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Eliminación autotrófica de nitrógeno

Eliminación autotrófica de nitrógenoEl nitrógeno es un contaminante presente en las aguas residuales el cual debe ser eliminado con anterioridad al vertido de éstas en los cursos superficiales de aguas. En caso contrario, el nitrógeno reduce el oxígeno disuelto de las aguas superficiales, es tóxico para el ecosistema acuático, entraña un riesgo para la salud pública y junto al fósforo son responsables del crecimiento desmesurado de organismos fotosintéticos (eutrofización). Todos estos factores hacen que la legislación sea cada vez más restrictiva en cuanto a los límites máximos permitidos para este parámetro.

La forma más comúnmente empleada para la eliminación del nitrógeno se basa en un doble proceso biológico de nitrificación y desnitrificación. En la primera etapa, la de nitrificación, el amonio es convertido primero en nitrito y éste, a su vez, en nitrato, mediante un consorcio de bacterias nitrificadoras que utilizan carbono inorgánico como fuente de carbono y obtienen la energía necesaria para su crecimiento de las reacciones químicas de la nitrificación. La segunda etapa, la de desnitrificación, consiste en la conversión del nitrato en nitrógeno gas, el cual se libera a la atmosfera. Esta conversión la llevan a cabo unas bacterias en condiciones anaerobias, las cuales utilizan el nitrato como aceptor final de electrones y la materia orgánica presente en el agua como fuente de carbono.

Aunque este proceso es ampliamente utilizado por su robustez y por su elevada eficacia, es cierto que presenta algún aspecto susceptible de ser mejorado. Por un lado, en la etapa de nitrificación es necesario que haya una cierta concentración mínima de oxígeno disuelto en el agua, hecho que supone un elevado consumo energético. Por otro lado, en el proceso de desnitrificación se consume materia orgánica, factor que obliga a disponer de una recirculación interna (más consumo energético) o bien la dosificación de una fuente de carbono externa cuando la existente en el agua residual no es suficiente.

La búsqueda de nuevas técnicas que permitan conseguir los resultados obtenidos por el proceso convencional pero con un menor consumo energético ha favorecido el desarrollo de nuevos procesos, entre los que se abre paso el de la nitrificación parcial o eliminación autotrófica de nitrógeno. Esta técnica se basa en la conversión del 50% del amonio en nitrito en una primera etapa; y posteriormente, en la segunda etapa, se produce la desnitrificación autotrófica, en la que las bacterias convierten el 50% del amonio restante y el nitrito producido directamente en nitrógeno gas, en condiciones anaerobias y sin consumir materia orgánica. Este proceso es conocido con las siglas ANAMMOX (anaerobic ammonium oxidation).

Las ventajas respecto del proceso convencional son considerables. Se reduce el consumo energético, porque sólo es necesario convertir a nitrito la mitad del amonio presente, a la vez que se elimina más nitrógeno, ya que el rendimiento de desnitrificación es del doble al reaccionar una molécula de amonio con otra de nitrito para obtener una de nitrógeno molecular. Además, al ser la desnitrificación un proceso autotrófico, no es necesaria una recirculación interna para aportar materia orgánica y, menor aún, un aporte externo de materia orgánica. Finalmente, la biomasa generada en el proceso ANAMMOX es menor que la producida por los procesos convencionales, disminuyendo considerablemente los costes de operación y de tratamiento de lodos.

El proceso ANAMMOX es especialmente competitivo en relación al proceso convencional en todos aquellos casos en los que la relación carbono-nitrógeno (C/N) en el agua es desproporcionada respecto a la óptima para el crecimiento de los microorganismos. Un ejemplo de relación carbono-nitrógeno descompensada se encuentra en los retornos de la línea de fangos en plantas que disponen de digestión anaerobia. Este proceso produce un incremento del contenido de amonio soluble por la hidrólisis del nitrógeno orgánico. En cambio, el contenido de materia orgánica en los retornos es muy bajo, por lo que la relación carbono-nitrógeno no es la óptima para el crecimiento microbiano. Para tratar los retornos con un esquema básico sería indispensable la adición de materia orgánica externa (metanol o acetato); en cambio, para el proceso ANAMMOX se dan las condiciones óptimas: elevada concentración de nitrógeno y baja concentración de materia orgánica. Otros casos en los que el proceso ANAMMOX constituye una alternativa aventajada son el tratamiento de los lixiviados de vertedero, de los purines de cerdo o los efluentes de las empresas que se dedican a las conservas de pescado.

En contrapartida, el crecimiento de las bacterias ANAMMOX es muy lento, lo que supone un inconveniente práctico a la hora de enriquecer la biomasa en bacterias ANAMMOX para una aplicación industrial.

Así pues, existen alternativas competitivas al proceso biológico de nitrificación-desnitrificación convencional, especialmente en aquellos casos en los que la concentración de nitrógeno es elevada y la concentración de carbono baja, como es el caso de los efluentes de los procesos de digestión anaerobia, lixiviados de vertedero, purines de cerdo, etc. Las ventajas principales son la reducción del consumo energético, así como el hecho de no tener que aportar una fuente de carbono externa cuando no hay suficiente materia orgánica en el agua.

Conversión del amonio en nitrógen

En la figura, se representa de color azul la secuencia de conversión del amonio en nitrógeno gas que se produce en el proceso convencional. De color rojo, el proceso ANAMMOX cortocircuita el esquema convencional, lo acorta ahorrando oxígeno y materia orgánica.

Fundamentos de la ósmosis inversa

La técnica de la ósmosis inversa ha evolucionado ámpliamente en las últimas décadas y ha pasado de ser una tecnología emergente a ser un proceso consolidado, eficiente y competitivo. No obstante, ¿en qué consiste exactamente la ósmosis inversa? Para contestar a esta cuestión, primero analizaremos en qué consiste el proceso de ósmosis.

La ósmosis es una operación de equilibrio en la que moléculas de un solvente son capaces de atravesar una membrana permeable para diluir una solución más concentrada. Si se dispone de un equipo como el de la figura (a) en el que dos soluciones de diferente concentración de sal y que se encuentran a presión atmosférica están separadas por una barrera física, en el momento en que se retira la barrera que las separa, se produce una difusión de forma natural y se igualan las concentraciones de ambas soluciones, momento en el que se llega al equilibrio. Al principio, habrá un flujo que será mayoritario e irá de la solución más diluida a la más concentrada, pero a medida que las concentraciones se vayan igualando, los flujos también se irán emparejando y el flujo neto será cero.

En la figura (b) se dispone del mismo montaje experimental, pero ahora las dos soluciones están separadas por una membrana semipermeable, la cual deja pasar a través suyo el solvente pero no los iones ni moléculas de mayor tamaño. En este caso se vuelve a producir el fenómeno de la ósmosis, el solvente de la solución más diluida atraviesa la membrana hacia la solución más concentrada. En cambio, los iones de la solución más concentrada, al no poder atravesar la membrana, quedan confinados. Como resultado de esta transferencia de solvente de un lado al otro de la membrana, en la parte superior de los tanques se observa como el nivel de ambas soluciones ha variado. Mientras que el nivel de la solución más diluida ha disminuido, el nivel de la solución más concentrada ha aumentado. Una vez el flujo se ha parado – figura (c) – y el nivel de los dos tanques ya no varía más en relación al tiempo, el sistema ha llegado al equilibrio. La diferencia de niveles de líquido entre los dos tanques genera una presión hidrostática que equivale exactamente a la presión osmótica. De hecho, la presión osmótica se define como la presión hidrostática necesaria para detener el flujo de solvente a través de una membrana semipermeable que separa dos soluciones de diferente concentración.

Si cuando el solvente está fluyendo de la solución más diluida a la solución más concentrada,  con el objetivo de igualar las dos concentraciones, se ejerce una ligera presión en la solución de mayor concentración, el flujo a través de la membrana disminuye.

Si se aumenta paulatinamente la presión ejercida, se llega a un punto en el que el flujo a través de la membrana es cero, es decir, el solvente deja de atravesar la membrana. La presión que se está ejerciendo en ese momento es igual a la presión osmótica. Y si se incrementa la presión ejercida, el flujo se invierte y el solvente atraviesa la membrana en la dirección contraria, es decir, pasa del lado de la solución más concentrada al lado donde se encuentra la solución más diluida. Este proceso recibe el nombre de ósmosis inversa.

Así pues, la ósmosis inversa consiste en separar el solvente de una solución concentrada, que pasa a través de una membrana semipermeable, mediante la aplicación de una presión, la cual deberá ser, como mínimo, superior a la presión osmótica. Cuanto mayor sea la presión aplicada, mayor será el flujo de permeado a través de la membrana.

Este proceso es especialmente atractivo por la elevada selectividad de las membranas, las cuales permiten el paso del solvente, pero apenas pueden pasar los iones y moléculas de pequeño tamaño disueltas en la solución. Esto hace que esta técnica sea especialmente interesante para una gran variedad de aplicaciones, como la desalación del agua de mar, el tratamiento de efluentes líquidos, la purificación del agua para la industria alimentaria, farmacéutica, etc.

La ósmosis y la ósmosis inversa son dos fenómenos que se producen de forma natural en el interior de los seres vivos. Por ejemplo, mediante la ósmosis las células de nuestro organismo, que están envueltas por una membrana semipermeable, permiten el paso de nutrientes dentro y fuera de la célula, favoreciendo así tanto la incorporación de nutrientes necesarios para el metabolismo celular, como la expulsión de los deshechos del metabolismo celular.

diágrama ósmosis inversa

Concienciación ambiental industrial

industria y medio ambienteLa amenaza que supone el cambio climático, así como la contaminación de las grandes urbes, ha hecho que la ciudadanía esté concienciada y preocupada por las consecuencias del trato que se le da al medio ambiente, por los excesos que se le infringen y por la posibilidad de que éstos nos conduzcan a situaciones difíciles e irreversibles.

Cada vez se halla más consenso sobre la necesidad de poner en práctica procesos industriales que no pongan en riesgo ni comprometan las capacidades del futuro para satisfacer nuestras necesidades, actuales y futuras. Así, el desarrollo sostenible es totalmente necesario y los gobiernos de la mayoría de países intentan poner en práctica medidas para que su implantación sea una realidad.

La sostenibilidad de un proceso industrial se fundamenta en cuatro pilares fundamentales, que son la gestión de los residuos que produce, la gestión del agua que consume, la gestión de las emisiones gaseosas que origina y la optimización de los requerimientos energéticos.

Gestión de los residuos producidos

La gestión óptima de los residuos es aquella que conduce a la no generación de residuos. Y, en su defecto, la que posibilite la generación de la mínima cantidad posible. La prevención y minimización de la producción de residuos es el objetivo básico a alcanzar como primera opción, puesto que minimizar la cantidad de residuos generados es la mejor vía para reducir el impacto ambiental.

No obstante, es muy difícil evitar completamente la producción de residuos. En este caso, se deben buscar alternativas que permitan su reutilización. De este modo se reduce el consumo de algunas sustancias primas a la vez que se le da una salida eficiente a los residuos.

En el caso de no poder reutilizar los residuos generados, el paso siguiente es intentar su reciclaje, es decir, que puedan ser de utilidad para cualquier otra aplicación. Si todas estas opciones resultan fallidas, antes de la disposición final del residuo, es conveniente intentar recuperar toda la energía posible, mediante procesos tales como la gasificación, la pirolisis o la incineración.

Gestión del agua consumida

Otro aspecto clave a la hora de promover el desarrollo sostenible de un proceso industrial atañe a la gestión del agua. Igual que en el caso de los residuos sólidos, la opción más satisfactoria pasa por no generar aguas residuales. Sin embargo, a menudo este extremo no es factible. Entonces, será prioritario generar el mínimo volumen de aguas residuales. Por lo que se refiere a las aguas residuales producidas, la opción más sostenible consiste en un tratamiento exhaustivo que permita alcanzar una calidad suficiente como para que éstas sean reutilizadas. Recuperando el agua del efluente para su reutilización también se minimiza el consumo de agua externa al proceso. Actualmente el estado del arte de numerosas tecnologías hace realmente posible esta alternativa de gestión. Pero, si no se reutilizan sea cual sea el motivo, se deben someter necesariamente a un tratamiento que elimine los contaminantes, como paso previo a su descarga. Así, su vertido no producirá ningún tipo de impacto ambiental.

Gestión de emisiones gaseosas

El proceso industrial debe evitar cualquier situación que suponga la emisión de gases contaminantes a la atmósfera. La alternativa más sostenible, y a menudo más económica, es la modificación del proceso con la finalidad de evitar, o al menos reducir, la producción de gases contaminantes. No obstante, esta opción no es siempre viable.

Cuando no es posible evitar completamente la generación de gases contaminantes, se deben concentrar los esfuerzos en su tratamiento. Afortunadamente, existen técnicas muy competitivas que permiten convertir los gases contaminantes en gases inocuos.

Optimización del consumo energético

La sostenibilidad y la economía van estrechamente de la mano en cuanto al consumo de la energía. Todas las estrategias de optimización conducen al mismo objetivo, que no es otro que reducir tanto como sea posible el consumo neto de energía. Este objetivo global se puede alcanzar trabajando en aspectos diferentes. Por un lado, modificando los procesos que no sean eficientes desde el punto de vista energético e incluso sustituyéndolos por otros diseños más eficientes. Por otro lado, también se puede actuar a nivel de combinar los diferentes procesos que tienen lugar en la misma industria con la finalidad de aprovechar sinergias. La energía que hace falta disipar en un proceso, puede que sea de utilidad en otra operación donde sea preciso aportar energía. También deben ser exploradas las opciones posibles de cogeneración, donde un residuo con suficiente poder calorífico o una fuente residual de energía pueden ser aprovechados para generar energía eléctrica. El funcionamiento de un sistema de cogeneración redunda en un menor consumo energético neto.

Así pues, la adopción de medidas que supongan economizar recursos, ya sean materiales o energéticos, suponen incrementar la productividad del proceso industrial, además de hacerlo ambientalmente más sostenible. Este hecho aúna el intangible del respeto por el medio ambiente con un probable ahorro económico. Asimismo, la legislación que la mayoría de gobiernos van aprobando va en la línea de fomentar que la opción más económica acabe resultando ser la más sostenible ambientalmente.

Los países más contaminantes y los más sostenibles del mundo

En las últimas décadas han habido numerosas iniciativas para hallar un método preciso que permita cuantificar y comparar el esfuerzo de los diferentes países en relación a su política ambiental y a las actuaciones realizadas con la finalidad de mitigar el impacto ambiental. De todos los métodos ideados, el Índice de Desempeño Ambiental es el que más consenso reúne y ha sido adoptado por un mayor número de universidades e instituciones públicas.

El Índice de Desempeño Ambiental (EPI, Environmental Performance Index) es un método de cálculo que permite cuantificar el desempeño ambiental de un país en base a sus políticas en materia de medio ambiente. Este índice lo ha desarrollado la Universidad de Yale (USA) y se publica desde 1999 cada dos años (aunque de 1999 a 2005 se calculaba ligeramente diferente y se denominaba Índice de Sostenibilidad Ambiental, ESI). Paulatinamente se van añadiendo más países objeto de análisis y en la última edición del informe, publicado en 2012, se presentan datos de 178 países.

El EPI se obtiene mediante el cálculo y la agregación ponderada de 20 indicadores que reflejan la situación ambiental a nivel nacional. Estos indicadores se agrupan en nueve categorías diferentes, que a su vez, se concentran en dos grandes objetivos: el primero, salud ambiental, el cual mide la protección de la salud humana en relación a daños ambientales, y el segundo, vitalidad de los ecosistemas, que evalúa la protección de los ecosistemas y la gestión de los recursos naturales. El primer objetivo engloba tres categorías de indicadores: (1) el impacto del medio ambiente en la salud, (2) los efectos de la calidad del aire en la salud, y (3) agua potable y saneamiento. El objetivo que analiza la vitalidad de los ecosistemas aglutina seis categorías de indicadores: (1) recursos hídricos, (2) recursos agrícolas, (3) recursos forestales, (4) recursos pesqueros, (5) biodiversidad y hábitat y, por último, (6) cambio climático. Esta batería de 20 indicadores establece una imagen representativa de los diferentes aspectos ambientales del país.

Los cálculos se inician transformando la información preliminar en indicadores de desempeño estandarizados y comparables, mediándose de datos de población, de producción industrial, etc. Para el cálculo de los indicadores EPI se utiliza una tecnología denominada “proximidad al objetivo”, la cual evalúa cómo de cercano está el país del objetivo fijado por una norma determinada. Los objetivos son previamente determinados por las políticas nacionales o internacionales o por los umbrales científicos establecidos y comúnmente aceptados. Los indicadores reciben una puntuación comprendida entre 0 y 100, siendo 0 la posición más alejada a la consecución del objetivo y 100 la puntuación más cercana posible al objetivo.

La cuantificación de los indicadores permite un doble propósito: por un lado es posible la comparación de distintos países entre sí e incluso realizar un ranking de países en función de un aspecto ambiental elegido. Por otro lado, los indicadores permiten analizar, para un país determinado, la evolución que ha seguido en los últimos años respecto a un indicador concreto.

Por tanto, una vez calculados los EPI para 2012, se pueden contestar preguntas del tipo ¿Cuál es el país que más contamina? ¿Cuál es el país industrializado más sostenible a nivel ambiental? ¿Qué país latinoamericano es el que más ha mejorado a nivel ambiental en los últimos 10 años? A continuación se muestran diferentes resultados obtenidos mediante el cálculo y el posterior análisis de los indicadores:

1. Gráfica sobre el acceso al agua potable limpia

Mapa agua potable y limpia2. Ranking de los 30 países más sostenibles a nivel ambiental

Países más sostenibles3. Ranking de los 10 países que peor tratan al medio ambiente

Países más contaminantes4. Ranking de los países latinoamericanos que más han mejorado en cuanto a sostenibilidad ambiental

Contaminación latinoaméricaAsí pues, el EPI es una excelente herramienta que permite analizar y comparar la situación de un país en función de las actuaciones realizadas con la finalidad de cumplir sus objetivos ambientales fijados. Constituye un método de cálculo que ha sido validado por numerosos investigadores de distintas universidades e instituciones públicas. No obstante, también se debe tener en cuenta que existen aspectos ambientales que aún no se tienen en cuenta a la hora de calcular los indicadores. Es el caso de información como la calidad del agua dulce, la gestión de los residuos sólidos urbanos, la seguridad nuclear, la pérdida de zonas húmedas, los porcentajes de reciclaje de los diferentes tipos de residuos y la adaptación y la vulnerabilidad al cambio climático entre otra. No obstante, a pesar de no incorporar esta información, la imagen resultante de la batería de indicadores ambientales que integran el EPI resulta muy representativa de la situación ambiental del país.