Water reuse: How safe is it?*

Image: SPCR

*Article written by the Young Water Researchers of the T&A area of the Catalan Institute for Water Research (ICRA). Spanish Version at the end of this article.

INTRODUCTION 

The capacity to ensure clean and affordable water is becoming one of the most significant global challenges of our century [1]. Global water demand is expected to increase with a rate of 1% per year until 2050, accounting for an increase of 20–30% above the current level of water use [1]. In combination with current water scarcity caused by climate change, the possibility of reusing water is not merely an option but a necessity [2].

SPAIN: EXAMPLES OF WATER REUSE

The Mediterranean region regularly suffers from severe water supply and demand imbalance, especially during the hottest season period. During the summertime, many Mediterranean countries become a holiday destination for tourists from all over the world. While this might be good for the local economy, water deficiency is often pushed to the extreme as a result of this intensive touristic activity.

The amount of water used by one single hotel at full capacity is enormous. Just imagine, all the showers and laundries that can be done in a single day.

However, the water reuse approach can turn the problem of how to treat an increased amount of polluted water into a benefit. Greywater collected from touristic locations can serve as a significant water and nutrient source while reducing the energy required for treatment.

An example of on-site water reuse is the Clean-TOUR project, which explores the potential benefits of greywater reuse in Lloret de Mar, a popular tourist destination of Costa Brava. Greywater is, in fact, all the household generated wastewater that is considered clean since it excludes toilet water, and thus can be potentially reused. The CLEaN-TOUR project is reusing this type of water for toilet flushing and as a feed for hydroponic vegetable systems where plants like tomatoes can grow.

Another excellent example of reclaimed water reuse is in Pinedo wastewater plant (Valencia). There, nearly 78 hm3/year (equivalent to about 31,000 Olympic swimming pools) of recycled water is used for crop irrigation alongside the environmental restoration of the Albufeira natural park. An additional benefit of the use of reclaimed waters in agriculture is the lower fertilizer consumption because nutrients involved in these waters can be leveraged by the terrain [1].

While the potential benefit of reusing water is something to pursue, the reused water must be safe both in terms of the environment side and our health.

A study showed that people who consumed crops irrigated with reclaimed wastewater were found to have higher blood levels of a pharmaceutical that they never consumed when compared to people eating crops irrigated with freshwater.

This pharmaceutical got into their food through the wastewater-soil-crop continuum. While the levels of this pharmaceutical were much lower than the therapeutic dose (theoretically safe), it does push the point that we need to understand the implications of wastewater reuse better and if the higher costs of treating water to higher standards is justified. 

WHAT

Pharmaceuticals like the ones found in crop products are just one type of a larger class of contaminants, just recently discovered. The emerging contaminants (ECs) also include personal care products, gasoline additives, plasticizers, nd other everyday life products. Only recently, the have been recognized as harmful substances [3].

WHY HARMFUL

ECs are persistent and recalcitrant towards water treatment technologies or natural attenuation, they tend to bioaccumulate in macroinvertebrates, other organisms in the aquatic food web, and humans (Stackelberg et al., 2007). As found by Reinert et al. (2012), they can end up in our drinking water sources. Furthermore, the impact of exposure to low-level of these contaminants over prolonged periods is a growing concern. For instance, persistent chemicals with long-term effects such as polychlorinated biphenyls (PCBs), perfluorinated alkylated substances (PFAS), and chlorofluorocarbons (CFCs), could cause cancer when their concentration is above a safety threshold.

HOW MUCH

Even if ECs are present at very low concentrations ranging from ng/L to µg/L (e.g., one ng/L is only one drop in one trillion drops of water), they may pose a risk to the environment or human health [4, 5]. 

Annually, about 300 million tons of synthetic compounds from industrial and consumer products, 140 million tons of fertilizers, and several million tons of pesticides are consumed and partially find their way into natural waters [6].

HOW TO MEASURE

Recent advances in analytical techniques have led to the detection of many ECs that ended up in drinking waters [7].

Since the analytical methods are evolving, a huge number of substances can now be detected in the water, even in trace quantities. It is crucial to investigate the effects of these new substances and their metabolites on health and the environment, especially under the scope of water reuse. In 2005, the European Commission funded the NORMAN project to promote a permanent network of reference laboratories and research centers, including academia, industry, standardization bodies, and NGOs. The NORMAN network notably targets to provided more transparent information and monitoring data on ECs and established an independent and competent technical/scientific debate on issues related to emerging substances. 

SOLUTIONS

One might wonder: but are there any solutions to remove these harmful pollutants to get safe drinking water?

The answer is YES.

Nevertheless, when it comes to water treatment, one must consider the quality of the water at the initial stage and the required quality after treatment, as dictated by its intended use. When treating domestic wastewater is concerned, the limitation, usually, is not a technological one, but rather an economical one.  

If we would just need to inactivate viruses, bacteria, and so on, the water purification process that most people would be familiar with is boiling. Now imagine a highly simplified case where one person is generating the typical quantity of wastewater (150 liters per day). If we boiled water, that would mean over €25 of energy consumption to let the water boil! Furthermore, although the process of heating water, while on the one hand, kill pathogens, on the other, it could be useless in terms of removing the ECs.  

Over the last decades, chlorination has been the go-to treatment for disinfection. However, while chlorination allows us to get water free of pathogens, it does present some drawbacks. Some are harmless (e.g., the taste of chlorinated drinking water can ruin your tea), others, such as the generation of chlorinated by-products, are instead linked to bladder cancer, and it is ineffective against ECs.  

Other types of treatment are listed in the table with their positive and negative sides:

For example, both ozonation and especially photocatalysis are substantially more expensive than chlorination. This brings us back to what water quality is ultimately needed to justify the costs of its treatment.  

Otherwise, other kinds of low-cost treatments are considering electrochemical systems, hybrid systems coupling low-cost biological treatment with nanotechnology aimed at resource recovery (e.g., anaerobic digestion and recovery of nutrients and biogas) or nature-based solutions (NBS). An example of the latter one is the treatment wetland, which enables us to treat naturally polluted waters while promoting awareness on our environmental footprint. Also, NBS had already been implemented even in developing countries where the lack of financial investments poses a severe challenge on water treatment and sanitation.

What is required, however, is less easy to ascertain and is something that is still evolving as we find out more about the fate of pollutants in the environment.

WHAT IS THE CURRENT LEGISLATION

Just five countries in Europe (Cyprus, Greece, Italy, France, and Spain) have a specific legislation regarding water reuse, even if this should be an issue of concern in more countries. Precisely, in May 2020, the European Parliament published the regulation on minimum requirements for water reuse (EU 2020/741). This regulation contemplates water reuse mainly for agricultural purposes and lists a set of requirements to ensure the safe water reuse. It is important to point out that although ECs are not considered in this regulation, more research is needed to assess their presence and behavior under different treatment technologies in order to eliminate their presence in reused water.

CONCLUSIONS

The best way to ensure clean water is to prevent contaminating it.

Adopting a circular economy approach in product manufacturing can prevent the release of harmful pollutants at the source. Following the example of Nature’s cycles, we should start envisioning a more sustainable world to help us overcome water shortage. However, the current situation is still far from this ideal scenario.

Fortunately, with the proper technology, reclaimed water can be used in various applications, depending on its quality, from a source of drinking water to irrigation in agriculture. To ensure safe reclaimed water use, a well-defined framework should be put in place with regulations that are up to date and strictly imposed. At the same time, these regulations should stimulate and encourage water reuse.

Yes, technology and regulation can make water reuse safe. It is up to us to make water reuse our hero.

ACKNOWLEDGEMENT

The authors would like to thank the support of the Department of Economics and Knowledge of the Catalan Government through the Consolidated Research Group (ICRA-TECHNOLOGY – 2017 SGR 1318).

REFERENCES

[1] Jodar-Abellan A, López-Ortiz MI, Melgarejo-Moreno J. Wastewater treatment and water reuse in Spain. Current situation and perspectives. Water (Switzerland). 2019;11(8).  

[2] Qu X, Brame J, Li Q, Alvarez PJJ. Nanotechnology for a safe and sustainable water supply: Enabling integrated water treatment and reuse. Acc Chem Res. 2013;46(3):834–43.  

[3] Zwiener C, Frimmel FH. LC-MS analysis in the aquatic environment and in water treatment – A critical review: Part II: Applications for emerging contaminants and related pollutants, microorganisms and humic acids. Anal Bioanal Chem. 2004;378(4):862–74.

[4] Oliver J. Summary for Policymakers. In: Intergovernmental Panel on Climate Change, editor. Climate Change 2013 – The Physical Science Basis [Internet]. Cambridge: Cambridge University Press; 2019. p. 1–30. Available from: https://www.cambridge.org/core/product/identifier/CBO9781107415324A009/type/book_part

[5] Pal A, He Y, Jekel M, Reinhard M, Gin KYH. Emerging contaminants of public health significance as water quality indicator compounds in the urban water cycle. Environ Int [Internet]. 2014;71:46–62. Available from: http://dx.doi.org/10.1016/j.envint.2014.05.025.ç

[6] Anderson, B. S., Phillips, B. M., Hunt, J. W., Worcester, K.,Adams, M., Kapellas, N., & Tjeerdema, R. Evidence of pesticide impacts in the Santa Maria River watershed, California, USA.Environmental Toxicology and Chemistry. 2006;25:1160–1170.

[7] Hsion-Wen, D. K. and Xagoraraki, I. Contaminants Associated with Drinking Water. International Encyclopedia of Public Health (Second Edition);2017:148-158

REUTILIZACIÓN DEL AGUA: QUÉ TAN SEGURA ES?*

Imagen: SPCR

*Artículo escrito por los Young Water Researchers del área T&A del Institut Català de Investigación del Agua (ICRA)

INTRODUCCIÓN 
La capacidad de asegurar agua limpia y asequible se está convirtiendo en uno de los desafíos globales más importantes de nuestro siglo [1]. Se espera que la demanda mundial de agua aumente a un ritmo del 1% anual hasta el 2050, lo que supone un incremento del 20 al 30% por encima del nivel actual de uso del agua [1]. En combinación con la actual escasez de agua causada por el cambio climático, la posibilidad de reutilizar el agua no es sólo una opción sino una necesidad [2].
ESPAÑA: EJEMPLOS DE REUTILIZACIÓN DEL AGUA
La región del Mediterráneo sufre regularmente un grave desequilibrio entre la oferta y la demanda de agua, especialmente durante el período de la estación más cálida. Durante el verano, muchos países mediterráneos se convierten en un destino de vacaciones para los turistas de todo el mundo. Si bien esto puede ser bueno para la economía local, la deficiencia de agua suele ser llevada al extremo como resultado de esta intensa actividad turística.
La cantidad de agua utilizada por un solo hotel a plena capacidad es enorme. Imagínense, todas las duchas y lavanderías que se pueden llevar a cabo en un solo día.
Sin embargo, el enfoque de la reutilización del agua puede convertir el problema de cómo tratar una mayor cantidad de agua contaminada en un beneficio. Las aguas grises recogidas en lugares turísticos pueden servir como una fuente importante de agua y nutrientes, al tiempo que reducen la energía necesaria para el tratamiento.
Un ejemplo de reutilización del agua in situ es el proyecto Clean-TOUR, que explora los posibles beneficios de la reutilización de las aguas grises en Lloret de Mar, un popular destino turístico de la Costa Brava. Las aguas grises son, de hecho, todas las aguas residuales generadas en los hogares que se consideran limpias, ya que excluyen el agua de los inodoros, y por lo tanto pueden ser potencialmente reutilizadas. El proyecto CLEaN-TOUR está reutilizando este tipo de agua para las cisternas de los inodoros y como alimento para sistemas vegetales hidropónicos donde pueden crecer plantas como los tomates.
Otro excelente ejemplo de reutilización de agua recuperada es la planta de aguas residuales de Pinedo (Valencia). Allí, cerca de 78 hm3/año (equivalente a unas 31.000 piscinas olímpicas) de agua reciclada se utiliza para el riego de cultivos junto con la restauración ambiental del parque natural de la Albufera. Un beneficio adicional del uso de las aguas recicladas en la agricultura es el menor consumo de fertilizantes, ya que los nutrientes que intervienen en estas aguas pueden ser aprovechados por el terreno [1].
Si bien el beneficio potencial de la reutilización del agua es algo que hay que tener como objetivo principal, el agua reutilizada debe ser segura tanto en términos ambientales como de nuestra salud.
Un estudio demostró que las personas que consumían cultivos regados con aguas residuales recuperadas tenían niveles más altos de un fármaco que nunca habían consumido en comparación con las personas que consumían cultivos regados con agua dulce.
Este fármaco se introdujo en sus alimentos a través de la continuidad agua-suelo-cultivo. Aunque los niveles de este fármaco eran mucho más bajos que la dosis terapéutica (teóricamente segura), esto nos lleva al punto de que necesitamos entender mejor las implicaciones de la reutilización de las aguas residuales y si se justifican realmente los altos costos de tratar el agua a niveles más exigentes. 
QUÉ
Los productos farmacéuticos como los que se encuentran en los productos de cultivo son sólo un tipo de una clase más grande de contaminantes, recientemente descubiertos. Los contaminantes emergentes (EC) también incluyen productos de cuidado personal, aditivos de gasolina, plastificantes y otros productos para la vida diaria. Sólo recientemente han sido reconocidos como sustancias nocivas [3].

POR QUÉ SON DAÑINOS
Las EC son persistentes y recalcitrantes frente a las tecnologías de tratamiento del agua o la atenuación natural, tienden a bioacumularse en los macroinvertebrados, otros organismos de la red alimentaria acuática y los seres humanos (Stackelberg et al., 2007). Como han descubierto Reinert y otros (2012), pueden acabar en el agua potable. Además, el impacto de la exposición a bajos niveles de estos contaminantes durante períodos prolongados es una preocupación creciente. Por ejemplo, los productos químicos persistentes con efectos a largo plazo, como los bifenilos policlorados (PCB), las sustancias alquiladas perfluoradas (PFAS) y los clorofluorocarbonos (CFC), podrían causar cáncer cuando su concentración supera un umbral de seguridad.
CUANTO
Incluso si los CE están presentes en concentraciones muy bajas que van de ng/L a µg/L (por ejemplo, un ng/L es sólo una gota en un billón de gotas de agua), podrían suponer un riesgo para el medio ambiente o la salud humana [4, 5]. 
Anualmente se consumen unos 300 millones de toneladas de compuestos sintéticos de productos industriales y de consumo, 140 millones de toneladas de fertilizantes y varios millones de toneladas de plaguicidas, que en parte llegan a las aguas naturales [6].
CÓMO MEDIMOS
Los recientes avances en las técnicas analíticas han llevado a la detección de muchos CE que terminaron en aguas potables [7].

Dado que los métodos analíticos están evolucionando, actualmente se puede detectar un gran número de sustancias en el agua, incluso en cantidades ínfimas. Es crucial investigar los efectos de estas nuevas sustancias y sus metabolitos en la salud y el medio ambiente, especialmente en el ámbito de la reutilización del agua. En 2005, la Comisión Europea financió el proyecto NORMAN para promover una red permanente de laboratorios de referencia y centros de investigación, incluidos el mundo académico, la industria, los organismos de normalización y las ONG. La red NORMAN tiene por objeto, en particular, proporcionar información y datos de vigilancia más transparentes sobre las CE y establecer un debate técnico y científico independiente y competente sobre cuestiones relacionadas con las sustancias emergentes. 

SOLUCIONES
Uno podría preguntarse: ¿pero hay alguna solución para eliminar estos contaminantes dañinos para obtener agua potable segura?
La respuesta es sí.

Sin embargo, cuando se trata del tratamiento del agua, uno debe considerar la calidad del agua en la etapa inicial y la calidad requerida después del tratamiento, según lo dicte su uso previsto. Cuando se trata del tratamiento de aguas residuales domésticas, la limitación, por lo general, no es tecnológica, sino más bien económica.  
Si sólo tuviéramos que inactivar virus, bacterias, etc., el proceso de purificación del agua con el que la mayoría de la gente estaría familiarizada es la ebullición. Ahora imaginemos un caso muy simplificado en el que una persona está generando la cantidad típica de aguas residuales (150 litros por día). Si hirviéramos el agua, eso significaría más de 25 euros de consumo de energía para dejar hervir el agua! Además, aunque el proceso de calentar el agua, mientras que por un lado, mata a los patógenos, por el otro, podría ser inútil en términos de eliminar las EC.  
En las últimas décadas, la cloración ha sido el tratamiento para la desinfección. Sin embargo, mientras que la cloración nos permite obtener agua libre de patógenos, presenta algunos inconvenientes. Algunos son inofensivos (por ejemplo, el sabor del agua potable tratada con cloro puede arruinar el té), otros, como la generación de subproductos clorados, están en cambio vinculados al cáncer de vejiga, y es ineficaz contra los AE.  
Otros tipos de tratamiento se enumeran en la tabla con sus lados positivos y negativos:

Por ejemplo, tanto la ozonización como, especialmente, la fotocatálisis son sustancialmente más caras que la cloración. Esto nos devuelve a la calidad del agua que se necesita en última instancia para justificar los costos de su tratamiento.  
Por lo demás, otros tipos de tratamientos de bajo costo están considerando los sistemas electroquímicos, los sistemas híbridos que combinan el tratamiento biológico de bajo costo con la nanotecnología dirigida a la recuperación de recursos (por ejemplo, la digestión anaeróbica y la recuperación de nutrientes y biogás) o las soluciones basadas en la naturaleza (NBS). Un ejemplo de esto último es los humedales artificiales, que nos permiten tratar las aguas naturalmente contaminadas y al mismo tiempo promover la conciencia sobre nuestra huella ambiental. Además, las NBS ya se han puesto en práctica incluso en los países en desarrollo, donde la falta de inversiones financieras plantea un grave problema en el tratamiento del agua y el saneamiento.
Sin embargo, lo que se requiere es menos fácil de determinar y es algo que todavía está evolucionando a medida que averiguamos más sobre el destino de los contaminantes en el medio ambiente.

¿CUÁL ES LA LEGISLACIÓN ACTUAL?
Sólo cinco países de Europa (Chipre, Grecia, Italia, Francia y España) cuentan con una legislación específica en materia de reutilización del agua, aunque esto debería ser motivo de preocupación en más países. Precisamente, en mayo de 2020, el Parlamento Europeo publicó el reglamento sobre los requisitos mínimos para la reutilización del agua (EU 2020/741). Este reglamento contempla la reutilización del agua principalmente para fines agrícolas y enumera una serie de requisitos para garantizar la seguridad de la reutilización del agua. Es importante señalar que, aunque las CE no se consideran en este reglamento, se necesita más investigación para evaluar su presencia y comportamiento bajo diferentes tecnologías de tratamiento a fin de eliminar su presencia en el agua reutilizada.
CONCLUSIONES

La mejor manera de asegurar un agua limpia es evitar su contaminación en origen.

Adoptar un enfoque de economía circular en la fabricación de productos puede prevenir la liberación de contaminantes nocivos en la fuente. Siguiendo el ejemplo de los ciclos de la naturaleza, deberíamos empezar a imaginar un mundo más sostenible para ayudarnos a superar la escasez de agua. Sin embargo, la situación actual todavía está lejos de este escenario ideal.
Afortunadamente, con la tecnología adecuada, el agua recuperada puede utilizarse en diversas aplicaciones, dependiendo de su calidad, desde una fuente de agua potable hasta el riego en la agricultura. Para garantizar un uso seguro del agua regenerada, debería establecerse un marco bien definido con reglamentos actualizados y estrictamente impuestos. Al mismo tiempo, esas reglamentaciones deberían estimular y fomentar la reutilización del agua.
Sí, la tecnología y la reglamentación pueden hacer que la reutilización del agua sea segura. Depende de nosotros hacer de la reutilización del agua nuestro héroe.

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

[1] Jodar-Abellan A, López-Ortiz MI, Melgarejo-Moreno J. Wastewater treatment and water reuse in Spain. Current situation and perspectives. Water (Switzerland). 2019;11(8).  

[2] Qu X, Brame J, Li Q, Alvarez PJJ. Nanotechnology for a safe and sustainable water supply: Enabling integrated water treatment and reuse. Acc Chem Res. 2013;46(3):834–43.  

[3] Zwiener C, Frimmel FH. LC-MS analysis in the aquatic environment and in water treatment – A critical review: Part II: Applications for emerging contaminants and related pollutants, microorganisms and humic acids. Anal Bioanal Chem. 2004;378(4):862–74.

[4] Oliver J. Summary for Policymakers. In: Intergovernmental Panel on Climate Change, editor. Climate Change 2013 – The Physical Science Basis [Internet]. Cambridge: Cambridge University Press; 2019. p. 1–30. Available from: https://www.cambridge.org/core/product/identifier/CBO9781107415324A009/type/book_part

[5] Pal A, He Y, Jekel M, Reinhard M, Gin KYH. Emerging contaminants of public health significance as water quality indicator compounds in the urban water cycle. Environ Int [Internet]. 2014;71:46–62. Available from: http://dx.doi.org/10.1016/j.envint.2014.05.025.ç

[6] Anderson, B. S., Phillips, B. M., Hunt, J. W., Worcester, K.,Adams, M., Kapellas, N., & Tjeerdema, R. Evidence of pesticide impacts in the Santa Maria River watershed, California, USA.Environmental Toxicology and Chemistry. 2006;25:1160–1170.

[7] Hsion-Wen, D. K. and Xagoraraki, I. Contaminants Associated with Drinking Water. International Encyclopedia of Public Health (Second Edition);2017:148-158

#WaterTalks – Ignasi Rodríguez-Roda

Esta tarde he estrenado el canal Live de Instagram con una videocharla en directo con el catedrático de Ingeniería Química Ignasi Rodríguez-Roda. En ella hemos hablado sobre varios temas como son el Máster de Ciencia y Tecnología de los Recursos Hídricos de la Universitat de Girona, los grupos de investigación LEQUIA e ICRATech, el Campus del Agua, los proyectos de difusión en colaboración con este blog, etc. En definitiva, una agradable conversación que espero que permita establecer los #WaterTalks en una serie de charlas tan interesantes como la de hoy.

Agència Catalana de l’Aigua (y IV): Regeneración y Reutilización de las aguas

Con esta entrevista cierro el ciclo de temas hablando con profesionales de la Agència Catalana de l’Aigua: Saneamiento (Marc Moliner y Jordi Robusté), Presas y Embalses (Carlos Barbero), Calidad de las Masas de Agua (Antoni Munné) y Regeneración y Reutilización de las Aguas Residuales (Carme Arreciado). Muchas gracias a todos ellos por ayudarme a divulgar sobre este mundo que me apasiona, a mis compañeros de viaje (con un especial recuerdo para Eduard Martínez, In Memoriam) por haber compartido unos cuantos cafés hablando de ello y sobretodo muchas gracias a Xavier Duran, contigo empezó todo 😉

Hoy contamos con la presencia de Carme Arreciado, Técnica del Departamento de Regulación de Servicios de Abastecimiento de la ACA. Buenos días y bienvenida Carme, cuéntanos un poco la historia reciente en el impulso a la reutilización del agua desde la ACA (2008-2018).

Buenos días Jordi. La Agència desde hace ya unos años apuesta fuerte por la reutilización de les aguas regeneradas. El uso de este recurso para usos “no potables” permite liberar agua potable para uso de boca. En el año 2008 y con motivo de la gran sequía que hubo en Catalunya, se construyeron instalaciones para mejorar la calidad y augmentar así el uso de agua regenerada, que se considera básico, sobretodo en situaciones de falta de recurso de agua potable. Durante unos años y debido a la crisis económica no se ha potenciado la reutilización, pero actualmente se está trabajando de nuevo en su expansión. Un ejemplo significativo es el convenio de colaboración entre la Agència Catalana de l’Aigua y la AMB firmado el pasado año 2018 con el objetivo de explotar las instalaciones de reutilización de la ERA del Prat del Llobregat

Para clarificar conceptos, agua regenerada, reciclada o reutilizada. Son la misma cosa? En qué se diferencian?

Agua regenerada es aquella agua depurada que ha estado sometida a un tratamiento addicional o complementario, llamado tratamiento de regeneración, que permite adecuar su calidad a los usos a los que se quiere destinar.

Los terminos “agua reciclada” o “agua reutilizada” aunque son utilizados con frecuencia para referirse al agua regenerada, sobretodo el segundo, no son correctos y en consecuencia tenemos que hablar de agua regenerada. Estos términos hacen referencia a un agua ya consumida que se ha vuelto a utilizar en un segundo uso, pero sin implicar que exista un tratamiento que mejore o adecue su calidad.

Existen diferentes tipos de reutilización: la indirecta, la planificada y la directa. Podrías dar un ejemplo de cada una? Cuál se ha desarrollado más hasta la fecha en Catalunya? 

La reutilización indirecta, también llamada no planificada, hace referencia a los efluentes de las depuradoras que vierten al medio receptor, sin ningún tratamiento addicional a los previstos en el Plan de Saneamiento y que posteriormente pueden ser captadas aguas abajo para volver a ser utilizadas. Es un tipo de reutilización que se realiza de manera natural. 

La reutilización directa, o planificada es aquella que hace referencia al uso del agua regenerada para un uso determinado y predefinido. Este tipo de reutilización requiere de una red de distribución o otros medios de transporte para llevarla hasta el usuario final. También necesita un tratamiento adicional de regeneración para conseguir la calidad necesaria para el uso al que se quiere destinar. Esta calidad viene fijada por el RD 1620/2007 y es el tipo de reutilización que la Agència quiere potenciar.

Qué proyectos relacionados con la regeneración y reutilización serán una realidad en un futuro próximo?

Desde la Agència se trabaja para incrementar el volumen en la reutilización planificada, sobretodo de aquellas depuradoras que vierten a mar, ya que es recurso que “se pierde” y interesa reincorporarlo de nuevo al ciclo hidrológico.

De caras al futuro aún queda mucho por hacer. El año pasado se reutilizaron de manera directa en Catalunya 30 hm3, tan solo un 5% del agua depurada en las depuradores públicas.

Evolución del volumen de agua reutilizada. Fuente: ACA

Por lo que respecta a proyectos, tal y como te he comentado antes, el pasado año 2018 se firma con la AMB el convenio de colaboración para la explotación de la ERA del Prat. Este convenio establece tres regímenes de explotación con volúmenes y usos fijados en función de las necesidades del sistema.

Este convenio establece también la necesidad de realizar campañas analíticas para hacer un seguimiento de la calidad del agua regenerada vertida al azud de Molins de Rei. El objetivo de derivar el agua regenerada hasta este punto, a través de un bombeo y más de 10km de conducción, tiene un doble objetivo, por un lado mejorar la calidad del agua del rio con objetivos medio ambientales y por otro incrementar el recurso.

Este mes de mayo, con el seguimiento y la colaboración de un grupo de expertos de diversos sectores, se inicia una primera campaña. con un total de 30 muestras y 352 parámetros a analizar.

En el III Congrés de l’Aigua a Catalunya, la economista e investigadora del CETAQUA Montserrat Termes, proponía mitigar el «yuck factor» propio de la percepción que la gente tiene del agua regenerada involucrando a la ciudadanía mediante programas educativos, centros demostrativos y una mayor transparencia en la gestión de la información. Le añadiría algo más a estas líneas de acción propuestas? 

Estoy totalmente de acuerdo con estas observaciones, falta informar a la ciudadania en relación a este tema. El agua regenerada se asocia a agua depurada y por este motivo es importante realizar estudiós y campañas que sirvan para “demostrar” que se trata de un recurso con una buena calidad.

La campaña analítica como la que se esta realizando actualmente va en este sentido.

Parque Sa Riera (Tossa de Mar), regado con agua regenerada. Foto: CCBrava

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).

ICRA Workshop: «International experiences in Potable Reuse»

Wolfgang Gernjak presentando el Workshop

Aprovechando las sinergias del position paper posteado en este mismo blog sobre reutilización con fines potables, el pasado viernes 4 de octubre estuve de oyente en el workshop organizado por el ICRA sobre este mismo tema aplicado a experiencias internacionales.

Después de una breve introducción a cargo de Wolfgang Gernjak, Investigador Senior del grupo ICRATech, tomó la palabra el primer ponente, el profesor de la Universidad de Berkeley (California) y especialista en recursos hídricos David Sedlak, el cual hizo una aproximación a la situación de la reutilización con fines potables (también conocida como reutilización potable) en Estados Unidos y los posibles avances de cara al futuro. Fue una charla muy interesante donde el profesor Sedlak nos habló de la importancia de la legitimidad de la tecnología para que esta sea aceptada a nivel general. Esta legitimidad, se compone de 3 dimensiones: la pragmática, la moral y la cognitiva.

El segundo ponente, Antoni Munné, Responsable del Departamento de Calidad de las Aguas de la ACA, introdujo su ponencia relacionando el proceso de cambio climático actual en relación a las previsiones de caras a los próximos 10-30 años en materia de precipitaciones y temperaturas medias en la zona mediterránea. En resumen, se espera una mayor variabilidad en las lluvias, un aumento progresivo de las temperaturas medias y una reducción de precipitaciones de entre un 5-10% en 2030 y de un 15-20% en 2050, pudiendo ser éstas de un 15-30% en época estival.

En la segunda parte de su exposición, Munné presentó los avances del estudio monitorizado por el panel de expertos sobre los niveles de contaminantes emergentes en las aguas regeneradas de la ERA de El Prat de Llobregat, con el fin de, en un futuro próximo poder reutilizarlas con fines potables en el área metropolitana de Barcelona.

El tercer y último ponente del workshop, Lluís Sala, Responsable del Área de Abastecimiento y Reutilización del Consorci de la Costa Brava, hizo un diagnóstico sobre la reutilización potable en la Costa Brava explicando el caso paradigmático de El Port de la Selva y el proyecto DEMOWARE. Esta población costera tenía las características adecuadas para poder acoger una parte del proyecto: variabilidad en las precipitaciones, aislada geográficamente, alta demanda en época estival, tratamiento terciario en funcionamiento desde el año 2000, interés de la administración local, etc.

En el apartado de financiación, Sala remarcó que las inversiones cercanas a 1 millón de euros durante un período de 16 años apoyando la reutilización de agua regenerada en el Port de la Selva, han dado muy buenos resultados en materia de eliminación de contaminantes emergentes:

De todas formas, en el desarrollo del proyecto Demoware en Port de la Selva se observaron una serie de problemas inesperados como el incremento de salinidad debido a las sequías de los últimos años en la zona así como la presencia de concentraciones relativamente elevadas de biocidas que son recalcitrantes a ser eliminados:

En definitiva, los resultados del proyecto DEMOWARE en el caso de Port de la Selva instan a seguir profundizando en varios aspectos que quedan abiertos como la forma de evitar la salinización puntual en períodos de sequía (ósmosis inversa?) o la eliminación (quizás con tecnologías de oxidación avanzada) de contaminantes emergentes. Superar estos retos podría ser objeto de un nuevo proyecto complementario que arrojaría luz a los claroscuros planteados en esta ponencia.