Artículo Original

POTENCIAL DE LAS AGUAS RESIDUALES PESQUERAS PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOGÁS Y MICROALGAS

POTENCIAL OF FISHERY WASTEWATER FOR BIOGAS AND MICROALGAE PRODUCTION

0000-0002-8252-8452Lilyana Carbonell Sorí^{1  *}  , 0000-0003-1780-5297Julio Pedraza Gárciga¹  , 0000-0002-2362-5703Lisbet Mailín López González¹ 

¹ Universidad de Sancti Spíritus “José Martí”, Unidad de Desarrollo e Innovación-Centro de Estudios de Energía y Procesos Industriales (UDI-CEEPI), Sancti Spíritus, Cuba.

RESUMEN

Introducción:

La industria de procesamiento del pescado genera grandes volúmenes de aguas residuales, que generalmente son tratadas en lagunas, generando malos olores y emitiendo gases contaminantes a la atmósfera. De acuerdo a su contenido de materia orgánica estas pueden ser tratadas en reactores anaerobios con un acople de microalgas para la biorremediación del efluente, debido a su alta capacidad de remoción de N, P y CO₂.

Objetivo:

Determinar el potencial de las aguas residuales del procesamiento de pescado de la industria pesquera en Sancti Spíritus para la producción de biogás y microalgas.

Materiales y Métodos:

Se toma como punto de partida las características fisicoquímicas de las aguas residuales y se realizan balances de masa empleando índices de la literatura, para determinar los volúmenes de biogás y la cantidad de biomasa cosechada de la microalga Chlorella vulgaris.

Resultados y Discusión:

Las aguas analizadas, representan un potencial para la obtención de biogás y para el desarrollo de cultivos de microalgas como alternativa prometedora para mejorar el rendimiento de los procesos, lo que permite obtener energía y productos de alto valor añadido.

Conclusiones:

Las aguas residuales de la empresa pesquera Pescaspir, permiten obtener 21,8 m³ de biogás al día y 0,58 kg/d de biomasa microalgal seca, por lo que el sistema de tratamiento propuesto permite la generación de energía renovable, la producción de biomasa, la obtención de un efluente depurado y la reducción del impacto ambiental que causan en los sistemas acuáticos naturales, además de otras posibles aplicaciones tecnológicas.

Palabras-clave: biodigestor; biogás; biomasa de microalga; Chlorella vulgaris; residuales pesqueros

ABSTRACT

Introduction:

The fish processing industry generates large volumes of wastewater, which are generally treated in lagoons, generating bad odors and emitting polluting gases into the atmosphere. According to their organic matter content, these can be treated in anaerobic reactors with a microalgae coupling for the bioremediation of the effluent, due to their high N, P and CO₂ removal capacity.

Objective:

To determine the potential of fish processing wastewater from the fishing industry in Sancti Spíritus for biogas and microalgae production.

Materials and Methods:

The physicochemical characteristics of the wastewater are taken as a starting point and mass balances are performed using indexes from the literature to determine the volumes of biogas and the amount of biomass harvested from the microalgae Chlorella vulgaris.

Results and Discussion:

The analyzed waters represent a potential for obtaining biogas and for the development of microalgae cultures as a promising alternative to improve process performance, which allows obtaining energy and high value-added products.

Conclusions:

The wastewater from the Pescaspir fishing company produces 21.8 m³ of biogas per day and 0.58 kg/d of dry microalgal biomass, so the proposed treatment system allows the generation of renewable energy, the production of biomass, obtaining a purified effluent and reducing the environmental impact on natural aquatic systems, in addition to other possible technological applications.

Key words: biodigester; biogas; microalgae biomass; Chlorella vulgaris; fishery wastewater

1. INTRODUCCIÓN

La producción de alimentos en Cuba constituye uno de los objetivos priorizados en los que se trabaja, con el propósito de elevar la seguridad alimentaria de la población (^{Cabrera y col., 2019}). Los productos del mar representan una fuente de alimentos altamente nutritivos con una amplia diversidad dietética para los consumidores y son una importante fuente de ingresos para los productores (^{Han y col., 2022}). Sin embargo, durante el procesado y manipulación del pescado se genera una cantidad considerable de residuos orgánicos sin valor comercial, como vísceras, piel, cabeza, aletas y sangre, generando malos olores, acumulación de residuos y vertidos no autorizados, que provocan olores desagradables, ^{Ulloa (2022)}. Estos residuos, al ser vertidos, pueden provocar disminución en la concentración de oxígeno disuelto, aumento en la demanda biológica de oxígeno (DBO₅), aumento en la demanda química de oxígeno (DQO), aumento de nitrógeno (N) en sus diferentes formas químicas (amonio, nitrito y nitrato) y fósforo (P), (^{Ramos y Pizarro, 2018}).

Entre los procesos de tratamiento de aguas residuales utilizados en los países en desarrollo, la laguna de estabilización ha sido el método más utilizado, tanto por su bajo costo como por su alta eficiencia en la reducción de organismos patógenos (^{Romero y Castillo, 2018}). Aunque comúnmente las lagunas funcionan adecuadamente, muchas veces tienden a perder sus capacidades de depuración durante los picos de producción, por lo que la laguna genera mal olor y por lo tanto afecta la calidad del aire. Además, la filtración de efluentes a las aguas subterráneas, podría causar su contaminación, ^{Cedeño (2020)}. Estos sistemas no consiguen eliminar altas concentraciones de nutrientes (N y P) de las aguas residuales, ^{Pal (2017)}, y tienen un impacto importante en las emisiones de gases de efecto invernadero, ya que son responsables de alrededor del 5% de las emisiones de metano a la atmósfera, ^{Ulloa (2022)}.

Como resultado del procesamiento y manipulación del pescado, la empresa Pescaspir, de la provincia de Sancti Spíritus, genera un volumen promedio de residuales de 180 m³ al día, los cuales actualmente reciben tratamientos físicos (separación de grasas) y biológicos (sistemas de lagunas anaerobia y facultativas). En la laguna anaeróbica se produce la primera fase de depuración biológica mediante las bacterias anaeróbicas presentes en el residual. Posteriormente el residual continúa su proceso de depuración en dos lagunas facultativas las cuales trabajan en serie para poder lograr la depuración necesaria y obtener los parámetros exigidos por la ^{Norma Cubana 27, (2012)}, referente al vertimiento de aguas residuales a las lagunas terrestres y al alcantarillado, debido a que tienen como fuente receptora al río Jubainicú. Sin embargo, en la evaluación del sistema de tratamiento de los residuales, se han detectado deficiencias en el procesamiento de los mismos, pues el valor de DQO_Cr (128 mg/L) se encuentra ligeramente superior en ocho unidades al establecido por la norma y, además, se detectó que la laguna facultativa 1 no funciona.

En la actualidad, el tratamiento de efluentes representa un costo y un proceso que no genera ganancia para las empresas de acuicultura. Por lo tanto, las investigaciones sobre este tema se deben centrar en el desarrollo de tecnologías eficientes y de bajo costo, para disminuir o mitigar los efectos de los residuos generados por el consumo, comercio y acopio de pescado, que permita su aprovechamiento para la generación de energía, contribuyendo así al desarrollo sostenible y garantizando el bienestar de los ecosistemas ^{Ulloa (2022)}. Por esta razón, existe un gran interés en el uso de alternativas para reducir la contaminación de los residuos pesqueros, que van desde el uso de digestores anaerobios para producir biogás hasta el tratamiento secundario con microalgas (^{Chiclote y col., 2020}). Teniendo en cuenta lo anterior, el objetivo del trabajo es determinar el potencial de las aguas residuales del procesamiento de pescado de la industria pesquera en Sancti Spíritus para la producción de biogás y microalgas.

2. MATERIALES Y MÉTODOS

Para determinar el potencial de las aguas residuales pesqueras para la obtención del biogás y el cultivo de microalgas, se toma como punto de partida, las características físico-químicas de las aguas a la salida de la trampa de grasas (tabla 1) reportado por ^{Pardillo (2022)}, para comprobar si es posible la sustitución de los sistemas de lagunas existentes, por un biodigestor para la generación de biogás con fines energéticos y posteriormente un cultivo de microalgas para la obtención de biomasa.

Tabla 1 Características de las aguas residuales a la salida de la trampa de grasas 

Parámetros	ST	SV	SS	STF	pH	Conductividad eléctrica	DBO 5	DQO Cr
Unidad	mg/L	mg/L	mg/L	mg/L	Unidades	µS/cm	mg/L	mg/L
Valor	706	132	2	574	7	849	268	800

ST: sólidos totales, SV: sólidos totales volátiles, SS: sólidos sedimentables, STF: sólidos totales fijos.

Luego se aplica la metodología empleada por (^{Carbonell y col., 2023}), la cual se detalla a continuación:

2.1 Evaluación de la calidad de las aguas para la obtención de biogás

Para obtener la cantidad de materia orgánica total que entra al biodigestor se aplica la ecuación 1, donde M_SV es la masa de los sólidos volátiles totales, V_residual es el flujo de residual y SV_residual son los sólidos volátiles presentes en el residual. Partiendo de que 1 kg de SV equivale a 0,55 m³ de CH₄ (^{Bücker y col., 2020}), entonces el volumen de CH₄ obtenido del biodigestor (V_CH4) se calcula a través de la ecuación 2. Luego se determina el volumen de biogás (V_biogás) a partir de la ecuación 3, donde %CH₄ representa el por ciento de metano en el biogás:

(1)

(2)

(3)

La masa de biogás obtenido (M_biogás) se puede determinar a través de la ecuación 4, donde ρ_biogás representa la densidad del biogás. Para el cálculo de la masa del residual (M_residual) se utiliza la ecuación 5. Luego, a través de un balance total representado en la ecuación 6, se determina la cantidad de digestato obtenida (M_digestato), donde ρ residual es la densidad del agua residual de pescado:

(4)

(5)

(6)

Para el cálculo de la materia orgánica presente en el digestato (DQO_digestato), se emplea la ecuación 7, donde DQOin es el valor de la carga de la DQO inicial, y %Rem_DQO representa el por ciento de remoción de la DQO. La masa de la fracción líquida (M_fracc.liq) se considera igual al 90% del digestato, ^{Varnero-Moreno (2011)}, y puede ser calculada por medio de la ecuación 8, así como su volumen equivalente a través de la ecuación 9:

(7)

(8)

(9)

2.2 Evaluación de la calidad del efluente del biodigestor para el cultivo de microalgas

El cálculo del potencial del efluente de un biodigestor alimentado con aguas residuales pesqueras, para el cultivo de microalgas, se dividió en dos partes: i) Determinación del rendimiento máximo de la biomasa de la Chlorella vulgaris (C. vulgaris); ii) Determinación de la biomasa cosechada.

2.2.1 Determinación del rendimiento máximo de la biomasa de la C. vulgaris

Se parte del cálculo del grado de reductancia (γ) de la microalga C. vulgaris de fórmula CH_1.995O_0.525N_0.084P_0.002 (^{Picardo y col., 2013}) a través de la ecuación 10. Para ello se conoce que los coeficientes relacionados con el valor del Grado de Reducción de los diferentes componentes, son los siguientes: C = 4, H = 1, N = -3, O = -2 y P = 5 (^{Bu’Lock y Kristiansen, 1991}) y (^{Erickson y col., 1978}), donde C_C, C_H, C_N, C_O y C_P son las composiciones de los diferentes componentes en la macroalga; y C, H, O, N y P son el grado de reducción de cada elemento. Luego se determina la masa molar de la biomasa (M_biomasa) partir de la ecuación 11, donde M_C, M_H, M_N, M_O y M_P son las masas atómicas de cada elemento:

(10)

(11)

A continuación, son calculadas la fracción peso de carbono en biomasa (σ_x) y sustrato (σ_s), y el rendimiento máximo de la biomasa (Y_x/s) utilizando las ecuaciones 12, 13 y 14 respectivamente, siendo M_sustrato la masa molar del dióxido de carbono.

(12)

(13)

(14)

2.2.2 Determinación de la biomasa cosechada

Para determinar el valor de la carga de la DQO a la salida del cultivo (DQO_sal), se utiliza la ecuación 15, donde %Rem_microalga es la capacidad de remoción de la microalga. Por otra parte, la masa de CO₂ removida en el cultivo (M_remov.CO2) se puede calcular a través de la ecuación 16, donde %CO_2remov es el por ciento de CO₂ removido en el cultivo. Para determinar la masa de microalgas_, y la concentración de las mismas en el residual, se utilizan las ecuaciones 17 y 18 respectivamente:

(15)

(16)

(17)

(18)

La productividad volumétrica (P_v) en kg/m³d, puede ser determinada a partir de la ecuación 19, donde µ es el crecimiento específico de la microalga. La biomasa cosechada húmeda y seca se calcula a partir de las ecuaciones 20 y 21, considerando que 4,5 kg/m³ de biomasa húmeda equivalen a 1 kg/m³ de biomasa seca, (^{Romero y Suárez, 2022}).

(19)

(20)

(21)

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3.1 Evaluación de la calidad de las aguas para la obtención de biogás

De acuerdo a las características de las aguas muestreadas, se podrá obtener aproximadamente 21,8 m³ de biogás. A continuación se muestran las consideraciones realizadas para el cálculo tomando como base de cálculo 1 día: la densidad del agua residual es igual a la densidad del agua a 30^oC (997,05 hg/m³), existe un 60% de remoción de DQO, el biogás a la salida del biodigestor tiene un 60% de CH₄ y un 40% de CO₂, y la densidad del biogás es 1,133 kg/m³, (^{León y col., 2019}). En el caso de la fracción sólida del digestato, puede utilizarse como bio-abono orgánico como sustituto de los químicos, ^{Prieto (2020)}. Los resultados obtenidos se muestran en la tabla 2.

Tabla 2 Resultados de los potenciales diarios de biogás y metano 

Parámetros	Resultados (unidades)
Masa de sólidos volátiles	23,8 kg SV
Volumen de CH4	13,1 m^3 CH4
Volumen de biogás	21,8 m^3
Masa de biogás	24,7 kg
Masa de residual	179217 kg
Masa del digestato	179192 kg
Carga de DQO en el digestato	57,6 kg/d
Masa de la fracción líquida del digestato	161273,1 kg
Volumen de la fracción líquida	161,98 m^3
Masa de la fracción sólida del digestato	17919,2 kg

El valor calorífico del biogás con concentraciones de metano entre el 50 y el 70 % es de 5,5 a 7,6 kWh/m³. Según las referencias bibliográficas, un metro cúbico de biogás equivale a: 0,8 L de gasolina, 1,3 L de alcohol, 0,7 L de gasóleo, 0,6 m³ de gas natural, 1,5 kg de madera, y 6,8 kW/h de electricidad, ^{Arhoun (2017)}. La tabla 3 muestra las equivalencias del biogás (21,8 m³) con otros portadores energéticos.

Tabla 3 Equivalencia del biogás obtenido a partir de las aguas residuales pesqueras con otros portadores energéticos 

Productos	Gasolina	Gasóleo	Gas natural	Madera	Alcohol	Electricidad
Unidad	L	L	m^3	kg	L	kW/h
Equivalencia	17,4	15,3	16,1	32,7	28,3	148,2

A partir de este cálculo preliminar, se puede afirmar que las características de las aguas analizadas, representan un potencial para la obtención de biogás generado en biodigestores alimentados son estos residuales, pudiera utilizarse para sustituir alguno de los portadores energéticos mostrados en la tabla 3.

3.2 Evaluación de la calidad del efluente del biodigestor para el cultivo de microalgas

3.2.1 Determinación del rendimiento máximo de la biomasa de la C. vulgaris

Para el cálculo se considera que el CO₂ es el sustrato limitante para el crecimiento de las microalgas. Los resultados de los cálculos se muestran en la tabla 4.

Tabla 4 Resultados del rendimiento máximo de la biomasa de la C. vulgaris 

Parámetros	Grado de reductancia	Masa molar de la biomasa	Fracción peso de carbono en biomasa	Fracción peso de carbono en sustrato	Rendimiento máximo de la biomasa
Valores (Unidades)	4,262	23,633 g/mol	0,5078	0,2727	0,5041 kg biomasa/ kg CO2

3.2.2 Determinación de la biomasa cosechada

Para la determinación de la biomasa cosechada también se parte de una serie de consideraciones: el sistema se encuentra en estado estacionario (no se tuvo en cuenta el inóculo), se utiliza como fuente de carbono y como medio de cultivo de las microalgas, el biogás y la fracción líquida procedente del biodigestor referido en el epígrafe 3.1, se considera un 10% de CO₂ en el biogás a la salida del cultivo, para que pueda ser empleado en motores de combustión interna sin perjudicar la potencia del vehículo y sin grandes modificaciones en los equipamientos, (^{Souza y Schaeffer, 2012}). Además se considera un tiempo de residencia celular de 6 días, el crecimiento específico (µ) de la C. vulgaris es de 0,033 h^-1 (^{Ma’mun y col., 2022}), y su una capacidad de remoción es del 84% en residuales pesqueros (^{Alazaiza y col., 2023}). Los resultados de los cálculos se muestran en la tabla 5.

Tabla 5 Determinación de la biomasa cosechada de la C. vulgaris 

Parámetros	Resultado (unidades)
Carga de la DQO a la salida	9,216 kg/d
Masa de CO2 removida por las microalgas	7,41 kg
Masa de las microalgas	3,74 kg
Concentración de microalgas en el residual	0,02 kg/m^3
Productividad volumétrica	0,016 kg/m^3d
Biomasa Cosecha húmeda	2,59 kg/d
Biomasa Cosecha seca	0,58 kg/d

Según los resultados del cálculo, se puede concluir que la fracción líquida y el biogás procedente de un reactor anaerobio alimentado con aguas residuales pesqueras, puede utilizarse como nutrientes para el cultivo de microalgas, al aportar cantidades de CO₂ necesarias para el crecimiento de estas especies. Además, dada la capacidad de asimilación de nutrientes como N y P (^{Alazaiza y col., 2023}), pueden ser empleadas como una herramienta de biorremediación. De manera general, las algas aquí producidas y extraídas del medio residual pueden tener un amplio uso en la alimentación animal de especies de la acuicultura, así como para la obtención de bio-derivados con un alto valor económico. La biomasa seca alcanzará un valor aproximado de 0,58 kg/d (17,4 kg/mes).

4. CONCLUSIONES

Las aguas residuales de la empresa pesquera Pescaspir, permiten obtener 21,8 m³ de biogás al día y 0,58 kg/d de biomasa microalgal seca, por lo que el sistema de tratamiento propuesto permite la generación de energía renovable, la producción de biomasa, la obtención de un efluente depurado y la reducción del impacto ambiental que causan en los sistemas acuáticos naturales, además de otras posibles aplicaciones tecnológicas.

REFERENCIAS

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Recibido: 24 de Octubre de 2023; Revisado: 30 de Octubre de 2023; Aprobado: 06 de Noviembre de 2023

^* Autor para la correspondencia: Lilyana Carbonell, Email: [e-mail]

Los autores declaran que no existen conflictos de interés.

Ing. Lilyana Carbonell Sorí. Redacción - revisión y edición, investigación.

Dr.C. Julio Pedraza Gárciga. Investigación.

Dra.C. Lisbet Mailín López González. Conceptualización, supervisión.