La calidad del agua y la desigualdad

Por Philip Davies, profesor de Tecnología del Agua, Escuela de Ingeniería de la Universidad de Birmingham (Reino Unido)

En la actualidad, alrededor de quinientos millones de personas sufren una gran escasez de agua durante todo el año y, entre 1.800 y 2.900 millones de personas, durante varios meses al año. En 2025 la mitad de la población mundial vivirá en zonas afectadas por el estrés hídrico.

En lo que respecta a la calidad, la distribución de los recursos hídricos del mundo es desigual. La mayor parte del agua (97,5%) se encuentra en los océanos, y es demasiado salada para su consumo. El agua superficial de buena calidad representa menos de la mitad de los recursos hídricos del planeta. Entre estos dos extremos existen otras fuentes de agua, como las aguas subterráneas, que en muchos lugares son demasiado salinas para su consumo sin ser tratadas, y las corrientes de desechos industriales, que pueden contener gran variedad de contaminantes naturales y artificiales.

Las áreas más vulnerables al estrés hídrico son aquellas en las que la demanda de agua para consumo y riego excede la reposición natural por las precipitaciones. Entre ellas se encuentran las regiones desérticas (aproximadamente entre los 15 y 45 grados de latitud), principalmente en el hemisferio norte. La capacidad de los países de esas regiones a la hora de construir infraestructuras como presas, canalizaciones y plantas desalinizadoras es diversa.

Dado que se necesita mucha más agua para la agricultura que para el consumo directo, la capacidad económica para la importación de alimentos es también un factor importante. En la actualidad, países como Kuwait o Qatar, que prácticamente no disponen de un suministro de agua natural renovable, sortean este problema mediante la desalinización del agua para beber y la importación de alimentos. Mientras tanto, países como Somalia y el Yemen, con economías débiles y panoramas políticos difíciles, sufren una grave escasez de agua y severas restricciones en el suministro. Según las previsiones, Egipto, el Pakistán, la India y el norte y el noroeste de China son algunos de los principales lugares donde la escasez de agua será cada vez mayor.

Plantas desalinizadoras costeras

Las civilizaciones han solido desarrollarse a lo largo de las costas. Esto significa que la desalinización del agua de mar es una alternativa interesante para lograr que se provea un mayor suministro de agua a gran parte de las poblaciones que sufren estrés hídrico en el mundo. Sin embargo, la construcción de plantas desalinizadoras es costosa, y hasta hace poco consumía hasta tres veces más energía que los procesos de tratamiento de agua tradicionales. Esto se traduce en que, en la práctica, los mayores usuarios de la desalinización de agua de mar han sido los países adinerados y ricos en combustibles fósiles de la región del Golfo.

En estas plantas se elimina la sal del agua salina mediante un proceso llamado ósmosis inversa, que utiliza la presión para ejercer una fuerza de empuje del agua a través de una membrana semipermeable que permite el paso de moléculas de agua e iones, pero no de moléculas salinas, cuyo tamaño es mayor. Gracias a los avances en innovación, la calidad de estas membranas ha ido mejorando progresivamente, lo que ha permitido aumentar la producción de agua dulce. A raíz de ello, se ha multiplicado la capacidad de las plantas de desalinización y actualmente se produce cerca de un millón de metros cúbicos de agua dulce al día en cada una de ellas.

En los últimos veinte años, esta y otras mejoras en la tecnología empleada en las plantas desalinizadoras han reducido casi a la mitad el consumo de energía necesaria para la desalinización del agua de mar, volviendo esta tecnología mucho más asequible. Esta tendencia continuará en cierta medida, pero existe un nivel mínimo de consumo de energía necesario para la desalinización del agua de mar que no puede optimizarse: en el mejor de los casos, el consumo podría verse reducido a la mitad con respecto a su nivel actual.

¿Cuál es la solución para las poblaciones del interior de los países?

Existen muchas poblaciones del interior de los países, entre ellas gran parte de China, la India y los Estados Unidos, para las que el transporte de agua de mar desalinizada quizá no resulte práctico ni asequible. La población de esas zonas suele depender de aguas subterráneas de mala calidad.

Mis propias investigaciones en el noroeste de la India me han llevado a ser plenamente consciente de este problema. Según la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura, el 64% de la agricultura depende de las aguas subterráneas. Los estudios sobre las aguas subterráneas muestran que aproximadamente la mitad de la superficie terrestre de la India se encuentra sobre acuíferos demasiado salados para satisfacer las normas de calidad del agua potable.

Sin embargo, estas aguas subterráneas suelen ser mucho menos saladas que el agua de mar, por lo que, en teoría, podría reducirse el consumo de energía para desalinizarlas. Esto da cabida a soluciones inventivas que permitan que la desalinización de las aguas subterráneas sea más asequible y, por lo tanto, más accesible para poblaciones económicamente desfavorecidas.

Nuestra tecnología

En la Universidad de Birmingham hemos desarrollado una tecnología orientada principalmente al tratamiento de las aguas subterráneas. La eliminación de la salmuera residual presenta una dificultad especial en el tratamiento de las aguas subterráneas. Nuestra tecnología es de “alta recuperación”, es decir, la mayor parte del agua subterránea se convierte en agua dulce con niveles mínimos de salmuera residual. Se trata de algo difícil de lograr, pues una mayor recuperación se contrapone a un menor consumo de energía.

Empezamos modelando el consumo de energía de los actuales sistemas de ósmosis inversa y diseñando un sistema expresamente destinado al ahorro de energía. Desarrollamos una solución para la desalinización que puede funcionar sin conexión a la red eléctrica que y se alimenta de energías renovables.

El “presupuesto energético” en los sistemas de ósmosis inversa (OI) se define por las leyes de la termodinámica: a medida que aumenta la presión del agua de alimentación, el volumen disminuye (a una temperatura fija). La parte clave de la ecuación es la energía utilizada para mantener el agua salinizada bajo presión. Esta energía debe ser suministrada por una bomba de alta presión, que es la parte del sistema de desalinización que requiere más energía. Nuestro sistema solo necesita emplear presiones ligeramente superiores a las establecidas por la termodinámica, mientras que los sistemas convencionales utilizan varias veces más.

Desde el principio, nos propusimos el reto de diseñar un sistema que pudiera ser construido íntegramente con los elementos existentes. Hemos optado por un modelo de “ciclo de vida completo” que recicla el concentrado salino para mantener la presión al mínimo. Reviste una importancia fundamental en nuestro diseño la disposición de las válvulas, que evita que el concentrado reciclado se mezcle con el agua de alimentación, lo que comprometería la eficiencia y aumentaría el consumo de energía.

Esta nueva disposición de las válvulas también nos ha permitido sustituir las etapas de drenaje y recarga por una sola etapa combinada de “drenaje y recarga”, en la que se limpia el sistema a alta velocidad y se eliminan los residuos de la membrana. En esta única etapa también se minimiza el tiempo de inactividad y se aumenta el rendimiento del sistema.

Hemos llamado al sistema “OI de ciclo de vida completo” para distinguirlo de anteriores sistemas de ósmosis inversa. En comparación con los sistemas existentes, se espera que nuestro método genere un ahorro de energía de entre el 33% y el 66%, con una tasa de recuperación del 80%.

Pero las ventajas de nuestro sistema de ósmosis inversa de ciclo de vida completo no terminan aquí. El diseño abre el camino al uso de membranas de baja presión, que funcionan a presiones de bombeo más bajas. Prevemos que estas membranas tendrán una vida útil más larga, lo que reducirá los costos de mantenimiento. Asimismo, su función de drenaje confiere al sistema la capacidad de poder limpiarse automáticamente, por lo que puede ser utilizado en lugares remotos por personal no técnico.

¿Por qué la protección por patente?

Hemos fabricado el sistema con elementos de uso corriente y disponibles en el mercado. No obstante, estamos abiertos a todos los modelos de comercialización, incluidas las empresa sociales, y hemos decidido recurrir a la protección por patente a fin de mantener abiertas todas las posibilidades. Queremos proteger nuestra tecnología en diferentes mercados por medio del Tratado de Cooperación en materia de Patentes (PCT).

Tenemos un proyecto en marcha en el Valle del Jordán, que es un buen terreno de prueba para nuestra tecnología. La cuenca hidrológica del río Jordán es de tipo endorreico, por lo que no es de extrañar que la sal se acumule en esa zona, haciendo de la cuenca de dicho río una zona problemática en cuanto a la gestión del agua para la agricultura.

El agotamiento de las aguas subterráneas en esta región del mundo es motivo de preocupación a nivel transnacional. Los acuerdos internacionales limitan el acceso a las aguas subterráneas a los palestinos que viven en la Ribera Occidental, y la mala gestión ha conllevado a un bombeo excesivo, con niveles de salinidad del agua sin precedentes que han alterado las pautas de cultivo. Los cultivos comerciales que no toleran la salinidad han sido sustituidos por palmeras datileras Medjool, que requieren grandes cantidades de agua y podrían causar el agotamiento de los recursos de agua subterránea en un plazo de cinco años.

El proyecto es una continuación de la labor previamente realizada con estudiantes del Arava Institute for Environmental Studies de Israel, quienes contribuyeron en la construcción de nuestro prototipo de tecnología. Ahora regresamos a la región para construir y probar una versión mejorada de nuestro sistema. Nuestros socios en Ramallah están adquiriendo los componentes y se prevé que la construcción comience a finales de este año.