Recuperação de nutrientes e energia em efluentes domésticos através de bactérias fototróficas

O Grupo de  Ingeniería Química y Ambiental (GIQA) da Universidade Rey Juan Carlos, desenvolveu uma tecnologia com a empresa FCC AQUALIA para o tratamento de efluentes, com recuperação de nutrientes e energia, no contexto de economia circular e no campo da gestão dos recursos hídricos.

Esta tecnologia baseia-se na utilização de microrganismos altamente versáteis, as bactérias fototróficas roxas (Purple Phototrophic Bacteria – PPB), para a acumulação de todo o carbono, nitrogênio e fósforo dos efluentes domésticos, utilizando energia solar infravermelha. O processo está sendo implementado, em escala piloto numa Estação de Tratamento de Esgoto (ETE). Os resultados promissores alcançados até agora permitem prever um rápido desenvolvimento da tecnologia, que está sendo impulsionada através das propostas de financiamento da Europa.

Dr. Daniel Puyol Santos, Investigador Ramón y Cajal, Grupo de Ingeniería Química y Ambiental (GIQA), Universidad Rey Juan Carlos.

Dr. Víctor Monsalvo García, Director del Área de Ecoeficiencia, Departamento de Innovación y Tecnología, FCC AQUALIA.

Economia circular no tratamento de efluentes: biorrefinarias

O sistema de produção moderno está modificando seu modelo conceitual para um projeto de produção baseado na economia circular, onde todos os elementos excedentes do sistema são transformados em matéria-prima, que é incorporada novamente ao sistema, o que potencialmente implica um conceito de emissão zero. O tratamento de efluentes é uma plataforma ideal para embasar o desenvolvimento tecnológico focado na mudança do modelo produtivo, por ser um sistema amplamente difundido e altamente estudado [1]. Além disso, entre 50% e 100% dos recursos perdidos como resíduos estão contidos nos efluentes. Recentemente, várias alternativas de tratamento de efluentes surgiram com base no conceito de economia circular. Entre eles, o grupo de Batstone propõe um sistema de tratamento em três etapas: acumulação total de matéria orgânica e nutrientes em biomassa por meio de um biorreator de membrana, liberação de nutrientes e energia por digestão anaeróbia e recuperação dos nutrientes por precipitação de estruvita ou produção direta de fertilizantes orgânicos a partir da biomassa [2]. O núcleo principal de sua proposta é a fase de acumulação pela ação de bactérias anaeróbicas fototróficas roxas ou PPB (de suas abreviaturas em inglês, Purple Phototrophic Bacteria).

As bactérias PPB permitem a acumulação através da assimilação dos nutrientes contidos nos efluentes, principalmente, Nitrogênio (N) e Fósforo (P). Além disso, a luz infravermelha é usada como fonte de energia, e, portanto, a sua eficiência de reciclagem de Carbono (C) é muito elevada, sendo capaz de crescer potencialmente com um rendimento de biomassa / substrato próximo de 100% em termos de Carbono (C) [3]. Seu metabolismo permite obter vários produtos com alto valor agregado. Eles são capazes de acumular Fósforo (P) em forma de Polifosfato e com um alto teor de proteína, de modo que a biomassa pode ser utilizada como fertilizante orgânico ou como proteína bacteriana de alto poder nutritivo para alimentação. Além disso, eles acumulam Carbono (C) na forma de polihidroxialcanoatos, que podem ser usados como bioplásticos.

Seu alto conteúdo lipídico também tem potencial de conversão energético (por exemplo, na forma de biogás por digestão anaeróbia) muito alta. Tudo isso faz com que o desenvolvimento de processos baseados no uso de bactérias PPB representa uma plataforma única para desenvolver uma mudança de paradigma no tratamento de efluentes, com foco na obtenção de produtos e recuperação de energia [4]. Esta abordagem de fotobiorrefinería é muito recente, e o GIQA, liderada pelo Dr. Daniel Puyol e os Professores Juan Antonio Melero e Fernando Martínez, desenvolveram uma tecnologia de tratamento de efluentes líquidos com base nestas bactérias PPB, em colaboração com o Departamento de Innovación y Tecnología de FCC AQUALIA, representado pelo Dr. Frank Rogalla e pelo Dr. Víctor Monsalvo.

Reatores anaeróbios do tipo carrossel, um novo conceito no tratamento de efluentes

Tradicionalmente, reatores do tipo carrossel têm sido usados para o tratamento de efluentes por organismos heterogêneos que misturam esses organismos com outros organismos procarióticos. Alternativas como os tanques tipo “raceways” permitem o cultivo de organismos fototróficos, como algas e cianobactérias (www.all-gas.eu). Também foram usados, em menor grau, para obter biomassa para ser usada posteriormente como fonte de energia. No entanto, existem algumas limitações que impedem o desenvolvimento do conceito de biorrefinaria em ETEs com base nessas soluções, tais como:

• O alto consumo de oxigênio dos sistemas aeróbios implica um alto custo operacional, com altas emissões de CO2 A baixa eficiência da síntese celular, faz com que a sua recuperação de energia via digestão seja apenas interessante para grandes ETEs.
• A baixa taxa de crescimento dos organismos fototróficos requer operar com altos tempos de residência, na maioria dos casos superiores a 2-3 dias, com a necessidade de superfície que isso acarreta, além disso, os “raceways” alimentados com luz visível não podem ser muito profundos para garantir a penetração da luz.
• Precisamente devido à penetração da luz visível, é necessário controlar o crescimento da biomassa de tal maneira que não implique uma limitação na transferência de luz. A matéria em suspensão residual deve, portanto, ser controlada e eliminada antes de alimentar o “raceway”.
• Em reatores oligotróficos há a proliferação de algas oxigênica, que impedem o crescimento de organismos anaeróbios e, portanto, a recuperação de matéria orgânica é limitada, aumentando as emissões de NOx. Em reatores eutróficos, ao contrário, a capacidade de tratamento é limitada pela baixa carga orgânica que os organismos fotossintéticos são capazes de suportar. Portanto, o tempo de residência hidráulica deve ser ainda maior.
• A capacidade de remoção de fósforo limita-se principalmente ao crescimento de organismos fotossintéticos, uma vez que as algas só podem acumular quantidades limitadas de polifosfato. Portanto, é necessário usar tecnologias em serie para recuperar o fósforo residual.

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