Recuperación de nutrientes con membranas recicladas: economía circular en el sector del agua

La desalación por membranas de ósmosis inversa (OI) es una técnica frecuentemente utilizada para aumentar la disponibilidad de agua potable en regiones áridas y semiáridas. El contexto actual de cambio climático y el aumento en la demanda de agua dulce mantienen el mercado de la OI en constante expansión. Sin embargo, el reemplazo de las membranas al final de su vida útil genera una gran cantidad de residuos: se calcula que en 2025 más de dos millones de módulos de membranas de OI podrían ser desechados cada año. En la actualidad, estos módulos terminan acumulándose en los vertederos, generando un gran impacto medioambiental.

Esta situación es contraria a los objetivos marcados por la Comisión Europea en el ámbito de la gestión de residuos. La directiva 2008/98/CE, el Pacto Verde Europeo y el Plan de Acción de Economía Circular promueven la reutilización y el reciclaje de los residuos como herramientas para alcanzar una sociedad del reciclado, basada en los principios de la economía circular, con el objetivo de avanzar hacia el desarrollo sostenible.

Basándose en estas premisas, IMDEA Agua ha desarrollado nuevas técnicas que permiten el reciclaje de estas membranas para darles un segundo uso en los tratamientos de aguas. El proyecto INREMEM 2.0 (Tratamientos híbridos de aguas residuales basados en membranas recicladas con objetivo de descarga líquida cero), coordinado por el centro de investigación, tiene como finalidad el reciclaje de membranas desechadas por las plantas desaladoras y su aplicación en el tratamiento de aguas residuales con intrusión salina, permitiendo la regeneración del agua para uso agrícola y recuperar los nutrientes y sales presentes.

Proyectos anteriores a INREMEN 2.0 han demostrado la viabilidad, tanto técnica como económica, del reciclaje directo de las membranas de OI en membranas de nanofiltración (NF) y ultrafiltración (UF).

Viabilidad técnica

Proyectos anteriores a INREMEN 2.0 han demostrado la viabilidad, tanto técnica como económica, del reciclaje directo de las membranas de OI en membranas de nanofiltración (NF) y ultrafiltración (UF). Mediante un tratamiento oxidativo con hipoclorito de sodio (NaClO) se elimina la suciedad tanto de las membranas como de la capa densa de poliamida, característica de las membranas de OI. Este procedimiento modifica sus propiedades de filtración, obteniéndose membranas recicladas con propiedades de NF y UF.

Este aprovechamiento directo no es posible cuando las membranas presentan un gran deterioro debido, por ejemplo, a una acumulación excesiva de suciedad o a una disminución considerable en el rechazo característico de sales. En un proyecto anterior (INREMEM, Innovación en el reciclaje de membranas para el tratamiento de agua), IMDEA Agua planteó por primera vez el reciclaje indirecto de las membranas de OI. La metodología para el reciclaje indirecto consiste en la apertura del módulo de OI para la gestión individualizada de sus componentes (Fig. 2). De esta forma, los componentes plásticos del módulo pueden ser incluidos en rutas de reciclaje habituales (por ejemplo: el reciclaje mecánico de los espaciadores de polipropileno del influente). Al mismo tiempo, la extracción de las láminas de membrana facilita una mayor versatilidad para la modificación y el reciclaje, habilitando técnicas de modificación como casting o electrospinning y configuraciones en placa plana en los sistemas de membranas recicladas. Como resultado, se obtienen membranas con propiedades aptas para diversas aplicaciones como biorreactores de biofilm de membranas, biorreactores de membranas, electrodiálisis, ósmosis directa y destilación por membrana.

INREMEM 2.0. da continuidad a los estudios anteriores, proponiendo la utilización de las membranas recicladas en sistemas híbridos, para producir agua regenerada de alta calidad, al tiempo que se recuperan los nutrientes y las sales contenidas en aguas residuales.

Valorización de residuos

Este proyecto surge de la necesidad de tratar un volumen cada vez mayor de aguas residuales producidas por la actividad humana. Sin el tratamiento adecuado, estas aguas residuales contribuirían a la contaminación del medio natural. Mediante un proceso avanzado, las aguas residuales pueden servir como una fuente constante y segura de agua y otros recursos (materia orgánica, nutrientes como nitrato y fósforo y energía), ya que su producción no depende de las condiciones climáticas o meteorológicas locales. Por otro lado, ocho de cada diez plantas de tratamiento de aguas residuales se localizan en áreas costeras, lo que da lugar a problemas de intrusión salina, dificultando el tratamiento y la reutilización de las aguas residuales para uso agrícola.

En este contexto, la combinación de diferentes tecnologías en sistemas híbridos basados en membranas recicladas contribuye a la valorización de las aguas residuales con el objetivo de alcanzar la descarga líquida cero. Desde el comienzo del proyecto en 2019, se han implementado diferentes tecnologías basadas en membranas recicladas para el tratamiento terciario de agua residual procedente de estaciones depuradoras de aguas residuales municipales.

A escala de laboratorio se ha puesto en marcha un biorreactor de membranas de configuración de membranas sumergidas, con membranas recicladas en forma de placa plana. Se han utilizado membranas de UF y de UF con una modificación superficial que mejora la resistencia al ensuciamiento. Los resultados obtenidos reflejan parámetros como permeabilidad y calidad de agua similares a los obtenidos con las membranas de microfiltración comerciales, comúnmente empleadas en estos sistemas. Sin embargo, debido a la naturaleza de la tecnología y el agua tratada de relativo alto contenido salino, se requiere tratar el efluente con sistemas de desalinización.

Los sistemas de desalinización estudiados han sido la NF y la electrodiálisis convencional. Estos sistemas se han implementado utilizando membranas recicladas, preparadas a partir de membranas de OI desechadas. Con la propuesta de los sistemas híbridos mencionados (biorreactor de membranas/ NF y biorreactor de membranas/electrodiálisis) se obtendrán efluentes con agua apta para el riego de cultivos y rica en nutrientes para fertirrigación.

Los parámetros operacionales bajo estudio en la aplicación de la filtración por membranas recicladas de NF son sobre todo el flujo de permeado y niveles de rechazo de sales. Por otro lado, en electrodiálisis se está evaluando la influencia de la concentración de nitrato en la densidad de corriente límite, la variación del pH, el efecto de la velocidad de flujo de las soluciones diluido y concentrado, la influencia de la relación de volúmenes, así como el rendimiento de estas membranas (ensuciamiento y resistencia).

En cuanto a las corrientes concentradas en sales producidas por las técnicas de electrodiálisis y NF, se utilizarán como alimentación de un sistema de destilación por membranas (utilizando membranas recicladas) para la recuperación de sales de alta pureza.

Por último, el proyecto también comprende el análisis de ciclo de vida y de ciclo de costes para determinar la sostenibilidad, tanto ambiental como económica, de los sistemas híbridos estudiados.

El proyecto INREMEM 2.0 está financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación, la Agencia Estatal de Investigación y el Fondo Europeo de Desarrollo Regional, mediante los contratos RTI2018-096042-B-C21 y RTI2018-096042-B-C22.