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.

Inteligencia Artificial y Aguas Potables (y II)

La segunda parte de la charla con Hèctor Monclús sobre Inteligencia Artificial y aguas potables la llevamos a cabo en la ETAP de ATL en Abrera, donde profundizamos en el proyecto DrinkIA y la necesidad de la implicación de los usuarios en lo que se refiere a construir un buen modelo basado en la IA.

Para complementar la entrevista preparamos una breve introducción a la aplicación informática de DrinkIA explicada por el mismo Hèctor Monclús.

Y aquí la entrevista:

Inteligencia Artificial y Aguas Potables (I)

Hèctor Monclús en uno de los laboratorios de la UdG

Esta es la primera parte de la entrevista a Hèctor Monclús sobre aguas potables e Inteligencia Artificial, relacionada con el Proyecto DrinkIA y llevada a cabo en las instalaciones del LEQUIA, en la Universitat de Girona.

Espero que os guste!

El tratamiento de potabilización

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Vista aérea ETAP Sant Joan Despí. Fuente: Aigües de Barcelona

Cuando hablamos de agua apta para el consumo humano, según el RD 140/2003, como mínimo tiene que existir un proceso de desinfección entre la captación del agua cruda y el consumo en el hogar. Entre este mínimo y el proceso de potabilización empleado en ETAPs como las de Abrera o Sant Joan Despí hay una gama de grises dependiendo de las necesidades de potabilización, del agua en origen y la adecuación a la legislación vigente.

El agua cruda se puede captar como agua superficial o subterránea. En este sentido hay bastante diferencia entre una y otra puesto que la de origen subterráneo ya ha superado un pretratamiento de filtración natural. En cambio la superficial (río, lago, pantano, etc.) puede tener un cierto grado de turbidez que haga necesaria la filtración mediante tecnología humana.

El proceso convencional de potabilización suele tener las siguientes fases:

  • CAPTACIÓN y DESBASTE
  • DOSIFICACIÓN DE REACTIVOS
  • DECANTACIÓN
  • FILTRACIÓN
  • DESINFECCIÓN FINAL

1. CAPTACIÓN Y DESBASTE

Es el proceso de extraer el agua cruda de un punto concreto, como hemos dicho antes esta puede ser de origen subterráneo (acuíferos), superficial (ríos, embalses, lagos, etc.) o incluso marino, a pesar de que este último ya formaría parte de un tratamiento más avanzado, la desalinización.

El desbaste es la eliminación de sólidos gruesos o arenas que lleva el agua. Este proceso es necesario para mantener el rendimiento global de la potabilización, evitando colmataciones en filtros posteriores.

2. DOSIFICACIÓN DE REACTIVOS-DESINFECCIÓN INICIAL

En este paso se le añaden sales de aluminio al agua pretratada para que las partículas más pequeñas se aglutinen y sean eliminadas por vía de una decantación posterior. Este proceso se complementa con una etapa previa de cloración para desinfectar y oxidar los metales y materia orgánica.

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Jar Test para probar la eficacia de coagulantes y floculantes. Fuente: Aigües de Barcelona

3. DECANTACIÓN

Aquí se produce la sedimentación de las partículas previamente agregadas gracias a las sales de aluminio, dejando que el agua clarificada pase hacia el siguiente proceso.

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Decantador. Font: Aigües de Barcelona

4. FILTRACIÓN

Con el objetivo de eliminar practicamente la totalidad del resto de partículas, el agua se filtra mediante filtros de arena. Como complemento a esta filtración y con el objetivo de mejorar sus condiciones organolépticas, se puede dosificar ozono para después añadir una adsorción mediante carbón activo. Este último paso elimina los compuestos orgánicos y óxidos metálicos presentes en el agua.

ozonitzador
Ozonizador. Fuente: Aigües de Barcelona

Otro tipo de filtración avanzada, la ósmosis inversa, es una barrera total para virus y bacterias. Además, elimina los compuestos orgánicos e inorgánicos y reduce las sales a niveles casi inapreciables. La filtración por OI es más habitual en plantas desalinizadoras que en potabilizadoras.

5. DESINFECCIÓN FINAL

El agua es almacenada en espera de ser distribuida por la red, aquí se hace otra cloración si esta se encuentra por debajo de los niveles mínimos exigidos por ley.

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Estación de bombeo. Fuente: Aigües de Barcelona

Para finalizar, os dejo un resumen de todo el proceso en este video de Aguas de Valencia:

Agua potable y protección de la salud

 

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Imagen: XSIForum

La Diputación de Girona, de la mano de su organismo de salud pública DIPSALUT está impulsando un par de programas muy interesantes. El primero, denominado también Pt03, es el «Programa de apoyo a la gestión municipal directa de los abastecimientos de agua de consumo humano«. Este incide sobre todo en los municipios más pequeños de la província de Girona con el objetivo de conseguir un buen asesoramiento en el control de la calidad del agua potable servida a los hogares. Es una buena iniciativa puesto que a veces las características intrínsecas de estos municipios no permiten hacer un seguimiento óptimo.

Por otro lado, el Pt04 o «Programa de evaluación y control de la calidad del agua al grifo del consumidor» refuerza el control que tienen que hacer los municipios a sus redes internas a partir del Real decreto 140/2003 y del Plan de Vigilancia y Control Sanitario de las Aguas de Busot de Consumo de Cataluña. Es decir, se hace un seguimiento de la calidad de la red para prevenir la presencia superior a los límites que marca la ley de metales como por ejemplo el plomo, aluminio, etc. En este caso se hace un especial seguimiento en las escuelas y centros de jubilados, grupos de población especialmente vulnerables.

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Toma de muestra en el marco del programa Pt04. Imagen: Dipsalut

Estos programas marcan el asesoramiento de unos 70 municipios para el Pt03 y evaluan unos 170 para el Pt04. En definitiva, una buena herramienta para la protección de la salud y la formación en la correcta gestión de aguas de consumo humano.

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