Una solución sostenible

Por Universidad de Toronto3 de junio de 2023

Los investigadores han desarrollado un método para extraer y recuperar nutrientes valiosos como el fosfato y el amonio de las aguas residuales utilizando una membrana especialmente diseñada que contiene partículas inorgánicas. La investigación, que posiciona las aguas residuales como un recurso en lugar de una molestia, podría contribuir potencialmente a una economía circular al proporcionar materiales para la producción de fertilizantes agrícolas y mitigar la escasez inminente de estos nutrientes que podría amenazar el suministro mundial de alimentos.

Doctorado en Ingeniería de la Universidad de Toronto. La candidata Sara Abu-Obaid (ChemE) cree que se necesita un cambio fundamental en el sector de la gestión de aguas residuales.

"Necesitamos pasar de ver las aguas residuales como una molestia a reconocer su potencial como recurso", dice. "Puede proporcionarnos agua, nutrientes, energía y otras cosas de valor que se pueden recolectar y utilizar para avanzar hacia una economía circular".

Bajo la dirección del profesor Ramin Farnood (ChemE), Abu-Obaid es el autor principal de un estudio publicado recientemente en la revista Chemical Engineering. Esta investigación presenta un método ecológico para extraer fosfato y amonio de las aguas residuales, al mismo tiempo que permite la reutilización de estos nutrientes en el futuro.

Su nuevo método utiliza membranas avanzadas que incorporan partículas inorgánicas para la absorción de fosfato y amonio de las aguas residuales. Al recuperar estas sustancias de manera rentable, el método crea una nueva fuente de materiales que pueden utilizar los fabricantes de fertilizantes agrícolas.

El agua usada para bañarse, ir al baño, lavar ropa y otras fuentes fluye por los desagües hacia las alcantarillas que conducen a las plantas de tratamiento de aguas residuales, donde se limpia para que pueda descargarse de manera segura en la naturaleza sin afectar el medio ambiente.

Los objetivos clave del proceso de tratamiento incluyen la eliminación de sólidos, materia orgánica, patógenos y nutrientes, como los que se derivan de los productos domésticos y los excrementos (materia de desecho que se descarga del cuerpo). Entre estos nutrientes se encuentran el fosfato y el amonio, dos ingredientes esenciales en los fertilizantes agrícolas.

Sara Abu-Obaid (candidata a doctorado en ChemE) ha diseñado una nueva solución que utiliza membranas con partículas inorgánicas para recuperar valiosos nutrientes de las aguas residuales. Crédito: Safa Jinje

Si bien el fósforo es esencial para la vida vegetal próspera, demasiado químico puede causar eutrofización. Este complejo proceso comienza cuando un ambiente se enriquece demasiado con nutrientes, lo que lleva a una explosión en el crecimiento de algas. Estas floraciones de algas nocivas agotan la disponibilidad de oxígeno en el agua, creando "zonas muertas" donde los organismos acuáticos se asfixian. La exposición a largo plazo al amonio también puede ser tóxica para la vida acuática.

Las instalaciones actuales de tratamiento de aguas residuales han establecido procesos para eliminar el fosfato y el amonio durante el proceso de tratamiento. Por lo general, un tratamiento químico convierte el fosfato en una forma sólida que se deposita en el fondo del agua, donde luego se recolecta como lodo y se envía a un vertedero. El amonio se elimina tradicionalmente mediante un tratamiento biológico, donde las bacterias lo consumen y lo convierten en nitrato y luego en gas nitrógeno.

"Estos son dos productos de alto valor que son ingredientes clave en los fertilizantes, pero los procesos actuales de tratamiento de aguas residuales tratan estos nutrientes como desechos", dice Abu-Obaid.

"Mi solución es extraer completamente los nutrientes del agua, de modo que pueda usarse como fuente para la producción de fertilizantes".

Muchos científicos han advertido que la tasa actual de consumo de fósforo agrícola podría provocar una escasez crítica, lo que interrumpiría el suministro de alimentos a nivel mundial. El nuevo método de Abu-Obaid podría ayudar a impulsar el suministro al convertir las aguas residuales en una fuente viable de estos nutrientes.

Si bien muchas membranas utilizadas para la filtración de agua se basan en poros cuidadosamente diseñados para filtrar las sustancias objetivo fuera del agua, el enfoque de Abu-Obaid es diferente. Su membrana contiene diminutas partículas hechas de akaganeita y zeolita 13X con alta afinidad por la adsorción de fosfato y amonio.

"No estamos eliminando las cosas que queremos eliminar excluyendo el tamaño o aplicando grandes presiones", dice Abu-Obaid. "Más bien, son las partículas dentro de la membrana las que están eliminando, y el trabajo de la membrana es mantenerlas en su lugar".

Si bien las partículas podrían hacer el trabajo por sí solas, Abu-Obaid dice que la dificultad radicaría en eliminarlas de las aguas residuales y temer que se filtren. El uso de una membrana para mantenerlas en su lugar abre la posibilidad de una operación en dos fases: primero, las partículas adsorben amonio y fosfato de las aguas residuales, luego las membranas se lavan con una solución de hidróxido de sodio para recuperar los nutrientes y regenerar las partículas simultáneamente. .

En el estudio, las membranas pudieron capturar iones de fosfato y amonio en condiciones dinámicas de flujo de agua, lo que resultó en la eliminación del 84 % del amonio y el 100 % del fosfato de las aguas residuales sintéticas, incluso en presencia de otros iones competidores.

Si bien Abu-Obaid cree que sus experimentos han demostrado que el método tiene un gran potencial para esta aplicación, ve la necesidad de realizar más estudios para investigar las consideraciones de diseño para la aplicación a gran escala de tales sistemas.

"Este es un uso no tradicional de la tecnología de membrana, que se usa más comúnmente para la filtración del tipo de exclusión por tamaño", dice.

"También puede ser un desafío justificar por qué estamos usando esta tecnología para recuperar nutrientes que aún no son tan escasos como para amenazar las cadenas de suministro actuales. Pero creemos que podemos beneficiarnos si nos adelantamos al problema y establecemos fuentes sostenibles potenciales para el futuro."

Hasta entonces, Abu-Obaid espera que esta nueva solución, junto con otras tecnologías innovadoras para recuperar nutrientes de las aguas residuales, pueda obtener más apoyo.

"Necesitamos más estudios tecnoeconómicos, estabilidad a largo plazo y estudios piloto para demostrar la utilidad de esta tecnología para crear un futuro más sostenible para la gestión de aguas residuales", dice.

Referencia: "Membranas de adsorción para la recuperación de nutrientes de las aguas residuales: una solución novedosa para los desafíos de purificación de agua" por Sara Abu-Obaid, Shahram Tabe, Mohtada Sadrzadeh y Ramin R. Farnood, 18 de abril de 2023, Chemical Engineering Journal.DOI: 10.1016/j. cej.2023.143057