Aplicaci¶on e importancia de las microalgas en el tratamiento de

Aplicaci¶on e importancia de las microalgas en el
tratamiento de aguas residuales
Margarita Salazar Gonz¶alez
Laboratorio de Microbiolog¶³a Ambiental y Tratamiento de Aguas Residuales.
Depto. de Biotecnolog¶³a. UAM-I
e-mail [email protected]
Recibido: 30 de julio de 2005
Aceptado: 23 de noviembre de 2005
ture, in the di®erents aspects to the aquaculture).
This system of wastewater valorization, through cloro¯ts microalgae culture presents advantages for integral applications. Some parameters that should be
considered include type of e²uent, loading organic,
temperature, light intensity, genus of the microalgae and culture type (monoalgae and mixture).
Resumen
Las microalgas utilizadas en el tratamiento de e°uentes pueden ser consideradas como una alternativa
de tratamiento terciario, debido a los procesos acoplados de bacterias (quienes realizan la degradaci¶
on
de la materia org¶anica) y microalgas (quienes utilizan los compuestos inorg¶anicos), para llevar a cabo una e¯ciente bioconversi¶on de la energ¶³a solar,
en la utilizaci¶
on y eliminaci¶on de materia org¶
anica, lo cual se traduce ¯nalmente en generaci¶
on de
biomasa, mejorando la calidad del e°uente y aumentado la concentraci¶on de oxigeno. Esta biomasa de microalgas puede ser aplicada en sistemas de
producci¶
on, (avicultura, diferentes aspectos de la
acuacultura, etc).
Key words: microalgae, treatment, wastewater,
nutrients
Introducci¶
on
El tratamiento de aguas residuales dom¶esticas e industriales generadas en nuestro pa¶³s, resultado de
las diversas actividades de la vida cotidiana, requiere de especial atenci¶
on por parte de la sociedad y
de los investigadores, debido a las descargas que se
realizan en la actualidad a cuerpos de agua, ocasionando serios problemas de contaminaci¶
on colateral y eutro¯caci¶
on e incluso la muerte de algunos sistemas acu¶
aticos, que reciben las descargas de materia org¶
anica superiores a la capacidad de autodepuraci¶
on de los ecosistemas, por lo que resulta de
gran importancia el cuidado y recuperaci¶
on debido a su papel en el ciclo hidrol¶
ogico y a los efectos da~
ninos que provocan en el medio ambiente.
Este sistema de valorizaci¶on de tratamiento de aguas
residuales, a trav¶es del cultivo de microalgas cloro¯tas, presenta importantes ventajas en aplicaciones
integrales. Algunos par¶ametros a considerar son el tipo de e°uente, la carga org¶anica, la temperatura, la
intensidad luminosa, el g¶enero de microalgas y el tipo de cultivo (monoalgal y mixto).
Con la ¯nalidad de mejorar la calidad de los e°uentes a descargar, existen diferentes tipos de tratamiento de aguas residuales: el primario, el cual consiste en una separaci¶
on mec¶
anica de s¶
olidos por sedimentaci¶
on, °otaci¶
on y /o neutralizaci¶
on; el secundario, en el cual se lleva a cabo la degradaci¶
on bacteriana de la materia org¶
anica a trav¶es de lagunas
de oxidaci¶
on, de lagunas de estabilizaci¶
on, de lodos activados y de ¯ltros biol¶
ogicos, como son los
digestores anaerobios. Sin embargo este tratamiento trae como consecuencia la generaci¶
on de e°uentes con elevadas concentraciones de nutrientes (principalmente amonio y fosfatos), adem¶
as de la presen-
Palabras claves: microalgas, tratamiento, aguas residuales, nutrientes
Microalgae use within waste water treatment can be
considered as an alternative to tertiary treatment,
since this process couples of bacteria (who degrade the organic matter) and the microalgae (who used
the inorganic compounds) to make the e±cient bioconvertion of the solar energy in the utilization and
elimination of organic matter, to the generation of
biomass, improving the e°luent quality and increasing the e²uent oxygenation. This microalgae biomass can be applied to production systems (avicul64
Aplicaci¶
on e importancia de las microalgas. . .
Margarita Salazar Gonz¶
alez.
cia de muchos pat¶ogenos (coliformes, fecales, helmintos, etc) por lo que es necesario aplicar un tratamiento terciario con procesos ¯sicoqu¶³micos como la
precipitaci¶
on, intercambio i¶onico, remoci¶on de nutrientes, de metales pesados, cloraci¶on, ozonizaci¶
on y
osmosis inversa, que resultan altamente costosos pa¶
ra las empresas, con lo que se restringe ampliamente
su utilizaci¶
on.
El objetivo fundamental de la aplicaci¶on de microalgas en el tratamiento de aguas residuales es la utilizaci¶
on y transformaci¶on de los nutrientes a biomasa, con la consecuente producci¶on de ox¶³geno, para mejorar la calidad del e°uente as¶³ como la disponibilidad de ¶este para la continua oxidaci¶
on bacteriana de la materia org¶anica en sistemas integrales, mediante el ciclo de oxigenaci¶on fotosint¶etica de
aguas residuales Fig. 1, p¶ag. 66. (Oswald, 1988).
Antecedentes
La importancia y aplicaci¶on de las microalgas en el
tratamiento de aguas residuales, tiene sus antecedentes en la ¶epoca de Caldwell (1940), quien reporta los primeros estudios, sobre la posibilidad de utilizar las microalgas como microorganismos \puri¯cadores de aguas residuales", debido al aprovechamiento de los \nutrientes inorg¶anicos" contenidos en esta agua, para favorecer el crecimiento de las microalgas, funcionando ¶este como medio de cultivo.
Posteriormente Oswald (1957), introduce un nuevo concepto en la producci¶on masiva de microalgas, al llevar a cabo el tratamiento de las aguas residuales, obteniendo una producci¶on de biomasa vegetal con un alto contenido prot¶eico, lo que ¯nalmente se considera como una valorizaci¶on de las aguas residuales mediante el cultivo de microalgas. Es en la
d¶
e cada de los a~
nos sesenta, en Richmond, California (1960), cuando se plantea el sistema de cultivo
m¶
as grande de los Estados Unidos, lleg¶andose a alcanzar una producci¶on muy alta de biomasa de microalgas, siendo de 12-18 g m2 d¡1 . Es a partir de este cultivo a gran escala que se desencaden¶
o el desarrollo por parte de diversos pa¶³ses en el cultivo masivo de microalgas en sistemas cerrados y abiertos,
con diferentes ¯nalidades.
De acuerdo a lo planteado anteriormente, se presenta
el cultivo de microalgas, como una de las mejores
alternativas para el tratamiento de aguas residuales,
como un sistema biol¶ogico de tratamiento terciario
de bajo costo, debido a la remoci¶on de nutrientes y
metales pesados, como una soluci¶on a los problemas
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de contaminaci¶
on y eutro¯caci¶
on ocasionados por las
descargas.
Ventajas del tratamiento
El proceso integral de tratamiento terciario, presenta ventajas tan importantes como son: el mejoramiento de la calidad del e°uente, mediante un mecanismo de bajo costo energ¶etico, as¶³ como el aprovechamiento de nutrientes, que est¶
an siendo desechados, al ser incorporados a la biomasa, con la consecuente producci¶
on y generaci¶
on de ox¶³geno. Lo cual
trae como consecuencia, en un proceso global: la remoci¶
on de sales (amonio, nitritos, nitratos, ortofosfatos), el aumento del pH de los e°uentes (proceso fotosint¶etico), lo cual favorece la precipitaci¶on
de ortofosfatos, la eliminaci¶
on de nitr¶
ogeno amoniacal por efecto de intercambio gaseoso, la disminuci¶
on de la demanda biol¶
ogica de ox¶³geno, la oxigenaci¶
on del agua, favoreciendo la oxidaci¶
on continua
de materia org¶
anica, la acci¶
on bactericida, reduciendo la sobrevivencia de organismos pat¶
ogenos, la recuperaci¶
on de CO2 , liberado en los procesos, mediante su empleo en el proceso fotosint¶etico y un alto rendimiento en la bioconversi¶
on de la energ¶³a solar (4 y 8 %) respecto a algunas plantas agr¶³colas convencionales (az¶
ucar y sorgo), siendo del 1.5 % (Kojima & Lee, 2001)
E¯ciencia
Finalmente la e¯ciencia de este proceso, depende de
varios factores tales como:
² tipo de e°uente a tratar: dom¶estico, agr¶³cola e
industrial
² caracter¶³sticas de operaci¶
on: carga org¶anica e
hidr¶
aulica
² contaminantes (organismos depredadores), que
afectan la composici¶
on de la biomasa, restringiendo las aplicaciones.
² profundidad de los estanques y de los mecanismos de agitaci¶
on
² diferente temperatura e intensidad luminosa, debido a las variaciones estacionarias, as¶³ como el fotoperiodo (luz-obscuridad) o luz
continua.
Algunos aspectos a considerar en la e¯ciencia del
proceso son: la adecuada combinaci¶
on de los par¶ametros anteriormente mencionados, as¶³ como el mantenimiento del cultivo en ¶
optimas condiciones, favore-
66
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Figura 1. Ciclo de oxigenaci¶
on fotosint¶
etica de aguas residuales (Oswald, 1988).
ciendo la elevada e¯ciencia de remoci¶on del proceso, con la ¯nalidad de alcanzar las m¶aximas densidades algales.
Tipos de sistemas de tratamiento
con microalgas
Existen diferentes tipos de sistemas de tratamiento que utilizan cultivos microalgales, los cuales se explican a continuaci¶on:
² Pileta no aereada: es un sistema muy simple,
de poca profundidad, el cual tiene la posibilidad
de combinar dos tipos de tratamiento, como son
el secundario y terciario; sin embargo presenta
bajas e¯ciencias y es dif¶³cil la recuperaci¶
on de
microalgas.
² Pileta aereada: es un sistema m¶as complejo de
oxidaci¶
on, el cual tiene un mecanismo de aereaci¶
on, por lo que aumenta la oxigenaci¶on, presentando de ¶esta manera una mayor e¯ciencia y recuperaci¶on de la biomasa por ¯ltraci¶
on
en grava.
² Lagunas de oxidaci¶on: son estanques poco profundos (entre 30 y 60 cm), con mecanismos de
aereaci¶
on y agitaci¶on, los cuales favorecen el crecimiento de las microalgas. En este sistema se
favorece el aumento en la degradaci¶on bacteriana, ocasionado por el incremento en la oxigenaci¶
on, lo cual provoca la proliferaci¶on de microalgas, y por lo tanto, aumenta la e¯ciencia global del tratamiento de las aguas residuales.
² Lagunas de alta tasa de oxidaci¶
on: es un dise~no
similar al anterior, el cual se aplica a las aguas
residuales con tratamiento secundario, siendo
¶estas inoculadas con altas densidades microalgales. En la cual se obtiene una biomasa mixta, la cual aumenta la tasa de oxidaci¶
on, la tasa de remoci¶
on y por lo tanto la e¯ciencia global del sistema.
² Lagunas de oxidaci¶
on de algas: es un dise~no
similar al anterior, sin embargo en este caso,
est¶
a orientado hacia la producci¶
on de biomasa con ¯nes de alimentaci¶
on y/o producci¶
on de
metabolitos de inter¶
es comercial (pigmentos).
La selecci¶
on del sistema de tratamiento depender¶
a del tipo de agua residual a tratar, as¶³ como
de la extensi¶
on de super¯cie requerida para el estanque de cultivo, y de los microorganismos a utilizar, ya que los objetivos son el incremento de la producci¶
on de biomasa microalgal (no limitaci¶
on de nutrientes), y la optimizaci¶
on del proceso integral es decir, la eliminaci¶
on total de nutrientes.
La aplicaci¶
on de estos sistemas, pueden presentar
ciertas desventajas, como son: la necesidad de grandes extensiones de super¯cie requeridas para los estanques de cultivo, y la recuperaci¶
on de la biomasa de microalgas en cuanto a los aspectos tecnol¶ogicos y econ¶
omicos. Sin embargo, se plantea en el primer caso, un adecuado manejo de par¶
ametros de cultivo, como la disminuci¶
on del ¶
area de cultivo en estanques peque~
nos, con altas densidades microalgales, con cepas de microalgas \activadas" (adaptadas
Aplicaci¶
on e importancia de las microalgas. . .
Margarita Salazar Gonz¶
alez.
al e°uente) y bajos tiempos de retenci¶on. En el segundo caso se propone aplicar procesos de sedimentaci¶
on en obscuridad, el empleo de °oculantes, como el quitos¶an, °oculaci¶on-decantaci¶on y auto°oculaci¶
on y bio°oculaci¶on presentada por algunas especies de microalgas.
Microalgas comunes en lagunas de
estabilizaci¶
on
Las microalgas que se utilizan en el tratamiento de
aguas residuales se caracterizan por soportar elevadas concentraciones de nutrientes contenidos en
las aguas residuales, los cuales son requeridos para el desarrollo y crecimiento poblacional, por lo que
los microorganismos presentan ciertas adaptaciones
para poder sobrevivir en estos medios. Presentan
adem¶
as una actividad metab¶olica elevada, una capacidad de resistir variaciones ambientales y un desarrollo de cultivo en fase exponencial, con la ¯nalidad de tolerar las altas concentraciones de nutrientes
inorg¶
anicos.
Dentro de las microalgas tenemos grupos y g¶eneros
representativos, que son utilizados en el tratamiento
biol¶
ogico terciario de las aguas residuales, las cuales
se presentan en la tabla 1, (pag. 68).
En la tabla 2 (p¶ag. 68), se presentan algunos ejemplos de tratamiento de diferentes aguas residuales, en
varios pa¶³ses, as¶³ como de los g¶eneros de microalgas
aplicados y la productividad alcanzada en el sistema
utilizado.
La biomasa microalgal obtenida en estos sistemas de
tratamiento, puede ser cosechada o recuperada con
las t¶
ecnicas presentadas anteriormente para su aplicaci¶
on en diferentes aspectos, como suplemento o
complemento de la alimentaci¶on animal y producci¶
on de fertilizantes, lo cual se traduce como la valorizaci¶
on del tratamiento de las aguas residuales con
cultivos de microalgas (Tabla 3, p¶ag 68).
Biorremoci¶
on de metales pesados con
microalgas
En la descarga de aguas residuales dom¶esticas e industriales, se encuentran principalmente altas concentraciones de materia org¶anica, as¶³ como desechos
inorg¶
anicos, entre los que se pueden mencionar como altamente t¶oxicos a los metales pesados, causantes de muchas alteraciones a los seres vivos, debido a los problemas que se presentan por la acumulaci¶
on en la sangre, en el cabello, en el sistema nervioso, en la piel, etc., por lo que la biorremoci¶
on de estos metales en sistemas biol¶ogicos es posible median-
67
te la aplicaci¶
on del cultivo de microalgas, ya que
presentan diversas adaptaciones y ciertos mecanismos de tolerancia, los cuales son los responsables de
llevar a cabo a trav¶
e s de la membrana, los procesos de adsorci¶
on, absorci¶
on y desorci¶
on. Los metales
que m¶
as se han estudiados en este tipo de tratamiento son: Cd, Zn, Cu, Ag, P b, Hg, N i y Cr (Fig. 2.
p¶
ag. 69). As¶³ mismo, los g¶
e neros de Chlorella y Scenedesmus, mostraron la mayor capacidad de remoci¶
on de los metales se~
nalados (Kojima & Lee, 2001).
Adaptaciones de las microalgas a los e°uentes
con metales pesados
² Capacidad para sobrevivir y reproducirse en
h¶
abitats contaminados con metales
² adaptaciones gen¶eticas, dependiendo de cada
g¶enero a utilizar
² cambios gen¶
eticos o ¯siol¶
ogicos producidos por
la exposici¶
on a los metales, haciendo m¶as tolerantes algunos g¶eneros a un metal espec¶³¯co
² tolerancia a algunos metales (propiedades intr¶³nsecas bioqu¶³micas y ¯siol¶ogicas), como la bioacumulaci¶
on en vacuolas de Cd y Zn, siendo no da~
ninos.
² resistencia dada por la respuesta de las microalgas al medio ambiente externo y a la exposici¶
on de metales.
Mecanismos de tolerancia de las microalgas a
los e°uentes con metales
² Captaci¶
on extracelular y precipitaci¶
on: dada
por la composici¶
on de las especies de algas, la
biomasa total y par¶
ametros ¯sicoqu¶³micos
² Impermeabilidad y exclusi¶
on: detoxi¯caci¶on en
la cual los iones, no atraviesan la membrana celular, por lo que la c¶
e lula no toma los metales al interior.
² detoxi¯caci¶
on interna: en la cual, los metales
se depositan frecuentemente en varios organelos
celulares, mitocondrias, vacuolas, n¶
ucleo, cloroplastos, cuerpos de inclusi¶
on (polifosfatos) y pared celular (Rai, et al., 1981; Reed & Gadd, 1989
y Vymazal, 1995)
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Tabla 1. G¶
eneros de microalgas comunes en lagunas de estabilizaci¶
on.
Grupo
G¶
eneros representativos
Diatomeas
Flageladas
Algas verdes
Algas verde-azules
Cyclotella,Gomphonema,Nitzschia
Chlamydomonas, Euglena,Cryptomonas
Ankistrodesmus, Chlorella, Scenedesmus
Anacystis, Anabaena, Oscillatoria
% de aplicaci¶
on en
lagunas de estabilizaci¶
on
10
25
50
15
Tabla 2. Tratamiento de aguas residuales en lagunas de alta tasa de oxidaci¶
on (Kojima & Lee, 2001).
Pa¶³s
In°uente
Microalga
Israel
Taiw¶
an
India
India
Tailandia
Singapur
E.U.
Malasia
Brasil
Municipal dom¶estico
digerido porcino
orina humana
melaza (ca~na)
tapioca
desecho porcino
esti¶ercol de ganado
aceite de coco
dom¶estico
Scenedesmus, Euglena y Chlorella
Spirulina, Chlorella
Spirulina
Scenedesmus
Spirulina
cultivo mixto
Chlorella
Chlorella
Scenedesmus, Chlorella
Productividad
(gm2d¡1 )
44.2
15-25
10-12
15-20
7-10
5.4-5.0
30
2.7-12.8
10-27
Tabla 3. Empleo de microalgas producidas en el tratamiento de aguas residuales.
G¶
eneros de Microalgas
Chaetoceros , Chlamydomonas, Chlorella,
Chlorococcum, Cyclotella, Dunaliella,
Rhodomonas.
Otros g¶eneros
Cianobacterias
(Fijaci¶on de nitr¶ogeno)
Diversos g¶eneros
Empleo
Acuacultura
Moluscos, bivalvos, crust¶
aceos, rot¶³feros,
clad¶
oceros, cop¶epodos y peces.
Alimentaci¶
on animal
Avicultura, ganado porcino, ganado vacuno
Fertilizantes diversos
Arrozales, y cultivos diversos
Productos qu¶³micos y energ¶³a
Producci¶
on de hidr¶
ogeno, metanizaci¶
on y
acidos org¶
¶
anicos.
Aplicaci¶
on e importancia de las microalgas. . .
Margarita Salazar Gonz¶
alez.
69
Figura 2. Biorremoci¶
on de metales pesados por microalgas (Nagase, et al., 1994).
Experiencias en la unidad Iztapalapa
Este tipo de tratamiento biol¶ogico terciario se ha
llevado a cabo en el laboratorio de tratamiento de
aguas residuales utilizando el agua residual dom¶
estica (e°uente anaerobio) de las instalaciones de la Universidad (laboratorios de docencia e investigaci¶
on,
cafeter¶³a, actividades deportivas, aulas de clases), se
realizaron experimentos a nivel laboratorio, invernadero y planta piloto con cultivos mixtos de Chlorella, Scenedesmus, Closterium, y Sphaerocystis. Las
c¶
elulas del g¶enero Chlorella presentaron mayor dominancia y resistencia en los cultivos en planta piloto, sin embargo en las c¶elulas del g¶enero Scenedesmus, se observaron alteraciones morfol¶ogicas (gigantismo), debido a las altas concentraciones de amonio. Se obtuvieron altas densidades celulares y altos porcentajes de remoci¶on para los nutrientes estudiados (nitratos, nitritos, (40 %) fosfatos (40-70 %),
amonio (50-60 %), as¶³ como en el contenido de bacterias totales.
Conclusiones
Los resultados obtenidos en el tratamiento integral
(primario, secundario y terciario biol¶ogico) de e°uentes, mediante el empleo de cultivos microalgales, de-
pender¶
a de los objetivos del proyecto, as¶³ como del tipo de agua residual a tratar, del g¶enero de microalgas, del tipo de cultivo, monoalgal y/o mixto, as¶³ como del sistema a utilizar, con la ¯nalidad de obtener un e°uente de mejor calidad y la obtenci¶on de un
producto aplicable en diferentes aspectos de la acuicultura, avicultura, como fertilizante, etc, lo que representa la importancia y aplicaci¶
on de este proceso en la valorizaci¶
on del tratamiento de las aguas residuales con cultivos de microalgas.
Bibliograf¶³a
1. Kojima, H. and Lee y K. Photosynthetic microorganisms in Environmental Biotechnology.
Springer-Verlag. Hong-Kong. 2001. 310 pp.
2. Nagase H, Inthorn D. and Miyamoto K. The use
of photosynthetic microorganism in bioremedation. Jpn. J. Toxicol. Environ. Health 40, 479.
1994.
3. Oswald, W. J. Ligth conversion e±ciency in
phothosynthetic oxygenation. IER, series 44. Sanitary Engr. Res. Lab. Univ. Calif. Berkeley.
1957. 127pp
70
ContactoS 59, 64{70 (2006)
4.
Oswald,W. J. Microalgal Biotechnology (Borowitzka, M. A. and Borowitzka, L. J. (Eds)
Cambridge University Press, Cambridge. 1988.
pp.305-328.
5.
Rai LC, Gaur JP and Kumar HD. Phycology
and heavy-metal pollution. Biol. Rev. 56, 99.
1981.
6.
Reed RH and Gadd GM. Metal tolerance in eukaryotic and prokaryotic algae, In Heavy Metal Tolerance in Plants: Evolutionary Aspects.
Shaw JA, (Ed) CRC Press, Boca Raton, Florida, 1989. 105.
7.
Vymazal J. 1995. Others elements, in Vymazal
J. Algae and element cycling in wetlands. CRC
Press Inc.
cs