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Ingeniería ambiental

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Tratamiento de aguas residuales, efluentes y aire al servicio del Medio Ambiente

Destilación por membranas para tratar aguas residuales

Destilacion por membranasEl tratamiento de efluentes salinos y salmueras no es posible utilizando procesos convencionales. La única tecnología que ofrece una solución completa es la evaporación al vacío, puesto que la ósmosis inversa o la electrodiálisis generan un efluente de rechazo el cual debe ser gestionado. Y la destilación convencional conlleva unos costes que hacen que no sea viable económicamente.

No obstante, existe una tecnología que, aunque la primera patente data de 1963, su utilización empieza a emerger en la actualidad aprovechando todos los desarrollos de la ingeniería de membranas. Se trata de la destilación por membranas.

La destilación por membranas consiste en un proceso térmico en el que únicamente las moléculas de vapor pueden pasar a través de la membrana, la cual es hidrofóbica. El alimento que se ha de tratar está en contacto directo con una de las superficies de la membrana pero no penetra a través de los poros de la membrana al ser ésta hidrofóbica. La fuerza impulsora para la separación es la presión de vapor a través de la membrana, y no la presión total como ocurre con la ósmosis inversa. Al aumentar la temperatura del alimento aumenta la presión de vapor y, por tanto, también aumenta el gradiente de la presión de vapor que es la fuerza impulsora.

Desde el punto de vista comercial es una tecnología que no ha sido ampliamente implantada por las siguientes razones:

  • La eficiencia térmica del proceso es reducida por las pérdidas de calor por conductividad de las membranas que se produce.
  • Se producen efectos de polarización de concentración y temperatura que disminuyen el flujo de permeado a través de la membrana.
  • Se produce el efecto wetting que consiste en la penetración de impurezas presentes en el alimento en los poros de la membrana, disminuyendo así el flujo de permeado.

A pesar de estos inconvenientes que a medida que progresa la investigación se van superando, la tecnología presenta una serie de ventajas que hacen que sea competitiva cada vez en más aplicaciones. Las ventajas más importantes de la destilación por membrana son:

  • Al igual que en la evaporación, el proceso no está limitado por el equilibrio, por lo que se pueden conseguir los factores de recuperación del agua y de concentración del rechazo que sean necesarios. A diferencia de la ósmosis inversa, no existe un equilibrio el cual establece un límite en la separación.
  • Generalmente la tecnología no requiere un pretratamiento del alimento para alargar la vida de la membrana.
  • La eficiencia del sistema y la buena calidad del agua producida prácticamente son independientes de la concentración de sal del alimento.
  • Rechazo del 100% de solutos no volátiles.
  • Posibilidad de tratar efluentes corrosivos y ácidos, que en destilación convencional es complicado por los materiales que se requieren.
  • Flexibilidad de operación al tratarse de módulos independientes.

La selección de la membrana es clave para el buen funcionamiento del proceso. Las características de la membrana tienen influencia directa en el proceso, las más relevantes son: la porosidad, el tamaño del poro, el grosor de la membrana, la conductividad térmica y la composición, la cual está relacionada con la resistencia al ataque químico.

Las características de la destilación por membranas hacen que sea una tecnología con una aplicación satisfactoria en áreas tan diferentes como:

  • Producción de agua pura.
  • Desalación de salmuera.
  • Eliminación de tintes y tratamiento de aguas residuales de la industria textil.
  • Concentración de ácidos y sustancias corrosivas, así como separación de mezclas azeotrópicas en la industria química.
  • Concentración de zumos y procesado de leche en la industria alimentaria.

La destilación por membranas es una tecnología que cada vez es más competitiva en una amplia variedad de sectores industriales puesto que permite tratar efluentes complejos. Se trata de una técnica que, conjuntamente con la evaporación al vacío, son de las pocas tecnologías que permiten tratar efluentes salinos y salmueras sin producir si es necesario una corriente de rechazo, puesto que la separación no está limitada por el equilibrio. No obstante, la destilación por membranas aún no es una tecnología con una elevada eficiencia energética por las pérdidas de calor por conductividad de la membrana, por lo que su aplicación queda restringida a aquellas aplicaciones en las que la destilación convencional o la evaporación al vacío no son alternativas viables, como es el caso de cuando se desea concentrar ácidos o sustancias corrosivas.

Tratamiento de efluentes procedentes de la estabilización del mosto

estabilización del mostoLa recuperación de las sales disueltas en el agua residual tras un proceso de estabilización del  mosto de uva puede ser muy interesante para los productores de vino, ya que permite obtener fertilizantes de gran calidad para la viña, debido a su gran riqueza en potasio, sin ningún coste.

El mosto de uva contiene diferentes sales disueltas, principalmente de los cationes de potasio, calcio, hierro, cobre y magnesio. Entre ellas se encuentran las sales tártricas formadas básicamente por el bitartrato de potasio y, en mucha menor cantidad, por el bitartrato de calcio. Estas sales se forman a partir del ácido tartárico, que de forma natural contienen las uvas, y los cationes potasio y calcio presentes en el suelo del cultivo. En el caso de mostos poco ácidos, cultivados en climas calurosos, se suele corregir su acidez mediante la adición de ácido tartárico.

Durante el proceso de fermentación del mosto, las sales de bitartrato superan su límite de solubilidad y precipitan en parte, quedando adheridas en las paredes y fondos de los depósitos. A pesar de esta precipitación, el vino, ya fermentado, continúa siendo una solución saturada de bitartrato potásico. Esta condición conlleva que el vino sea inestable, puesto que ante la mínima variación de las condiciones se puede volver a producir una precipitación de estas sales.

La aparición de posos en la botella y la turbidez en el vino está bien vista por algunos consumidores, ya que ya que su presencia se percibe como algo natural y como un síntoma de que el producto ha sido escasamente tratado y, por tanto, es más rico e íntegro. A pesar de ello, la estabilización del mosto para evitar la precipitación de estas sales se considera como un proceso indispensable desde el punto de vista comercial para la mayoría de mercados. Todavía en muchos lugares la presencia de estos sedimentos se considera que afecta negativamente al aspecto del vino y no es bien recibida por los consumidores.

La técnica mayormente empleada para eliminar las sales de bitartrato en el vino consiste en un tratamiento con frío. Al bajar la temperatura del caldo, disminuye la solubilidad del tartrato potásico y éste precipita. Posteriormente se separa del vino mediante filtración. Este proceso requiere entre 5 y 10 días, lo que obliga a tener los depósito llenos, por lo que se reduce la capacidad de maniobra de la bodega, y el consumo de una cantidad ingente de energía eléctrica para enfriar el mosto.

Para salvar estos inconvenientes, se pueden utilizar otros procesos más competitivos, como es el caso del intercambio iónico mediante resinas catiónicas. Se trata de una técnica que requiere una inversión económica claramente inferior en relación al resto y proporciona resultados excelentes para cualquier tipo de vino. Además, produce un ligero aumento de la acidez total y una ligera disminución del pH, hechos que amplían las garantías de conservación del vino y mejoran sus cualidades organolépticas.

En el tratamiento mediante intercambio catiónico se hace pasar el vino a través de unas columnas dispuestas en serie en las que en su interior se encuentran unas resinas de intercambio catiónicas. Este proceso se realiza en discontinuo puesto que las resinas se agotan y deben regenerarse para recuperar la capacidad de sus grupos funcionales. Al pasar el vino a través de las resinas catiónicas, se lleva a cabo la sustitución de los cationes por iones H+, eliminando así los iones de potasio y calcio responsables de la precipitación de los bitartratos. Cuando se observa en el vino que va saliendo de la columna de intercambio iónico un incremento de pH, indicación de que la resina ya no tiene capacidad de seguir captando cationes y liberando iones H+, se detiene el proceso y se inicia la regeneración de la resina. Para tal fin se hace pasar ácido sulfúrico en contracorriente a través de la columna. Cuando se da por finalizada la regeneración de las resinas, éstas deben ser lavadas para arrastrar los restos de agentes regenerantes que hayan podido quedar en el interior de las columnas. Este proceso se realiza haciendo circular agua osmotizada, operación que finaliza en función de los valores de pH del efluente de lavado.

Fruto de la regeneración y de la limpieza posterior, se genera un efluente de aguas ácidas ricas en calcio y, especialmente, en potasio. Para gestionar correctamente este efluente existen varias alternativas, siendo una de las más interesantes la recuperación de las sales mediante una evaporación al vacío.

La evaporación al vacío permite evaporar el solvente trabajando a temperaturas relativamente bajas, en torno a los 40 ºC, factor decisivo para que el consumo de energía eléctrica sea moderado. Como resultado, se obtienen unas sales que se pueden utilizar como fertilizantes para la viña por su riqueza en potasio, elemento fundamental para el desarrollo vegetativo de las vides.

Así pues, la evaporación al vacío permite poner en práctica un ejemplo de recuperación de recursos a partir de los residuos, modelo que acabará imponiéndose a medio plazo en cualquier proceso de gestión de efluentes puesto que supone importantes beneficios a nivel económico y ambiental.

Producción sostenible de fertilizantes naturales a partir de deyecciones animales

Producción de fertilizantesLa fertilización de los suelos empezó a llevarse a cabo cuando los agricultores primitivos se dieron cuenta de que determinados suelos, que eran fértiles, dejaban de producir rendimientos aceptables si se cultivaban de forma continua, y que al añadir estiércol o residuos vegetales la fertilidad se mantenía ininterrumpidamente.

El importante crecimiento de la población mundial en los dos últimos siglos, pasando de 1.000 millones a inicios del siglo XIX a 7.400 millones en la actualidad, exige a la agricultura un aumento de la producción. Al no ser posible incrementar en gran medida las superficies cultivadas, la única opción que permite aumentar la producción agrícola pasa por aportar a los suelos los nutrientes que los cultivos consumen. La utilización, racional, de los fertilizantes, es esencial para mantener la calidad y rendimiento de las cosechas, a la vez que es plenamente respetuosa con el medio ambiente.

La utilización de fertilizantes minerales es una forma eficiente de satisfacer las elevadas demandas a nivel mundial de nutrientes requeridos por los suelos. Estos fertilizantes han demostrado en ensayos de larga duración que permiten obtener elevados rendimientos de los cultivos a la vez que los productos obtenidos son de mayor calidad.

La producción convencional de fertilizantes minerales se basa en el uso de gas natural, fosfato roca, potasa y azufre entre otras materias primas, el precio de las cuales se ha encarecido considerablemente en los últimos diez años. Además, teniendo en cuenta que son recursos limitados y cada vez más escasos, la tendencia de su coste es alcista. Esto ha llevado a que el precio de los fertilizantes minerales esté experimentando un incremento importante y sostenido, el cual no parece tener fin.

precio sulfato de amonio

En la gráfica se observa la evolución del precio del nitrato de amonio entre 1960 y 2012, el cual ha experimentado una subida extraordinaria a partir del año 2002. La evolución del precio del nitrato de amonio es representativa del conjunto de fertilizantes minerales. Actualmente, el precio de un fertilizante se haya entre 100 y 600 €/Tm en función de su composición.

No obstante, para alcanzar una mayor sostenibilidad, ante la síntesis de fertilizantes a partir de residuos fósiles, una alternativa respetuosa con el medio ambiente y rentable económicamente es posible: la transformación en fertilizantes de subproductos o de residuos industriales valorizables, particularmente atractivo resulta la valorización en fertilizantes de la fracción sólida y liquida de los biodigestores (se conocen con el término de digestatos) que tratan estiércol de aves y purines de porcino y vacuno. El precio actual de los fertilizantes, y aún más el coste futuro, hace posible que la inversión en procesos de revalorización en los que el producto final sea un fertilizante de alto valor añadido tenga plazos de retorno atractivos.

Los procesos de valorización que típicamente acaban dando como resultado un producto con posibilidad de utilizarse como fertilizante se circunscriben en el ámbito de la transformación del digestato, obtenido en el proceso de digestión anaerobia de residuos orgánicos, en un producto con unos niveles de nitrógeno, fósforo y potasio que lo hacen apto para su uso en agricultura. El digestato es rico en materia orgánica carbonosa soluble, nitrógeno, fósforo y potasio, aunque con unas concentraciones relativas bajas (menos del 0,5 %) por lo que su distribución hasta el punto de aplicación y su aplicación al suelo puede resultar muy costosa. Para ajustar los niveles de estos nutrientes a las concentraciones comerciales es necesario efectuar un proceso de concentración por evaporación de agua por lo que será necesario el uso de energía térmica de muy bajo coste para que el proceso sea rentable. Esta energía está disponible en los procesos de “waste to energy” mediante el aprovechamiento del biogás producido en los digestores con o sin motores de cogeneración, por lo tanto es prácticamente gratuita al disponer de agua caliente (aprox. 90 ºC), esta energía utilizada en evaporadores al vacío de múltiple efecto permite alcanzar concentraciones de nutrientes de cerca el 35% en MS. Este producto que se ha obtenido por concentración permite ser envasado para ser comercializado o vendido a granel, permitiendo obtener buenos ingresos a la explotación ganadera que dispone de esta tecnología. Una de las ventajas añadidas de la obtención de fertilizantes concentrados a partir de la fracción liquida del digestato de deyecciones ganaderas es que se trata de un producto “ecológico y natural” al que se ha eliminado, gracias al largo periodo de retención en el biodigestor, los microorganismos patógenos, antibióticos y hormonas.

No obstante, teniendo en cuenta que los elementos esenciales que los cultivos necesitan son nitrógeno, preferentemente en forma de nitrato y parcialmente en forma de amonio, fósforo, potasio, calcio, magnesio y azufre, seguidos de una serie de micronutrientes (hierro, manganeso, zinc, cobre, molibdeno, boro, etc.), el carbono soluble, en forma de compuestos de sustancias húmicas (ácido húmico y ácido fúlvico) juegan un papel fundamental en la absorción y transformación de los nutrientes por parte de la materia vegetal. Uno de los aspectos que más preocupa al agricultor es la posible presencia de microorganismos patógenos, típicos en la materia fecal, si bien los largos tiempos de permanencia en el digestor pueden eliminarlos, la re-contaminación indirecta de la fracción liquida puede llegar a ser un problema, la tecnología aplicada en los procesos de concentración que incluye por un lado la utilización de membranas de ultrafiltración (elimina todo tipo de patógenos, bacterias, virus e incluso pirógenos) además el proceso de concentración con los evaporadores genera un choque térmico que esteriliza el producto fertilizante obtenido.

El proceso de recuperación de los nutrientes minerales depende fundamentalmente de la composición del subproducto industrial de partida. De forma general, se basa en el uso de una serie de procesos y técnicas que permiten la separación de los principales compuestos que interesan (nitrato de amonio, superfosfato -Ca(H2PO4)2 -, fosfato amónico, cloruro potásico, sulfato potásico, sulfato de calcio, cloruro de calcio, sulfato de magnesio, carbonato de calcio, etc.), seguidos de etapas de evaporación al vacío y cristalización, que consiguen la obtención de los compuestos en estado sólido y con elevada pureza.

De esta manera se pueden producir fertilizantes de alto valor añadido (equilibrados en cuanto a su composición, de liberación lenta, de composición definida, específicos para cada aplicación, etc.) mediante un proceso que es completamente sostenible desde el punto de vista ambiental y rentable a nivel económico, el precio del producto fertilizante ecológico concentrado obtenido (aproximadamente al 35% MS) puede tener un valor en el mercado entre 250-350 €/Tm, el coste de concentración aprovechando la energía térmica disponible (energía eléctrica, consumibles, etc.) más los costes operativos son del orden del 30% del valor de mercado del producto obtenido, por tanto con el beneficio obtenido por dicha comercialización permite una amortización de equipos muy rápida, por lo general inferior a dos años.

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Proyecto MELiSSA, la orina para conquistar Marte

marsLas agencias espaciales norteamericana (NASA), europea (ESA), rusa (FKA), japonesa (JAXA), china (CNSA) e india (ISRO) han puesto en órbita con éxito un gran número de satélites. Pero en cuanto a misiones tripuladas al espacio se refiere, sólo tienen experiencia las agencias norteamericana y rusa, y además, con un ámbito circunscrito únicamente a la exploración de la Luna y a la estación espacial internacional (ISS). La dificultad principal a la hora de realizar misiones espaciales tripuladas con destino a planetas o satélites más o menos lejanos estriba en la distancia que se debe salvar, la cual determina la cantidad de alimentos y oxígeno necesaria para la supervivencia de la tripulación durante la misión. Para abordar una misión tripulada de larga duración, por ejemplo, a Marte, la cual tendría una duración mínima de alrededor de unos 1.000 días, los suministros de la tripulación (alimentos, agua y oxígeno) pesarían unos 30.000 kg. Esta carga es demasiado pesada y excede enormemente la carga máxima de lanzamiento de los transbordadores espaciales actuales.

La viabilidad de una misión tripulada de larga duración, a Marte o a cualquier otro lugar, pasa por la formación de un ecosistema artificial cerrado que recicle la orina, las heces y el CO2 de la respiración de la tripulación, y que proporcione agua, alimentos y oxígeno.

La Agencia Europea del Espacio (ESA) lidera el proyecto MELiSSA (Micro-Ecological Life Support System Alternative), el cual se ha concebido como una herramienta para estudiar y entender el comportamiento de los ecosistemas artificiales y para desarrollar la tecnología necesaria para futuros sistemas de soporte de vida que permitan la realización de misiones espaciales tripuladas de larga duración.

El proyecto MELiSSA se basa en la recreación de un ecosistema artificial capaz de generar oxígeno, agua y alimentos a partir del reciclaje de los residuos producidos por la tripulación de una nave espacial (residuos orgánicos, orina, heces y CO2). El concepto está basado en el funcionamiento independiente de cinco compartimentos interconectados, colonizados por bacterias termofílicas anaerobias, bacterias fotoheterotróficas, bacterias nitrificantes, bacterias fotoautótrofas y plantas superiores. Cada uno de los compartimentos tiene una función específica asignada para conseguir el objetivo global, que no es otro que el de transformar los residuos en suministros:

  • Compartimento I: en él se recogen todos los residuos producidos en el sistema (heces, orina, papel, la biomasa no comestible y la parte no comestible de las plantas). Su función es la transformación anaerobia termofílica de los residuos en amonio, ácidos grasos volátiles y minerales. La operación se lleva a cabo en condiciones termofílicas para aumentar la eficacia del proceso de degradación y para garantizar la destrucción de microorganismos potencialmente patógenos.
  • Compartimento II: los ácidos grasos volátiles producidos en el compartimento I son transformados en una fuente de carbono inorgánica en condiciones anaeróbicas mediante el crecimiento de bacterias fotoheterotróficas que utilizan la luz como fuente de energía. La biomasa generada se devuelve al compartimento I para que sea degradada.
  • Compartimento III: su función es la transformación del amonio producido en el compartimento I en nitrato, que es la fuente de nitrógeno preferida por las plantas superiores y bacterias del compartimento IV. La oxidación del amonio la realizan las bacterias Nitrosomonas europaea, y la oxidación de los nitritos las Nitrobacter winogradskyi. Ambas utilizan el CO2 como fuente de carbono. Su crecimiento es muy lento, por lo que se genera muy poca biomasa.
  • Compartimento IV: es el responsable de transformar el dióxido de carbono en oxígeno, de generar biomasa comestible que sirva para la alimentación de la tripulación y de la recuperación del agua. Todo esto se lleva a cabo mediante los dos subcompartimentos (IVa y IVb) en el que está dividido el compartimento IV.
    El subcompartimento IVa está colonizado por bacterias fotoautótrofas, Arthrospira platensis, las cuales utilizan la luz como fuente de energía, el CO2 como fuente de carbono y producen oxígeno y agua. La propia biomasa generada es comestible, por lo que sería el alimento de la tripulación. El subcompartimento IVb está formado por una selección de plantas superiores, las cuales desempeñan el mismo papel que las bacterias fotoautótrofas. No obstante, las plantas superiores permiten transformar el CO2 en oxígeno a una mayor velocidad específica que las bacterias fotoautótrofas además de que ayudan a conseguir una dieta más equilibrada para la tripulación.
  • Compartimento V: estaría formado por la tripulación, la encargada de transformar los alimentos, el agua y el oxígeno en heces, orina y CO2, cerrando así el ciclo.

En la figura se observan los cinco compartimentos distribuidos de tal forma que permiten el funcionamiento en bucle de los flujos de materia, destacando que se trata de un ecosistema artificial cerrado por lo que a la materia se refiere.

proyecto melissa

El proyecto MELiSSA está siendo desarrollado por un conglomerado internacional de universidades, centros de investigación y compañías privadas, coordinado por la ESA. Concretamente, en el proyecto participan las siguientes organizaciones: el instituto de investigación tecnológica VITO y el Centro de Estudios de Energía Nuclear SCK/CEN (ambos en Mol, Bélgica), la Universidad de Ghent (en Ghent, Bélgica), la Universitat Autònoma de Barcelona (en Barcelona, España), la Universidad Blaise Pascal (en Clermont-Ferrand, Francia), la Universidad de Guelph (en Guelph, Canadá) y SHERPA Engineering (en París, Francia).

El proyecto requiere conocimientos a un nivel multidisciplinar, por lo que en el proyecto participan expertos en genómica, proteómica, modelización, microbiología, nutrición, ingeniería de procesos, biotecnología, ingeniería de sistemas, automatización, etc., tanto desde el punto de vista académico como industrial.

La planta piloto, formada por los cinco compartimentos a escala piloto, está siendo implementada y desarrollada en la Universitat Autònoma de Barcelona. Todos los avances del proyecto en las diferentes disciplinas se integran y comprueban en la planta piloto.

La tecnología desarrollada en el proyecto MELiSSA también abre un nuevo campo de posibles soluciones en asuntos como la gestión del agua, la reutilización de los residuos y la regeneración de la atmósfera para aplicaciones sin relación alguna con las misiones al espacio. Tal vez en un futuro no muy lejano, cuando según las previsiones todas las reservas de petróleo de la Tierra se hayan acabado y el cambio climático convierta el planeta en un lugar cada vez más inhóspito, la tecnología desarrollada por MELiSSA ayude a nuestra supervivencia. Entonces no habrá que ir tan lejos para que su aplicación nos sea útil.