Valoración energética y tratamiento de efluentes residuales mediante celdas de combustible microbiológicas

Resumen

El objetivo principal de esta Tesis Doctoral ha sido la valorización energética de aguas residuales cuyo principal contaminante es la materia orgánica biodegradable, como son las aguas residuales de la industria de los zumos de frutas, mediante celdas de combustible microbiológicas. Para la consecución de este objetivo, se plantearon una serie de subobjetivos: El primer subobjetivo fue la valorización energética de aguas residuales mediante celdas de combustibles microbiológicas basadas en hidrógeno. Este tipo de celdas constan de dos sistemas acoplados: un sistema de producción de biohidrógeno mediante fermentación acidogénica y una celda de combustible, donde el biohidrógeno generado se utiliza como combustible para producir electricidad. Para ello, en primer lugar, se aclimató un fango activo bajo condiciones acidogénicas (26 ºC, pH 5 y ausencia de oxígeno) hasta obtener un cultivo que presentaba un rendimiento de 1,403 mol H2 mol hexosa-1 degradada y un porcentaje de hidrógeno en la fase gas del 57%. Posteriormente, se estudió la producción de electricidad en el stack de celdas de combustible polimérica que operaba a alta temperatura a partir del biohidrógeno obtenido sin ningún tratamiento de purificación. En base a los resultados obtenidos, se determinó que el biohidrógeno obtenido a partir del agua residual de las industrias de los zumos de frutas se puede emplear directamente como combustible en un stack de HT-PEMFC sin necesidad de una etapa previa de purificación, ya que el rendimiento en la producción de electricidad fue similar al obtenido con hidrógeno puro. Por otro lado, se estudió la producción directa de electricidad en una MFC. En este tipo de celdas los microorganismos oxidan los contaminantes liberando directamente los electrones al electrodo. La eficiencia energética de estas celdas es mayor, ya que la producción de electricidad se lleva a cabo en una sola etapa siendo las pérdidas energéticas menores. Sin embargo, es preciso estudiar y desarrollar el funcionamiento de este tipo de celdas. En base a esto, se planteó el segundo subobjetivo, que consistió en el estudio del efecto de las variables de operación más importantes en el funcionamiento de una microcelda de combustible microbiológica (microMFC). El incremento de la temperatura, desde 20 hasta 40 ºC, provocó un aumento exponencial de la densidad de corriente, debido al aumento de la actividad microbiológica con la temperatura. Cabe destacar que no se observó histéresis cuando se disminuyó de nuevo la temperatura, lo que indicó que el cambio de la temperatura no modificó el funcionamiento de la microMFC. La siguiente variable que se evaluó fue el efecto de la DQO, estudiando valores desde 300 hasta 1.800 mg L-1. En estos experimentos se observó como al aumentar la DQO, se incrementó la producción de electricidad y la velocidad de eliminación debido al aumento de la transferencia de materia y del crecimiento de los microorganismos. En este caso, se observó histéresis cuando se disminuyó la DQO a los valores iniciales debido a que cuando la DQO fue elevada, los microorganismos adquirieron la habilidad de degradar la DQO a mayor velocidad. Sin embargo, después de 7 días, los microorganismos perdieron esta habilidad. También se estudió el efecto de la resistencia externa del circuito eléctrico de la microMFC en la producción de electricidad y la depuración del agua residual. Al aumentar la resistencia externa desde 120 hasta 1.000 ¿, aumentó la potencia eléctrica generada y la velocidad de eliminación de DQO debido a que disminuyeron las pérdidas energéticas. A partir de 1.000 ¿, la potencia y la velocidad de eliminación de DQO, se mantuvieron prácticamente constantes, ya que el aumento de la resistencia externa provocó el desarrollo de microorganismos no electrogénicos que consumían el sustrato. Los cambios producidos en el funcionamiento de la microMFC fueron irreversibles y no se recuperó la producción de electricidad cuando la resistencia volvió al valor inicial. Con el fin de desarrollar un sistema más sostenible y ambientalmente favorable, el tercer subobjetivo consistió en el estudio de la depuración del agua residual y la producción de electricidad en una celda de combustible microbiológica fotosintética (MFC fotosintética). Esta celda disponía de un cultivo de algas en el compartimento catódico que producían el oxígeno necesario para la reacción de reducción. En primer lugar, se estudió la viabilidad de la MFC fotosintética para la producción de electricidad y depuración del agua residual simultáneamente. Para ello, se sustituyó el sistema de aireación del compartimento catódico de una MFC convencional por el cultivo de algas, lo que inicialmente provocó una caída de voltaje debido a la caída del oxígeno disuelto. Posteriormente, el voltaje producido aumentó hasta alcanzar el estado estacionario a los 17 días, generándose el mismo voltaje que en la MFC convencional. Una vez alcanzado el estado estacionario, durante la fase lumínica, las algas produjeron oxígeno mediante la fotosíntesis y el voltaje dependió de la concentración de DQO en el ánodo. Durante la fase oscura (ausencia de luz en el cátodo), las algas dejaron de producir oxígeno por lo que el voltaje producido estuvo limitado por el descenso de la concentración de oxígeno disuelto en el cátodo. En todo momento la resistencia del cátodo fue superior a la del ánodo, es decir, el cátodo fue el limitante. Por último, se realizó un estudio paramétrico de las variables más importantes para el óptimo funcionamiento de la MFC fotosintética. En primer lugar, se estudió la influencia de los microorganismos en suspensión en el compartimento anódico, determinándose que es preferible la presencia de microorganismos en suspensión. También se evaluó el efecto de la concentración de DQO, obteniéndose que cuando la DQO aumentó hasta 1.066 mg L-1, la producción de electricidad disminuyó hasta 10 mV (en la fase lumínica) a pesar de que la velocidad de eliminación de DQO aumentó. Esto fue debido al crecimiento de los microorganismos no electrogénicos y a la inhibición de los microorganismos electrogénicos. Adicionalmente, cuando se empleó bicarbonato sódico en lugar de dióxido de carbono como fuente de carbono inorgánico se alcanzó antes el estado estacionario ya que se evitó la desabsorción de oxígeno. Para finalizar, se evaluó la evolución de las variables más importantes durante las fases lumínica y oscura con el fin de caracterizar el funcionamiento de la MFC fotosintética. Durante la fase oscura, se observó que cuando la concentración de oxígeno fue baja se continuaba produciendo electricidad, esto podría deberse a que en ausencia de oxígeno se consumieron otros aceptores de electrones existentes en el catolito, como NO3- y SO42-. La depuración del agua residual no se vio afectada por los ciclos de luz/oscuridad. De esta forma, se eliminó un 75% de DQO con una velocidad de 38 mg DQO L-1 h-1, siendo la relación de DQO:N:P eliminado 100:5:1.