M+.- Cada vez que alguien descarga el sanitario, abre una llave o lava los platos, miles de litros de agua residual inician un recorrido que, en muchas ocasiones, termina nuevamente en ríos, arroyos o cuerpos de agua naturales sin haber sido aprovechados.
En un país donde más del 70 por ciento del agua dulce disponible se destina a la agricultura y donde la presión sobre presas y acuíferos aumenta cada año, reutilizar esas aguas representa uno de los mayores desafíos ambientales y científicos.
Con esa meta trabajan desde hace más de dos décadas investigadores de la Universidad Autónoma de Coahuila (UAdeC) y de la Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro (UAAAN), quienes hablaron con MILENIO tras desarrollar un sistema biotecnológico capaz de eliminar hasta 90 por ciento de la materia orgánica e inorgánica presente en las aguas residuales municipales, reducir en 99.9 por ciento las bacterias coliformes fecales y los huevos de helmintos —parásitos que representan un riesgo para la salud— y, además, generar electricidad durante el proceso de depuración.
Aunque la calidad del agua obtenida todavía no permite utilizarla directamente en cultivos destinados al consumo humano, los resultados alcanzados muestran que, integrada a otros procesos de tratamiento, la tecnología puede contribuir a obtener un agua apta para distintos usos y abrir nuevas posibilidades para el aprovechamiento de este recurso.
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El sistema incluso ya fue probado con éxito en aguas de menor contaminación, donde la eficiencia aumenta al grado de permitir su aplicación directa en plantas ornamentales.
Una investigación que lleva más de veinte años
Detrás del proyecto se encuentra el trabajo conjunto de la doctora Silvia Judith Martínez Amador, investigadora del Departamento de Botánica y responsable del Laboratorio de Biología, de la Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro; y del doctor José Antonio Rodríguez de la Garza, investigador del Departamento de Biotecnología, de la Facultad de Ciencias Químicas, de la Universidad Autónoma de Coahuila e integrante de los claustros de investigación de la Maestría y el Doctorado en Ciencias y Biotecnología.
Durante al menos dos décadas, ambos especialistas han estudiado distintas formas de tratar y reutilizar aguas residuales municipales con el propósito de reducir cada vez más la presencia de contaminantes y aprovechar los nutrientes que estos líquidos aún conservan.
Su investigación parte de una premisa sencilla: el agua residual no debe verse únicamente como un desecho.
También puede convertirse en un recurso.
¿Qué contiene el agua residual?
El agua residual municipal proviene principalmente de los hogares, escuelas y comercios.
Es la que diariamente se desecha a través de sanitarios, regaderas, lavabos y tarjas, además de aquella utilizada por establecimientos comerciales en distintos procesos.
Los sistemas municipales la recolectan antes de conducirla hacia las plantas tratadoras.
La doctora Silvia Judith Martínez explica que este tipo de agua contiene sustancias fácilmente degradables por microorganismos, además de importantes cantidades de carbono, nitrógeno y fósforo.
Precisamente esos compuestos representan uno de los mayores intereses de los investigadores.
"Nosotros hemos optado por ir mejorando procesos para el tratamiento del agua, que tiene una alta concentración de organismos coliformes y parásitos, pero también tiene una buena cantidad de nitrógeno, que es bueno desde el punto de vista de la agricultura, porque la planta lo podría reutilizar y es una agua se puede decir noble, en comparación con el agua residual industrial", explicó la investigadora.
A diferencia de los residuos industriales, cuya composición suele incluir metales pesados y sustancias químicas complejas, las aguas residuales municipales conservan nutrientes que, una vez eliminados los microorganismos patógenos, pueden aprovecharse para la producción agrícola.
Ese potencial es precisamente el que buscan desarrollar los científicos.
Así funciona el sistema
Para lograrlo, los investigadores han perfeccionado durante años un proceso que combina tratamientos biológicos con nuevas tecnologías.
El sistema utiliza microorganismos anaerobios —que viven sin oxígeno— y microorganismos aerobios —que requieren oxígeno para desarrollarse—, además de procesos secuenciales donde ambos participan en distintas etapas del tratamiento.
Mientras estos microorganismos consumen la materia orgánica presente en el agua residual, reducen de manera importante la carga contaminante del líquido.
Sin embargo, el equipo de investigación fue un paso más allá.
El doctor José Antonio Rodríguez de la Garza incorporó al sistema celdas de combustible microbianas, pequeños dispositivos bioelectroquímicos capaces de aprovechar el metabolismo natural de los microorganismos.
Durante ese proceso biológico, las bacterias degradan los contaminantes para obtener energía y reproducirse.
Al hacerlo liberan electrones y protones.
Esos electrones pueden ser capturados para producir un flujo electrónico, es decir, una corriente eléctrica.
"Estos sistemas bioelectroquímicos pueden ya sea generar electricidad o se les puede suministrar voltaje para realizar una función específica. Existen distintos sistemas bioelectroquímicos; con los que más trabajamos es con celdas de combustible microbianas y estos tipos de dispositivos sí generan un potencial eléctrico", explicó el investigador.
En otras palabras, el mismo proceso mediante el cual los microorganismos limpian el agua también permite producir energía.
La electricidad generada todavía es modesta, pero demuestra que el tratamiento de aguas residuales puede dejar de ser únicamente un proceso de saneamiento para convertirse también en una fuente complementaria de energía limpia.
Del laboratorio al campo
La investigación no se limita al tratamiento del agua.
Los científicos mantienen una colaboración con la Planta de Tratamiento ubicada en el Bosque Urbano de Saltillo, donde, mediante los cuerpos académicos de ambas universidades, el municipio les facilita la recolección de agua residual municipal —es decir, aquella que llega antes de recibir cualquier tratamiento—, además de permisos para obtener lodos generados durante el proceso.
Ese material se ha convertido en otra línea de investigación.
Los especialistas trabajan en el desarrollo de bioinsumos agrícolas obtenidos a partir de los lodos de las plantas tratadoras, así como en sistemas capaces de incrementar la concentración de nitrógeno mediante la proliferación controlada de algas benéficas para la agricultura.
"Las investigaciones incluyen la generación de bioinsumos agrícolas a través de lodos que se generan en las plantas de tratamiento, aparte de tratar el agua a través de celdas de combustible microbianas o acoplar los humedales que son sistemas fitobioelectroquímicos, para aumentar la concentración de nitrógenos a través de la proliferación de algas que son buenas para la agricultura", explicó el doctor José Antonio Rodríguez.
Para los investigadores, el objetivo no es únicamente depurar el agua, sino recuperar los nutrientes que naturalmente contiene y reincorporarlos a los ciclos productivos.
Un recurso que México no puede desperdiciar
La apuesta por reutilizar aguas residuales responde también a una realidad nacional.
En México, más del 70 por ciento del agua dulce disponible se destina a la agricultura, por lo que reducir ese consumo mediante el uso de agua tratada representa una de las principales alternativas para enfrentar la creciente presión sobre los recursos hídricos.
Sin embargo, ese aprovechamiento enfrenta una limitante fundamental: el agua sólo puede utilizarse en cultivos destinados al consumo humano cuando cumple plenamente con las normas oficiales mexicanas.
Ahí se concentra uno de los principales retos del proyecto.
Un sistema cada vez más eficiente
A lo largo de más de veinte años de investigación, el equipo científico ha perfeccionado distintos procesos biológicos para incrementar la capacidad de limpieza del agua residual.
Los investigadores comenzaron utilizando tratamientos anaerobios, en los que intervienen microorganismos que no requieren oxígeno para sobrevivir.
Posteriormente, incorporaron tratamientos aerobios, donde participan microorganismos que sí necesitan oxígeno.
Más adelante desarrollaron esquemas secuenciales que combinan ambos tipos de bacterias para aumentar la eficiencia del proceso.
La incorporación de las celdas de combustible microbianas permitió dar un paso adicional.
Mientras los microorganismos consumen los contaminantes presentes en el agua para reproducirse y cumplir sus funciones metabólicas, generan una corriente electrónica que puede aprovecharse como energía.
En otras palabras, el sistema limpia el agua y produce electricidad de manera simultánea.
Actualmente, el siguiente objetivo consiste en integrar esas celdas a sistemas fitobioelectroquímicos, donde también participan plantas ornamentales.
Uno de los cultivos considerados para esta nueva etapa es el cempasúchil, especie que serviría para evaluar el comportamiento del agua tratada y de los nutrientes recuperados durante el proceso.
Los retos científicos
Pese a los avances alcanzados, los investigadores reconocen que aún existen desafíos importantes.
Uno de ellos es la reducción del nitrógeno.
Aunque el sistema disminuye considerablemente su concentración, todavía no alcanza niveles que permitan asegurar que el suelo no sufrirá impactos ambientales.
"Entre los problemas que aún se tienen, además de los ya citados, se puede mencionar que pese a reducir la presencia de nitrógeno, aún no es suficiente para que nosotros podamos estar seguros de no impactar en el suelo", explicó la doctora Silvia Judith Martínez.
Otro desafío consiste en cumplir plenamente con la Norma Oficial Mexicana NOM-003-ECOL-1997, que regula el reúso de aguas residuales tratadas.
Actualmente, el sistema elimina un elevado porcentaje de materia orgánica, coliformes fecales, helmintos, fósforo, nitrógeno, grasas y aceites.
Sin embargo, todavía no alcanza totalmente los parámetros exigidos por la legislación.
"No llega a cubrir cabalmente las normas oficiales en materia de reúso", reconoció la investigadora.
Después del tratamiento, aún permanecen niveles superiores a 240 Número Más Probable (NMP) de coliformes por cada cien mililitros de agua.
Por ello, el líquido recuperado aún no puede utilizarse para cultivos destinados directamente al consumo humano.
¿Dónde sí puede utilizarse?
Aunque el agua tratada todavía no reúne todas las condiciones para el riego de frutas y hortalizas, los investigadores subrayan que ya posee aplicaciones prácticas.
"El uso que le pudiéramos dar es para aplicarla en lugares donde no haya contacto humano, por ejemplo en los pastos que tienen fin paisajístico", explicó la doctora Silvia Judith Martínez.
En esas condiciones, el agua puede aprovecharse con seguridad en jardines, áreas verdes y plantas ornamentales.
Además, cuando el sistema trabaja con aguas menos contaminadas, la eficiencia aumenta considerablemente.
Las pruebas realizadas muestran que, bajo esas condiciones, el agua obtenida puede utilizarse exitosamente en plantas de ornato.
¿Cómo se integra a una planta tratadora?
Los investigadores aclaran que su desarrollo no pretende sustituir las plantas de tratamiento convencionales, sino fortalecerlas.
Una planta tratadora realiza normalmente tres etapas.
La primera corresponde al tratamiento primario, donde se eliminan sólidos mediante procesos físicos de sedimentación.
Después viene el tratamiento secundario, en el que microorganismos degradan la mayor parte de la materia orgánica.
Finalmente, se aplica un tratamiento terciario, donde mediante cloro, ozono, radiación ultravioleta u otros métodos se neutralizan los microorganismos patógenos y los sólidos que aún permanecen en el agua.
El sistema desarrollado por los científicos de la UAdeC y la UAAAN se incorpora precisamente a esa segunda etapa biológica.
"Sí se tiene que acoplar a tratamientos tanto físicos como químicos para tener un tratamiento altamente eficiente", puntualizó el doctor José Antonio Rodríguez.
De la investigación al uso cotidiano
Aunque la Planta Tratadora del Bosque Urbano ha facilitado el desarrollo de las investigaciones, los científicos aclaran que no participan en su operación.
Actualmente, la instalación es administrada por una empresa contratada por el municipio.
"Nosotros no colaboramos; ellos ya tienen su tratamiento. El municipio tendría que interesarse", comentó la doctora Silvia Judith Martínez.
No obstante, la colaboración ha permitido validar distintos procesos y compartir los avances obtenidos.
El doctor José Antonio Rodríguez advierte que una gran cantidad de agua residual todavía se descarga directamente a cuerpos naturales sin recibir tratamiento suficiente.
Eso representa un riesgo permanente para la salud pública y el medio ambiente.
Por ello, considera indispensable continuar desarrollando tecnologías capaces de mejorar la calidad del agua antes de devolverla a ríos, arroyos o presas.
El siguiente paso: llevar la tecnología a ejidos y viviendas
El proyecto ya tiene una nueva meta.
Durante los próximos cuatro años, los investigadores trabajarán en un sistema de tratamiento de mayor escala que permita utilizar el agua recuperada en el cultivo de plantas ornamentales.
Después buscarán sacar la tecnología del laboratorio.
"También estamos viendo la posibilidad de trasladar esta información a un ejido y empezar con plantas de tratamiento pequeñas, que sería lo más sencillo para nosotros, porque también tenemos nuestras limitaciones de ingeniería, donde tendrían que intervenir otras especialidades para poder escalar, pero sí estamos en ese objetivo, de poderlo implementar en alguna casa, algún rancho", explicó la doctora Silvia Judith Martínez.
La intención es desarrollar plantas compactas que puedan instalarse en comunidades rurales, ranchos o viviendas, donde el acceso a sistemas de tratamiento resulta más limitado.
Un laboratorio... en casa
Mientras ese objetivo llega, los investigadores ya demostraron que el sistema funciona a pequeña escala.
En su propio hogar instalaron un estanque con peces y plantas.
Los desechos generados por los peces, ricos en nitrógeno y fósforo, pasan primero por un filtro microbiológico y después por una serie de humedales artificiales que funcionan como sistemas fitobioelectroquímicos.
Durante ese recorrido, el agua se limpia y el sistema produce una potencia eléctrica equivalente a dos pilas AAA.
Es una demostración doméstica de una tecnología que podría tener aplicaciones mucho mayores.
Lo que aún falta por descubrir
Los avances obtenidos ya forman parte de publicaciones científicas.
El sistema desarrollado por los investigadores está conformado por celdas de combustible microbianas que integran un ánodo, donde trabajan microorganismos anaerobios ubicados en la parte inferior de los tanques de tratamiento, y un cátodo, situado en la parte superior junto con microorganismos aerobios.
Ambas zonas suelen separarse mediante una membrana de intercambio protónico.
Sin embargo, debido a su elevado costo, los investigadores optaron por desarrollar sistemas sin membrana, con resultados que consideran satisfactorios.
El proyecto tampoco es resultado del trabajo de sólo dos especialistas.
En él participan diversos investigadores de ambas universidades.
Entre los hallazgos más recientes destaca la detección de microorganismos que aún no han sido plenamente identificados.
Ahora los científicos buscan determinar si corresponden a especies ya conocidas o si podrían representar nuevos registros para la ciencia, además de evaluar el papel que desempeñan en la depuración de las aguas residuales.
Un recurso que hoy se desperdicia
Durante décadas, el agua residual ha sido vista únicamente como un desecho del que es necesario deshacerse.
La investigación desarrollada en Coahuila propone una visión distinta: convertir ese problema ambiental en una fuente de agua para la agricultura, recuperar nutrientes que normalmente se pierden y generar energía limpia mientras ocurre el proceso de saneamiento.
Aún quedan retos técnicos y normativos por superar antes de que el sistema pueda utilizarse de manera generalizada, pero los resultados obtenidos durante más de veinte años de investigación muestran que, detrás de cada litro de agua que hoy termina en un drenaje, existe también la posibilidad de recuperar un recurso estratégico para el futuro del país.
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