BIOFILTRO PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS CON ALTO CONTENIDO DE METALES PESADOS QUE COMPRENDE UNA MEZCLA DE BIOMASA MACROALGAL INMOVILIZADA EN UNA MATRIZ POLIMÉRICA.

Sector Técnico

La presente invención puede ser aplicada en el área industrial, más específicamente permite tratar efluentes o riles que contienen metales pesados, permitiendo su remoción desde aguas destinadas a consumo humano y pudiendo aplicarse a líquidos provenientes de procesos industriales, como también a aguas que presentan en forma natural elevadas cantidades de metales pesados.

Técnica Anterior

El agua representa aproximadamente el 70% de la superficie de la tierra y es considerada como la base del origen y el sustento de la vida en el planeta. Según la comisión nacional del medio ambiente (CONAMA) la contaminación de este recurso tiene su principal origen en las descargas directas de aguas servidas domésticas y residuos industriales líquidos a las masas de agua superficiales, terrestres o marítimas, sin previo tratamiento, y a las descargas difusas derivadas de actividades agrícolas o forestales, que llegan de forma indirecta a las masas o corrientes de agua superficiales y también a las subterráneas.

Un metal pesado es aquel que tiene una gravedad específica de 5 o mayor y es usualmente tóxico. Este término es ampliamente aplicado para incluir otros elementos potencial mente tóxicos, aún si estos no cumplen la estricta definición química. Algunos son oligoelementos imprescindibles para el mantenimiento de los sistemas bioquímicos de los seres vivos, ejemplos de estos son el cobre, el manganeso y el zinc, que son esenciales en el metabolismo de los mamíferos (Miller, 2004), pero según Domingo (1994) estos metales pueden llegar a ser tóxicos y algunos incluso cancerígenos.

Según Chapman (2003) la mayoría de los metales pesados de fuentes naturales suelen provenir de la corteza terrestre, sin embargo hay otros procesos de origen antropogénico, según Cuyang et al (2006) como son las actividades industriales, agrícolas, mineras y ganaderas, o el propio tráfico, que son considerados también como fuentes de metales pesados. Los metales pesados más contaminantes según Brady & Weil (2002) son el arsénico, cadmio, cobre, cromo, manganeso, mercurio, molibdeno, níquel, plomo y zinc. Entre los factores que han incrementado este problema destacan el rápido crecimiento de la población, sobre todo la urbana, el abastecimiento de agua potable y servicios de alcantarillado, la expansión de las industrias mineras y la tecnificación de la agricultura, que no ha sido acompañada de sistemas adecuados de tratamiento de desechos y control de la contaminación hídrica, generando una alta contaminación en las zonas costeras y un alto impacto sobre los caudales de las principales cuencas hidrográficas. Los metales pesados no se eliminan de los ecosistemas acuáticos por procesos naturales debido a que no son biodegradables (Murray, 1996), desencadenando la transformación de las aguas de ríos, lagos y costas en depósitos de residuos en los que el equilibrio natural está severamente perturbado (Forstner & Wittmann, 1981) no sólo afectando a los ecosistemas sino que también a los organismos que están en contacto directo con los cursos de aguas contaminados. Como estos elementos no son metabolizados por el cuerpo, se acumulan en los tejidos por lo que los nutrientes esenciales no pueden ser absorbidos, la inflamación crónica y deterioro del sistema inmune que puede conducir a enfermedades crónicas como la artritis y hasta el cáncer.

El uso de macroalgas ha sido destinado principalmente a la extracción de hidrocoloides para la industria de alimentos y como alimento fresco para mercados asiáticos, sin embargo en el último tiempo se han realizado diversas investigaciones para potenciar su utilización en el desarrollo de nuevos productos, principalmente orientados en la producción de biomateriales (Rinaudo, 2007).

El proceso de biosorción se puede definir como la eliminación/unión de elementos no deseados de una solución por parte del material biológico. Tales sustancias pueden ser orgánicas e inorgánicas y de carácter soluble e insoluble (Gadd, 2009). La biosorción es una sub-categoría de la adsorción, está última corresponde a la adherencia física de los enlaces de los iones presentes en la solución a la superficie del adsorbente (Gadd, 2009). El proceso de biosorción involucra una fase solida (biosorbente) y una fase liquida (solvente, que es normalmente agua) que contiene las especies disueltas que van a ser sorbidas (sorbato, i.e. iones metálicos). Debido a la gran afinidad del biosorbente por las especies del sorbato, este último es atraído hacia el sólido y enlazado por diferentes mecanismos. Este proceso continua hasta que se establece un equilibrio entre el sorbato disuelto y el sorbato enlazado al solido (a una concentración final o en el equilibrio). La afinidad del biosorbente por el sorbato determina su distribución entre las fases liquida y sólida. La calidad del biosorbente está dada por la cantidad del sorbato que pueda atraer y retener en forma inmovilizada. (Cañizares 2000).

La biosorcion es un proceso de unión rápida entre los iones presentes en la solución y los grupos funcionales presentes en la superficie de la biomasa, siendo independiente del metabolismo celular (Davis et al., 2003). El proceso de biosorcion ha sido presentado en la literatura como un mecanismo rápido y selectivo, pudiendo operar en un rango amplio de valores de pH 3-9 y temperatura con un rango de 4- 90°C. El tamaño óptimo de la partícula para la biosorcion es de 1 a 2 mm, donde el estado de equilibrio entre la biosorcion y desorción es logrado rápidamente. Este proceso no requiere de una alta inversión, ya que sus costos de operación son económicos (Gadd, 2009). En relación a lo anterior, los materiales biológicos son a menudo de bajo costo y se pueden obtener a partir de la agricultura, algas marinas y desechos industriales (Kuyucak, 1990, Davis et al., 2003). La biosorcion posee diversas ventajas sobre los métodos convencionales, tales como; bajo costo, alta eficiencia, minimización de lodos químicos y biológicos, regeneración del biosorbente y recuperación de metales (Michalak et al., 2013).

El primer paper sobre biosorcion se publicó en 1951 desde entonces, se han realizado grandes esfuerzos por preparar biomateriales eficientes, eficaces y económicos para su aplicación en el tratamientos de aguas (Michalak et al., 2013). Debido a las positivas características de la biosorcion, ha recibido enormes expectativas en el ámbito académico, de la investigación y la industria. Durante las últimas décadas Se han dado pasos esenciales para entender el mecanismo de biosorcion, los métodos de su cuantificación (equilibrio y cinética), determinar los factores que influyen en su la eficiencia y la velocidad del proceso (Michalak et al., 2013). Se cree que mediante el uso de este nuevo método, en el que la biomasa se utiliza como un sorbente, los contaminantes tóxicos podrían ser selectivamente eliminados a partir de soluciones acuosas.

En relación a lo anterior, las algas han despertado un especial interés en la investigación y desarrollo de nuevos materiales biosorbentes para su aplicación en el proceso de biosorcion, debido no solamente a su alta capacidad de remoción de metales pesados, sino también a que se encuentran presentes en mares y océanos en cantidades abundantes y de fácil acceso (Kuyicak & Volesky, 1990, Rincón et al., 2005).

Diversos estudios se han realizado para demostrar la capacidad de las macroalgas en el proceso de biosorción, es así como Klimmek y colaborares (2001) compararon la eficiencia de 30 especies de alga en la biosorción de cadmio, plomo, nickel y zinc desde soluciones acuosas. Estos investigadores encontraron que la especie Lynbbya taylorü exhibió una alta remoción para los cuatros metales pesados (KLIMMEK et al., 2001). De igual manera se realizó un estudio para determinar la biosorción de cobre y cadmio utilizando la macroalga Sargassum sinicola, encontrando que logra remover un 81,8% y 89% de cobre y cadmio respectivamente (Mónica Patrón-Prado et al., 2010). De igual modo se realizaron estudios con la especie Ulva lactuca, para la remoción de Cu2+, N¡2+ y Zn2+ removiendo 65,54; 21,00 y 49,54 mg/g respectivamente (Lau TC et al., 2003). No obstante la aplicación industrial de la biosorción de metales pesados, basada en biomasa macroalgal, requiere de la inmovilización de la biomasa en una matriz, que permita su utilización en reactores y una rápida recuperación de la biomasa, evitando la utilización de métodos costosos en términos energéticos (Golab Z et al., 1991). En relación a lo anterior la especie inmovilizada Laminaria Saccharina, fue utilizada para remover níquel desde una solución acuosa en un reactor diseñado para el proceso de biosorción, logrando la remoción del 98,8% del níquel con parámetros de operación de 35°C, pH 5 y tiempo de 10 minutos (Hashim & AL-Hamadani, 2012). De igual modo, en otro estudio se utilizó la biomasa inmovilizada de Sargassum baccularia para la biosorción de cadmio, logrando remover un 99% del total presente en la solución acuosa (B. Volesky & Prasetyo, 1994). Otro aspecto importante en la biosorción de metales pesados es la posterior recuperación del metal una vez terminado el proceso, en ese contexto se realizó un experimento con la especie Sargassum baccularia inmovilizada en alcohol polivinílico (PVA) para evaluar la desorción (liberación) de cobre, obteniendo una recuperación cercana al 91%. El proceso de biosorción, si bien no utilizando biomasa macroalgal, ha sido testeado a escala pre-piloto, por el equipo del profesor Bohumil Volesky de la Universidad McGill en Canadá y su empresa BV SORBEX, los que han realizado grandes contribuciones para llevar el proceso de biosorción desde el laboratorio a una escala industrial con prometedores resultados. Sin embargo, el desarrollo de esta tecnología ha presentado problemas relacionados con la recuperación de la biomasa, tema esencial para la proyección industrial del proceso de biosorcion (Michalak et al., 2013).

La gran diversidad de las algas permite aumentar se selectividad y eficiencia; se han descubierto diferentes capacidades de biosorcion y selectividad por algas rojas, verdes y pardas frente a diversos metales pesados. (Murphy et al., 2008.) La composición química y presencia de diferentes centros de biosorcion (fucanoides, alginatos, proteínas fosfatadas, entre otros) (Rojas et al., 2005) permiten una mayor biosorcion de ciertos metales debido a su tamaño, grado de solvatación, presencia de iones quelantes, tamices moleculares, intercambio iónico con especies presentes en el alga, etc. (Rodenas et al., 2002; Ramos et al., 2004; Ramos et al., 2007).

Actualmente la industria ofrece variadas soluciones para la remoción de metales pesados desde aguas contaminadas, a continuación en la tabla 1 se detallan tanto sus ventajas como desventajas de los métodos de remoción utilizados hoy en dia:

Tabla N°l. Ventajas y desventajas de métodos que se utilizan tradicionalmente en la remoción de metales pesados desde sistemas acuosos (Chojnacka, 2010).

Tratamiento Ventajas Desventajas

Simple, poco costoso, la Se produce grandes cantidades

Precipitación

mayoría de los metales de lodos y hay problemas con química

pueden ser removidos. la disposición final.

Lodos de sedimentación, Costoso, gran consumo de

Coagulación

deshidratación, alta químicos, un número reducido química

regeneración del material y de número metales pueden ser Intercambio iónico

selectividad de metales removidos.

Alta selectividad por metales,

Métodos no hay consumo de químicos Alto costo de inversión y alto electroquímicos y la recuperación de metales costo de mantenimiento.

puros es posible.

Costo del carbón activado, no

Adsorción La mayoría de los metales de puede ser regenerado, el empleando carbón los metales pueden ser rendimiento depende del

activado. removidos. adsorbente y posee baja

eficiencia. La mayor parte de los

metales puede ser

Zeolita Baja eficiencia

removidos, los materiales

son relativamente baratos

Los costos iniciales y de

Procesos de Se producen pocos desechos mantenimiento son altos, el membrana y sólidos, el consumo químico caudal empleado es bajo y la ultrafiltración es bajo y alta eficiencia. eficiencia se ve reducida por la presencia de otros metales.

Breve descripción de las figuras

Figura 1: Esferas de biomasa inmovilizada. Figura 2: Microscopía electrónica de barrido del biofiltro.

Figura 3: Explicación conceptual de los diferentes procesos utilizados en la obtención del biofiltro, como también de sus formas de aplicación.

Figura 4: Dispositivo para la confección de esferas de alginato con biomasa algal (Biofiltro). Figura 5: Prototipo del sistema de remoción continúa.

Figura 6: Concentración final de un efluente con alta concentración de CuS0 ₄ después de ser tratada con el biofiltro en la planta prototipo (Sistema continúo). Las líneas indican límites máximos para efluentes según distintas normativas nacionales.

Divulgación de la invención

La presente tecnología consiste en una formulación que comprende algas inmovilizadas en una matriz polimérica, la cual se utiliza para el tratamiento de aguas con alto contenido de metales pesados. Esta formulación para el tratamiento de aguas comprende mezclas de biomasa macroalgal, seleccionadas entre las algas del género Macrocystis pyrifera, Durvillaea antárctica, Lessonia spicata, Gracilaria chilensis y U/va spp, estas algas son encapsuladas utilizando mezclas de alginatos como matriz polimérica. El uso de esta formulación biofiltrante permite tratar efluentes o riles que contienen metales pesados como arsénico, cadmio, cromo y cobre, pudiendo aplicarse a líquidos provenientes de procesos industriales, como también a aguas que presentan en forma natural elevadas cantidades de metales pesados, la utilización de esta formulación permite la remoción de los metales pesados, desde aguas destinadas a consumo humano y también de residuos industriales líquidos.

Algunas industrias que requieren tratar los residuos líquidos que emiten en sus procesos productivos y que se descargan hacia medios naturales serían la industria minera, manufacturera, alimentaria, entre otras. La tecnología podría además tratar aguas domiciliarias para consumo humano demandada por la industria sanitaria.

Esta formulación biofiltrante está compuesta por una mezcla de biomasa algal que comprende: a) 10 - 15% de biomasa de Macrocystis pyrífera, en un tamaño de partícula inferior a 212 pm;

b) 10 - 30% de biomasa de Lessonia spicatta, en un tamaño de partícula inferior a 212 pm;

c) 10 - 40% de biomasa de Durvillaea antárctica, en un tamaño de partícula entre 212 a 512 pm;

d) 5 - 10% de biomasa de Complejo Ulva, en un tamaño de partícula entre 212 a 512 pm; y

e) 40 - 75% de biomasa de Gracilaria chilensis, en un tamaño de partícula entre 212 a 512 pm.

Para la inmovilización de esta mezcla de biomasa algal se prepara previamente una solución de alginato en una concentración de entre 0,5 - 2,5% en agua destilada, a la cual se le adiciona posteriormente la biomasa algal. Esta mezcla es llevada a un dispositivo especial que permite el goteo por gravedad de esta sobre una solución de CaCI ₂ , lo que permite la formación de esferas que en su interior poseen la mezcla de biomasa algal.

El biofiltro corresponde a las esferas resultantes las que poseen un tamaño que va desde los 2,5 a 3,4 mm con un porcentaje de humedad de que va desde los 89 al 92% (figura 1). Las observaciones realizadas a las esferas, a través de SEM han permitido evidenciar la presencia de poros superficiales e internos con tamaños que van desde los 5000 a los 10000 nm (figura 2). La presencia de poros en el biofiltro permite aumentar la remoción de los metales pesados ya que la adsorción tiene lugar en la superficie y en el interior de las partículas, sobre las paredes de los poros en puntos específicos. Los inmovilizados poseen una alta capacidad de remoción de metales pesados, tales como cromo, cobre y cadmio y arsénico. Dependiendo de la concentración inicial de metales y el pH del agua a tratar, podemos indicar que las mezclas de biomasas inmovilizadas de D. Antárctica, M. pyrifera, L. spicatta, G. chilensis y Complejo U/va logran remover entre un 15 - 39% de arsénico, un 70 - 98% de cadmio, un 80 - 100% de cromo y un 75 - 95% de cobre presentes en un cuerpo de agua, al ser utilizadas tanto en sistemas batch como en sistemas continuos.

En la figura 3 se presenta un esquema del proceso de elaboración del biofiltro y de su utilización en los diferentes sistemas (batch o continuo), las etapas descritas en el esquema se detallan a continuación.

ETAPA 1: El proceso para la elaboración del biofiltro comprende:

A. Recolección y molienda de macroalaas: Se realiza una recolección desde praderas naturales de las especies Macrocystis pyrifera, Lessonia spicatta, Durvillaea antárctica, Complejo Ulva y Gracilaria chilensis. Enseguida una vez llevadas a la zona de acopio, se les da un baño ácido que permita estabilizar inicialmente la superficie de las algas. Luego se secan en un rango de temperaturas de 40 a 45 °C. Posteriormente la biomasa es molida en un molino de martillo que permite obtener tamaños de biomasa desde 0,5 cm hasta tamaños inferiores a 200 pm. Cada biomasa es tamizada para la obtención de fracciones de tamaños específicos según especie, para las especies M. pyrifera y L. spicatta se utiliza un tamaño menor a 212 pm, y para D. antárctica, el complejo Ulva y G. chilensis se utiliza un tamaño entre 212 a 512 pm.

B. Pre-tratamiento de biomasas posterior a la molienda: Con el objetivo de mantener la estabilidad de la biomasa, se realiza un pre-tratamiento térmico a una temperatura de 50°C en estufa de secado y también en autoclave a temperaturas de 121°C por 15 minutos repitiendo 2 o más veces según sea necesario. Estos tratamientos son requisito para las especies M. pyrifera y G. chilensis. C. Preparación de la matriz polimérica: La preparación de la matriz polimérica se realizó mediante la adición de 0,5 hasta el 2,5% de polvos de alginato grado alimenticio en agua destilada. Opcionalmente a la mezcla anterior, se le puede agregar 0,5 - 1,5% v/v respecto de la mezcla anterior, de gel de M. pyrífera fresco y no refinado, obtenido al poner en contacto la biomasa fresca de esta especie con agua desionizada por 40 minutos.

D. Mezcla biomasa v matriz polimérica: La biomasa obtenida en la etapa A es utilizada para su mezcla con la solución polimérica preparada en la etapa C. Para ello se tomaron dos vías; la primera consiste en adicionar directamente a la solución una mezcla de biomasas de macroalgal que permitan obtener concentraciones entre un rango de 20 - 80 gL ¹ de biomasa respecto de la solución de alginato, posteriormente es agitada manualmente hasta su homogenización completa. La segunda vía consiste en agregar en forma conjunta la biomasa y el alginato al agua destilada, en el mismo rango anterior, y posteriormente utilizar un homogeneizador para mezclar en un rango de entre 10000 a 30000 rpm.

E. Inmovilización y obtención de biofiltros: La inmovilización de la mezclas obtenidas en la etapa D, se obtiene introduciendo dicha mezcla en un contenedor especialmente diseñado para aquello (Figura 4), que posee orificios por donde la mezcla comienza a caer por gravedad o con ayuda de un equipo compresor a una solución de CaCI2 en un rango de concentraciones de 0,5 al 4 % cuyo contacto genera el entrecruzamiento del alginato formando esferas que inmovilizan en su interior la mezcla de biomasas generadas en la etapa 4, se dejan reposar en la solución por 22 - 24 h. Pasado ese tiempo, las esferas inmovilizadas fueron introducidas en una estufa en dos ciclos de 30 minutos que permitan bajar el % de humedad a un 70 - 75%, posteriormente fueron puestas en papel absorbente por 25 - 30 minutos.

Una de las formas de utilización de esta formulación, es siendo parte de un sistema que incorpora estructuras tipo cartuchos que poseen en su interior esta formulación, estos cartuchos son dispuesto en un sistema automatizado, portátil, que permite el tratamiento de aguas que contienen metales pesados, haciendo circular el agua dentro de estos filtros. El sistema de filtrado portátil considera, en la sección de entrada de agua al sistema, una bomba impulsora de agua, un filtro de arena para remover material particulado en el agua sumado a un filtro de 10 μιη para la remoción de material de menor tamaño y un filtro UV para la eliminación de microorganismos que afecten el biofiltro. En la sección de remoción de metales pesados, hay dos filas con cinco cartuchos cada uno, con un diámetro de 15 cm y una altura de 100 cm para cada uno de los filtros. Cada cartucho posee un volumen máximo de 18 litros, con capacidad para 9,5 kg de inmovilizados. La configuración de los cartuchos puede variar en función de las características del agua a tratar, es asi como en cada cartucho se adicione una mezcla única de esferas inmovilizadas, como también es posible se agreguen esferas inmovilizadas de un alga en particular en un filtro y en el siguiente se agreguen esferas de otras alga y así sucesivamente con los siguientes.

ETAPA 2: Formas de utilización del biofiltro: 2.1: Sistema de remoción continúo:

F. Agua con metales pesados: Se obtiene un RIL o se prepara una gran cantidad de agua contaminada con una concentración que puede ir desde los 0,1 a los

500 mgL ¹ (ppm) en estanques de acopio. De este modo, se obtiene un RIL sintético que puede ser utilizado para evaluar el rendimiento del sistema.

G. Llenado de columna y biosorción: Según el tipo de RIL a tratar, las columnas del equipo de filtración pueden ser llenadas con una mezcla general en todas ellas o mezclas particulares para cada columna. A continuación, el agua del paso 1 se hace pasar a través de las columnas utilizando una bomba lo que permite la remoción de los metales pesados presentes.

2.2: Sistema de remoción batch: H. Agua con metales pesados: Se obtiene un RIL o se procede a preparar soluciones_que pueden ir desde los 0,1 a los 500 mgL ¹ (ppm), según corresponda. De este modo se obtiene un RIL sintético que permita evaluar la eficiencia del sistema.

I. Biosorción de metales pesados: La biomasa inmovilizada en la matriz polimérica (biofiltro) obtenido en la etapa anterior se depositan en el RIL en concentraciones que van desde los 10 a los 250 gL ¹ , según sean las características iniciales del RIL. Al sistema se le debe adicionar un sistema de agitación que permitan mantener el biofiltro en movimiento dentro del agua en tratamiento.

ETAPA 3: Recuperación o reutilización de biomasa o disposición final:

Una vez terminado el proceso de remoción de metales los inmovilizados pueden ser dispuestos en soluciones de HCI, NaOH u otro que posean rangos de concentración de entre 5 - 10% v/v que permita la recuperación de los metales y además la reutilización de los inmovilizados para otro ciclo de remoción.

Dentro de los principales beneficios de la tecnología, podemos mencionar los siguientes:

Uso de recursos renovables, de fácil recolección o cultivo: La materia prima para la filtración de los metales pesados la constituyen macroalgas de las especies Macrocystis piryfera, Durvillaea antárctica, Ulva sp, Lessonia spicata y Gracilaria chilensis, las cuales son colectadas de praderas naturales, fácilmente accesibles en las zonas costeras del país, las cuales pueden ser explotadas mediante un plan de manejo adecuado evitando la desaparición del recurso natural. El gran potencial de crecimiento de muchas macroalgas garantiza la disponibilidad de suficiente material para la producción de los biofiltros.

Eliminación simple de desechos: Toda la biomasa que realiza el proceso de filtración se encuentra inmovilizada en un material polimérico en forma de pequeñas esferas (figura 1), de esta forma una vez que su capacidad de absorción está completa, puede ser removido de manera simple desde el agua descontaminada, a diferencia de cuando se utiliza biomasa libre, que requiere de sistemas adicionales de filtración o centrifugación que encarecen el sistema o lo hacen imposible de escalar. El material de desecho puede ser secado en estufas o por acción directa del sol, reduciendo su volumen al menos a la décima parte. Esta biomasa seca ya usada se puede almacenar, o quemar en hornos adecuados para la generación de cenizas que contienen los metales pesados, que luego se pueden recuperar si así se desea. EJEMPLOS DE APLICACIÓN Ejemplo 1: Elaboración del biofiltro:

1. - Recolección y molienda de macroalgas: Se realizó una recolección desde praderas naturales de las especies Macrocystis pyrifera, Lessonia spicatta, Durvillaea antárctica, Complejo Ulva y Gracilaria chilensis /¿?s que fueron transportadas al Centro de Biotecnología para su secado a una temperatura de 42 ± 2 °C. Posteriormente fue molida en un molino de martillo que permitió obtener diferentes tamaños de biomasa. Posteriormente cada biomasa fue depositada en un tamiz donde se obtuvieron 250 g de M. pyrifera de un tamaño inferior a 212 pm, 235 g de L. spicatta con un tamaño inferior a 212 pm, 235 g de D. antárctica de tamaño inferior a 500 pm pero superior a 212 pm, 220 g de Complejo Ulva de tamaño tamaño inferior a 500 pm pero superior a 212 pm y 220 g de G. chilensis de tamaño tamaño inferior a 500 pm pero superior a 212 pm.

2. - Pre-tratamiento de biomasas: Con el objetivo de mantener la estabilidad algunas de las biomasas obtenidas en la anterior, se procedió a realizar pre- tratamientos químicos y térmicos. Para evitar la liberación de alginatos desde la biomasa de M. pyrifera se puso en estufa de secado a 80 °C por 24 h, siendo posteriormente tratada con soluciones HCL 0,1, 0,15 y 0,20 M sucesivamente por 4 h y secada nuevamente en estufa a 80 °C En el caso G. chilensis la biomasa obtenida en la anterior fue dispuesta dentro de frascos Schott de 500 mi y puestas en autoclave a una temperatura de 134 °C por 15 minutos con el objetivo de evitar la pérdida de pigmentos que refuerzan la remoción de metales.

3. - Preparación de alginato (matriz polimérica): La preparación de la matriz polimérica se realizó mediante la adición de polvos de alginato grado alimentico en 1,8 L de agua desionizada hasta obtener una concentración final del 1,3% p/v. Posteriormente se adiciono a la mezcla 0,2 L de agua, la que previamente fue puesta en contacto con biomasa fresca de M. pyrifera por 5 horas para obtener un agua con lixiviados de alginato no refinados. Para la correcta disolución del alginato, se utilizó un homogenizador de alto cizalle a una velocidad de 20.000 rpm que permitió disolver el polvo en el agua.

4. - Mezcla biomasa alginato: Las biomasas obtenidas en las etapas 1 y 2 son utilizadas para su mezcla con la solución de alginato preparada en la etapa 3 que permita llegar a una relación mix-biomasas/alginato de 30 g L ^_1 . Para ello se tomó 6 ± 0,01 g de M. pyrifera (10%), 6 ± 0,01 g de L. spicata (10%), 6 ± 0,01 g de Complejo Ulva (10%), 3 ± 0,01 g de G. chilensis (5%) y 39 g de D. antárctica (65%) generando un peso total de 60 g (100%) en 2 L de agua desionizada.

5.- Inmovilización: La inmovilización de la mezclas obtenidas en la etapa 4, se obtuvo introduciendo dicha mezcla en un contenedor especialmente diseñado para aquello, que posee orificios por donde la mezcla comienza a caer por gravedad, o con ayuda de un equipo compresor, a una solución de CaCI ₂ al 1,8% cuyo contacto generó el entrecruzamiento del alginato formando esferas que inmovilizan en su interior la mezcla de biomasas generadas en la etapa 4 (Figura 4), se dejan reposar en la solución por 22-24 h. Pasado ese tiempo, las esferas inmovilizadas fueron introducidas en una estufa en dos ciclos de 30 minutos que permitan bajar el % de humedad a un 70-75%, posteriormente fueron puestas en papel absorbente por 25-30 minutos.

Ejemplo 2: Proceso de remoción de metales pesados utilizando el biofiltro en sistema continúo.

1. - Preparación agua contaminada: Se simuló un agua potable contaminada con un con contenido de cobre por sobre todas las normas nacionales. Para ello se acumuló en un estanque lm ³ de agua de estero filtrada y se le adicionó 13,75 g de CuS0 ₄ lo que permitió obtener una concentración final de 3,5 mgl_ ¹ la que sobrepasa la concentración máxima permitida por todas las normativas nacionales para su disposición ya sea en alcantarillados, ríos, lagos y mar.

2. - Llenado de columnas y remoción: Cada columna fue llenada con 9,5 kg de inmovilizados, los que en su interior contienen una mezcla de algas en la siguiente proporción: M. pyrifera (10%), L. spicata (10%), Complejo Ulva (10%), G. chilensis (5%) y D. antárctica (65%). Posteriormente se hizo circular el agua por el sistema de columnas (10 columnas) logrando una eficiencia de remoción del 90% de CuS0 ₄ por más de 4,5 h en la planta piloto (Figura 5). Lo anterior permitió tratar un agua contaminada que no cumplía con las normativas de contenido de metales pesados dispuestas en el Decreto Supremo 90 que establece la norma de emisión para la regulación de contaminantes asociados a las descargas de residuos líquidos a aguas marinas y continentales superficiales. De igual manera no cumplía con el contenido de metales pesados según el Decreto Supremo 609/98 que establece la norma de regulación para la descarga de residuos líquidos industriales al alcantarillado y la Norma Chilena 409/1 para agua potable.

De este modo, el filtro permitió obtener un agua con concentraciones de cobre inferiores a las descritas en cada una de las normas mencionadas anteriormente (Fig. 6), a continuación un detalle de cada norma, sus sub-contenidos y límites máximos para el caso particular del cobre:

DS90: Ríos con Capacidad de Dilución (< lmg L ¹ , r SCD), Ríos con Capacidad de Descarga (< 3 mg L ^_1 , r CCD), Cuerpos de Agua Marinos Dentro de la Zona Litoral (< 1 mg L ^_1 , m DZL) y Cuerpos de Agua Marinos Fuera de la Zona Litoral (< 1 mg L-l, m FZL).

DS609/98: Alcantarillado Sin Planta de Tratamiento (< 3mg L ¹ , SPT) y Alcantarillado Con Planta de Tratamiento (< 3mg L ¹ , CPT).

NCh409/l: Contenido máximo de elementos y substancias químicas (< lmg L ¹ , NCh 409/1)

3.- Recuperación o reutilización de biomasa o disposición final: Una vez terminado el proceso de remoción de metales los inmovilizados fueron dispuestos en una solución de HCI 10% v/v que permitió la recuperación del 70 ± 2% de los metales posteriormente fueron reutilizados en otro ciclo de remoción.

Ejemplo 3: Proceso de remoción de metales pesados utilizando biofiltro en sistema batch.

1. - Preparación agua contaminada: Se prepararon por triplicado 4 soluciones de 40 mL con diferentes metales pesados (Cr, Cd, Cu y As) a un pH < 2,5 con una concentración inicial de 5 ppm. De este modo se pudo simular un agua con alta carga de metales pesados, sobrepasando la concentración máxima permitida por todas las normativas nacionales.

2. - Biosorción de metales pesados: A las soluciones anteriores se les agregó 10 g de inmovilizados (mix-biomasas/alginato) a cada una de las soluciones y sus respectivas replicas, quedando en una concentración de 250 gL ^_1 . Finalmente fueron dispuestas en un shaker orbital a 178 rpm por 24 horas. Lo resultados indicaron que para todos los casos se lograron remociones superiores al 90%.

3.- Recuperación o reutilización de biomasa o disposición final: Una vez terminado el proceso de remoción de metales los inmovilizados fueron dispuestos en una solución de HCI 10% v/v que permitió la recuperación de los metales y además la reutilización de los inmovilizados para otro ciclo de remoción.