LIFE 3E: mejora de la sostenibilidad de una depuradora aprovechando la energía del gradiente salino

Las estaciones depuradoras de aguas residuales, si bien son parte indispensable en el ciclo del agua, consumen importantes cantidades de energía en las etapas de tratamiento y bombeo. En la actualidad, la mayor parte de esta energía se obtiene a partir de combustibles fósiles con las consiguientes emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI). El proyecto europeo LIFE 3E persigue mejorar la sostenibilidad de las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDARes) urbanas a través de un enfoque de economía circular; para ello el proyecto promueve la recuperación integral de los recursos contenidos en el agua tratada en las citadas plantas, facilitando la regeneración y reutilización del agua y el aprovechamiento de la energía generada en la mezcla de aguas tratadas con corrientes de mayor salinidad. El proyecto, coordinado por la empresa pública cántabra Medioambiente, Agua, Residuos y Energía (MARE S.A), ha sido financiado en la convocatoria europea de proyectos competitivos LIFE eficiencia medioambiental y de recursos y tiene un plazo de ejecución de 48 meses con un presupuesto total de 1.732.084 €. En el proyecto también participan las universidades de Cantabria y Darmstadt (Alemania), el Centro de Investigación del Medio Ambiente de Cantabria (CIMA) y la PYME española APRIA Systems S.L., orientada al desarrollo e innovación tecnológica.

LIFE 3E representa una nueva alternativa para el aprovechamiento de los recursos contenidos en las aguas tratadas de una EDAR, a través de la integración de tecnologías que posibiliten la regeneración del agua tratada y recuperación simultánea de la energía de gradiente salino.

Escasez de agua: El reto de la reutilización de aguas regeneradas

La Agenda 2030 adoptada por la Organización de las Naciones Unidas (ONU) tiene como objetivo erradicar la pobreza, proteger el planeta y asegurar la prosperidad de todas las personas. Para ello, se han definido 17 Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS), cada uno con unas metas específicas. Específicamente, dentro de estos 17 ODS se encuentran los objetivos 6: agua limpia y saneamiento, 7: energía asequible y no contaminante y 13: acción por el clima, centrados esencialmente en ampliar el acceso de la población a agua potable y a la implantación y desarrollo de nuevas formas de obtención de energía.

Hoy en día, uno de los principales retos a los que tiene que enfrentarse la sociedad es el acceso al agua potable. Este acceso se ha visto mermado debido fundamentalmente a tres factores, el aumento de la población, la degradación de los recursos hídricos disponibles y el cambio climático. En lo referente al crecimiento demográfico, estimaciones recientes sugieren que para el año 2050, la población pueda aumentar en 2000 millones de personas llegando a 9,7 billones en todo el planeta; esto hace necesario tomar medidas urgentes para poder abastecer a toda la población con agua de calidad. Además, desde la revolución industrial, numerosas fuentes de agua se han visto mermadas y han perdido calidad, ya que se han sobre-explotado y en muchos casos, se han devuelto aguas contaminadas deteriorando la calidad de los recursos. Así mismo, conviene destacar que una de las consecuencias del cambio climático es la disminución general del volumen de lluvia y su concentración en cortos periodos de tiempo; estos fenómenos derivan en el aumento del estrés hídrico en zonas con gran afectación y en el aumento del uso de fertilizantes para garantizar la producción agrícola. Este último punto genera además una nueva fuente de contaminación, ya que gran parte de los compuestos contenidos en los fertilizantes permean a través del suelo y acaban en los recursos hídricos.

Promover la regeneración y reutilización del efluente de salida de las EDARes es una acción clave para garantizar el ciclo completo del agua, proteger al medioambiente de la notable disminución de los recursos de agua natural y evitar la presión eco-sistemática generada por los vertidos de aguas tratadas al medio natural.

Otro gran desafío que es necesario abordar es satisfacer la creciente demanda energética, limitando la emisión de gases de efecto invernadero a la atmósfera. Para ello, es preciso el desarrollo de políticas que dirijan la sociedad y la economía hacia un consumo energético responsable, fomenten la eficiencia de los procesos y la utilización de tecnologías no contaminantes basadas en fuentes de energía limpias y renovables. En la actualidad, pese a que hay fuentes renovables de energía desarrolladas e implementadas plena escala industrial, éstas no son capaces de proveer un suministro continuo, por lo que en mayor o menor medida sigue siendo necesario recurrir al uso de combustibles fósiles.

En este contexto, es imprescindible adoptar medidas urgentes para la obtención de nuevas fuentes de agua dulce, a través de la regeneración de aguas tratadas en EDARes con recuperación simultánea de energía haciéndolas más sostenibles.

Depuradoras de aguas residuales como nuevas fuentes de agua. Calidad de las aguas tratadas y consumo energético

Las Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales juegan actualmente un papel fundamental para asegurar el saneamiento de agua en nuestra sociedad. Así, estas estaciones se encargan del tratamiento del agua una vez utilizada permitiendo que esta sea devuelta al medio receptor con la calidad requerida. Sin embargo, el dato referente al tratamiento que reciben las aguas resultantes de actividades humanas a nivel mundial, es alarmante ya que, como recoge un informe de la ONU, el 80 % del agua utilizada se vierte a los ríos o al mar sin ningún tipo de tratamiento.

El principal inconveniente de las estaciones depuradoras, es la gran cantidad de energía que consumen por metro cúbico de agua tratada, aproximadamente, 0,67 kWh/m3, el cual se ve aumentado en aquellos casos en los que la estación cuenta con un tratamiento terciario. A pesar de que, con esta etapa, el efluente cumple con los estándares de calidad adecuados tanto para uso urbano como para aplicaciones industriales, la realidad muestra que en España en muchos casos únicamente se utiliza para disminuir la presencia de microorganismos y asegurar el vertido al medio receptor con garantías.

En cuanto al marco legal, España en la actualidad cuenta con un Real Decreto, el 1620/2007 de 7 de diciembre, por el que se establece el régimen jurídico de la reutilización de aguas depuradas¹. En él, aparecen en función del uso al que se va a destinar el agua regenerada, distintos estándares de calidad. Sin embargo, en el ámbito europeo, en mayo de 2020 se aprobó un nuevo Reglamento, el 2020/741, de 25 de mayo de 2020² relativo a los requisitos mínimos para la reutilización del agua. Este Reglamento, está orientado a regular la regeneración de agua en el sector agrícola de forma más estricta, por lo que se espera que España, se adapte a dicho reglamento a lo largo del presente año 2021.

En definitiva, promover la regeneración y reutilización del efluente de salida de las EDAR es es una acción clave para garantizar el ciclo completo del agua, proteger al medioambiente de la notable disminución de los recursos de agua natural y evitar la presión eco-sistemática generada por los vertidos de aguas tratadas al medio natural.

Las EDARs son emplazamientos idóneos para la implantación de la tecnología de electrodiálisis reversa para la recuperación de la EGS, ya que puede suponer un descenso del consumo energético proveniente de combustibles fósiles.

Recuperación de la Energía de Gradiente Salino (EGS) a través de la tecnología de electrodiálisis reversa

Una de las fuentes de energía renovable que más interés está cobrando desde el inicio del siglo XXI es la recuperación de la energía contenida en el gradiente salino (EGS). Consiste en extraer la energía que se genera de forma espontánea cuando dos corrientes de agua de distinta salinidad (p.ej. agua de mar y agua de río), se ponen en contacto. Su principal ventaja es que, a diferencia de otras energías renovables como la solar o la eólica, puede funcionar de manera continua, sin variaciones abruptas y con suministro invariable. Este tipo de energía también destaca porque durante su generación no se emiten gases de efecto invernadero ni provoca contaminación acústica o térmica, no consume reactivos ni tampoco genera residuos^3,4.

Para obtener esta energía, hay diversas tecnologías disponibles, pero dos son las más desarrolladas hasta la fecha, la ósmosis por presión retardada y la electrodiálisis reversa (EDR). La EDR se basa en el uso de membranas de intercambio iónico, que permiten el paso de iones de manera selectiva. La implantación de esta tecnología es muy sencilla ya que el núcleo para su funcionamiento es un módulo con pares de membranas iónicas y dos electrodos en los extremos. Cada par de membranas, la unidad fundamental del módulo, está formada por una membrana catiónica, un separador, una membrana aniónica y otro separador. Igualmente se requiere del uso de un electrolito, pero en ningún caso entra en contacto con las corrientes de agua, por lo que no existe riesgo de contaminación. Además, se ha demostrado que puede ser utilizado durante largos periodos de tiempo con sencillos protocolos de mantenimiento.

Los esfuerzos para conseguir la madurez plena de esta tecnología se centran actualmente en dos vías, i) diseñar el pretratamiento óptimo, que permita asegurar la estabilidad del módulo de EDR, es decir, que no se vean afectadas las membranas por ningún compuesto presente en las aguas, con el mínimo requerimiento energético posible y ii) avanzar en el desarrollo de membranas con alta estabilidad temporal en entornos reales.

En este contexto, las EDARes son emplazamientos idóneos para la implantación de la tecnología de electrodiálisis reversa para la recuperación de la EGS, ya que puede suponer un descenso del consumo energético proveniente de combustibles fósiles. Además, como el agua no sufre ningún tipo de modificación más allá de un ligero aumento de salinidad en el caso de la corriente con menos salinidad, el agua de salida puede reutilizarse sin comprometer los usos posteriores. El aprovechamiento de la EGS necesita, además del agua tratada, una corriente de agua con mayor salinidad, por lo que aquellas EDARes situadas en las proximidades de plantas desaladoras o cercanas al mar presentan una ubicación idónea.

Potencial de la EGS

Es importante destacar que la recuperación de la Energía contenida en el Gradiente Salino, utilizando la tecnología EDR, resulta técnicamente viable en un amplio rango de variables de operación. Dentro de éstas, tanto el caudal, como la temperatura y la diferencia de concentración entre las dos corrientes que se ponen en contacto, tienen una gran influencia en el rendimiento del proceso, viéndose favorecido al aumentar estas variables. Sirva como ejemplo, que un cambio de temperatura desde 18 a 24 ºC puede suponer un incremento del 25 % en términos de densidad de potencia bruta.  En cuanto a los parámetros operacionales, tales como la geometría y área efectiva de las membranas, así como el número de pares de membranas instalados entre otros, también tienen una gran influencia en la eficacia en la recuperación de energía.

Finalmente, en cuanto a la presencia de distintos iones divalentes en las corrientes de alimentación, tales como magnesio o calcio, o sólidos totales disueltos en las aguas, presentan una influencia negativa en la obtención de energía utilizando la EDR. Sin embargo, estudios recientes sugieren que, con sencillos pretratamientos adecuados al tipo de interferencia, se puede minimizar la pérdida de energía extraíble. Por ejemplo, en la mezcla agua de mar-efluente de EDAR la disminución de energía recuperada es de apenas el 15 % cuando se utilizan aguas reales, tratadas, en lugar de una alimentación constituida únicamente por cloruro de sodio^5,6.

El principal reto al que se enfrenta LIFE 3E es avanzar en la sostenibilidad de los sistemas de regeneración de aguas depuradas mediante su integración con tecnologías que posibiliten recuperación de energía; este último aspecto se concreta en la transformación de la energía del gradiente salino resultante del contacto del agua tratada con agua de mar utilizando la tecnología de electrodiálisis reversa.

LIFE 3E: enfoque y resultados esperados

El proyecto europeo LIFE 3E, tiene como objetivo contribuir al ciclo del agua, integrando en las etapas de regeneración de aguas tratadas la recuperación de la energía de gradiente salino; la implementación se proyecta en estaciones depuradoras de agua situadas en emplazamientos próximos a la costa. Así, LIFE 3E tiene una triple vía de actuación: medioambiente, protegiendo los recursos de agua, energía, proponiendo una disminución de los requerimientos energéticos, y eficiencia, haciendo las EDARes instalaciones más sostenibles. La Figura 1, muestra un esquema conceptual de LIFE 3E. El proyecto comenzó en octubre de 2020 y tendrá una duración de 48 meses con un presupuesto total de 1.732.084 €, de los que el 55 % está financiado por la convocatoria y el 45 % restante lo aportan las propias entidades.

El consorcio está formado por 5 socios, cuatro de ellos españoles. La coordinadora del proyecto es Medioambiente, Agua, Residuos y Energía (MARE S.A.), sociedad pública mercantil, encargada de la gestión del agua, de los residuos y su valorización energética y el mantenimiento del territorio en la Comunidad Autónoma de Cantabria. También participa el Grupo de Investigación de Procesos Avanzados de Separación de la Universidad de Cantabria, experto en el impulso de nuevas fuentes de energía renovables como la EGS y en el diseño de tratamientos óptimos para garantizar la calidad de las aguas entre otros temas que desarrolla. El consorcio también cuenta con la presencia de la empresa de base tecnológica APRIA Systems S.L., líder en el campo del tratamiento purificación y valorización de corrientes líquidas a través de tecnologías innovadoras. Finalmente, dentro del territorio español, coopera el Centro de Investigación del Medio Ambiente de Cantabria (CIMA), organismo autónomo del Gobierno de Cantabria, donde uno de sus objetivos fundamentales es aportar los medios necesarios para asegurar la participación y concienciación de los ciudadanos respecto de las distintas problemáticas ambientales. Conjuntamente con estos cuatro socios, participa la Universidad alemana de Darmstadt a través de su instituto IWAR, dedicada a la protección del agua y el medio ambiente.

El proyecto se desarrollará en dos fases, una primera en la que se definirán todos los elementos necesarios para el diseño y construcción de la planta piloto que será ubicada en la EDAR de Comillas (Cantabria), emplazamiento escogido en un proyecto competitivo previo, GRADISAL, en el que estuvieron involucrados UC, APRIA y MARE y se demostró la viabilidad de la tecnología en Cantabria, y se sentaron las bases para el presente proyecto LIFE 3E.  En este sentido, la depuradora de Comillas destaca por su proximidad al mar y, consecuentemente, se puede disponer de dicha agua como corriente concentrada. En una segunda fase la planta piloto será puesta en funcionamiento y se definirán las pautas para su replicación en otras plantas similares. Igualmente, se realizará una evaluación ambiental del proceso a partir del análisis de ciclo de vida. Finalmente, se realizará un estudio de las características de diferentes EDARes, de toda Europa, tales como calidad de las aguas, emplazamiento, orografía, etc. con objeto de evaluar la transferibilidad del proyecto.

En cuanto a las tareas en las que se centrará cada socio, MARE, cederá sus instalaciones y, además, será una beneficiaria directa de los resultados del proyecto, ya que en el futuro podrá implementar la reutilización del agua regenerada y el aprovechamiento de la EGS en diversas depuradoras de la región. Por su parte, la planta piloto será diseñada por APRIA, quien podrá incorporar a su cartera de productos, plantas con la tecnología de electrodiálisis reversa. Además, podrá desarrollar una nueva unidad de negocio basada en el diseño de tratamientos óptimos para las EDARes. En el caso de la UC, prestará soporte a lo largo de todo el proyecto a través de la realización de experimentos a escala laboratorio en sus instalaciones, así como desarrollará y validará el modelo matemático y participará en la recogida de datos de las distintas depuradoras europeas. El CIMA por su parte, se encargará de las labores de difusión del proyecto, así como de realizar los análisis al efluente y a las corrientes del proceso, para asegurar el cumplimiento de los estándares de calidad. Por último, el IWAR tiene a cargo el desafío de realizar el análisis de ciclo de vida del proyecto, para demostrar que las depuradoras pueden ser lugares más sostenibles.

En resumen, el principal reto al que se enfrenta LIFE 3E es avanzar en la sostenibilidad de los sistemas de regeneración de aguas depuradas mediante su integración con tecnologías que posibiliten recuperación de energía; este último aspecto se concreta en la transformación de la energía del gradiente salino resultante del contacto del agua tratada con agua de mar utilizando la tecnología de electrodiálisis reversa. El proyecto espera tener gran repercusión social y contribuir a la lucha contra la emergencia climática.

Agradecimientos

Los autores quieren agradecer la financiación recibida por la Comisión Europea, a través del proyecto LIFE 3E – Environment-Energy-Economy (LIFE19 ENV/ES/000143), así como al Ministerio de Ciencia e Innovación por los proyectos del  Plan  Nacional  de  I+D+i  RTI2018-093310-B-I00 y CTM2017-87850-R y a la Sociedad para el Desarrollo de Cantabria (SODERCAN), a través del proyecto RM16-XX-046-SODERCAN/FEDER.

¹ Ministerio de España. Spanish Goverment, REAL DECRETO 1620/2007, de 7 de diciembre, por el que se establece el régimen jurídico de la reutilización de las aguas depuradas., (2007) 16100–16111.

² Comisión Europea, 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, D. Of. La Unión Eur. 2019 (2020) 2–32.

³ R. Ortiz-imedio, L. Gomez-coma, M. Fallanza, A. Ortiz, R. Ibañez, I. Ortiz, Comparative performance of Salinity Gradient Power-Reverse Electrodialysis under different operating conditions, Desalination. 457 (2019) 8–21. doi:10.1016/j.desal.2019.01.005.

⁴ V.M. Ortiz-Martínez, L. Gómez-Coma, C. Tristán, G. Pérez, M. Fallanza, A. Ortiz, R. Ibañez, I. Ortiz, A comprehensive study on the effects of operation variables on reverse electrodialysis performance, Desalination. 482 (2020) 114389. doi:10.1016/j.desal.2020.114389.

⁵ L. Gómez-Coma, V.M. Ortiz-Martínez, J. Carmona, L. Palacio, P. Prádanos, M. Fallanza, A. Ortiz, R. Ibañez, I. Ortiz, Modeling the influence of divalent ions on membrane resistance and electric power in reverse electrodialysis, J. Memb. Sci. 592 (2019). doi:10.1016/j.memsci.2019.117385.

⁶ L. Gómez-Coma, V.M. Ortiz-Martínez, M. Fallanza, A. Ortiz, R. Ibañez, I. Ortiz, Blue energy for sustainable water reclamation in WWTPs, J. Water Process Eng. 33 (2020) 101020. doi:10.1016/j.jwpe.2019.101020.