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Los sistemas de tratamientos de aguas residuales convencionales consumen grandes cantidades de energía, pero las aguas residuales contienen por sí mismas una cantidad considerable de energía química que se podría recuperar. En las últimas décadas, las tecnologías electroquímicas microbianas (METs, del inglés Microbial Electrochemical Technologies) han emergido como una alternativa prometedora, replanteando las aguas residuales no como una corriente de rechazo, sino como un recurso valioso para la recuperación de energía y materiales. Entre estas tecnologías, las células de electrólisis microbiana (MECs, del inglés Microbial Electrolysis Cells) destacan por su doble función: tratar aguas residuales mientras generan productos de valor añadido, como el hidrógeno.

Las MECs constan de dos electrodos separados por membranas y conectados a una fuente de alimentación externa. Al ánodo, microorganismos electroactivos oxidan la materia orgánica presente a las aguas residuales, liberando electrones que después son transferidos al cátodo, donde se produce el hidrógeno. A pesar de que las MECs a escala laboratorio han demostrado un rendimiento excelente, el escalado de la tecnología manteniendo la eficiencia continúa siendo un gran reto.

En el grupo de investigación GENOCOV del Departamento de Ingeniería Química, Biológica y Ambiental (DEQBA) hemos investigado las MECs desde hace más de 15 años. A pesar de que a pequeña escala han demostrado altos rendimientos de hidrógeno y una eliminación de materia orgánica eficiente, el rendimiento suele disminuir cuando se aumenta la escala. El progreso de las MECs hacia aplicaciones reales ha sido restringido hasta ahora por problemas de ingeniería fundamentales, como las limitaciones en la transferencia de materia, la distancia entre electrodos y los costes de los materiales. Para abordar estas carencias, el diseño de los reactores y las estrategias operativas se tienen que adaptar a condiciones prácticas a gran escala. Gracias al proyecto Life Nimbus, hemos podido colaborar con Cetaqua, Aigües de Barcelona y TMB para la validación de esta tecnología a escala piloto en la estación depuradora de aguas residuales (EDAR) del Prat de Llobregat.

A) Sistema de monitorización y fuentes de alimentación; B) Planta piloto MEC; y C) Diferentes módulos tipos casete colocados dentro del reactor antes de la operación.

En este estudio presentamos el diseño, la construcción y la operación de una MEC de doble cámara de 1 m³, la planta piloto más grande instalada hasta ahora en el mundo en una EDAR. El sistema, basado en una configuración modular de casetes, operó durante más de 250 días con aguas residuales reales y sintéticas para evaluar su máximo rendimiento. La planta piloto consiguió el desarrollo de un biofilm electroactivo directamente a partir del efluente primario del EDAR sin tratar, sin necesidad de fuentes externas de carbono ni de adiciones químicas. En condiciones óptimas, la MEC logró tasas de producción continua de hidrógeno de 8,59 litros de hidrógeno por metro cuadrado y día con aguas residuales sintéticas y 7,29 litros de hidrógeno por metro cuadrado y día con aguas residuales reales. La eliminación de materia orgánica llegó hasta el 51%, demostrando un tratamiento simultáneo de aguas residuales y una recuperación de energía en un sistema en una escala no demostrada hasta ahora. Es importante destacar que estos resultados son comparables a los obtenidos en reactores piloto más pequeños, hecho que confirma que el rendimiento de las MECs se puede mantener durante el escalado. Además, un análisis tecnoeconómico reveló que, bajo ciertas condicionas, las MECs pueden lograr un funcionamiento neutro o positivo en términos energéticos.

​​​​Al demostrar un funcionamiento estable a largo plazo, una elevada pureza del hidrógeno y un rendimiento comparable al de sistemas más pequeños, el estudio muestra que el escalado de las MECs es técnicamente factible. Los esfuerzos futuros para hacer la tecnología aplicable a escala real tendrían que centrarse en aumentar la productividad, reducir los costes de inversión, minimizar los escapes de hidrógeno y dirigirse hacia aguas residuales industriales de alta carga, donde las MECs pueden ofrecer mejores beneficios. Con estas mejoras, podrían acontecer una tecnología competitiva para la producción de hidrógeno renovable, la recuperación de recursos y el impulso de la economía circular.

Agradecimientos:
Este trabajo ha estado posible gracias al apoyo del proyecto LIFE NIMBUS (LIFE19 ENV/ES/000191), y a la colaboración de CETAQUA, Aigües de Barcelona y TMB.