctica, enfrentan muchos problemas. Si las bacterias se juntan una tras otra, en lugar de formar un racimo, generan una especie de cabellos que no sedimentan y producen lo que se conoce como esponjamiento de los lodos. En vez de que en el sedimentador se vayan al fondo, los flóculos se van perdiendo y resulta que mientras más rápido se pierden, el crecimiento este tipo de bacterias es favorecido.
Ante este problema de operación, se ideó filtrar el agua y surgieron los procesos con membranas. En un inicio eran muy caros, entonces, se descubrió cómo hacer que consumieran menos energía, pero siguieron siendo onerosos por los materiales necesarios para las membranas, dominados por ciertas compañías. Fue hasta que intervino la industria china, que produjo membranas a un costo menor y con ello, que el panorama cambió totalmente, sobre todo, en los países avanzados.
Actualmente en Estados Unidos, Europa, Nueva Zelanda y Australia, por su normatividad, nadie construye ya una planta de tratamiento con un sedimentador. Es tecnología de los años 50, con sus modificaciones, pero ya nadie la construye, todos efectúan el proceso de separación con membranas. Por qué, porque con ellas, el operador cuenta con la confianza de dar un producto de calidad estándar; mientras que en el proceso por lodos activados, depende de que las bacterias quieran o no sedimentar.
La adopción de la tecnología tiene que ver con las empresas; para emplear membranas hay que tener cierta tecnología y en México, la mayor parte de las empresas no tiene vinculación con la universidad. Sí se puede hacer pero cuesta. No cuesta caro el proceso, cuesta caro el knowhow y éste no lo tienen muchas compañías mexicanas, así que lo tienen que importar. No obstante, sí hay plantas con membranas en México, por ejemplo, en las cadenas de hoteles con filiales en otros países, que optan por la estabilidad en el proceso y deciden invertir en la tecnología.
Este es el otro gran hito, la introducción de membranas, del cual se desprendieron otro tipo de procesos. El desarrollo de lodos activados pasó de lo que hicieron Ardern y Lockett a la tecnología de los años 50, y de ahí fue hasta mediados de los años 90, que el uso de membranas tuvo un crecimiento exponencial.

El regreso al inicio y la aparición de los gránulos

Las membranas también tuvieron sus problemas, había que lavarlas, ver la manera en la que no se ensuciaran tanto, en fin… Entonces, se contempló la viabilidad de regresar a los orígenes: los procesos en lote, que se habían comenzado a estudiar en los años 70.
La existencia de computadoras, sistemas de control PLC (Controlador Lógico Programable) y sistemas automatizados evitaba todos los problemas que, manualmente, enfrentaba un operador en las plantas. Todas las plantas de tratamiento, en la actualidad, operan automáticamente. Entonces, por qué no regresar a los procesos en lote.
A partir del proceso original de Ardern y Lockett, se vio que los procesos en lote eran un área de desarrollo. Así, fue que se descubrió -aproximadamente hace 10 años- que, bajo ciertas condiciones de estrés, se podía hacer que las bacterias formaran gránulos aerobios muy grandes y que éstos, mientras más grandes, sedimentaban mejor.
Esta es una alternativa que presentó muchas ventajas; una de ellas es que no necesita membranas que se tapan y tiene un mejor control que los lodos activados utilizados por Ardern y Lockett.
Los gránulos no son lodos activados porque las bacterias no están como flóculos, son pequeñas esferas que contienen la misma comunidad microbiana pero agrupada de diferente manera. Los gránulos se forman por estrés, cuando las bacterias para evitarlo (pérdida de bacterias), se agrupan y se pegan.
Las bacterias constituyen el núcleo de los gránulos; los protozoarios están pegados a ellas, comiéndose a las bacterias que quedaron sueltas; los rotíferos, mientras, se comen a los protozoarios; y los nematodos… Son una comunidad microbiana compleja, cuyos miembros viven muy bien entre sí y ayudan a limpiar el agua.
Regresamos al origen, hoy en día, los procesos en lote -los que ellos andaban promoviendo en su burro Ardern y Lockett- son los mejores para comunidades de tamaño pequeño, mientras que para comunidades muy grandes, los procesos con membrana. Siguen siendo los mismos lodos activados, lo que ha cambiado es la separación del agua.

 

Los procesos anaerobios

Los procesos mencionados hasta ahora utilizan oxígeno, son procesos aerobios, desde el desarrollo de Ardern y Lockett hasta las membranas y los gránulos aerobios. Un detalle que se consideró un problema a partir de los años 80, cuando se empezó a observar que la Naturaleza no consumía tanto oxígeno en sus procesos; y es que lo que se hace en las plantas de tratamiento -y en la Ingeniería, en general- es emular lo que está haciendo la Naturaleza para volverlo más rápido, más eficaz. Sí, los ríos se mueven y airean el agua, pero también abajo -en el sedimento- hay bacterias.
El conocimiento se remonta a Volta, quien estudió el metano que se formaba en los sedimentos, no obstante, la tecnología se empezó a desarrollar en los 80; un proceso anaerobio de amplio desarrollo en Holanda, aunque ya se conocía en Estados Unidos. Se trataba de un proceso con biomasa floculenta pero muy lento, cuyo auge alcanzó en Holanda, cuando un investigador, Letinga, formó gránulos.
Una vez más, la historia se repite, imitamos lo ya alcanzado. En lugar de que las bacterias estuvieran floculentas, Letinga propuso utilizar gránulos en un proceso anaerobio con lo que ya no fueron vistos como lentos e inestables, sino adecuados para tratar aguas residuales, sobre todo, aguas residuales industriales, con la gran ventaja de que el proceso no generaría gastos por la introducción de oxígeno.
Una idea sobre qué tanto representa el oxígeno en una planta aerobia: en el aire hay 21% de oxígeno, lo demás es nitrógeno y otros gases; con la transferencia del oxígeno hacia el agua con los sistemas que se tienen no es muy bueno, los primeros sistemas de aireadores de superficie que salieron al mercado en los años 50, tenían 8% de eficiencia. Entonces, de ese 21% sólo se ocupaba el 8%, es decir, 84% de un peso se gastaba en introducirlo a la planta. Un gasto gigantesco en airear las plantas.
Cuando los holandeses desarrollaron el proceso UASB (Reactor Anaerobio de Flujo Ascendente del Lecho de Lodos) se desató una nueva revolución. Ahora, era posible tratar aguas residuales mediante una columna a la que le era introducida el agua por debajo y en cuyo interior se mantenían flotando los gránulos.

 

El valor agregado

El desarrollo holandés fue un nuevo hito, lo comercializaron por todo el mundo para tratar aguas residuales y, funcionó muy bien porque disminuyó el consumo de energía y abrió un nuevo nicho de oportunidad, al resultar de la degradación de la materia orgánica, metano. Ya en los 80, se pensaba que el metano debía ser utilizado pero, en la mayoría de las plantas, se quemaba; en México, también y, en la actualidad, hay muchas que lo queman.
El gran salto se dio cuando se dijo: «no hay que quemar el metano, hay que utilizarlo para generar energía eléctrica». Y en ese momento empezó a verse al agua residual, ya no más como un desperdicio. Cuando el proceso fue mejorando y la recuperación del metano se vio como un componente económico de la producción -pues el combustible en una planta se generaría usando agua residual-, el concepto cambió totalmente.
A manera de ejemplo, en los años 90, nos pedían estudios para saber si el agua era factible de ser degradada y bajo qué condiciones por métodos anaerobios, ahora, nos piden saber qué se tiene que hacer para producir más metano, qué mezclar, qué no mezclar… Ya no era «queremos tratar el agua», sino «queremos generar metano».
Pero, en dónde está el benchmark del asunto. En Europa, muchas de las plantas ya producen 100% de la energía eléctrica que utiliza la misma a través del metano, a través de la digestión de los lodos, no del agua; es decir, no están consumiendo energía eléctrica. Esto ya es un hecho, técnicamente aceptado por muchas plantas, no es un experimento de laboratorio, no, la mayoría de las plantas recupera 100% de la energía eléctrica. Tienen lodos activados que generan gránulos, los gránulos son metanizados y generan electricidad. Este es un hecho técnicamente probado, no es novedad.
Lo que sí es novedad, y que algunas compañías experimentan, es que están elevando la recuperación de metano. Hasta ahora, en planta real, muchas compañías europeas recuperan 120% de la energía eléctrica, entonces, no sólo se están ahorrando en tratar el agua, sino están ganado dinero extra al convertirse en plantas de generación de electricidad.

 

El concepto de biorrefinería

Pero, ¿por qué sólo obtener más metano?, si del tratamiento de aguas residuales se puede obtener una gran cantidad de productos, por ejemplo, el hidrógeno que tiene un poder calorífico 2.4 veces mayor que el del metano. La eficiencia de las máquinas que transforman el metano en electricidad es baja, mientras que la transformación del hidrógeno en electricidad -mediante celdas de combustible- tiene una eficiencia 30% mayor que la obtenida al quemar el metano.
Al producir hidrógeno, resultan del proceso otros residuos conocidos como ácidos grasos. ¿Qué hacemos con ellos?, ¿los tiramos?, no. Originalmente, representarían contaminación pero los podemos transformar en más metano y producir, entonces, hidrógeno y metano, o bien, los podemos usar, por ejemplo, para producir plásticos biodegradables que, actualmente, se fabrican con azúcares costosos.
Metano, hidrógeno, ácidos grasos… y hay más; existen compuestos químicos muy especializados, muy costosos, que pueden ser obtenidos también de los subproductos del tratamiento de aguas residuales. Éste es el concepto de biorrefinería. Un concepto más amplio, que puede definirse como la obtención, a partir de desechos, de productos de valor agregado y la eliminación del efecto contaminante de éstos.
La concepción de biorrefinería ligada al tratamiento de aguas residuales está en la frontera del conocimiento. Existen unas cuantas plantas demostrativas -grandes, medianas, pequeñas- y mucho trabajo de laboratorio, sin embargo, hay muchos retos que afrontar todavía.

 

El reto para México y el mundo

México está viviendo dos momentos: todavía no completa el momento en el que hay que sanear el agua -la tecnología está al nivel de los años 50, la mayoría de las plantas son por lodos activados, en la mayoría no hay generación de electricidad a través del tratamiento de lodos-, sin embargo, ya está llegando al mundo otro concepto. Entonces, el país va a estar entre dos tierras y, tal vez, todo el desarrollo entre ambas se lo vaya a tener que saltar.
Esto es lo que hay que evaluar ahora. Una planta se programa para una vida útil de 20 años, entonces, ya no habría que pensar en el proceso de lodos activados de los años 50, pues en 20 años la tecnología de biorrefinerías habrá madurado.
Otros productos de valor agregado que se están buscando son el nitrógeno y el fósforo, presentes en las aguas residuales. El nitrógeno está presente porque en la orina está contenido, mientras que el fósforo se encuentra en todos los detergentes; ambos con aplicaciones agrícolas.
El desafío va más allá. Las biorrefinerías también pueden producir agua potable y es un hecho probado hoy en día. Singapur es una isla que subsiste del negocio financiero pero que carece de agua, lo que lo ha hecho depender de Malasia. Dicha situación llevó al país a idear la forma de utilizar el agua residual para producir agua potable y recuperar su independencia. Así, desde 1996 produce su propia agua embotellada (New Water), de mayor calidad que el agua potable al ser controlada y monitoreada una vasta diversidad de parámetros.

 

El reúso en México

México hace un esfuerzo modesto en el reúso del agua. Numerosos centros comerciales en la Ciudad de México y el Estado de México reúsan el agua residual tratada regresándola a los sanitarios. La UNAM es otro ejemplo, en el edificio 12 del Instituto de Ingeniería se reúsa el agua residual tratada de la misma forma. Hay que hacer cambio, en toda construcción nueva se debe de hacer.
El reúso del agua es muy importante en nuestro país. En la mayor parte del mundo no desarrollado, 70% del agua limpia se utiliza para riego agrícola; mientras que en México, gran parte corresponde a agua residual. Los campesinos gustan de regar con agua residual porque saben que tiene nutrientes y que hace crecer muy bien todo cultivo. El problema es que en el agua residual están presentes los patógenos que dañan la salud de las personas al consumir los productos cosechados. Los agricultores saben que el agua residual no es un desperdicio y tienen razón, es un recurso; aunque, cierto es que hay que quitar todo lo patógeno que contiene y para eso, hay que darle tratamiento.
El reúso no es un concepto nuevo en México, está muy impregnado en la sociedad, de ahí que sostenga que tengamos que dar el brinco tecnológico a las biorrefinerías. Tiene que haber un cambio tecnológico muy fuerte, porque ya nos alcanzó la segunda ola.

 

La labor de la Unidad Académica Juriquilla del Instituto de Ingeniería

Estamos investigado procesos nuevos. Desde hace 20 años, hemos estado estudiando los procesos en lotes, regresando al origen, porque hemos visto que éstos son muy robustos, sobre todo para el tratamiento de aguas residuales industriales, agua de la industria química, de la industria farmacéutica, aguas que contienen compuestos orgánicos difíciles de degradar. Somos pioneros a nivel internacional en este tipo de procesos y en cómo adaptar a los microorganismos con estrategias que involucran el control automático del proceso.
Sin equivocarme, me atrevo a afirmar que somos líderes en Latinoamérica y un laboratorio referente en el mundo por el trabajo que hemos desarrollado en ese tipo de procesos para degradar compuestos difíciles inhibitorios, en medio de reactores discontinuos secuenciales automatizados. Con esta tecnología, hemos apoyado a muchas empresas.
En cuanto a los procesos con membranas, hemos desarrollado métodos para evitar y disminuir el ensuciamiento de éstas, que constituye el principal problema. Lo anterior, a partir del empleo del control de procesos y de la Microbiología, para estudiar cómo es que se va formando la capa taponante de la membrana y qué evita su formación.
Estudiamos diferentes tipos de procesos aplicados a diferentes tipos de agua, de tal forma, que hemos tratado aguas con disruptores endócrinos, para las que las membranas ofrecen una ventaja: mantener bacterias de muy lento crecimiento, que operan como una barrera y que son capaces de degradar estos compuestos.
La otra vertiente, derivada del proceso de Ardern y Lockett, son los lodos aerobios granulares que, en paralelo a las membranas, son muy efectivos. Si en el desarrollo histórico dijéramos que aparecieron primero las membranas y luego los granulares, México podría saltarse las membranas e introducir granulares por sus múltiples ventajas.
Por el lado de los procesos anaerobios, estamos estudiando la producción de hidrógeno y de plásticos biodegradables, mediante el desarrollo de sistemas bioelectroquímicos para generar electricidad y producir más hidrógeno, así como de sistemas fotoquímicos para producir hidrógeno.
La producción de biocombustibles a partir de microalgas es otro de nuestros proyectos vigentes. Las microalgas gozaron de gran popularidad hace cinco años para producir biodiesel, no obstante, fue una opción poco viable para países, como México, que cuentan petróleo. Un litro de biodiesel actualmente, en proceso industrial, cuesta 27 veces lo que un litro de diésel obtenido del petróleo. Es una alternativa factible si no se cuenta con hidrocarburos, por ejemplo, Chile que carece de combustible y debe valorar su independencia energética.
Entonces, en lugar de producir biodiesel, nos interesamos en la producción de biocombustibles gaseosos: metano e hidrógeno, bajo un concepto que tampoco es nuevo: el uso de microalgas para el tratamiento de aguas residuales. En los años 80 se hizo mucha investigación al respecto y se dejó de hacer porque es un proceso más lento que el proceso por lodos activados, necesita tanques muy grandes. Ahora, la idea es estudiarlo mucho más a fondo.
Es un proceso muy complejo, en principio anaerobio -no introducimos oxígeno-, pero no del todo, ya que las microalgas lo producen; hay producción de oxígeno y zonas anóxicas (no aireadas como en el proceso aerobio). Cuando se abandonó su estudió en los 80, se debió a que era muy complejo de entender, pero ahora tenemos nuevas herramientas que lo hacen interesante.
Al tratar el agua residual de dicha forma, en un inicio, la idea fue la de aprovechar los lípidos que contienen las microalgas para producir biodiesel. El problema fue que las microalgas deben ser concentradas, desecadas y rotas en su pared celular para extraer los lípidos. Además de que sólo un rango específico de lípidos es útil para la producción de biodiesel.
Y por qué, si las microalgas cuentan con muchos lípidos, no generamos metano, para cuya obtención es indiferente el tipo de lípidos que se obtengan. La hipótesis es que vamos a generar más metano que el obtenido con las bacterias. No nos interesa tener polvo seco, además, al meter agua residual se obtendrá un consorcio de algas con bacterias, que flocularán y, por lo tanto, sedimentarán mejor. Esto es muy nuevo.
Son procesos que son más rápidos que los procesos anaerobios, porque está presente una pequeña cantidad oxígeno, pero son sustentables. Al final, es la misma historia: metes agua residual y vas a sacar, en principio, mayor cantidad de metano que lo que generarías con bacterias. Ahí está la ganancia pero, aún, hay muchos retos científicos.

Fotografía: Jorge Alcántara

El valor agregado

El desarrollo holandés fue un nuevo hito, lo comercializaron por todo el mundo para tratar aguas residuales y, funcionó muy bien porque disminuyó el consumo de energía y abrió un nuevo nicho de oportunidad, al resultar de la degradación de la materia orgánica, metano. Ya en los 80, se pensaba que el metano debía ser utilizado pero, en la mayoría de las plantas, se quemaba; en México, también y, en la actualidad, hay muchas que lo queman.
El gran salto se dio cuando se dijo: «no hay que quemar el metano, hay que utilizarlo para generar energía eléctrica». Y en ese momento empezó a verse al agua residual, ya no más como un desperdicio. Cuando el proceso fue mejorando y la recuperación del metano se vio como un componente económico de la producción -pues el combustible en una planta se generaría usando agua residual-, el concepto cambió totalmente.
A manera de ejemplo, en los años 90, nos pedían estudios para saber si el agua era factible de ser degradada y bajo qué condiciones por métodos anaerobios, ahora, nos piden saber qué se tiene que hacer para producir más metano, qué mezclar, qué no mezclar… Ya no era «queremos tratar el agua», sino «queremos generar metano».
Pero, en dónde está el benchmark del asunto. En Europa, muchas de las plantas ya producen 100% de la energía eléctrica que utiliza la misma a través del metano, a través de la digestión de los lodos, no del agua; es decir, no están consumiendo energía eléctrica. Esto ya es un hecho, técnicamente aceptado por muchas plantas, no es un experimento de laboratorio, no, la mayoría de las plantas recupera 100% de la energía eléctrica. Tienen lodos activados que generan gránulos, los gránulos son metanizados y generan electricidad. Este es un hecho técnicamente probado, no es novedad.
Lo que sí es novedad, y que algunas compañías experimentan, es que están elevando la recuperación de metano. Hasta ahora, en planta real, muchas compañías europeas recuperan 120% de la energía eléctrica, entonces, no sólo se están ahorrando en tratar el agua, sino están ganado dinero extra al convertirse en plantas de generación de electricidad.

 

El concepto de biorrefinería

Pero, ¿por qué sólo obtener más metano?, si del tratamiento de aguas residuales se puede obtener una gran cantidad de productos, por ejemplo, el hidrógeno que tiene un poder calorífico 2.4 veces mayor que el del metano. La eficiencia de las máquinas que transforman el metano en electricidad es baja, mientras que la transformación del hidrógeno en electricidad -mediante celdas de combustible- tiene una eficiencia 30% mayor que la obtenida al quemar el metano.
Al producir hidrógeno, resultan del proceso otros residuos conocidos como ácidos grasos. ¿Qué hacemos con ellos?, ¿los tiramos?, no. Originalmente, representarían contaminación pero los podemos transformar en más metano y producir, entonces, hidrógeno y metano, o bien, los podemos usar, por ejemplo, para producir plásticos biodegradables que, actualmente, se fabrican con azúcares costosos.
Metano, hidrógeno, ácidos grasos… y hay más; existen compuestos químicos muy especializados, muy costosos, que pueden ser obtenidos también de los subproductos del tratamiento de aguas residuales. Éste es el concepto de biorrefinería. Un concepto más amplio, que puede definirse como la obtención, a partir de desechos, de productos de valor agregado y la eliminación del efecto contaminante de éstos.
La concepción de biorrefinería ligada al tratamiento de aguas residuales está en la frontera del conocimiento. Existen unas cuantas plantas demostrativas -grandes, medianas, pequeñas- y mucho trabajo de laboratorio, sin embargo, hay muchos retos que afrontar todavía.

 

El reto para México y el mundo

México está viviendo dos momentos: todavía no completa el momento en el que hay que sanear el agua -la tecnología está al nivel de los años 50, la mayoría de las plantas son por lodos activados, en la mayoría no hay generación de electricidad a través del tratamiento de lodos-, sin embargo, ya está llegando al mundo otro concepto. Entonces, el país va a estar entre dos tierras y, tal vez, todo el desarrollo entre ambas se lo vaya a tener que saltar.
Esto es lo que hay que evaluar ahora. Una planta se programa para una vida útil de 20 años, entonces, ya no habría que pensar en el proceso de lodos activados de los años 50, pues en 20 años la tecnología de biorrefinerías habrá madurado.
Otros productos de valor agregado que se están buscando son el nitrógeno y el fósforo, presentes en las aguas residuales. El nitrógeno está presente porque en la orina está contenido, mientras que el fósforo se encuentra en todos los detergentes; ambos con aplicaciones agrícolas.
El desafío va más allá. Las biorrefinerías también pueden producir agua potable y es un hecho probado hoy en día. Singapur es una isla que subsiste del negocio financiero pero que carece de agua, lo que lo ha hecho depender de Malasia. Dicha situación llevó al país a idear la forma de utilizar el agua residual para producir agua potable y recuperar su independencia. Así, desde 1996 produce su propia agua embotellada (New Water), de mayor calidad que el agua potable al ser controlada y monitoreada una vasta diversidad de parámetros.

 

El reúso en México

México hace un esfuerzo modesto en el reúso del agua. Numerosos centros comerciales en la Ciudad de México y el Estado de México reúsan el agua residual tratada regresándola a los sanitarios. La UNAM es otro ejemplo, en el edificio 12 del Instituto de Ingeniería se reúsa el agua residual tratada de la misma forma. Hay que hacer cambio, en toda construcción nueva se debe de hacer.
El reúso del agua es muy importante en nuestro país. En la mayor parte del mundo no desarrollado, 70% del agua limpia se utiliza para riego agrícola; mientras que en México, gran parte corresponde a agua residual. Los campesinos gustan de regar con agua residual porque saben que tiene nutrientes y que hace crecer muy bien todo cultivo. El problema es que en el agua residual están presentes los patógenos que dañan la salud de las personas al consumir los productos cosechados. Los agricultores saben que el agua residual no es un desperdicio y tienen razón, es un recurso; aunque, cierto es que hay que quitar todo lo patógeno que contiene y para eso, hay que darle tratamiento.
El reúso no es un concepto nuevo en México, está muy impregnado en la sociedad, de ahí que sostenga que tengamos que dar el brinco tecnológico a las biorrefinerías. Tiene que haber un cambio tecnológico muy fuerte, porque ya nos alcanzó la segunda ola.

 

La labor de la Unidad Académica Juriquilla del Instituto de Ingeniería

Estamos investigado procesos nuevos. Desde hace 20 años, hemos estado estudiando los procesos en lotes, regresando al origen, porque hemos visto que éstos son muy robustos, sobre todo para el tratamiento de aguas residuales industriales, agua de la industria química, de la industria farmacéutica, aguas que contienen compuestos orgánicos difíciles de degradar. Somos pioneros a nivel internacional en este tipo de procesos y en cómo adaptar a los microorganismos con estrategias que involucran el control automático del proceso.
Sin equivocarme, me atrevo a afirmar que somos líderes en Latinoamérica y un laboratorio referente en el mundo por el trabajo que hemos desarrollado en ese tipo de procesos para degradar compuestos difíciles inhibitorios, en medio de reactores discontinuos secuenciales automatizados. Con esta tecnología, hemos apoyado a muchas empresas.
En cuanto a los procesos con membranas, hemos desarrollado métodos para evitar y disminuir el ensuciamiento de éstas, que constituye el principal problema. Lo anterior, a partir del empleo del control de procesos y de la Microbiología, para estudiar cómo es que se va formando la capa taponante de la membrana y qué evita su formación.
Estudiamos diferentes tipos de procesos aplicados a diferentes tipos de agua, de tal forma, que hemos tratado aguas con disruptores endócrinos, para las que las membranas ofrecen una ventaja: mantener bacterias de muy lento crecimiento, que operan como una barrera y que son capaces de degradar estos compuestos.
La otra vertiente, derivada del proceso de Ardern y Lockett, son los lodos aerobios granulares que, en paralelo a las membranas, son muy efectivos. Si en el desarrollo histórico dijéramos que aparecieron primero las membranas y luego los granulares, México podría saltarse las membranas e introducir granulares por sus múltiples ventajas.
Por el lado de los procesos anaerobios, estamos estudiando la producción de hidrógeno y de plásticos biodegradables, mediante el desarrollo de sistemas bioelectroquímicos para generar electricidad y producir más hidrógeno, así como de sistemas fotoquímicos para producir hidrógeno.
La producción de biocombustibles a partir de microalgas es otro de nuestros proyectos vigentes. Las microalgas gozaron de gran popularidad hace cinco años para producir biodiesel, no obstante, fue una opción poco viable para países, como México, que cuentan petróleo. Un litro de biodiesel actualmente, en proceso industrial, cuesta 27 veces lo que un litro de diésel obtenido del petróleo. Es una alternativa factible si no se cuenta con hidrocarburos, por ejemplo, Chile que carece de combustible y debe valorar su independencia energética.
Entonces, en lugar de producir biodiesel, nos interesamos en la producción de biocombustibles gaseosos: metano e hidrógeno, bajo un concepto que tampoco es nuevo: el uso de microalgas para el tratamiento de aguas residuales. En los años 80 se hizo mucha investigación al respecto y se dejó de hacer porque es un proceso más lento que el proceso por lodos activados, necesita tanques muy grandes. Ahora, la idea es estudiarlo mucho más a fondo.
Es un proceso muy complejo, en principio anaerobio -no introducimos oxígeno-, pero no del todo, ya que las microalgas lo producen; hay producción de oxígeno y zonas anóxicas (no aireadas como en el proceso aerobio). Cuando se abandonó su estudió en los 80, se debió a que era muy complejo de entender, pero ahora tenemos nuevas herramientas que lo hacen interesante.
Al tratar el agua residual de dicha forma, en un inicio, la idea fue la de aprovechar los lípidos que contienen las microalgas para producir biodiesel. El problema fue que las microalgas deben ser concentradas, desecadas y rotas en su pared celular para extraer los lípidos. Además de que sólo un rango específico de lípidos es útil para la producción de biodiesel.
Y por qué, si las microalgas cuentan con muchos lípidos, no generamos metano, para cuya obtención es indiferente el tipo de lípidos que se obtengan. La hipótesis es que vamos a generar más metano que el obtenido con las bacterias. No nos interesa tener polvo seco, además, al meter agua residual se obtendrá un consorcio de algas con bacterias, que flocularán y, por lo tanto, sedimentarán mejor. Esto es muy nuevo.
Son procesos que son más rápidos que los procesos anaerobios, porque está presente una pequeña cantidad oxígeno, pero son sustentables. Al final, es la misma historia: metes agua residual y vas a sacar, en principio, mayor cantidad de metano que lo que generarías con bacterias. Ahí está la ganancia pero, aún, hay muchos retos científicos.

 

                               Los insectos son como libros: Dr. Robert W. Jones

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