Eliminación de disruptores endocrinos en aguas residuales mediante procesos basados en microalgas empleando un enfoque de biorrefinería

Abstract

Resumen El agua es un recurso fundamental para la vida, ampliamente utilizado tanto en el ámbito doméstico como en numerosos sectores industriales. Sin embargo, nos encontramos en un contexto global de escasez hídrica, agravado por la creciente demanda y la presión derivada del cambio climático. Esta situación hace imprescindible adoptar una gestión sostenible del recurso, en la que la reutilización de aguas residuales juega un papel clave. Este nuevo enfoque requiere del desarrollo de tecnologías avanzadas de depuración, capaces de revalorizar este recurso más allá del tratamiento convencional. Las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR) tradicionales presentan limitaciones importantes, especialmente en la eliminación de un alto contenido en nutrientes como el nitrógeno y el fósforo, así como de contaminantes emergentes, entre los que destacan los compuestos disruptores endocrinos (CDEs). Estos últimos, han cobrado especial relevancia por su capacidad para alterar el sistema endocrino de organismos acuáticos y humanos, incluso en concentraciones muy bajas. En los últimos años, la preocupación por los CDEs ha aumentado considerablemente, debido tanto a su elevada producción como a su abundante presencia en diferentes masas de agua, tanto superficiales, como subterráneas y residuales. Dado que los tratamientos actuales no están diseñados específicamente para su eliminación, resulta necesario desarrollar procesos innovadores que eviten su vertido y reintroducción en el ciclo del agua. Entre las tecnologías emergentes para la eliminación de CDEs se encuentran procesos de oxidación avanzada, cloración o tratamientos basados en membranas. No obstante, estas alternativas presentan una serie de desventajas importantes, como su selectividad solo hacia determinados compuestos, su alta demanda energética y sus elevados costes. En este contexto, los sistemas basados en microalgas representan una alternativa prometedora y sostenible. Estos microorganismos, tanto eucariotas como cianobacterias, han despertado un gran interés en los últimos años por sus múltiples aplicaciones, desde la obtención de productos de alto valor añadido (como carotenoides o ficobiliproteínas), hasta su uso en la obtención de biocombustibles (como el biogás) y en procesos de biorremediación. Gracias a su capacidad para asimilar simultáneamente carbono orgánico e inorgánico, nitrógeno y fósforo presentes en las aguas residuales, mientras producen biomasa, las microalgas ofrecen una alternativa integral a los tratamientos convencionales. Además, durante su crecimiento, fijan el CO2 atmosférico a través de la fotosíntesis, contribuyendo a la mitigación del cambio climático. A esto se suma su capacidad para eliminar CDEs, reforzando su potencial en el tratamiento avanzado de aguas residuales. El objetivo principal de esta tesis es evaluar un sistema basado en microalgas para la depuración de aguas residuales domésticas, logrando la eliminación de nutrientes y la degradación de CDEs. Además, se persigue el aprovechamiento energético de la biomasa ii obtenida tras el tratamiento mediante digestión anaerobia para la producción de biogás, integrando ambos procesos dentro del concepto de biorrefinería en el marco de la economía circular para el tratamiento de aguas residuales. Para lograr este objetivo, el primer paso fue desarrollar un método preciso, fiable y robusto para la detección de la mezcla de estudio de CDEs en muestras acuosas. Se seleccionó una estrategia combinada basada en extracción en fase sólida (SPE) y cromatografía líquida de alta resolución (HPLC) acoplada a un detector de matriz de diodos (DAD). Para ello, se empleó un enfoque inverso, en primer lugar, se desarrollaron dos métodos cromatográficos mediante HPLC-DAD y, una vez se logró la identificación y cuantificación de los CDEs, se evaluó el efecto de distintas variables sobre la recuperación de los contaminantes en el proceso de SPE (masa de adsorbente, volumen de muestra, volumen de eluyente y pH). Con los resultados obtenidos y considerando las limitaciones experimentales existentes, se desarrolló un protocolo de SPE que permitió enriquecer eficazmente las muestras en los analitos de interés. Posteriormente, se estudiaron dos estrategias de biorrefinerías basadas en el uso de microalgas como tratamiento biológico (secundario) o como tratamiento terciario para la depuración de aguas residuales. En la primera, se evaluó su aplicación como tratamiento biológico (secundario) en una planta depuradora. Para ello, se cultivaron Chlorella vulgaris y Scenedesmus sp. en agua residual sintética (ARS), preparada en el laboratorio de forma que simulase el efluente del tratamiento primario, durante siete días. A lo largo del cultivo, se midió la eliminación de nutrientes y CDEs, el crecimiento de la biomasa, así como su composición bioquímica y elemental al final del experimento. Por otro lado, se analizaron los mecanismos de eliminación (bioadsorción, bioacumulación, bioeliminación o degradación)de los CDEs estudiados mediante balances de masa a lo largo del experimento. Posteriormente, la biomasa obtenida se co-digirió con fangos de depuradora para su valorización mediante digestión anaerobia para obtener biogás, en condiciones mesófilas. Se realizó un pretratamiento hidrotermal a la biomasa, previo a su digestión para mejorar su biodegradabilidad y se evaluó la influencia del mismo en la producción de biogás respecto a la biomasa sin pretratar. En la segunda estrategia de biorrefinería, se exploró la aplicación de las microalgas estudiadas como tratamiento terciario para la depuración de aguas residuales. Se evaluó el crecimiento y la capacidad de eliminación de nutrientes de Scenedesmus sp. y C. vulgaris en agua residual real (ARR) procedente de la salida del tratamiento secundario de una planta depuradora. Los resultados permitieron identificar a Scenedesmus sp. como la especie más adecuada para crecer en este medio. Así, esta especie fue cultivada en el agua residual real durante siete días y se monitoreó su crecimiento y la eliminación de nutrientes en presencia y ausencia de CDEs, evaluando su capacidad para degradarlos. La presente tesis se ha dividido en cuatro bloques, cuyos resultados y conclusiones principales se muestran a continuación.