Procedimiento para depuración y desinfección de aguas residuales mediante fotobiorreactores

Objeto de la invención

El objeto de la presente invención, es un procedimiento para depuración y desinfección de aguas residuales mediante fotobiorreactores, cuya novedad aporta un procedimiento, a partir de agua residual pretratada, gracias al cual se consiguen elevados índices de depuración y desinfección, obteniendo agua exenta de bacterias patógenas y apta para su uso tanto en agricultura como para el ser humano, a partir de agua residual. Entre los usos de la invención se encuentran tanto el agrícola, en el que se puede utilizar el agua obtenida para riego, y por ende, para el aumento de la producción de alimentos, como el humano, ya que permite su uso en aquellas zonas donde las condiciones de la misma no son las adecuadas. También puede ser utilizado como medida minimizadora de impacto ambiental en vertidos de industrias a cauce público.

La invención se encuadra principalmente en el área técnica de agricultura en su más amplia acepción, aunque también puede ser englobada tanto en el área química como en la perteneciente a la administración pública. En lo que respecta a la primera, podemos considerar que el sector de actividad en el que se aplicaría sería fotobiorreactor para la obtención de agua residual regenerada con calidad para riego, mientras que en la segunda, sería fotobiorreactor para el tratamiento de aguas residuales hasta calidad de vertido a cauce público. En lo referente al tercer sector, administración pública, comentar que queda contenido en el sector al que pertenecen todas aquellas empresas públicas dedicadas a los procesos de depuración y desinfección de aguas residuales, destinados a la obtención de agua en condicionas saludables para el consumo humano a partir de agua residual.

Estado de la técnica

Tal y como es sabido actualmente, las Tecnologías Naturales (TN) son aquellas mediante las cuales conseguimos reproducir la acción depuradora de la naturaleza (ríos, lagos, humedales, etc.). Sin embargo, y según Lebrato, J. (2007), existe otro tipo de tecnología, llamada Tecnología Natural Modificada (TNM), en la que los procesos naturales son forzados a cambios de condiciones, bien sea de presión, pH, temperatura, sobresaturación de oxígeno u otros. Dichos cambios nos llevan a introducir tecnologías novedosas, que con su aplicación de bajo coste y ecología, consiguen que efluentes con elevadas cargas de

i contaminación físico-química y biológica pasen a constituirse como efluentes con un alto grado de depuración y desinfección.

Con las TNM se pretende promover el desarrollo de una Ingeniería del Agua posible (Camejo, C. et al., 2007; Vargas, A., et al., 2007) que va a estar íntimamente relacionada y combinada con la ingeniería hidráulica convencional, constituyendo una alternativa eficiente y necesaria para satisfacer los requisitos de calidad del agua a nivel de la UE, al mismo tiempo que prevenir fracasos en países en desarrollo y empobrecidos. El Grupo de Investigación RNM-159 de la Universidad de Sevilla elaboró, en 2005, un Manual de la Ingeniería de Agua Posible que desarrolla proyectos y estudios en todas las fases del ciclo del agua, desde la captación hasta su reutilización.

Como antecedente principal del nuevo procedimiento a patentar, hay que citar el proyecto LIFE "Environmental", dirigido por el Prof. Baccou, J.C. (2003) de la Universidad de Montpellier, donde se plantea la reducción de la carga bacteriana de las aguas residuales gracias a formas reactivas del oxígeno sobresaturado producido por la actividad fotosintética de las microalgas contenidas en el mismo agua. Dicho proyecto es conocido con el nombre de PHOTOREDUC.

El principio en el que se basa PHOTOREDUC consiste en inducir una saturación de oxígeno en un agua que contiene fitoplancton y bacterias patógenas. La sobresaturación se obtiene manteniendo el agua en medio herméticamente cerrado, en presencia simultánea de fitoplancton y energía luminosa. En estas condiciones, la energía captada por el aparato fotosintético de las algas provoca el aumento de la concentración de oxígeno disuelto en el agua.

El proyecto PHOTOREDUC ha servido de base para proceder al desarrollo del nuevo procedimiento que se pretende patentar, ampliando a nivel de laboratorio los trabajos del Prof. Baccou. Dicho procedimiento consiste, básicamente, en, a partir de fotobiorreactores herméticamente cerrados trabajando en régimen continuo y bajo la acción de la luz solar, proceder a la depuración y eliminación de microorganismos patógenos mediante la adición de algas proliferadas propias del agua residual procedente de EDAR tanto en los tratamientos primarios como secundarios.

En lo que a las patentes existentes se refiere, y en relación a la temática y al procedimiento que se pretende patentar, se tiene que la patente ES2305120 presenta una cámara de biorreacción anular con dos paredes cilindricas coaxiales. Por su parte en la patente ES2125960 se planteó un proceso de producción de lípidos poliinsaturados a partir del cultivo de microalgas (Porphiridium cruentum) en un fotorreactor. Esta microalga no se encuentra en Aguas Residuales (AR). Las microalgas cultivadas en el fotobiorreactor de la patente ES2377619, así como los microorganismos citados en la patente ES2150389, tampoco se encuentran en Aguas Residuales.

La patente ES2364891 propone un biorreactor formado por una pluralidad de cámaras conectadas o unidas por una pared de alojamiento hecha de material plástico flexible, mientras que la WO2010103154 propone otro para el cultivo de microorganismos aptos para la producción de combustible.

La patente ES2362917 formula un procedimiento para la producción de biomasa de algas con un elevado contenido de lípidos en estanques abiertos, sin embargo la ES2370583 propone un fotobiorreactor para el cultivo de microalgas en régimen continuo pero mediante sistema multi-modular.

El documento patente ES2372509 realiza una depuración simultánea de biogás y efluentes industriales, pero las microalgas y las bacterias se encuentran en un fotobiorreactor diferente que aquellos. Por su parte, ES2254509, postula un procedimiento de fabricación de un biorreactor para el cultivo de microorganismos, no microalgas.

En lo referente a la patente ES2383263 comentar que consiste en un fotobiorreactor, acoplado a la pared de un edificio, cuya única misión es el crecimiento de algas, no el tratamiento de Aguas Residuales. La patente EP2103682 consiste en un fotobiorreactor electromagnético con fotoconvertidores octogonales que influyen positivamente en el intercambio electrónico existente en la fotosíntesis, aumentando consecuentemente la producción de biomasa.

El documento patente ES2080918 consiste en cultivar en un fotobiorreactor Clos microalgas en suspensión y trituradas mediante la re-inyección del oxígeno producido por las mismas, mientras que en nuestro caso ni se trituran, ni se separan del medio de cultivo, ni se realiza re-inyección de oxígeno. Sin embargo la patente ES2347515 consiste en la producción de microalgas destinadas a absorber gases de emisión de alto contenido en anhídrido carbónico (CO). Por su parte, la patente EP2067850 consiste en un fotobiorreactor vertical sumergible para la obtención de biocombustible.

El documento patente ES2071572 no es más que un dispositivo que funciona en discontinuo, semicontinuo o continuo en el cual se obtiene biomasa rica en ácidos grasos poliinsaturados.

El documento patente ES2231566 consiste en un procedimiento para el tratamiento de Aguas Residuales y contaminantes del aire a partir de un agente de acondicionamiento, mientras que la patente WO2012072837 no es más que un fotobiorreactor con una estructura cónica o troncocónica en el interior del depósito donde se encuentra tanto el medio de cultivo como la biomasa fototropa, prácticamente igual que la ES2356653.

La patente ES2319376, consiste en un fotobiorreactor compuesto por varias canalizaciones y por las que al menos circula un organismo vivo fotosintético, sin embargo dicho organismo no se encuentra en las Aguas Residuales.

Por su parte, la patente WO2011124727 comprende un sistema de cultivo de microalgas con consumo de energía óptimo, para nada parecido al procedimiento que se quiere patentar. El documento patente WO2011061380 no es más que un sistema modular que comprende una serie de fotobiorreactores para el cultivo en continuo de microalgas, las cuales no se encuentran en Aguas Residuales.

El documento patente WO2012153174 se basa en la reducción de oxígeno mediante la desactivación de la digestión aerobia, para después transferir el Agua Residual a otro recipiente donde se realice las fotosíntesis de las algas en condiciones favorables, sin embargo el procedimiento que se pretende patentar se basa, desde el principio, en el aumento del oxígeno disuelto del Agua Residual, la cual no se transfiere a ningún otro recipiente (fotobiorreactor), ni tampoco realiza ningún pre-filtrado, cosa que si hace la patente US2011266215. La patente EP2491112 también realiza un filtrado de las Aguas Residuales, las cuales han pasado por un tratamiento biológico anaerobio.

La patente WO2012019338, consiste en el tratamiento de Aguas Residuales mediante el uso de algas y organismos anaerobios, mientras que el nuevo procedimiento descrito en la presente memoria sólo se basa en el uso de algas existentes en las propias Aguas Residuales.

En lo referente a la patente US2011247977, hay que decir que se trata de un dispositivo para el tratamiento de nitrógeno y fósforo de las aguas residuales, mientras que el nuevo procedimiento a patentar no consiste, en absoluto, en dicho tratamiento.

El documento patente US2010237009 se fundamenta en el uso de organismos heterótrofos, mientras que el procedimiento descrito y desarrollado en la presente memoria utiliza microalgas autótrofas.

La patente CN101306879 utiliza una fuente de luz artificial situada bien en el interior y/o en el exterior del fotobiorreactor, mientras que el nuevo procedimiento descrito sólo utiliza luz natural.

Con respecto al documento patente WO0034189, es importante citar que se basa en la depuración de residuos agrícolas y ganaderos de manera secuencial utilizando dos tipos de microorganismos, previamente seleccionados, que en ningún momento entran en contacto entre sí. Por su parte, en el nuevo procedimiento que se pretende patentar, se parte de aguas residuales urbanas, cuyo tratamiento lo llevan a cabo simbióticamente dos tipos de microorganismos (especies de microorganismos), no añadidos, sino ya presentes de antemano en el agua residual. Del mismo modo, se pueden citar otras tres diferencias entre la patente WO0034189 y el nuevo procedimiento que se pretende patentar:

a. - En la patente WO0034189 se utiliza en una primera fase un consorcio de organismos procarióticos tipo bacterias rojas no del azufre, que son bacterias fotosintéticas anoxigénicas. En nuestro procedimiento las bacterias no son fotosintéticas (excepto rara vez que se han encontrado cianobacterias) sino que son por lo general bacterias que existen en el ser humano como Escherichia Coli, incluyendo las cepas patógenas. Son bacterias heterótrofas, mayormente aeróbicas, y por tanto su misión es totalmente diferente a las bacterias rojas o púrpuras no del azufre.

b. - En el documento patente WO0034189, una vez separadas las bacterias, se añaden a la corriente contaminada algas verdes tipo Chlorella. Las algas de nuestro sistema no están seleccionadas y por tanto no pertenecen a un solo grupo, sino a tantos como contenga el agua a tratar y por tanto variables en función de las circunstancias. El objetivo de nuestro procedimiento es favorecer la relación mutualista entre algas y bacterias que se establece en las aguas residuales de forma habitual.

c- En la patente WO0034189, las bacterias utilizadas realizan una fotosíntesis anoxigénica mientras que en nuestro caso se favorecen en todo momento los procesos aeróbicos de degradación de la materia orgánica, y de ahí que el sistema sea cerrado para provocar la sobreoxigenación.

Por último, falta por hacer alusión a la patente ES2238275, la cual presenta un fotobiorreactor con una cámara de reacción que presenta una superficie ampliada mayor que la superficie envolvente.

Tal y como puede observarse en la documentación que se cita, hasta ahora no se ha planteado ningún procedimiento en el que las microalgas que se cultivan sean las propiamente existentes en las Aguas Residuales pretratadas, las cuales alcanzan su máximo número a los 2 ó 3 días, consiguiéndose valores de oxígeno Disuelto (OD) superiores a 100 mg/L y, valores de concentración de microalgas, dentro del reactor, comprendidos 100.000 y 125.000 células/mL para los géneros Chlorella, Scenedesmus y Selenastrum, por lo que el procedimiento que se propone es totalmente novedoso en ese sentido. Bibliografía:

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Descripción de la invención

Con el procedimiento que se plantea, se logra obtener agua exenta de bacterias patógenas y apta para su uso tanto en agricultura como para el ser humano, a partir de agua residual.

Este procedimiento se caracteriza por no requerir instalaciones complejas ni conocimientos técnicos elevados, consiste en la depuración y la desinfección de aguas residuales mediante fotobiorreactor trabajando en continuo.

Para ello resulta necesario llenar en su totalidad el fotobiorreactor con agua residual pretratada mediante una bomba hidráulica, para posteriormente, y tras mantener el sistema herméticamente cerrado y expuesto a la radiación solar, obtener un "bloom" de algas a los 2 ó 3 días, alcanzándose valores de O.D. superiores a 10 mg/L, así como valores de concentración de microalgas, en el interior del fotobiorreactor, comprendidos entre 100.000 y 125.000 células/mL para los géneros Chlorella, Scenedesmus y Selenastrum.

Posteriormente, se tiene que realizar la puesta en funcionamiento del sistema en continuo, pero teniéndo en cuenta que el flujo de alimentación tiene que ser, aproximadamente, de 180 ml_/h.

Teniendo presentes las pautas especificadas, se produce una sobreoxigenación a consecuencia de la acción fotosintética de las microalgas generadas directamente de las algas residuales, alcanzándose valores de O.D. comprendidos, en todo momento, entre 15 mg/L y 35 mg/L. Además, se obtiene una disminución de los contenidos de materia orgánica, medidos como DQO y DB05, a consecuencia de la asimilación de la misma por parte de las bacterias existentes en el agua residual. Tras la recogida del efluente resultante, puede observarse que se alcanzan rendimientos de depuración superiores al 50 %, dando lugar a aguas tratadas que cumplen con la normativa vigente acerca de vertidos.

Del mismo modo, se produce una disminución de los contenidos en sólidos en suspensión y sólidos totales por decantación, con rendimientos superiores al 50 % y 70 % respectivamente, así como unos valores medios de desinfección (estimados por contenido en micoorganismos indicadores "coliformes fecales y totales") del 100 % y 99,97 % respectivamente.

El presente procedimiento tiene importantes aplicaciones en la industria destinada a la agricultura, ganadería y el ámbito forestal, ya que es de especial utilidad en aquellas zonas en las que no hay disponible agua de suficiente calidad como para riego, ya sea por problemas de salinidad o de contaminación, o simplemente que el agua escasea en determinadas épocas del año. Es de especial valía en zonas con condiciones climáticas favorables, elevado número de horas de sol al año y temperaturas medias que favorecen la actividad fotosintética de las microalgas y la actividad depuradora de las bacterias. Lógicamente, esta disponibilidad de agua redundará en un aumento de la producción herbácea y como consecuencia una mayor disponibilidad de alimento tanto para el ganado como para el ser humano de zonas bien desarrolladas como en desarrollo.

Respecto la industria química, o aquellas de otros ámbitos que produzcan efluentes con vertidos a cauce público, presenta como aplicación la seguridad de que el vertido cumple con la normativa vigente, por lo que se puede considerar que el uso de éste nuevo procedimiento en éste tipo de industrias es, en sí mismo, una medida de bajo coste en lo que a la minimización del impacto ambiental se refiere.

Para la administración pública en general, así como para aquellas ONGs que lo precisen, es un procedimiento válido, útil y de aplicación tanto en zonas urbanas como rurales de los países con gran poder económico, ya que permitiría obtener mayor cuota de ahorro en el uso del recurso agua, como en los países del denominado tercer mundo o en aquellas zonas danmificadas por catástrofes naturales, donde la escasez de agua o sus malas condiciones da lugar a enfermedades o incluso a la muerte.

Modo de realización de la invención

Como ejemplo comentar el experimento realizado en el laboratorio de análisis de la ETSIA de la Universidad de Sevilla gracias al uso de agua residual pretratada procedente de la EDAR "La Ranilla" (latitud = 37,365161 ; longitud = -5,930806). En dicho experimento se midieron diferentes parámetros (pH, O.D., CE., Turbidez, Sólidos Totales, Sólidos en Suspensión, DQO, DB05, Conformes Fecales y Conformes Totales entre otros) tanto de las aguas de entrada como de salida del sistema, los cuales fueron tratados estadísticamente con el SPSS v.14.

De dicho análisis, realizado con un intervalo de confianza del 95 %, se procedió a rechazar la hipótesis nula, en la que se consideraba que las aguas de entrada eran ¡guales a las de salida, excepto para los coliformes totales, fecales y sólidos en suspensión. En el caso de coliformes fecales, la alta variabilidad de los datos de entrada, hace que estadísticamente no se puedan considerar diferentes entrada y salida, aún cuando se obtienen 0 UFC/100mL (desinfección total) en las últimas. La significación bilateral del par C.E _Entr ada - C.E _Sa i¡da mostró ser uno de los parámetros que peores resultados dio entre los que cumplen la hipótesis de partida. Esto implica que el efecto del reactor sobre el contenido final de sales del agua tratada está sujeto a un grado de incertidumbre que obligaría a un control de éstas en caso de desearse reutilización del agua en riego.

Las cantidades de DQO y DB05 son muy diferentes en la entrada y la salida. Las bacterias son las principales responsables de la asimilación de la materia orgánica contenida en las aguas efluentes.

Los resultados indicaron que es a la salida del sistema donde se produce tanto una desinfección como una decantación, lo que justifica que los rendimientos de depuración aumenten en gran medida. En dicha salida la población de algas fue muy elevada, y por tanto también lo fue su contribución tanto a los sólidos en suspensión como a los totales. Respecto a los valores de OD, comentar que una vez superados los 2-3 primeros días de arranque del sistema, su evolución fue prácticamente constante, exceptuando lógicamente las oscilaciones propias debidas a los ciclos día-noche, y consecuentemente de radiación solar. El funcionamiento óptimo del sistema se alcanzó en los periodos en los que el OD osciló entre 25 y 30 mg/L. En estas circunstancias se produjo una simbiosis ideal entre algas y bacterias, que tuvo como resultado la depuración. La función fotosintética de las algas evitó la necesidad de utilizar sistemas de aireación externos.

Tras los primeros días de funcionamiento, el pH experimentó una evolución ascendente y continua, con oscilaciones diarias correspondientes a los ciclos día-noche hasta establecerse en un rango óptimo alrededor de pH = 10. Todas las observaciones realizadas para explicar la evolución del OD fueron igualmente válidas para la evolución del pH, ya que al superponer las gráficas de OD y pH, ambos parámetros presentaron evoluciones muy similares, como corresponde al equilibrio que se produce entre las especies 0 ₂ y C0 ₂ disueltas. En los momentos en los que los valores de OD y pH son más bajos, se produjo un aumento de CE como resultado de una mayor mineralización de la materia orgánica a consecuencia de la actividad bacteriana y de un menor consumo de sales por parte de las algas. La CE osciló, durante el periodo establecido de funcionamiento óptimo del reactor, entre 1.350- 1.400 S/cm, por lo que el agua resultante podría perfectamente utilizarse para riego agrícola de especies tolerantes a la salinidad.