Biorremediación y tratamiento biológico de aguas residuales: microalgas, digestión anaerobia, compuestos recalcitrantes y contaminantes inorgánicos

Tratamiento biológico de aguas residuales

El fotobiorreactor emplea microalgas que, mediante luz, CO₂ y nutrientes, producen O₂ y biomasa, que puede acumularse para obtener grasas y aceites destinados a biocombustibles. Este sistema permite la depuración del agua en un tratamiento terciario y la eliminación de contaminantes atmosféricos.

Se basa en un consorcio de algas fotoautótrofas y bacterias heterótrofas. Las bacterias producen CO₂ al oxidar la materia orgánica del agua, y las algas consumen ese CO₂ en el ciclo de Calvin, liberando el O₂ necesario para oxidar la materia orgánica. Así, las bacterias depuran el agua y consumen nitrógeno y fósforo.

Digestores anaerobios

Se utilizan para tratar lodos primarios y secundarios y aguas con alta DBO. Requieren control de la temperatura, el pH y los gases, así como de la carga microbiana.

Las reacciones acopladas ocurren en dos etapas:

• Primera etapa: bacterias anaerobias facultativas desmolimerizan la materia orgánica compleja y generan ácidos grasos, CO₂ e H₂.
• Segunda etapa: bacterias metanogénicas producen metano y biogás, combustible que mantiene la temperatura del reactor.

Inconvenientes: proceso poco eficaz, de arranque lento y difícil, y sensibilidad de los consorcios anaerobios a la presencia de contaminantes tóxicos.

Ventajas: alta velocidad de carga orgánica, bajo consumo energético, producción de biogás, menor necesidad de equipos mecánicos, producción de fangos, bajo coste, y reducción de la emisión de aerosoles, gérmenes y olores.

Tratamiento terciario

• Carbón activo: retira fenoles, es caro pero se usa poco.
• Precipitación: elimina el fósforo y evita la eutrofización.
• Cloro: retira el amonio y evita la eutrofización.
• Plantas: en conjunto retiran nitrógeno y fósforo.
• Algas: retiran fósforo y nitrógeno y pueden utilizarse como alimento para ganado por su contenido en proteína celular.
• Microorganismos: en anaerobiosis acumulan PHB; en aerobiosis oxidan el PHB y acumulan polifosfatos, utilizados en lodos activos baratos.

Desinfección

Es la etapa final que evita los patógenos. Puede realizarse mediante:

• Métodos químicos: bromo, yodo, ozono y cloro (inhiben la actividad enzimática y destruyen la pared celular).
• Métodos físicos: calor, radiación gamma y UV.

La eficacia se comprueba con microorganismos indicadores: coliformes fecales y estreptococos fecales. Un valor CF/EF < 1 indica origen animal y > 4 origen humano.

Compuestos recalcitrantes

Presentan insolubilidad, toxicidad, estructura macromolecular, enlaces inusuales, halógenos y anillos aromáticos condensados.

Fotofenton

Es una planta de fotocatálisis solar que elimina compuestos de baja biodegradabilidad antes del tratamiento biológico. Requiere luz para iniciar la oxidación (oxitetraciclina y H₂O₂ para finalizarla), ajuste del pH y separación del Fe⁺². Se usa para retirar fenoles, fungicidas y algunos antibióticos.

Moléculas xenobióticas recalcitrantes

A. Halocarburos

Son muy estables, no son fuente de carbono y presentan alta recalcitrancia.

1. Haloalcanos

Compuestos de 1 a 2 carbonos con H sustituidos por Cl, Br o F. Se usan como disolventes, en cosméticos y como freones (fluorocarbonos), solubles y volátiles. Se biodegradan por deshalogenación (hidrogenolisis o haloeliminación) o por cometabolismo (vía aerobia, poco halogenados; vía anaerobia).

2. Haloaromáticos

Los halobencenos son disolventes; la primera deshalogenación es la más resistente. Los halofenoles protegen maderas y se usan en pesticidas y resinas. Se biodegradan en aerobiosis (Pseudomonas flavo, produciendo CO₂ y H₂O) o en anaerobiosis (metanogénesis, sulfatorreducción, CH₄ + CO₂).

B. Nitroaromáticos

C. Bifenilos y trifenilos policlorados (PCB)

Son lubricantes, fluidos oleosos, de 1 a 10 átomos de cloro, con baja biodegradabilidad. Se degradan en aerobiosis o anaerobiosis mediante deshalogenación reductiva y cometabolismo. Los polibromados son similares y se usan como ignífugos.

D. Dioxinas

Proceden de degradaciones térmicas del PVC, restos oleaginosos y grasas animales. Son muy reales y muy tóxicas.

E. Biodegradación aerobia con hongos

Se emplea Phanerochaete chrysosporium. Los pesticidas organoclorados, como el DDT, tienden a bioacumularse. Su degradación anaerobia es escasa y su persistencia elevada. In vitro, se degradan completamente en aerobiosis con hongo + Arthrobacter.

F. Polímeros sintéticos

Son macromoléculas de uso en lubricantes y plásticos, con efectos letales para la fauna. Son biodegradables el almidón (fotodegradación), el ácido láctico y los polihidroxialcanoatos.

G. Alquil-bencil-sulfonados

Son detergentes de cadena ramificada o lineal, biodegradables en aerobiosis por consorcios microbianos.

H. Hidrocarburos

Son compuestos naturales producidos por la conversión anaerobia de biomasa a alta temperatura y presión. Los derrames y accidentes oceánicos causan un exceso que impide la autodepuración. Su degradación es lenta, lo que provoca problemas de limpieza costosos. Se limpian mediante detergentes o embebiéndolos en yeso, arena o sílice.

Composición: mezcla de hidrocarburos y no hidrocarburos en proporción variable según su procedencia. Los compuestos xenobióticos son los hidrocarburos modificados.

Biodegradación:

• Cadena corta (2-10 C): tóxicos, volátiles y fácilmente degradables.
• Cadena media (10-20 C): degradabilidad media.
• Cadena larga: se degrada solo por cometabolismo.

La degradación aerobia es rápida y la anaerobia lenta. Un 80% lo realizan bacterias y un 20% hongos, mediante cometabolismo. La biodegradación se inicia por alcanos de cadena corta y media, mediante cooperación o monooxigenación.

• Aerobiosis:
  • Alcanos (saturados y no saturados): se mineralizan a CO₂ y agua; la biodegradación depende del grado de solubilidad.
  • Alicíclicos: requieren cooperación (comensalismo y cometabolismo) y apertura del anillo.
  • Aromáticos: de tipo polinuclear condensado, de difícil degradación, solo por cometabolismo (bacterias y hongos), siendo necesaria la apertura del anillo.
• Anaerobiosis: consorcios microbianos.

I. Plaguicidas

Su finalidad es controlar y destruir plagas. Su estructura molecular variada, con sustituyentes, dificulta la biodegradación o facilita la metabolización al atacar moléculas que necesitan cometabolismo con una actividad de sinergismo entre consorcios microbianos. Permiten el reciclado total de compuestos relativamente recalcitrantes.

Biodegradación: alifáticos y aromáticos (consorcios). Son recalcitrantes los organoclorados, como el DDT.

Contaminantes inorgánicos

Drenaje ácido de minas

El drenaje ácido de las minas se produce por la lluvia, que arrastra los ácidos generados en la explotación, creando agua ácida.

Mecanismos de oxidación de la pirita: recuperación de minerales. Tras una oxidación espontánea, el material se acidifica rápidamente. Tiene un efecto importante en minas de oro, cobre, hierro y uranio.

Solución: invertir la reacción en el laboratorio. Un tratamiento biológico por inundación del terreno tiene un gran impacto ambiental.

Transformaciones microbianas de nitratos

El uso excesivo de fertilizantes provoca la acumulación de NO₂, tóxico, que puede llegar al forraje de animales y a verduras de consumo humano, e inhibir ciertos conservantes alimentarios. También puede tener efectos globales al alcanzar la estratosfera y destruir el O₃.

Solución: usar abonos naturales de amonio y urea, añadiendo nitropirina (inhibe a Nitrosomonas), que impide la descomposición del amonio en nitrito, mejorando el aprovechamiento del abono y reduciendo riesgos. Biorremediación: fertilizantes biológicos (Azotobacter, Rhizobium y micorrizas).

Metales pesados

A pH neutro o alcalino, los metales pesados quedan inmovilizados por el suelo, formando arcillas. Con pH ácido se revierten y los metales se movilizan, volviéndose más tóxicos y con riesgo de bioacumulación.

Retirada biológica mediante cuatro mecanismos:

1. Unión del catión a la superficie celular (cápsulas, vainas y pared).
2. Entrada en la célula por transporte activo.
3. Precipitación del metal por productos generados por los microorganismos.
4. Biotransformación.

Aplicación: eliminación de metales pesados de lodos, efluentes industriales, aguas mineras y de joyería, evitando accidentes de vertido. Es la base de los tratamientos terciarios con biopelículas.

Contaminación atmosférica

Sus efectos pueden ser directos o indirectos. Los contaminantes primarios incluyen partículas y CO₂; los secundarios resultan de transformaciones químicas de los primarios. Referencias: CO, NO₂, O₃, SO₂, Pb y partículas en suspensión.

Biofiltros, biolavadores y percoladores

Son sistemas donde el aire circula en contracorriente con agua con carga bacteriana, permitiendo la depuración biológica de gases contaminantes.