Cada año, el mundo genera cientos de miles de millones de metros cúbicos de aguas residuales, pero solo se trata alrededor de la mitad.
El estrés hídrico, el aumento de la demanda energética, la dependencia de los fertilizantes y las infraestructuras envejecidas hacen cada vez más difícil justificar el enfoque lineal actual del tratamiento de aguas residuales.
Un enfoque científico novedoso podría ayudar a cambiar esa situación, aprovechando los microbios para procesar las aguas residuales y recuperar energía, nutrientes y otros recursos.
Cada año, el mundo genera unos 359 000 millones de metros cúbicos de aguas residuales – aproximadamente suficiente para llenar cuatro veces el lago Lemán – pero solo se trata alrededor de la mitad.
Incluso donde existe tratamiento, la mayoría de los sistemas siguen diseñados en torno a un modelo lineal y con uso intensivo de energía: recoger las aguas residuales, eliminar los contaminantes, verter el efluente y asumir la factura energética.
Si bien ese modelo lineal ha aportado importantes avances en salud pública y ambiental, también ha encerrado la infraestructura de aguas residuales en una lógica costosa que pasa por alto el valor contenido en los flujos de residuos.
El estrés hídrico, el aumento de la demanda energética, la dependencia de los fertilizantes y las infraestructuras envejecidas hacen cada vez más difícil justificar un enfoque lineal. En este contexto, las aguas residuales empiezan a verse menos como un problema de eliminación y más como una oportunidad perdida.
Tres recursos que se pierden por el desagüe
Las aguas residuales transportan tres flujos de recursos que suelen gestionarse por separado: energía, nutrientes y el propio agua.
La materia orgánica de un año de aguas residuales a nivel mundial contiene más de 800 000 gigavatios-hora de energía química – aproximadamente una quinta parte de la producción total anual de electricidad de Estados Unidos – que se libera a medida que el material se descompone.
Las aguas residuales también contienen grandes cantidades de nitrógeno y fósforo, dos nutrientes de los que depende la agricultura moderna y que a menudo se producen mediante cadenas de suministro intensivas en energía o de recursos finitos.
Y está el propio agua: tras el tratamiento, el agua regenerada puede reutilizarse para riego, jardinería, refrigeración industrial, recarga de acuíferos y, con un tratamiento de pulido adicional, incluso para usos potables.
Surge ahora una nueva pregunta: ¿cuánto valor puede recuperar el tratamiento de aguas residuales de flujos que durante mucho tiempo se gestionaron principalmente para su eliminación? El cambio de la eliminación a la recuperación podría transformar la forma en que se diseñan y financian los sistemas de aguas residuales.
Cómo los microbios recuperan valor
En nuestro reciente artículo en Frontiers in Science, examinamos un enfoque emergente para recuperar energía y materiales de las aguas residuales: las tecnologías electroquímicas microbianas (METs, por sus siglas en inglés). Las METs utilizan microorganismos electroquímicamente activos que transfieren electrones a los electrodos mientras descomponen la materia orgánica de las aguas residuales, lo que permite capturar la energía liberada durante la descomposición y aprovecharla.
Según la configuración, las METs pueden generar electricidad, producir hidrógeno o metano cuando un combustible almacenable tiene más valor que la electricidad directa, o recuperar nutrientes importantes para la producción de cultivos.
Las METs se sitúan en la intersección de la infraestructura circular, la resiliencia hídrica, la eficiencia industrial y la seguridad de los recursos. Su importancia radica en convertir el tratamiento de aguas residuales en un sistema más multifuncional.
La integración es el mejor objetivo a corto plazo
Los operadores rara vez deciden entre una planta de tratamiento completamente convencional y una totalmente experimental. Con más frecuencia, intentan resolver puntos de presión específicos: aguas residuales industriales de alta carga, aumento de los costes energéticos, requisitos de eliminación de nutrientes, saneamiento fuera de la red o carencias en la monitorización.
Es poco probable que las pilas de combustible microbianas se conviertan en generadores principales de electricidad a escala de servicio público, por lo que las METs resultan mucho más atractivas a corto plazo como mejoras específicas de los sistemas de tratamiento existentes, y no como sustitutos independientes.
Las METs encajan mejor donde las aguas residuales siguen relativamente concentradas, como al inicio de los trenes de tratamiento o en corrientes secundarias vinculadas al manejo de lodos y a la digestión anaerobia. En esas posiciones, pueden recuperar parte de la energía o los nutrientes del flujo, reduciendo la carga de los procesos posteriores y mejorando la circularidad global de la gestión de las aguas residuales.
Casos de uso prometedores
Las oportunidades más sólidas de las METs en sus primeras etapas surgen en situaciones en las que el tratamiento convencional es costoso, difícil de ampliar o poco adecuado para las necesidades locales, especialmente en aguas residuales industriales concentradas, entornos de saneamiento descentralizados y aplicaciones de monitorización o recuperación. Entre los ejemplos más prometedores se encuentran:
Flujos de residuos de la agricultura y la industria alimentaria, donde las aguas residuales concentradas hacen más atractiva la recuperación y los costes de tratamiento son más difíciles de ignorar.
Sistemas de saneamiento descentralizados como los que han alimentado la iluminación de los aseos en Glastonbury y en pruebas de campo en Uganda, Kenia y Sudáfrica.
Sistemas hidropónicos que combinan en una misma configuración el tratamiento de aguas residuales, la recuperación de nutrientes y el crecimiento de las plantas.
Biosensores autoalimentados que utilizan señales eléctricas microbianas para seguir la calidad del agua o el rendimiento del tratamiento.
El reto de escalar la recuperación de recursos de las aguas residuales
Pasar del laboratorio a las aguas residuales reales sigue siendo un gran obstáculo técnico.
El rendimiento a menudo disminuye una vez que los sistemas empiezan a tratar flujos variables, contaminados e impredecibles. Los reactores que funcionan bien a pequeña escala pueden volverse menos eficientes y más caros de operar de forma continua, a medida que aumenta la resistencia interna y componentes como los electrodos y los separadores se ensucian con el tiempo.
Por tanto, el avance depende de materiales y diseños de reactores que puedan ofrecer un rendimiento duradero en condiciones reales de funcionamiento.
Las barreras institucionales pueden ser aún más difíciles de superar.
Los sistemas de aguas residuales están regidos por normativas, reglas de contratación, ciclos de amortización y métricas de rendimiento diseñados para un modelo lineal centrado en la eliminación de contaminantes, no para un sistema que genera flujos secundarios de valor.
En muchos países, los productos recuperados todavía caen en zonas grises legales. Los fertilizantes derivados de la orina, por ejemplo, pueden enfrentarse a restricciones que dificultan su uso a gran escala, incluso cuando la química es sólida.
La financiación genera una fricción similar. Las empresas de servicios públicos y los financiadores tienen más probabilidades de respaldar equipos de tratamiento conocidos porque sus costes y beneficios están bien establecidos, mientras que el valor de los recursos recuperados suele ser más difícil de cuantificar en las evaluaciones de proyectos.
Una economía de aguas residuales más circular requerirá más que una validación técnica. Dependerá de marcos regulatorios, métricas y modelos de negocio diseñados para la recuperación, y no solo para la eliminación de contaminantes.
De la conformidad a la circularidad
El tratamiento de aguas residuales se ha definido durante mucho tiempo por lo que debe eliminarse del flujo antes de su vertido. Un modelo más ambicioso se pregunta qué puede recuperarse y cómo esa recuperación podría fortalecer los sistemas de saneamiento, reducir la demanda de energía, disminuir la dependencia de los fertilizantes y crear infraestructuras más resilientes.
Este cambio es importante, sobre todo en un mundo en el que alrededor de 3400 millones de personas todavía carecen de saneamiento gestionado de forma segura, principalmente en lugares donde ampliar el tratamiento convencional sigue siendo difícil.
Las METs ofrecen una nueva lógica para la infraestructura de aguas residuales. Es probable que el avance sea gradual, pero estas tecnologías podrían cambiar la forma en que las ciudades, las empresas de servicios públicos y las industrias piensan sobre las aguas residuales en sí: no como una carga que gestionar, sino como un flujo de activos pasado por alto que está a la vista de todos.
