La biodepuración y las soluciones basadas en la naturaleza son las claves de la solución.
En la actualidad 3.600 millones de personas en todo el mundo habitan regiones en las que, al menos un mes al año, se produce escasez de agua, lo que muestra que casi la mitad de la humanidad está afectada por las restricciones de la sequía, siendo ésta de hecho el principal desastre natural que nos aqueja, en base a la mortalidad y al impacto socioeconómico que provoca. Esta cifra además no se espera más que empeore: para 2050 se estima que podría aumentar a entre 4.800 y 5.700 millones de personas afectadas. El 69% será población Asiática, que para ese momento habrá aumentado en 750 millones respecto a su población actual, y en menor proporción la población Africana, que habrá aumentado en más de 1.300 millones.
Y es que de aquí a 33 años se espera que la población mundial haya llegado a estar formada por 9.400 o incluso 10.200 millones de habitantes, con dos terceras partes viviendo en ciudades, lo que supone un incremento en la demanda de alimentos y producción de energía de entre el 60 al 80% actual.
Alcanzar este hito va a suponer la expansión de las tierras cultivables que, bajo las condiciones y prácticas convencionales, hará que aumenten el estrés mecánico del suelo, siendo este factor edáfico uno de los principales actores en el almacenamiento y regeneración del agua y que se va a ir debilitando continuamente, así como el aporte de agroquímicos, energía y recursos hídricos. Esta combinación de factores se pronostica que va a provocar una pérdida del 70% de la biodiversidad terrestre para mediados de siglo y un agotamiento de las aguas subterráneas en todo el mundo, debido a la creciente extracción de estas aguas para su uso en el riego, teniendo en cuenta que una tercera parte de estos sistemas y de las aguas fósiles (no renovables) ya están en peligro.
Todos estos cambios los contemplamos desde un punto en el que ya hemos llegado a los límites de explotación del agua mundial, estimado en 4.600 km3/ año (lo que equivale a 4.600 millones de millones de litros). Todo apunta a que el uso y la gestión que estamos haciendo de este recurso no se acerca ni a un mínimo de viabilidad. Además, la demanda hídrica para 2050, en previsión del crecimiento de la población, el desarrollo económico y los patrones de consumo, aumentará entre un 20% y un 30% (entre 5.500 a 6000 km3/ año). De nuevo algo insostenible si mantenemos nuestras prácticas actuales.
Gestión del agua.
De manera notable la pérdida progresiva de este recurso tan valioso se debe a la mala gestión que hacemos del mismo, ya que nuestros actuales modelos de producción y consumo no integran ni actúan en sinergia con los ciclos naturales del agua, en los que de por sí intervienen procesos naturales de almacenamiento y regeneración. Asimismo, tampoco hemos tomado conciencia de las nuevas capacidades que hemos adquirido para la reutilización del agua, siendo posible con la tecnología actual su tratamiento, purificación y reintroducción en los sistemas de consumo y producción de nuevo.
De ser tenidos en cuenta estos factores se podría aumentar la disponibilidad de la misma y adoptar un uso con garantías de sostenibilidad, no necesitando para ello el crecimiento económico de las naciones y continentes, sino simplemente un cambio de prácticas, de las cuales se está demostrando hoy en día a su vez que alcanzan mayor rentabilidad y productividad.
Por tanto, es necesario preguntarse ¿qué estamos haciendo con el agua y cómo podemos solucionar esta acuciante situación? Disponte a descubrir los últimos cálculos y avances a continuación.
Soluciones basadas en la naturaleza.
A día de hoy se estima que el 80% de las aguas residuales industriales, municipales y agrícolas a nivel mundial se liberan al medio ambiente sin haber sido tratadas y sin posibilidades de reutilización, derivándose de ello un impacto en la salud humana y los ecosistemas. De hecho, solo un 4% de estas aguas son reutilizadas a nivel mundial, proporción ínfima respecto a las capacidades de la tecnología y las prácticas que podemos desarrollar en la actualidad para la reutilización de, como ejemplo, las aguas grises (derivadas de los procesos de limpieza, tanto urbanos como industriales, en los que se utilizan lejías y detergentes, las cuales mediante técnicas de biodepuración se pueden reutilizar directamente hasta un 99% para el riego y la limpieza).
“¿Cómo puede la naturaleza reintegrar toda esta agua residual de nuevo en nuestros sistemas?”
La respuesta se encuentra en que los ecosistemas terrestres y costeros influyen de una manera crucial en los ciclos del agua, de modo que mediante la gestión de los suelos de praderas de pastoreo, de extensiones agrícolas y de explotaciones y terrenos forestales, unido a la gestión de los humedales (ríos, lagos y humedales artificiales como pantanos y embalses) se puede garantizar el abastecimiento, purificación y reutilización del agua, ya que estos tienen una capacidad única para filtrar y mejorar su calidad. Veamos punto por punto cómo se podría llevar esto a cabo.
Suelos.
Cerca del 65% del agua que cae en la tierra o se almacena o se evapora del suelo y las plantas, disponiéndose para su flujo y reutilización a través de las precipitaciones y los movimientos ascendentes y descendentes que regulan el equilibrio tierra-agua-energía. En cuanto al agua que se almacena en la tierra, el 95% lo hace en zonas poco profundas o subterráneas, de modo que es previsible aventurar debido al movimiento natural de estas aguas, que el uso de la tierra en un lugar determinado tiene consecuencias significativas sobre los recursos hídricos, las sociedades y el medio ambiente en lugares que pueden ser muy distantes, desencadenando una suerte de efecto mariposa impredecible.
De esta forma el 7,5% de las praderas de todo el mundo se han degradado debido al sobrepastoreo, entre 25 a 40 mil millones de toneladas de tierra vegetal son arrastradas por la erosión de las superficies de cultivo y cerca del 65% de la superficie terrestre que se encuentra cubierta por bosques (los cuales representan el 30% de la superficie terrestre mundial), se halla en un estado degradado debido a la extensión de las ciudades y la agricultura.
Las consecuencias del pastoreo excesivo, la deforestación, la degradación del suelo y la compactación superficial por las prácticas agrícolas provocan mayores tasas de evaporación, menor retención del agua y una mayor escorrentía superficial, lo que acentúa los riesgos de inundaciones y sequias. La erosión en los terrenos de cultivo, por su parte, reduce el rendimiento de los mismos y la capacidad del suelo para regular el agua, el carbono y los nutrientes, generando el transporte de entre 23 a 42 millones de toneladas de nitrógeno y entre 15 a 26 millones de toneladas de fosforo presentes en la tierra, lo cual desencadena efectos de contaminación del agua y desestabilización de los ecosistemas por eutrofización.
Sin embargo, mediante el uso de prácticas como la reforestación, la protección de los bosques, la labranza de conservación, la diversificación de cultivos (mediante monocultivos simplificados e intensivos), la intensificación de leguminosas, la reducción del uso de nuevas variedades y de grandes insumos agroquímicos, unidos al control biológico de plagas (reduciendo el uso de pesticidas y herbicidas, y aumentando las utilización de biopesticidas, bioestimulantes y simbiontes enraizantes), contribuyen a un aumento del rendimiento del 79% de las cosechas, mejoran la salud del suelo, los nutrientes, la diversidad del paisaje y de la biodiversidad, haciendolas tan productivas como los sistemas intensivos de altos insumos.
Otra de las grandes oportunidades para el aumento sostenible de la producción mundial de cultivos consiste en la gestión de las aguas verdes (agua de precipitaciones que es incorporada a nivel de las raíces en el suelo por las plantas, y que es de vital importancia para los productos agrícolas, hortofrutícolas y forestales). Esta producción se podría incrementar hasta un 20% si se introdujesen sistemas de gestión de las aguas verdes en los cultivos de secano.
Y es que, ejemplos como el de que la evaporación en la cuenca del río Congo representa una de las principales fuentes de lluvia para toda la región del Sahel (región que comprende toda la extensión entre el Sahara al Norte y la Sabana al centro y sur de África), y que el Golfo de Guinea unida a la humedad de África Central desarrollan un papel determinante en la generación de flujos para el abastecimiento del río Nilo, haciéndolo a través de las tierras altas de etiopía, dan muestra de las interrelaciones en los flujos y en la importancia de los movimientos del agua a través del suelo, por lo que debe de resultarnos de vital importancia mantener y cuidar este recurso, al que tanto debemos.
Humedales.
Los humedales son el conjunto de ríos, lagos, pantanos, embalses y arrozales, los cuales cubren el 2,6% de la tierra, jugando un papel clave en la hidrología mundial. A pesar de ello los estamos perdiendo. En concreto la pérdida del área de humedales naturales a nivel global por la acción humana se estima que representa un 87% desde 1700, y desde el siglo XX se ha casi cuadruplicado su velocidad de destrucción.
Los humedales tanto naturales como artificiales son capaces de eliminar entre un 20 a un 60% de los metales contenidos en el agua y atrapar o retener del 80 al 90% de los sedimentos de la escorrentía, así como reintroducir en los ciclos biogeoquímicos contaminantes como nitratos, fosfatos, pesticidas, vertidos industriales y de actividades mineras, así como contaminantes emergentes como los productos farmacéuticos, transformándolos a sustancias inocuas y descontaminadas.
Un ejemplo de los beneficios del uso de humedales en la gestión y descontaminación del agua se observan en la ciudad de Nueva York. Ésta cuenta con tres cuencas hidrográficas protegidas que le proporcionan el mayor suministro de agua sin filtrar de Estados Unidos, ahorrándole a la ciudad más de 300 millones de dólares al año en costes de explotación y mantenimiento de tratamiento de aguas. Además, este conjunto de humedales naturales y artificiales funcionan como alternativa a una planta de tratamiento de agua, cuyo coste se estima que habría llegado entre los 8.000 a 10.000 millones de dólares.
Para su establecimiento a nivel global se espera que entre 2013 a 2030 se produzca una inversión de aproximadamente 10 billones de dólares, los cuales permitirán crear toda la infraestructura verde que sea capaz de gestionar de manera eficiente y mejorada, así como rentabilizar el uso de los recursos hídricos, mediante la implantación de los humedales naturales y artificiales.
Funcionamiento de los sistemas de depuración biológica natural.
La degradación de sustancias y materiales de desecho o contaminantes la llevan a cabo organismos presentes en los mismos o que se encuentran en los humedales, en la atmósfera y en el agua almacenada y filtrada por la tierra.
De esta manera, diferentes especies de bacterias y hongos forman el primer frente de transformación, convirtiendo la materia orgánica y ciertos contaminantes en biomasa, dióxido de carbono, agua y bioproductos derivados del metabolismo. Estos microorganismos son depredados por protozoos, los cuales a su vez son consumidos por cladóceros y rotíferos, consiguiendo así la purificación y aclaramiento del agua. En el caso de aguas muy limpias, surgen otras especies menos resistentes a la contaminación como los briozoos, los cuales son capaces de metabolizar a los virus y bacterias patógenas del corriente. Esta biosfera estructurada y las relaciones tróficas que se desarrollan en la misma son utilizadas en los sistemas de depuración de agua artificiales a través de lodos activados, filtros biológicos o reactores biológicos.
Por otra parte, las plantas acuáticas y las microalgas, presentes en los humedales naturales y que también pueden introducirse en los artificiales, añaden la capacidad de eliminar ciertos nutrientes contaminantes, como nitratos y fosfatos derivados de las explotaciones agrarias y ganaderas, y fijar o secuestrar metales pesados y contaminantes emergentes, como son los ya citados productos farmacéuticos, además de proveer al medio de oxígeno y refugio para los peces. Por último, los peces y anfibios pueden limitar el surgimiento de plagas, como los mosquitos.
Historia de los usos y tratamiento de las aguas.
Los usos del agua abarcan todas las facetas y ámbitos industriales, la limpieza, el riego, el ocio, el transporte, la alimentación y el cuidado medioambiental de nuestras sociedades, pero no ha sido hasta la última década en la que se ha empezado a cuestionar y aportar soluciones acerca de la reutilización de las diferentes fuentes de este recurso. Ésto ha hecho que hoy en día dispongamos de sistemas que nos permiten la reutilización de las aguas derivadas de gran parte de estas actividades, consiguiendo aguas con diferentes niveles de calidad aptas para determinados fines de consumo. Así, por ejemplo, las aguas grises derivadas de la limpieza e higiene, conteniendo detergentes y lejías provenientes de nuestras casas o industrias, se pueden reutilizar directamente, tras ser depuradas mediante sistemas específicos, para la limpieza personal, el riego o el baldeo de espacios públicos. La concienciación de los diferentes usos y la regulación y los controles de calidad de esta variedad de fuentes hídricas son las claves para la sensibilización y la utilización sostenible de estas aguas, desatendidas por no ser aguas potables.
Desde la antigüedad las primeras sociedades humanas y las grandes civilizaciones: babilonios, egipcios, griegos, comenzaron por filtrar a través de carbón, leña, gravas o arena, hervir, poner al sol, fermentarla, utilizar sistemas rudimentarios de decantación y coagulación, o almacenar el agua en vasijas de diferentes metales, como el cobre, para mejorar sus características y purificarla, persiguiendo la obtención de agua potable libre de contaminantes, con características organolépticas deseables y desinfectada de microorganismos patógenos.
Los primeros sistemas de tratamiento de aguas se basaban en procesos de filtración y cloración, pero no fue hasta principios del siglo XX que se descubrió los sistemas de biodepuración basados en lodos activos, superando en eficiencia a los sistemas de depuración anteriores. En 2014 el uso de los lodos activos y la biodepuración cumplieron su primer centenario. Su aplicación se extendió rápidamente a nivel global desde 1930, estando presentes en todos los sistemas de depuración de la actualidad.
Claves de la biodepuración.
Tanto en los sistemas de biodepuración de aguas residuales urbanas, industriales o monofamiliares se utilizan tratamientos de filtrado para la separación de sólidos y materiales en suspensión así como compartimentos separados en los que se realizan procesos de digestión anaerobia y aerobia, los cuales eliminan contaminantes y desechos orgánicos mediante el uso de diferentes especies de bacterias, nutrientes y sustratos contenidos en el llamado lodo activo.
De esta manera se obtiene agua tratada y libre de olores, lista para ser reutilizada directamente en actividades como el riego de cultivos y jardines, y el baldeo de calles e infraestructutas urbanas, pudiéndose verter sin riesgo de contaminación a afluentes cercanos y al propio suelo. Existen sistemas de tratamiento adicionales en dependencia de los contenidos del agua, por ejemplo sistemas de eliminación de fosfatos presentes en cualquier tipo de agua residual, sistemas de desengrasado para el tratamiento de aguas utilizadas en restauración, o sistemas de eliminación de hidrocarburos presentes en aguas industriales.
Asimismo, también se han desarrollado compuestos de bacterias, nutrientes y sustratos diseñados para el tratamiento de toda una variedad de tipos diferentes de aguas en función de las sustancias contaminantes y los residuos que acarrean. Puedes acceder a los diferentes tipos de compuestos bacterianos, desarrollados por la empresa Aguas del Mare Nostrum S.L. a través de aquí.
Para tratar el tema del funcionamiento de una depuradora biológica o de oxidación total, hemos tomado como ejemplo a las biodepuradoras desarrolladas por la empresa SIDAR, la cual dispone de una gran variedad de las mismas con funcionamientos altamente eficientes.
Primeramente, las aguas residuales son recogidas y pasan por la cesta de desbaste, en la que quedan retenidos los residuos sólidos u objetos de mayor tamaño como plásticos, textiles o similares, que después pueden ser retirados y eliminados. A continuación, las aguas residuales son transportadas a la zona de fermentación anaeróbica o desnitrificación, donde se mezclan con los lodos activados, en el que las bacterias anaerobias y heterótrofas, principalmente del género Pseudomonas, desarrollan los procesos de transformación de los nitratos a nitrógeno atmosférico (N2), aumentando el pH del medio y alcalinizándolo. El N2 es el derivado descontaminado e inerte de los nitratos, que en forma de gas pasa a la atmósfera. Estas lo hacen en ausencia de oxígeno y a través de la descomposición de la materia orgánica (HCO3-), utilizando el nitrato como aceptor de electrones en vez del oxígeno.
NH4+ + 1.5O2 → NO2- + H2O + 2H+ + energía
Tras atravesar la pared que les separa, las aguas acceden a la zona aireada, en la que se realiza la aireación del agua a través de uno o varios difusores, los cuales mantienen la mezcla de forma suspendida para que se produzcan los procesos de oxidación y nitrificación, desarrollados por dos tipos de bacterias aerobias y autótrofas. Primero actúan las amonio-oxidantes, que suelen ser del phylum Proteobacteria y género Nitrosomonas: como N.europaea, N.eutropha, N.mobilis y N.oligotropha, y después actúan las nitrito-oxidantes, pertenecientes principalmente a los géneros Nitrospira y Nitrobacter, las cuales en conjunto a partir de carbono inorgánico (CO2) y en presencia de oxígeno convierten los compuestos nitrogenados, como el amonio (NH4+), en nitratos (NO3-), consiguiendo con ello la generación del aceptor de e– para las bacterias de la zona de desnitrificación así como la acidificación del medio.
NO2- + 0.5O2 → NO3- + energía
Finalmente, se hace pasar el agua por la sección de decantación, donde se produce la sedimentación inferior que garantiza que los lodos se dirijan de nuevo a la zona de desnitrificación, renovándola, y el agua limpia salga por el orificio de salida.
Recientemente se han lanzado nuevos desarrollos para la biodepuración de las aguas residuales, todos ellos basados en el uso de nuevas bacterias, con capacidades de degradación y metabolización diferenciales. Entre ellas encontramos el sistema ANAMMOX®, basado en el empleo de nuevas especies bacterianas para la oxidación anaerobia de amonio, la cual aumenta la eficiencia y la velocidad de los tratamientos frente a los actuales procesos de nitrificación y desnitrificación, BABE®, que actúa como potenciador del crecimiento y actividad de microorganismos nitrificantes, SHARON®, sistema de un solo reactor para la eliminación biológica de nitrógeno vía nitrito, NEREDA®, primer fango granular que aumenta la eficiencia de las colonias bacterianas, así como procesos de cristalización mineral que permiten la recuperación y reutilización del fósforo, siendo éste otro de los contaminantes que provocan la eutrofización del medio ambiente.
En cuanto a la eliminación biológica del fósforo, ésta se desarrolló en los años 50 en Suiza, y hoy en día se encuentra ampliamente implantada en los sistemas de tratamiento de aguas globales. La realizan bacterias anaerobias y heterótrofas acumuladoras de polifosfatos y ácidos grasos volátiles presentes en la materia orgánica. Estas bacterias pertenecen a las especies Actinobacteria, Rhodocyclus spp., Propionibacter pelophilus y la Candidatus Accumulibacter phosphatis.
Su fuente de energía es el glucógeno y polifosfatos que acumulan en su interior celular asimilados a partir de las aguas residuales, de modo que en condiciones del digestor anaerobio las destruyen liberando fosfatos, obteniendo con ello la energía para acumular ácidos grasos volátiles (AGV). La acumulación de estos AGV les permite utilizarlos como fuente de energía cuando se encuentran en condiciones aerobias, que antes de acumular los AGVs eran desfavorables para su crecimiento y reproducción. Pero ahora, en estas condiciones de presencia de oxígeno, degradan sus AGV acumulados para regenerar glucógeno y polifosfatos, consumiendo del medio todos los fosfatos, eliminándolos e impidiendo su vertido y eutrofización del medio ambiente.
Reutilización del agua en España.
Según una reciente publicación del divulgador Pablo Gonzalez Cebrián en el principal medio digital de información acerca de la actualidad de los usos y tratamientos del agua, IAGUA:
“En España hay 2.000 depuradoras que tratan cerca de 4.097 hectómetros cúbicos de aguas residuales. De esta cantidad de agua, un 9% se reutiliza.”
La explotación de las aguas residuales, además de como fuente de agua potable, presenta la oportunidad de ser explotada como fuente de energía, nutrientes y materias a partir de su biomasa.
“Entre los usos del agua reutilizada se encuentra la agricultura (41%), el riego de parques y jardines (31%), los usos industriales (12%) y otros usos (19%). La reutilización es clave en la Estrategia de Economía Circular 2030.” divulgador Pablo Gonzalez Cebrián en el medio digital IAGUA.
Aquí os dejamos un video, producido por IAGUA, para que contempléis el potencial de reutilización del agua que existe en el ámbito penínsular.
Y tú ¿estás dispuesto a reutilizar el agua para evitar las sequías que se avecinan si no cuidamos de este recurso?
“Los análisis de escenarios han demostrado sistemáticamente que en muchas áreas el camino no solo hacia la sostenibilidad mejorada, sino también hacia la prosperidad económica a largo plazo, pasa a través de la plena integración de la sostenibilidad ambiental.” Progama mundial de las Naciones Unidas de Evaluación de los Recursos hídricos, fuente: Informe Mundial de las Naciones Unidas sobre el Desarrollo de los Recursos Hídricos 2018: Soluciones basadas en la naturaleza para la gestión del agua. París, UNESCO.
Referencias
- WWAP (Programa Mundial de las Naciones Unidas de Evaluación de los Recursos Hídricos)/ONU-Agua. 2018. Informe Mundial de las Naciones Unidas sobre el Desarrollo de los Recursos Hídricos 2018: Soluciones basadas en la naturaleza para la gestión del agua. París, UNESCO
- https://www.iagua.es/blogs/pablo-gonzalez-cebrian/espana-se-reutiliza-9-agua-residual-tratada
- SIDAR
- http://www.tratamientosdelaguaydepuracion.es/bacterias-para-depuracion-aguas-residuales.html
- Fair, Gordon Maskew, Geyer, John Charles & Okun, Daniel Alexander Water and Wastewater Engineering (Volume 2) John Wiley & Sons (1968)
- https://es.paques.nl/productos/featured/anammox
- http://agris.fao.org/agris-search/search.do?recordID=NL2003000721
- http://www.stowa-selectedtechnologies.nl/Sheets/Sheets/Sharon…Anammox.Process.html
- https://www.royalhaskoningdhv.com/nereda
- http://www.higieneambiental.com/aire-agua-legionela/la-historia-del-tratamiento-del-agua-potable-un-camino-hacia-la-mejora-radical-de-la-salud-publica
- https://www.aguasresiduales.info/revista/blog/eliminacion-biologica-de-nitrogeno-y-fosforo-en-edars