ES2251286B1 - Depuracion de aguas continentales mediante cultivos de macroalgas verdes filamentosas que absorban y reciclen nutrientes y/o fijen metales pesados generando biomasa vegetal. - Google Patents
Depuracion de aguas continentales mediante cultivos de macroalgas verdes filamentosas que absorban y reciclen nutrientes y/o fijen metales pesados generando biomasa vegetal. Download PDFInfo
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Abstract
Depuración de aguas continentales mediante cultivos de macroalgas verdes filamentosas que absorban y reciclen nutrientes y/o fijen metales pesados generando biomasa vegetal. El objeto de la invención es un sistema de tratamiento de aguas continentales consistente en una sucesión de cubetas o estanques abiertos de poca profundidad (30 cm) expuestos a la luz solar, que se pueden suplementar con luz artificial y termostatizar (en este caso el sistema podría trabajar de forma continua, día y noche sin interrupción), en los que se desarrollan y proliferan macroalgas filamentosas.
Description
Depuración de aguas continentales mediante
cultivos de macroalgas verdes filamentosas que absorban y reciclen
nutrientes y/o fijen metales pesados generando biomasa vegetal.
Depuración de aguas, obtención de biomasa,
piensos animales, abono verde o, en su caso, fijación de metales
pesados.
La contaminación del agua reviste una
importancia creciente, especialmente en aquellas zonas de baja
pluviosidad. Los recursos hídricos representan un factor primordial
para las actividades agrícolas y para el medio ambiente de cualquier
región. Actualmente, el agua de calidad es un bien escaso a nivel
mundial y en particular en gran parte de nuestra geografía, debido
al desarrollo y al aumento de la productividad de todas las
regiones. Esta circunstancia, se agrava con la sustitución del
cultivo de secano por el de regadío, lo que está conduciendo al
agotamiento progresivo de los acuíferos naturales. A pesar de los
esfuerzos de las administraciones públicas, periódicamente se
presentan episodios de restricción de riego e incluso de consumo
doméstico, lo cual se podría paliar si se dispusiera de agua
reciclada de mayor calidad. A continuación se describe, en
síntesis, el proceso que viene denominándose "eutrofización" de
las aguas superficiales, que se manifiesta en algunas zonas húmedas
España, impidiendo la utilización de este recurso.
Las estaciones depuradoras (EDAR) convencionales
efectúan el tratamiento básico de los vertidos urbanos enfocado
principalmente a la reducción de su contenido en materia orgánica.
Pero los efluentes de las EDAR contienen todavía altas
concentraciones de iones nitrogenados y/o fosforados. Además, las
prácticas agrícolas y las explotaciones ganaderas actuales, de tipo
intensivo, suponen una fuente adicional de nitrógeno para los cursos
fluviales y las aguas subterráneas. La actividad nitrificadora de
las bacterias provoca finalmente la acumulación de grandes
concentraciones de nitrato en los cursos de agua. Este compuesto es
muy soluble y se transporta río abajo hasta los embalses,
contaminando además las aguas subterráneas por lixiviación. La
presencia de nitrato en el agua y en productos agrícolas está
relacionada con graves enfermedades, como la "enfermedad de los
niños azules" y algunos tipos de cáncer producidos por
nitrosaminas. La solubilidad del fósforo, en cualquiera de sus
estados, no es tan grande como la del nitrato y se retiene en el
sedimento de los lechos de los ríos y pantanos sin llegar a las
capas freáticas profundas. Pero cuando el fósforo se encuentra en
exceso en las aguas superficiales, embalsadas o de curso lento, se
producen condiciones de crecimiento excesivo de cianobacterias
(algas verde-azuladas), capaces de fijar el
nitrógeno atmosférico. Su proliferación descontrolada da lugar a la
aparición de compuestos sumamente tóxicos como son las hepatotoxinas
y las neurotoxinas, muy tóxicas aún a dosis bajas, en el agua para
el consumo del ganado o incluso en aquella embalsada para
utilización doméstica o recreacional.
Adicionalmente, estas situaciones descritas en
las que los nutrientes nitrogenados y fosforados se encuentran
presentes en exceso, y más aún en presencia de sulfato y potasio,
provocan la aparición y proliferación de algas oportunistas. Esto da
lugar a la generación de materia orgánica debida a la actividad
fotosintética fijadora de carbono inorgánico (CO_{2} y
HCO_{3}^{-}) que llevan a cabo dichos organismos cuando reciben
la luz del sol. Las algas llegan a formar tapices muy densos en la
superficie de las aguas embalsadas que impiden el paso de la luz y
el intercambio de gases en los estratos más profundas. La materia
orgánica que se encuentra en estos estratos se descompone por la
acción fermentativa bacteriana, lo que produce una disminución de la
calidad y unas condiciones insalubres en aguas superficiales que de
esta manera no se pueden reutilizar.
En España, como en otras partes del mundo, se ha
demostrado que los sistemas de depuración convencionales, si bien
han supuesto un gran paso adelante, no alcanzan a eliminar los
nutrientes minerales que ocasionan el fenómeno de eutrofización de
las aguas superficiales. Como complemento adicional de los sistemas
de depuración convencionales, se ha empezado a desarrollar el empleo
de tecnologías biológicas para solucionar, o al menos paliar, este
problema.
En muchos países se vienen utilizando lagunas
artificiales para estos fines. A este respecto, se deben destacar,
por su aplicabilidad para el tratamiento rural, las "lagunas de
estabilización", consistentes en una sucesión de lagunas en las
que se aprovecha la actividad de organismos fotosintéticos,
principalmente microalgas unicelulares, como agentes depuradores.
Mayor popularidad vienen teniendo unos sistemas similares en los que
se cultivan plantas emergentes, sumergidas o flotantes que además
crean unas condiciones aptas para la desnitrificación por bacterias
que viven asociadas a ellas en condiciones anaeróbicas. Sin embargo
estos sistemas de tratamiento lento suponen la ocupación de extensas
áreas de terreno, lo cual no siempre es posible y además tienden a
generar malos olores, acumular fangos y permitir la proliferación de
numerosos insectos dañinos o molestos. Las pérdidas de agua por
evaporación pueden llegar a ser significativas, lo que en regiones
con escasez de recursos hídricos no es deseable, además de provocar
la salinización de los efluentes.
Otra posibilidad que se ha intentado desarrollar
desde hace tiempo es el empleo directo de microalgas unicelulares de
rápida proliferación. Las instalaciones para el cultivo de estas
microalgas, en los efluentes del tratamiento secundario de aguas
residuales urbanas, están bien diseñadas y existen estrategias
diversas que proporcionan altos rendimientos de biomasa, teniendo en
cuenta tanto la energía de irradiación necesaria para su
proliferación como su capacidad para eliminar el nitrógeno, el
fósforo y cationes como el sodio, el potasio o el calcio. Igualmente
ciertas especies de algas presentan un grado de eficacia notable
para almacenar y quelar metales pesados en forma catiónica. Sin
embargo se ha de admitir que el éxito operacional del empleo de
microalgas para estos fines depuradores no ha sido espectacular.
Esto está en gran parte motivado por la dificultad de separar del
agua a estos microorganismos unicelulares. Aunque se han propuesto
sistemas ingeniosos de decantación o inmovilización en matrices
inertes (alginatos, carragenos, chitosan, etc.), la eficacia es baja
y el resultado mediocre, además de incrementar el coste final del
proceso. La centrifugación del efluente es el único método que
garantiza la separación de estos microorganismos fotosintéticos del
medio en el que han proliferado. Pero las instalaciones de
centrifugación, además de costosas, no son capaces de procesar
grandes volúmenes de agua. En este contexto se propone esta
invención, que presenta en este sentido ventajas considerables de
manejo, consistente en la utilización algas pluricelulares
reticuladas, en concreto de Hydrodictyon, (véase figura 5)
alga en la que los autores de la invención pusieron de manifiesto
que incorpora NO_{3}^{-} a gran velocidad tras ser iluminada, lo
que produce una alcalinización del medio (Nitrate uptake and
extracellular alkalinization by the green alga Hydrodictyon
reticulatum in blue and red light. Ullrich W.R., Lazarova J.,
Ullrich C.I., Witt F.G., Aparicio P.J.; J. Exp. Bot. 1998, 49:
1157-1162).
Como patentes previas que describen invenciones
que persiguen fines similares a los que trata nuestra invención,
como tratamiento de aguas con algas y/o utilización de biomasa, se
puede encontrar las siguientes, que tratan de:
Técnicas de procesamiento de un alga verde pero
sin fines de reciclado de nutrientes, a diferencia de nuestro caso
(CN1385108 Process for processing green alga).
Patente de una estirpe de Cholrella
vulgaris (microalga, por lo tanto difícil de separar del agua,
en contraste con nuestro modelo de macroalgas filamentosas) para
depurar agua y utilizar su biomasa (RU2192459 Strain of microalga
Chlorella vulgaris bin for biomass preparing and waste
treatment).
Sistema de microalgas separadas del efluente a
tratar, para lo que utilizan una membrana de diálisis, lo que a
nuestro juicio reduce su aplicabilidad industrial al elevar los
costes de material y manutención, además de requerir personal
especializado (US4043903 Process for promotion of algae growth in a
sewage medium).
Canales aireados de microalgas. Aparte de que no
utilizan algas filamentosas, el método del canal difiere mucho de
nuestro método en cubetas/estanques sucesivos (US3954615 Apparatus
for sewage treatment and wastewater reclamation).
Patente de un dispositivo rotatorio para el
cultivo de microalgas y bacterias con el fin de depurar agua.
Utiliza microalgas y bacterias y no se contempla la utilización de
la biomasa (DE10129541 Assembly for cleaning communal sewage has a
vessel, for a continuous flow of sewage through it, containing
rotating cultivation bodies for autotrophic and heterotrophic
organisms).
Cultivo de algas para eliminar fosfato en el que
las algas están separadas del agua a tratar por un tabique
semipermeable, no por una malla permeable. Tampoco utilizan la
biomasa, que secan y queman (DE3923251 Device for removing
phosphate(s) from waste water or sewage - by circulating
algae parallel to the sewage flow but sepd. from it by
water-permeable partition through which the algae
cannot pass).
Acuario con una bandeja que soporta un tapete de
microalgas por encima del cuál pasa el agua a tratar. Es a pequeña
escala, diseñado principalmente para interior y para funcionar con
caudales extremadamente bajos (US5097795 Water purification system
and apparatus).
Sistema integrado de depuración que mineraliza
la materia orgánica para cultivar microalgas y obtener su biomasa.
No incluye la opción de las algas filamentosas (US4267038 Controlled
natural purification system for advanced wastewater treatment and
protein conversion and recovery).
Sistema específico para depurar efluentes de
centrales energéticas, donde se define un área de descarga que
modifica el curso de agua ya existente para que se establezca un
cultivo de microalgas seleccionado de acuerdo con las condiciones
particulares fisicoquímicas de cada caso (US5011604 Use of
microalgae to remove pollutants from power plant discharges).
Como artículos publicados en revistas
especializadas que tratan la materia relacionada con la invención,
caben destacar:
A comparative study on proximate composition and
minerals contents of three fresh water green algae. Rahman
Khan M.A., Tahmida Begum Z.N., Rahim A.T.M.A.,
Salamatullah Q. Bangladesh Journal of Botany.
1996, 25: 189-196;
Algae and aquatic plants in the treatment of
industrial waste effluents. Venkateswarlu V. Journal of
Environmental Biology, vol. 5, no. 1, pp. 15-21,
1984
Nutrient removal capacity in submersed
macrophyte pond systems in a temperate climate. Gumbricht, T.
Ecological Engineering, vol. 2, no. 1, pp.
49-61, 1993
Aquacultural Approaches to Recycling of
Dissolved Nutrients Secondarily Treated Domestic Wastewaters. I.
Nutrient Uptake and Release by Artificial Food Chains.
Kawasaki, LY; Tarifeno-Silva, E;
Yu, DP; Gordon, MS; Chapman, DJ. Water
Research, vol. 16, no. 1, pp. 37-49,
1982
Neue Ergebnisse der Abwasserreingung mit
Wassermakrophyten. Godeanu, M; Manikovschi, S. Rev.
Roum. Biol. (Bot.). Vol. 17, no. 6, pp. 395-407.
1972.
Creemos que un sistema fotosintético de
eliminación de nutrientes, mediante filamentos reticulares del alga
Hydrodictyon, puede cumplir la función depuradora que se
propone sin las limitaciones anteriormente mencionadas. Como se
tratará ampliamente más adelante, Hydrodictyon tiene una
velocidad de crecimiento semejante al de las microalgas unicelulares
y, dada su estructura reticular filamentosa, es relativamente
sencillo de separar de las aguas donde prolifera. Nuestras
investigaciones comenzaron con la utilización de un sistema de
bolsas de "nylon" introducidas en un canal por el que fluían
las aguas de un arroyo rural (Utilisation of Hydrodictyon
reticulatum for N and P removal from rural waters, Witt
F.G., Mora C., Quiñones M.A. and Aparicio P.J. 1^{st}
Congress of the International Society for Applied
Phycology/9^{th} International Conference on Applied
Algology. Abstracts p. 186, Aguadulce, Almería. 2002;
Hydrodictyon reticulatum: a filamentous alga for N and P
removal from rural waters, Witt F.G., Quiñones M.A. and Aparicio
P.J. NAMGA2002, 5^{th} International Symposium. Nitrate
Assimilation: Molecular and Genetic Aspects, Abstracts
122-123. Córdoba. 2002). Estos experimentos nos
permitieron comprobar el crecimiento del alga en estas aguas
eutrofizadas y llevar a cabo la retirada manual de la biomasa
retenida dentro de las bolsas. Como consecuencia del posterior
desarrollo de esta investigación, desde septiembre de 2003 opera una
pequeña planta piloto de diseño y metodología diferentes.
Por lo que se refiere a otros sistemas
alternativos al propuesto en esta patente y que constituyen el
estado de la técnica, según se ve en las patentes y artículos
descritos, en primer lugar se deben destacar los cultivos de
microalgas unicelulares monoespecíficos e intensivos. Otros diseños
en uso como los sistemas fisicoquímicos, lagunas de estabilización,
lagunas de maduración, lagunas de plantas superiores y lagunas
profundas de tratamiento anaeróbico se pueden considerar ya muy
alejados del que aquí se describe. En cualquier caso los métodos
fisicoquímicos son caros y contaminantes. Los sistemas de lagunaje,
tanto aquellos basados en la proliferación de microalgas como los
cultivos de plantas acuáticas, suponen la ocupación de extensas
áreas de terreno que deben utilizarse para este fin, que además de
generar malos olores, acumular fangos, favorecen la proliferación de
numerosos insectos dañinos o molestos. En general sus largos
periodos de retención provocan la evaporación de las aguas y por
tanto promueven la salinización de los efluentes.
Retomando las consideraciones sobre los sistemas
basados en un crecimiento rápido de microalgas unicelulares, en los
que el agua impulsada mecánicamente recorre un circuito donde
proliferan éstas, hay que decir que proporcionan altos rendimientos
de biomasa a la vez que se eliminan microorganismos patógenos,
materia orgánica, nitrógeno y fósforo. Sin embargo, el relativo
fracaso de estos sistemas está en gran parte motivado por la
dificultad de separar la biomasa, es decir las microalgas, del agua.
Aunque se han propuesto sistemas de decantación, filtración,
adsorción a materiales, etc, su resultado es mediocre y caro. La
centrifugación del efluente, el único método que garantiza la
recolección casi completa de las microalgas y por tanto la
eliminación de la materia orgánica del efluente, además de costosa
no es viable, particularmente cuando se trata de procesar grandes
volúmenes de agua de forma continua.
Por lo que respecta a esta invención, es de
particular interés el uso de las algas filamentosas como
Hydrodictyon o Cladophora para el caso en que se
pretendan sustraer metales pesados de aguas contaminadas con los
mismos, tal y como se comprueba en la literatura existente al
respecto que muestra experimentos de investigación básica a nivel de
laboratorio:
Accumulation of copper, lead, manganese and iron
by field populations of Hydrodictyon reticulatum (Linn.)
Lagerheim. Rai, UN; Chandra, P. Science of the
Total Environment, vol. 116, no. 3, pp. 203-211,
1992.
Cadmium removal using Cladophora.
Sobhan, R; Sternberg, SPK. Journal of Environmental
Science and Health, Part A: Toxic/Hazardous Substances &
Environmental Engineering 1, pp. 53-72.
1999.
Investigation of biosorption of
chromium(VI) on Cladophora crispata in
two-staged batch reactor. Aksu, Z;
Oezer, D; Ekiz, HI; Kutsal, T; Caglar,
A. Environmental Technology, vol. 17, no. 2, pp.
215-220, 1996.
El objeto de la invención es un sistema de
tratamiento de aguas continentales consistente en una sucesión de
cubetas o estanques abiertos de poca profundidad (30 cm) expuestos a
la luz solar, que se pueden suplementar con luz artificial y
termostatizar (en este caso el sistema podría trabajar de forma
continua, día y noche sin interrupción), en los que se desarrollan y
proliferan macroalgas filamentosas. El interior de cada
cubeta/estanque se encuentra recubierto por una malla fina del tipo
"mosquitera", por entramado filtrante o
"no-tejido" del tipo "Scotch Britte" o por
cualquier elemento que permita retener estas algas filamentosas.
Antes de ser introducidas en las cubetas, las aguas a tratar se
someten a un proceso de decantación para eliminar las partículas
groseras. El caudal de agua que alimenta las cubetas/estanques puede
estar regulado automáticamente para optimizar el rendimiento de la
instalación en función del crecimiento de las algas, ya sea
basándose en los valores de pH o en otros sistemas directos o
indirectos.
El trasvase de las aguas de una cubeta a otra se
puede establecer por gravedad colocando las cubetas en escalera a
distintas alturas y se debe diseñar de tal forma que se minimicen en
lo posible las turbulencias en la masa del líquido, por ejemplo
utilizando un sistema de sifones. En dichos estanques/cubetas se
siembran algas filamentosas que, retenidas por las mallas filtrantes
y expuestas a la luz, crecen utilizando el nitrógeno y fósforo
inorgánicos y demás nutrientes presentes en las aguas a tratar
mientras el agua fluya de manera continua. La composición de esta
agua se puede corregir con la adición de nutrientes, modificación de
pH, etc con objeto de optimizar tanto el crecimiento celular como
su capacidad de purificación de los efluentes. Este crecimiento de
biomasa fotosintética favorece el desarrollo simbiótico de bacterias
que oxidan la posible materia orgánica en suspensión generando
CO_{2}, que a su vez utilizan las macroalgas como fuente de
carbono. La capa densa que forman las algas sirve de tamiz para las
partículas en suspensión, incluyendo bacterias, con lo que los
efluentes ven muy disminuida su turbidez y contenido en materia
orgánica.
El sistema descrito de cultivo de algas
filamentosas ofrece soluciones para varios problemas: la captura del
nitrógeno combinado, del fosfato y de los cationes potásicos que
abundan en los efluentes urbanos o rurales y que constituyen los
nutrientes minerales responsables de la eutrofización de las aguas
superficiales, arroyos, ríos y embalses, evitando en consecuencia la
reaparición de materia orgánica de origen fotosintético en los
sistemas acuáticos continentales previamente tratados. Por tanto
estos biorreactores (cubetas/estanques) dotados de los sistemas
filtrantes adecuados son capaces de proporcionar agua de calidad
suficiente como para que, después de sometida a los tratamientos
microbicidas convencionales, pueda utilizarse para dar de beber al
ganado, regar parques y jardines y otros usos domésticos y/o
urbanos.
Además, este nuevo sistema de tratamiento de
aguas continentales constituye una fuente abundante de materia
vegetal de gran homogeneidad y pureza, de textura algodonosa, color
verde brillante e intenso y de agradable aroma a césped recién
cortado cuyas aplicaciones muestran un gran potencial en el futuro.
Su separación de las aguas donde se desarrolla es de gran
simplicidad: basta con retirar manual o automáticamente la malla
adosada a las paredes y fondo de la cubeta a modo de red de
piscifactoría. Las perdidas de biomasa que se producen en esta
operación son despreciables. Dada la consistencia de aspecto
algodonoso de la masa de algas, ésta no retiene agua y es fácil de
secar por procedimientos convencionales. Sus posibilidades de
utilización son muy variadas y van desde su utilización como
complemento en la alimentación por su contenido en proteínas
vitaminas y minerales en animales monogástricos (aves, cerdos o
peces), o como alimento para animales herbívoros rumiantes en los
que además las celulosas serían un sustrato fermentable en el rumen,
hasta su utilización como fertilizantes en los sistemas agrícolas de
producción orgánica y ecológica debido a su contenido en materia
orgánica rica en NPK (nitrógeno, fósforo y potasio).
El sistema propuesto elimina igualmente los
metales pesados más frecuentes (Cu, Cr, Pb, etc) que pudieran
presentarse en los efluentes rurales y/o urbanos ya que las
macroalgas los almacenan en su sistema vacuolar. Esta característica
les permite desarrollarse en aguas que contienen metales pesados en
concentraciones apreciables, pero puede condicionar el
aprovechamiento posterior de la biomasa. El destino de esta biomasa
dependerá de su contenido en metales pesados y de la naturaleza de
los mismos. Si las aguas a tratar están originalmente desprovistas
de cantidades apreciables de metales, estas algas no tienen
tendencia a concentrarlos y apenas contienen indicios de ellos.
En el caso de que se utilizaran para absorber
los metales pesados de las aguas, su uso sería mas restringido
aunque, con las debidas precauciones, se podrían destinar a la
obtención de carotenos y/o xantofilas y demás compuestos específicos
de los vegetales, como podrían ser clorofilas y antioxidantes.
La utilización de estas algas no constituye
ningún peligro para los ecosistemas hídricos, puesto que son
especies que forman parte de forma natural de estos ecosistemas. No
se trata de introducir especies nuevas ni procedentes de otros
habitas ya que la mayoría de las algas filamentosas son ubicuas de
las aguas de climas templados. En particular la presencia de
Hydrodictyon y Cladophora está descrita en aguas del
Río Manzanares.
La invención descrita frente a los sistemas que
se aplican en la actualidad ofrece las siguientes ventajas:
a) la simplicidad de las instalaciones
b) rápido crecimiento de las macroalgas la mayor
parte del año
c) la posibilidad de tratar de forma continua de
las aguas sin interrumpir sus flujos en instalaciones con
iluminación adicional.
d) la facilidad de recolección y secado de la
biomasa generada, proceso que es indispensable si se pretenden
eliminar los nutrientes y otros contaminantes de grandes volúmenes
agua y que en la actualidad representa un problema insalvable cuando
se utilizan microalgas sólo separables por
centrifugación/filtración/decantación.
e) las potenciales aplicaciones de la biomasa
que van desde su utilización como complemento de la dieta animal
hasta materia prima para la obtención de clorofila, carotenoides y
compuestos antioxidantes en la industria farmacéutica y
cosmética.
El empleo de macroalgas filamentosas, como
Hydrodictyon, presenta respecto a microalgas unicelulares
ventajas considerables de manejo y recolección mecánica generando un
efluente de gran calidad desprovisto de materia orgánica y
nutrientes minerales. En una realización particular de esta
invención se ha utilizado la cepa CCAP 236/1B de Hydrodictyon
reticulatum (L.) Lagerheim, aislada por Pirson en 1952 y
depositada en Culture Collection of Algae and Protozoa (CCAP) SAMS
Research Services Ltd.Dunstaffnage Marine Laboratory, Dunbeg,
Argyll, PA37 1QA, UK www.sams.ac.uk/ Catálogo en:
http://www.ccap.ac.uk Tel:(44) 1631 559000. El origen es: Agua
dulce; Jardín botánico de la Universidad de Marburg, Alemania.
Taxonomía: Chlorophyta (algas verdes), Chlorophyceae,
Chlorococcales. Otros nombres para la cepa: =SAG
B236-1b (Colección de algas de la Universidad de
Göttingen).
En el caso de que las aguas contuvieran metales
pesados, se debe destacar que la mayoría de las especies de algas
filamentosas presentan una eficacia notable para almacenar estos
elementos en forma catiónica en su desarrollado sistema vacuolar y,
por lo tanto, se podrían utilizar para eliminar a los metales
pesados de las aguas así contaminadas.
Como realización particular de esta invención se
propone una planta de crecimiento de algas filamentosas y
tratamiento de aguas situada al aire libre que consta de las
siguientes partes:
1.- Captación de aguas del arroyo. Consta de (a)
pequeña presa que garantiza el nivel de agua en todas las
estaciones para proceder a su captación. (b) Arqueta provista de
rejilla metálica en el fondo de la presa. (c) Tubería de PVC de 300
m de longitud y 10 cm de diámetro que por gravedad conduce el agua
hasta las instalaciones de la planta.
2.- Depósitos de almacenamiento y decantación de
aguas. Costa de los siguientes elementos: (a) llaves de regulación
de caudal de entrada/salida de el agua en el depósito de
almacenamiento de la planta. (b) Depósito de almacenamiento de agua
(1,5 x 1,5 x 1,2 m) provisto de bomba sumergida para el transvase de
agua al deposito de decantación. (c) Deposito de decantación (1,5 x
4 x 1,8 m) con suelo inclinado para su limpieza con salida de aguas
en el fondo para drenaje provisto de una bomba impulsora superficial
para elevar el agua al deposito de alimentación de las cubetas. (d)
Sistema de llaves para regular el vaciado del deposito de
decantación y el funcionamiento de la tubería de
"bypass".
"bypass".
3.- Instalación de la planta de crecimiento de
algas. Consta de los siguientes elementos: (a) Mesa de trabajo donde
se ubica el cuadro eléctrico para el manejo automático de las bombas
de agua. (b) Cuadro eléctrico provisto de sensor de luz que pone en
marcha las bombas durante el día y las desconecta durante la noche.
(c) Depósito elevado de alimentación de las cubetas de 500 l
provisto de tubería de aliviadero de retorno al depósito de
decantación que garantiza un nivel constante de agua, así como
tubería de salida de agua al sistema de cubetas provista de una
llave para regular el caudal de salida. (d) Bancada de obra de
albañilería con 8 plataformas de 1,5 x 0,8 m dispuestas
escalonadamente con una diferencia de altura entre escalones de 5
cm.
4.- Sistema de 8 cubetas de fibra de
vidrio-"epoxi" translúcidas de 1,1 x 0,6 x 0,35 m provistas de
llave de drenaje y sifón para la salida superior de agua colocadas
en serie y escalonadas según base. En cada cubeta se coloca una red
de 2 x 1,5 m y poros de 1mm^{2} que cubre el fondo y las paredes
de las cubetas y evita que las algas se pierdan por las salidas
sifónicas. Las cubetas se cubren superficialmente con una malla
similar que evita la turbulencia superficial de las aguas.
5.- Arqueta de salida de aguas limpias. Los
efluentes de las cubetas se pueden devolver al medio externo para
que sigan su curso o alternativamente almacenar en estanques o
depósitos par disponer de aguas limpias para otros usos mas
específicos.
Una planta experimental se sitúa en la finca del
CSIC La Higueruela, situada en el término municipal de Sta. Olalla,
Toledo y que utiliza para su funcionamiento las aguas del Arroyo
Grande, afluente del Río Alberche que atraviesa dicha finca. El
desarrollo de esta planta se ha llevado a cabo con la inestimable
ayuda financiera de la Junta de Comunidades de
Castilla-La Mancha y de la Fundación Ramón Areces, y
con el apoyo estructural y de gestión del CSIC.
Instalación eléctrica. A la planta llega una
acometida de alta tensión, que con el oportuno transformador, se
convierte en bifásica de 220 V. En el circuito de baja tensión se
incorpora un sensor de luz que pone en funcionamiento las bombas de
agua durante el día. De esta forma la alimentación de agua cesa
durante la noche y se instaura durante las horas de luz.
El flujo de agua con que se alimentan las
cubetas se regula con la llave situada en la tubería que alimenta a
las mismas y que se establece en 300 l/h. Teniendo en cuenta el
volumen total de las cubetas (200 l por 8 cubetas, total 1.600 l) el
tiempo de retención de la instalación es de 5,3 h, lo que supone que
el agua contenida en las cubetas se renueva aproximadamente 2 veces
al día (en nuestras latitudes y en el solsticio de verano llegaría a
renovarse 3 veces al día teniendo en cuenta que no existe flujo de
agua durante la noche, mientras que en el de invierno no llega a
renovarse 2 veces al día).
En un día soleado (a las 13 h) del equinoccio de
otoño de temperatura de 25ºC en el exterior (20ºC temperatura de
agua), con los flujos de agua descritos y con la disposición y alto
contenido en algas de las cubetas, los resultados del análisis
químico del efluente arrojaron las siguientes cifras:
\hskip3.6cmpH del efluente
\hskip1cm8,8
\dotable{\tabskip\tabcolsep\hfil#\hfil\+#\hfil\+\hfil#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
Aniones \+ \hskip4cm \+ mg/l \cr
CO _{3} H ^{-} \+ \+ 283,0\cr Cl ^{-} \+ \+ 70,6\cr
SO _{4} ^{2-} \+ \+ 47,7\cr Si \+ \+ 16,1\cr NO _{3} ^{-} \+
\+ 9,6\cr PO _{4} ^{3-} \+ \+ 1,7\cr B \+ \+ 0,09\cr Sólido en
susp. \+ \+ 10,0\cr Nitrógeno Kje \+ \+ 2,5\cr Materia orgánica \+
\+ Indicios\cr \+\+\cr \+\+\cr Cationes \+ \+ mg/l \cr
Na ^{+} \+ \+ 85,3\cr Ca ^{2+} \+ \+ 80,0\cr Mg ^{2+} \+ \+
14,9\cr K ^{+} \+ \+ 7,1\cr Cu ^{2+} \+ \+ 3,8
( \mu g/l)\cr}
\hskip3.6cmPor debajo del límite de detección los siguientes metales pesados: {}\hskip4.2cmFe, Al, Cd, Hg, Cr, Mn, Ni, Pb y Zn
Estas características están dentro de lo que se
puede considerar agua apta para consumo a falta de su estudio y
tratamiento orgánico/microbiológico.
La producción diaria de biomasa de algas de la
instalación, correspondiente a una jornada representativa como la
descrita en el apartado anterior, es de 1 kg de peso fresco o su
correspondiente peso seco de 80 g.
La composición de esta biomasa referida a un
Kg de peso seco es la siguiente:
\dotable{\tabskip\tabcolsep\hfil#\hfil\+#\hfil\+\hfil#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
Elemento \+ \hskip4cm \+ g/Kg \cr N \+ \+
24,9\cr P \+ \+ 16,4\cr Na ^{+} \+ \+ 0,8\cr Ca ^{2+} \+ \+
87,6\cr Mg ^{2+} \+ \+ 7,7\cr K ^{+} \+ \+ 21,3\cr Al ^{3+}
\+ \+ 4,4\cr Fe \+ \+ 2,1\cr Zn \+ \+ 1,5\cr Cu ^{2+} \+ \+
13,0\cr}
\newpage
\dotable{\tabskip\tabcolsep\hfil#\hfil\+#\hfil\+\hfil#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
Elemento \+ \hskip4cm \+ (mg/Kg) \cr Sr \+
\+ 400\cr Mn \+ \+ 150\cr Ti \+ \+ 70\cr Cr \+ \+ 9,4\cr Ni \+
\+ 2,2\cr B \+ \+ 4,8\cr Si \+ \+
61,0\cr}
\hskip3.6cmPor debajo del límite de detección los siguientes metales pesados: {}\hskip4.1cm Cd, Hg Pb
De acuerdo con estas cifras la biomasa no
presenta ninguna limitación a la hora de ser utilizada como
suplemento alimenticio en la dieta animal por lo que se ha utilizado
en alimentación aviar.
Además se ha incorporado como abono en verde a
una parcela limítrofe de 100 m^{2} con cultivo de sandía en una
cantidad de 50 Kg de biomasa húmeda pudiendo ir acompañada de otros
fertilizantes orgánicos y/o inorgánicos.
Se incluyen en las figuras 1 y 2 los
correspondientes esquemas de la planta y en la figura 3 un esquema
de la cubeta.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
2
Con el sistema descrito para el ejemplo 1 se
ensayó la depuración de una mezcla de efluentes de purines de
granjas de cerdo y de una herrería donde se galvanizan materiales de
construcción de la zona. Los purines poseen grandes cantidades de
cobre disuelto, fruto de la manipulación de las granjas para evitar
la infección de los animales en sus pezuñas. Los galvanizados, por
su parte, suponen el recubrimiento o zincado de los materiales de
hierro o acero, para evitar su oxidación cuando se exponen a la
intemperie.
Antes de añadirse a la instalación de
depuración, la mezcla se diluía 10 veces con el agua rural descrito
en el ejemplo 1 y el pH se ajustaba con sosa a un valor de 8,0. Se
midieron los valores de las cantidades de Cu y Zn del efluente de la
planta depuradora y en la biomasa (referido en peso seco):
\vskip1.000000\baselineskip
pH del efluente
\hskip1cm8,6
| Cu y Zn en el efluente | (\mug/l) | Cu y Zn en la biomasa | (g/Kg) (peso seco) | |
| Cu^{2+} | 20,7 | Cu^{2+} | 65,0 | |
| Zn^{2+} | 16,4 | Zn^{2+} | 42,5 |
\vskip1.000000\baselineskip
El sistema demostró ser capaz, por tanto, de
efectuar la absorción o captura de los metales pesados estudiados,
dejando un efluente limpio.
La biomasa se trató de dos formas: 1)
incineración y gestión de las cenizas como residuos tóxicos de
pequeño volumen; y 2) acumulación de la biomasa húmeda, fermentación
controlada sobre una lámina de geomembrana impermeable y gestión del
residuo como en 1). La fermentación de la biomasa húmeda se pudo
efectuar cuando la biomasa había acumulado pocos metales pesados,
observándose que la acumulación de metales en exceso ralentizaba o
incluso detenía e 1 proceso fermentativo. Los valores mostrados en
la tabla I II se correspondían a aquéllos que permitían la
degradación completa de la biomasa en un periodo de tiempo
equivalente a cuando el experimento se realizaba con agua del
arroyo como en el ejemplo 1.
Figura 1: Esquema general de la instalación
en alzada (las flechas indican la dirección del flujo de
agua).
a. Entrada agua
c. Llaves de regulación de la captación,
limpieza de depósitos y evacuación de la planta.
d. Depósito de captación
e. Bomba del depósito de captación
f. Depósito de decantación
g. Bomba del depósito de decantación
h. Depósito de alimentación
i. Aliviadero de retorno
j. Desagüe del depósito de alimentación
k. Llave de regulación de la alimentación de las
cubetas
l. Planta de tratamiento con cubetas en
escalera, con escalones de 5 cm de altura
m. "Bypass" que conecta directamente la
entrada y salida de agua de la instalación
s. Salida del agua
Figura 2: Esquema general de la instalación
(vista cenital).
a. Entrada agua
b. Escaleras de acceso a las llaves
c. Llaves de regulación de la captación,
limpieza de depósitos y evacuación de la planta.
d. Depósito de captación
e. Bomba del depósito de captación
f. Depósito de decantación
g. Bomba del depósito de decantación
h. Depósito de alimentación
i. Aliviadero de retomo
j. Desagüe del depósito de alimentación
k. Llave de regulación de la alimentación de las
cubetas
l. Planta de tratamiento con cubetas en
escalera, con escalones de 5 cm de altura
l. Planta de tratamiento con cubetas en
escalera, con escalones de 5 cm de altura
m. "Bypass" que conecta directamente la
entrada y salida de agua de la instalación
n. Muro impermeabilizado
o. Plataforma de piso de cemento
p. Canaleta de desagüe
q. Arqueta
r. Caja de cuadro de luces
s. Salida del agua
t. Mesa de trabajo
u. Sifón de trasvase entre cubetas
Figura 3: Detalle de cubeta.
u. Sifón de trasvase entre cubetas
v. Desagüe para la limpieza de la cubeta
Figura 4: Fotografía general de la
instalación.
Figura 5. Microfotografía de Hydrodictyon
reticulatum, cepa SAG B236-1b. Malla
pentagonal de Hydrodictyon (cada célula mide entre
2-3 mm, tamaño real).
Claims (21)
1. Sistema de depuración de aguas continentales
caracterizado porque se utilizan cultivos de macroalgas
verdes filamentosas capaces de absorber y reciclar nutrientes y/o
fijar/capturar metales pesados generando biomasa
vege-
tal.
tal.
2. Sistema de depuración de aguas continentales
según la reivindicación 1 caracterizado porque los cultivos
de macroalgas filamentosas son de los géneros Hydrodictyon o
Cladophora.
3. Sistema de depuración de aguas continentales
según las reivindicaciones 1 y 2 caracterizado porque los
cultivos de macroalgas filamentosas son de la especie
Hydrodictyon reticulatum, cepa SAG
B236-1b.
4. Sistema de depuración de aguas continentales
según las reivindicaciones 1, 2 y 3 caracterizado porque los
cultivos se realizan en estanques sucesivos provistos de sistemas de
separación que permite la retirada de la biomasa del agua a tratar
por medios mecánicos de filtración.
5. Sistema de depuración de aguas continentales
5 según la reivindicación 4 caracterizado porque el sistema
de separación es una malla.
6. Sistema de depuración de aguas continentales
según la reivindicación 4 caracterizado porque el sistema de
separación es un no tejido.
7. Sistema de depuración de aguas continentales
según las reivindicaciones 1 a 6 caracterizado por ser
aplicable para el tratamiento de: aguas residuales urbanas
(tratamiento terciario), y rurales (tratamiento primario, secundario
y terciario de efluentes de granjas y viviendas unifamiliares o
urbanizaciones).
8. Sistema de depuración de aguas continentales
según las reivindicaciones 1 a 7 caracterizado porque el agua
del efluente es apta para diversos usos, exceptuándose el consumo
humano directo, entre los que se encuentran: fuentes ornamentales,
riego de parques y jardines, baldeo de calles, bebida para
ganado.
9. Sistema de depuración de aguas continentales
caracterizado porque los pasos sucesivos por los estanque
según la reivindicación 4 se realizan hasta que se logra la
eliminación de la materia orgánica disuelta y/o en suspensión.
10. Sistema de depuración de aguas continentales
caracterizado porque los pasos sucesivos por los estanque
según la reivindicación 4 se realizan hasta que se alcanza una
concentración de nitrato y amoniaco inferior a 10 mg/l.
11. Sistema de depuración de aguas continentales
caracterizado porque los pasos sucesivos por los estanque
según la reivindicación 4 se realizan hasta que se alcanza una
concentración de fosfatos inferior a 2 mg/l.
12. Sistema de depuración de aguas continentales
caracterizado porque los pasos sucesivos por los estanque
según la reivindicación 4 se realizan hasta que se alcanza una
concentración de potasio inferior a 8 mg/l.
13. La biomasa está compuesta predominantemente
por macroalgas verdes filamentosas según las reivindicaciones 1 a 3
caracterizada por haber sido obtenida en el sistema de
depuración de aguas continentales según las reivindicaciones 4 a
13.
14. El uso de la biomasa compuesta
predominantemente por macroalgas verdes filamentosas según la
reivindicación 14 caracterizada por ser complemento de la
alimentación animal por su valor nutricional y su contenido en
carotenoides, ácidos grasos insaturados, otros compuestos
antioxidantes y clorofila.
15. Un producto para alimentación animal
caracterizado por comprender la biomasa indicada en la
reivindicación 14 y sus mezclas.
16. El uso de la biomasa compuesta
predominantemente por macroalgas verdes filamentosas según la
reivindicación 14 caracterizada por obtener compuestos de
interés nutraceútico y/o cosmeceútico.
17. Un aditivo, ingrediente o suplemento
alimentario funcional caracterizado por comprender la biomasa
indicada en la reivindicación 14 y sus mezclas.
18. El uso de la biomasa compuesta
predominantemente por macroalgas verdes filamentosas según la
reivindicación 14 caracterizada por utilizarse como abono
verde.
19. Sistema de depuración de aguas continentales
según las reivindicaciones 1 a 6 caracterizado porque la
biomasa de cultivos de macroalgas verdes filamentosas según las
reivindicaciones 1 a 3 fijan o capturan metales pesados y es
destruida por fermentación o incineración.
\newpage
20. Sistema de depuración de aguas continentales
caracterizado porque los pasos sucesivos por los estanque
según la reivindicación 4 se realizan hasta que se alcanza una
concentración de cobre inferior a 21 \mug/l.
21. Sistema de depuración de aguas continentales
caracterizado porque los pasos sucesivos por los estanque
según la reivindicación 4 se realizan hasta que se alcanza una
concentración de zinc inferior a 17 \mug/l.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| ES200400202A ES2251286B1 (es) | 2004-01-30 | 2004-01-30 | Depuracion de aguas continentales mediante cultivos de macroalgas verdes filamentosas que absorban y reciclen nutrientes y/o fijen metales pesados generando biomasa vegetal. |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| ES200400202A ES2251286B1 (es) | 2004-01-30 | 2004-01-30 | Depuracion de aguas continentales mediante cultivos de macroalgas verdes filamentosas que absorban y reciclen nutrientes y/o fijen metales pesados generando biomasa vegetal. |
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| ES2251286A1 ES2251286A1 (es) | 2006-04-16 |
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|---|---|---|---|
| ES200400202A Expired - Fee Related ES2251286B1 (es) | 2004-01-30 | 2004-01-30 | Depuracion de aguas continentales mediante cultivos de macroalgas verdes filamentosas que absorban y reciclen nutrientes y/o fijen metales pesados generando biomasa vegetal. |
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| ES2914345B2 (es) * | 2020-12-09 | 2023-06-19 | Neoalgae Micro Seaweeds Products S L | Procedimiento de tratamiento de un efluente |
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Non-Patent Citations (3)
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| CHMIELEWSKÁ, E. & MEDVED, J. Bioaccumulation of heavy metals by green algae Cladophora glomerata in a refinery sewage lagoon. Croatica Chemical Acta, 2001, volumen 74, Nº 1, páginas 135-145. * |
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| RAI, U. N. & CHANDRA, P. "{}Accumulation of copper, lead, manganese and iron by field populations of Hydrodyctyon reticulatum LINN. LAGERHEIM, 1992, volumen 116, Nº 3, páginas 203-211, (resumen) BIOSIS (en línea) [recuperado el 07.03.2006]. Recuperado de: EPOQUENET, La Haya (Holanda). Nº de acceso: PREV199294055932. * |
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