Jardins verticals per al tractament i la reutilització d’aigües residuals urbanes

En aquest article tècnic es parla sobre la reutilització segura d’aigües residuals davant l’augment de la demanda d’aigua sobretot a les ciutats, on amb el temps, es concentrarà la majoria de la població

Dossier Tècnic 124 "Sistemes d’integració de vegetació en edificis”.

01 Introducció

El desenvolupament de la societat moderna i els processos d’urbanització han contribuït a l’explotació exponencial del capital natural, especialment l’aigua. A més, els pròxims anys, la majoria de la població es concentrarà a les ciutats, i, com a conseqüència, la demanda d’aigua augmentarà, i també la producció d’aigua residual. A causa d’això, hi ha una preocupació creixent pel que fa a la viabilitat dels models actuals de gestió de l’aigua als centres urbans. Actualment, l’aigua es gestiona de manera lineal i centralitzada. Això significa que gran part de l’aigua residual generada a les ciutats és tractada a les depuradores municipals i, per tant, no se’n preveu el tractament i la reutilització a escala local. Promoure la reutilització segura d’aigües residuals a escala global representa una estratègia crucial per garantir un ús eficient dels recursos hídrics i disminuir la competència amb el subministrament d’aigua potable. En aquest sentit, les aigües residuals domèstiques, principalment les aigües grises (banyeres, dutxes i rentadores, etc.), sorgeixen com a possible font alternativa d’aigua en el marc de gestió descentralitzada. La reutilització d’aigües grises (AG) per a finalitats com ara el reg i la descàrrega de vàter pot generar un estalvi de fins al 45% de l’aigua potable que seria utilitzada per a la mateixa finalitat. Tot i això, en la majoria dels casos, les AG han de ser tractades abans de la seva reutilització per minimitzar els riscos de proliferació de patògens i infeccions i així complir les normatives vigents. Diverses tecnologies poden ser implementades per al tractament d’aigües grises en esquemes descentralitzats, i les més comunes són els tractaments avançats com, per exemple, osmosi inversa, membranes filtrants, oxidacions avançades i processos electroquímics. Aquests tractaments avançats són molt eficients per eliminar una àmplia gamma de contaminants i ocupen poc espai, cosa que en facilita la implementació en contextos urbans on l’espai és limitat. Tot i això, aquestes tecnologies solen implicar una alta demanda energètica i un cost considerable i poden formar subproductes tòxics.

Per tant, les Solucions Basades en la Natura (SBN) constitueixen un enfocament alternatiu i sostenible per facilitar a reutilització de l’aigua a les ciutats. Les SBN proporcionen múltiples cobeneficis com, per exemple, millora de la qualitat de l’aire, regulació tèrmica i benestar i són reconegudes com a rendibles i respectuoses envers el medi ambient. Les SBN més comunament implementades en contextos urbans són els aiguamolls construïts i les llacunes. Tot i això, la implementació d’aquestes SBN requereix una gran àrea, i, per tant, es pot veure limitada, especialment en ciutats amb alta densitat poblacional, com, per exemple, els grans centres urbans.

“Les Solucions Basades en la Natura (SBN) constitueixen un efocament alternatiu i sostenible per facilitar la reutilització de l’aigua a les ciutats”

Com a conseqüència, els jardins verticals sorgeixen com a alternativa, ja que es poden implementar en espais buits de parets d’edificis i cases i assumir la funció de tractament d’aigües residuals. A més, la capacitat de tractar i reutilitzar aigües grises a escala local no només contribueix a una gestió sostenible dels recursos hídrics, sinó que també a llarg termini minimitza costos d’operació atès que minimitza el consum d’aigua i nutrients. D’una banda, la investigació en l’àmbit de jardins verticals per al tractament i la reutilització d’aigües urbanes és relativament recent, amb els primers articles científics publicats l’any 2016. D’altra banda, els jardins verticals (JV) són molt coneguts i àmpliament estudiats per la capacitat de promoure la salut mental i el benestar, la biodiversitat, l’aïllament tèrmic i acústic i la millora de la qualitat de l’aire. Els JV aporten un valor estètic que influeix de manera positiva en la qualitat de vida i en la salut mental dels habitants de les ciutats. Els JV poden actuar com a refugi per a la fauna local i promoure la preservació i l’augment de la biodiversitat. L’evapotranspiració de les plantes i l’efecte d’ombra generen un microclima i, com a conseqüència, les necessitats energètiques per a la refrigeració a l’estiu són minimitzades. Alhora, les plantes són capaces d’interceptar partícules suspeses a l’aire, assimilar contaminants de l’aire i augmentar l’absorció del CO2 i l’alliberament d’oxigen gràcies a la fotosíntesi.

La faceta multifuncional dels jardins verticals i la necessitat de fer les ciutats més resilients i adaptades al canvi climàtic han fet dels jardins verticals una tecnologia atractiva tant per al sector publicoprivat com per a la investigació acadèmica. Per tant, atesa la rellevància i la novetat de la temàtica, l’objectiu d’aquest article és aportar una visió tècnica sobre els principis fonamentals de funcionament de jardins verticals per al tractament d’aigües grises.

02. Aigües grises: característiques i normativa de reutilització

Aigües grises (AG): són les aigües residuals procedents de totes les activitats domèstiques, tret de les descàrregues de vàters, com, per exemple, l’aigua produïda en banyeres, dutxes, aigüeres de cuina i rentadores. Les AG representen aproximadament el 80% de tota l’aigua residual domèstica. Les AG contenen una gran diversitat de compostos químics i orgànics com, per exemple, sabó, dentifrici, xampú, residus de l’afaitat, cabell, pell, sèu, productes químics de neteja de la llar, aliments, olis, greixos i detergents, i poden contenir també traces de femta i orina.

El volum i la composició de les AG depèn principalment dels hàbits de la població, del tipus d’habitatge (comercial, residencial, industrial), del temps d’emmagatzematge i de l’origen (bany, cuina, rentadora). La quantitat d’AG produïda per dia pot variar de 50-150 litres/persona/dia i la qualitat pot empitjorar després d’alguns dies d’emmagatzematge. En termes de paràmetres de qualitat d’aigua, les AG solen tenir Escherichia coli (E. coli) i coliformes fecals, pH neutral, demanda química d’oxigen i demanda bioquímica d’oxigen del rang de centenars de mg L-1, sòlids suspesos totals per sota de 500 mg L-1, i nitrogen i fòsfor totals per sota d’unes poques desenes de mg L-1.

Fins ara, es desconeix si a l’Estat espanyol hi ha una normativa específica que reglamenti la reutilització d’aigües grises. Per tant, s’aplica el Reial decret 1620/2007, de 7 de desembre, pel qual s’estableix el règim jurídic de la reutilització de les aigües depurades. El RD estableix una sèrie de tràmits per a la concessió del dret de reutilitzar l’aigua residual. La sol·licitud ha de ser presentada a l’òrgan competent i ha d’incloure una freqüència mínima d’anàlisi de qualitat d’aigua basada en tècniques analítiques de referència. Els requisits de qualitat de l’aigua depenen del tipus de reutilització plantejat (p. ex. reg, descàrrega inodora, rentat de cotxe, torres de refrigeració, etc.). Els paràmetres requerits són nematodes intestinals, E. coli, sòlids suspesos totals i terbolesa. En alguns casos, se sol·licita també l’anàlisi de Legionel·la spp., Salmonella, Taenia saginata i Taenia solium, nitrats i nitrogen i fòsfor totals.

03. Jardins verticals per al tractament d’aigües grises

03.01 Tipologies de jardins verticals

Hi ha dues tipologies principals de jardins verticals. Els jardins verticals amb plantes enfiladisses (JVE) i els jardins verticals modulars (JVM). Els JVE s’apliquen principalment a exteriors, i s’utilitzen per cobrir la façana de l’edifici directament o indirectament mitjançant l’ús d’estructures externes, com ara sistemes de xarxes de cables i filferros, per guiar el creixement de les plantes enfiladisses que estan plantades al terra o en jardineres. Els JVM es poden implementar tant a interiors com a exteriors a través de l’ús d’estructures externes com panells, mòduls, mantes vegetals, capes de feltre, jardineres o cistelles d’acer que sostenen les plantes i el substrat.

Tot i que totes les tipologies de jardins verticals tenen els mateixos elements essencials per als processos de remoció de contaminants (aigua, plantes i substrat), els JVM tenen un potencial més gran de funcionar com a tractament d’aigües grises. Els JVM són l’única tipologia que permet la interacció entre l’aigua, les plantes i el substrat a tota l’àrea vertical de la façana, cosa que resulta en una àrea de tractament més gran en comparació amb els JVE que tenen una àrea d’interacció limitada al sòl o les jardineres ubicats a la part inferior de la façana.

Les dues principals tipologies de jardí vertical. Font: Joana Castellar

03.02 Processos de remoció de contaminants

En els jardins verticals, els principals components que actuen en la remoció de contaminants són les plantes i el substrat. Les plantes per si mateixes poden absorbir contaminants dissolts a l’aigua com a part del procés de fitoremediació. Al mateix temps, el substrat per si mateix pot absorbir contaminants en la seva superfície. Tot i això, cal destacar que ambdós processos tenen limitacions a llarg termini. És a dir, la capacitat del substrat d’adsorbir contaminants disminueix amb el temps fins que se satura del tot, i, per tant, és un procés finit. A més, tant la fitoremediació com l’adsorció fomenten la translocació temporània dels contaminants, atès que en algun moment s’haurà de gestionar aquesta acumulació de contaminants tant a les plantes com al substrat.

“En els jardins verticals, els principals components que actuen en la remoció de contaminants d’aigües grises són les plantes i el substrat”

Per tant, quan es treballa amb tecnologies naturals com els jardins verticals, és molt important considerar que, més enllà de la contribució de cada component, la interacció entre aigua, planta i substrat és clau perquè els processos de remoció es produeixin a llarg termini. Aquesta interacció facilita processos com la biodegradació microbiana i la precipitació química o biològica. Per exemple, la interacció del substrat, l’aigua i les arrels de la planta és fonamental per a la formació de la biopel·lícula i, per tant, influeix en la capacitat del sistema en la biodegradació i la precipitació a través de microorganismes.

A més, tan important és garantir la formació de la biopel·lícula com garantir-ne la qualitat. És a dir, que és molt important promoure condicions favorables per a la proliferació dels microorganismes necessaris perquè aquests processos es produeixin. Hi ha diversos condicionants que poden influir en la qualitat de la biopel·lícula. Un és la presència o absència, total o parcial, d’oxigen dissolt. Aquesta condició és directament afectada pel disseny i l’operació dels jardins verticals. És a dir, segons com es gestiona el flux d’aigua a les estructures de tractament, es poden generar condicions amb molt d’oxigen dissolt o molt poc, i, per tant, es poden desenvolupar comunitats microbianes molt diferents i amb capacitat de remoure diferents contaminants.

03.03 Rendiment, disseny i operación

Els JV han proporcionat una bona eficiència en termes d’eliminació de nitrogen i de matèria orgànica. Tot i això, l’eliminació d’organismes patogènics (p. ex., E. coli) es veu limitada, i, per tant, en molts casos l’aigua tractada no compleix les normatives de reutilització. A més, actualment es desconeix el rendiment d’aquesta tecnologia respecte de la remoció de contaminants emergents tòxics com, per exemple, fàrmacs i substàncies perfluoroalquilades o polifluoroalquilades.

Igualment, cal ressaltar que el disseny i l’operació del sistema tenen una relació directa amb l’eficiència de tots els processos de remoció abans esmentats. L’etapa de disseny inclou la selecció de plantes i substrat. Pel que fa a la selecció de plantes, es recomana utilitzar com a mínim 3 espècies autòctones diferents per augmentar la biodiversitat del sistema i la seva capacitat de resistir plagues i malalties. Igualment, és important que aquestes espècies no presentin potencial al·lelopàtic negatiu, és a dir, que generin entre si compostos bioquímics que puguin inhibir la seva supervivència, creixement o reproducció. A més, les espècies han de ser resistents o, com a mínim, no susceptibles a les malalties i plagues existents a l’àrea d’implementació. Les espècies han d’estar adaptades a les condicions del sistema com ara: clima, poca o molta humitat, espai disponible per al desenvolupament d’arrels, alta o baixa incidència solar i altes concentracions de contaminants. Les espècies han de ser capaces d’interceptar gasos amb efecte d’hivernacle, promoure l’absorció de contaminants dissolts a l’aigua i presentar taxes d’evapotranspiració altes per garantir un alt rendiment en la millora de la qualitat de l’aire, neteja de l’aigua i microclima. Finalment, no podem oblidar que les espècies també han de proporcionar un benefici social perquè la tecnologia sigui més fàcilment acceptada en l’entorn de la seva implementació. Per tant, les espècies han de tenir una bona aparença estètica i poden proveir propietats medicinals. El més habitual és emprar espècies ornamentals. Tot i això, l’ús d’espècies agrícoles pot ser una opció, sempre que es considerin les possibles restriccions relacionades amb la normativa vigent sobre el reg de cultius comestibles amb aigües residuals.

Un altre aspecte fonamental del disseny és la selecció del substrat. Alguns exemples de substrats utilitzats en jardins verticals per al tractament d’aigües grises són l’argila expandida, la sorra gruixuda, la pellofa de coco o arròs o les perles de vidre reciclades. El substrat, a més de ser suport per al creixement vegetal, ha de ser lleuger per reduir el pes total de l’estructura i facilitar l’execució en façanes exteriors.

Jardí vertical que tracta aigües grises a Marina di Ragusa, Sicilia (Italia) Foto: IRIDRA, Itàlia.

Jardí vertical de tractament d'aigues grises en una escola primària a Ferla (Itàlia). Foto: IRIDRA, Itàlia.

A més, els substrats han de presentar un bon comportament hidràulic i maximitzar el rendiment dels processos de remoció de contaminants i de la regulació tèrmica. Per tant, pel que fa a la selecció de substrat, es recomana tenir en compte la lleugeresa del material i la capacitat de retenir aigua i contaminants i de suportar el creixement de les plantes. Per exemple, la capacitat de retenció d’aigua juga un paper important en l’efecte de refredament i en la remoció de contaminants. L’aigua retinguda al substrat pot evaporar o evapotranspirar a través de les plantes. D’altra banda, també hi influeix el temps disponible perquè els processos de remoció es produeixin. Per tant, alguns paràmetres a tenir en compte durant la selecció del substrat són: la densitat (kg/m³), la conductivitat hidràulica (m/s) o taxa d’infiltració (mm/h), la mida de partícula (mm), la superfície específica disponible per a adsorció (m²/g) i la capacitat d’adsorció dels contaminants prioritzats.

Tan important com el disseny és la definició de les condicions d’operació adequades per a un bon funcionament hidràulic i rendiment dels processos de remoció de contaminants. Les principals condicions d’operació que cal tenir en compte són el tipus de reg, intermitent o continu, la càrrega hidràulica diària (m³/m2*d) i el cabal (m³/h). Aquestes condicions afecten directament el temps de retenció de l’aigua al sistema, és a dir, el temps en què els contaminants estan exposats als processos de remoció. A més, per exemple, el reg intermitent pot facilitar l’aeració passiva d’oxigen des de l’atmosfera fins a la interfície substrat, aigua i plantes. Com a conseqüència, el reg intermitent afecta la composició de la comunitat microbiana, i, per tant, els processos de biodegradació que s’esdevindran.

En resum, en dissenyar i operar jardins verticals per al tractament d’aigües grises, és primordial definir quins contaminants estan presents en concentracions més grans i requereixen remoció, per exemple, per complir normatives vigents. En segon lloc, cal garantir que el disseny i l’operació del sistema fomenten les condicions ideals per a la remoció d’aquests contaminants.

04. La integració de l’economia circular

La introducció de JV a les ciutats com una alternativa per a la gestió sostenible dels recursos requereix una transició des dels marcs de disseny lineal fins a una visió més holística que inclogui possibles interaccions entre la tecnologia i el seu entorn. En general, les tecnologies són dissenyades com a sistemes individuals i autosuficients centrats a reduir costos i millorar-ne el rendiment, però es presta poca atenció a les possibles interaccions amb l’entorn circumdant.

“Tan important com el disseny del jardí vertical és la definició de les condicions d’operació adequades per a un bon funcionament hidràulic i rendiment dels procesos de remoció de contaminants”

En aquest sentit, els JV tenen un paper important per “mantenir els recursos en ús”. El fet de tractar i promoure el reús local de les aigües grises implica la recuperació d’aigua i nutrients. Com a conseqüència, el consum d’aigua potable disminueix i també la importació de nutrients, cosa que disminueix costos d’operació i manteniment de la tecnologia, i, per tant, la fa més atractiva a l’usuari final. A més, aquesta pràctica té un efecte indirecte sobre la reducció de les emissions de CO2 i consum energètic necessari per a la producció adobs químics i la mitigació dels efectes negatius de l’acumulació de compostos reactius al medi ambient.

Pel que fa a tancar el cicle de la matèria i biomassa, els JV poden actuar de dues maneres. Una seria a través de la promoció de noves aplicacions per a les deixalles generades per altres cadenes de producció locals. En seria un exemple la reutilització de reciclats per construir estructures o deixalles granulades com a mitjans filtrants. Un altre seria transformar les deixalles produïdes pel JV mateix en subproductes valuosos, com ara biomassa i fertilitzants orgànics a partir de les plantes i els substrats. Cal destacar que els subproductes poden no estar exempts de contaminants tòxics, així que cal una caracterització adequada dels regs implicats en el seu re-ús.

Per tant, per "tancar cicles", juntament amb una inclusió eficient dels JV a l’entorn urbà, cal la identificació de possibles interaccions de la tecnologia amb les cadenes productives locals o fins i tot altres tecnologies ja establertes al lloc d’implementació . A més, en reemplaçar un marc lineal per un de circular, les JV poden tenir un paper clau, més enllà de la provisió de cobeneficis i serveis ecosistèmics, en afavorir la promoció d’un ús eficient dels recursos en línia amb la preservació del capital natural i la reducció de la demanda de matèries primeres externes.

05. Reptes futurs

Els paràmetres de disseny i operació de jardins verticals encara es basen, majoritàriament, en els paràmetres utilitzats per dissenyar i operar tecnologies similars com, per exemple, les zones humides construïdes. A més, hi ha una gran diversitat quant a les estructures de tractament que s’utilitzen, cosa que dificulta l’estandardització de paràmetres d’operació com, per exemple, la càrrega hidràulica (m3 /m2*d) i la definició de directrius tècniques que facilitin la implementació d’aquesta tecnologia. Aquestes directrius haurien d’aportar principis de dimensionament que puguin, per exemple, predir la quantitat d’AG que pot ser tractada de manera eficient per un sistema específic.

Un altre aspecte rellevant és com garantir la durabilitat d’aquests sistemes. Amb el temps, poden sorgir problemes relacionats amb l’obstrucció o pèrdua de capacitat d’absorció per part del substrat. A més, estructuralment pot aparèixer l’envelliment de les parts exposades a la intempèrie. Per tant, cal fer estudis a llarg termini per comprendre aquests problemes i evitar la pèrdua d’eficiència del tractament amb el temps.

Els JV tenen una capacitat limitada de remoure patògens nocius per a la salut humana. Per tant, la combinació de jardins verticals amb tractaments avançats podria representar una alternativa per promoure la seguretat de la reutilització d’aigües grises a escala local. A més, cal ressaltar que els contaminants orgànics persistents i tòxics com, per exemple, les substàncies perfluoroalquilades o polifluoroalquilades, surfactants i fàrmacs encara no estan previstos al Reial decret de 2007 o en altres normatives existents per al re-ús d’aigües residuals o grises. Per tant, cal incloure aquests compostos a les normatives vigents. Una altra possibilitat seria el desenvolupament d’una normativa espanyola específica per a la implementació de solucions basades en la natura, com ara els JV, per a la reutilització d’aigües grises a les ciutats. L’existència d’una normativa específica contribuiria substancialment al seu desenvolupament tant pel que fa a l’acceptació social, atès que els usuaris finals se sentirien més segurs en implementar-la, com pel que fa a l’acceptació per part del sector públic i privat, ja que podria legitimar l’ús d’aquestes tecnologies naturals per a aquesta finalitat i minimitzar la càrrega burocràtica implicada.

Jardins verticals i els principis de l'economia circular. Font: Joana Castellar. 

Autors

Joana A. Castellar da Cunha

Project manager/researcher - sustainability

CETAQUA - Barcelona

joana.castellar@cetaqua.com