Toma de decisiones para implementar no

npj Clean Water volumen 6, Número de artículo: 56 (2023) Citar este artículo

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Detalles de métricas

Los efectos del cambio climático, el crecimiento demográfico y las incertidumbres hidrológicas futuras requieren una mayor conservación del agua, nuevos recursos hídricos y un cambio hacia carteras de suministro de agua urbana sostenible. Diversificar las carteras de agua con fuentes de agua no tradicionales puede desempeñar un papel clave. El agua de lluvia recolectada en los tejados (RHRW), la recolección atmosférica y de condensado, las aguas pluviales, las aguas residuales y grises recicladas, y el agua de mar desalinizada y el agua salobre son fuentes de agua no tradicionales que se utilizan actualmente y que están surgiendo rápidamente. Esta revisión explora el estado y las tendencias en torno a estas fuentes de agua no tradicionales y revisa enfoques y modelos para priorizar, predecir y cuantificar las métricas de interés. El análisis presentado aquí sugiere que comprender los desafíos de los escenarios específicos de la ubicación, las brechas de conocimiento socioeconómico, las tecnologías de suministro de agua y/o la estructura de gestión del agua es el primer paso crucial para establecer un modelo o enfoque marco que proporcione una estrategia de mejora en el futuro. Los hallazgos de este estudio también sugieren que es necesaria una orientación política clara y un mantenimiento in situ para los problemas de calidad del agua variable de fuentes no tradicionales como el agua de lluvia recolectada y las aguas grises. Además, el uso de aguas pluviales o la reutilización de aguas residuales plantea preocupaciones de salud pública debido a riesgos y niveles de patógenos desconocidos, por lo que las tecnologías de monitoreo rápido y los sistemas de informes transparentes pueden facilitar su adopción. Finalmente, la estructura de costos de la desalinización varía significativamente en todo el mundo, en gran medida debido a requisitos regulatorios y políticas locales. Se identifica como un obstáculo para la implementación una mayor reducción de su costo de capital y consumo de energía. En general, los modelos y análisis de procesos resaltan la solidez de las evaluaciones comparativas entre escenarios y opciones de suministro de agua.

A medida que continúa el crecimiento demográfico en todo el mundo, también aumenta la necesidad de fuentes de agua potable e infraestructura que puedan garantizar su disponibilidad. El cambio climático, que incluye fenómenos meteorológicos extremos y desastres naturales, exacerba aún más el estrés hídrico debido a sus impactos en la cantidad y calidad del agua y la escasez local1,2. Las incertidumbres climáticas e hidrológicas futuras que continúan ampliando la brecha entre la oferta y la demanda de recursos hídricos han motivado la toma de decisiones de gestión del agua hacia una mayor conservación, avances tecnológicos en torno al tratamiento del agua y un cambio hacia la diversificación de las carteras de agua urbana con sistemas no tradicionales, descentralizados o fuentes más “sostenibles”3. El paradigma de suministro y tratamiento de agua debe manejar y prepararse para los impactos actuales y futuros del clima, las poblaciones y las enfermedades.

Hasta la fecha, lo más común en las zonas urbanas y en los países desarrollados de todo el mundo es depender de sistemas centralizados de agua potable que se alimentan de fuentes tradicionales de agua superficial y subterránea. Estos sistemas proporcionan agua limpia a los consumidores y cumplen con los requisitos estandarizados de eliminación de desechos ambientales. Por lo tanto, las mejoras al sistema con respecto al crecimiento demográfico y el cambio climático son más difíciles y tienden a centrarse en la modernización de la infraestructura para aumentar los flujos y apoyar a poblaciones más grandes. Es cuestionable si esto seguirá siendo económica y ambientalmente viable en los próximos años, especialmente en áreas con estrés hídrico4. Por el contrario, los sistemas de agua in situ y descentralizados siguen siendo el estándar en muchas regiones rurales de todo el mundo para la recolección, el almacenamiento, el tratamiento y el uso del agua. Por ejemplo, la recolección de agua de lluvia en los tejados (RHRW), las cisternas y el reciclaje de agua son prácticas y métodos bien establecidos en zonas rurales y países en desarrollo a nivel mundial. Sin embargo, estos suministros de agua no tradicionales varían en calidad, riesgos para la salud y mantenimiento, y pueden verse más afectados por desastres naturales y agentes patógenos que la infraestructura centralizada. La cantidad, la calidad y la accesibilidad de los recursos hídricos y su tratamiento son desafíos complejos y se necesita una mejor comprensión de los recursos hídricos no tradicionales y los diseños de tratamiento para garantizar una amplia disponibilidad y seguridad de los suministros de agua.

Las fuentes de agua no tradicionales presentan desafíos de implementación y beneficios de uso únicos. La seguridad futura del suministro de agua requiere que se comprendan e investiguen estos desafíos y beneficios para una gestión sostenible del agua. Fig. 1. La gestión sostenible del agua es el uso del agua de una manera que proporcione calidad y cantidad adecuadas y aborde necesidades sociales y ecológicas únicas, garantizando al mismo tiempo que estas Las necesidades y estándares también se cumplirán en el futuro. Los desafíos específicos dependen de factores regionales y socioeconómicos, como el costo, el uso de la tierra y las diferentes perspectivas sobre la gobernanza del agua y la adopción de tecnología. La gobernanza del agua se ha definido como la gama de sistemas políticos, sociales, económicos y administrativos establecidos para desarrollar, gestionar y distribuir los recursos hídricos en diferentes niveles de la sociedad5. La industria del agua en Estados Unidos está muy fragmentada, con casi 150.000 entidades registradas en el Sistema de Información sobre Agua Potable Segura (SDWIS) de la EPA como proveedores de agua potable6. Por lo tanto, la decisión de adoptar nuevas fuentes de agua o invertir en tecnología es específica de la región y depende de la gobernanza y las condiciones locales. A medida que los factores ambientales y climáticos exacerban los problemas del agua, el efecto se agrava en las áreas y comunidades que corren mayor riesgo, como las regiones semiáridas o áreas de urbanización variable que carecen de la infraestructura para proporcionar agua limpia y confiable. Por lo tanto, no existe una tecnología o un enfoque único para la gestión sostenible del agua. Es necesario planificar y diseñar más allá de los enfoques y políticas sistemáticos actuales para comenzar a tener en cuenta el cambio climático, el crecimiento demográfico y las preocupaciones sobre la cantidad y calidad del agua en todos los grupos y lugares.

Las flechas y los insertos indican sus usos potenciales.

Las herramientas y modelos analíticos son útiles en la planificación y el diseño al permitir a los investigadores identificar y resaltar áreas críticas. Se pueden utilizar muchos modelos, marcos y enfoques cuantitativos existentes y emergentes para identificar los desafíos de una fuente de agua no tradicional específica para desarrollar marcos o modelos para un proceso de comparación con puntos de referencia o mediciones establecidos para la toma de decisiones sobre recursos hídricos. Hacer tales comparaciones puede guiar a los formuladores de políticas y a los investigadores hacia mejores estrategias de implementación, intervención e incertidumbres como futuras áreas de investigación y recopilación de datos.

La identificación de brechas de conocimiento tecnológico o socioeconómico para fuentes de agua no tradicionales proporciona la motivación para esta revisión y es el primer paso para garantizar un futuro hídrico más adecuado y equitativo. Este documento explora el estado y las tendencias en torno a las fuentes de agua no tradicionales, identifica desafíos y revisa enfoques para priorizar y cuantificar métricas prioritarias. Se tabulan y describen las fuentes de agua no tradicionales actuales y emergentes. Paralelamente, se exploran ejemplos de los modelos más demostrados para cada fuente de agua no tradicional, identificando áreas de aplicación prioritaria. Finalmente, se proporciona un resumen de áreas clave de investigación futura. El análisis sugiere que comprender los desafíos de los escenarios y las tecnologías del agua es el primer paso crucial para establecer un marco o modelo que proporcione una estrategia de mejora. La naturaleza multifacética de la toma de decisiones para la gestión del agua hace que sea importante comparar, contrastar y sopesar opciones para un futuro hídrico sostenible. Por lo tanto, esta revisión es única porque define y analiza tanto una lista de las principales fuentes de agua no tradicionales disponibles como los métodos para enumerar métricas de cantidad y calidad para comparar entre fuentes. Estos enfoques proporcionan una caja de herramientas para que los tomadores de decisiones, las partes interesadas y los investigadores comprendan mejor las tendencias y aplicaciones para carteras de suministro de agua más diversas.

Las fuentes de agua no tradicionales o alternativas se definen como métodos sostenibles de proporcionar agua a partir de fuentes además del agua dulce superficial o subterránea que reducen o compensan la demanda de agua dulce7. El agua no tradicional podría significar tratamiento y almacenamiento in situ o reciclaje o tratamiento a mayor escala para complementar los suministros de agua existentes. En la Tabla 1 se proporciona una lista de las fuentes de agua no tradicionales en las que se centra este documento y sus definiciones.

Una diferencia notable entre los suministros de agua existentes y las fuentes no tradicionales es el costo desde la fuente hasta el grifo (también conocido como paridad de tuberías8). El costo de las fuentes de agua no tradicionales puede oscilar entre 1,5 y 4 veces más que el del suministro de agua tradicional (Fig. 2). El agua de mar desalinizada tiene el costo más alto, con un límite superior de 3,3 dólares por m3. Si bien la desalinización de agua de mar puede proporcionar un suministro prácticamente ilimitado de agua dulce, su costo y sus necesidades energéticas plantean un obstáculo importante para muchas partes interesadas y municipios. Además, la desalinización del agua de mar es sólo una opción viable para las regiones costeras, por lo que no es fácilmente accesible para los países sin litoral que experimentan escasez de agua (por ejemplo, Jordania9, Mongolia10 y Nepal11). La calidad del agua, el riesgo para la salud, la tecnología de tratamiento y el estado energético de estas fuentes de agua son las principales lagunas de conocimiento que requieren una cuantificación comparativa a través de modelos y simulaciones para comprender mejor sus orígenes, impactos y estrategias de gestión para avanzar en las decisiones sobre recursos hídricos. En la Información complementaria se incluye un resumen de diversos desafíos en materia de cantidad y calidad del agua.

a El costo total varía por metro cúbico (en dólares de 2015) de agua producida, yb energía consumida para fuentes de suministro de agua tradicionales (azul)a,b y no tradicionales (naranja)c (aCosto del agua superficial138, bCosto del agua subterránea139, cFuente no tradicional costo109, dConsumo de energía110).

Las secciones siguientes revisan ejemplos de marcos de modelado que son potencialmente útiles para las decisiones de adopción de fuentes de agua no tradicionales, seguidos de estudios de caso de su aplicación en diversas fuentes de agua no tradicionales en las secciones "Agua de lluvia", "Aguas residuales municipales", "Agua desalinizada". ”, y “Captura de condensado y recolección de agua atmosférica”. Estos ejemplos no son en modo alguno inclusivos, sino que simplemente enfatizan el papel de la evaluación; Hay muchos otros modelos y herramientas de evaluación además de los ejemplos proporcionados en esta revisión.

La evaluación (o análisis) tecnoeconómico, comúnmente conocida como TEA, integra un proceso con un modelo de costos para, en última instancia, estimar el costo de capital y los costos operativos del proceso dado. Comenzando con un diagrama de flujo del proceso, la unidad de tratamiento describe un proceso. Las curvas de costos previamente establecidas son útiles para estimar los requisitos y costos de las unidades según el tamaño, como los caudales volumétricos necesarios para las tecnologías de tratamiento de agua o la adición de químicos necesarios según el flujo. Las hojas de cálculo o los simuladores de procesos, como la Plataforma de paridad de tuberías de evaluación tecnoeconómica del agua (WaterTAP3) basada en Python, son los más utilizados para TEA12. Una vez que el modelo de proceso se implementa con éxito, incluidos todos los requisitos de tamaño y costos, el costo total final de capital, los costos operativos y los requisitos de energía se pueden resumir y comparar entre procesos o ubicaciones13. La documentación y el acceso a github para WaterTAP3 están disponibles en línea en https://www.nawihub.org/water-tap3/.

Simplemente, el ACB es un enfoque sistemático para sopesar los beneficios, como los beneficios para el medio ambiente, con los costos de un proceso o política. A diferencia de la TEA, el ACB puede incluir beneficios intangibles o no monetarios. En los últimos años, a las externalidades o beneficios ambientales se les da un “precio sombra” para establecer un valor monetario a aquellos aspectos que no tienen valor de mercado. Luego se puede utilizar una ecuación de beneficio neto simple para calcular la diferencia entre los costos y los beneficios valorados, como \({NP}=\sum {B}_{{\rm{i}}}-\sum {C}_{ {\rm{i}}}\), donde NP es la ganancia neta, B es el valor del beneficio del elemento i y C es el costo del elemento i, como lo describen Molinos-Senante et al., (2010) para aguas residuales. tratamiento14. Al igual que con la TEA, se puede establecer una serie de costos y valores para diversos procesos, tratamientos o contaminantes y se puede realizar y comparar un ACB entre diferentes diseños o instalaciones. El ACB es una herramienta útil en el proceso de toma de decisiones, particularmente en la adopción de fuentes de agua no tradicionales. La Harvard Business School describe los pasos y enfoques necesarios para el ACB en línea https://online.hbs.edu/blog/post/cost-benefit-analysis.

Los análisis ACV y LCC son dos herramientas adicionales para cuantificar los costos y los impactos de un sistema. El ACV es una combinación de “insumos, productos e impactos ambientales potenciales de un sistema de producto a lo largo de su ciclo de vida”, también conocido como sus impactos desde “la cuna hasta la tumba”. Hellweg y Milà i Canals15 describieron el ACV en cuatro pasos: (1) definir el objetivo y el alcance, incluidos los límites del sistema, como la extracción de recursos hasta la eliminación de materiales al final de su vida útil; (2) análisis de inventario para compilar todos los insumos, recursos y emisiones; (3) evaluación de impacto, o categorización y conversión de impactos/emisiones a una unidad común como CO2eq; y (4) interpretación de los resultados, como encontrar que una tecnología de tratamiento de agua propuesta tiene mayores impactos ambientales que el sistema actual15. Por lo tanto, el ACV es útil para evaluar la huella de carbono y las emisiones asociadas con fuentes de agua no tradicionales. LCC extiende el marco de LCA, que evalúa el impacto total de un sistema, a los costos asociados con un sistema. El LCC representa “todos los costos de adquirir, poseer y disponer de un edificio o sistema de edificio”. 16 Un área de incertidumbre y desafío al utilizar TEA, LCC, CBA y LCA es la falta de un marco o metodología estricto, lo que resulta en modelos y enfoques que son específicos de estudios de casos individuales. Hay muchas herramientas y software de ACV disponibles en línea, como Open LCA de código abierto: https://www.openlca.org/.

Una de las herramientas y marcos cuantitativos más útiles para estimar el riesgo para la salud es la evaluación cuantitativa de riesgos microbianos (QMRA). QMRA es un marco delineado por la Academia Nacional de Ciencias y frecuentemente utilizado por la EPA de EE. UU. para evaluar los riesgos microbianos para la salud del agua potable y los sistemas de suministro de agua17. El marco consta de cinco componentes principales: identificación de peligros, evaluación de la exposición, evaluación de la dosis-respuesta, caracterización del riesgo y gestión del riesgo. Primero, se identifica un patógeno o toxina en particular como el peligro de preocupación para un escenario modelado de interés. A continuación, se define y modela una vía y un escenario de exposición específicos, como beber agua sin tratar o comer productos que hayan sido regados con aguas residuales recicladas. Esta evaluación de exposición utiliza un modelo cuantitativo y/o datos de comportamiento para estimar una dosis del patógeno al que uno puede estar expuesto durante un escenario determinado. Luego, se utiliza un modelo de dosis-respuesta mejor establecido para calcular la probabilidad de una respuesta (como enfermedad o muerte) debido al rango de posibles dosis expuestas. Los datos clínicos de dosis-respuesta son útiles en este esfuerzo y se ajustan a un modelo. Finalmente, se estima el riesgo total de respuesta, cuantificando un riesgo diario, anual o de otro modo en función de todos los datos para proporcionar el mejor curso de acción (gestión de riesgos) en el futuro. La EPA de EE. UU. suele utilizar la QMRA para establecer o mejorar medidas regulatorias y prácticas de monitoreo. El recurso central en línea para encontrar patógenos objetivo y los respectivos datos de dosis-respuesta para QMRA es el sitio wiki de QMRA https://qmrawiki.org/.

El agua de lluvia recolectada en los tejados (RHRW, por sus siglas en inglés) se define como el agua de lluvia recolectada de la escorrentía de los tejados de los edificios y almacenada en estructuras diseñadas como un tanque de lluvia o una cisterna subterránea18,19. En comparación con el agua de lluvia que cae al suelo y que puede recoger contaminantes de la carretera, RHRW tiene relativamente menos contaminantes y puede servir como una buena fuente de agua suplementaria para los suministros existentes18,20,21. En regiones donde las precipitaciones son abundantes, RHRW es un sistema de suministro de agua bien establecido cuya instalación es obligatoria en países como España y Bélgica22. Las Islas Vírgenes de EE. UU. cuentan con precedentes legales, con códigos de construcción que establecen que los edificios deben consistir en un “sistema de suministro de agua autosostenible”, como un pozo o un área de recolección de agua de lluvia y una cisterna (Código VI tit. 29, § 308). Además, los países más secos como Australia han utilizado RHRW en parte debido a una mayor conciencia ambiental y restricciones obligatorias de agua en las áreas urbanas23. Sudáfrica ha utilizado RHRW durante generaciones y decenas de miles de hogares utilizan el agua de lluvia como principal fuente de agua24. La mayor parte de los RHRW se utilizan con fines domésticos en hogares individuales o edificios de apartamentos, es decir, duchas, descarga de inodoros, lavado de ropa y riego exterior (Fig. 3). Uno de los principales beneficios de la instalación de sistemas RHRW es la menor dependencia del suministro de agua centralizado. Un beneficio secundario de los sistemas RHRW es reducir el pico del hidrograma durante tormentas importantes, reduciendo así la escorrentía de aguas pluviales y la contaminación de las aguas superficiales24.

El diagrama ilustra el sistema de captación en la azotea, el sistema de almacenamiento de lluvia y las aplicaciones de agua de lluvia para uso doméstico.

La calidad del agua de RHRW varía según el diseño del sistema, el nivel de tratamiento y factores locales como las condiciones climáticas y la regulación. Varios estudios han relacionado el uso de RHRW con brotes de enfermedades y riesgos para la salud tanto para el consumo de alcohol como para el uso doméstico25,26,27. Se ha identificado un conjunto de patógenos en RHRW, con orígenes en la deposición seca, la deposición húmeda y la vida silvestre19. El agua de lluvia puede contener E. coli, Legionella spp., Salmonella spp., Mycobacterium avium y Giardia, según investigaciones limitadas sobre la calidad del agua25,28,29. La formación de biopelículas naturales y el nuevo crecimiento de bacterias en el tanque de lluvia también son preocupaciones importantes para la calidad del agua de RHRW30,31.

RHRW tiene el potencial de actuar como fuente de agua potable; sin embargo, generalmente se requieren niveles adicionales de tratamiento para garantizar que el suministro cumpla con los estándares de calidad potable, según lo determinado por una revisión de los desarrollos recientes en la tecnología y las prácticas de gestión de RHRW32. Por ejemplo, un estudio realizado por Fuentes-Galván et al.33 en Guanajuato, México, concluyó que se requería tratamiento adicional antes del consumo. Keithley et al.34 descubrieron que la filtración con carbón activado seguida de cloración producía agua potable de alta calidad. Por lo tanto, se sugiere realizar pruebas y mantenimiento in situ de los sistemas de recolección y almacenamiento de RHRW antes de recomendar estrategias para el uso o consumo seguro de agua potable y no potable.

Los modelos cuantitativos son útiles para el diseño e implementación de RHRW. Los criterios de diseño son un equilibrio entre la cantidad de RHRW y la demanda de agua. Un equilibrio de estas dos variables da como resultado recomendaciones óptimas de almacenamiento y diseño para un sistema RHRW. Dos posibles enfoques para este objetivo se basan en observaciones empíricas35,36 o análisis estocásticos de lluvia37,38. La dinámica de la demanda y el uso del agua es muy variable y más difícil de capturar y modelar con precisión. Los factores socioeconómicos tienen un gran impacto en el uso del agua, incluso en áreas o regiones similares, ya que la demanda y el uso pueden variar a nivel del hogar. Se han realizado estudios para modelar el uso del agua y el diseño de RHRW asociado basándose en datos empíricos y configuraciones del sistema39,40. Sin embargo, predecir la demanda de agua a nivel doméstico requiere más investigación, especialmente en los efectos de diversos factores socioeconómicos en el uso del agua y las percepciones sobre la calidad del agua y el mantenimiento del sistema. También se han implementado modelos matemáticos en el análisis de la cantidad de agua con el fin de analizar los costos operativos y de diseño y las configuraciones óptimas40,41. Morales-Pinzón et al.41 compararon el despliegue de tres modelos económicos y ambientales: Plugrisost, AquaCycle y RainCycle para el análisis de sistemas RHRW, y encontraron que la escala urbana que se modela (como la escala residencial o la escala de vecindario) es un factor crítico. . Si bien RHRW es un sistema tecnológico relativamente simple, sus desafíos de implementación y cantidad dependen de la comprensión del uso local del agua y la dinámica de las precipitaciones, los factores socioeconómicos y un equilibrio entre la oferta y la demanda para un diseño óptimo del sistema41. También se ha modelado y estimado la contabilidad del costo, la huella y las emisiones de carbono de la construcción de dichos sistemas. Hofman-Caris et al.42 modelaron seis escenarios de recolección de agua de lluvia con varios métodos de tratamiento específicamente para uso potable en los Países Bajos y encontraron impactos de 0,002–0,004 kg CO2eq m-3, en comparación con alrededor de 1,16 kg CO2eq m-3 para un sistema centralizado. , suministro de agua tradicional. Los sistemas no potables que no implementan métodos de tratamiento como la ósmosis inversa o la desinfección UV, inherentemente tendrían huellas de carbono aún más pequeñas para operar, como es el caso de muchos países.

Las encuestas y los estudios de casos que se adaptan a los esfuerzos de análisis y modelización del agua pueden desempeñar un papel clave en la identificación de los impactos de los factores socioeconómicos y específicos de la ubicación. Se sugiere y ha demostrado ser exitosa la recopilación de información y datos sobre ingresos, uso del agua, percepción de la calidad del agua y actitud hacia las tecnologías de tratamiento. Tales esfuerzos se llevaron a cabo en Pakistán para RHRW y se encontró que los residentes, especialmente las mujeres, creían que podían beneficiarse de los sistemas RHRW para mejorar sus vidas, pero apoyaban los subsidios gubernamentales ya que los niveles de ingresos eran generalmente bajos43. Las encuestas realizadas en las Islas Vírgenes de EE. UU. después de los desastrosos huracanes de 2017 revelaron que el acceso al agua potable era más limitado para los grupos de menores ingresos. Los grupos de mayores ingresos utilizaron agua embotellada principalmente para reemplazar los RHRW durante esta época de crisis, y hubo una disparidad en la percepción local de la seguridad del agua que se divide por grupo de ingresos. Sin embargo, todos los grupos sintieron que el gobierno debería haber intervenido más y brindado un mejor acceso al agua potable durante este tiempo44. Estos análisis, uno en un país con escasez de agua y otro en una región tropical, demostraron los beneficios y la aceptación de los RHRW, pero resaltan los impactos de la socioeconomía y la percepción local sobre su uso y acceso al agua. Dado que RHRW es una fuente de agua no tradicional utilizada a nivel de un solo hogar, la socioeconomía y la aceptación pública son factores críticos con respecto a su uso e implementación.

En términos de calidad del agua, QMRA es una herramienta útil para comprender el riesgo para la salud de los RHRW. Un ejemplo sería cuantificar el riesgo anual de infección por el complejo Legionella o Mycobacterium avium durante la ducha utilizando RHRW44,45. Con base en los datos disponibles y los resultados probabilísticos, se pueden recomendar estrategias de gestión de riesgos para reducir o mitigar los riesgos futuros para la salud. Se han realizado muchos estudios de la QMRA sobre los RHRW como suministro de agua para consumo26, jardinería46, duchas47 y descarga de inodoros y grifos48. La QMRA también se llevó a cabo para exposiciones ambientales, como en un parque acuático49. Como tal, los modelos de vanguardia para cuantificar la calidad y el riesgo para la salud de los RHRW se basan en el consumo potable y la exposición no potable a través de la aerosolización50. Cuantificar los umbrales de riesgo es el primer paso crítico para recomendar una desinfección adecuada, estrategias de mantenimiento y criterios de calidad del agua para RHRW. Los patógenos oportunistas en las tuberías de las instalaciones se han identificado como un área crítica de investigación futura. Los niveles de patógenos suelen ser difíciles de predecir y medir, especialmente cuando el almacenamiento y el tratamiento de RHRW son variables y rara vez se controlan. Los impactos debidos a la estacionalidad, la presencia de animales y los eventos climáticos extremos pueden afectar el nivel de patógenos y el crecimiento y rebrote bacteriano incluso con intervenciones de tratamiento44,51.

Las aguas pluviales, o escorrentía superficial recolectada del suelo y en los drenajes pluviales, pueden convertirse en una fuente no tradicional de agua con múltiples beneficios: (1) mitigar los impactos en la calidad del agua superficial receptora debido a los contaminantes transportados en la escorrentía pluvial; (2) reducir el riesgo de inundaciones en áreas urbanas; y (3) aumentar el suministro de agua no potable cuando se recolecta y gestiona adecuadamente52. Por lo tanto, la captación de aguas pluviales ha ganado atractivo desde una perspectiva de gestión integrada del agua urbana en los últimos años. Sin duplicar revisiones anteriores sobre los beneficios de la recolección de aguas pluviales para la protección de la calidad del agua superficial y la mitigación de inundaciones52,53,54, esta revisión se centrará en los modelos utilizados para determinar la idoneidad de las aguas pluviales recolectadas como suministro de agua no tradicional.

La recolección de aguas pluviales (SWH) es similar a la RHRW, el factor distintivo es que la RHRW es la lluvia solo de los tejados y el agua de lluvia se recolecta de desagües, canaletas, vías fluviales o infraestructura permeable diseñada. Los sistemas CSA pueden comprender varios métodos de recolección y transporte, como sistemas tradicionales de drenaje y canaletas o infraestructura verde. En la Fig. 4 se muestra un diagrama que ilustra los CSA integrados en un entorno urbano. La infraestructura verde incluye sistemas construidos, definidos como “la gama de medidas que utilizan sistemas de plantas o suelos, pavimento permeable u otras superficies o sustratos permeables para la recolección y reutilización de aguas pluviales, o paisajismo para almacenar, infiltrar o evapotranspirar aguas pluviales y reducir los flujos a los sistemas de alcantarillado o a las aguas superficiales”, según la Ley de Mejora de la Infraestructura del Agua (HR 7279). En particular, los tipos comunes de infraestructura verde para la recolección de aguas pluviales son los biodepósitos, los biofiltros y los pavimentos permeables.

El diagrama ilustra el sistema de recolección de aguas pluviales superficial que incluye (a) canaletas, (b) biofiltros, (c) pavimento permeable y (d) transporte subterráneo. Las flechas indican la dirección del flujo de agua.

La calidad y cantidad del escurrimiento de aguas pluviales es fundamental para diseñar infraestructura y determinar estrategias de gestión para la reutilización de aguas pluviales no potables. El tratamiento es fundamental para la reutilización y el tipo de tratamiento depende de la aplicación de reutilización. Las aguas pluviales que se recolectan en entornos urbanos pueden contener una variedad de contaminantes, con muchos orígenes, como lluvia, riego y escorrentía agrícola, y lavados de autos. Las posibles fuentes de contaminación para la escorrentía de aguas pluviales podrían provenir del aceite y combustible de los vehículos55, de la materia orgánica56, de los pesticidas y fertilizantes57, de los metales pesados58 y de los patógenos59. Si bien el CSA es útil para desviar estas corrientes y prevenir la contaminación de las aguas superficiales, la calidad del agua se convierte en la principal preocupación cuando se seleccionan aguas pluviales para su reutilización y aplicaciones ambientales. Algunos métodos de captura de aguas pluviales, como la biofiltración, brindan tratamiento a las aguas pluviales, pero se deben realizar modelos cuantitativos caso por caso para evaluar las necesidades de tratamiento y determinar el mejor método para eliminar contaminantes y patógenos de las aguas pluviales.

Se pueden realizar modelos de aguas pluviales recolectadas para simular el movimiento hidrológico y de aguas pluviales de una cuenca, o para predecir contaminantes y métricas de calidad. Al igual que el modelado para RHRW, el modelado cuantitativo depende en gran medida de los patrones de lluvia. Sin embargo, cuando no se utilizan tanques de lluvia, el posterior escurrimiento de aguas pluviales debe modelarse hidrológicamente. Se han establecido muchos modelos para las aguas pluviales urbanas en el campo de la hidrología, incluido el Modelo de Gestión de Aguas Pluviales (SWMM) (https://www.epa.gov/water-research/storm-water-management-model-swmm), y HEC-HMS (https://www.hec.usace.army.mil/software/hec-hms/), y están revisados ​​por Zoppou (2001)60. Pocos enfoques se centraron en modelar la captura y almacenamiento de aguas pluviales para su uso como fuente de agua no tradicional. Por ejemplo, se utilizó MUSIC (Modelo para la conceptualización de mejora de aguas pluviales urbanas) desarrollado por Fletcher et al.61 para modelar varios escenarios de implementación de CSA en entornos urbanos. Sus resultados mostraron que la urbanización y la cobertura terrestre anterior impactan el flujo de aguas pluviales y la calidad de la escorrentía, y la implementación de CSA y regímenes de reutilización pueden abordar estos impactos.

Además de los beneficios como recurso hídrico alternativo, la captura de aguas pluviales a menudo utiliza "infraestructura verde". A medida que la sostenibilidad urbana se centra más en las emisiones y la huella de carbono, la infraestructura verde puede proporcionar compensaciones de carbono en forma de secuestro de carbono. Un ACV realizado por Kavehei et al.62 comparó a través de la literatura el potencial de secuestro de carbono de varias infraestructuras de aguas pluviales. Descubrieron que los jardines de lluvia tenían la huella de carbono neta más pequeña (huella de carbono – secuestro de carbono) con −12,6 kg CO2eq m−2, seguidos de las cuencas de bioretención, estanques de aguas pluviales y pantanos con vegetación, con 28,7, 108,9, 10,5 kg CO2eq m−2 por encima. una vida de 30 años, respectivamente. Sin embargo, no tomaron en cuenta la huella neta por volumen de agua tratada o capturada en este estudio.

Zhang et al.63 cuantificaron recientemente los beneficios de los CSA para mejorar la calidad del agua superficial mediante un análisis de sensibilidad. Los resultados mostraron claros beneficios en la reducción de la contaminación. Un modelo de escorrentía simulado que utiliza un tanque de aguas pluviales con control en tiempo real para su captura y almacenamiento en un campus universitario64 destacó los beneficios de los CSA para el suministro de agua y la reducción del riesgo de inundaciones basándose en la predicción de eventos de lluvia, las precipitaciones y la simulación del tamaño del tanque.

Al igual que con los RHRW, la calidad de los CSA para su reutilización se ha abordado basándose en modelos de riesgo para la salud humana por exposición. Ma et al.65 analizaron los contaminantes de CSA basándose en índices de peligro para beber y nadar para crear una jerarquía de control de peligros para la gestión de aguas pluviales. Murphy et al.66 siguieron la metodología QMRA para establecer puntos de referencia de riesgo para diversos escenarios de recolección de aguas pluviales y usos de los consumidores y descubrieron que las pautas actuales (a partir de 2017) eran inadecuadas para mitigar el riesgo de Campylobacter. Schoen et al.67 utilizaron la QMRA basada en el riesgo para encontrar objetivos para la reducción de diversos patógenos en las fuentes de agua, incluidas las aguas pluviales para uso doméstico. Estos objetivos brindan recomendaciones y estándares claros para el riesgo microbiano y actúan como pautas para la desinfección y el tratamiento de aguas pluviales recolectadas para su reutilización no potable.

La modelización de la calidad del agua, el riesgo para la salud y la cantidad de CSA es regional y específica del escenario y es difícil de modelar para casos generales. La QMRA y los modelos basados ​​en riesgos son fundamentales para establecer métodos de tratamiento, directrices y regulaciones para la reutilización de CSA no potable. Los modelos hidrológicos y la simulación de precipitaciones desempeñan un papel importante en el diseño de los requisitos de tamaño de captación y almacenamiento de CSA, y los modelos de escenarios han demostrado que los sistemas de CSA son eficaces para reducir el riesgo de inundaciones y mejorar la calidad del agua superficial cuando se utilizan sistemas como biofiltros y bioswales para imitar el flujo natural. tratos.

Las aguas residuales municipales (o aguas residuales) recuperadas o recicladas se están convirtiendo en una fuente cada vez más popular de agua potable y no potable. Las aguas residuales parcialmente tratadas de una instalación de tratamiento de aguas residuales que normalmente se descargan al océano, lagos o ríos pueden tratarse adicionalmente para usos no potables. El agua recuperada no potable para su reutilización suele canalizarse por separado y utilizarse para riego, agricultura y otros fines municipales68. La reutilización de agua no potable es especialmente valiosa en regiones áridas y semiáridas donde las precipitaciones son menos comunes y el agua reciclada para riego y agricultura puede reducir la demanda del suministro de agua convencional. La producción de agua para su reutilización no potable solo requiere procesos de desinfección adicionales más allá del tratamiento tradicional de aguas residuales para su descarga superficial. La reutilización potable de aguas residuales requiere tratamientos avanzados adicionales para cumplir con los estándares de agua potable. El agua tratada se utiliza a menudo para recargar acuíferos subterráneos o complementar los depósitos superficiales de agua potable, lo que se conoce como reutilización potable indirecta. La reutilización directa del agua potable de aguas residuales tratadas de manera avanzada es menos común, pero se está considerando en regiones con alto estrés hídrico (es decir, California). Hasta ahora, la mayoría de las plantas de recuperación de aguas residuales en Estados Unidos son grandes empresas municipales centralizadas de tratamiento de aguas residuales. La producción de agua para uso potable suele emplear procesos de tratamiento biológico, microfiltración, ultrafiltración, ósmosis inversa, desinfección UV y oxidación avanzada69. Por tanto, es mucho más costosa en comparación con la reutilización del agua no potable. La reutilización de aguas residuales a gran escala todavía está surgiendo, a menudo obstaculizada por factores sociales y económicos y prácticas de gestión complejos70. Las implementaciones exitosas más notables de reutilización de aguas residuales en todo el mundo se encuentran en Estados Unidos71, Israel72, Singapur73, Australia74 y Namibia75.

Un ejemplo de implementación exitosa de reutilización de aguas residuales municipales es el Sistema de Reposición de Agua Subterránea (GWRS) en el sur de California. Las aguas residuales recuperadas purificadas se infiltran en acuíferos subterráneos locales para aumentar el almacenamiento de agua y para una mejor percepción pública del agua tratada mediante la mezcla con el agua subterránea natural antes de ser retirada para el tratamiento del agua potable76. El GWRS permite reducir la necesidad de fuentes de agua importadas al área local, que se demostró que cuestan más que el agua producida en el GWRS. En este caso, la participación de la comunidad y la transparencia del proceso de tratamiento, los costos y la demostración de la buena calidad del agua producida llevaron a una incorporación exitosa a la cartera de agua local. El GWRS es muy costoso ya que requiere costosos procesos de tratamiento, tuberías, bombeo y eliminación regulada de registros de patógenos. Como se define en el Estado de California, según el Título 22, el tratamiento avanzado completo es el tratamiento de aguas residuales mediante ósmosis inversa (RO) y un proceso de tratamiento de oxidación. Por lo tanto, el alto costo de la purificación del agua limita la implementación más amplia de las aguas residuales como fuente no tradicional de suministro de agua en regiones de baja economía fuera de California. Además, la aplicación de aguas residuales recuperadas para uso doméstico puede conllevar una percepción negativa, a menudo denominada "factor asqueroso". Duong y Saphores76 exploraron este obstáculo cualitativo y descubrieron que es una de las principales razones por las que las aguas residuales purificadas a menudo no se utilizan directamente para complementar el suministro de agua potable. Este factor requiere esfuerzos de divulgación pública para lograr la aceptación pública.

Las plantas de tratamiento de aguas residuales han sido identificadas como un punto crítico para enriquecer la resistencia a los antibióticos y la transmisión de bacterias resistentes a los antibióticos (BRA) y genes resistentes a los antibióticos (ARG) al medio ambiente77. La reutilización de aguas residuales tratadas para inodoros, irrigación de parques, campos de golf y agricultura puede exponer a los humanos directamente a ARB y ARG78. Existe la preocupación de que las aguas residuales recuperadas puedan facilitar la propagación de ARB y ARG y representar una amenaza para la salud humana. Varios estudios han comenzado a analizar los ARB en sistemas de distribución y agua recuperada79,80, pero se señala que se necesita más exploración para establecer un mejor seguimiento y una mejor comprensión de la magnitud del desafío de los ARB y ARG en las aplicaciones de reutilización del agua81,82.

A nivel de edificio individual, las aguas residuales también se pueden reciclar y utilizar para la descarga de inodoros. Este concepto de diseño de “edificios verdes” existe desde hace décadas, por ejemplo en las ciudades urbanas japonesas83. Los grandes edificios de oficinas, rascacielos o complejos de apartamentos con un sistema de tratamiento de aguas residuales in situ pueden tratar y reciclar las aguas residuales, y canalizarlas y distribuirlas por separado a través del edificio. Debido a la tecnología de tratamiento y la naturaleza de las aguas residuales municipales, los principales desafíos que enfrentan las decisiones de adoptar esta fuente de agua no tradicional son las consideraciones de costo de la implementación del tratamiento y la percepción pública de la calidad del agua y los riesgos para la salud asociados con las aguas residuales. Por lo tanto, una combinación de modelos cuantitativos y divulgación pública para su aprobación es fundamental para aumentar la capacidad y la utilización de aguas residuales recuperadas como fuente de agua.

Muchos de los desafíos asociados con las aguas residuales recuperadas involucran los impactos de los componentes residuales de las aguas residuales en la salud humana, ya sea por exposición directa o indirectamente a través del consumo de productos alimenticios regados con agua reciclada o por la contaminación del suministro de agua subterránea. Por lo tanto, la modelización cuantitativa de aguas residuales recuperadas ha tendido a centrarse en el análisis económico, la evaluación de riesgos y los modelos de destino y transporte.

La exposición humana a las aguas residuales recuperadas y reutilizadas para el riego de la agricultura puede ser directa (inhalación o ingestión cerca de una fuente de riego) o indirecta (consumiendo productos de regadío). La QMRA se ha aplicado a la reutilización de aguas residuales por riesgo de inhalación debido a patógenos como la Legionella, que se ha demostrado que experimenta un nuevo crecimiento en las redes de distribución y en las biopelículas84. Para el consumo, Shahriar et al.85 modelaron el destino de varios productos farmacéuticos en cultivos regados con aguas residuales recuperadas basándose en la biodegradación de los compuestos orgánicos en el suelo, la absorción por los cultivos y la biotransferencia de la planta (alfalfa) al ganado. En base a este destino, se llevó a cabo una evaluación de riesgos para cuantificar la exposición humana a través del consumo de ganado. Ha habido otros modelos similares que incluyen el consumo directo de lechuga irrigada con aguas residuales recuperadas86, de arroz con cáscara irrigado87 y de col rizada, cilantro y espinacas88. Para los estudios se utilizaron varias combinaciones de modelos de transporte y métodos Monte Carlo de evaluación de riesgos, lo que está en consonancia con las evaluaciones realizadas para otros suministros de agua.

Las ventajas y desventajas de implementar la reutilización de aguas residuales a menudo se cuantifican mediante un análisis de costo-beneficio (ACB). Los costos regionales, los estándares de reutilización y los factores climáticos desempeñan papeles importantes en la determinación de los resultados de dichas operaciones y son insumos de datos necesarios para el modelado CBA. Por ejemplo, las regiones semiáridas con menos precipitaciones pueden beneficiarse de manera diferente de la recuperación de aguas residuales para riego que un área donde las precipitaciones son abundantes durante todo el año. Hay estudios de caso específicos de ACB para la reutilización de aguas residuales en Italia89, Beijing90, España91 y las regiones semiáridas del Mediterráneo92. Estos modelos se basan en procesos y datos, a diferencia de los métodos más probabilísticos de evaluación de riesgos en esta área.

Las aguas grises, una subporción de las aguas residuales municipales, se definen y caracterizan de manera diferente en todo el mundo. Generalmente, se define como las aguas residuales de todos los accesorios de plomería del hogar, excepto los sanitarios, incluidas las aguas residuales de la cocina, el baño y la lavandería93. En algunos casos, las aguas residuales de lavavajillas, fregaderos de cocina y lavandería se excluyen de la clasificación de aguas grises porque las aguas residuales de estas fuentes generalmente tienen una carga contaminante más alta que las aguas grises provenientes de baños y lavado de manos94. En comparación con las aguas residuales municipales analizadas en la sección anterior, la recolección de aguas grises requiere plomería dual para separar las corrientes de aguas residuales, que generalmente se instalan a escala doméstica y de un solo edificio. Las aguas negras, que incluyen, entre otras, el agua de los retretes, generalmente se canalizan a través de líneas de alcantarillado hasta plantas centralizadas de tratamiento de aguas residuales municipales, mientras que las aguas grises se recolectan y tratan in situ para su reutilización95. La clasificación de las aguas grises, los requisitos y estándares de tratamiento y la separación de las aguas negras dependen en gran medida de las políticas y leyes locales.

El reciclaje y la reutilización de aguas grises representa una oportunidad importante para ahorrar agua en una residencia doméstica y sigue el mismo principio básico y paradigma que las aguas residuales recuperadas. A diferencia del enfoque de reutilización de aguas residuales municipales a gran escala, la reutilización de aguas grises está descentralizada y se parece más a RHRW en diseño e implementación. El enfoque descentralizado e in situ para la reutilización de aguas grises se ha denominado “concepto de circuito cerrado”. 94 Los propósitos más comunes de reutilización de aguas grises son reemplazar el agua potable para riego y descarga de inodoros en el hogar. La reutilización generalizada de aguas grises para la descarga de inodoros en hogares urbanos y edificios de varios pisos puede lograr una reducción de hasta un 10% a un 25% de la demanda de agua urbana96.

Las tecnologías de tratamiento de aguas grises varían en rendimiento y complejidad y pueden incluir la reutilización directa, como el desvío para la descarga de inodoros, o el tratamiento mediante procesos físicos, químicos o biológicos para almacenamiento a corto plazo. La filtración y la desinfección son tratamientos comúnmente empleados en el sitio. Para la filtración se suelen utilizar filtros de arena o de membrana, y la desinfección se consigue mediante pastillas de cloro o luz ultravioleta (UV). En algunos casos también se implementan tratamientos biológicos como mantas de lodos anaeróbicos97, reactores discontinuos de secuenciación98 y biorreactores de membrana99. Las aguas grises se pueden desviar y drenar a sistemas de riego exteriores después de la filtración, y algunos sistemas desvían las aguas grises a un humedal artificial para un tratamiento adicional antes de la desinfección100.

Cuando se utilizan para riego, algunos patógenos de mayor tamaño (por ejemplo, helmintos) son menos preocupantes ya que se filtran fácilmente a través de la infiltración del suelo. Sin embargo, las bacterias y los virus son más problemáticos. Por ejemplo, se han encontrado E. coli, Salmonella, Shigella, Legionella y virus entéricos en fuentes de aguas grises y suelos irrigados101, y la Legionella puede propagarse por aerosolización mediante riego por aspersión45. Se recomienda realizar más investigaciones sobre el monitoreo de patógenos de aguas grises y los riesgos para la salud para avanzar y mejorar su utilización e implementación como suministro de agua. Las aguas grises como suministro de agua pueden aliviar significativamente las demandas de agua de los hogares en fuentes tradicionales y proporcionar una opción de gestión sostenible del agua.

Las preocupaciones sobre la calidad de la reutilización de aguas grises son similares a las de otros suministros de agua alternativos. Por lo tanto, los esfuerzos de modelado siguen los mismos principios. Para los problemas de salud relacionados con el riego, se da prioridad a la cuantificación de los riesgos para la salud derivados del consumo de productos frescos que han sido regados con aguas grises41 y de la exposición humana a las aguas grises que se transmiten por el aire a través de aspersores de riego67,102,103 o de la descarga de inodoros104. Si bien estos modelos tienen muchos parámetros de exposición, como el transporte físico y la distancia y el tiempo de exposición, el parámetro más sensible suele ser la cantidad de patógenos que se consumen o inhalan y, por lo tanto, la cantidad de patógenos en la fuente de agua. Por lo tanto, la calidad de las aguas grises recicladas y el tipo y minuciosidad del tratamiento son fundamentales para minimizar el riesgo.

Las métricas principales para los análisis cuantitativos son el costo, los requisitos de energía y la relación entre el suministro y la demanda de agua. Los estudios que utilizan modelos ACV y LCC han cuantificado los requisitos y las compensaciones de la reutilización de aguas grises frente a la demanda de actividades básicas de uso del agua en hogares105, aeropuertos106 y escuelas104. Los resultados demuestran los beneficios de utilizar la producción de aguas grises para aliviar algunas demandas de agua doméstica y proporcionar ahorros tanto de agua como financieros.

El análisis económico es valioso para cuantificar el costo de la inversión en un sistema de reutilización de aguas grises. El costo es una métrica importante para las partes interesadas e inversores, particularmente en el sector urbano, como en el caso de los edificios residenciales de varios pisos donde los sistemas cubren muchas unidades y residentes y, por lo tanto, serían más costosos debido a mayores flujos y necesidades de distribución. Friedler & Hadari96 realizaron un ACB en tal escenario con estimaciones de inversión de capital y costos de operación y mantenimiento, así como ahorros (o beneficios) anuales de la reutilización de aguas grises para reducir la demanda de agua. Su modelo encontró que un contactor biológico giratorio demostró ser económicamente viable para un edificio de 28 pisos o más, frente a un sistema de membrana que requiere 37 pisos. Este tipo de análisis económico es típico para estimar costos y ahorros potenciales de los sistemas de suministro de agua y depende de la capacidad, los requisitos de energía, el tren de tratamiento y las especificaciones del proceso, como las adiciones de productos químicos, y los subsidios, incentivos y tasas de interés locales. Si bien los costos y beneficios difieren según la ubicación y el sistema, una de las conclusiones de Rodríguez et al.107 fue que se deben considerar los factores socioeconómicos, la sensación de una mejor calidad de vida y una mejor comprensión de los roles sociales al cuantificar los impactos y la toma de decisiones en torno a sostenibilidad, ahorro de agua y sistemas ecológicos.

El agua desalinizada es agua salobre o de mar de la cual se eliminan mediante procesos de purificación los minerales disueltos, las sales y otros contaminantes. El agua salobre es agua con más sal que el agua dulce, pero menos que el agua de mar. Estas aguas se encuentran donde se mezclan agua salada y agua dulce, como en estuarios o en algunos acuíferos subterráneos. La salinidad típica del agua de mar es de alrededor de 35.000 ppm, pero puede oscilar entre 10.000 y 50.000 ppm. La salinidad del agua salobre cubre un rango de alrededor de 1000 ppm a 30 000 ppm, pero normalmente es de 1000 a 10 000 ppm. La desalinización por ósmosis inversa (RO) ha reemplazado a las tecnologías tradicionales de base térmica para dominar el mercado mundial de la desalinización debido a una reducción significativa en la demanda de energía108. La desalinización suele estar diseñada para producir agua potable purificada para el suministro de agua potable. La infraestructura de tratamiento y el coste energético para la desalinización siguen siendo superiores a los de otros recursos hídricos no tradicionales109,110.

El uso de agua de mar y agua salobre como fuentes no tradicionales de agua potable se ha convertido en una solución a largo plazo cada vez más atractiva y viable para la escasez de agua, particularmente en las regiones semiáridas y costeras. En los últimos 30 años, se han logrado avances significativos, incluida una reducción al doble de los requisitos energéticos para la ósmosis inversa de agua de mar (SWRO)8. El estado del arte para la instalación de la planta SWRO incluye tres procesos de ingeniería principales: pretratamiento, ósmosis inversa y postratamiento. En la Fig. 5 se ilustra un tren de tratamiento SWRO típico. La desalinización de agua de mar en general recupera ~50% del flujo entrante como agua dulce, descargando el otro 50% con el doble de salinidad que el agua de mar como salmuera rechazada. Como la salinidad del agua salobre es mucho menor que la del agua de mar, la recuperación es mayor, hasta un 75-85%111.

El diagrama ilustra la toma cercana a la costa, el pretratamiento mediante filtración, el sistema de ósmosis inversa de alta presión, el postratamiento del permeado y el almacenamiento antes de la distribución. El agua de mar se muestra en azul oscuro y el agua desalinizada en color azul claro. La recuperación de energía de la salmuera concentrada y la descarga de salmuera a través del emisario del océano se muestra en gris. Las flechas indican la dirección del flujo de agua.

Además de la preocupación energética de la desalinización, la gestión de la salmuera también es un componente crítico del proceso de desalinización. La salmuera normalmente se devuelve al océano porque es la opción menos costosa, pero esto genera preocupación por los impactos en la vida marina debido a la salinidad, las sustancias tóxicas y la temperatura112. Además de las diferencias de salinidad y temperatura, la salmuera también puede incluir productos químicos de antiincrustantes, coagulantes e incluso metales pesados ​​procedentes de la corrosión113. Las instalaciones de desalinización continentales tienen el desafío adicional de gestionar la salmuera sin la opción de descargarla al océano. Los métodos comunes de gestión de salmueras continentales en los Estados Unidos incluyen estanques de evaporación, sistemas de descarga cero de líquido que involucran evaporadores, cristalizadores y secadores por aspersión, e inyección en pozos profundos114. Algunos métodos y enfoques están comenzando a utilizar la recuperación de sales para compensar los altos costos totales de la desalinización, en la que la eliminación de salmuera podría representar entre el 5% y el 33%115.

Dado que el agua de mar y el agua salobre están menos contaminadas que otras fuentes de agua alternativas, las enfermedades agudas como las infecciones microbianas o la CIC son menos preocupantes. Se ha demostrado que las membranas de ultrafiltración y las membranas de ósmosis inversa con tamaños de poro de hasta 0,0001 μm eliminan significativamente los patógenos, y se sospecha que incluso los virus se reducen significativamente debido a la adsorción en las partículas116. En 2011, la Organización Mundial de la Salud publicó un informe sobre la salud del agua desalinizada con puntos importantes como recomendar la inactivación y desinfección de virus después del tratamiento primario (membrana de ósmosis inversa), y señalar el desafío de mantener la calidad microbiana del agua durante el almacenamiento y la distribución. Ninguno de estos es exclusivo de la desalinización y son desafíos generales para tratar y suministrar agua potable de manera tradicional centralizada117.

Para abordar la preocupación por los costos y los requisitos energéticos en las tecnologías de desalinización, los esfuerzos de modelado se han centrado en TEA con el objetivo de minimizar costos y comparar entre diseños. Además, la TEA puede evaluar el uso de fuentes de energía renovables (por ejemplo, energía eólica) o la ubicación conjunta de la desalinización con plantas de energía, para reducir costos. Esto último reduce el costo general, ya que la fuente de agua de mar más cálida recolectada de la descarga de la planta de energía generalmente requiere menos energía para la separación de la membrana que el uso de agua de mar a temperatura ambiente8.

El software de modelado más frecuente para el costo y la energía de la desalinización es el Programa de Evaluación Económica de Desalinización de la Agencia Internacional de Energía Atómica (OIEA DEEP). El modelo DEEP puede utilizarse para diferentes configuraciones y fuentes de alimentación para procesos de desalinización y ha sido actualizado periódicamente desde su creación118. Otro método para comprender los requisitos de costos y energía para diferentes tecnologías de desalinización utilizó el enfoque de base de datos de costos basado en la recopilación y correlación de datos de más de 300 plantas de desalinización en todo el mundo119. Como se presentó en la sección "Evaluación tecnoeconómica (TEA)", WaterTAP3 creado por la Alianza Nacional para la Innovación del Agua (NAWI) se puede utilizar para procesos creados por el usuario y configuraciones de trenes de tratamiento y parámetros de calidad del agua (es decir, salinidad o concentración de boro). ) para evaluar la tecnoeconomía de diferentes opciones12. Además, se han utilizado modelos de simulación para optimizar procesos de tratamiento específicos. Oh et al.120 simularon el rendimiento de la membrana de ósmosis inversa basándose en mecanismos de difusión de solución y ensuciamiento para modelar el flujo y la recuperación del permeado. Modelos como estos han sido valiosos para mejorar el rendimiento de la desalinización en las últimas décadas, incluida la mejora del rechazo de boro mediante procesos de membrana. En la Información complementaria se presenta una discusión sobre el boro y otros iones de bajo rechazo en la desalinización por membrana.

Las aplicaciones de la TEA han ofrecido importantes conocimientos para la implementación de la desalinización. Por ejemplo, Quon et al.121 realizaron un análisis básico de costos y energía en varias plantas desalinizadoras SWRO y descubrieron que la economía de escala juega un papel importante en SWRO, con un costo nivelado de alrededor de 1 a 1,35 dólares estadounidenses por m-3. Los costos reales son muy variables, como lo demuestra el costo de $1,61 m-3 de SWRO en Carlsbad, CA, EE. UU. versus el costo de $0,53 m-3 de SWRO en Ashkelon, Israel, a pesar de que las dos instalaciones tienen un diseño casi idéntico.

El reconocimiento del impacto de los factores locales en el costo y la adopción de tecnologías y suministros de agua es de gran importancia para la desalinización. Los análisis económicos a menudo carecen de la capacidad de capturar adecuadamente las externalidades y los factores locales relacionados con la construcción, los permisos, el financiamiento, las regulaciones del mercado y los subsidios gubernamentales, que han sido identificados como desafíos destacados en California122. Los riesgos asociados con estas áreas y la viabilidad económica de sopesarlos con los costos previstos de la instalación (modelados a través de TEA, por ejemplo) faltan según el estado actual de los conocimientos y las demostraciones. Por ejemplo, el estudio de Quon et al.121 sugirió que los ahorros de costos futuros dependen en gran medida de factores locales y del funcionamiento constante de la planta; Las grandes plantas desalinizadoras de agua de mar por ósmosis inversa con tecnología de última generación tienen costos de energía similares, mientras que los costos totales de capital y operativos varían. Una conclusión similar llegó a una TEA sobre desalinización térmica realizada por Zheng & Hatzell123, quienes afirmaron que “no podemos ignorar muchos otros factores que pueden afectar la selección del sitio, como los subsidios de los gobiernos locales, las tarifas de transporte de las instalaciones y los precios locales de la tierra”.

Además, se han revisado y explorado los desafíos sociopolíticos de la desalinización de aguas124. Por ejemplo, los estudios han puesto de relieve las disparidades y vulnerabilidades de las zonas fronterizas con respecto a los derechos de agua, concretamente en la frontera entre México y Estados Unidos125 y entre Israel y Jordania126. Por un lado, es posible lograr una mayor seguridad hídrica compartida entre los países y el proceso de colaboración126, mientras que, por el otro, puede aumentar las tensiones125. Estos factores que, en última instancia, afectan los plazos y la viabilidad de la desalinización son difíciles de incluir desde una perspectiva de modelado y diseño y requieren más estudios cualitativos y análisis específicos de la ubicación sobre cómo inevitablemente impactan los costos y beneficios de incluir la desalinización en las carteras de agua.

La captura de condensado y la recolección de agua atmosférica (AWH) son métodos adicionales para proporcionar agua no tradicional. El condensado capturado es la recolección de agua condensada generalmente de los serpentines de enfriamiento del aire acondicionado, en lugar de tradicionalmente drenar el condensado a las líneas de alcantarillado. Por lo tanto, al igual que RHRW y SWH, depende de desviar y almacenar una fuente de agua dulce que antes se desperdiciaba, lo que la convierte en una fuente de agua generalmente sin explotar, particularmente en regiones cálidas y húmedas. El condensado capturado se puede utilizar para usos no potables, como descarga de inodoros, riego y agua de reposición de torres de enfriamiento127. La recolección de agua atmosférica (AWH) es el uso de un dispositivo para extraer vapor de agua directamente del aire mediante tecnología de condensación, tecnología basada en adsorción y siembra de nubes/recolección de niebla128,129. La tecnología de condensación para AWH requiere una fuente de energía para enfriar a fin de condensar el aire en vapor. La tecnología de adsorción se puede diseñar para utilizar ciclos diurnos y nocturnos, temperaturas ambientales y calor solar para capturar y condensar vapor. Por lo tanto, consume menos energía, pero el rendimiento de agua recolectada es menor que con la tecnología de condensación128. La siembra de nubes es una forma de modificación del clima para inducir y recolectar lluvia, pero solo donde se han acumulado abundantes nubes de agua, por lo que es difícil realizarla de manera rutinaria y predecible. La recolección de niebla es simplemente la captura de gotas sobre un material similar a una malla perpendicular a la niebla y el viento. Ha demostrado una capacidad de producción de agua de hasta 3-7 kg día-1 m-2, pero se utiliza mejor en elevaciones altas donde la niebla y el viento son regulares130,131.

Ambas fuentes de agua prometen aliviar el estrés hídrico en las fuentes tradicionales, pero la investigación y los esfuerzos para su modelado y diseño cuantitativo son menores que para las otras fuentes descritas anteriormente. Actualmente, se han realizado modelos centrados en estimar el rendimiento teórico (cantidad de agua) de condensado basándose en principios termodinámicos y condiciones climáticas132,133. Las regiones de todo el mundo identificadas como de alto potencial para implementar la recolección de condensado son la Península Arábiga, el África subsahariana, el sur de Asia y el sureste de los Estados Unidos132,134. Hassan y Bakry133 encontraron que por 1 tonelada de refrigerante, la recuperación de condensado durante un año de operación y condiciones climáticas típicas fue mayor en Singapur con 35,33 m3, seguido de 30,69 m3 en Kuala Lumpur, Malasia. El condensado capturado como suministro de agua in situ compensa la demanda de agua convencional, similar a la reutilización de aguas grises in situ, reduciendo así la demanda general y la huella asociada con el tratamiento de agua potable. Khan135 estimó una reducción de 0,54 kg de CO2eq por kWh utilizado para el bombeo del suministro de agua convencional asociado con la implementación de condensado capturado en edificios residenciales en Dubai, Emiratos Árabes Unidos. Por el contrario, se estimó que la recolección de agua atmosférica tenía una reducción de 0,3 a 0,35 kg de CO2eq por kWh según las huellas promedio de las fuentes de agua tradicionales en los Estados Unidos y Medio Oriente136. Para el modelado de la calidad del agua, Loveless et al.137 realizaron pruebas de calidad del agua en sistemas de condensado capturado en toda Arabia Saudita y encontraron alta calidad, con todas las muestras por debajo de los valores de calidad recomendados por la EPA de EE. UU. Con base en su modelo climático y sus hallazgos sobre la calidad del agua, los autores sugirieron que la aplicación industrial del condensado capturado podría generar ahorros de costos y reducir el impacto en operaciones que ya requieren agua de alta pureza, y métodos simples de postratamiento podrían hacer que el agua recolectada sea potable.

En este artículo, se describieron y compararon varias fuentes de agua no tradicionales, centrándose en los métodos y enfoques existentes para estimar sus respectivas métricas de cantidad y calidad para la implementación y la gestión del agua. Las herramientas analíticas y de modelado informático sirven para identificar y predecir métricas relacionadas con la capacidad, el costo, la energía, la calidad microbiana y el riesgo para la salud. Dado que cada fuente de agua no tradicional varía en cuanto a calidad, operación, tamaño y nivel de tratamiento del agua, todavía hay áreas clave que requieren más investigación para mejorar su uso y gestión. Esto se aplica a todos los niveles de la sociedad y la gestión del agua, desde la escala doméstica del uso del agua hasta la planificación de políticas gubernamentales y medidas regulatorias. A continuación se presentan las áreas clave identificadas en este estudio para cada una de las fuentes de agua exploradas.

Agua de lluvia recolectada en los tejados: RHRW tiene problemas de calidad del agua y contaminación microbiana muy variables, por lo que se necesita una política clara y más uniforme sobre el mantenimiento y conservación in situ para los problemas de calidad del agua en áreas donde se implementa o requiere RHRW.

Recolección de aguas pluviales: debido a la naturaleza de las aguas pluviales y los efectos variables del clima en su abundancia y calidad del agua, existen preocupaciones de salud al utilizarlas con fines de reutilización. Se recomienda realizar más investigaciones para comprender los impactos del clima en la calidad de las aguas pluviales y en los riesgos para la salud de la exposición y el consumo humanos cuando se utilizan como fuente de agua no potable.

Aguas residuales municipales recuperadas: En general, las aguas residuales municipales recuperadas son una fuente más confiable en términos de cantidad en comparación con los RHRW y las aguas pluviales para la comunidad local. Se utiliza principalmente para fines no potables, pero avances recientes han demostrado que es posible su reutilización potable directa. Sin embargo, no es fácilmente aceptado y falta una política para su implementación y regulación. Por lo tanto, es necesaria más investigación sobre tecnologías de reutilización potable en términos de costo y capacidades de tratamiento, particularmente al comparar la OI con tecnologías de tratamiento alternativas. Se deben explorar y comparar los problemas de salud relacionados con la reutilización de productos no potables debido a la aerosolización y la incertidumbre en torno a los patógenos virales para desarrollar aún más una comprensión de la eliminación de patógenos en la reutilización de aguas residuales. Además, la aparición de BRA en plantas de tratamiento de aguas residuales ha generado preocupación sobre su propagación, prevalencia y efectos posteriores en la salud humana a través de la exposición a productos no potables. La falta de datos suficientes sobre la prevalencia de ARB y ARG en aguas residuales recuperadas exige esfuerzos futuros para caracterizar mejor sus concentraciones, información sobre antibióticos y una reevaluación de los criterios de tratamiento y la regulación de los posibles riesgos para la salud asociados. Estas preocupaciones de salud se aplican a la calidad variable del agua y los niveles de patógenos en las aguas residuales sin tratar y en los efluentes de aguas residuales tratadas que se utilizan como fuente de agua no tradicional y no potable.

Reutilización de aguas grises: Los posibles riesgos para la salud y las preocupaciones que plantea el reciclaje de aguas grises in situ, como las utilizadas para la descarga de inodoros y el riego, siguen planteando un obstáculo para su implementación más amplia. Se recomiendan requisitos de trato uniforme y políticas regulatorias para facilitar una implementación más amplia.

Desalinización: Los altos costos y las preocupaciones sobre cómo gestionar adecuadamente los desechos de salmuera obstaculizan su desarrollo y aceptación en los Estados Unidos. Se recomienda realizar más investigaciones sobre los orígenes de las discrepancias de costos de manera comparativa entre las instalaciones de desalinización en todo el mundo, incluidos los costos locales y los requisitos legales. Se deben seguir estudiando los efectos de la descarga de salmuera en alta mar, así como otros métodos de procesamiento y manipulación de residuos de salmuera para instalaciones de desalinización tierra adentro.

Captura de condensado y AWH: estos métodos se pueden utilizar para reducir la dependencia de fuentes de agua tradicionales y centralizadas, pero se sugiere una mejor comprensión de los requisitos de calidad. Los beneficios son específicos de cada región debido a los impactos fundamentales de la temperatura y el clima, que deben entenderse bien antes de cualquier diseño e implementación. El costo de diseño del postratamiento para uso de agua potable es un requisito clave y debe considerarse.

Todos los datos están disponibles previa solicitud.

Este manuscrito no contiene ningún código personalizado.

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Este manuscrito se basa en el trabajo apoyado por la Alianza Nacional para la Innovación del Agua (NAWI), financiada por la Oficina de Fabricación Avanzada del Departamento de Energía, Eficiencia Energética y Energía Renovable de EE. UU. bajo el Anuncio de oportunidad de financiamiento DE-FOA-0001905. La subvención de subcontrato de NAWI IUT 7543313 a UC Irvine proporcionó el principal apoyo financiero para el proyecto. S. Jiang también cuenta con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. CBET 2027306, CBET 2128480, CBET 1806066, USBR R21AC10079-00 y EPA (EPA-G2021-STAR-A1, número de subvención: 84025701). El contenido de este documento no refleja necesariamente los puntos de vista y políticas del DOE, US NSF, EPA, USBR, ni las agencias respaldan nombres comerciales ni recomiendan el uso de ningún producto comercial mencionado en este documento.

Ingeniería Civil y Ambiental, Universidad de California, Irvine, EE.UU.

Hunter Quon y Sunny Jiang

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SCJ y HQ conceptualizaron la revisión y desarrollaron la metodología y estructura; HQ realizó la revisión de la literatura, la recopilación de datos y la preparación inicial del manuscrito; Todos los autores contribuyeron a la redacción de los borradores y del manuscrito final. SCJ gestionó el proyecto general y obtuvo apoyo financiero. Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Sunny Jiang.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Todos los autores apoyan la política de inclusión y ética en la investigación global.

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Reimpresiones y permisos

Quon, H., Jiang, S. Toma de decisiones para la implementación de fuentes de agua no tradicionales: una revisión de los desafíos y las posibles soluciones. npj Agua Limpia 6, 56 (2023). https://doi.org/10.1038/s41545-023-00273-7

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Recibido: 14 de agosto de 2022

Aceptado: 01 de agosto de 2023

Publicado: 10 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41545-023-00273-7

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