Desarrollan biorreactor tubular compacto para tratamiento de aguas residuales
Por Armando Bonilla
Ciudad de México. 15 de noviembre de 2016 (Agencia Informativa Conacyt).- De acuerdo con un artículo publicado en la revista Science, México es uno de los países que más se verán afectados por la falta de agua en el mediano plazo. La publicación realizada por los autores Mesfin M. Mekonnen y Arjen Y. Hoekstra detalla que en la actualidad hay 90 millones de mexicanos que viven con escasez.
Asimismo, que de ese universo conformado por 90 millones de personas, al menos 20 millones sufren escasez del vital líquido a lo largo de todo el año. En ese contexto y ante el ritmo de consumo del vital líquido, el Fondo de las Naciones Unidas para la Infancia (Unicef) estima que para 2030 el planeta registrará un déficit de agua cercano a 40 por ciento.
Ante ello, cobran sentido todos los esfuerzos encaminados en optimizar la gestión del vital líquido, tales como políticas públicas a favor del uso racional del agua, el desarrollo de nuevas tecnologías para su potabilización e incluso las innovaciones orientadas a las plantas tratadoras de aguas residuales.
Sobre el tratamiento de agua en México
Cifras reportadas en el informe más reciente de la “Situación de los recursos hídricos” de la Comisión Nacional del Agua (Conagua) señalan que México cuenta con 779 plantas potabilizadoras en operación, mismas que generan 96.3 m3/s de agua potable.
Asimismo, el documento precisa que se tienen dos mil 337 plantas de tratamiento de aguas residuales (municipales) en operación, cuya capacidad es de 11.3 m3/s. Para el caso de aguas residuales industriales, el informe de Conagua precisa que existen dos mil 639 plantas de tratamiento de aguas residuales que generan 65.6 m3/s.
De acuerdo con los expertos, una de las principales limitantes para el tratamiento de aguas residuales, sobre todo en cuanto a la categoría de municipales se refiere, tiene que ver con el tipo de tecnología existente, la cual es muy costosa, requiere de grandes extensiones de terreno para implementar una planta y, en términos generales, la inversión es alta.
La propuesta científica: el biorreactor tubular compacto
Luego de identificar las necesidades en cuanto al tratamiento de aguas residuales se refiere y las principales carencias tecnológicas, Sergio Adrián García González, académico de asignatura en la Facultad de Química, y Alfonso Durán Moreno, profesor de tiempo completo de la Facultad de Química de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), se dieron a la tarea de crear un nuevo sistema de tratamiento de aguas residuales que es compacto y cuyo costo es significativamente menor en comparación con sistemas convencionales, este sistema se basa en el uso de un reactor biológico tubular.
Fuente: Science.En entrevista con la Agencia Informativa Conacyt, Sergio Adrián García González explicó que el proyecto surge como parte de su proyecto de tesis de doctorado y detalló que los primeros años se dedicó a la investigación a nivel de ciencia básica; no obstante, tras identificar el potencial de los hallazgos de su trabajo de investigación —asesorado por el doctor Durán Moreno— ambos se dieron a la tarea de orientar el proyecto como un desarrollo tecnológico.
“Este proyecto nace con la inquietud de innovar en el tratamiento de aguas residuales a través del desarrollo de tecnologías más compactas y más económicas, con base en el uso de la actividad metabólica de microorganismos en biopelículas, que transforman los contaminantes presentes en las aguas residuales”, explicó Durán Moreno, también entrevistado por la Agencia Informativa Conacyt.
Añadió que debido a esa inquietud se estableció un protocolo de tesis doctoral, que fue precisamente la realizada por García González, trabajo cuyos resultados fueron dos dispositivos —con diferentes configuraciones—. “Durante la tesis doctoral se generaron y probaron varias configuraciones y al final nos quedamos solo con dos modelos, cuyos resultados fueron los más satisfactorios en cuanto al tratamiento de aguas residuales”.
Respecto a las dos configuraciones que derivaron de la tesis doctoral de García González, el doctor Durán Moreno, quien pertenece al Sistema Nacional de Investigadores (SNI) con nivel I, dijo que el primero fue para el estudio en mesa de laboratorio de un reactor tubular donde el agua y el aire ascienden en una trayectoria en zigzag provocada por la distribución de platos de un material plástico fibroso sobre el que se fijan los microorganismos.
La configuración de los platos dentro del reactor tubular es clave para definir el patrón de flujo y para asegurar la oxigenación de los microorganismos. Los resultados obtenidos con este primer reactor permitieron desarrollar una segunda configuración de reactor tubular, pero ahora de flujo horizontal con una configuración de los soportes biológicos de tipo cartucho con los que se pudo disminuir sensiblemente el tamaño requerido de los reactores y permitieron incrementar la eficiencia de tratamiento del agua.
La ciencia básica detrás del desarrollo
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México cuenta con 447 260 hm3 de agua renovable al año. La precipitación pluvial en 2014 alcanzó los 831 mm. |
Según los investigadores, el desarrollo parte de un principio ya conocido y documentado en la literatura científica sobre el tratamiento de aguas que es el uso de biopelículas, es decir, la idea de proporcionar un soporte donde los microorganismos (biomasa) se fijen y vayan creciendo en él.
“El soporte les da protección, les permite crecer y los protege de amenazas que van desde la posibilidad de ser arrastrados por el agua, hasta la existencia de tóxicos que los eliminen fácilmente. Sobre esa idea ya conocida, construimos un reactor biológico con una configuración nueva y para ello fuimos haciendo muchos experimentos preliminares hasta llegar al diseño actual”.
La experimentación
De acuerdo con García González, los experimentos básicamente consistieron en el análisis de flujos dentro del reactor para determinar su régimen de flujo; pruebas de transferencia de oxígeno, cinéticas de reacción a diferentes flujos de aire para determinar el efecto sobre la rapidez de reacción.
“Estos estudios básicamente demostraron cuantitativamente las relaciones que existen entre la rapidez de consumo de sustrato por los microorganismos presentes en las biopelículas, y la transferencia de oxígeno con respecto al flujo de aire alimentando el reactor".
A la par de las pruebas a cada una de las configuraciones desarrolladas, se realizaron pruebas para determinar el nivel de desprendimiento de la biomasa de la biopelícula y se demostró que, a las condiciones de flujo en las que se obtienen eficiencias de tratamiento superiores a 95 por ciento, el desprendimiento de la biomasa era menor a uno por ciento.
“Más adelante, utilizamos los modelos (diferentes configuraciones del reactor) seleccionados para realizar pruebas en continuo, es decir, se determinó su eficacia en un escenario similar al real al que se enfrentan las plantas tratadoras en el día a día”.
El dispositivo final y su aplicación
Al referir por qué decidieron avanzar el trabajo hasta el desarrollo tecnológico, el cual actualmente se encuentra en fase de prueba de prototipo en condiciones reales en la planta tratadora de aguas residuales de la UNAM, el doctor Durán Moreno señaló que una vez que su colaborador determinó una efectividad superior en el proceso desarrollado comparado con la que actualmente se tiene en los sistemas típicos utilizados en las plantas tratadoras de aguas residuales, entendieron la importancia de avanzar el trabajo hasta conformar una innovación tecnológica.
“En la configuración que nosotros empleamos, combinamos el material de soporte (ya reportado en la literatura científica), que es un polimérico de fibra no tejida, dentro de un reactor tubular cerrado —lo cual no se había realizado antes— que permite que la concentración de biomasa sea por lo menos 10 veces superior a lo que hay en las plantas tratadoras actuales”.
Entre las principales ventajas respecto a la tecnología ya existente, se encuentra la aceleración en el proceso de tratamiento debido a la mayor concentración de biomasa. “Además este sistema tubular evita olores porque no hay tanques abiertos y genera también un entorno más estético”.
Subrayó que gracias a que durante la etapa de investigación básica se probaron diversas configuraciones —específicas para diferentes tipos de contaminación—, un valor agregado para su desarrollo tecnológico radica en que se puede cambiar la configuración de la biomasa de acuerdo con el origen y la utilidad que se le dará a las aguas residuales.
Las pruebas actuales del biorreactor
“Estamos probando el sistema en condiciones reales, es decir, está analizando aguas residuales generadas en la propia UNAM. Estamos aplicando cambio de cargas y estamos viendo hasta qué nivel de carga orgánica el sistema funciona en condiciones aceptables de acuerdo con la normatividad vigente de calidad de aguas residuales tratadas", dijo García González.
A su vez, el doctor Durán Moreno explicó que ya están trabajando en el desarrollo de un modelo más robusto para su explotación comercial, el cual estará protegido con una patente tramitada a través de la UNAM. “Estamos trabajando para que en los próximos meses tengamos ya un dispositivo que se esté probando a nivel comercial en hoteles y en autolavados, pues ya hay inversionistas interesados, aunque también tendrá las características necesarias para aplicaciones residenciales en zonas urbanas y rurales”.
El desarrollo de este nuevo tipo de reactor biológico tubular (BTR) representa un primer paso para cambiar los diseños que se utilizan actualmente para las plantas de tratamiento de aguas residuales, basadas en el uso ya sea de torres o tanques abiertos.
“En el futuro cercano, las plantas de tratamiento de aguas residuales basadas en módulos tipo BTR serán una opción muy interesante por los ahorros de espacio y menores requerimientos de inversión con respecto a sistemas actualmente disponibles en el mercado”, concluyó Durán Moreno.
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