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.

Y hasta aquí las bases que fundamentan el proceso de la FO, en el siguiente post me voy a centrar en las membranas y los diferentes factores que impactan en el proceso de ósmosis directa como son los materiales, los tipos de soluciones extractoras, las condiciones óptimas para la operación y el fouling. 

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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)

Introducción a las membranas (y V): AnMBR para riego

AnMBR
Esquema de tecnología AnMBR. Scientific Research Publishing

Para cerrar esta serie sobre membranas os presento una aplicación muy interesante. En el número de Mayo/Junio de la revista RETEMA hay un artículo sobre reutilización de agua para riego mediante membranas. Concretamente, el uso de la tecnología AnMBR permite aprovechar tres tipos de recursos: el agua, el biogás y los nutrientes. Voy a explicarlo.

La tecnología AnMBR, una evolución de la MBR, es la aplicación de tecnología de membranas en reactores de tipo anaerobio. Esta configuración es energéticamente más eficiente, ya que la ausencia de oxígeno permite un consumo mucho menor que en la tecnología de lodos activos. Además, del mismo proceso anaerobio se genera biogás mediante las comunidades bacterianas presentes en el biorreactor, una mezcla de gas metano, dióxido de carbono y sulfuro de hidrógeno. Finalmente, los microorganismos que llevan a cabo las reacciones anaerobias en el reactor no son capaces de oxidar ni los compuestos nitrogenados ni los fosforilados. Esto último que sería una desventaja en comparación con otros sistemas que sí eliminan nutrientes se convierte en una oportunidad. El agua depurada resultante, al estar enriquecida con nitrógeno y fósforo puede ser utilizada para riego de cultivos.

AnMBR Comparativa
RETEMA

Aprovechando la importancia que la Comisión Europea da a la economía circular, esta tecnología toma una dimensión muy interesante para afrontar los retos planteados:

  • Evitamos el consumo de agua potable para regadío sustituyéndola por agua regenerada proveniente de aguas residuales urbanas.
  • Reducimos el consumo de fertilizantes aprovechando el enriquecimiento en nutrientes de este agua alternativa.
  • Utilizamos el biogás para el autoconsumo de las instalaciones, avanzando hacia la sostenibilidad económica y energética.

Viendo esta gráfica, queda claro que almenos en España la tecnología AnMBR tiene un gran potencial:

Gràfic consums d'aigua
RETEMA

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