Category Archives: Técnico

 

Escrito por Bruno Durá Garrido

 

 

 

 

 

En las últimas décadas, gran parte del planeta se ha venido enfrentando a eventos climáticos más y más extremos. Esto se traduce en menores lluvias más concentradas en el tiempo provocando escasez del recurso y sequias. En la actualidad el 36% de la población mundial vive en zonas de estrés hídrico.

Por otro lado, según datos de la ONU, cerca de 45 millones de metros cúbicos de agua se desperdician diariamente en las redes de distribución de los países en desarrollo. La cantidad desperdiciada podría abastecer a cerca de 200 millones de personas. Estos problemas pueden ser estimados en un coste de USD 141 mil millones al año en todo el mundo.

Los niveles de Agua No Facturada (NRW, por sus siglas en inglés) varían en todo el mundo, desde cerca del 5 % hasta un 80 %, con un promedio global del 40 %. Reducir los niveles de NRW es un desafío crucial de gestión que requiere un esfuerzo comprometido en múltiples áreas.

La Asociación Internacional del Agua (IWA, por sus siglas en inglés) define los niveles sostenibles de fugas como el Nivel Económico de Fugas (ELL, por sus siglas en inglés) – el nivel óptimo en el que las compañías de agua están maximizando tanto los beneficios económicos como los relacionados con los recursos. La Gestión Eficaz de Fugas se basa en cuatro pilares fundamentales bien conocidos y muy importantes: gestión de la presión, control activo de fugas, rapidez y calidad en las reparaciones y gestión y rehabilitación de tuberías.

La gestión sostenible del agua, además de ser viable ambientalmente, es simplemente un buen negocio. A largo plazo, un enfoque sostenible para el suministro de agua potable no cuesta dinero, sino que ahorra dinero, tanto para la compañía de servicios públicos como para los consumidores.

En un mundo donde la eficiencia y la sostenibilidad son clave, la gestión del agua se ha convertido en una prioridad crítica. El proyecto LeakMan se sitúa a la vanguardia de esta misión, ofreciendo una solución innovadora para la detección y gestión de fugas de agua en redes de distribución.

¿Qué es LeakMan?

LeakMan es un proyecto colaborativo europeo que aborda el desafío de las fugas de agua en las redes de distribución. Las pérdidas de agua, ya sea por tuberías rotas o sistemas obsoletos, representan un problema significativo tanto en términos económicos como ambientales.

El concepto LeakMan tiene como objetivo demostrar cómo el uso combinado de diferentes tecnologías puede controlar eficazmente la pérdida de agua en las redes de distribución de agua potable. El concepto es una colaboración entre nueve empresas e instituciones danesas, cada una de las cuales ha contribuido con soluciones y conocimientos en su área de especialización en la gestión de pérdidas de agua no facturada (NRW). LeakMan se propone transformar la gestión de estas redes mediante el uso de tecnología avanzada para detectar y gestionar las fugas de manera eficiente.

¿Cómo Funciona?

El núcleo de LeakMan radica en la integración de tecnologías de vanguardia:

• Sensores Inteligentes: Distribuidos estratégicamente a lo largo de la red de distribución, estos sensores monitorean en tiempo real el flujo de agua, detectando anomalías que podrían indicar una fuga.
• Análisis de Datos Avanzado: Utilizando algoritmos sofisticados, LeakMan analiza los datos recopilados por los sensores para identificar y localizar fugas con precisión.
• Plataforma de Gestión: Una interfaz intuitiva que permite a los operadores de red visualizar y gestionar las fugas de manera eficaz, facilitando decisiones rápidas y basadas en datos.

Conclusiones del proyecto

Los principales hallazgos del proyecto son los siguientes:

• El proyecto redujo la pérdida de agua en un 20-30% en las áreas de demostración, así como mejorado la gestión de la presión, la eficiencia energética y la huella de carbono.
• El proyecto ha aumentado la calidad y disponibilidad de los datos para las empresas de servicios de agua, lo que permite una mejor toma de decisiones y planificación.
• El proyecto ha generado nuevos conocimientos y competencias para el sector del agua a través de actividades de investigación, comunicación y difusión.
• Menos pérdidas de agua se traducen en menores costos operativos y de mantenimiento, aliviando la carga financiera sobre las compañías de agua y, en última instancia, los consumidores.
• Al minimizar las fugas, LeakMan contribuye a la gestión sostenible del agua, reduciendo el desperdicio y mejorando la resiliencia de las infraestructuras.
• La tecnología de LeakMan mejora la visibilidad y el control sobre la red de distribución, facilitando una gestión más proactiva y eficiente.

Referencias

1. R. Liemberger, A. Wyatt; Quantifying the global non-revenue water problem. Water Supply 1 May 2019; 19 (3): 831–837

 

 

Escrito por Sonia Guerra Rodríguez

 

 

 

Damos por hecho que el agua que llega a nuestras casas se puede consumir de forma segura, ya que tenemos una legislación que se encarga de regular su contenido en nutrientes y contaminantes. Pero ¿qué pasaría si esto no fuera así? La presencia de determinados elementos en el “agua potable” de muchos países del mundo hace que su consumo pueda tener importantes repercusiones en la salud.

El flúor es indispensable para los seres humanos, ya que una dosis mínima de este elemento es necesaria, entre otras cosas, para evitar la formación de caries. Es por esto por lo que se incluye en pastas de dientes y, en algunas regiones, se añade de forma intencional al agua. 

No obstante, por todos es sabido que todo en exceso es malo. Cuando el contenido en flúor del agua es demasiado alto, existe un riesgo importante de que la población sufra fluorosis dental y/o esquelética, entre otras patologías. Por ello, la organización mundial de la salud (OMS) asigna al flúor la categoría de contaminante del agua que afecta negativamente a la salud, estableciendo una concentración límite en el agua de consumo de 1.5 mg/L. De hecho, este organismo publicó en 2019 un documento que lleva por título “INADEQUATE OR EXCESS FLOURIDE: A MEJOR PUBLIC HEALTH CONCERN”¹ que en español se traduciría como “Flúor inadecuado o excesivo: un importante problema de salud pública”.

Como se adelantaba unas líneas más arriba, durante el siglo XX se extendió por todo el mundo la práctica de añadir flúor al agua de abastecimiento público, proceso conocido como fluoración o fluorización, con el objetivo de garantizar un consumo óptimo de este elemento por parte de la población para prevenir la caries dental. Esta práctica se realiza aún hoy en día en muchos países del globo, incluyendo algunas zonas de España (este es el caso de País Vasco²). En el caso de nuestro país, la concentración óptima en agua potable se considera 0.5 – 1 mg/L, estableciendo la legislación³ un valor máximo de 1.5 mg/L que coincide, por tanto, por lo recomendado por la OMS.

No obstante, existen muchos lugares del mundo en el que su presencia en el agua de consumo no es una opción. Este elemento puede presentarse de forma natural en las aguas subterráneas que se utilizan para abastecer a la población, ya que minerales fluorados como la fluorita, la apatita o la criolita forman parte de la composición del suelo en muchas regiones, principalmente, del hemisferio sur del globo. Esto se da especialmente en territorios de origen volcánico, así como en depósitos sedimentarios derivados y rocas metamórficas con alto pH, alcalinidad y/o temperatura, favoreciendo estas condiciones la desorción del flúor.

De forma artificial, la actividad antropogénica también puede suponer una aportación extra de este elemento a las aguas subterráneas: mediante el uso de fertilizantes o pesticidas, además de la contaminación derivada de la quema de carbón o de industrias como las del del vidrio, la cerámica o la fabricación de semiconductores, entre otras.

Científicos de la India hicieron en el año 2022 una amplia revisión de la literatura existente en lo referente a este asunto⁴, concluyendo que un gran número de países africanos presentan una concentración de flúor en el agua superior a la directriz establecida por la OMS y, del mismo modo, indican que más de 15 países asiáticos se enfrentan a esta problemática. También en algunas de las principales regiones occidentales se han encontrado altos niveles de flúor en las aguas subterráneas, siendo un problema especialmente relevante en Canadá, México o Estados Unidos de América. De hecho, como puede observarse en la Figura 1, este fenómeno se encuentra muy extendido; tanto que, según la OMS, casi 200 millones de personas en el mundo dependen de agua contaminadas por este elemento.

Figura 1. Concentración promedio de flúor en distintos países del mundo⁴.

A pesar de ser un problema que afecta a un porcentaje elevado de la población, la literatura relativa a los niveles ambientales de flúor no es muy extensa y no está actualizada. En respuesta a esta realidad, en una investigación realizada en 2022 por científicos suizos y publicada en Nature Comunications se empleó la inteligencia artificial para crear un mapa en el que se muestra el riesgo de la presencia de flúor en el agua en concentraciones superiores a 1.5 mg/L⁵.

En dicho estudio se concluyó, entre otras cosas, que en un 15% del área del continente africano existe una probabilidad de más del 50% de encontrar concentraciones excesivas de flúor en el agua, lo cual se alinea con la información previa disponible. Además, este estudio afina la estimación de la OMS y calcula que 179 millones de personas están en riesgo de consumir de agua con altas concentraciones de flúor, lo que supone un 2.4% de la población mundial.

Para enfrentar este problema, la OMS sugiere la búsqueda de fuentes de agua potable alternativas en las regiones afectadas o, si esto no fuera posible, la reducción de la concentración de flúor del agua utilizando alguno de los métodos existentes para ello¹. Algunas de las soluciones más extendidas para ello, aunque no las únicas, son las siguientes:

– Coagulación. Consiste en añadir sustancias químicas al agua, como sulfato de aluminio o cloruro férrico, que forman partículas sólidas que atrapan el flúor y otros contaminantes. Estas partículas se sedimentan y se filtran, dejando el agua más limpia.

– Adsorción. Consiste en hacer pasar el agua por un material poroso que tiene afinidad por el flúor, como carbón activado, alúmina activada o resinas de intercambio iónico. Estos materiales retienen el flúor en su superficie y lo eliminan del agua. Decenas de materiales de distinta naturaleza se han probado para este fin, con diferentes resultados de eficiencia⁴.

– Ósmosis inversa. Consiste en aplicar una presión al agua para hacerla pasar por una membrana semipermeable que solo deja pasar las moléculas de agua y no las de flúor u otros solutos. Es un método muy eficaz pero también muy costoso y que genera una gran cantidad de agua residual.

– Electrodiálisis. Consiste en aplicar una corriente eléctrica al agua para separar los iones positivos y negativos mediante membranas selectivas. El flúor, al ser un ion negativo, se acumula en el lado del ánodo y se extrae del agua.

– Destilación. Consiste en calentar el agua hasta que se evapore y luego condensar el vapor en otro recipiente. El flúor y otros solutos se quedan en el líquido original y no pasan al vapor. Es un método simple pero que consume mucha energía y tiempo.

Por desgracia, la mayoría de las alternativas existentes para la eliminación de flúor del agua potable son difíciles de aplicar en las regiones afectadas, o excesivamente costosas debido al consumo de energía, tiempo y/o recursos necesarios para su uso. Por ello, son muchos los expertos que concuerdan en que la solución más económica y sostenible debe pasar por el uso de materiales adsorbentes que se puedan encontrar localmente en las regiones en que sea necesario tratar el agua de consumo.

Por suerte, y siguiendo esta línea, en los últimos años han comenzado a surgir alternativas que permiten el tratamiento de agua a nivel doméstico o comunitario de forma asequible. Este es el caso, por ejemplo, de una patente española desarrollada de forma conjunta por el Centro Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y una empresa canaria (Tagua).  Mediante la modificación de un material filtrante económico y especialmente abundante en algunas zonas afectadas por este problema, como es la zeolita, se ha desarrollado un sistema de filtración (HINDROP) selectivo para el flúor que ya ha sido puesto a prueba con muy buenos resultados en países como Etiopía⁶.

Y es que, una vez más, se pone de manifiesto la calidad de los avances en I+D+i de las entidades públicas y privadas españolas, que no solo se focalizan en solventar problemas locales, sino que se esfuerzan en mejorar la calidad del agua a nivel mundial.

Referencias:

1. Inadequate or excess flouride: a mejor public health concern. WHO-CED-PHE-EPE-19.4.5-eng.pdf

2.https://www.euskadi.eus/informacion/informacion-a-los-consumidores-fluoracion-de-las-aguas/web01-a3aguas/es/

3. BOE-A-2023-628 Real Decreto 3/2023, de 10 de enero, por el que se establecen los criterios técnico-sanitarios de la calidad del agua de consumo, su control y suministro.

4. Ahmad et al. (2022). Fluoride contamination, consequences and removal techniques in water: a review, Environmental Sciences Advances (Royal Society of Chemistry). https://doi.org/10.1039/D1VA00039J

5. Podgoroski y Berc (2022). Global analysis and prediction of fluoride in groundwater, Nature Communications. https://doi.org/10.1038/s41467-022-31940-x

6. Proyecto de defluoración de las aguas de Etiopía en las comunidades de Diba y Obe – Hindrop

 

Escrito por Rubén Hervás Martínez

 

 

 

 

Como se comentó en la primera parte sobre depuración en pequeñas aglomeraciones urbanas, en la actualidad existen un gran número de tecnologías viables para el tratamiento de las aguas residuales generadas en las medianas y pequeñas aglomeraciones urbanas. Grosso modo, las tecnologías disponibles se pueden clasificar en dos categorías: tecnologías intensivas y tecnologías extensivas.

Las tecnologías intensivas se caracterizan porque los procesos de depuración en los que se basan se llevan a cabo de forma secuencial en tanques y reactores y a velocidades aceleradas, gracias al aporte de oxígeno (aire) mediante el empleo de equipos electromecánicos. Es decir, son tecnologías que necesitan menores superficies de depuración, haciendo uso para ello de equipos que consumen energía, que permiten acelerar los procesos y reducir el espacio requerido. Estos sistemas permiten tener un alto control del proceso, ya que se pueden cambiar fácilmente los parámetros de operación. Por el contrario, requieren de un mayor mantenimiento y de personal cualificado ya que la operación y control de los procesos es más compleja.

Por otro lado, las tecnologías extensivas son aquellas en las que los procesos de depuración transcurren a velocidad “natural” (sin aporte de energía) y se desarrollan en un único “reactor-sistema” (Metcalf&Eddy, 2000). El ahorro en energía se compensa con una mayor necesidad de superficie. Estas tecnologías suelen ser sistemas basados en la naturaleza, en los que la depuración se lleva a cabo de manera “natural”, con lo que los consumos de energía son realmente bajos. Al no tener equipos electromecánicos (o los mínimos para la alimentación de los sistemas), las tareas de mantenimiento se simplifican en gran medida, aunque, por el contrario, la capacidad para controlar el proceso de depuración es muy reducida, ya que no disponen de sistemas de control que permitan cambiar las condiciones o variables del proceso.

A modo de ejemplo, entre estas tecnologías, se pueden encontrar:

Tecnologías intensivas:

• Fosas sépticas / Tanques Imhoff
• Aireación prolongada
• Filtro percoladores
• Contactores biológicos rotativos (CBR)
• Reactores secuenciales discontinuos (SBR)
• Sistemas de biomasa fija sobre lecho móvil (MBBR)
• Biorreactores de membrana (MBR)

Tecnologías extensivas:

• Aplicación al terreno
• Filtro intermitente de arena
• Filtros turba
• Lagunaje
• Lagunas de microalgas (HRAPs)
• Humedales artificiales (Horizontales, verticales o en flotación)

Una vez siendo conocedores de la gran variedad de tecnologías disponibles, cada una con sus ventajes e inconvenientes, es importante recordar que cada situación de depuración es particular y, por tanto, hay que estudiar las condiciones específicas de cada EDAR. No existe una mejor tecnología ni soluciones estandarizadas, por lo que la tecnología escogida debe ser la que mejor se adapte a cada desafío.

Esta realidad ha dado lugar a la aparición de tecnologías híbridas, que son tecnologías que tratan de combinar sistemas extensivos con tecnologías intensivas. Es decir, surgen nuevos procesos que introducen modificaciones en los sistemas extensivos consiguiendo reducir la superficie necesaria, acelerando los procesos de depuración “naturales”, permitiendo regular el proceso y mejorando el rendimiento de las tecnologías extensivas. Esto se consigue mediante la combinación de tecnologías o incorporando pequeños elementos “intensivos” a los sistemas.

Figura 1. Tecnologías Extensivas vs Intensivas frente el consumo energético y la superficie requerida por habitante equivalente.

Se trata de buscar un equilibrio entre los sistemas intensivos y los extensivos, reduciendo superficie mediante el aporte de una baja cantidad de energía. Con esta combinación se pueden reducir los gastos de operación y mantenimiento de las tecnologías extensivas, reduciendo al mismo tiempo la superficie requerida y aumentando el nivel de control del proceso. Gracias a esto, tienen un gran alto potencial de aplicación y su implantación puede ser una tendencia en los próximos años.

Dentro las tecnologías basadas en la naturaleza, una de las más extendidas, implantadas y fiables, son los humedales artificiales. Básicamente existen tres clases de humedales: humedales en flotación, de flujo libre o superficial y de flujo subsuperficial . Todos ellos, a su vez pueden, ser de flujo vertical u horizontal (según la alimentación y la dirección de filtración).

De entre estas alternativas, los humedales de flujo vertical son los que están despertando mayor interés, ya que están demostrando los mejores rendimientos de operación, con bajos niveles de atascamiento (menores que en los sistemas horizontales). Entre sus ventajas está que se pueden alimentar directamente con aguas brutas (después de un correcto pretratamiento), se realiza una gestión integrada de los fangos en el propio humedal y es un proceso aerobio con aireación pasiva (por lo que hay ausencia de olores).

Los humedales de flujo subsuperficial verticales, por otra parte, es muy habitual encontrarlos en una configuración llamada “sistema 2 etapas”, un tipo de configuración que utiliza una filtración en dos etapas. Una primera etapa, que se encarga de eliminar sólidos en suspensión y materia orgánica, en la que 3 humedales verticales se alimentan en alternancia y una segunda etapa, de afino, con 2 humedales verticales que se alimentan con la salida de la primera etapa de manera también alterna. Esto permite periodos de alimentación y reposo.

Entre los aspectos más importantes de diseño de estos sistemas, se encuentra el correcto dimensionamiento de la superficie de filtrado, así como el espesor de las capas y el tipo de material de filtración utilizado. En los sistemas de 2 etapas, la primera etapa utiliza entre sus capas filtrantes grava de filtración, para evitar posibles atascamientos, y la segunda etapa utiliza arena para conseguir una filtración más fina.

Entre las ventajas que presentan los humedales de dos etapas  son:

• Alta tolerancia a las variaciones de cargas hidráulicas, orgánicas y temperaturas
• Elevados rendimientos en materia orgánica DQO<70 mg/l, DBO5<15 mg/l , SS<15 mg/l, y nitrificación NTK< 10 mg/l
• Eliminación patógenos 1-2 log E. coli
• Bajo consumo ~0,1-0,15 kWh/m³
• Sin bombeos, por gravedad si hay desnivel suficiente
• Proceso aerobio (ausencia de olores)
• Explotación simple, personal no especializado
• Buena integración paisajística

Por la contra, las principales desventajas que presentan son:

• Elevada superficie: 2 m²/he
• Funcionamiento por pulsos con caudal elevado en primera y segunda etapa
• Nitrificación completa. No desnitrificación
• Coste arena/transporte, fundamentalmente arena fina.

Este tipo de configuración fue desarrollada en Francia, donde ya existen más de 3500 instalaciones de este tipo.

Como se ha comentado, los sistemas híbridos tratan de intensificar este tipo de tratamientos extensivos por lo que la tendencia es la combinación de diferentes configuraciones que permitan hacer procesos más compactos, así como la implementación de aireación forzada que permita un mayor control y flexibilidad del proceso.

Un ejemplo de este tipo de tecnologías es el caso del sistema Rhizosph’air® (desarrollado para la empresa Syntea), este sistema se basa en un humedal subsuperficial en dos etapas que combina la alimentación vertical con la filtración horizontal e incorpora un sistema de aireación forzada. Estas combinaciones permiten reducir el área requerida por habitante equivalente y consigue tasas de eliminación de nitrógeno. Además, el control de la aireación permite adaptar el sistema a los cambios de carga.

Entre sus ventajas se encuentra:

• Reducción superficie a <1 m²/he
• Iguales a Sistema de 2 etapas, con aumento de rendimientos de depuración: Eliminación Nt<20 mg/l, DQO< 60 mg/l, reducción patógenos. (reutilización de agua)
• Adaptación a cambios de carga mediante sensor O2 y control aireación

Por otro lado, encontramos otras tecnologías híbridas como la combinación de sistemas intensivos como son los sistemas de pretratamiento anaerobio, reactores tipo UASB, con sistemas extensivos como los humedales. Actualmente se están estudiando las configuraciones que combinan diferentes tecnologías de pretratamiento anaerobio/aerobio como primera etapa y un humedal vertical de segunda etapa para reducir superficie y mejorar rendimientos de eliminación de contaminantes.

También son muy interesantes las tecnologías de lagunas de microalgas de alto rendimiento (High rate algae ponds, HRAPs), donde conviven un consorcio de microalgas-bacterias en la cual mediante los nutrientes que contiene el agua residual y la acción de la luz solar las microalgas pueden proliferar y realizar la fotosíntesis, oxigenando el agua sin necesidad de una acción mecánica externa, y por la cual las bacterias aerobias que conviven en simbiosis pueden degradar la materia orgánica generando CO2 que aprovechan las microalgas para realizar el proceso de fotosíntesis. Esta tecnología presenta altos rendimientos de depuración con muy bajo consumo eléctrico, ya que el proceso solo requiere de energía externa para una ligera agitación. Además, se están estudiando la valorización de las microalgas como subproductos de alto valor añadido.

El desarrollo de tantos procesos híbridos en los últimos años es algo esperanzador. De hecho, actualmente, en España, se están llevando a cabo interesantes proyectos de investigación que estudian el uso de estos sistemas híbridos, con diferentes configuraciones y materiales innovadores como solución a la depuración en las pequeñas y medianas aglomeraciones urbanas. Gracias al fomento y los nuevos avances de estas tecnologías, se vislumbra en los próximos años un futuro prometedor para los retos de depuración en este tipo de localidades, en el que los sistemas híbridos sean aplicados de manera recurrente en España.

Quizás, ahora sí por fin, podemos decir que ha llegado el momento de la depuración de “lo pequeño”.

https://www.syntea.fr/index.php/fr/nos-activites-et-procedes/assainissement-des-collectivites-publiques/116-categorie-en-francais/procedes/420-rhizosph-air

 

Escrito por Rubén Hervás Martínez

 

 

 

 

 

La depuración de las aguas residuales en pequeñas aglomeraciones urbanas ha sido y sigue siendo una asignatura pendiente en España. Si bien es cierto que éstas últimas décadas los esfuerzos y los recursos han ido destinados a cubrir las necesidades de depuración de las grandes y medianas aglomeraciones, una vez alcanzado unos altos porcentajes de tratamiento, es lógico (al menos necesario) que sea por fin el momento de poner el foco en lo que queda pendiente: la depuración de lo “pequeño”.

El término “pequeñas aglomeraciones urbanas” enmarca a las poblaciones que cuentan con menos de 2.000 habitantes equivalentes y a la que se les exige un tratamiento adecuado. Aun así, la tendencia actual es aceptar el término de pequeñas aglomeraciones a partir de comunidades menores de 5.000 habitantes equivalentes.

Si nos centramos en España, de los 8.131 municipios existentes, cerca de 6.000 (~75%) cuentan con una población menor de 2.000 habitantes. De hecho, en 2009 quedaban unos 3-4 millones de habitantes equivalentes sin depurar en más de 6.000 pequeñas aglomeraciones, muchas de ellas menores de 500 habitantes equivalentes¹. Estos datos nos dan una idea de lo mucho que queda por hacer al respecto.

Por otro lado, es de vital importancia tener en cuenta que el agua residual que se genera en pequeñas y medianas aglomeraciones urbanas tiene una casuística muy diferente a las generadas en las grandes urbes. En las pequeñas poblaciones existen condicionantes tanto técnicos como económicos que impiden asumir los mismos preceptos y, por tanto, no tiene ningún sentido diseñar sistemas de tratamientos idénticos a los que se emplean en las grandes poblaciones.

Algunos de las características que condicionan la depuración para las pequeñas aglomeraciones urbanas son:

• Fuertes oscilaciones diarias de caudal
• Fuertes oscilaciones diarias de concentraciones
• Variaciones estacionales de los caudales y cargas (Incrementos estacionales de la población, Vertidos agroindustriales, Intrusiones en las redes de alcantarillado por su estado deficiente…)
• Falta de capacidad técnica (O&M)
• Problemática en la gestión del fango
• No hay beneficio de la economía de escala

En este contexto, si se echa la vista atrás, cuando se habla de depuración en pequeñas y medianas aglomeraciones en España básicamente hay que remontarse un par de décadas atrás, cuando se impusieron dos tendencias diferenciadas:

La primera tendencia nace sobre los años 80. En ese momento, las tecnologías de depuración que se aplicaron en las pequeñas aglomeraciones fueron la mera reproducción, a menor escala, de las que se aplicaban en las grandes ciudades. En este periodo predominó la ejecución de infraestructuras basadas en la tecnología de aireación prolongada, que se disponían en instalaciones compactas, generalmente enterradas (en las aplicaciones de menor tamaño). El resultado de esto fue una cantidad de instalaciones e infraestructuras abandonadas o jamás puestas en marcha, debido a los altos costes de operación y mantenimiento.

La segunda tendencia que surgió, en la década siguiente, entre los años 80-90, fue la implantación de las llamadas tecnologías de “bajo coste”. Estas tecnologías intentaban imitar los procesos naturales de depuración. En este ámbito, las tecnologías que alcanzaron un mayor grado de implantación a nivel nacional fueron los Lagunajes y los Filtros de Turba. El resultado fue prácticamente idéntico, numerosos terrenos e infraestructuras abandonados o invadidos por la vegetación, y por tanto desaparecidos por el mal funcionamiento debido a un diseño totalmente deficiente o por el bajo o nulo mantenimiento debido al desconocimiento de las necesidades que tienen estos sistemas.

Es importante remarcar que la tecnología de lejos más extendida en las pequeñas aglomeraciones urbanas hasta el momento ha sido y sigue siendo la aireación prolongada (Figura 1). Como se ha comentado antes en los condicionantes de depuración, las pequeñas aglomeraciones no se benefician de ningún modo de la economía de escala, por lo que hace que la aireación prolongada (a pesar de ser la tecnología más implementada) no sea la más idónea, ya que el coste de operación que esta supone se dispara cuanto menor son los habitantes equivalentes donde se aplica, como puede observarse en la figura 2. Y esto sólo si tenemos en cuenta los costes de la energía, sin entrar en los costes medioambientales.

Figura 1. Tecnologías aplicadas en pequeñas poblaciones por orden de abundancia y CCAA ²

Figura 2. Inversión necesaria para la implantación de EDARs de Aireación Prolongada ¹

En la actualidad, después de décadas de aprendizaje (y numerosos fracasos), se ha empezado a tomar conciencia de que la depuración en pequeñas y medianas aglomeraciones requiere un enfoque mucho más exigente, tanto desde el punto de vista técnico como del de la gestión. Gracias a esto, disponemos hoy en día de un gran abanico de tecnologías (intensivas, extensivas e híbridas), todas ellas válidas en función de las características concretas de la aglomeración a tratar y de las exigencias de vertido.

En este aspecto, existen disponibles recursos en línea de gran valor y utilidad para realizar de forma adecuada la selección y el diseño de la tecnología que mejor se adapte a cada caso concreto. Son altamente recomendables el “Manual para la implantación de sistemas de depuración en pequeñas poblaciones ¹” así como la “Guía práctica para la depuración de aguas residuales en pequeñas poblaciones ³”,

Por otro lado, hay que hacer hincapié en la relevancia que tienen todas las partes implicadas a la hora de licitar, diseñar, construir y operar EDARs en las pequeñas y medianas aglomeraciones. Desde las administraciones, así como desde las ingenierías, constructoras y empresas explotadoras es desde donde se tiene que apostar por tecnologías que se adapten mejor a la casuística de las EDARs en pequeñas aglomeraciones urbanas. Si se quiere cubrir las necesidades de depuración de una manera eficaz y económicamente viable, hay que apostar en serio por tecnologías/sistemas que afronten el problema de una manera sostenible medioambiental y económicamente posible.

En esta línea, las soluciones basadas en la naturaleza son sistemas robustos, con grandes rendimientos y económicamente sostenibles, si se diseñan, operan y mantienen como es debido. Se debe reforzar la idea de que estos sistemas, aunque estén basados en la naturaleza, son infraestructuras diseñadas y construidas para el tratamiento de aguas residuales, y, por tanto, se tienen que diseñar, construir, operar y mantener como cualquier otra infraestructura que necesita funcionar adecuadamente para alcanzar los objetivos para los que fue diseñada.

Por tanto, desde el punto de vista técnico, queda claro que hay soluciones más allá de la tecnología de aireación prolongada y casi seguro serán sistemas mejor adaptados a la problemática real en las pequeñas aglomeraciones urbanas. Para ver un cambio de tendencia en este sentido, hay que querer ser parte del cambio desde todas las áreas implicadas y apostar por tecnologías diferentes, que no por ello tecnologías desconocidas o deficientes, sino al contrario, soluciones alternativas totalmente demostradas, eficientes y fiables.

En definitiva, todavía queda mucho camino por recorrer en el ámbito de la depuración de las aguas residuales en pequeñas aglomeraciones urbanas. Es necesario poner el foco en el problema y se requiere un compromiso real por parte de las administraciones públicas para promover y fomentar nuevas inversiones que permitan resolver los problemas que siguen existiendo en todos estos lugares.

Referencias:

1. Manual para la implantación de sistemas de depuración en pequeñas poblaciones. https://www.aragon.es/documents/20127/24009052/Manual+CEDEX2.pdf/32188fba-b20f-ecac-fb01-49a15e0e3cd9?t=1578648844927

2. Ortega, E., Salas, J. J., Ferrer, Y., Sobrados, L., & Aragon, C. (2008). La depuración de las aguas residuales en pequeñas poblaciones españolas.Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas (CEDEX): Madrid, Spain.

3. Guía práctica para la depuración de aguas residuales en pequeñas poblaciones. https://www.chduero.es/documents/20126/427605/guiapractica-depuracionaguas-chd.pdf/ff6eba30-4d74-2bcd-1877-95f199640ded?t=1563196079001

 

Escrito por Rubén García Tirado

 

 

 

 

La actual situación de cambio climático y crecimiento demográfico está poniendo en jaque la capacidad de las sociedades modernas de garantizar la disponibilidad de recursos básicos tales como alimentos, agua y energía para la ciudadanía, al menos con la facilidad y abundancia a la que estábamos (mal) acostumbrados.

En el contexto europeo, la escasez hídrica amenaza aproximadamente el 30% de la población, especialmente aquella situada en los países del sur y del arco mediterráneo [1]. La actividad agrícola por su parte, base de la seguridad alimentaria, se encuentra gravemente afectada por este estrés hídrico, la falta de materia orgánica del suelo (desertificación) y el alto coste y escasez de los fertilizantes que aportan los nutrientes necesarios para el crecimiento vegetal, principalmente nitrógeno (N), fosforo (P) y potasio (K). Por otro lado el aumento de los costes de la energía, agravados por la guerra en Ucrania, han puesto en riesgo el abastecimiento de la población y la industria, causando a su vez una subida en el coste de producción y precio final de numerosos productos.

Todo ello está obligando a la búsqueda de fuentes alternativas de estos recursos que puedan cubrir las crecientes necesidades y, en especial los residuos, aquello que en nuestra actual economía lineal de producción-consumo-deshecho se considera algo sin valor de lo que hay que desprenderse con el menor coste posible, puede ser ahora la solución. Esto es lo que desde hace un tiempo se ha bautizado como Economía Circular (EC) y pretende reutilizar, valorizar y recuperar recursos de los residuos para incorporarlos al sistema productivo y mercado, reduciendo de este modo el consumo y dependencia de los recursos naturales.

En concreto las aguas residuales, urbanas e industriales, recogen gran cantidad y variedad sustancias y compuestos valorizables incluyendo precisamente los 3 recursos críticos previamente identificados: agua, nutrientes y energía, esta última mayoritariamente en forma química en la materia orgánica [1]. La implantación de procesos de recuperación y valorización de estos recursos permiten transformar las actuales estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR) en biorrefinerías, en las que, por analogía de las refinerías petroquímicas, se separan y obtienen diferentes productos de valor a partir de una materia prima multicomponente.

La regeneración del agua residual previamente depurada para su reutilización es una práctica relativamente habitual, especialmente en las regiones con mayor estrés hídrico. Para ello es necesario un tratamiento terciario en el que se busca principalmente la desinfección del agua para asegurar la calidad del efluente sobre todo en términos de patógenos, requiriéndose diferentes calidades en función del tipo de uso final del agua ya se en el sector urbano (baldeo de calles, fuentes recreativas…), industrial (agua de proceso, refrigeración…) o para riego agrícola, en el que se distinguen de nuevo diferentes subcategorías en función del tipo de cultivo y sobre todo el nivel de contacto del agua con los productos comestibles [2].

En el campo de la reutilización de agua existen multitud de tecnologías que se han demostrado aptas para la regeneración de agua, siendo los más comunes los procesos de cloración y canales de luz ultravioleta (UV), pero siendo también posible, según las necesidades, los procesos de oxidación avanzada (AOP) para la eliminación de compuestos recalcitrantes o las tecnologías de membranas (ultra/nano-filtración o incluso osmosis inversa) en función de la calidad requerida [1, 2]. La eficiencia y eficacia de estas tecnologías se encentra en continua optimización a causa del progresivo endurecimiento de normativas de calidad del agua, como la Directiva Europea CE/741/2020 para aplicaciones agrícolas de agua regenerada.

Figura 2. Relación de tecnologías y calidades alcanzadas del agua regenerada [2]

Las aguas residuales son también ricas en nutrientes, especialmente N y P, los cuales deben ser eliminados durante el proceso de depuración ya que pueden tener un impacto negativo importante en el medio receptor causando episodios de eutrofización (crecimiento algal descontrolado), anoxia e incluso toxicidad [1]. Parte de estos nutrientes son asimilados durante el crecimiento de la biomasa en los procesos de depuración de fangos activos, lo que permite concentrarlos en el residuo sólido típico de las EDAR, los lodos. No obstante, esto es habitualmente insuficiente para cumplir con los limites de vertido, especialmente en zonas sensibles, por lo que suele recurrirse a procesos biológicos y/o químicos para completar la eliminación.

Por un lado, la eliminación de N suele realizarse mediante nitrificación-desnitrificación, que transforma las diferentes formas de N en N₂ gas que se libera a la atmosfera, con elevados costes de energía y sin posibilidad de recuperación de dicho nutriente. Por otro lado la eliminación biológica de P puede maximizarse mediante la estimulación de bacterias acumuladoras de fósforo (PAO) en los reactores biológicos, pero suele ser habitual completar la eliminación mediante precipitación química, lo que conlleva importantes consumos de reactivos (habitualmente sales trivalentes de hierro o aluminio), concentrándose de nuevo en ambos casos el P en el lodo.

Una opción para maximizar el potencial de recuperación de nutrientes en aguas residuales es actuar sobre las corrientes de las EDAR donde estos pueden estar más concentrados, como son las corrientes de retorno de las etapas de espesamiento y/o deshidratación de lodos. En este escenario, las tecnologías de microalgas han demostrado tener un elevado potencial de recuperación de N y P en aguas residuales pero su aplicación a gran escala parece estar en parte limitada por las necesidades de terreno, inestabilidad de proceso y posibles requerimientos de aporte de CO2. Por otro lado la aplicación de tecnologías de membrana (ultrafiltración, osmosis inversa o contactores de membrana) y/o precipitación controlada de estruvita o similares, pueden permitir recuperar gran parte del N y P en forma de sales y o biofertilizantes líquidos concentrados.

Figura 2. Ciclo de nutrientes en una gestión circular del agua residual [3]

Por último, la materia orgánica constituye el principal “contaminante” de las aguas residuales y es la responsable de los mayores costes asociados a la depuración. Por un lado, su eliminación mediante los procesos biológicos convencionales requiere elevado consumo energético para la aeración del medio y permitir el metabolismo microbiano: por un lado la oxidación de esa materia orgánica hasta CO2 (respiración o catabolismo), y por otro lado la asimilación de la misma (crecimiento o anabolismo). Por otro lado, este crecimiento microbiano genera una biomasa que resulta el principal constituyente del lodo de depuradora anteriormente citado, residuo mayormente orgánico obtenido de la depuración cuya gestión supone otro de los costes principales de las EDAR.

Una alternativa para el tratamiento de la materia orgánica son los procesos anaerobios de depuración, en los que bacterias y arqueas específicas producen una serie etapas hidrolíticas y fermentativas en ausencia de aire para convertir la materia orgánica (DQO) en biogás, mezcla principalmente de metano y dióxido de carbono. Este biogás tiene un elevado potencial energético y puede ser utilizado como biocombustible si se somete a un proceso de purificación o upgrading para eliminar impurezas y, opcionalmente, alcanzar concentraciones de metano suficiente para su uso en vehículos o inyección en red de suministro de gas [2].

Estos procesos anaerobios están bastante implantados en aguas residuales industriales con alta carga mediante tecnologías como los reactores anaerobios de membrana (AN-MBR) o de flujo ascendente (UASB, EGSB y IC) pero estas presentan todavía algunas limitaciones para su aplicación a aguas urbanas a causa de la baja carga y temperaturas. Es por este motivo que la tecnología anaerobia en EDAR se encuentra principalmente aplicada mediante digestores anaerobios al tratamiento y estabilización de lodos, donde se concentra la mayor parte de la materia orgánica retirada del agua residual y por tanto el potencial de producción de metano.

Figura 3. Consumo y producción energética a partir de la DQO (COD) del agua residual para tratamientos aerobios y anaerobios [4]

Esta coyuntura de la mayoría de EDAR sitúa por lo tanto gran parte del potencial de la economía circular a partir de aguas residuales en los lodos de depuradora, donde como se ha comentado se acaba concentrando gran parte de los nutrientes y materia orgánica. Cabe comentar que, ciertamente la práctica mas habitual de gestión de los lodos en España y gran parte del arco mediterráneo es a precisamente la aplicación agrícola. Esto es por ende, una práctica, al menos primaria, de economía circular donde se aportan la materia orgánica y nutrientes del lodo al suelo agrícola para que pueda ser aprovechada para el crecimiento y producción de los cultivos [2].

No obstante, las nuevas directivas ambientales y de gestión agrícola, como el RD 1051/2022 de nutrición sostenible, han puesto de manifiesto el posible riesgo de esta práctica por la posible presencia de patógenos y microcontaminantes en el lodo y el afecto adverso de una dosificación inadecuada de nutrientes en relación a las demandas de los cultivos, lo que podría llevar a la contaminación de aguas superficiales y subterráneas cercanas [1].

Estas alertas han despertado de nuevo la necesidad de buscar nuevas formas de valorizar los lodos de EDAR lo que ha impulsado el desarrollo de diferentes posibles tecnologías como son los tratamientos termoquímicos. Estos, incluyendo la pirólisis, carbonización hidrotermal (HTC) o la gasificación, dan lugar a diferentes fracciones de sólido (biochar o biocarbones), líquido (aceites o disoluciones acuosas ricas en materia orgánica y nutrientes) o gas (pyrogas o syngas) que podrían ser utilizados directamente como biocombustibles o como materias primas para la síntesis de diferentes productos de valor añadido, incluyendo hidrógeno, metanol, fertilizantes o comodities varios [2].

Con todo esto, cabe comentar que en esta entrada solo se ha mencionado algunas técnicas para la recuperación de los recursos más básicos contenidos en las aguas residuales, per existe una mucho mas amplia gama de posibilidades como son la recuperación de moléculas de alto valor añadido como polifenoles, macronutrientes o ingredientes activos farmacéuticos (especialmente de aguas industriales), de metales, proteínas, celulosa, etc. y la valorización avanzada de lodos en forma de biomateriales como adsorbentes, bioplásticos o incluso materiales de construcción [1, 2].

En cualquier caso, hay que tener en cuenta que las tecnologías y prácticas de economía circular tendrán inevitablemente un límite técnico y coste que habrá que evaluar en cada caso. Todo apunta que estas solo serán sostenibles si vienen acompañadas de un cambio responsable en las prácticas de producción y consumo que se centren en cubrir las necesidades reales de los ciudadanos más que en obtener buenos indicadores de satisfacción y beneficios económicos.

Figura 4. Esquema conceptual del planteamiento de economía circular en aguas residuales [1]

Referencias:

[1] European Environmental Agency, EEA Report Nº5., 2022. Beyond water quality-Sewage treatment in a circular economy.

[2] Guerra-Rodríguez, S., Oulego, P., Rodríguez, E., Singh, D.N., Rodríguez-Chueca, J., 2020. Towards the implementation of circular economy in the wastewater sector: Challenges and opportunities. Water (Switzerland) 12.

[3] Ye, Y., Ngo, H.H., Guo, W., Chang, S.W., Nguyen, D.D., Zhang, X., Zhang, J., Liang, S., 2020. Nutrient recovery from wastewater: From technology to economy. Bioresour. Technol. Reports 11, 100425.

[4] Chetty, S., Pillay, K., 2015. Application of the DIY carbon footprint calculator to a wastewater treatment works. Water SA 41, 263–272.

Escrito por Nuria Zamorano López

 

 

 

La situación es tremenda. En este 2023, hasta la fecha, llevamos una media de entre 89 y 100 días  sin registrar una sola precipitación en forma de lluvia en muchas zonas peninsulares. Ante esta situación tenemos dos opciones: esperar a la llegada de una borrasca que permita reequilibrar el déficit hídrico acumulado hasta ahora; o acelerar la implementación de las tecnologías que se han desarrollado en los últimos años para la reutilización de manera segura del agua regenerada.

 

Figura 1. Duración de la racha sin precipitaciones en España (Fuente¹).

De manera tradicional, las Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales (EDAR) han evolucionado hasta implementar distintos sistemas de tratamiento terciario que las posicionan hoy en día como espacios donde es posible la regeneración de agua, de tal forma que no sólo permita su retorno al medio ambiente, sino que también facilite su reutilización. Mediante esta estrategia se estima que se pueden llegar a suministrar hasta 6.000 millones de metros cúbicos en la Unión Europea. Sin embargo, en la actualidad el porcentaje promedio en esta región es de un 2.4% de reutilización de las aguas residuales que se tratan en EDAR. Este porcentaje aumenta considerablemente en las regiones del Mediterráneo, donde la situación climática está caracterizada por periodos de sequía. Frente a esta situación, la nueva dirección en el territorio europeo está cambiando de manera acelerada por la crisis climática y, en concreto, en materia de reutilización de agua, hay giro y una apuesta firme por la reutilización de agua regenerada en agricultura (uno de los sectores de mayor consumo de agua dulce en el mundo). En este marco se ha creado el Reglamento (UE) 2020/741 del Parlamento Europeo y del Consejo, de 25 de mayo de 2020, relativo a los requisitos mínimos para la reutilización del agua. Esta nueva legislación, que entra en vigor el próximo 26 de junio de 2023, incluye las siguientes novedades: define las categorías de cultivos susceptibles de ser irrigados con agua regenerada, así como los requisitos mínimos de calidad y el control del agua regenerada a realizar en las Estaciones Regeneradoras de Aguas (ERA).

Tabla 1. Clasificación del agua regenerada por su calidad y cultivo receptor (Fuente³).

Tabla 2. Requisitos de calidad del agua regenerada por tipo (Fuente³).

Sin duda, la mayor novedad de este reglamento es la mayor restricción y control sobre la calidad de las aguas de tipo A, cultivos alimentarios para consumo en crudo o cuya parte comestible contacta con las aguas tratadas, en base a tres indicadores microbiológicos. Hasta ahora, el control se había basado principalmente en el seguimiento de un indicador de la presencia de microorganismos de origen fecal como Escherichia coli, nematodos intestinales (a través de la medida de huevos de helminto) y Legionella spp. (en el caso de haber riego por aspersión), tal y como se recoge en el Real Decreto 1620/2007. A partir del próximo mes de junio, el control en las estaciones que implementen nuevos sistemas de tratamiento terciario para la regeneración de los efluentes de EDAR de tratamiento terciario deberán cumplir con los límites establecidos en base a tres bioindicadores de distintos grupos de microorganismos como son las bacterias, los virus y los protozoos. Tal y como se recoge en la siguiente figura, se incluye además un nuevo parámetro de control como es la tasa de inactivación microbiana, calculada como el logaritmo decimal de las concentraciones detectadas a la entrada del sistema terciario y a su salida, de cada uno de los tres bioindicadores.

Para ello, se han establecido distintos microorganismos o elementos diana que permiten realizar el seguimiento de cada grupo de bioindicadores y comprobar su eliminación en la fase de regeneración del agua tratada. En el caso de las bacterias, se mantiene el seguimiento de las unidades formadoras de colonia por cada 100 mL de muestra de Escherichia coli. Los virus se monitorizarán mediante el análisis de los colífagos totales, que son un tipo de virus que se caracteriza por depredar o fagocitar bacterias coliformes, y los protozoos se analizarán de manera indirecta mediante el análisis de esporas de la bacteria Clostridium perfringens o de aquellas bacterias formadoras de esporas y reductoras de sulfato. Esta medida indirecta se ha propuesto por tener las esporas una fisiología similar a los oocitos de protozoos, y ser por tanto formas resistentes a los tratamientos de aguas. Además, de manera alternativa, se han propuesto otros indicadores para estos grupos: la medición mediante técnicas de biología molecular como la reacción en cadena de la polimerasa cuantitativa (qPCR, por sus siglas en inglés) de grupos de virus entéricos como los Rotavirus; o la medición directa de los oocitos de protozoos como Giardia o Cryptosporidium.

Tabla 3. Objetivos de rendimiento de la cadena de regeneración de aguas (Fuente³).

(*) Los patógenos de referencia Campylobacter, rotavirus y Cryptosporidium también podrán emplearse para el control de validación, en lugar de los microorganismos indicadores propuestos. En ese caso, se aplicarán los siguientes objetivos de rendimiento (reducción de log10): Campylobacter (≥ 5,0), rotavirus (≥ 6,0) y Cryptosporidium (≥ 5,0).

(**) Se ha seleccionado colífagos totales como el indicador viral más adecuado. No obstante, si no es posible el análisis de los colífagos totales, se analizará al menos uno de ellos (colífagos F-específicos o somáticos).

(***) Se han seleccionado las esporas de Clostridium perfringens como el indicador de protozoos más adecuado. No obstante, las bacterias formadoras de esporas reductoras de sulfato son una alternativa si la concentración de esporas de Clostridium perfringens no permite validar la reducción de log10 solicitada.

 

El mayor control de análisis de la calidad de agua en cuanto a parámetros microbiológicos supone un incremento del coste analítico y crea una necesidad por disponer de métodos de monitorización en tiempo real o casi-real de los grupos diana. Es por ello que durante los últimos años se han desarrollado numerosas tecnologías que mejoren el seguimiento de la presencia de microorganismos en la salida de agua regenerada de las EDAR y reduzcan los tiempos de respuesta. De manera tradicional, una analítica de E. coli tiene un tiempo de respuesta de entre 48-72h según la distancia al laboratorio de análisis. Estos tiempos comprometen y limitan en gran medida la reutilización de agua y suponen una complejidad operacional. Por ello, hay un claro interés hacia la implementación de biosensores o sistemas de medición de bioindicadores como E. coli en las EDAR y, a poder ser, que estos tengan capacidad de generar medidas en tiempo real y conectadas a los sistemas digitales.

Aunque queda mucho por seguir desarrollando e innovando, dadas las circunstancias generales merece la pena resaltar las opciones que hay hoy en día en el mercado para poder mejorar el control microbiológico en EDAR. A continuación, se hará un resumen de aquellos dispositivos y métodos que han supuesto una innovación en el mercado y que pueden mejorar el control actual microbiológico en las ERA y EDAR.

Uno de los equipos destacados es el desarrollado por la empresa suiza bNovate, que ha sido galardonada con varios premios internacionales como en 2019 el premio Water Innovation Europe Award y más recientemente el prestigioso premio en la plataforma UpLink del World Economic Forum. En el mercado hay otras alternativas existentes como los equipos BACTcontrol, el sistema Coliminder   y la sonda Poteus que permiten la medición in-situ de E. coli. Pero también hay opciones para la detección de fagos como los kits desarrollados por la spin-off de la Universitat de Barcelona Bluephage. Estos sistemas junto con otras metodologías se detallarán en la siguiente entrada de este blog.

Por último, es necesario resaltar que, aunque hay mucho camino realizado, son muchos los aspectos en los que la innovación tiene que seguir marcando la dirección a seguir ya que quedan muchos aspectos por mejorar para garantizar un buen control de la calidad microbiológica del agua regenerada en el menor tiempo posible y con un coste asequible desde el punto de vista de la explotación de EDAR. Aspectos como la diferenciación entre las formas viables y no viables de los biomarcadores detectados, la estandarización de los métodos alternativos de medición contra los métodos tradicionales, la unificación de los métodos de medición en plataformas multipatógeno y la sensibilidad de los sistemas de medición; son algunas de las áreas que requieren una mayor inversión, desarrollo e innovación.

Esperamos que este sea el camino a seguir y que, junto a la divulgación y difusión de resultados que prueben la seguridad de la reutilización de las aguas regeneradas para fines como la agricultura, siga impulsando la mejor distribución de este recurso y su gestión. Ante un escenario cambiante marcado por la evolución del cambio climático, es cada día más necesaria una visión circular en la que se mejore la aceptación social de la reutilización de agua.

Figura 2. Secuencia de la regeneración de agua, de izquierda a derecha: agua residual bruta, agua residual tratada y agua regenerada (Fuente: https://en.wikipedia.org/wiki/Reclaimed_water#/media/File:Reclaimed_Water_Jars.jpg).

 

Fuentes:

• https://www.eltiempo.es/noticias/100-dias-sin-lluvia-sequia-espana consultado el 13 de abril de 2023.
• https://www.worldbank.org/en/topic/water-in-agriculture#:~:text=Currently%2C%20agriculture%20accounts%20(on%20average,be%20both%20physical%20and%20virtual.
• https://eur-lex.europa.eu/legal-content/ES/TXT/?uri=celex%3A32020R0741.
• https://www.boe.es/buscar/doc.php?id=BOE-A-2007-21092
• https://www.bnovate.com/post/2019/06/25/water-innovation-europe-awards
• https://www.weforum.org/agenda/2023/01/davos2023-water-security-innovation-startups-entrepreneurs/

Escrito por José Luis Marín Delgado

 

 

 

 

El alto consumo energético de los procesos que se usan para la obtención y tratamiento de agua potable es uno de los principales factores que contribuyen al precio final de la misma. Por ello, es necesario buscar alternativas para optimizarlos, mejorando su diseño, para así poder ofrecer agua de calidad a precios asequibles para la población.

Dentro de este reto, encontramos una tecnología específica para la desalinización de agua de mar o corrientes con altas cantidades de sólidos disueltos: la ósmosis inversa. En este proceso, como se puede ver en la figura 1, se hace pasar el agua por una membrana semipermeable, de forma que, al superar la presión osmótica, se consigue la separación de la corriente inicial en dos diferentes: la corriente de agua desmineralizada y un concentrado de agua con todos los sólidos disueltos que había en la corriente original (salmuera).

Figura 1: Esquema básico sistema de ósmosis inversa. Fuente: elaboración propia

Una de las características principales de este proceso es que la corriente de rechazo sale del tratamiento a una alta presión, casi igual que aquella a la que se introduce la alimentación. Esto se debe a que, para romper la presión osmótica, es necesario aplicar gran cantidad de energía (requiriéndose presiones de hasta 60-70 bar en función de la cantidad de sólidos disueltos).

Además, la conversión en los procesos de ósmosis inversa (proporción de caudal de alimentación que se convierte en permeado) no suele superar el 45% por lo que, al finalizar el tratamiento, se obtiene una corriente residual con una gran presión y más de la mitad del caudal inicial, que debe ser desechada rompiendo carga, usando una válvula semiabierta que permite generar la pérdida de presión necesaria. Conscientes de este problema energético, el sector del agua se ha movilizado y creado soluciones para atajar esta situación.

Turbinas

La primera solución que se propuso fue la implementación de turbinas, que permitían aprovechar ese exceso de caudal y energía obteniendo de nuevo energía eléctrica que usar en la planta. Las más usadas han sido las turbinas Francis (reacción) y las turbinas Pelton (acción), de forma que dependiendo del caudal y la presión resultante se emplea un tipo u otro. Con esta alternativa, la energía generada puede ser utilizada directamente en la bomba de alta presión de alimentación a ósmosis como se puede ver en la imagen 1.

Imagen 1: Conjunto de turbina-motor-bomba de alta presión(izda-dcha).

El problema de este tipo de equipos viene dado, principalmente, por dos motivos. El primero, es el material empleado para su fabricación ya que, como se ha comentado anteriormente, el rechazo de la ósmosis está altamente cargado de sólidos disueltos (cloruros y sulfatos, entre otras sales). Esto implica que las turbina deben de ser muy resistentes a la corrosión, optando por materiales aleados como el Superduplex, costoso a nivel económico y difícil de trabajar, haciendo que los tiempos de entrega se dilaten en comparación con materiales convencionales.

El segundo tiene que ver con el rendimiento de las turbinas. Normalmente estos equipos tienen un rendimiento hidráulico del 80-90% por lo que queda un porcentaje restante que se sigue desperdiciando.

Cámaras isobáricas

En los últimos años, la opción más extendida en la industria para la recuperación de energía a partir del rechazo de la ósmosis inversa ha sido el uso de recuperadores de energía isobáricos: equipos en los cual se transmite la presión desde el rechazo al agua de alimentación a la ósmosis.

Figura 2: Diagrama funcionamiento con cámaras isobáricas. Fuente: elaboración propia

El funcionamiento del sistema (ilustrado en la Figura 2) es el siguiente: se divide el agua de alimentación a ósmosis en dos corrientes, de forma que una de ellas (1) pasará por la bomba de alta presión de ósmosis, mientras que una parte igual al caudal de rechazo (2) entrará en cámaras de intercambio de presión isobáricos, donde es enfrentada con la corriente de rechazo (4).

Por tanto, en el equipo de recuperación las corrientes 4 y 2 se “enfrentan” para transmitir la presión, dando como resultante una corriente de agua bruta de alta presión (7) y un rechazo (6) a baja presión (Figura 3).

Figura 3: Detalle funcionamiento cámara isobárica [1]

Como se puede ver en la Figura 2, debido a las pérdidas de presión que se ocasionan en el equipo recuperador, tuberías y a la pérdida de presión transmembrana, es necesario incluir en el sistema una bomba (8) para equilibrar la presión con la de la corriente impulsada por la bomba de alta presión, lo que permite alimentar las membranas a la presión de diseño. Esa bomba es comúnmente conocida como bomba “booster”.

 

Figura 4: Corte cámara isobárica comercial [2], [3]

Al contrario que las turbinas, estos sistemas son capaces de obtener un rendimiento de hasta un 98% de la presión y caudal de rechazo, existiendo una pequeña pérdida de caudal que es utilizado para lubricarse internamente produciendo un incremento de salinidad del agua de entrada debido a la mezcla de corrientes.

Además, están fabricados en materiales cerámicos que les otorgan gran resistencia química y física para soportar los esfuerzos a los que son sometidos. Finalmente, otra de sus ventajas es que no necesitan una fuente de energía (motor) para iniciar el giro y, valiéndose de la presión de entrada del agua para empezar a funcionar.

Por contraposición, mientras que una turbina puede captar todo el caudal proveniente del rechazo, el tamaño y volumen tratado por los recuperadores hace que se tengan que instalar varios en paralelo (formando bastidores de recuperadores; Imagen 2) para poder aprovechar toda el agua proveniente de los bastidores de ósmosis.

Imagen 2: Ejemplo de bastidores de recuperación

Para terminar, no podemos olvidar que, aunque la recuperación de energía está ampliamente instaurada, el mercado está en continuo movimiento, buscando nuevas formas de recuperar energía (mejorando las tecnologías actuales) y desarrollando nuevas soluciones capaces de tratar la salmuera producida para extraer subproductos de valor añadido además del producto principal, el agua desalinizada.

Referencias

[1] Flowserve (6 de octubre 2022). Flowserve FLEX™ Energy Recovery Device: Next-Generation Compact Pressure Exchanger. Youtube.

[2] Flowserve (11 de Marzo 2023). Dispositivos isobáricos. Flowserve.

[3] Energy Recovery Inc (11 de Marzo 2023). Pressure exchanger technology. Energy Recovery.

Escrito por Jesús Mateo Robledo, Vicepresidente de YWP.

 

 

 

 

La coexistencia de diversas infraestructuras es algo habitual en los grandes núcleos poblacionales de todo el mundo. Muchas de ellas, son básicas para proveer a la población de servicios esenciales como son: el acceso a agua potable, electricidad, gas, etc. Por ello, es importante identificar las influencias negativas que pueden producir unas infraestructuras en otras.

Desde el punto de vista del sector del agua, una de las influencias más significativas es la corrosión de tuberías metálicas debido a la existencia de corrientes vagabundas. Este tipo de corrosión se debe fundamentalmente a infraestructuras que precisan de fuentes de energía eléctrica de corriente continua, por ejemplo, el ferrocarril convencional, tranvías, sistemas de protección catódica ajenos a las tuberías, etc.

Ilustración 1.- Corrientes vagabundas producidas por ferrocarril. Fuente: blog electricidad Derio S.L.U.

La corrosión de tuberías producida por las “Corrientes vagabundas”, es causada por corrientes que pertenecen a un determinado circuito de corriente continua (ferrocarril o tranvía) y se deriva a otro circuito ajeno (red de tuberías), circulando a través de ellas hasta que en algún punto las abandonan para cerrar el circuito (subestación). En la zona de la tubería donde entra y sale la corriente, es donde tendrá lugar un proceso de corrosión que será tanto más grave cuanto mayor sea la corriente y menor sea la superficie de metal por la que sale (elevada densidad de corriente).[1]

Las consecuencias más habituales derivadas de este tipo de corrosión son las pérdidas de agua y problemas de resistencia en las tuberías por disminución de espesor. Todo ello, puede provocar graves problemas que ponen en riesgo la garantía de suministro de agua potable y afecciones importantes a otras infraestructuras o daños estructurales en viviendas. 

Ilustración 2.- Efectos de las corrientes vagabundas en tuberías enterradas. Fuente: elaboración propia.

Con el fin de evitar la aparición de estados graves de corrosión, existen multitud de herramientas que se pueden implementar en los planes de mantenimiento predictivo de las redes de tuberías enterradas. Una técnica sencilla y altamente eficaz, es llevar a cabo mediciones periódicas del potencial de las tuberías con respecto al terreno y su posterior análisis.

Los equipos necesarios para realizar las mediciones mencionadas anteriormente son: un electrodo de referencia (Cu/CuSO₄) y un polímetro de alta impedancia (con capacidad de almacenamiento). En la ilustración número 3, se detalla cómo se debe realizar la conexión de los equipos para medir el potencial de la tubería correctamente, posicionando el electrodo en el terreno lo más cercano posible de la generatriz de la tubería.

Ilustración 3.- Conexión de equipos para medir potencial en tuberías. Instrumentos necesarios para la medición. Fuente: elaboración propia.

A continuación, se muestra un ejemplo de una medición de potencial realizada en una tubería en la que se pretende evaluar la existencia de corrientes vagabundas. Como se puede observar, el potencial de la tubería tiene una gran fluctuación a lo largo del tiempo y se estabiliza en torno a un valor constante en una franja horaria concreta. Comparando estos valores con los horarios habituales de una vía ferroviaria cercana al punto de medición, se llega a la conclusión de que existen “Corrientes vagabundas”, que pueden provocar graves procesos de corrosión en la infraestructura hidráulica.

Ilustración 4.- Gráfico del registro de mediciones de potencial en una tubería enterrada. Fuente: elaboración propia.

Una solución para mitigar la influencia de las “Corriente vagabundas” en la tubería analizada, podría ser la instalación de elementos aislantes que eviten la continuidad eléctrica a lo largo de la traza de la tubería. Esto facilitaría que la tubería no sea un camino preferencial para las corrientes vagabundas, evitando así la aparición de fenómenos electroquímicos ligados a la corrosión en las paredes de las tuberías metálicas.

Ilustración 5.- Aislamiento de secciones de tubería en conexiones de tipo brida. Fuente: elaboración propia.

Ilustración 6.- Aislamiento de secciones de tuberías con uniones soldadas. Fuente: elaboración propia.

De forma complementaria, se podría elaborar un estudio de viabilidad para acometer la instalación de un drenaje unidireccional de corriente entre la línea ferroviaria y la red hidráulica afectada. Con ello, se garantizaría la protección frente a las corrientes vagabundas de la sección de la tubería más afectada por ellas. También, cabe mencionar que esta solución adquiere una mayor complejidad por la gestión de permisos administrativos con los gestores de las infraestructuras ferroviarias.

Ilustración 7.- Esquema de conexión drenaje unidireccional.

Como se muestra en las imágenes número 7 y 8, un drenaje unidireccional es simplemente la conexión eléctrica a través de conductores entre las vías ferroviarias y las tuberías. Dicha conexión dispondrá de elementos de electrónica de potencia como diodos, para facilitar el retorno de las corrientes vagabundas a su camino natural hasta las subestaciones ferroviarias. Estos sistemas deberán ser dimensionados en función de las características de cada aplicación.

Ilustración 8.- Detalle del conexionado de cables entre vías y tuberías de un drenaje unidireccional de corriente. Fuente: elaboración propia.

Ilustración 9.-Esquema equipo de drenaje unidireccional de corriente. Fuente.

Como conclusión, la corrosión debida a corrientes vagabundas en tuberías metálicas enterradas es un peligro silencioso que afecta a importantes infraestructuras hidráulicas. Esto representa un gran desafío al que se enfrentan las empresas que gestionan redes de abastecimiento de agua potable en grandes núcleos poblacionales. Por ello, será tanto más importante cuanto más rápido sea el diagnostico de las infraestructuras afectadas y la instalación de sistemas de protección frente a este tipo corrosión en las tuberías.

Referencias bibliográficas:

[1] Adrián Gomila Vinent. Sistemas de protección catódica en tuberías enterradas. Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico del Agua (CIDTA), Universidad de Salamanca.

[2] Paola Andrea Postigo Rojas. Influencia de corrientes vagabundas del tren metropolitano CBBA sobre las tuberías enterradas de acero de transporte de hidrocarburos con protección catódica. Sociedad de ingenieros de Bolivia. Septiembre 2022.