El biofilm en las depuradoras verdes es una comunidad de microorganismos adherida a una superficie sólida que participa en la degradación de la materia orgánica, la transformación de nutrientes y la reducción de microorganismos patógenos presentes en las aguas residuales. Su combinación con microorganismos suspendidos, conocidos como plancton, permite reproducir de forma controlada procesos de autodepuración propios de lagos y ríos.
El reactor basado en biopelículas y plancton, o BPR por sus siglas en inglés, constituye una alternativa sostenible especialmente adecuada para pequeñas depuradoras rurales. El sistema puede reducir significativamente la concentración de nutrientes como el nitrógeno, el fósforo y la presencia de bacterias fecales como Escherichia coli, además de mejorar la claridad y el oxígeno disuelto del efluente final.
Qué es el biofilm en una depuradora
El biofilm es la capa de microorganismos que crece sobre una superficie sólida. En una depuradora, la biomasa puede desarrollarse de forma libre, sin sujeción a parte alguna del biorreactor, o puede encontrarse en un punto de apoyo.
En los casos de biodiscos, biofiltros o lechos móviles, la biomasa se sitúa en un soporte. En estos sistemas, los microorganismos forman una comunidad adherida que permanece en contacto con el agua residual y con las sustancias que debe transformar.
El tratamiento biológico se basa en la capacidad de ciertos microorganismos para descomponer sustancias contaminantes presentes en el agua. Las bacterias, al ser organismos vivos, llevan a cabo reacciones bioquímicas que transforman los contaminantes en compuestos más simples y menos dañinos.
Cómo funciona el biofilm en las depuradoras verdes
Una planta de tratamiento de aguas residuales logra emular a la naturaleza. La base, tanto en la naturaleza como en la EDAR para eliminar la contaminación, son las bacterias.
La tendencia natural en la naturaleza es recuperarse. Observando este tipo de bacteria capaz de hacer inofensivos ciertos tipos de contaminantes, podemos comprobar cómo la naturaleza dispone de mecanismos para su regeneración.
Una planta de aguas residuales logra tratar el agua que en la naturaleza requeriría mucho espacio y tiempo. El desarrollo del tratamiento biológico es el empleo de microorganismos para la eliminación de sustancias presentes en el agua.
Los microorganismos emplean los nutrientes y la materia orgánica presente en el agua para desarrollarse y, al reproducirse, forman flóculos macroscópicos. En un periodo de tiempo razonable, los flóculos pueden ser decantados.
Al alcanzar una masa crítica, es posible proceder al decantado, resultando un agua libre de contaminantes. El uso habitual de este sistema supone la supresión de la materia orgánica biodegradable.
Biofilm y plancton: dos comunidades complementarias
El reactor desarrollado por los equipos del Centro Tecnológico BETA, la Universidad de Girona y el Instituto Catalán de Investigación del Agua reproduce, a escala controlada, los procesos de autodepuración que ocurren de forma natural en lagos y ríos.
En estos ecosistemas, las comunidades microbianas juegan un papel esencial: degradan la materia orgánica, transforman nutrientes y reducen la presencia de microorganismos patógenos.
El sistema BPR combina dos tipos de comunidades microbianas que trabajan de manera complementaria: el biofilm, formado por microorganismos adheridos a una superficie sólida, y el plancton, integrado por microorganismos suspendidos en el agua.
Esta coexistencia permite una mayor estabilidad biológica y una depuración más eficiente. Según el estudio, la eficiencia del reactor se debe en gran parte a la interacción entre las comunidades del biofilm y el plancton, que crean un equilibrio dinámico capaz de absorber variaciones en la carga contaminante.
El papel de las bacterias en la depuración biológica
Las bacterias depuradoras son los obreros incansables en el proceso de tratamiento de aguas residuales, contribuyendo de manera significativa a la purificación de las aguas contaminadas.
Principalmente clasificadas como aerobias y anaerobias, estas bacterias descomponen y metabolizan los compuestos orgánicos presentes en las aguas residuales. Su capacidad para descomponer materia orgánica y otros contaminantes convierte las aguas residuales en un recurso reutilizable y menos perjudicial para el medio ambiente.
Las bacterias para depuradoras se dividen en dos categorías principales: aerobias, que requieren oxígeno para su actividad, y anaerobias, que operan en ambientes sin oxígeno.
Esta diversidad funcional permite que las plantas de tratamiento de aguas residuales sean eficientes en diversas condiciones ambientales, asegurando la efectividad del proceso depurativo sin importar las variaciones del entorno.
Procesos aerobios, anaerobios y anóxicos
Procesos aerobios
Las bacterias aeróbicas propician procesos de oxidación y nitrificación. Sin embargo, para desarrollar estos procesos necesitan oxígeno.
Es a través del consumo de oxígeno cuando los microorganismos pueden procesar la materia orgánica. En la oxidación biológica, las bacterias aerobias introducen oxígeno para descomponer la materia orgánica en productos más simples.
La eficacia de este fenómeno va más allá de la eliminación de contaminantes; también contribuye a la reducción de olores desagradables asociados con las aguas residuales, mejorando así la calidad general del agua tratada.
Los microorganismos son la base del tratamiento biológico. En la fase biológica, estas bacterias descomponen la materia orgánica presente en las aguas residuales, transformándola en dióxido de carbono, agua y biomasa.
Procesos anaerobios
Las bacterias anaerobias descomponen la materia orgánica sin la presencia de oxígeno, generando metano y dióxido de carbono como subproductos.
Esta fase es esencial para el tratamiento de lodos y aguas residuales con baja concentración de oxígeno, asegurando la eficiencia del proceso depurativo en diversas condiciones y garantizando una gestión integral de los residuos.
El proceso anaeróbico se desarrolla a través del metabolismo que procesan distintas bacterias. Estas bacterias son sintróficas, cuya particularidad básica es la de provocar una reacción química con la unión de distintos tipos.
Procesos anóxicos
En los procesos anóxicos, el aceptor no resulta el oxígeno ni la materia orgánica. En este método, el aceptor de electrones resulta ser otro elemento presente en el medio, como son los nitratos, sulfatos o el hidrógeno.
Enfocando el caso del nitrato como aceptor final, el nitrógeno que forma la molécula de nitrato se convierte en nitrógeno gas. De esta forma, este proceso facilita la supresión biológica del nitrógeno presente en el agua a tratar.
| Proceso | Condición principal | Función |
|---|---|---|
| Aeróbico | Presencia de oxígeno | Asimilación de materia orgánica y nutrientes; oxidación y nitrificación |
| Anaeróbico | Ausencia de oxígeno | Conversión de materia orgánica en metano y CO2 |
| Anóxico | Uso de aceptores distintos del oxígeno | Conversión del nitrato en nitrógeno gas |
Principales grupos bacterianos
Bacterias aerobias
Las bacterias aerobias viven en un rango de entre 9 y 28 grados. Además, el pH que soportan es de entre 5.0 y 7.0.
La temperatura y el pH son aspectos que deben tenerse en cuenta para el proceso con bacterias aeróbicas. La elección del proceso está condicionada por las condiciones del caso.
- Pseudomonas: logran alcanzar el 80% del lodo activo y son capaces de procesar alcoholes, ácidos grasos, hidrocarburos, parafinas y otras sustancias orgánicas.
- Bacterias nitrificantes: permiten la oxidación de compuestos de nitrógeno.
- Bacterias filamentosas: se encargan de la oxidación de compuestos de carbono.
Bacterias anaerobias
En el proceso anaeróbico se distinguen cuatro tipos distintos de bacterias que forman parte en la metabolización de materia orgánica.
- Bacterias hidrolíticas: tienen por objetivo deshacer los enlaces complejos, como proteínas, celulosa o lípidos, que son contenidos en monómeros o moléculas como los aminoácidos.
- Bacterias fermentativas acidogénicas: transforman azúcares y aminoácidos en ácidos orgánicos, CO2 o alcoholes, entre otros.
- Bacterias acetogénicas: a través de la metabolización generan H2 y convierten el propiónico, butírico y ciertos alcoholes en sustancias como el acetato, hidrógeno y dióxido de carbono.
- Bacterias metanogénicas: a través de la metabolización producen gas metano.
Etapas de una depuradora biológica
En el caso de un tratamiento en EDAR, primero tiene lugar un filtrado preliminar de sustancias con cierto tamaño y posteriormente las sustancias inferiores. Tras la fase de filtrado tiene lugar la fase que consiste en el tratamiento biológico.
Captación y pretratamiento
El agua residual se recoge y se somete a un proceso inicial de eliminación de sólidos gruesos. Este paso asegura que las bacterias puedan trabajar de manera más efectiva en la siguiente fase.
Tratamiento biológico
El agua entra en contacto con las comunidades microbianas, que emplean los nutrientes y la materia orgánica para desarrollarse y llevar a cabo las reacciones bioquímicas de depuración.
El tratamiento biológico es uno de los más extendidos en el tratamiento de aguas residuales por su simplicidad y bajo coste de ejecución.
Aireación y oxidación
En los tanques de aireación, las bacterias aeróbicas realizan su trabajo. Estas bacterias descomponen materiales orgánicos, convirtiéndolos en componentes más simples como agua y dióxido de carbono.
Sedimentación
Después del proceso de aireación, el agua se traslada a un tanque de sedimentación donde las bacterias y los sólidos suspendidos se separan.
Los sólidos más pesados se depositan en el fondo, mientras que el agua clarificada se mueve a la siguiente etapa. En un periodo de tiempo razonable, los flóculos pueden ser decantados.
Desinfección
En algunos casos, se aplica un proceso de desinfección para eliminar patógenos restantes y garantizar que el agua tratada cumpla con los estándares de calidad.
Biofilm fijo y biomasa suspendida
Podemos distinguir dos situaciones en el incremento de la biomasa. Por un lado, la biomasa puede desarrollarse de forma libre, sin sujeción a parte alguna del biorreactor, y por otra parte puede encontrarse en un punto de apoyo.
En el primero de los casos, desarrollándose sin soporte, se da en los reactores secuenciales y en los reactores de biomembrana, conocidos como MBR. En los casos de biodiscos, biofiltros o lecho móvil, la biomasa se sitúa en un soporte.
En los sistemas de lecho móvil, el soporte se encuentra en continuo movimiento. Son distintos aspectos los que condicionan si la biomasa debe tener carácter fijo o móvil.
Por un lado, deben considerarse las características propias del efluente; también es necesario tener en cuenta la naturaleza de la industria que lo emplea y la calidad precisada en el agua.
Además, siempre es necesario tener presentes las condiciones individuales de la empresa o usuario que requiere el sistema. En cada caso de agua a tratar, las condiciones individuales determinarán, junto a las características del efluente, la idoneidad de un método u otro.
Ventajas del biofilm en depuradoras verdes
- Estabilidad biológica: la biomasa adherida permanece sobre el soporte y puede mantener una actividad microbiana constante.
- Reducción de nutrientes: las comunidades microbianas participan en la transformación y eliminación de compuestos de nitrógeno y fósforo.
- Reducción de bacterias fecales: el reactor BPR logró reducir significativamente la presencia de bacterias fecales.
- Adaptación a variaciones: la interacción entre biofilm y plancton crea un equilibrio dinámico capaz de absorber variaciones en la carga contaminante.
- Menor consumo energético: las soluciones basadas en la naturaleza consumen menos energía y requieren menor mantenimiento.
- Aplicación flexible: pueden adaptarse a diferentes contextos locales, incluidos entornos rurales y pequeñas comunidades.
Las soluciones basadas en la naturaleza ofrecen una respuesta eficiente y económica a los desafíos actuales de la gestión del agua: consumen menos energía, requieren menor mantenimiento y pueden adaptarse a diferentes contextos locales.
Aplicación en pequeñas depuradoras rurales
En Europa, miles de pequeñas depuradoras rurales tratan las aguas residuales de municipios con menos de 10.000 habitantes, donde los costes energéticos, el mantenimiento técnico y la falta de personal especializado suponen obstáculos difíciles de superar.
Aunque cada una libera volúmenes relativamente pequeños, en conjunto representan una fuente importante de contaminación difusa, especialmente en zonas rurales o de montaña donde los ecosistemas son más vulnerables.
El reto para estos municipios es doble: cumplir con una legislación más estricta sin disponer de grandes inversiones ni infraestructuras complejas. En ese escenario, las soluciones basadas en la naturaleza se presentan como una vía prometedora para modernizar la depuración sin incrementar los costes energéticos ni el impacto ambiental.
El reactor biofilm-plancton encarna esta filosofía. Aprovecha la capacidad natural de los microorganismos para restaurar el equilibrio ecológico y, al mismo tiempo, responde a las exigencias de una legislación cada vez más rigurosa.
Resultados del reactor biofilm-plancton
Los ensayos se llevaron a cabo en una planta piloto ubicada en Quart, Girona, donde se instaló el reactor y se evaluó su rendimiento durante varios meses.
Los resultados fueron claros: el sistema logró una reducción significativa de nitrógeno total, fósforo y bacterias fecales, además de mejorar la claridad y el oxígeno disuelto del efluente final.
Como destacan los investigadores, las comunidades microbianas pueden reducir de forma significativa nutrientes y bacterias fecales en las aguas residuales. Este avance ofrece una base científica sólida para confiar en soluciones basadas en la naturaleza y aplicarlas en el marco de la nueva normativa europea.
Contaminantes emergentes y limitaciones del biofilm
Además de los contaminantes clásicos, se analizó la capacidad del reactor para eliminar compuestos de nueva preocupación, como fármacos y productos de uso cotidiano.
Estos llamados contaminantes emergentes están cada vez más presentes en las aguas residuales urbanas y representan un reto creciente para la salud ambiental.
Aunque la eliminación de estos compuestos fue variable según el tipo de sustancia, los resultados abren la puerta a futuras optimizaciones del sistema.
La presencia de nuevos contaminantes exige abordar los desafíos persistentes, como la variabilidad en la composición de las aguas residuales y la resistencia a sustancias tóxicas presentes en los efluentes.
Biofilm ambiental y resistencia a los antibióticos
Las plantas de tratamiento de aguas residuales cumplen con los límites establecidos por la legislación, pero estas instalaciones actúan como puntos de concentración de los contaminantes procedentes de núcleos urbanos.
De esta manera, pueden alterar los ecosistemas de agua dulce y se consideran puntos críticos en la dinámica de la resistencia a los antibióticos, especialmente cuando reciben aguas de origen hospitalario o sanitario.
Las comunidades microbianas contenidas en el agua y en el biofilm pueden aportar información diferente sobre la contaminación. El agua refleja de forma más inmediata el impacto del efluente, mientras que el biofilm podría actuar como depósito de ciertos genes, algunos no presentes en el agua.
Aunque los efectos de la depuradora disminuyen conforme el agua fluye río abajo, el biofilm podría llegar a ser una especie de reservorio de algunos genes de resistencia a antibióticos.
Las depuradoras son un punto de concentración de contaminantes. Gracias a las tecnologías más avanzadas que emplean en ellas se evita que muchos de ellos lleguen hasta nuestros ríos, pero los tratamientos de las aguas residuales en las depuradoras no están diseñados para eliminar todos ellos, y mucho menos para eliminar los genes de resistencia a antibióticos.
Seguimiento del biofilm y de los ecosistemas acuáticos
Para el estudio del biofilm ambiental se ha empleado la metagenómica, una técnica que permite identificar los genes presentes en comunidades microbianas a partir del ADN extraído de muestras ambientales, entre los que se encuentran también los genes relacionados con la resistencia a los antibióticos.
Los datos obtenidos de los estudios metagenómicos presentan la ventaja de que se pueden volver a analizar en un futuro si la situación lo requiere.
Es importante estudiar de manera conjunta las diferentes matrices ambientales de los ríos, como el agua, el biofilm y los sedimentos, porque aportan información diferente.
Se necesitan muchos estudios para profundizar en nuestra comprensión de la evolución y la dinámica de la resistencia a antibióticos en los ecosistemas de agua dulce y, en concreto, sobre la existencia de vínculos entre la resistencia ambiental y la presente en entornos clínicos y veterinarios.
Esto requiere el diseño de estrategias de vigilancia sólidas y adaptables y, al mismo tiempo, la implementación de programas de vigilancia rutinarios en ecosistemas de agua dulce.
Biofilm, mantenimiento y condiciones de operación
La simbiosis depende del correcto funcionamiento de la EDAR. Se debe lograr a través de mecanismos que la oxigenación sea la óptima.
La temperatura y el pH son aspectos a tener en cuenta para el proceso con bacterias aeróbicas. Las condiciones del efluente, la carga contaminante y la concentración de oxígeno influyen en la actividad de las comunidades microbianas.
A pesar de su papel fundamental, las bacterias depuradoras enfrentan desafíos significativos en su aplicación práctica, como la adaptación a variaciones en la carga contaminante y la resistencia a sustancias tóxicas presentes en las aguas residuales.
La colaboración entre la investigación científica, las entidades gubernamentales y la industria será esencial para superar estos obstáculos y mejorar continuamente la eficiencia de las bacterias depuradoras.
Importancia normativa y perspectivas futuras
La nueva directiva europea introduce un cambio de paradigma en la gestión de las aguas residuales. Hasta hace poco, la normativa se centraba en las grandes depuradoras que tratan las aguas de las principales ciudades.
Sin embargo, a partir de 2025 se amplían las exigencias a las pequeñas y medianas instalaciones, que deberán reducir de manera más estricta nutrientes y contaminantes.
El avance del reactor biofilm-plancton no solo tiene implicaciones técnicas, sino también normativas, ya que se alinea con los nuevos requisitos establecidos por la Directiva Europea sobre el Tratamiento de Aguas Residuales Urbanas, en vigor desde noviembre de 2024.
La nueva directiva europea sobre el tratamiento de las aguas residuales urbanas, Directiva UE 2024/3019, contempla para el futuro la incorporación de tecnologías más avanzadas que permitirán reducir la presencia de varios de estos contaminantes en los efluentes que llegan a los ecosistemas acuáticos.
El conocimiento generado por este proyecto ofrece una base científica sólida para seguir mejorando los tratamientos de depuración desde un enfoque interdisciplinar que combine química, microbiología y ecología.
Al entender mejor cómo interactúan los microorganismos en estos sistemas, será posible diseñar reactores más eficientes, predecibles y adaptables a las condiciones ambientales.
El cambio hacia una depuración inspirada en la naturaleza
El éxito del reactor biofilm-plancton no se mide solo por su capacidad de eliminar contaminantes. También representa un cambio de mentalidad: pasar de una ingeniería basada en el control y la energía hacia una depuración que coopera con los procesos naturales.
En un contexto de creciente presión sobre los recursos hídricos, especialmente en las regiones mediterráneas, soluciones como esta son esenciales para garantizar la sostenibilidad y la seguridad hídrica de las comunidades.
La innovación tecnológica, cuando se inspira en la naturaleza, puede convertirse en una aliada clave para construir sistemas más resilientes y equitativos.
El agua limpia es un derecho, pero también una responsabilidad compartida. Apostar por tecnologías que integren ciencia, sostenibilidad y respeto por los procesos naturales no solo mejora la calidad del agua, sino también la calidad de nuestro futuro.
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