Debajo de Bahnhofstrasse en Zúrich, un canal de alcantarillado alimenta las aguas residuales a la planta de tratamiento. El agua de lluvia se descarga a través de una tubería separada. Fuente: Max Maurer / ETH Zúrich
Fuera de la vista, fuera de la mente: desde que se inventaron las alcantarillas, hemos estado tirando los desechos humanos utilizando grandes cantidades de agua dulce para eliminarlos de nuestros hogares y ciudades tan rápido como las tuberías pueden transportarlos. Los sistemas de agua urbanos modernos son ampliamente considerados como uno de los mayores logros del siglo pasado. Nos proporcionan agua potable limpia, vierten las aguas residuales a las plantas de tratamiento de aguas residuales y drenan el agua de lluvia de las zonas urbanizadas.
“Como resultado, disfrutamos de condiciones de vida secas e higiénicas, dos pilares de la salud pública en áreas urbanas densamente pobladas”, dice Max Maurer, profesor de sistemas de agua urbana en ETH Zurich y Eawag, el Instituto Federal Suizo de Ciencia y Tecnología Acuáticas. que es parte del dominio ETH.
Para lograr esto, los países industrializados han construido una gran cantidad de infraestructura, solo en Suiza por un valor de alrededor de 230 mil millones de francos suizos. Las tuberías suizas de agua y alcantarillado de extremo a extremo, de unos 200.000 kilómetros de largo, darían la vuelta al mundo cinco veces. Una extensa red de alcantarillados subterráneos descarga aguas residuales a cerca de 800 plantas de tratamiento centralizadas.
Este enfoque de la infraestructura del agua ha demostrado su eficacia en los países industrializados y también se ha considerado un punto de referencia para el resto del mundo durante décadas. “Pero la verdad es que los sistemas de agua urbanos convencionales ya no son sostenibles”, dice Maurer.
De residuos a recursos
Kai Udert, profesor del Instituto de Ingeniería Ambiental de ETH Zurich y científico principal de Eawag, es igualmente escéptico sobre la infraestructura de agua convencional. “Usamos agua potable para diluir las heces, la orina y el agua ligeramente sucia de los baños y las cocinas y los descargamos al sistema de alcantarillado, esto es absurdo”. Él dice.
Udert, un experto en ingeniería de procesos, considera que las aguas residuales no son un desecho maloliente que debe desecharse, sino un recurso valioso que debe aprovecharse. Su explicación de por qué necesitamos adoptar un nuevo enfoque es simple. “Las aguas residuales son uno de los últimos flujos de desechos lineales”, dice. “Nos deshacemos de todo de la misma manera, ya sea limpio o sucio. Es ineficiente y crea todo tipo de problemas que la gente ha estado tratando de resolver durante años”. Por ejemplo, los sistemas convencionales desperdician no solo grandes cantidades de agua y energía, sino también valiosos nutrientes que, si no se reciclan, en última instancia dañan el medio ambiente.
Mientras tanto, los desafíos aumentan: la industria de las aguas residuales está lidiando con el cambio climático, una infraestructura que envejece rápidamente, una población en auge y una urbanización en aumento, y una nueva presión sobre las plantas de tratamiento de aguas residuales para eliminar los microcontaminantes.
Maurer y Udert dicen que es hora de repensar. Piden un cambio de paradigma de unas pocas plantas de tratamiento centralizadas y hacia un sistema de tratamiento de aguas residuales descentralizado basado en una infraestructura de agua modular. Esto nos daría una forma más eficiente y eficaz de gestionar los recursos hídricos urbanos.
Reciclaje en la fuente
“Piense en sistemas descentralizados compactos y altamente eficientes que ofrezcan un tratamiento flexible de aguas residuales a nivel local: esta es la alternativa que proponemos”, dice Maurer. En Eawag, Udert y Maurer han pasado años desarrollando procesos adecuados para pequeñas plantas de procesamiento. Su trabajo se basa en tres principios clave que subyacen a un sistema de saneamiento cerrado diseñado para proteger y recuperar recursos.
La separación en la fuente, también conocida como saneamiento NoMix, tiene como objetivo separar las aguas residuales en diferentes fracciones, ya que los desechos humanos y el agua son mucho más fáciles de tratar y reciclar si no se mezclan.
La recuperación de recursos se presenta de muchas formas: los nutrientes como el nitrógeno y el fósforo se pueden extraer de la orina y las heces, y las aguas grises, aguas residuales ligeramente contaminadas de cocinas, baños y lavadoras, se pueden tratar y reutilizar muchas veces. También se recupera energía térmica. Del mismo modo, el uso de nutrientes recuperados en los campos como fertilizante cierra el ciclo de nutrientes, lo que es bueno para el medio ambiente y reduce la dependencia de los fertilizantes de fosfato mineral importados.
El tercer principio, la descentralización, tiene como objetivo eliminar el costoso transporte de agua a través de sistemas de tuberías administrados centralmente al garantizar que las aguas residuales y los desechos puedan tratarse lo más cerca posible de la fuente.
Los científicos están desarrollando y probando nuevas tecnologías de tratamiento de aguas residuales en el sótano de NEST, un edificio de investigación e innovación dirigido por Eawag y Empa, los laboratorios federales suizos de ciencia y tecnología de materiales. Algunos de los procesos que utilizan provienen de proyectos de investigación iniciados hace más de 15 años para desarrollar soluciones de saneamiento fuera de la red para países del Sur Global.
Ejemplos bien conocidos son Vuna y Blue Diversion Autarky, que brindan una forma segura y económica de eliminar las aguas residuales sin la necesidad de un sistema de alcantarillado combinado y plantas de tratamiento centralizadas.
Vuna significa “Valorización de nutrientes en orina en África”. En este enfoque, desarrollado conjuntamente con ETH Zurich, la orina recolectada por separado se convierte en fertilizante en una planta de tratamiento de aguas residuales remota. El segundo proyecto condujo al inodoro Blue Diversion Autarky, un sistema que recolecta y purifica la orina y las heces, y recolecta y recicla el agua de descarga en módulos separados dentro de una sola estructura.
Reactor de biogás y pasteurizador
Elizabeth Tilley entiende muy bien la importancia de los sistemas de saneamiento descentralizados que no requieren suministro de agua. Sin embargo, en muchas regiones del mundo, se necesitan conceptos fundamentalmente nuevos para que esto funcione. Tilley comenzó su carrera investigadora en Eawag y completó su doctorado en el proyecto de reciclaje de nutrientes Vuna en Sudáfrica, dirigido por Udert. Ahora es profesora de ingeniería de salud global en ETH Zurich, donde ella y su grupo de investigación están trabajando para desarrollar soluciones asequibles y socialmente aceptables para proteger la salud humana y el medio ambiente.
Alrededor de 2300 millones de personas en todo el mundo utilizan sistemas de saneamiento locales, como letrinas. Sirven como barrera inicial contra los patógenos fecales, pero vaciar la letrina regularmente presenta su propio conjunto de problemas. Si el lodo simplemente se vierte en el medio ambiente o no se trata, el riesgo de propagación de patógenos y la posibilidad de brotes de enfermedades como el cólera es alto.
Existe una necesidad urgente de tecnologías descentralizadas que sean sólidas, asequibles y fáciles de usar. Una tecnología prometedora es el reactor anaeróbico de biogás, que es esencialmente un gran globo de goma. Limpia el lodo fecal hasta cierto punto, aunque no lo suficiente como para eliminarlo de manera segura. Sin embargo, la ventaja de este proceso es el subproducto útil del gas rico en metano (biogás) que se puede usar para cocinar, similar al propano o al gas natural.
Junto con la empresa de ingeniería keniana Opera y un proveedor mexicano de reactores de biogás, Tilley y su equipo se dispusieron a descubrir si podían usar el biogás del lodo para alimentar un pasteurizador, que luego calentaría las aguas residuales a una temperatura lo suficientemente alta como para matar a todos. patógenos
Julia Jäggi, estudiante de maestría en el Departamento de Ingeniería Mecánica y de Procesos, pasó tres meses en Kisumu, Kenia, a orillas del lago Victoria, diseñando y probando un pasteurizador con capacidad para unas 500 personas al día. “La ingeniería en el laboratorio es una cosa, ¡pero realmente puso a prueba nuestra flexibilidad y creatividad! Todos los días se trataba de resolver problemas sobre la marcha y aprovechar al máximo lo que teníamos, dice Jäggi. Tilley confía en que su sistema pronto estará listo para su implementación y ayudará a prevenir enfermedades infecciosas.
Uso de la experiencia existente
No cabe duda de que el agua es uno de los mayores retos del futuro. El uso inteligente y económico de este recurso es fundamental, tanto en Suiza como en el extranjero. “Los conceptos que desarrollamos para los países más pobres hace 15 años son cada vez más relevantes en Suiza. Ahora estamos cosechando los beneficios de este conocimiento”, dice Udert.
Maurer y Udert creen que pronto veremos plantas de tratamiento de aguas residuales modulares en áreas urbanas y reactores compactos para el tratamiento de aguas residuales en los hogares. El proyecto de investigación COMIX, codirigido por Maurer, investigó recientemente la posible aplicación de tecnologías modulares en el sector del agua suizo. Sus resultados sugieren que la proporción de plantas de tratamiento de aguas residuales descentralizadas podría aumentar del 2,5% al 50% a largo plazo.
Los científicos también ven una oportunidad para que Suiza acelere las acciones para hacer que su infraestructura de agua sea amigable con el clima. Esto le daría la ventaja inicial que necesita para convertirse en el líder del mercado en el desarrollo y prueba de sistemas modulares de agua. A lo largo de los años, Suiza ha acumulado una gran experiencia en todos los aspectos de la gestión del agua, incluso a través de universidades de ciencias aplicadas, la industria y las instituciones en el dominio ETH. “Sin embargo, esta experiencia sigue sin explotarse en gran medida”, dice Maurer.
La ejecución de proyectos piloto requeriría un esfuerzo coordinado de los investigadores, la industria y el sector público para demostrar la viabilidad de este conocimiento aplicado y luego crear un mercado inicial. “Pero cuando se trata de procesos, conocimientos y recursos financieros, todo ya está ahí”, dice Udert.