Tratamiento anaerobio de aguas residuales con elevada biodegradabilidad

Reactor Anaerobio de tipo RANC en primer plano. Fuente: SIGMA.

Hoy quiero hablaros de la importancia de implantar tratamientos anaerobios en los casos de aguas residuales industriales con alta carga biodegradable, es decir, que tienen una alta relación DBO5/DQO. Nos referimos a la DBO5 como la parte biológicamente degradable de la materia orgánica contaminante (las bacterias la oxidan) y a la DQO como la parte químicamente degradable (aquí los microorganismos no interfieren). Así, cuanto más alto sea el valor obtenido entre estos dos parámetros significará que el agua es más fácilmente degradable mediante los microorganismos presentes en ella.

LOS REACTORES ANAEROBIOS COMO VENTAJA COMPETITIVA RESPECTO A LOS AEROBIOS

Las aguas residuales con elevadas cargas contaminantes pero a la vez fácilmente biodegradables se presentan como una oportunidad para poder incluir a los reactores anaerobios como herramienta fundamental en el proceso de depuración. Y esto se debe a que este tipo de tratamiento presenta dos claras ventajas respecto al aerobio.

1. ENERGÍA

Este aspecto hace referencia tanto al consumo como a la producción:

  • Los microorganismos de un reactor anaerobio no necesitan de oxígeno para degradar la materia orgánica contaminante que presenta el agua residual; es más, para la mayoría de ellos es tóxico. Debido a esto, la ventaja competitiva en consumo energético respecto a los reactores aerobios resulta clara, ya que éstos necesitan de soplantes o compresores para subministrar aire a las bacterias aerobias, con el debido consumo energético adicional.
  • Otro aspecto presente en las bacterias anaerobias es la producción de biogás (mayormente metano, dióxido de carbono y sulfuro de hidrógeno) derivado de la degradación de la materia orgánica contaminante. Con la debida eliminación del azufre del biogás y su adecuación posterior, éste puede ser apto para inyectar a una caldera industrial o incluso ser utilizado en un proceso de cogeneración.
2. LODOS

La ventaja en la producción de lodos resulta en una reducción significativa de éstos dado que parte del producto de degradación de la materia orgánica se convierte en biogás, abandonando la fase líquida como parte del proceso de depuración. Añadir también que en esta EDARI el reactor anaerobio dispone de recirculación externa de los lodos mediante un equipo flotador BIODAF, por lo que ya se produce un espesado previo a la purga cuando éstos se encuentran en exceso.

Comparativa de balances entre tratamientos aerobio y anaerobio. Fuente: Jorge Cifuentes

INDUSTRIA DE BEBIDAS AZUCARADAS

Vista aérea de la EDARI de una industria de bebidas azucaradas. Fuente: SIGMA.

Volviendo a la idea del inicio de este post, tenemos un ejemplo de elevada biodegradabilidad en las aguas derivadas del proceso de elaboración de refrescos y bebidas azucaradas, las cuales tienen una relación DBO5/DQO>0,4 y una biodegradabilidad asimilable a las aguas residuales urbanas. Estas características hacen idónea la aplicación de un tratamiento anaerobio para obtener los objetivos de depuración deseados.

Aún así, hay que tener en cuenta de que en el caso que los límites de vertido sean muy exigentes probablemente se necesitará un postratamiento aerobio, aunque éste será de dimensiones y consumos energéticos mucho menores que si sólo se hubiera planteado ésta opción.

Para finalizar, os adjunto un video de una planta depuradora que trata este tipo de aguas de las cuales hemos hablado, con unos resultados de eliminación de DQO cercanos al 90%. La EDARI tiene las siguientes etapas:

  • Homogeneización y ajuste de pH
  • Reactor de tipo RANC con recirculación externa
  • Eliminación de lodos mediante flotador BIODAF

En este caso ya se consigue cumplir con el objetivo de vertido y no hace falta ningún proceso aerobio posterior, por lo que tenemos un ejemplo de instalación con una huella de carbono muy reducida que además cumple con los objetivos de sostenibilidad de la empresa que encargó el proyecto.

Tecnologías combinadas en tratamiento de AARR en la Industria Alimentaria

El pasado 27 de abril participé en una webinar organizada por el CWP explicando un caso de éxito llevado a cabo por mi empresa SIGMA, del cual os adjunto un texto resumen y video de referencia:

SIGMA GROUP

Somos una empresa familiar, creada hace 50 años y cuya actividad original era la mecanización de piezas metálicas para terceros. Desde hace 25 años estamos enfocados exclusivamente en el tratamiento de aguas, evolucionando desde la fabricación de filtros y equipos de flotación sencillos hasta el diseño de equipos de flotación con tecnología propia para muy diversas aplicaciones, además de implementar procesos completos y proyectos llave en mano para el tratamiento de aguas residuales industriales.

Debido a esta evolución, recientemente se ha estructurado nuestra actividad en el grupo de empresas SIGMA GROUP. Una es AGUASIGMA, dedicada al desarrollo de ingeniería y proyectos llave en mano, y la otra es SIGMADAF que diseña, construye y suministra equipos de flotación DAF que pueden ir desde caudales de 3 m3/h hasta los 2000 m3/h.

CONGELADOS DE NAVARRA

CN es uno de los mayores productores de vegetales congelados de Europa y referencia en el sector. La empresa, dentro de su objetivo estratégico de mejora continua, llevó a cabo un programa de evaluación de sus procesos de fabricación y consecuencia de ello generó la necesidad de mejora de las instalaciones de tratamiento de aguas residuales de su planta principal en Fustiñana (Navarra). Congelados de Navarra planteó a SIGMA 2 objetivos:

  • Tener suficiente capacidad para el tratamiento de las aguas actuales así como de futuras ampliaciones.
  • Conseguir la calidad de agua de vertido comparable al vertido a cauce público.

Todo esto debía conseguirse con el mínimo consumo de recursos tales como electricidad, productos químicos y generación de lodos así como de personal. En definitiva, debíamos conseguir una planta con el menor impacto ambiental posible.

Vista aérea de la EDARI de Congelados de Navarra

NUESTRA SOLUCIÓN

SIGMA propuso la solución tecnológica siguiente: PROCESO COMBINADO DE TRATAMIENTO ANAEROBIO RANC SEGUIDO DE TRATAMIENTO AEROBIO FBR

Previo un acondicionado de las aguas de llegada mediante filtrado y tanque de homogeneización y control de pH, éstas entran a un Reactor Anaerobio de Contacto o RANC, minimizando los costes operativos derivados del consumo de energía eléctrica y generación de lodos. En el RANC se degradan los compuestos orgánicos (DQO y DBO) en condiciones anaerobias, transformándose en agua tratada y biogás principalmente.

I) RANC (Reactor Anaerobio de Contacto)

El reactor RANC es del tipo FLUJO ASCENDENTE POR CONTACTO, este tiene unas condiciones de funcionamiento semejantes a los clásicos UASB pero en este caso se eliminan los clarificadores de tres fases y se sustituye por un equipo externo de flotación SIGMA DAF-FPBC100, realizándose la clarificación de las aguas a la salida del reactor. Con este equipo también se separa el lodo anaerobio excedente del reactor antes de la siguiente etapa.

Detalle del Reactor Anaerobio de la EDARI de Congelados de Navarra (Fustiñana)

II) FBR (Reactor Biológico de Flotación)

Esta etapa posterior al RANC se compone de un reactor biológico de lodos activos de baja-media carga y de otro equipo flotador SIGMA DAF-TWIN para la clarificación final antes de su vertido a alcantarillado. Hemos propuesto utilizar un sistema de flotación DAF como clarificador final en lugar del decantador tradicional porque además de ser nuestra especialidad y haber realizado muchas instalaciones de este tipo, le vemos varias ventajas significativas:

  • Alta concentración del lodo extraído, entre el 3-5%, de forma que las condiciones hidráulicas del sistema en su totalidad mejoran, disminuye el retorno de aguas a homogeneización, y se gestiona un volumen de lodo menor en el tratamiento por centrífuga.
  • Capacidad de trabajar con cargas de sólidos en el reactor muy altas, hasta 8 gr/l, lo que permite disponer de mayor edad del lodo y mejorar las condiciones de tratamiento del agua.
  • Mayor fiabilidad frente a lodos esponjosos (bulking) o con baja velocidad de sedimentación.
SIGMA DAF-TWIN del cual forma parte el FBR

Las particulares condiciones del lodo biológico generado en industrias donde no se dan condiciones de adecuado balance en nutrientes, dan lugar a la formación de lodo muy voluminoso y esponjoso, por lo que acaba bajando la velocidad de sedimentación con la previsible consecuencia de escape de lodos en el vertido final. Es por esto de que la aplicación de flotadores de tipo DAF está siendo cada vez más utilizada como solución a estos tipos de problemas.

Grupo ICRATech (IV): Sociología Basada en el Análisis de Aguas Residuales

Tramo de alcantarillado de Londres. Fuente: Nautilus

El Institut Català de Recerca de l’Aigua (ICRA) ha establecido un equipo que reune tecnología e imaginación para extraer información socioeconómica de los municipios a partir del análisis químico y microbiológico de las aguas residuales de sus ciudadanos, la llamada Sewer Sociology o Sociología basada en el Análisis de las Aguas Residuales (SAAR).

¿Qué es la Sociología basada en el Análisis de las Aguas Residuales?

La SAAR se podría definir como «la ciencia de la sociedad, las instituciones sociales y las relaciones sociales vistas a través de los ojos de una alcantarilla«. Hasta ahora, este término se ha utilizado en el marco de los estudios que analizan los flujos en las alcantarillas para extraer datos sobre el ritmo diario de la vida de las personas, pero se puede ir más allá del análisis de estos flujos. Por ejemplo, la medición de la concentración de sustancias químicas seleccionadas puede proporcionar información sobre los hábitos de vida y el estado de salud de la población. Esta práctica se denomina «Sewage Information Mining (SIM)» o minería de información química de aguas residuales (SCIM) cuando el foco está en los productos químicos. Dentro de la SIM se incluye la Epidemiología basada en el análisis de las aguas residuales,propuesto en 2001. Desde entonces se han realizado cientos de estudios para validar este concepto, entre los que se encuentran los basados en el análisis de la concentración de drogas ilícitas en las aguas residuales y la consiguiente estimación del consumo per cápita. Otras aplicaciones muy interesantes se han llevado a cabo, por ejemplo estimar la exposición de la población a los plaguicidas, cuantificar los productos farmacéuticos prescritos, los biomarcadores que pueden reflejar los hábitos de estilo de vida y el estado general de salud de la población.

La SAAR se está convirtiendo en un tema de actualidad

Los resultados y los conocimientos de la SAAR no sólo se limitan a la comunidad científica, de hecho, una serie de titulares de noticias como: «Lo que los residuos humanos pueden decirnos sobre los ingresos, la dieta y la salud» (Celina Ribeiro, Oct 2019, BBC), «Hay una diferencia desalentadora entre las aguas residuales de las zonas ricas y las de las zonas pobres» (Michelle Starr, Oct 2019, Science Alert), «Los científicos pueden saber cuán rico eres examinando tus aguas residuales» (Peter Hess, oct. 2019, Inverso) y «El estudio de las aguas residuales da pistas sobre el estatus socioeconómico y los hábitos de las personas» (Bob Yirka, oct. 2019, Phys.org), por nombrar sólo algunos, se publicaron en 2019. Así, la SAAR puede convertirse en una importante herramienta para identificar las amenazas, las necesidades, la salud y la riqueza de los seres humanos y la sociedad.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969717331601#f0005

¿Cuál es la contribución del ICRA a la SAAR?

En el ICRA creemos que la SAAR puede utilizarse para la vigilancia de los factores de riesgo para la salud de la población, convirtiéndose en un valioso complemento de los métodos existentes, los cuales tienen ciertos inconvenientes. Por ejemplo, las encuestas por cuestionario tienen limitaciones debido a la falta de veracidad de las respuestas de los participantes y a las necesidades de ajustarse al presupuesto asignado. Las bases de datos de población (por ejemplo, los censos) y los registros médicos suelen carecer de datos socioeconómicos y de hábitos de vida, no son plenamente fiables ni completas y se actualizan con poca frecuencia (sólo una vez al año en los mejores casos).

El ICRA participa actualmente en dos proyectos internacionales que se ocupan de la SAAR. El proyecto SCOREwater tiene por objetivo extraer información socioeconómica de muestras de aguas residuales desde tres puntos de vista distintos: desde la ingeniería, con la elaboración de enfoques para la selección de puntos y diseño de estrategia de muestreo; desde la química, con el despliegue de métodos analíticos; y desde la perspectiva de la microbiología, con la estimación de la diversidad microbiana de las muestras de aguas residuales y la cuantificación de los genes resistentes a los antibióticos. SCOREwater cuenta con varios socios catalanes complementarios (ICRA, BCASA, s::can iberia, IERMB, EURECAT) que trabajan conjuntamente en el estudio del caso de Barcelona, donde 3 barrios serán monitorizados durante 1 año. Todos los datos analíticos se analizarán conjuntamente con la información recogida en las bases de datos de salud (medicamentosprescritos, hábitos de vida y estado de salud), con la información sobre la situación socioeconómica de los habitantes y con la información obtenida de las encuestas telefónicas. 

Por otro lado, el proyecto SCHEME se centra en el desarrollo de una metodología analítica para la determinación de biomarcadores de exposición humana a contaminantes químicos derivados de productos de cuidado personal y productos químicos industriales. La aplicabilidad de la metodología desarrollada por SCHEME se evaluará utilizando muestras de aguas residuales de 4 ciudades europeas.

Una introducción a la Epidemiología basada en el Análisis de las Aguas Residuales

El valor real de la información sociológica de las aguas residuales 

Aunque la SAAR esté de actualidad y tenga mucho potencial, los investigadores debemos ser realistas sobre las necesidades que el método puede satisfacer. Actualmente son posibles las siguientes aplicaciones:

  • Vigilancia del consumo de drogas ilícitas: Normalmente, esos tipos de vigilancia se llevan a cabo sobre la base de incautaciones, encuestas, demandas de tratamiento de drogas e ingresos hospitalarios relacionados con las drogas. Sin embargo, mediante el SCIM se puede obtener las cantidades de drogas ilícitas liberadas en una cuenca de alcantarillado específica. Este enfoque se ha llevado a cabo durante 7 años en varias ciudades europeas y otras ciudades. Gracias a él, fue posible encontrar tendencias y perfiles específicos del consumo de drogas ilícitas mucho antes que con otras fuentes de información (González-Mariño et al., 2020). El SCIM ha demostrado ser un instrumento sumamente flexible para su aplicación a diferentes escalas espaciales y temporales y puede poner en marcha medidas de mitigación casi en tiempo real (González-Mariño et al., 2020). 
  • Vigilancia del consumo de medicamentos: Estas ventas suelen registrarse en bases de datos de difícil acceso y no se actualizan con la frecuencia necesaria. El SCIM ha demostrado ser preciso en cuanto a reflejar el consumo de drogas ilícitas y medicamentos (van Nuijs y otros, 2015) (Choi y otros, 2018). 
  • Seguimiento de los brotes de enfermedades: En el proyecto Underworlds de América del Norte se ofrecen ejemplos de varias aplicaciones satisfactorias.
Workshop desarrollado en el ICRA sobre SAAR en noviembre de 2019

¿Qué podemos esperar en el futuro? La opinión de ICRATech, grupo de investigación consolidado de AGAUR

Hasta ahora, en el campo de la SAAR ha habido mucha presencia de químicos analíticos, pero con el fin de aprovechartodo el potencial de la Sociología basada en el Análisis de las Aguas Residuales, necesitamos involucrar a otros científicos como epidemiólogos, ingenieros ambientales, sociólogos, médicos y organismos públicos como, por ejemplo, organismos públicos de salud. Además, como las posibilidades de las aplicaciones de la SAAR son muy variadas, es necesario trabajar en la definición de propuestas de valor con la participación de los principales interesados. En ese sentido, el ICRA organizó un taller dedicado a la SAAR con el objetivo de debatir varios temas entre los investigadores del agua de diferentes especialidades y, posteriormente, realizar una lluvia de ideas sobre posibles aplicaciones futuras… en menos de 30 minutos se recogieron ideas prometedoras! Además, algunas de estas ideas tenían un valor para la sociedad, otras tenían un mero valor científico y otras lo tenían a nivel comercial. A continuación, planteamos debates sobre la aplicabilidad, la utilidad y la ética de algunas de estas ideas. El principal resultado fue que la investigación en este campo debería realizarse siempre en asociación con las partes interesadas para garantizar que la información extraída sea útil. 

Por último, en el taller también discutimos que además de los productos químicos, las aguas residuales también contienen una cantidad ingente de microorganismos procedentes de las heces humanas y la diversidad microbiana podría estar potencialmente asociada al estado de salud de las poblaciones estudiadas. Sin embargo, recopilar información fiable de estas complejas comunidades microbianas no es sencillo, especialmente para la identificación de biomarcadores genéticos referentes a la salud. La obtención de datos genéticos es un desafío y requiere tanto una gran potencia de cálculo como el dominio de diferentes herramientas bioinformáticas.

Por todo lo dicho, en el ICRA nos encanta la Sociología basada en el Análisis de Aguas Residuales y abordaremos los desafíos metodológicos identificados en los dos proyectos europeos con entusiasmo y determinación.

Artículo escrito por el grupo de investigación ICRATech

Agradecimientos

Los autores quieren agradecer el apoyo del Departament d’Economia i Coneixement del Gobierno catalán a través del Grupo de Investigación Consolidado (ICRA-TECNOLOGÍA – 2017 SGR 1318).

Referencias

Bijlsma, L., Botero-Coy, A.M., Rincón, R.J., Peñuela, G.A., Hernández, F., 2016. Estimation of illicit drug use in the main cities of Colombia by means of urban wastewater analysis. Sci. Total Environ. 565, 984–993. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2016.05.078

Castiglioni, S., Senta, I., Borsotti, A., Davoli, E., Zuccato, E., 2015. A novel approach for monitoring tobacco use in local communities by wastewater analysis. Tob. Control 24, 38–42. https://doi.org/10.1136/tobaccocontrol-2014-051553

Choi, P.M., Tscharke, B.J., Donner, E., O’Brien, J.W., Grant, S.C., Kaserzon, S.L., Mackie, R., O’Malley, E., Crosbie, N.D., Thomas, K. V., Mueller, J.F., 2018. Wastewater-based epidemiology biomarkers: Past, present and future. TrAC-Trends Anal. Chem. https://doi.org/10.1016/j.trac.2018.06.004

Daughton, C.G., 2001. Illicit Drugs in Municipal Sewage. https://doi.org/10.1021/bk-2001-0791.ch020

Daughton, C.G., 2018. Monitoring wastewater for assessing community health: Sewage Chemical-Information Mining (SCIM). Sci. Total Environ.

Enfinger, K.L., Stevens, P.L., 2014. Sewer Sociology – The Days of Our (Sewer) Lives. Proc. Water Environ. Fed. https://doi.org/10.2175/193864706783761365

González-Mariño, I., Baz-Lomba, J.A., Alygizakis, N.A., Andrés-Costa, M.J., Bade, R., Barron, L.P., Been, F., Berset, J.D., Bijlsma, L., Bodík, I., Brenner, A., Brock, A.L., Burgard, D.A., Castrignanò, E., Christophoridis, C.E., Covaci, A., de Voogt, P., Devault, D.A., Dias, M.J., Emke, E., Fatta-Kassinos, D., Fedorova, G., Fytianos, K., Gerber, C., Grabic, R., Grüner, S., Gunnar, T., Hapeshi, E., Heath, E., Helm, B., Hernández, F., Kankaanpaa, A., Karolak, S., Kasprzyk-Hordern, B., Krizman-Matasic, I., Lai, F.Y., Lechowicz, W., Lopes, A., López de Alda, M., López-García, E., Löve, A.S.C., Mastroianni, N., McEneff, G.L., Montes, R., Munro, K., Nefau, T., Oberacher, H., O’Brien, J.W., Olafsdottir, K., Picó, Y., Plósz, B.G., Polesel, F., Postigo, C., Quintana, J.B., Ramin, P., Reid, M.J., Rice, J., Rodil, R., Senta, I., Simões, S.M., Sremacki, M.M., Styszko, K., Terzic, S., Thomaidis, N.S., Thomas, K. V., Tscharke, B.J., van Nuijs, A.L.N., Yargeau, V., Zuccato, E., Castiglioni, S., Ort, C., 2020. Spatio-temporal assessment of illicit drug use at large scale: evidence from 7 years of international wastewater monitoring. Addiction. https://doi.org/10.1111/add.14767

Ort, C., van Nuijs, A.L.N., Berset, J.D., Bijlsma, L., Castiglioni, S., Covaci, A., de Voogt, P., Emke, E., Fatta-Kassinos, D., Griffiths, P., Hernández, F., González-Mariño, I., Grabic, R., Kasprzyk-Hordern, B., Mastroianni, N., Meierjohann, A., Nefau, T., Östman, M., Pico, Y., Racamonde, I., Reid, M., Slobodnik, J., Terzic, S., Thomaidis, N., Thomas, K. V., 2014. Spatial differences and temporal changes in illicit drug use in Europe quantified by wastewater analysis. Addiction 109, 1338–1352. https://doi.org/10.1111/add.12570

Rousis, N.I., Zuccato, E., Castiglioni, S., 2017. Wastewater-based epidemiology to assess human exposure to pyrethroid pesticides. Environ. Int. https://doi.org/10.1016/j.envint.2016.11.020

Ryu, Y., Gracia-Lor, E., Bade, R., Baz-Lomba, J.A., Bramness, J.G., Castiglioni, S., Castrignanò, E., Causanilles, A., Covaci, A., De Voogt, P., Hernandez, F., Kasprzyk-Hordern, B., Kinyua, J., McCall, A.K., Ort, C., Plósz, B.G., Ramin, P., Rousis, N.I., Reid, M.J., Thomas, K. V., 2016. Increased levels of the oxidative stress biomarker 8-iso-prostaglandin F 2α in wastewater associated with tobacco use. Sci. Rep. https://doi.org/10.1038/srep39055

Senta, I., Gracia-Lor, E., Borsotti, A., Zuccato, E., Castiglioni, S., 2015. Wastewater analysis to monitor use of caffeine and nicotine and evaluation of their metabolites as biomarkers for population size assessment. Water Res. 74, 23–33.

Thomaidis, N.S., Gago-Ferrero, P., Ort, C., Maragou, N.C., Alygizakis, N.A., Borova, V.L., Dasenaki, M.E., 2016. Reflection of Socioeconomic Changes in Wastewater: Licit and Illicit Drug Use Patterns. Environ. Sci. Technol. 50, 10065–10072. https://doi.org/10.1021/acs.est.6b02417

Van Nuijs, A.L.N., Covaci, A., Beyers, H., Bervoets, L., Blust, R., Verpooten, G., Neels, H., Jorens, P.G., 2015. Do concentrations of pharmaceuticals in sewage reflect prescription figures? Environ. Sci. Pollut. Res. https://doi.org/10.1007/s11356-014-4066-2

Grupo ICRATech (III): grafeno en el tratamiento de aguas

Imagen: Wikimedia

«Imagínate la posibilidad de disponer de un sistema de suministro de agua que dure casi eternamente, resistente al ensuciamiento bacteriano, a la corrosión, y con la posibilidad de detectar y degradar instantáneamente cualquier contaminante potencialmente peligroso. ¿Te imaginas que pudieses pintar las paredes de tu edificio con una pintura que produzca la energía requerida por tus electrodomésticos? ¿Y que el movimiento del agua de la lavadora permitiera generar la energía suficiente para desinfectar y tratar el efluente de manera que pueda reutilizarse para beber? ¿Cómo pueden generar y almacenar energía las tecnologías de tratamiento de agua? ¿Cómo se puede integrar los sensores de calidad del agua con la energía y el tratamiento para auto-regularse? Los materiales de grafeno pueden jugar muy pronto un papel clave para responder a estas preguntas«.

Jelena Radjenovic y Luis-Baptista Pires

El futuro siempre está en tus manos

¿Te imaginas que toda la vida has tenido el futuro en tus manos? Bien, Geim y Novosolev en 2004 aislaron por primera vez el grafeno del grafito utilizando una simple cinta adhesiva. El grafito es el material de las minas de los lápices que has estado utilizando toda tu vida. Ellos ganaron el Premio Nobel por aislar y caracterizar las propiedades electrónicas del grafeno. ¿Habrá un premio nobel escondido en tu bolígrafo? Quizás sí, pero antes vamos a ver qué es el grafeno, este material del que todo el mundo habla últimamente. El grafeno es una simple capa de átomos de carbono organizados en un patrón hexagonal de dos dimensiones. Más duro que el acero y con una gran flexibilidad, uno se lo puede imaginar como una hoja de papel con una estructura de átomos de carbono enlazados. Esto permite la rápida circulación de los electrones que no encuentran resistencia alguna. Sería como conducir por una autopista perfecta sin encontrarse otros coches u obstáculos por el camino… Ahora, si a esa autopista le añades unos árboles por todas partes (grupos funcionales de oxígeno) y algunos agujeros en el suelo (huecos/defectos) te encontrarás con el primo del grafeno, que se llama Óxido de Grafeno (OG). Al revés que el grafeno, el OG es un aislante una vez que presenta una gran resistencia a la circulación de electrones a través de su superficie.

Esta propia limitación del OG le permite ser suspendido en agua para formar tintas. De este modo se puede imprimir, pintar o recubrir con OG casi cualquier material. Resulta fácil de manipular, y es mucho más barato ya que se puede producir masivamente a partir del grafito natural mediante métodos químico o físicos. Y, lo que es más importante, el OG se puede transformar en un material conductor simplemente eliminando los grupos funcionales de oxígeno y reparando los agujeros de su estructura mediante distintos tratamientos (químicos o electroquímicos, entre otros). De este modo nuestra autopista se queda sin apenas árboles (algunos no se pueden eliminar) y, aunque no puedes conducir tan rápido como en la autopista de grafeno, por lo menos puedes circular. Estas propiedades dan paso a la producción de un nuevo material denominado Oxido de Grafeno Reducido (OGR). Este material, debido al arreglo de sus defectos y al preciso control del nivel de grupos funcionales, resulta muy reactivo a interacciones moleculares, es conductor eléctrico y térmico, y activo electroquímicamente. Ha permitido la producción de sensores flexibles y baratos, baterías (supercapacitores) que se pueden cargar y descargar muy rápidamente, mejorar la funcionalidad de células solares, y hasta ser utilizados en aplicaciones antibacterianas. Cabe remarcar que OGR puede ser utilizado como red de soporte y ser dopado con otros átomos como el boro, nitrógeno, azufre (entre otros, la familia del Grafeno no para de crecer) para formar otros materiales con aplicaciones específicas – la carretera se dopa con árboles de otras especies. Una vez que esta familia de materiales 2D con distintas estructuras atómicas y dopajes químicos pueden ser procesados como tintas, podemos construir fácilmente matrices estructurales en 3D y de este modo pasar de una escala nano a la micro y macroestructura. De estos nanomateriales se pueden producir espumas, esponjas o películas, de fácil manipulación para los humanos, pero con propiedades excepcionales debido a sus estructuras específicas nano/micro.

A modo de breve conclusión, los tres aspectos mencionados con anterioridad: 1) posibilidad de producir tintas; 2) posibilidad de dopar químicamente; 3) posibilidad de transformar la estructura intrínseca en dispositivos 3D micro o macro, abren la puerta a desarrollar infinitas configuraciones para aplicaciones específicas.

Imagen: Soumac

Materiales en base a grafeno para el tratamiento del agua

Tanto el OG como el OGR han sido ampliamente explorados para el tratamiento del agua y una de sus aplicaciones más estudiadas es para la producción de nuevas membranas de filtración. Membranas basadas en OG y OGR se han utilizado tanto para la separación por filtración en función del tamaño de las distintas moléculas como para la degradación electroquímica de contaminantes. El OGR, al igual que el OG, tiene propiedades antibacterianas y anti-ensuciamiento, y además puede llegar a evitar la corrosión y ser impermeable a ácidos en función de su microestructura. El OG suspendido en agua puede ser fácilmente filtrado sobre papel de filtro y utilizado como membrana donde los átomos de oxígeno introducen una distancia entre las capas atómicas de carbono. La distancia entre capas de carbono tan precisa puede ser diseñada para permitir pasar a algunas moléculas y retener otras en función de su tamaño; y por ello se han aplicado para la desalinización y la eliminación de contaminantes. Este material también se ha utilizado para controlar la permeabilidad del agua usando electricidad al colocarlo entre dos electrodos y controlar la carga eléctrica en el espacio entre las capas. Utilizando el mismo sistema de membranas con un electrodo de OGR, se pueden degradar electroquímicamente contaminantes cuando pasan a su través. De hecho, la electroquímica es un tema puntero de investigación en el campo del agua porque ofrece un amplio abanico de ventajas respecto a otras tecnologías existentes. Por ejemplo, el único reactivo que utilizan los sistemas electroquímicos son los propios electrones y son capaces de degradar los compuestos más persistentes, como las sustancias poli y perfluoralquilos. Las espumas en base OGR u otras macroestructuras que pueden ser dopadas o no, son candidatos ideales para la degradación electroquímica de contaminantes persistentes en agua. Debido a los grupos funcionales y su estructura desordenada añadido a la estructura 3D con una enorme área superficial, las espumas de OGR poseen puntos catalíticos adicionales que promueven la degradación de contaminantes persistentes, la (electro)sorción y eliminación de metales pesados, y la muerte de bacterias. Las espumas de OGR también pueden ser diseñadas para ser altamente hidrofóbicas, y entonces se aplican para la adsorción y eliminación de aceites del agua.

Las membranas, espumas, esponjas, dopadas o no, basadas en tecnología de OG u OGR mencionadas con anterioridad pueden cambiar el concepto de tratamiento del agua, la reutilización y el suministro, teniendo en cuenta su versatilidad, capacidad infinita de adoptar distintas formas, y facilidad de manejo. OG y OGR son los materiales base más versátiles para la síntesis de coberturas, compositos, y arquitecturas 3D. Con unas expectativas de expansión significativa del mercado para el grafeno en 5-10 años, resulta razonable asumir que la producción a larga escala del OG se expandirá, rebajando costes y convirtiéndolo en una opción todavía más viable económicamente para el tratamiento del agua.

Detalle de la red de una membrana de grafeno. Fuente: Flickr

Superar el reto de la escasez del agua y la contaminación en la gestión de los recursos hídricos requiere una apuesta pionera por las tecnologías más avanzadas de tratamiento del agua. La opción de llevar a cabo una gestión más localizada del ciclo del agua y la introducción de sistemas distribuidos de tratamiento está cada vez más reconocida frente al sistema convencional de tratamiento centralizado al final del colector que se implementó a partir de mediados del siglo XIX. La aplicación de sistemas descentralizados de tratamiento y reutilización como la recogida de aguas pluviales, o la separación, tratamiento y reutilización de aguas grises, representan una oportunidad para adaptarse mejor a la escasez de agua, la precipitación impredecible, y otras consecuencias del cambio climático. Tecnologías inteligentes y de bajo coste como las membranas, espumas y esponjas basadas en OG y OGR, con o sin aplicación de corriente, pueden facilitar un uso seguro y sostenible de los recursos hídricos, disminuyendo nuestra dependencia de las redes centralizadas de agua y energía, y minimizando el impacto ambiental de nuestro consumo de agua.

¿Y ahora qué futuro nos espera?

Además de las aplicaciones basadas en agua, los materiales basados en grafeno han sido foco de atención en el campo de los supercapacitores, los paneles solares, la captación y almacenamiento de energía y los actuadores (materiales que cambian la forma dependiendo del medio). Los sensores basados en OGR, con una impresión personalizada en base a la estructura propuesta o la realidad ambiental, pueden determinar simultáneamente presión, movimiento, humedad, temperatura, cambios en pH, y presencia de bacterias, parámetros vitales para la monitorización del tratamiento de aguas y aguas residuales en los sistemas de distribución. La monitorización y los sistemas de tratamiento en general necesitan estar conectados a una fuente de energía, hecho que le da otra ventaja significativa al OGR: puede producir pequeñas cantidades de energía debido al movimiento del agua, el gradiente de humedad y la presión, o puede aumentar la eficiencia de las tecnologías de energía renovable. La energía producida puede ser almacenada en supercapacitores de carga/descarga rápida, para encender aparatos que dependan de la energía como los sensores o las redes de transmisión de señal. Energía, sensorización, y tratamiento de agua añadido a las propiedades mecánicas de los materiales basados en grafeno como la flexibilidad y la fuerza, abren la puerta a su incorporación en sistemas y locales de difícil implementación/acceso. Los dispositivos multi-tarea auto-alimentados basados en grafeno para la monitorización ambiental y el tratamiento de agua y aguas residuales, supondrán un gran paso adelante y pueden jugar un papel ganador en la lenta pero a su vez inevitable transición hacia un mundo más sostenible. La Industria en el campo del agua en general ha estado menos predispuesta a cambios disruptivos, por o que la investigación académica emergente y las empresas spin-off afrontan una larga travesía para llegar al mercado y sustituir las tecnologías existentes. Sin embargo, la facilidad para la integración y disponer de distintas funcionalidades en un único dispositivo pueden ser factores determinantes para traducir esta investigación en aplicaciones de nuestro día a día y un complemento a las soluciones actuales. Con la evolución de las Tecnologías de la Información, 5G y la inteligencia artificial, la monitorización en línea y en tiempo real permitirá evitar problemas como las pérdidas en las tuberías o la detección de compuestos tóxicos vertidos a una red de distribución de agua o hasta la variación de virus/bacterias en corrientes de aguas. Juntándolo todo, uno se puede imaginar la monitorización y tratamiento avanzado y descentralizado de agua utilizando sistemas modulares que son versátiles, pudiendo tratar y detectar, al mismo tiempo que son eficientes e independientes de la energía. En general, la posibilidad de aplicar estos sistemas en distintos contextos mundiales y con distintos puntos de vista, tanto para gente con un elevado nivel de vida como para comunidades rurales de difícil acceso, supondrá un progreso para la accesibilidad al agua y a la reutilización.

Detalle de espuma de grafeno. Fuente: Nature

Aunque todavía hay mucho campo por investigar para alcanzar una mayor generación de energía a través de los dispositivos de grafeno, y un menor consumo de los sistemas electroquímicos de tratamiento de agua utilizando estructuras electrocatalíticas más eficientes, la combinación de estas propiedades con la habilidad ilimitada de darle forma, pintar o hacer patrones de estas estructuras en arquitecturas futurísticas, supondrán un gran impacto en la manera de considerar el tratamiento del agua. Diseño, Arquitectura y Ciencia, de la mano de la imaginación y creatividad de la Sociedad para rediseñar como utilizamos el tratamiento del agua a nivel individual con plataformas personalizadas eficientes desde un punto de vista energético, supone el objetivo a alcanzar. Suministrando herramientas a la sociedad, y permitiendo a la gente que sea el ingeniero de su propio sistema de tratamiento del agua, cambiará nuestra percepción del recurso y nos permitirá hacer frente a alguno de los mayores retos relacionados con el impacto ambiental de la gestión y tratamiento del agua, haciendo del nuestro un mundo más sostenible. ¿jugará el grafeno un papel clave en este juego para cambiar el futuro? No lo podemos asegurar, pero preguntas y respuestas emergerán de las infinitas posibilidades que ponemos encima de la mesa..

¿Te imaginas que puedes imprimir tu propio sistema de tratamiento del agua? Ya puedes empezar a hacerlo…

Artículo escrito por Jelena Radjenovic y Luis Baptista-Pires

RECONOCIMIENTOS:

  • Los autores quieren agradecer el apoyo del Departament d’Economia i Coneixement del Gobierno catalán a través del Grupo de Investigación Consolidado (ICRA-TECNOLOGÍA – 2017 SGR 1318).

Forward Osmosis (III): Membranas, DS y Fouling

Esquema de funcionamiento de la Ósmosis Directa. Fuente: Yale University

En este tercer artículo, una vez introducido lo que es la Ósmosis Directa y explicado su proceso, voy a hablaros de las características de las membranas utilizadas así como de los tipos de soluciones extractoras y las causas de fouling que afectan al proceso.

1. Membranas

Las primeras membranas que se probaron para el proceso de ósmosis directa (OD) en realidad estaban pensadas para la ósmosis inversa, por lo que no demostraban resultados convincentes debido a fundamentalmente dos características: la hidrofobicidad y la excesiva amplitud (150 micrómetros) de los soportes de dichas membranas. Todo eso cambió cuando se inició el desarrollo de soportes más finos (de unos 50 micrómetros) que permitían flujos mucho más elevados a través de estas membranas.

En el caso de usar membranas de OD para tratamiento de aguas residuales, éstas tendrán más propensión al ensuciamiento y por lo tanto necesitaremos que dispongan de las siguientes características:

  • Una capa separadora ultrafina para conseguir un elevado rendimiento de la solución de rechazo.
  • Una capa de soporte lo más fina posible con elevada estabilidad mecánica, manteniendo durante el mayor tiempo posible las condiciones de operación fijadas.
  • Elevada afinidad por el agua (hidrofília) para mantener el flujo de paso y reducida propensión al fouling.
Materiales

Los materiales más utilizados para la fabricación de las membranas de OD son el triacetato de celulosa (CTA), muy resistente al cloro y poco propenso a la adsorción de aceites grasos y minerales. También es más resistente a variaciones térmicas y degradación química y/o biológica que la misma celulosa. Aún así, la nuevas generaciones de membranas de OD aguantan unas variaciones superiores de pH que el CTA (de 2 a 12 Vs de 3 a 8).

La susceptibilidad al fouling de dichas membranas también dependen de los materiales, por ejemplo, las de CTA (hidrofílicas) tienen menos tendencia a ensuciarse que las de tipo hidrofóbico. Además, las membranas de poliamida (PA) se han desarrollado con la intención de suavizar los ángulos de contacto y permitir una mayor resistencia al fouling.

Investigaciones recientes dedicadas a mejorar la fabricación han dado resultados prometedores centrándose en la adición de agentes formadores de poros para mejorar el flujo de paso por las membranas.

2. Soluciones Osmóticas

Aproximadamente el 40% de las Soluciones Osmóticas o Extractoras (Draw Solutions, DS) estan compuestas de cloruro de sodio debido principalmente a su solubilidad pero tambien a su bajo coste y alto potencial osmótico. Éste se usa a unas concentraciones similares al agua marina (que también se utiliza como DS) con la ventaja de la ausencia de sólidos en suspensión o microorganismos como sí puede tener el agua de mar, provocando un augmento de biofouling en el sistema.

Draw Solutions más usadas en los procesos de ósmosis directa
DS adecuadas para tratar aguas residuales

Para provocar un flujo óptimo de agua en el sistema necesitamos un elevado potencial osmótico que supere al del agua residual a tratar. También debemos considerar de que la DS no sea tóxica, se pueda recuperar fácilmente una vez reconcentrada y además no deteriore el OMBR si hay un bioreactor en el sistema de tratamiento para que no afecte la calidad del lodo ni el crecimiento de los microorganismos.

Las propiedades de transporte también seran significativas cuando escojamos una DS. Por ejemplo, las moléculas grandes tienen menor difusividad y filtran más lentamente a través de la membrana que las pequeñas. Otros factores a tener en cuenta son el pH y la temperatura, sobretodo para evitar casos de scaling por precipitación de calcio, sulfatos o carbonatos.

En el caso concreto de las aguas residuales como solución de alimentación al sistema de OD, ciertos investigadores han propuesto el cloruro de magnesio como DS debido a su alta eficiencia en el potencial osmótico, aunque su coste es mayor que el cloruro de sodio.

En la siguiente tabla se muestran ventajas e inconvenientes de varios DS:

Fuente: Water Research

3. Fouling

La falta de presión adicional debida a la naturaleza del proceso y la tendencia a un flujo de agua bajo condicionan el ensuciamiento de las membranas de OD.

Como podemos ver en la imagen inferior, tenemos cuatro tipos de fouling de los cuales el biofouling es el más abundante en tratamiento de aguas residuales debido a la presencia de microorganismos y las secreciones de polímeros extracelulares propios de las bacterias.

Imagen: Osmosis Directa. Estado
Actual y Perspectivas de Futuro
. Xavier Simon

La acumulación de agentes «foulantes» afecta a la cantidad (flujo del permeado) y a la calidad (concentración de la solución osmótica) del agua producida. Todo esto influye en el rendimiento de las membranas, reduciendo su permeabilidad, aumentando el consumo energético y costes de tratamiento, llegando a estropearlas de forma definitiva.

Detección y Limpieza

Una detección rápida del ensuciamiento de las membranas ayuda a una mayor durabilidad y a recuperar el rendimiento original de éstas. Determinar el potencial de ensuciamiento del agua a tratar puede ayudar a una mejor predicción del fouling, y esto se puede hacer en tiempo real o a posteriori, por ejemplo practicando una autopsia a la membrana para analizar qué tipo de ensuciamiento se ha producido.

Vías de detección de fouling. Fuente: Water Research

Para su limpieza se puede recurrir a métodos de tipo químico o físico. En el caso de utilizar productos químicos su elección dependerá del tipo de ensuciamiento, material del cual esté hecha la membrana y el tipo de agua de alimentación. En el caso de evitar el scaling tenemos varios agentes antiescalantes e inhibidores, además de que hay que tener en cuenta lavados periódicos con (ácidos, bases, oxidantes o agentes quelantes) para mantener a largo plazo el rendimiento de filtración. Un método adicional válido para la recuperación del flujo (hasta un 90%) es el air scouring juntamente con varios detergentes industriales.

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