15 / junio / 2021 | 08:26 hrs.

Obtención de energía eléctrica a partir del agua residual

Germán Buitrón Méndez

En México se generan alrededor de 250 m3/s de aguas residuales municipales. De esta cantidad se trata solamente cerca de 25%; el reto por resolver es enorme. Cuando se lleva a cabo el tratamiento del agua, la mayoría de las instalaciones operan utilizando el proceso aerobio conocido como lodos activados. Este proceso es un alto consumidor de energía, la cual es necesaria para la aeración del sistema.

En general, un proceso para tratar aguas consume energía: se necesita alrededor de un kWh de energía eléctrica para la oxidación de un kilogramo de materia orgánica o alrededor de 0.5 kWh por metro cúbico de agua residual a tratar. Sin embargo, desde hace varios años se sabe que las bacterias pueden ser utilizadas para generar electricidad.

Es interesante, entonces, llevar a cabo la degradación de la materia orgánica presente en las aguas residuales por una parte y, por otra, generar electricidad. El propósito de tal sistema no sería competir con las tecnologías existentes para generar electricidad a gran escala, sino tratar el agua residual y obtener durante este proceso un producto de valor agregado. Es decir, ver el tratamiento del agua no sólo como algo necesario para la sustentabilidad, sino también como un proceso que valoriza la materia orgánica presente. Bajo condiciones adecuadas, este tipo de procesos podrían no solamente ser utilizados a gran escala para tratar aguas residuales de una ciudad o industria, sino también sería factible para ser instalado en pequeñas comunidades habitacionales o incluso en comunidades dispersas o aisladas del país.

¿Cómo funciona el proceso? Las celdas de combustible microbianas son dispositivos que convierten la energía bioquímica contenida en las moléculas en energía eléctrica, haciendo uso de microorganismos. En su forma más simple, estos dispositivos cuentan con dos cámaras llamadas cámara anódica y cámara catódica. En la cámara anódica se encuentra un electrodo, generalmente de grafito, llamado ánodo y colonizado con bacterias. En la cámara catódica, el electrodo que también puede ser de grafito, se conoce como cátodo y está en presencia de oxígeno. Ambas cámaras están separadas por una membrana.

Para entender cómo funciona la celda de combustible, primero describiré qué pasa en una planta de tratamiento. En un proceso convencional de tratamiento de aguas, las bacterias obtienen energía para su multiplicación transfiriendo electrones durante las reacciones químicas. De manera simplificada, el proceso es el siguiente: los electrones son transferidos desde una molécula donadora (altamente energética) hacia una molécula aceptora (molécula de bajo poder energético). Por ejemplo, el azúcar es una molécula donadora de electrones; pero también lo es el agua residual que tiene un alto contenido de materia orgánica (contaminantes orgánicos).
Por otro lado, un aceptor de electrones puede ser el oxígeno que se encuentra en el aire. Así, en el tratamiento de aguas convencional con ayuda de los microorganismos, los contaminantes orgánicos transfieren los electrones al oxígeno suministrado. La contaminación orgánica es transformada entonces a bióxido de carbono, agua y con la energía ganada se reproducen los microorganismos.

Ahora bien, en una celda de combustible microbiana, por el contrario, las bacterias no transfieren los electrones al oxígeno, sino que lo hacen directamente a la superficie del ánodo. Posteriormente, los electrones pasan a través de una resistencia, u otra carga, hacia un cátodo por lo que los electrones generados en la reacción son “cosechados” y convertidos directamente en energía eléctrica. El carbono orgánico es transformado a bióxido de carbono. Para cerrar el ciclo, los protones formados migran hacia el cátodo. El cátodo puede estar expuesto al oxígeno del aire. Los protones entonces se combinan con el oxígeno para formar agua.

Para aumentar la eficiencia en la generación de electricidad y eliminación de los contaminantes, la investigación se centra en determinar cuáles son las mejores especies bacterianas para transferir electrones, en los diferentes diseños de celdas y los materiales con los que están hechos los electrodos...

*Coordinador de la Unidad Académica del Instituto de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México, Campus Juriquilla.

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