ALFIL®, Biofiltro Basado en Material Algal Para la Remoción de Metales Pesados en Cuerpos de Aguas

ALFIL®, Biofiltro Basado en Material Algal Para la Remoción de Metales Pesados en Cuerpos de Aguas

El agua cubre aproximadamente el 70% de la superficie de la Tierra y es considerada como la base del origen y el sustento de la vida en el planeta, concentrándose aproximadamente un 96% de ella en los océanos, siendo el agua dulce presente en ríos, pantanos y lagos un porcentaje muy minoritario del total, estimado en apenas un 0,008% del total del agua del planeta (Shiklomanov, 1993). Considerando que el hombre depende totalmente del agua dulce disponible, tanto para agricultura y procesos industriales como para su vida, es evidente que este recurso es escaso y por ende debe ser bien administrado. Según la Comisión Nacional del Medio Ambiente (CONAMA), la contaminación de este recurso tiene su principal origen en las descargas directas de aguas servidas domésticas y residuos industriales líquidos a las masas de agua superficiales, terrestres o marítimas, sin previo tratamiento, y a las descargas difusas derivadas de actividades agrícolas o forestales, que llegan de forma indirecta a las masas o corrientes de agua superficiales y también a las subterráneas.

Dentro de los múltiples agentes contaminantes que pueden estar presentes en el agua, los metales pesados son de especial cuidado, este grupo de elementos no tiene una definición muy precisa, pero muchos de ellos representan un serio problema medioambiental y son tóxicos, algunos son oligoelementos imprescindibles para el mantenimiento de los sistemas bioquímicos de los seres vivos, como en el caso del cobre, manganeso y zinc, esenciales en el metabolismo de los mamíferos, sin embargo estos elementos también pueden llegar a ser tóxicos y algunos incluso cancerígenos (Domingo, 1994).

Aun cuando la mayoría de los metales pesados de fuentes naturales suelen provenir de la corteza terrestre, hay muchos procesos de origen antropogénico que son fuente importante de contaminación por metales pesados, incluyendo actividades de transporte, industriales, agrícolas, mineras y ganaderas (Cuyang y cols., 2006). Los metales pesados más contaminantes según Brady & Weil (2002) son el arsénico, cadmio, cobre, cromo, manganeso, mercurio, molibdeno, níquel, plomo y zinc. Entre los factores que han incrementado este problema destacan el rápido crecimiento de la población, sobre todo la urbana, el abastecimiento de agua potable y servicios de alcantarillado, la expansión de las industrias mineras y la tecnificación de la agricultura, que no ha sido acompañada de sistemas adecuados de tratamiento de desechos y control de la contaminación hídrica, generando una alta contaminación en las zonas costeras y un alto impacto sobre los caudales de las principales cuencas hidrográficas.

Los metales pesados no se eliminan de los ecosistemas acuáticos por procesos naturales debido a que no son biodegradables (Murray, 1996), desencadenando la transformación de las aguas de ríos, lagos y costas en depósitos de residuos en los que el equilibrio natural está severamente perturbado, no sólo afectando a los ecosistemas sino que también a los organismos que están en contacto directo con los cursos de aguas contaminados. Al no poder ser metabolizados, los metales pesados se acumulan en los tejidos evitando la absorción de nutrientes esenciales, generando inflamación crónica y un deterioro del sistema inmune que puede conducir a enfermedades crónicas como artritis e incluso cáncer. Lo anterior genera la necesidad de disponer de métodos para eliminar los metales pesados del agua contaminada de manera natural o fruto de procesos industriales.

Dentro de las alternativas disponibles para lograr la descontaminación de aguas con metales pesados, la biosorción, un proceso de unión rápida de los iones presentes en solución y los grupos funcionales presentes en la superficie de la biomasa, y que es independiente del metabolismo celular (Davis y cols, 2003), destaca como una alternativa muy atractiva. Este proceso se caracteriza por ser rápido y selectivo, pudiendo operar en un amplio rango de pH y temperaturas, además posee diversas ventajas sobre los métodos convencionales, incluyendo bajo costo, alta eficiencia, minimización de lodos químicos y biológicos, regeneración del biosorbente y recuperación de metales (Michalak y cols, 2013). Finalmente no requiere de una alta inversión dado que sus costos de operación son bastante económicos (Gadd,
2009).

Algas como material para la remoción de metales pesados

Por otro lado, a nivel nacional el uso de macroalgas ha sido destinado principalmente a la extracción de hidrocoloides para la industria de alimentos y como alimento fresco para mercados asiáticos, sin embargo en el último tiempo se han realizado diversas investigaciones para potenciar su utilización en el desarrollo de nuevos productos, principalmente orientados en la producción de biomateriales. En relación a lo anterior, las algas han despertado un especial interés en la investigación y desarrollo de nuevos materiales biosorbentes para su aplicación en el proceso de biosorción, debido no solamente a su alta capacidad de remoción de metales pesados, sino también a que se encuentran presentes en mares y océanos en cantidades abundantes y de fácil acceso (Rincón y cols., 2005). A modo de antecedente, existen estudios que demuestran una capacidad para la biosorción de cobre y cadmio con Sargassum sinicola, que reportan una capacidad superior al 80% para ambos elementos (Mónica Patrón-Prado y cols, 2010), e interesantes capacidades para remover cobre, niquel y zinc en la especie Ulva lactuca, (Lau TC y cols, 2003). No obstante la aplicación industrial de la biosorción de metales pesados, basada en biomasa macroalgal, requiere de la inmovilización de la biomasa en una matriz, que permita su utilización en reactores y una rápida recuperación de la biomasa, evitando la utilización de métodos costosos en términos energéticos, y además incrementando en algunos casos su capacidad de remoción, como en el caso de material inmovilizado de Laminaria Saccharina para remoción de níquel en un reactor donde se logró una tasa mayor al 98% (Hashim & AL-Hamadani, 2012), y de biomasa inmovilizada de Sargassum baccularia para la biosorción de cadmio, logrando remover un 99% del total presente en la solución acuosa (B. Volesky & Prasetyo, 1994). Sin embargo, el desarrollo de esta tecnología ha presentado problemas relacionados con la recuperación de la biomasa, tema esencial para la proyección industrial del proceso de biosorción (Michalak y cols, 2013).

Desarrollo de un sistema eficiente de biosorción basado en algas inmovilizadas

Tomando en cuenta la enorme potencialidad de las macroalgas para eliminar los metales pesados, pero considerando además la problemática del manejo eficiente del material que ha absorbido dichos elementos, el GIBMAR se planteó el desafío de investigar cuáles algas, solas o en diferentes combinaciones, serían más eficientes para lograr la remoción de metales pesados, pero además considerando un diseño racional que permita remover los desechos de manera limpia y sencilla, una vez descontaminada el agua, y que además sea económico, amigable con el medio ambiente y escalable (Le-Feuvre y cols., 2015). La presente tecnología consiste en una formulación que comprende algas pardas, verdes y rojas, inmovilizadas en una matriz polimérica, la cual se utiliza para el tratamiento de aguas con alto contenido de metales pesados.

El uso de esta formulación biofiltrante permite tratar efluentes o riles que contienen metales pesados como arsénico, cadmio, cromo y cobre, pudiendo aplicarse tanto a líquidos provenientes de procesos industriales, como también a aguas que presentan en forma natural elevadas cantidades de metales pesados. El sistema desarrollado, ha permitido una alta capacidad de remoción de metales pesados, destacándose mezclas inmovilizadas en concentraciones específicas que logran remover hasta un 98% de cadmio, 100% de cromo y 95% de cobre, tanto al ser utilizadas en sistemas continuos o en modo de batch. Para lograr estos resultados, se desarrollaron diversas tecnologías que permiten tanto el uso eficiente de los recursos algales, como la preparación de material a escala semi-industrial, fácilmente escalable y de implementación sencilla y económica.

Beneficios de la tecnología ALFIL®

• Uso de recursos renovables, de fácil recolección o cultivo: La materia prima para la filtración de los metales pesados la constituyen tanto microalgas, que pueden ser cultivadas a escala industrial sin problemas, y macroalgas de diversas especies, las cuales son colectadas de praderas naturales fácilmente accesibles en las zonas costeras del país, a las cuales se puede aplicar un plan de manejo adecuado evitando la merma del recurso natural. El gran potencial de crecimiento de las algas empleadas garantiza la disponibilidad de suficiente material para la producción de los biofiltros.
• Escalable, modular y portable: El prototipo desarrollado ha sido diseñado teniendo en cuenta modelos matemáticos y de modelamiento numérico precisos, lo cual ha permitido no solamente la escalabilidad del sistema para satisfacer las necesidades de diferentes volúmenes de agua a tratar, sino además su modularidad, lo que permite usar diferentes unidades de filtración, intercambiables y de bajo costo, que pueden ser reemplazadas una a una sin necesidad de desconectar todo el sistema, y que además están diseñadas para la remoción de metales pesados específicos, aumentando la eficiencia del sistema y facilitando su integración a diferentes situaciones. El reducido tamaño del sistema (Figura 1) permite una alta portabilidad en los casos que se desee depurar aguas contaminadas en localidades remotas y aisladas.
• Eliminación simple de desechos: Toda la biomasa que realiza el proceso de filtración se encuentra inmovilizada en un material polimérico, de modo que una vez que su capacidad de absorción está completa, puede ser removido de manera simple, a diferencia de cuando se utiliza biomasa libre, que requiere de sistemas adicionales de filtración o centrifugación que encarecen el sistema o lo hacen imposible de escalar. El material de desecho puede ser secado en estufas o por acción directa del sol, reduciendo su volumen al menos a la décima parte. Esta biomasa seca ya usada se puede almacenar, o incinerar en hornos adecuados para la recuperación de los metales pesados si así se desea.
• Alternativa efectiva para eliminar residuos cumpliendo las normas chilenas: Nuestros estudios en condiciones controladas y con riles industriales, demuestran que el sistema de filtración Alfil® permite obtener aguas con una remoción de metales pesados suficiente para cumplir con las normativas chilenas aplicables a la deposición de aguas de desecho en diferentes cuerpos de agua, en la Tabla 1 se presenta un resumen de dichas normativas para cobre y arsénico, mientras que la Figura 2 presenta los resultados de la remoción de metales obtenida mediante el sistema Alfil® frente a un RIL con alto contenido de cobre. Observándose que el uso del sistema permite obtener un agua que cumple con las normativas vigentes descritas anteriormente.