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Las aguas residuales contienen nutrientes, energía y metales preciosos: los científicos están aprendiendo cómo recuperarlos


La mayoría de la gente piensa lo menos posible sobre las aguas residuales que se producen diariamente a partir de sus duchas, bañeras, lavamanos, lavaplatos y retretes. Pero con las técnicas adecuadas, puede convertirse en un recurso valioso.


Yalin Li

En promedio, todos los estadounidenses consumen aproximadamente 60 galones de agua por día para fines que incluyen la descarga de inodoros, ducharse y lavar la ropa. Esta cifra puede duplicarse fácilmente si se incluyen también los usos al aire libre, como regar el césped y llenar las piscinas.

La mayor parte del agua utilizada eventualmente se convertirá en aguas residuales que deben tratarse antes de que puedan descargarse en la naturaleza . Y ese tratamiento consume mucha energía. Según la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos, las instalaciones de agua y aguas residuales representan más de un tercio de los presupuestos municipales de energía .

Mi investigación se centra en la recuperación de recursos de aguas residuales . Este proceso es difícil porque las aguas residuales contienen muchos tipos diferentes de contaminantes. Pero los investigadores en nuestros campos están explorando muchas formas creativas para hacer productos valiosos a partir de ellos.

Energía a partir de materiales orgánicos.

Los ingenieros de aguas residuales intransigentes comprenden el valor de las aguas residuales, que consideran un activo en lugar de un residuo. Es por eso que algunos de ellos lo llaman «agua usada» en su lugar, y se refieren a lo que la mayoría de las personas llama plantas de tratamiento de aguas residuales como instalaciones de recuperación de recursos hídricos.

Las aguas residuales son un activo: contienen nutrientes, energía y metales preciosos, y los científicos están aprendiendo cómo recuperarlos.
Crédito: EPA

De hecho, las aguas residuales pueden contener más de tres veces la cantidad de energía necesaria para tratarlas . Una técnica simple y madura para recuperar parte de esta energía es la digestión anaeróbica , un proceso natural en el cual los microorganismos se alimentan de grasa y otros materiales orgánicos en las aguas residuales y producen biogás, al igual que la levadura puede comer cebada y escupir cerveza. El biogás contiene aproximadamente un 50 por ciento de metano , que se puede usar como combustible renovable para calderas, hornos y sistemas de calefacción o para encender turbinas y generar electricidad.

Las técnicas más avanzadas, como los procesos hidrotérmicos , toman los lodos de depuración (los sólidos extraídos de las aguas residuales durante el tratamiento) y los convierten en combustibles de base biológica que pueden usarse para reemplazar la gasolina y el combustible diesel. Este proceso se encuentra actualmente en la etapa de demostración .

Además de los lodos de aguas residuales, muchos investigadores, incluido yo, están muy interesados ​​en las microalgas. Las microalgas son materias primas prometedoras para los biocombustibles , y algunas de ellas pueden crecer en aguas residuales. Mis colegas y yo hemos diseñado sistemas hidrotermales para convertir las microalgas cultivadas en aguas residuales en biocombustibles . Todavía se están probando en el laboratorio, pero esperamos ampliarlos en un futuro cercano.

Nutriendo los nutrientes de las aguas residuales.

Las aguas residuales también contienen nutrientes como el nitrógeno y el fósforo, que son elementos esenciales que las plantas necesitan para crecer. En los procesos actuales de tratamiento de aguas residuales, usamos energía para convertir el amoníaco en las aguas residuales , que provienen principalmente de la orina , en gas nitrógeno. Sin embargo, las industrias luego usan grandes cantidades de gas natural para convertir el nitrógeno en amoniaco, principalmente para producir fertilizantes, a través del proceso Haber-Bosch .

Las aguas residuales son un activo: contienen nutrientes, energía y metales preciosos, y los científicos están aprendiendo cómo recuperarlos.
Dentro de estos digestores anaeróbicos de «huevo» en la planta de tratamiento de Deer Island en el puerto de Boston, los microbios descomponen el lodo de las aguas residuales y la espuma en gas metano, dióxido de carbono, agua y sólidos orgánicos que se transforman en fertilizantes. Crédito: Frank Hebbert / Wikimedia , CC BY

Claramente, sería mucho más eficiente extraer directamente el amoníaco de las aguas residuales sin convertirlo. Una forma es usar inodoros que desvían la orina, que ya están disponibles comercialmente , para separar la orina de otras fuentes de aguas residuales. Luego, la orina recolectada podría usarse como fertilizante después de desinfectarla para eliminar los patógenos.

La orina desinfectada también contiene otros nutrientes como el fósforo y el potasio. El Instituto Rich Earth , una organización sin fines de lucro con sede en Vermont y apoyada por agencias y fundaciones federales, está investigando formas de convertir la orina humana en fertilizante. El instituto está evaluando la orina recolectada en cultivos reales y descubrió que funciona de manera efectiva .

Alternativamente, podemos recuperar estos nutrientes como estruvita o fosfato de magnesio y amonio, un mineral que contiene magnesio, nitrógeno y fósforo. La estruvita puede formarse naturalmente durante los procesos de tratamiento de aguas residuales, pero tiende a depositarse en tanques y tuberías y dañará el equipo si se deja desatendido. Al controlar la formación de estruvita, se puede recuperar en reactores separados.

Los investigadores han probado estruvita recuperada en cultivos en laboratorios y han logrado rendimientos comparables a los fertilizantes comerciales . La técnica aún está madurando, pero las compañías están desarrollando versiones comerciales para plantas de tratamiento de aguas residuales .

Mas posibilidades

¿Quieres cosas más valiosas? Las aguas residuales son literalmente una mina de oro. Contiene metales valuados en millones de dólares por año . Estos metales son a menudo tóxicos para la vida acuática, por lo que deben eliminarse. Pero las tecnologías de eliminación convencionales requieren mucha energía y producen lodos tóxicos .

Los investigadores están desarrollando nuevas formas de eliminar y reutilizar estos metales, incluidos los sistemas de membrana que pueden eliminar selectivamente los metales preciosos del agua y los biosistemas que utilizan microorganismos para recuperarlos . Estas técnicas se encuentran en una etapa muy temprana y aún no está claro si tendrán sentido económico, pero tienen el potencial de hacer que las aguas residuales sean más valiosas.

Además, las aguas residuales generalmente son más cálidas que los suministros naturales de agua, especialmente en el invierno, por lo que pueden servir como fuente de calor. Esta técnica está bien establecida y no se limita a la escala comercial. Puede instalar sistemas de recuperación de calor de agua de drenaje en el hogar para reducir su factura de energía.

Para mí, esto es sólo un comienzo. Con las técnicas adecuadas, las «aguas residuales» pueden ofrecernos mucho más, y espero con mucha ilusión el día en que no haya «aguas residuales», solo «agua usada».


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