El sistema BAP en aguas residuales de curtiembres y tintorería: una apuesta pionera en el país para el tratamiento de aguas residuales en ambientes reales

Néstor Andrés Urbina Suárez, ingeniero en producción biotecnológica graduado del Doctorado en Ingeniería con Énfasis en Ingeniería Sanitaria y Ambiental de la Universidad del Valle. Crédito: cortesía investigador.

Debido a los vertimientos que industrias realizan, la cuenca hídrica que surte de agua potable al 80% de la ciudad de Cúcuta y su área metropolitana sufre actualmente graves impactos, ya que la mayoría de dichas industrias no utilizan procesos de tratamiento previo. La investigación planteó analizar 2 efluentes residuales de estas industrias, el sector de curtiembres y el de la tintorería. El propósito de esta investigación fue producir una tecnología que permitiera reducir el impacto de los contaminantes en su interior, por medio de un proceso innovador que se enmarca en la metodología de los procesos de oxidación avanzados acoplado a la biotecnología de microalgas. 

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Procesos de oxidación avanzados y su aplicación en fuentes hídricas: el caso de la industria de la curtiembre y la tintorería 

La industria textil, en la que se incluyen aquellas dedicadas a labores de curtiembre y de tintorería, es uno de los mayores sectores a nivel mundial en materia de generación de aguas residuales, dado el exceso uso de agua durante sus procesos. Estos efluentes recalcitrantes son altamente contaminantes debido a la presencia de los denominados contaminantes emergentes (metales pesados, tintes, etc.) y demás materiales utilizados. Ya que dichas industrias no cuentan con sistemas de tratamientos de aguas residuales, los vertimientos que son envidos a caudales de ríos suponen una alta amenaza para el recurso hídrico y la salud pública.  

Partiendo de este panorama, el ingeniero de producción biotecnológica de la Universidad Francisco de Paula Santander, magíster en Biotecnología y Bioingeniería del Centro de Investigación y Estudios Avanzados del Politécnico Nacional de México y en Administración de Proyectos de la Universidad Cooperativa Internacional de Costa Rica y graduado del Doctorado en Ingeniería con Énfasis en Ingeniería Sanitaria  y ambiental de la Universidad del Valle, Néstor Andrés Urbina Suárez, quien es además investigador y profesor de tiempo completo de la Universidad Francisco de Paula Santander, en Cúcuta, llevó a cabo una investigación de varios años con el objetivo de valorizar los compuestos de dichos residuos químicos.  

Esta investigación, que contó con la dirección del profesor e investigador de la Escuela de Ingeniería Química de la Universidad del Valle, Fiderman Machuca Martínez, y la codirección del profesor e investigador de la Universidad Francisco de Paula Santander, en Cúcuta, Andrés Fernando Barajas Solano, planteó el uso innovador mediante sistema BAP (Bicarbonate Activated Peroxide) -una línea de investigación dentro de los procesos avanzados de oxidación poco probada en aguas residuales reales- que busca brindar una tecnología integral que permita tanto el tratamiento de estas aguas residuales como el aprovechamiento de algunos de los compuestos en su interior, para su posterior uso como medio de cultivo para la producción de biomasa microalgal con potencial producción de metabolitos de alto valor agregado. 

Esta apuesta, cuya metodología y resultados fueron merecedores del primer lugar a tesis laureada en el Encuentro Internacional de Educación en Ingeniería ACOFI 2024, le apunta a enfrentar esta problemática para las comunidades aledañas a vertimientos de estas industrias, y brindarles una oportunidad de obtener beneficios adicionales que contribuyan al medioambiente desde la valorización de estos residuos líquidos. 

La investigación: caracterización fisicoquímica de las aguas escogidas 

La investigación realizada por el investigador Néstor Andrés Urbina Suárez partió de la caracterización de las aguas residuales con las que iba a trabajar, dado que para esta ocasión se decidió utilizar aguas reales provenientes de dos industrias, lo que implicaba considerar una matriz mucho más compleja debido a los múltiples compuestos en su interior, muchos de los cuales eran desconocidos. El propósito de utilizar esta fuente de agua fue obtener información más cercana a la realidad y establecer el comportamiento de los AOPs en la remoción de carga contaminante y obtención de posibles nutrientes para su acople al cultivo microalgal. 

Para esta caracterización el investigador Urbina se centró en la concentración de compuestos de nitrógeno, debido a que posteriormente el afluente de agua se iba a acoplar a un cultivo con microorganismos (microalgas y cianobacterias), por lo que se hacía necesario determinar la cantidad de nitrato y de amonio en las aguas, al ser estas la principal fuente de nutrientes de estos microorganismos.  

“Conocer la caracterización nos permitía establecer el grado de contaminación de estas aguas y también entender de qué manera íbamos a abordar los procesos avanzados de oxidación, de tal forma que pudiéramos mitigar estos contaminantes y aumentar su índice de biodegradabilidad, porque son aguas con un índice muy bajo”, comenta el investigador Néstor Andrés Urbina Suárez, y reitera que la dificultad que significaba trabajar con aguas residuales reales los llevó a plantearse un diseño experimental de tratamiento que pudiera abarcar una mayor complejidad.  

Buscando cumplir con el propósito de la investigación, se utilizó un proceso bastante estudiado en el campo de los procesos avanzados de oxidación, la fotólisis, que utiliza radiación ultravioleta (UV) junto a peróxido de hidrógeno para hacer posible la oxidación de los compuestos en estas aguas. 

El sistema BAP y su uso inédito en aguas residuales reales 

Además de este proceso, la investigación se planteó el uso de otro, llamado sistema BAP (Bicarbonate Activated Peroxide), que utiliza el bicarbonato y el peróxido de hidrógeno para hacer posible el proceso de oxidación de la materia orgánica en las aguas. A pesar de que existen registros de su uso en aguas sintéticas, no hay reportes de su utilización en aguas residuales reales, como las que el investigador Urbina trató, de manera que la decisión de implementarlo en la investigación significó un gran aporte para la academia a nivel nacional e internacional.  

La razón por la que el investigador Urbina decidió utilizar esta tecnología, pese a que no había sido implementada para el tratamiento de aguas residuales reales, provino de que resulta bastante asequible en términos económicos, además de la facilidad que presenta en materia operativa comparado con otros AOPs como la fotocatálisis, Fenton, Ozono, entre otros,  en donde se deben considerar más variables operativas que aumentan los costos y la dificultad operacional. Estos motivos también contribuyen a hacer de este sistema uno más atractivo para su uso en ambientes más complejos, una vez las investigaciones se escalen del laboratorio a un ambiente más amplio, como lo puede ser la planta de tratamiento de una industria.  

Una de las muestras del éxito que trajo consigo la utilización de este sistema es que, como resultado de la investigación doctoral, se publicaron 3 artículos que hablaron de la efectividad del sistema BAP en aguas residuales reales, que han tenido una alta repercusión dentro de la academia, pues se han convertido rápidamente en referentes para estudiar la potencialidad de dicho método en otras investigaciones (dos de los cuales se pueden encontrar aquí y aquí).

“En este momento esos artículos están siendo utilizados como referentes y han abierto las puertas en otros países en donde se está empezando a implementar también esta tecnología”, dice el investigador Urbina. 

Sistema BAP en efluente de curtiembre. Crédito: cortesía investigador.

Resultados 

“Logramos implementar los dos sistemas, se evaluaron dentro de un diseño experimental para saber cuáles eran las variables que afectaron el proceso. Para el caso del sistema BAP, las variables más involucradas fueron la temperatura y el pH, así como la concentración de bicarbonato y peróxido. Y, para el caso de la fotólisis, fueron el potencial de la lámpara, el pH y la temperatura. Esta última es, tal vez, una de las variables que más controla los procesos avanzados de oxidación”, comenta el investigador. 

Dentro de estos dos sistemas se abordó un análisis en tres etapas. En la primera se realizó el cultivo de cuatro cepas de microorganismos, dos de microalgas (Scenedesmus sp y Chlorella sp) y dos de cianobacterias (Hapalosiphon sp y Oscillatoria sp), con el objetivo de determinar la capacidad de crecimiento de estos y sus características a nivel de su biomasa. Este análisis se tradujo, a su vez, en una contribución a la academia, pues no existían reportes en literatura científica que dieran cuenta del crecimiento de este tipo de microorganismos en aguas residuales reales del tipo estudiados en esta investigación doctoral. 

Luego de este procedimiento, se implementó el sistema de fotólisis y el BAP, que tratarían tanto las aguas provenientes de actividades de tintorería como de curtiembre. El objeto de este doble proceso era evaluar cuál era el más adecuado para cada caso. Para dicha evaluación se utilizó un diseño experimental de superficie de respuesta con Desing expert, en donde se optimizó la concentración del agua residual y el ciclo de luz/oscuridad en la producción de biomasa de dichos microorganismos.

El tercer paso consistió en evaluar cuál microorganismo tenía mayores rangos de crecimiento al interior de las efluentes post BAP y UV/Peroxido, y cuál tenía una mayor producción de biomasa. Los resultados mostraron que la microalga Chlorella sp tuvo los mejores resultados en las aguas residuales de curtiembre en donde se utilizó el sistema BAP, mientras que la cianobacteria Hapalosiphon sp fue la que mejores resultados obtuvo para aguas residuales de tintorería en donde se utilizó el sistema de fotólisis. Tras obtener estos resultados la investigación fue escalando en tamaño de muestras: pasando de fotobiorreactores de 300 mililitros a volúmenes de 5 y hasta 10 litros.  

Fotobiorreactores con microalgas y cianobacterias en efluentes BAP y UV/Peróxido. Crédito: cortesía investigador.

Luego de esto se realizó un proceso de secado de los microorganismos cultivados y se realizó la evaluación de los metabolitos producidos: cuántas proteínas, lípidos, pigmentos, carotenoides, ficocianinas and fitohormonas generaban, tanto en el caso de las cianobacterias como en el de las microalgas, buscando deducir el potencial uso de esa biomasa.  

“Llegamos a encontrar que, con el proceso avanzado de oxidación, alcanzábamos remociones hasta del 45% o 50% de cargas contaminantes. Y, ya acoplado el sistema con el cultivo de microalgas y cianobacterias para los dos tipos de aguas residuales, alcanzamos remociones del orden del 95% del DBO (demanda biológica de oxígeno). Se removían casi el 100% de los compuestos de nitrógeno, además de alrededor de un 94% de metales pesados. Es decir, la remoción de carga contaminante de cada uno de los parámetros evaluados estaba en el orden del 87% al 96%, lo que evidenciaba perfectamente cómo mitigábamos en gran medida la carga contaminante de estas aguas residuales”, explica el investigador Néstor Andrés Urbina Suárez, y agrega que, en cuanto a los hallazgos en la biomasa, se encontró que se producía una que potenciaba la acumulación de lípidos y carbohidratos de los microorganismos. 

Eficiencia final con sistema BAP acoplado al cultivo de microalgas. Crédito: cortesía investigador.

Una investigación con proyección internacional. Aportes al desarrollo científico y académico 

Según el investigador Urbina Suárez, el hallazgo que trajo consigo la producción de biomasa en las aguas residuales estudiadas es bastante importante, ya que permite pensar en la utilización a futuro de dicha biomasa como una fuente de carbono en la producción de biocombustibles como el biodiesel y el bioetanol, por poner un ejemplo. “La investigación, aparte de generar una nueva tecnología para el tratamiento de aguas complejas como estas, también generó una biomasa con un potencial uso de valorización muy grande, pues puede ser utilizada por la industria y reincorporarla nuevamente al proceso productivo”, dice el investigador Urbina.  

Otros de los aspectos que se podrían ver beneficiados por los resultados de esta investigación tienen que ver con la obtención de energía, producción de fertilizantes alternativos que contribuyan a reducir el impacto de otros materiales en el medioambiente, todo dentro de una apuesta que ha primado la reducción de costos de materias primas utilizadas, lo que aumenta las probabilidades de que esta apuesta pueda ser retomada y escalada por industrias del sector.  

En cuanto al ámbito científico y el desarrollo de este tipo de tecnologías, a lo largo de su investigación, que ha tomado cerca de 7 años de investigación, el investigador Néstor Andrés Urbina Suárez ha ido publicando sus hallazgos, como una manera de documentar y compartir con la comunidad científica y académica los resultados de su apuesta doctoral. De este proceso han salido 9 artículos científicos y 10 ponencias a nivel internacional, lo que da cuenta del impacto que su proyecto ha causado tanto a nivel nacional como en otros países en donde se están desarrollando tecnologías similares para el tratamiento y aprovechamiento de aguas residuales complejas.  

Además de esto, el pasado mes de septiembre, en el marco del Encuentro Internacional de Educación en Ingeniería ACOFI 2024, uno de los eventos más importantes en materia de ingeniería a nivel mundial, su apuesta doctoral fue merecedora de la distinción a mejor tesis laureada entre las participantes. Acerca de este reconocimiento, el investigador piensa que este fue el resultado de haberle apostado a una investigación que buscó evaluar un método que hasta el momento no tenía ningún paralelo. Para él, la visibilización en que se traduce dicho reconocimiento es lo más importante, pues le permitirá seguir diseminando sus hallazgos en otras comunidades:  

“Muchas veces uno se queda con los resultados en un documento, pero creo que algo que logramos dentro del grupo de trabajo es poder transferir el conocimiento mediante ponencias y artículos científicos, y lograr que la comunidad científica conozca que en nuestro país también hacemos investigación de calidad y que respondemos a necesidades reales que ayudan a mitigar el impacto que actualmente generan las aguas residuales”. 

Si le interesa contactar al investigador o conocer más sobre la investigación, escriba a la Oficina de Comunicaciones de la Facultad de Ingeniería: comunicaingenieria@correounivalle.edu.co.