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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Grupo ICRATech (II): reutilización de aguas con fines potables

Porque no nos deberíamos olvidar de la posibilidad de reutilizar agua para fines potables*

La economía circular, la estrategia de las 3R (reducción, reutilización, reciclado) y la industria 4.0 – estos son los axiomas que tanto les gusta proclamar actualmente a los políticos y a los líderes empresariales. Sin embargo, es importante destacar que la reutilización del agua es una realidad desde mucho antes que estos eslóganes se hayan hecho populares, y de hecho implementa todos los principios de la economía circular. 

La aceptación de la reutilización del agua para uso potable – o reutilización potable, derivado de la terminología anglosajona – ha aumentado considerablemente estos últimos años como una práctica que, correctamente gestionada, puede ser implementada de un modo seguro. En este breve artículo queremos revisar como los ejemplos aplicados recientemente a gran escala en todo el mundo, las iniciativas industriales y los avances científicos, muestran que la reutilización potable es una alternativa interesante a considerar en el portafolio de las actuaciones existentes para combatir la escasez del agua.

Diferencias conceptuales entre reutilización potable de facto, indirecta y directa. Imagen: Eden et al (2016), Potable reuse of water: A view from Arizona
https://wrrc.arizona.edu/sites/wrrc.arizona.edu/files/July-2016-IMPACT-Potable-AZ.pdf

Los beneficios obvios

Hay una serie de beneficios que no dejan lugar a duda cuando se debate sobre la reutilización de agua. Entre ellos, se reduce la cantidad de agua que se extrae y la que se vierte en el ciclo natural del agua. Esto puede ser beneficioso para mantener los caudales y la calidad aguas abajo de las grandes ciudades en cuencas que sufren problemas de escasez. También disminuye la presión aguas arriba sustituyendo parte de la extracción necesaria para abastecer la población. Al contrario que con otras fuentes alternativas de agua como la de escorrentía de lluvia (de suelos o de tejados), el efluente de una Estación Depuradora de Aguas Residuales (EDAR) tiene una menor variabilidad de cantidad y calidad, lo que supone una gran ventaja en la planificación y diseño de las infraestructuras. Finalmente, la reutilización potable requiere una demanda energética por metro cúbico de agua producido del orden de entre una tercera y cuarta parte respecto al consumo energético de la desalinización de agua de mar, otra fuente alternativa de recursos hídricos en zonas costeras.

Cabe destacar también que críticos de la reutilización potable argumentan que es mejor centrarse en la reutilización para riego en la agricultura. Lo cierto es que estas zonas que demandan un uso intensivo del agua suelen estar lejos del punto donde se genera el agua regenerada en las grandes ciudades, por lo que los costes de construcción de las infraestructuras necesarias para transportar el agua, unidos al requerimiento energético del bombeo, penalizan el interés económico de dicha opción cuando el sector agrícola se centra en productos con un limitado retorno de la inversión.

¿Es seguro?

Los ciudadanos se preguntan, con razón, si es seguro beber agua regenerada. Por otro lado, los políticos y responsables de la toma de decisiones, aunque acepten la viabilidad técnica y el poco riesgo para la salud pública, pueden tener dudas comprensibles respecto a la aceptación pública general y a su capacidad de generar confianza entre la población respecto al concepto de beber agua regenerada.

El primer comentario al respecto es que si estamos dispuestos a mirar lo suficientemente lejos, como por ejemplo a los Estados Unidos, Singapur, o Australia, podemos confirmar con toda confianza que se ha acumulado una gran cantidad de evidencias y experiencia a gran escala en aplicaciones de esquemas de tratamiento de aguas residuales para reutilización potable. Desde el punto de vista de calidad y seguridad del agua servida, estas instalaciones han estado suministrando agua en continuo de una gran calidad, en algunos casos desde décadas. De hecho, la ciencia ha demostrado repetidamente que la reutilización potable planificada en la que se aplican esquemas de tratamiento avanzado suministra un agua de mayor calidad que la práctica habitual de muchas Estaciones de Tratamiento de Aguas Potables (ETAP) convencionales que captan el agua superficial de un rio aguas abajo de una gran ciudad que ha vertido sus aguas residuales tratadas. Este esquema, conocido con el nombre de reutilización de facto para potabilización, es habitual en la mayoría de los ríos europeos como el Rin, el Támesis, o el Danubio o también localmente en el Río Llobregat por dar algunos ejemplos. 

Desarrollo en reutilización de aguas

Vamos a estudiar con mayor profundidad las herramientas disponibles para asegurar la reutilización segura para potabilización directa y los avances realizados durante estas últimas décadas.

Para empezar, varias tecnologías utilizadas en los esquemas de tratamiento como la ósmosis inversa o la oxidación avanzada han alcanzado un elevadísimo grado de madurez. Dichos avances han penetrado en el sector del agua a través de todo el proceso de producción, tanto en los procesos de ensamblaje de los módulos de membranas de ósmosis inversa, como en los protocolos de mantenimiento empleados en las estaciones de tratamiento avanzado de aguas residuales. Así mismo, nuestro conocimiento de las tecnologías más convencionales como la ozonización, la adsorción en carbón activo o el simple uso de reactivos químicos para la desinfección, también ha aumentado considerablemente durante estos últimos años. Al mismo tiempo, vemos en un horizonte cercano la irrupción de tecnologías innovadoras como los sistemas integrados de membranas con nuevos materiales, nuevos procesos de oxidación avanzada, o las tecnologías de tratamiento electroquímicos, que pronto se incluirán en el amplio repertorio de herramientas disponibles para potenciar la reutilización de agua.

Nuestro conocimiento respecto a los contaminantes y a la química del agua también ha aumentado. Ya cada vez se producen menos sorpresas desagradables de compuestos que se creían que eran benignos y posteriormente se identificó su potencial peligro, como por ejemplo pasó con las sustancias perfluorinadas. Estos ejemplos nos han puesto sobre aviso, y demuestran la necesidad de permanecer alerta sobre la amenaza potencial de cualquier compuesto desconocido, aunque es indudable el progreso llevado a cabo en estos últimos años.

En la actualidad, se han desarrollado y popularizado potentes métodos numéricos de computación que, entre otras aplicaciones, permiten generar de un modo más rápido y económico datos simulados que reproducen el comportamiento experimental. Existe una amplia variabilidad de aplicaciones de estos métodos computacionales, de los cuales tan solo unos pocos de describen a continuación: un ejemplo sería el establecimiento de relaciones cuantitativas entre la estructura y la actividad (QSAR) para simular y predecir el comportamiento de contaminantes conocidos y desconocidos basados en propiedades moleculares, reales o inventadas, en procesos de tratamiento que permiten cubrir cualquier eventualidad posible. El desarrollo de procesos asistidos con diseño de fluidos computacional facilita el diseño del tratamiento biológico de aguas residuales o los fotorreactores que aplican radiación ultravioleta para la destrucción de contaminantes, entre otros. También podemos simular largas series de datos de operación de años de una instalación de tratamiento para evaluar el impacto de fallos estocásticos de equipos u otros accidentes mediante simulaciones de Monte Carlo en el riesgo de calidad del agua. El aprendizaje automático para aprender de experiencias en la operación de procesos empieza a ser una realidad en la industria en general, y también en el sector de la reutilización de agua. 

A modo de resumen, sabemos que un tren de tratamiento avanzado, correctamente diseñado y operado, es capaz de controlar adecuadamente el riesgo de calidad del agua. También existe buenas guías de gestión del riesgo, basada en el método de Evaluación de Riesgos y Puntos Críticos de Control (Hazard Assessment and Critical Control Point, HACCP), desarrollado inicialmente en la industria alimentaria. Específicamente, la industria del agua ha puesto especial énfasis en la identificación y desarrollo de sensores que garantizan el correcto funcionamiento de las barreras individuales en los trenes de tratamiento, necesario para la implementación del concepto de control de puntos críticos.

El éxito de los casos de estudio disponibles a nivel internacional no se debería analizar solamente desde un punto de vista técnico de la calidad del agua. Estos casos también nos enseñan como se puede comunicar efectivamente a los ciudadanos, cual es el papel que juega la educación, y muchos otros aspectos relevantes para su aceptación social. De hecho, también podemos aprender de esos casos en que los proyectos de reutilización potable no fueron implementados debido a la oposición ejercida por los ciudadanos, al poco compromiso político, o a otras razones de mayor complejidad.

Volviendo finalmente a la cuestión sobre la seguridad de la reutilización potable: no estamos diciendo “despreocúpate o relájate” – tan solo estamos evidenciando que se dispone de multitud de herramientas que nos pueden hacer sentir más confiados, y que el riesgo de fallo o accidente es muy bajo si estas herramientas se utilizan de un modo eficiente y consciente. 

¿Es eficiente? ¿Y viable económicamente?

Entonces, si has leído hasta este punto, probablemente te estés preguntando la siguiente cuestión fundamental: ¿Cuánto cuesta y cuál es la eficiencia de la potabilización directa del agua?

Déjanos responder de un modo evasivo en primer lugar haciéndote un par de preguntas: ¿Cuál sería un precio justo para el agua potable? ¿Estás dispuesto a gastar más dinero para pagar la factura de tu teléfono móvil o para disponer de agua corriente potable de máxima calidad en tu grifo a todas horas? 

Membranas de Osmosis Inversa del sistema de inyección al subsuelo de agua regenerada de Orange County, California, USA.https://www.ocwd.com/gwrs/the-process/

Respondiendo de un modo más directo a la pregunta, es evidente que el coste y el requerimiento energético para potabilizar este recurso hídrico alternativo (el agua residual) es significativamente mayor que el necesario para potabilizar agua superficial prístina. Pero entonces, de nuevo, comparado con otras fuentes alternativas de agua que a veces parecen más factibles, como el agua de lluvia, la confianza es mayor y el coste puede ser inferior. El sistema de tratamiento avanzado más completo, que incluye prefiltración con membranas de baja presión, filtración de ósmosis inversa, y posterior oxidación o por lo menos desinfección puede ser operado con un requerimiento energético menor a 1 kWh/m3. Existen otros trenes de tratamiento, de menor coste energético, que incluyen ozono y biofiltración, cuyo estadio de desarrollo parece indicar que serán adecuados y sostenibles para la potabilización directa segura. En cualquier caso, la potabilización directa requiere menor energía que la desalación del agua de mar, ETAPs que requieren bombeo y distribución del agua producida a grandes distancias, y que muchos sistemas descentralizados, cuya desfavorable economía de escala suele implicar grandes consumos energéticos debido a la baja eficiencia de los pequeños equipos. Además, el régimen de operación en discontinuo de los sistemas descentralizados suele afectar negativamente en los costes de inversión respecto a los sistemas centralizados bien planificados que operan en un régimen en continuo 7/24.

¿Hay otros beneficios?

Hasta el momento hemos hablado ampliamente de los aparentes beneficios sobre la cantidad del recurso hídrico, sobre la calidad y la seguridad, y un poco sobre costes y consumos energéticos. Pero, quizás, aunque más escondidos e indirectos, pueden existir otros beneficios y oportunidades.

En el siglo XXI y en el contexto de la economía circular, solemos proclamar la transición de nuestras EDAR convencionales en fábricas de recuperación de recursos. Tradicionalmente, la operación del tratamiento de aguas residuales se ha centrado en la oportunidad para recuperar energía a través de generar metano en procesos anaeróbicos además de nutrientes a través de precipitación de estruvita u otras tecnologías. Al mismo tiempo la eliminación de nutrientes puede ayudar a la operación de muchas tecnologías avanzadas de tratamiento de aguas (por ejemplo, en el control del ensuciamiento por fosfato cálcico en la filtración por ósmosis inversa). Parece pues que existen oportunidades para desarrollar sinergias entre la recuperación de los nutrientes y del agua. Del mismo modo, se puede pensar como la recuperación de la energía se conecta con la recuperación de nutrientes y agua. Y ¿Quién sabe? Quizás en el futuro la recuperación de metales del agua residual será viable y económicamente rentable, especialmente del rechazo de la ósmosis inversa y de otras corrientes concentradas.

Finalmente, las EDARs siempre han sido considerados como una fuente de contaminación antropogénica en el ciclo natural del agua, aportando nutrientes y otros compuestos químicos orgánicos e inorgánicos. Actualmente, que nos regimos por el principio reconocido de que el contamina paga (tal y como dictamina la Directiva Marco del Agua), los beneficios de la reutilización del agua pueden proporcionar una gran oportunidad para disminuir el impacto y la presión ambiental de las grandes ciudades. Especialmente, una de las principales amenazas de la descarga del agua residual tratada se relaciona con la propagación de los genes de resistencia a los antibióticos. En este contexto, el tratamiento avanzado de los efluentes secundarios puede convertirse en un requerimiento, más que en una simple opción.

Agua residual, efluente de salida de EDAR y agua purificada ya apta para su reutilización. Fuente: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=45828357

El papel de la ciencia

Como nota final, nos gustaría proponer una lista de tareas a las que podemos contribuir como científicos, sin la pretensión de que la lista sea exhaustiva ni completa.

En primer lugar, pese a la disponibilidad de diversas operaciones unitarias suficientemente maduras, no deberíamos cesar el desarrollo de nuevas tecnologías y estrategias de tratamiento. Esto incluye la integración de soluciones de tratamientos basados en la naturaleza y control de contaminación en el origen.

En el contexto de un ciclo urbano del agua cada vez más complejo que conecta sistemas centralizados y descentralizados para optimizar su rendimiento desde un punto de vista económico, social y ambiental, necesitaremos soluciones para disponer de distintos tipos y calidades del agua. Tal y como se ha comentado con anterioridad, debemos contribuir explorando y desarrollando soluciones creativas y sinergias potenciales en un ciclo del agua con múltiples conexiones que se rijan por los paradigmas de la economía circular. 

En segundo lugar, todavía existen cuestiones no resueltas por lo que respecta al impacto de la descarga del agua residual y las oportunidades de tratamiento avanzadas para mitigar dichos efectos y potenciar, a su vez, los beneficios de la reutilización. Algunas de estas dudas están relacionadas con las principales amenazas del siglo XXI, como la resistencia a los antibióticos.

Finalmente, por lo que respecta a la comunicación y difusión de las soluciones para la sociedad, debemos implicarnos en el debate generado y actuar como embajadores del conocimiento.

En el Instituto Catalán de Investigación del Agua (ICRA) disponemos de expertos relacionados con muchos de los aspectos de la reutilización potable; ingenieros que trabajan en tecnologías de tratamiento, químicos que analizan los riesgos relacionados con los contaminantes emergentes y los subproductos de desinfección, y microbiólogos que investigan los mecanismos de transferencia de los genes de la resistencia a los antibióticos. Como científicos que somos, estamos comprometidos con el desarrollo positivo de la sociedad, y, por ello, mantenemos las puertas abiertas para hablar y discutir con todos ustedes respecto a este tema y a otros relacionados con el agua.

*Documento escrito por Wolfgang Gernjak con la colaboración de Joaquim Comas, Ignasi Rodríguez-Roda y María José Farré, investigadores del grupo ICRAtech en el Institut Català de Recerca de l’Aigua (ICRA).

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).

CODA

Este artículo sirve de introducción al próximo Workshop organizado por el ICRA sobre Reutilización de aguas con fines potables que tendrá lugar el próximo 4 de octubre de 2019 de las 10h a las 15h. + INFO AQUÍ.

Grupo ICRAtech (I): Economía Circular y NBS

Fuente: HYDROUSA

Soluciones Basadas en la Naturaleza para Ciudades Circulares*

Hablar de soluciones inspiradas en la naturaleza (o nature-based solutions, NBS) y de economía circular se ha puesto de moda, pero… ¿por qué son tan importantes? ¿qué tienen en común? Y, sobre todo, ¿cuál es la visión de ICRAtech en economía circular y NBS?

Los términos son relativamente nuevos, aunque engloban conceptos habituales en el campo medioambiental como el reciclado, la reutilización, la reducción (de residuos), los servicios ecosistémicos, las infraestructuras verdes y azules, y otros tantos nombres que se han utilizado para describir y optimizar las interacciones entre la economía y el medio ambiente.

Aunque el concepto de economía circular abarca muchos otros aspectos, también ha sido adoptado con fuerza por el sector del agua, especialmente en España, donde encontramos una multitud de aplicaciones encaminadas a la reutilización del agua. David Sedlack lo bautizó con el nombre de Agua 4.01, proclamando que la cuarta revolución está en camino. Entendemos que esta revolución incluye la potabilización directa e indirecta, la optimización energética del ciclo urbano del agua (ahorro o producción de energía o uso de energías renovables) y, poco a poco, debe incorporar tecnologías innovadoras que ya han demostrado la viabilidad técnica del proceso de recuperación de nutrientes u otros compuestos de valor añadido, aunque el número de implementaciones a escala real es todavía bastante limitado.

Las ciudades, que ya concentran la mayor parte de la población mundial (72% en Europa), con los consecuentes efectos sobre el medio ambiente y el bienestar de la gente, han aprovechado el concepto para definir (¿o vender?) una estrategia integral de gestión y producción, basada en la economía circular, que facilite la transición a ciudades más circulares, con un flujo cerrado de materiales, con sistemas de producción y diseño circulares, y modelos empresariales nuevos de colaboración entre sectores.

Sin embargo, nuestra visión de la economía circular es mucho más ambiciosa, y creemos que todavía debe ir más allá para mejorar la gestión urbana del agua y aumentar la resiliencia de las ciudades, especialmente para abordar los retos que nos plantea el cambio climático. En este sentido, existen evidencias de que las NBS puedenfacilitar esta transición hacia la economía circular, no tan solo permitiendo una gestión más sostenible de la cantidad y calidad de agua, sino sobretodo por los beneficios o servicios ecosistémicos adicionales que proporcionan. Las evidencias de estos beneficios parecen clarasaunque de momento son limitadas y aisladas.

¿Pero qué son las NBS? Son actuaciones para proteger, administrar de manera sostenible y restaurar ecosistemas naturales o modificados, abordando al mismo tiempo de forma efectiva los retos de la sociedad actual y proporcionando beneficios para el bienestar humano y la biodiversidad (IUCN, 20162). La construcción de pavimentos permeables para disminuir el riesgo de inundaciones o de techos verdes para mejorar la biodiversidad en ciudades son dos ejemplos de NBS.

Entre los retos actuales y emergentes que pueden abordarse con NBS, queremos destacar la necesidad de producir alimentos en ciudades de una forma más sostenible, y esto pasa por recuperar y reutilizar al máximo los recursos del agua y de los residuos para producir alimentos de proximidad, reduciendo la explotación de recursos naturales y la huella ecológica de los alimentos. De hecho, la agricultura urbana para la producción de alimentos cada vez es más habitual, aunque para que sea realmente sostenible debería utilizar agua regenerada y nutrientes o fertilizantes recuperados de las aguas residuales o grises (p.e. biochar, algas o lodos de depuradoras), o subproductos granulares como sustrato filtrante.

Figura 1. Mapa mental desarrollado por ICRAtech durante un seminario colaborativo.

La producción de alimentos con recursos locales mediante huertos urbanos debe complementarse con una mayor implementación de techos y paredes verdes y otros tipos de soluciones basadas en la naturaleza. Estas, además de reutilizar el agua, proporcionan otros impactos positivos adicionales, tanto desde un punto de vista ambiental (por ejemplo aumento del espacio verde por habitante, aislamiento térmico, mejora de la calidad aire, aumento de la biodiversidad o prevención de inundaciones), como económico (comercialización de productos locales, creación de puestos de trabajo «verdes» o de microempresas), y social (regeneración de zonas urbanas degradadas o abandonadas, integración de población vulnerable y en riesgo de exclusión, y formación). De esta forma, la producción local de alimentos permite abordar simultáneamente los grandes retos que nos plantea el cambio climático y la concentración de población en ciudades.

Sin embargo, existen todavía lagunas de conocimiento en el diseño, implementación, operación y mantenimiento de NBS que limitan o dificultan su aplicación. Entre ellas, ICRAtech identifica los siguientes puntos como prioritarios (ver mapa conceptual en Figura 1):

  • Herramientas para facilitar el diseño, la implementación y evaluar la efectividad de las NBS.
  • Profundizar en el conocimiento de los mecanismos básicos de funcionamiento de estos sistemas para garantizar, por ejemplo, que no existen problemas de seguridad en caso de producción de alimentos.
  • Considerar las NBS como parte de un enfoque sistémico de la gestión del agua en ciudades (junto con los flujos de energía, comida y información).
  • Aspectos sociales: ¿cómo involucrar a las partes interesadas en el co-diseño de las NBS para asegurar múltiples beneficios sociales en diferentes comunidades?, ¿Cómo comunicar ejemplos positivos y negativos de NBS ?, ¿Cómo crear una mejor conciencia y comprensión de las NBS en las poblaciones locales?
  • Criterios e indicadores para monitorizar, evaluar y controlar la efectividad de las NBS, especialmente para cuantificar los costes y beneficios de las NBS.
Figura 2. Seminario sobre soluciones inspiradas en la naturaleza en ICRA.

Una adecuada selección de indicadores (EKLIPSE, 20173) nos permitirá evaluar no tan solo el funcionamiento de las NBS para la producción de alimentos y el tratamiento del agua, sino también cuantificar los beneficios o servicios ecosistémicos adicionales que proporcionan: reducir el estrés, fomentar la actividad física, reducir la escorrentía de aguas en superficie, mejorar la cohesión social, el bienestar y la salud humana, aumentar el sentimiento de pertenencia a un barrio o comunidad, proporcionar hábitats para la vida silvestre, regular la temperatura, reducir los niveles de ruido y polvo, producir oxígeno o reducir el dióxido de carbono. 

Creemos pues que las NBS son un elemento clave para fomentar ciudades circulares y hacerlas más resilientes frente a posibles problemas ambientales, económicos o sociales. Por ello ICRA participa activamente en 5 proyectos de investigación e innovación europeos (HYDROUSA, EdiCitNet), nacionales (CLEaN-TOUR http://clean-tour.000webhostapp.com/), la acción COST Circular City (https://circular-city.eu/) y la red SANNAT (https://snappartnership.net/teams/water-sanitation-and-nature/) donde realiza tareas de investigación relacionadas con las cuestiones anteriores. 

Entre estos proyectos, HYDROUSA ofrecerá soluciones innovadoras basadas en la naturaleza para la gestión del agua en islas y zonas costeras del Mediterráneo para el tratamiento de las aguas residuales y la recuperación de nutrientes, suministrando agua dulce a partir de fuentes de agua no convencionales. Las soluciones se demostrarán en 3 islas de Grecia y 25 ubicaciones adicionales serán evaluadas con detalle(www.hydrousa.org).EdiCitNet, por otro lado, desarrollará una red de ciudades que apuesten por una gestión del agua, los nutrientes y los residuos intersectorial y orientada a la reutilización, mediante la implementación de Edible City Solutions, es decir, de soluciones basadas en la naturaleza para la producción de alimentos (https://platform.think-nature.eu/content/edicitnet). En CLEaN-TOUR se desarrollarán tecnologías y herramientas para facilitar la reutilización de agua en ciudades turísticas. Finalmente, Circular City y SANNAT son dos redes internacionales que promueven el uso de NBS para potenciar ciudades circulares y para alcanzar el objetivo de desarrollo sostenible número 6, respectivamente. 

La recuperación y reutilización de recursos del agua residual y los residuos, la producción de alimentos, y el aumento de la resiliencia de las ciudades y sus ciudadanos, tendrá efectos muy beneficiosos para el medio ambiente, pero sobre todo por el bienestar social y la salud humana. Así, sociedades más resilientes y saludables, esperemos que puedan ser también más felices.

*Documento escrito por Joaquim Comas y Gianluigi Buttiglieri, investigadores del grupo ICRAtech en el Institut Català de Recerca de l’Aigua (ICRA).

1David L. Sedlack (Water 4.0, Yale Univ. Press, 2014)

2The International Union for Conservation of Nature IUCN, 2016, WCC-2016-Res-069

3An EKLIPSE Expert Working Group report. (2017) An impact evaluation framework to support planning and evaluation of nature-based solutions projects. www.eklipse-mechanism.eu

RECONOCIMIENTOS:

  • Los autores quieren agradecer el apoyo del Departament d’Economia y Coneixement del Gobierno catalán a través del Grupo de Investigación Consolidado (ICRA-TECNOLOGÍA – 2017 SGR 1318)
  • HYDROUSA y EdiCitNet: estos proyectos han recibido financiación del Programa de Investigación e Innovación Horizon 2020 de la Unión Europea, con la concesión de las subvenciones No 776643 y No 776665.
  • CLEaN-TOUR: Este proyecto ha recibido financiación del Ministerio de Economía y Competitividad del Gobierno de España (CTM2017-85385-C2-1-R).
  • Circular City: COST ACTION CA17133 – Implementando soluciones basadas en la naturaleza para crear una ciudad circular ingeniosa.
  • SANNAT: saneamiento y naturaleza. SNAPP Grupo de Trabajo

Forward Osmosis (II): Proceso

Fuente: TECNOAQUA

En el proceso de Forward Osmosis (FO) o también llamada Ósmosis Directa se utiliza el gradiente de presión osmótica entre una solución muy concentrada (extractora o draw solution) y otra más diluida (de alimentación o feed solution) para conseguir la difusión del agua desde un lado a otro de la membrana semipermeable que las separa. En definitiva, la diferencia de potencial químico es la que hace funcionar este proceso en vez de la diferencia de presión física que actúa en la ósmosis inversa.

Fuente: TECNOAQUA

Aunque ya hace años que se escribe sobre la ósmosis directa, no ha sido hasta este siglo XXI donde esta tecnología ha pasado del laboratorio a ser una realidad palpable. Su interés ha ido creciendo de forma significativa desde 2005 hasta 2012, año en el cual se puso en marcha la primera planta desalinizadora de FO del mundo, en Omán (200 m3/día).

Por otro lado, las posibles ventajas de su aplicación en el tratamiento de aguas complejas sobre las tecnologías actuales serían:

  • Debido a la ausencia de las altas presiones hidráulicas que sí existen en la OI, el gasto energético es mucho menor y los materiales usados no necesitan ser tan resistentes.
  • Mayor flexibilidad y aplicabilidad debido a la baja propensión al fouling así como una mayor facilidad de limpieza derivada de ésta.
  • Se puede usar como tecnología extractora de agua, muy útil para una posterior digestión anaerobia de aguas residuales convencionales.
  • Puede tratar aguas mucho más salinas (con una presión superior a 80 bar) que la OI .

La FO puede diseñarse para tratar un amplio grupo de aguas complejas como por ejemplo las de la industria téxtil, las aguas provenientes de la producción de petróleo y gas, las ricas en nutrientes o los lixiviados de vertedero, pasando por las aguas residuales de la industria nuclear. 

Proceso

Para que el proceso se lleve a cabo, es vital la existencia de la membrana semipermeable. Ésta se instala en un módulo o celda de filtración que permite la entrada y salida tanto de la solución extractora como de la de alimentación. Las celdas suelen tener una configuración de tipo sandwich y la circulación de las soluciones se produce a contracorriente.

Fuente: TECNOAQUA

La cuantificación del agua que atraviesa la membrana se lleva acabo mediante una balanza donde, a medida que avanza el proceso de ósmosis directa, la solución extractora va aumentando de peso. De forma inversa, la solución de alimentación va disminuyendo el suyo paulatinamente.

A pequeña escala el proceso se opera en modo discontínuo y circuito cerrado, donde poco a poco la solución extractora se va diluyendo y la de alimentación concentrando. En mayores dimensiones esta tecnología funciona en contínuo, por lo que la regeneración de la solución extractora se convierte en un factor crítico para una operación óptima del proceso.

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Forward Osmosis (I): Introducción

Bosque de manglares. Fuente: Mangrove Forests

Imaginad 2 líquidos de distinta concentración separados por una membrana donde sólo el agua puede atravesarla. Por un fenómeno llamado difusión las moléculas de agua pasarán del líquido menos concentrado al más concentrado, produciéndose una dilución de esta último. Al final del proceso tendremos las dos soluciones con la misma concentración, este proceso que se produce de forma espontánea en la naturaleza se llama ósmosis, y la tecnología basada en ella Ósmosis Directa (OD) o Forward Osmosis (FO).

La FO es una tecnología de membrana relativamente nueva la cual no necesita ninguna presión externa para llevarse a cabo, lo que se traduce en un proceso de bajo consumo energético. Esta característica la convierte en una alternativa muy interesante comparada con otros tratamientos de membrana presurizados.

La presión que se ejerce en el caso de la FO es la presión osmótica. En el esquema siguiente vemos como gracias al gradiente de presión osmótica las moléculas de agua pasan a través de la membrana para equilibrar la concentración a cada lado de ésta:

Evolución de un sistema basado en la Forward Osmosis. Fuente: Forward Osmosis Tech

Proceso

La FO es una tecnología que puede tratar 2 líquidos al mismo tiempo, el más concentrado y con presión osmótica más elevada (Draw solution) se irá diluyendo paulatinamente a medida que el más diluido y con menor presión osmótica (Feed solution) recorre el camino inverso:

Esquema de funcionamiento de la FO. Fuente: Membranes Journal

Esta peculiaridad abre un abanico de posibilidades no sólo en la desalinización y depuración de aguas sino también por lo que respecta a la gestión y tratamiento de efluentes industriales. Al no necesitar una presión externa para hacer funcionar el proceso, la FO destaca sobretodo por su bajo consumo energético, derivando en unos menores costes de limpieza por fouling debido a la ausencia de compresión. Si a todo esto le añadimos el poder tratar dos efluentes distintos en un solo paso tenemos una tecnología de aplicación sumamente prometedora. 

Potencial

Para terminar con este primer post de introducción (habrá más relacionados con ejemplos de feeddraw solutions, tipos de membranas, estudios piloto y aplicaciones a escala industrial) a la Forward Omosis, hay que destacar que durante estos últimos diez años ha habido un crecimiento exponencial en el número de publicaciones científicas, por lo que demuestra el interés de la comunidad científica y el potencial de aplicación a escala real:

Fuente: Membranes Journal

Bibliografía

· Forward Osmosis Application in Manufacturing Industries: A Short Review. Anita Haupt and André Lerch. Membranes Journal. 23 July 2018.

· ForwardOsmosisTech’s forward osmosis guide (eBook).

· Forward Osmosis Tech (web)