Aguas residuales y su aplicación para los fertilizantes del mañana

Este artículo apareció originalmente en el sitio web de la Facultad de Ingeniería (Universidad del Valle) aquí y fue reproducido con permiso. Su autor es Yhon Eduar Gamboa Mayor (NCC-FI/Univalle).

Daniela María Rivera Velasco, estudiante de Maestría en Ingeniería con énfasis en Ingeniería Sanitaria y Ambiental. Crédito: Édgar Bejarano, Oficina de Comunicaciones Facultad de Ingeniería.

Aunque las aguas residuales pasan por diferentes sistemas de tratamiento para la remoción de la materia orgánica, no se consideran procesos para la remoción de nutrientes como el nitrógeno y fósforo. Estos nutrientes, existentes en las aguas, no suelen aprovecharse. Una investigación plantea encontrarles nuevos usos, esta vez como posibles fertilizantes de origen orgánico, a través de un proceso químico. Sus resultados esperan contribuir a la seguridad alimentaria y la autonomía en materia de fertilizantes en la región.

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Cerrar los ciclos: el propósito de la investigación 

Conscientes de que los diversos sistemas de tratamiento de agua residual no cuentan con un enfoque en sus procesos orientado a la remoción total de dichos nutrientes y su contaminación asociada a procesos de eutrofización en los cuerpos hídricos, la ingeniera ambiental Daniela María Rivera Velasco, en el marco de la Maestría en Ingeniería con énfasis en Ingeniería Sanitaria y Ambiental, realizada en conjunto entre la Universidad del Valle y la Universidad Autónoma de Occidente, planteó un proyecto que tiene por fin ver la viabilidad de la producción de un fertilizante organomineral, por medio de un proceso químico aplicado a aguas residuales.

La investigación, que cuenta con la dirección de la profesora e investigadora de la Universidad del Valle Inés Restrepo Tarquino, vinculada al CINARA, y con la profesora e investigadora de la Universidad Autónoma de Occidente Nancy Vásquez Sarria, se lleva a cabo en la planta de tratamiento de aguas residuales de la Universidad Autónoma de Occidente, en donde se trabaja con un sistema de tratamiento llamado “lodos activados con aireación extendida”. 

Este proceso busca valorizar el agua que ingresa a tales sistemas, recuperando de ella nutrientes como el nitrógeno y el fósforo, que son esenciales para el crecimiento de plantas y cultivos. A su vez, propone dar respuesta a dos escenarios complejos que se viven actualmente, relacionados con el medioambiente y la seguridad alimentaria para los próximos años.

“Una está asociada a los fertilizantes como tal, con algo que se conoce como los fertilizantes de tipo químico, que son los que utiliza la industria normalmente, y que tienen un impacto sobre el suelo”, explica la investigadora Daniela María Rivera Velasco. Según ella, este tipo de fertilizante, al utilizarse de manera excesiva sobre los suelos, produce un efecto de lixiviación -la disolución de agentes de desecho- hacia fuentes hídricas, produciendo un efecto contaminante sobre la naturaleza. La segunda está relacionada con la minería para la obtención de los fertilizantes químicos. Muchos son ricos en fósforo, y este se suele obtener de la roca fosfórica. "Y, de acuerdo con las investigaciones, dentro de 50 a 100 años podría agotarse este material”, agrega la investigadora.

Para realizar esta investigación, Daniela María Rivera Velasco llevó a cabo una caracterización fisicoquímica del agua residual que se genera en la Universidad Autónoma de Occidente, donde midió parámetros como la DQO (Demanda Química de oxígeno), DBO5 (Demanda bioquímica de oxígeno), Sólidos (ST, SV, SST, SSV), Alcalinidad, Dureza, Nitrógeno total, Nitrógeno amoniacal, Nitritos, Nitratos y fosforo total (PO4-3).

Una vez hecha la caracterización, se empezaron los ensayos preliminares de test de jarras, un método común que se utiliza en procesos relacionados con coagulación y floculación. Al tratarse de un proceso de precipitación química, se utilizó cloruro de magnesio como reactivo, e hidróxido de sodio, para ajustar el pH. Dentro de esta fase, se identificó la dosis y el pH óptimo de proceso acorde con las características del agua con que se trabajó. Posteriormente se realizó el proceso de recuperación en el reactor de cristalización con una capacidad de 12 litros bajo las condiciones experimentales definidas previamente.

Estudiante de Maestría en Ingeniería con énfasis en Ingeniería Sanitaria y Ambiental realizando pruebas de laboratorio. Crédito: archivo personal.

Resultados preliminares

La investigación, actualmente está en fase preliminar, ha mostrado resultados prometedores. “Encontramos que sí es viable la producción de fertilizante organomineral”, reconoce la investigadora Daniela María Rivera Velasco, y explica que, a nivel químico, en el agua existen aleaciones del nitrógeno y el fósforo con los otros elementos presentes, lo que da paso eventualmente a la formación de un compuesto llamado técnicamente como “sales” (fosfatos de calcio y fosfatos de amonio y magnesio), principalmente la estruvita. Este grupo tiene una especial importancia, dado que es uno de los componentes activos de algunos de los fertilizantes de origen más amigable con el medioambiente.  

“¿Por qué es importante esta estruvita dentro del concepto de fertilizante? Porque, a diferencia de otros fertilizantes de origen químico, estos tienen un proceso de absorción tal que cuando las plantas lo asimilan el consumo de este nutriente es mucho más lento (fertilizante de lenta liberación). Al ser más lento, no va a quedar exceso en el suelo, y por tanto una menor contaminación de las fuentes hídricas, reduciendo a su vez el impacto asociado a este tipo de fertilizantes químicos”, explica la investigadora.  

Con pruebas que indican la formación de dichas “sales” en el agua tratada, la investigación se encamina hacia su segunda etapa, en la que se busca agregarle a estas lo que en procesos de cristalización química se conoce como “semilla”. “Hemos optado por tener una “semilla” de origen biológico, que se denomina “licor mixto”, el cual se obtiene dentro del proceso de tratamiento de agua residual. Se adiciona para que los cristales en formación tengan un mejor soporte para su crecimiento”, dice la investigadora, y explica que el “licor mixto” se refiere a una mezcla de agua residual y lodo activado que se genera en el proceso de tratamiento biológico, en el cual los microrganismos activos (biomasa) degradan la materia orgánica presente en el agua residual. Con este proceso se busca que los cristales adquieran un mayor tamaño, de forma que el fertilizante tenga mayor consistencia. Esto permite que los nutrientes estén disponibles para la absorción por las plantas. 

Formación de estructuras cristalinas vistas a través de proceso de Microscopía óptica. Crédito: archivo personal.

Lo que viene para la investigación 

Además de técnicas como la microscopia óptica, empleada para clasificar la morfología y el tamaño de las sales formadas en el fertilizante organomineral, futuros estadios de la investigación planean técnicas ópticas como la difracción de rayos X (DRX), la Microscopía Electrónica de Barrido (SEM, por sus siglas en inglés), y la Electroscopía de rayos X de Energía Dispersa (EDS, por sus siglas en inglés), para la identificación y observación de las estructuras. 

“Lo que buscamos es que se obtenga información sobre esa “semilla”, especialmente acerca de su proporción, porque ya hemos visto que realmente se está logrando un crecimiento de estas sales”, afirma la investigadora Daniela María Rivera Velasco, y cuenta que, una vez concluida esta etapa, esperan escalar la investigación a la planta piloto. “La idea es que, a inicios del próximo año, en la estación experimental ubicada en la PTAR de la Universidad Autónoma de Occidente se ubique la planta piloto para recuperación de nutrientes con el reactor de cristalización que tendrá una capacidad de 250 litros”.

A su vez, se espera contar para este momento con la proporción ideal de la semilla para la producción del fertilizante organomineral, y que pueda ser escalado el proceso.

Su utilidad en la región   

Eventos políticos y sociales como la guerra entre Ucrania y Rusia han hecho referencia a un aspecto que hasta entonces había pasado inadvertido, y es el que tiene que ver con la demanda alimentaria y la incertidumbre que pueden provocar las decisiones de uno u otro gobierno en la vida de muchas personas en distintas partes del mundo. Tal fue el caso de los fertilizantes, las importaciones se vieron amenazadas con la llegada del conflicto entre estos países. Esto, sumado al crecimiento poblacional, les ha dado a los fertilizantes una importancia que antes no se consideraba, lo que también ha hecho necesario la exploración de nuevas alternativas. 

Para la investigadora Daniela María Rivera Velasco, esta es una oportunidad para pensar en la utilidad de su investigación. “La gestión insuficiente o inadecuada del agua residual ha desencadenado problemas de contaminación asociado al incremento de nutrientes en los cuerpos de agua y suelos, generando un impacto negativo en el medio ambiente. ¿Por qué no derivarla a un proceso del que podamos obtener algo, esta vez la creación de un fertilizante, que pueda suplir las necesidades futuras?”, propone, y menciona que la investigación también está en relación con los Objetivos de Desarrollo Sostenible de la ONU, en especial el número 2, “Hambre cero”, asociado a la inseguridad alimentaria con el crecimiento poblacional, falta de alimentos y deficiencia de productos como los fertilizantes.

Si le gustaría contactar a los investigadores o conocer más sobre los proyectos, escriba a la Oficina de Comunicaciones Facultad de Ingeniería: comunicaingenieria@correounivalle.edu.co.