Debido a que la mayor parte del transporte internacional se realiza a través de buques y el tráfico marítimo anual cada vez es mayor, el intercambio de aguas de lastre se ha convertido en uno de los principales problemas ambientales, principalmente por el intercambio de especies transportadas en el agua de lastre que pueden convertirse en especies invasoras. En torno a 10 000 millones de toneladas de agua de lastre son intercambiadas anualmente provocando una nueva invasión de especies marinas cada nueve semanas según datos de la Organización Marítima Internacional (OMI). Para solventar este problema, la OMI aprobó en el año 2004 el Convenio internacional para el control y la gestión del agua de lastre y los sedimentos de los buques (BWMC), entrando en vigor en el año 2017 y representando el conjunto de los 94 países firmantes a principios de 2023 más del 92% de la flota mercante internacional. El BWMC, en su regla D-2 establece unos estándares para la concentración máxima de organismos viables en el agua de lastre descargada. Para cumplir con los estándares establecidos por el BWMC, los buques deberán contar, antes del 8 de septiembre de 2024, con un sistema de gestión del agua de lastre (BWMS).
En la presente tesis doctoral, se han evaluado y optimizado algunas tecnologías de tratamiento de aguas de lastre, con aplicación a la inactivación de organismos fitoplanctónicos (microalgas y cianobacterias), debido a que la mayoría de las investigaciones realizadas hasta la actualidad han estado focalizadas en bacterias. Las tecnologías estudiadas han sido la radiación ultravioleta (UV) aplicada con lámparas de mercurio de baja presión (BP) y con LEDs, ozonización, procesos de oxidación avanzada (POAs) y tratamientos térmicos. En el caso de la radiación UV también se ha evaluado la posibilidad de evitar la fotoreactivación (mecanismos de reparación del daño al ADN dependientes de la luz visible) mediante un postratamiento de cinco días de oscuridad. Finalmente se ha realizado un estudio energético y económico de los distintos tratamientos como orientación para la selección de una determinada tecnología a la hora de implantar un BWMS a bordo de un buque. La radiación UV combinada con un postratamiento de cinco días de oscuridad y la ozonización son tratamientos competitivos económicamente. A pesar de que la ozonización es más económica los bajos costes de ambas tecnologías hacen más interesante la radiación UV por ser más sencillos los procesos de homologación de los BWMS sin el uso de sustancias activas y también por ser un tratamiento más simple, seguro y respetuoso con el medio ambiente. Aunque los LEDs UVC son más eficaces en cuanto a la inactivación que las lámparas UV de mercurio de BP, actualmente el tratamiento con estas últimas sigue siendo más económico.
Como organismos estudiados en los diferentes experimentos se han utilizado las microalgas Phaeodactylum tricornutum y Tetraselmis suecica y las cianobacterias Anabaena sp. y Synechococcus sp. Actualmente el BWMC, en la regla D-2 sobre las concentraciones máximas de organismos en el agua de lastre descargada no considera, más allá de tres bacterias especificadas nominalmente, los organismos menores a 10 µm en dimensión mínima, a pesar de representar estos una proporción mayor a los organismos por encima de ese tamaño y tampoco propone un organismo de prueba normalizado (STO) dentro de las categorías sí contempladas (entre 10 y 50 µm y mayores a 50 µm de dimensión mínima). En la presente tesis se ha propuesto la cianobacteria Synechococcus sp. como STO para los tratamientos basados en radiación UV en la categoría de organismos menores a 10 µm y a la microalga Tetraselmis suecica para la categoría entre 10 y 50 µm de dimensión mínima.As most international transport is carried by ships and annual maritime traffic is
increasing, ballast water exchange has become one of the major environmental
problems, mainly due to the exchange of species carried in ballast water that can
become invasive species. Some 10 billion tonnes of ballast water are exchanged each
year, resulting in a new invasion of marine species every nine weeks, according to the
International Maritime Organization (IMO). To address this problem, the IMO adopted
the International Convention for the Control and Management of Ships’ Ballast Water
and Sediments (BWMC) in 2004, which entered into force in 2017 and whose 94
signatory countries together represent more than 92% of the international merchant fleet
at the beginning of 2023. The BWMC, in its regulation D-2, establishes standards for
the maximum concentration of viable organisms in discharged ballast water. To meet
the standards established by the BWMC, ships must have a Ballast Water Management
System (BWMS) in place by 8 September 2024.
In this doctoral thesis some ballast water treatment technologies have been evaluated
and optimized, with application to the inactivation of phytoplanktonic organisms
(microalgae and cyanobacteria), since most of the research carried out to date has
focused on bacteria. The technologies studied have been ultraviolet (UV) radiation
applied with low-pressure (LP) mercury lamps and LEDs, ozonation, advanced
oxidation processes (AOPs) and thermal treatments. In the case of UV radiation, the
possibility of avoiding photoreactivation (visible light-dependent DNA damage repair
mechanisms) by a five-day dark post-treatment has also been evaluated. Finally, an
energy and economic study of the different treatments has been carried out as a guide
for the selection of a particular technology for the implementation of a BWMS on board
a ship. UV radiation combined with a dark post-treatment of five days and ozonation are economically competitive treatments. Although ozonation is cheaper, the low costs of
both technologies make UV radiation more interesting, as it is simpler for the approval
process of BWMS without the use of active substances and because it is a simpler,
safer, and more environmentally friendly treatment. Although UVC LEDs are more
effective in terms of inactivation than LP mercury UV lamps, treatment with the latter is
currently still more economical.
The microalgae Phaeodactylum tricornutum and Tetraselmis suecica and the
cyanobacteria Anabaena sp. and Synechococcus sp. have been used as study organisms
in the various experiments. Currently the BWMC, in regulation D-2 on maximum
concentration of organisms in discharged ballast water does not consider, beyond three
nominally specified bacteria, organisms smaller than 10 µm in minimum dimension,
even though they represent a higher proportion of organisms above that size, nor does it
propose a standard test organism (STO) within the categories it does consider (between
10 and 50 µm and larger than 50 µm minimum dimension). In this thesis, the
cyanobacterium Synechococcus sp. has been proposed as STO for UV-based treatments
in the category of organisms smaller than 10 µm and the microalga Tetraselmis suecica
for the category between 10 and 50 µm minimum dimension
