Si la obtención de agua para consumo y riego es fundamental para cualquier población, resulta doblemente relevante en territorios que, como Canarias, cuentan de recursos hídricos más limitados y deben abastecer a una gran población residente a la que se unen de manera puntual los millones de turistas recibidos anualmente. Por ello, es de suma importancia la investigación en tecnologías que mejoren los procesos necesarios para obtener agua apta para los diversos usos humanos.
Luisa Vera es una investigadora del Departamento de Ingeniería Química y Tecnología Farmacéutica de la Universidad de La Laguna que se ha especializado en esta materia y ha trabajado en varios proyectos relacionados con una de las tecnologías que se emplean para la depuración de fluidos: las membranas de filtración.
Estas membranas están realizadas con materiales semipermeables que dejan pasar determinados compuestos y otros no. Unas muy habituales son las que se emplean para desalar agua de mar y son de tipo denso, es decir, que no poseen poros definidos, sino que la membrana, por una serie de procesos, deja pasar el agua y retiene las sales.
Luego estarían las membranas de ultra o microfiltración, que poseen poros de un tamaño tan pequeño que no resultan visibles para el ojo humano y llega a los micrómetros o micras de diámetro. En esos casos, la ultrafiltración no solo es capaz de retener sólidos mayores de 0,01 micras, sino que también puede impedir el paso de algunos virus y bacterias, por lo que se pueden aplicar en aguas residuales y otros campos, como el de la alimentación, la cosmética o la farmacia.
Otra característica relevante de las membranas es el material del cual están hechas, de manera que se pueden clasificar en dos grandes grupos: inorgánicas, principalmente elaboradas con materiales de tipo cerámico, y orgánicas, con diferentes polímeros que se preparan para que tengan la porosidad necesaria en cada caso. Hace unos años, las segundas eran considerablemente más caras, pero en la actualidad los costes están más optimizados.
Como explica la profesora Vera, ninguno de los dos materiales es mejor que el otro, su idoneidad dependerá en gran medida del objetivo que se persiga. “Las cerámicas son más resistentes desde el punto de vista químico y se pueden someter a tratamientos de limpieza más agresivos para recuperar su permeabilidad inicial. En cambio, una membrana orgánica es más sensible y requiere de mayores cuidados, pero tiene la ventaja de que los precios son un poco más competitivos, pueden tener más superficie y no se rompen con tanta facilidad. Para uso en alimentación, lo más usual es utilizar membranas cerámicas por esa posibilidad de desinfectarla con tratamientos más exigentes, mientras que en otro tipo de ámbito, como el tratamiento de aguas residuales o la filtración de lactosuero, es más habitual utilizar membranas orgánicas”.
Vera muestra un tipo de membrana de filtración de pequeño tamaño.
Membrana rotativa
En los proyectos de investigación que ha coordinado en los últimos años, Vera ha probado diversas configuraciones y tratamientos de membranas de ultrafiltracióndo para diferentes usos. Una de las innovaciones más prometedoras que han surgido de esos trabajos es el diseño de una membrana rotativa, fruto de la tesis doctoral de Ignacio Ruigómez.
Hasta el momento, las membranas han tenido un diseño compacto, en la que los filamentos porosos, ya fueran cerámicos o de polímeros, estaban sujetos por ambos extremos, de tal modo que el aspecto general del conjunto de membranas es un cilindro. Este nuevo diseño de membrana rotativa consiste en sujetar los filamentos porosos solamente por un extremo y en el otro dejar libre el material poroso, permitiendo así su movilidad. Si se acopla esta membrana a un mecanismo giratorio, se facilitaría que el equipo se autolimpiara con la ayuda de ese movimiento.
Este mecanismo es el que se está aplicando en el proyecto “Regeneración de espacios marinos y costeros de Canarias aplicando filtración por membranas a las aguas residuales (MARFIL)”, que fue una de las iniciativas seleccionadas por la Fundación CajaCanarias y Obra Social “la Caixa” en su convocatoria de ayudas a proyectos de investigación de 2017 y obtuvo una financiación de 31.800 euros.
La idea de MARFIL es comprobar la viabilidad de utilizar esa membrana rotativa en alguno de los puntos negros de vertidos del litoral costero. Vera explica que, casualmente, ya estaban trabajando en esta idea mucho antes de que estallara la crisis de las micro-algas en las costas tinerfeñas, pero cuando su equipo comprobó que la temática de la convocatoria de ese año de la Fundación CajaCanarias era la preservación de fondos marinos, se les ocurrió que aquello en lo que estaban trabajando desde hacía tiempo podía ser de utilidad en este ámbito.
“Por sus características y componente mecánico, veíamos que era complejo utilizar la membrana giratoria en instalaciones a escala real que requieran mucha superficie de membrana. Sin embargo, sí podía ser viable para una solución pequeña ad hoc en determinados casos concretos. Como la membrana rotativa tiene un diseño compacto, podemos ubicarla en espacios reducidos y que se active solo en caso de necesidad. La idea es que la membrana no rote todo el tiempo y no necesite de limpiezas químicas, que son más engorrosas a la hora de operar, sino que sea suficiente con la limpieza física que provoca el propio movimiento de la membrana”, explica la investigadora.
Cerrar el ciclo
Pero el proyecto tiene una segunda parte, referida a qué hacer con los residuos resultantes del proceso de depuración. “Esa materia orgánica que es rechazada por la membrana, al estar más concentrada y con menor contenido en agua, se puede valorizar después en un proceso de digestión anaerobia que sea más factible y tenga unos rendimientos en producción de biogás mayores. O bien podría ser valorizada por medio de un proceso de combustión directo, de co-incineración con otro tipo de residuos, etc. La idea es buscar fórmulas para que, en línea con la política comunitaria y la Estrategia Europa Sostenible 2030, intentemos cerrar el ciclo de vida de todos los materiales y los productos, incluidos los residuos, para promover la economía circular”.
Por tanto, mediante el proceso de ultrafiltración directa, por un lado se obtendría agua filtrada que, según los tratamientos posteriores que se le haga, podría ser utilizada para diversas actividades, como el riego agrícola o de jardines, etcétera, y, por otro, se obtiene materia orgánica concentrada susceptible de valorización. “Es preciso dejar de ver el agua residual como un residuo, igual que nos pasa con los residuos sólidos urbanos; hay que plantearse que esa materia orgánica, el nitrógeno, el fósforo, deben ser recuperados y reutilizados, al igual que hacemos con el agua”.
En opinión de Vera, la conciencia de reutilizar el agua lleva años asentándose y, de hecho, desde 2007 ya se cuenta con un Real Decreto específico sobre esta materia, que aporta un marco legal para actuar adecuadamente. Pero lleva tiempo, y todavía no se ha logrado del todo. “Recuerdo que, ya hace unos años, técnicos de una de las empresas fabricantes de membranas me comentaba en un estudio piloto que ya en países como Alemania se asumía de manera natural que la basura no era un residuo, sino materia prima apta para producir energía y bienes. En nuestra sociedad, en general, no han calado las posibilidades que plantea incorporar los residuos en la producción de energía o la reutilización de aguas, así como los beneficios ambientales y económicos que puede tener. Los técnicos y los investigadores asumimos la posibilidad y la necesidad de ese cambio de mentalidad, y ya son varios los grupos que trabajan en torno a estos temas, pero se requiere el apoyo de políticas y programas innovadores, amparados en las normativas y las tecnologías adecuadas que ya están disponibles y que permiten abordar perfectamente los retos que surgen en este campo”.
Trayectoria investigadora
MARFIL es el último proyecto en el que ha estado implicada Luisa Vera, pero es el fruto de resultados de investigaciones e innovaciones previas, tras una larga trayectoria centrada en la investigación sobre membranas. “Cuando hice la tesis, comencé con membranas de microfiltración cerámicas, prácticamente eran un tubo donde por la acción de la presión, obligábamos al agua a fluir a través de los poros de las membranas, mientras que las partículas y la materia orgánica se quedaban retenidas en el interior del cilindro”, explica sobre sus orígenes.
Desde entonces, ha participado en proyectos que no solamente se han desarrollado en el laboratorio, sino que también han contado con experimentación a escala piloto. “Los ensayos en laboratorio, en un ambiente controlado, nos ofrecen mucha información: el hándicap que tenemos frente a otros grupos de investigación es que nosotros trabajamos con agua residual real; alguna vez hicimos ensayos con agua sintética pero no nos quedábamos satisfechos, y optamos por trabajar con aguas reales ya desde mi tesis.”
La investigación en laboratorio permite saber qué es lo que está pasando en la proximidad de la membrana y en su interior, prever su comportamiento al entrar en contacto con agua residual y diseñar estrategias para mantener su productividad. “El agua residual va a cambiar en función de la estación del año, del número de personas que la genere, etc.; y en el caso de un agua industrial, también depende de la fase del proceso en la que esté, del tipo de actividad industrial y otras circunstancias. Hay muchos factores que hacen que las características del agua no sean constantes”.
Tanto los experimentos realizados en laboratorio, bajo condiciones más controladas, como los estudios realizados a escala piloto, en el marco de los proyectos desarrollados por Vera y sus colaboradores, han sido publicados en revistas especializadas, tan necesarias desde el punto de vista de la carrera investigadora. De hecho, Vera se congratula porque cabeceras como Journal of Membrane Science, que es la referencia en la especialidad, valore la investigación aplicada, por lo que los estudios realizados a escala piloto también resultan interesantes en ese sentido.
Uno de los proyectos anteriores en los que ha participado Vera consistió en el estudio de un biorreactor de membrana colocado a la salida de una depuradora. Dicho biorreactor resulta de la combinación del tratamiento biológico de las aguas residuales por bacterias, que se desarrollan por la presencia de materia orgánica en presencia de aire, y la posterior filtración de dichas aguas por medio de membranas. Muchas instalaciones de depuración de aguas, si son antiguas, no nitrifican-desnitrifican. En este proyecto, se estudió la capacidad de dicho biorreactor para nitrificar estas aguas y fue objeto de la tesis doctoral de Oliver Díaz. “Es muy importante, porque existen normativas sobre el contenido de nitrógeno de las aguas ya depuradas, y en especial si se reutilizan para riego. El aporte de nitrógeno está determinado, dado que la planta va a absorber el que necesite, pero el restante podría llegar a un acuífero. Con la directiva marco del agua, lo más importante es preservar la calidad de las grandes masas de agua, que en nuestro caso son principalmente los acuíferos subterráneos”.
El problema es aún más complejo si se quiere transportar las aguas de salida de la depuradora y aún tienen materia orgánica disuelta y nitrógeno que no se ha transformado en nitratos o nitritos. En ese caso, los sulfatos del agua pueden transformarse en sulfuro de hidrógeno dentro de las conducciones cerradas de transporte. Este gas es tóxico, peligroso y corroe las instalaciones.
En proyectos posteriores, se colocó la membrana no como un tratamiento posterior a la depuradora, sino integrado con el reactor biológico. Y un paso más allá fue construir un reactor anaerobio, es decir, sin oxígeno. “El reto de la depuración habitual es que consume mucha energía. El proceso aerobio utiliza oxígeno que se introduce en el reactor y favorece el crecimiento de las bacterias aerobias, que degradan la materia orgánica. En ese proceso, la población de bacterias aumenta y, una vez retiradas del agua, incorporan la materia orgánica como biomasa. En un reactor anaerobio utilizamos unas bacterias que degradan materia orgánica más lentamente, pero sin suministro de oxígeno. Producirán CO2 y metano, y este último se puede quemar para producir energía. El proceso va mejor desde el punto de vista de balance energético si conseguimos que funcione bien la metanización”.
De este modo, se ha realizado un trabajo continuo consistente en probar materiales, configuraciones y distintos pretratamientos que mantengan la membrana limpia el mayor tiempo posible, hacerlo de forma compacta y, finalmente, ver sus posibilidades de uso en emplazamientos pequeños.
“En su día”, concluye Vera, “cuando veíamos una membrana sumergida con los filamentos en movimiento, nos resultaba muy extraño porque no era nada habitual. Y ahora es lo normal. En su momento fue casi revolucionario, pero de eso se trata: avanzar en el desarrollo de soluciones innovadoras”.
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