Depuración y valorización de efluentes agroindustriales mediante microalgas

¿Cómo se desarrolla el sector porcino en España?

El sector porcino es de gran importancia económica en España, con una facturación que supera los 4.800 millones de euros en 2018 (MAPA, 2019). 

En los últimos tiempos el número de animales se ha ido incrementado año tras año, llegando en 2018 a más 30 millones de cerdos (MAPA, 2019), generalmente en explotaciones intensivas y muchos de ellos concentrados en áreas muy pequeñas con sistemas inadecuados del tratamiento y eliminación de sus residuos como los purines.

Gran parte de estos purines de cerdo se aprovechan como fertilizante en la agricultura, sin embargo, hay más del 30% de estos residuos que se producen en zonas que no disponen de terrenos agrícolas próximos o estos no se pueden aplicar, siendo por tanto excedentes (ADAP). 

Las regiones españolas con altos porcentajes de explotaciones porcinas son: 

• Aragón
• Cataluña
• Castilla-León
• Andalucía
• Región de Murcia

El coste del tratamiento de los purines

Uno de los principales problemas de estos purines generados es el tratamiento y eliminación en las propias granjas, ya que se trata de efluentes líquidos muy contaminados con elevadas concentraciones de materia orgánica y nitrógeno en forma de amoniaco. 

Los tratamientos necesarios actuales en estas zonas suelen tener costes muy elevados y en ocasiones representan un grave problema para el ganadero si este ha de asumir la totalidad de los mismos.

En la actualidad existen distintos sistemas para el tratamiento del purín, destacando los siguientes: 

• Físico
• Biológico
• Físico-químico
• Evaporación a través de calor procedente de cogeneración
• Y digestión anaerobia

El tratamiento de efluentes ganaderos es en realidad una combinación de varios procesos

Estos efluentes presentan concentraciones de nitrógeno y fosforo muy elevadas que las hacen altamente contaminantes y difíciles de procesar. 

Como hemos dicho anteriormente, una de las soluciones posibles es su utilización directa en campo como fertilizante, pero su aplicación debe hacerse de forma controlada y está limitada legalmente a 150 kgN/ha·año.

Uno de los principales problemas de estos purines generados es el tratamiento y eliminación en las propias granjas

La inadecuada gestión de estos residuos se traduce en la infiltración a los acuíferos y la aparición de contaminación ambiental, por lo que es necesario desarrollar procesos sostenibles de depuración de los mismos que conlleven además un bajo consumo de energía y una elevada recuperación de nutrientes inorgánicos como el nitrógeno y el fósforo.

El uso de microalgas para depurar purines

Una alternativa para la depuración de los purines es el uso de microalgas como biofiltro, que además son actualmente fuente de biomasa no convencional para la producción de biofertilizantes, biocombustibles, etc. 

Además, las microalgas pueden asimilar anhídrido carbónico (CO2) como fuente de carbono para su crecimiento, con lo que pueden contribuir adicionalmente a resolver también la polución causada por el CO2.

La Estación Experimental Cajamar lleva más de 15 años trabajando en diversos temas relacionados con la producción y valorización de las microalgas, en colaboración muy estrecha con el departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Almería (Figura 1).

En estos últimos años se han puesto en marcha diversas investigaciones para la producción de microalgas empleando efluentes que contengan nitrógeno y fósforo, y de esta forma contribuir adicionalmente a su depuración. 

Los compuestos orgánicos contenidos en los efluentes son degradados por las bacterias de manera que se transforman en compuestos inorgánicos consumidos por las microalgas. 

Estos se pueden emplear tanto en aguas residuales urbanas como efluentes ganaderos y agroindustriales para la producción de microalgas.

En este tipo de sistemas el objetivo principal es el desarrollo de procesos sostenibles de depuración de aguas residuales, ganaderas y agroindustriales. 

Para ello se emplean consorcios de microalgas y bacterias que transforman los contaminantes en productos de interés tales como:

• Biofertilizantes
• Bioplásticos
• Biogás

De esta forma se obtiene un agua regenerada apta para su reutilización, o un vertido con menores elementos contaminantes. A esto se le denomina biorremediación.

En estos últimos años estamos desarrollando varios proyectos de valorización de estos efluentes agroindustriales mediante producción y aprovechamiento de microalgas para la obtención de bioproductos. 

En 2014 comenzamos con el proyecto PURALGA, en colaboración con el Centro Tecnológico Agrario de Castilla y León, la Universidad de Valladolid, la Universidad de León y la Universidad de Almería. 

Los trabajos realizados permitieron confirmar la viabilidad de la utilización de microalgas como sistemas de depuración de efluentes agroindustriales y cómo el empleo de estos sistemas permite obtener importantes ahorros energéticos además de obtener productos de valor comercial.

Es posible la depuración efluentes ganaderos (purines) con microalgas, obteniéndose cultivos estables capaces de depurar la materia orgánica, nitrógeno y fósforo hasta valores que permiten la entrada a una planta depuradora de aguas residuales urbanas. 

Es necesario diluir los purines para conseguir cultivos estables de microalgas y con ello su depuración. 

El porcentaje de dilución de los purines para alcanzar una depuración óptima depende del tipo de purines del que se trate, del reactor utilizado y de la tasa de dilución aplicada.

En el caso de los biorreactores ensayados, el que obtuvo mayor productividad y mayor tasa de depuración fue el reactor de capa fina, debido a que es el que tiene mayor relación superficie/volumen (figura 2). 

Los resultados muestran que el coste del proceso puede ser compensado por la valorización de la biomasa, pudiendo resultar nulo. La principal aplicación de la biomasa producida puede ser la producción de alimento animal y/o biofertilizantes, siendo estos precios de venta del orden de los necesarios para entrar en este tipo de mercados.

La utilización de microalgas como sistemas de depuración permite obtener importantes ahorros energéticos además de obtener productos de valor comercial

Se trata por tanto de un proyecto que pretendió transformar un proceso costoso como es la depuración de efluentes agroindustriales en un sistema positivo energéticamente que genere además beneficios económicos y medioambientales.

Proyecto PURALGA 

A raíz de los buenos resultados obtenidos, en 2018 se planteó una continuación del proyecto con un segundo proyecto llamado PURASOL, con financiación al igual que el anterior del Instituto Nacional de Investigación y Tecnología Agraria y Alimentaria (INIA). 

Depuración y valorización de efluentes agroindustriales mediante microalgas

En los resultados del proyecto PURALGA se determinó que era necesario diluir los purines para ser utilizados por las microalgas debido a la alta concentración de nutrientes y a la elevada turbidez de estos purines animales, siendo un problema ya que reduce en gran medida la disponibilidad de luz por los cultivos y limita la productividad y eficiencia de los mismos.

Las condiciones de operación en el reactor deben ser ajustadas a sus valores óptimos en función de la composición del purín y las condiciones ambientales predominantes según la ubicación del biorreactor. 

Dichas condiciones determinan el tipo de microorganismos que se establecen en estos sistemas, y por ende los metabolismos principales que tienen lugar en el sistema biológico.

Estos sistemas biológicos están muy poco estudiados por lo que para su optimización se hace necesario estudiar los tipos de microalgas y bacterias que se establecen en estos sistemas en función de las condiciones de operación y ambientales impuestas, así como desarrollar herramientas y modelos que permitan controlar y optimizar este tipo de sistemas. 

En este sentido, los purines animales presentan elevadas concentraciones de compuestos emergentes cuyo comportamiento en sistemas de depuración basados en microalgas está muy poco estudiado. 

Por tanto se hace necesario un análisis en detalle del comportamiento de este tipo de sistema, así como de los metales pesados presentes en los mismos para cuantificar la remoción de los mismos, o cuántos de ellos permanecen en el agua tratada o se acumulan en la biomasa producida.

Tanto la composición como la concentración de compuestos emergentes y metales pesados en la biomasa pueden determinar la viabilidad del uso posterior de la misma para diversas aplicaciones. 

En el proyecto PURALGA se demostró que la producción de bioetanol a partir de microalgas producidas con purines animales no era viable, siendo más recomendable enfocar el proceso a la extracción de las proteínas y lípidos contenidos en la biomasa. 

Sin embargo, también se demostró que era posible producir biofertilizantes y piensos para acuicultura usando la biomasa completa, si bien solo se alcanzó a realizar ensayos puntuales que deben ser ampliados para optimizar la calidad y seguridad de los productos obtenidos.

También en este nuevo proyecto se está estudiando la composición química de los distintos sub-productos obtenidos tras la extracción de proteínas, carbohidratos y lípidos. 

Ya hemos avanzado en algunos resultados, como la reducción del agua empleada en el sistema, recirculando el agua una vez extraída la microalga y la reducción de la evaporación según el tipo de reactor. 

Además se han identificado las sustancias emergentes y metales pesados que quedan en la biomasa y en el agua recuperada para sus posibles usos posteriores.

Referencias

MAPA, 2019. Ministerio de Agricultura Pesca y Alimentación. El Sector Porcino Español en 2018: Principales magnitudes e indicadores económicos.