ANÁLISIS DE CICLO DE VIDA DE LA REUTILIZACIÓN DE AGUA RESIDUAL URBANA MEDIANTE OZONIZACIÓN. IMPACTOS TOXICOLÓGICOS SOBRE EL MEDIO AMBIENTE Y LAS PERSONAS Muñoz Ortiz, I.1, Rodríguez, A.2, Rosal R.2, Molina-Díaz, A.3, Fernández-Alba, A.R.1 1  Departamento de Hidrogeología y Química Analítica, Universidad de Almería, ctra. de Sacramento s/n, La 

Cañada de San Urbano, 04120 Almería, España. E‐mail: [email protected]  2 Departamento de Química Analítica e Ingeniería Química, Universidad de Alcalá, Madrid, España  3 Departmento de Química Física y Analítica, Universidad de Jaén, 23071 Jaén, España 

RESUMEN/ABSTRACT El Análisis de Ciclo de Vida (ACV), ha sido utilizado para comparar diferentes escenarios de reutilización de aguas residuales urbanas en agricultura, con especial énfasis sobre los impactos potenciales toxicológicos. La evaluación está basada en experimentos a escala de laboratorio en los que se aplicó la ozonización como tratamiento terciario a un efluente de depuradora urbana española. Se evaluaron tres escenarios alternativos: 1) no reutilizar, obteniendo por lo tanto el agua para riego de otro modo, en concreto mediante desalación, 2) reutilización del agua residual, sin aplicar ningún tratamiento terciario, 3) reutilización del agua residual, aplicando ozono como tratamiento terciario. El estudio de ACV incluyó el proceso de ozonización (producción de electricidad y oxígeno, transportes), la desalación de agua de mar así como las emisiones de contaminantes derivadas de la reutilización o descarga al medio acuático del efluente de depuradora (incluyendo metales pesados, fármacos, pesticidas, etc.). Los resultados del estudio mostraron que desde un punto de vista de ecotoxicidad, la reutilización tras aplicar ozono resulta el escenario más atractivo, mientras que desde un punto de vista de toxicidad humana no se observaron diferencias significativas entre reutilizar antes o después de aplicar ozono. La reutilización del agua sin tratamiento terciario previo supone un elevado impacto sobre la ecotoxicidad terrestre. Por otro lado, la reutilización con ozono supone unas emisiones de gases de efecto invernadero inferiores a las de la desalación de agua de mar en un 85%. Life Cycle Assessment has been used to compare different scenarios involving wastewater reuse, with special focus on toxicity-related impact categories. The study is based on bench-scale experiments applying ozone to a wastewater effluent from a Spanish sewage treatment plant. Three alternative scenarios have been assessed: 1) wastewater discharge plus desalination supply, 2) wastewater reuse without tertiary treatment, and 3) wastewater reuse after applying a tertiary treatment consisting on ozonation. The LCA study included the ozonation process (electricity and oxygen production, transport of oxygen), seawater desalination, as well as the emissions of pollutants associated to the discharge to the aquatic or soil environment of the wastewater effluent (including heavy metals, pharmaceuticals and pesticides among others). The results of the LCA show that wastewater reuse after applying ozone appears as the best choice from an ecotoxicity perspective. As for human toxicity,no significant differences were found between the scenario with and without ozone use, although both are preferable to the no reuse scenario. From a global warming potential perspective, tertiary treatment with ozone involves a potential 85% reduction of greenhouse gas emissions when compared with desalination. Palabras clave: Análisis de Ciclo de Vida, agua, reutilización, desalación, ozono, toxicidad, efecto invernadero. Key words: Life Cycle Assessment, water, reuse, desalination, ozone, toxicity, greenhouse gas emissions

1. INTRODUCCIÓN Cada español genera diariamente unos 330 litros de aguas residuales urbanas, las cuales son convenientemente tratadas en estaciones depuradoras (EDAR) antes de ser devueltas al medio ambiente. Actualmente, únicamente se reutiliza en torno al 8% del agua residual depurada en España. Sin embargo, según Hochstrat y otr. (2006), España es el país europeo con mayor potencial en cuanto a reutilización de agua residual. No en vano, la reutilización es uno de los principales ejes del Programa AGUA del Ministerio de Medio Ambiente. Sin embargo, resolver los problemas de escasez de agua no debe implicar agravar otros problemas ambientales, tales como la exposición a contaminantes químicos y microbiológicos, o incrementar las emisiones de efecto invernadero. En este sentido, una de las herramientas con mayor aceptación para la evaluación ambiental holística de sistemas es el Análisis de Ciclo de Vida (ACV), única herramienta estandarizada mediante normas ISO (ISO 2006) y cuyo objeto es evaluar productos y procesos “desde la cuna hasta la tumba”.

En este trabajo se presenta una evaluación de impacto ambiental, mediante ACV, de la reutilización de aguas residuales, utilizando como tecnologías de referencia la ozonización como tratamiento terciario, y la desalación de agua de mar como tecnología alternativa de producción de agua. Este estudio se ha llevado a cabo en el marco del proyecto CONSOLIDER-TRAGUA (Tratamiento y reutilización de aguas residuales para una gestión sostenible, www.consolider-tragua.com).

2. TRABAJO EXPERIMENTAL 2.1. Ozonización El estudio de ACV aplicado a la ozonización se basó en experimentos a escala de laboratorio con agua residual de una EDAR española, la cual aplica actualmente un tratamiento primario (pretratamiento físico, decantación primaria) y secundario (biológico con eliminación de nitrógeno). Los experimentos fueron llevados a cabo en muestras de agua depurada, tal y como es vertida por la EDAR. La ozonización tuvo lugar en modo discontinuo, en un reactor de 5 L, con agitación mediante una turbina de 4 palas a 1000 rpm, y a una temperatura de 25ºC. El ozono se produjo con un ozonizador Ozomatic SWO100 (Baunatal, Alemania) alimentado con oxígeno (pureza ~95%) producido mediante un generador AirSep AS12 (Buffalo, USA). El gas producido, mezcla de oxígeno y ozono (45.9 g O3 Nm-3), se burbujeó a través del reactor con un caudal de 0.36 Nm3 h-1. El ozonizador se refrigeró con un caudal de agua de 0.5 L min-1, y la duración total del experimento fue de 30 min., durante los cuales se tomaron muestras a t = 0, 5, 10, 20 y 30 min. 2.2. Análisis Se analizaron en total 84 substancias en cada muestra, incluyendo contaminantes prioritarios y emergentes. En la tabla 1 se muestran los contaminantes analizados así como un resumen de las técnicas de análisis. En la figura 1 se muestra la variación de la concentración total de contaminantes orgánicos respecto al tiempo, durante el transcurso del experimento de ozonización.

3. APLICACIÓN DEL ANÁLISIS DE CICLO DE VIDA 3.1. Objetivo y escenarios evaluados Como se observa en la figura 1, la concentración de contaminantes en el agua disminuye, y por tanto su toxicidad. Sin embargo, desde un punto de vista de ACV, la ozonización supone al mismo tiempo la emisión indirecta de contaminantes al medio ambiente, debido a la producción de la electricidad y oxígeno necesarios para el proceso. Aunque estas emisiones indirectas ocurren en un lugar y momento indeterminados, no por ello son menos importantes. La pregunta, por tanto, es ¿Compensa la toxicidad eliminada del agua por la toxicidad adicional indirecta producida por el tratamiento terciario? Ésta es la pregunta que se pretendió responder mediante el ACV. Para ello se evaluaron 3 escenarios:  No reutilizar, obteniendo por lo tanto el agua para riego de otro modo, en concreto mediante desalación de agua de mar  Reutilización del agua residual, sin aplicar ningún tratamiento terciario  Reutilización del agua residual, aplicando ozono como tratamiento terciario 3.2. Función y unidad funcional La función del sistema es doble: por un lado eliminar un residuo (el agua residual), ya sea mediante su descarga al medio acuático o mediante reutilización, y por otro abastecer de agua a un usuario. Dado que en el primer escenario el agua no se reutiliza, esta función queda cubierta de cara al estudio considerando el abastecimiento alternativo mediante desalación. La unidad funcional escogida es 1 m3 de agua.

3.3. Extrapolación del tratamiento con ozono a escala industrial Las condiciones en las que se realizó el experimento (a escala de laboratorio) no son representativas de una aplicación real, por la baja eficiencia del sistema, por trabajar en discontinuo, etc. Para la realización del ACV es importante evaluar la tecnología lo más próxima posible a las condiciones reales, por lo que en el estudio se ajustó la eficiencia en el uso de ozono (ratio O3 consumido/O3 burbujeado). La eficiencia del reactor de laboratorio se estimó en un 4.6%, mientras que en el ACV (condiciones reales) se consideró que sería de un 75% (Muñoz y otr. 2008). En otros estudios a escala real esta eficiencia puede llegar a estar entre el 80% y casi el 100% (morioka y otr. 1997; Muroyama y otr. 1999, 2005). Por otra parte, como se observa en la figura 1, a partir de 5 min. la degradación de contaminantes, medida como sumatorio de concentraciones individuales, prácticamente es nula, por lo que de cara al estudio de ACV se considera únicamente la dosis de ozono durante estos primeros 5 min. Tabla 1. Contaminantes analizados y técnicas de análisis empleadas.

3.4. Análisis de inventario La depuración del agua en la EDAR mediante tratamiento primario y secundario queda excluida del estudio, dado que no afecta a los escenarios a comparar. Los procesos incluidos en el ACV son, para el tratamiento terciario con ozono: consumo eléctrico, de oxígeno, transporte de éste, consumo de agua de refrigeración (asumiendo que se produce mediante desalación). El consumo de ozono realmente consumido en el experimento, durante los primeros 5 min. fue de 12.7 mg O3 L-1, que ajustados a un 75% de eficiencia en un reactor a escala real

supondría producir 16.9 mg O3 L-1. Los consumos derivados de esta demanda de ozono, calculados a partir de Muñoz y otr. (2006) son, por m3 de agua residual: 0.27 kWh eléctricos, 0.14 kg de oxígeno, 34 L de agua de refrigeración y 14 kg·km de transporte de oxígeno por carretera. Por otro lado, en el escenario de reutilización sin tratamiento terciario no se tiene en cuenta ningún input material ni energético, mientras que en el escenario de no reutilización, los insumos energéticos y materiales del abastecimiento de agua mediante desalación de agua de mar se ha obtenido a partir de datos de Muñoz y otr. (2008). Por último, en cada escenario se incluyen las emisiones en el agua residual de los contaminantes de la tabla 1. En el escenario de no reutilización estos contaminantes se emiten al río, con las concentraciones de t = 0 en la figura 1; en el escenario de reutilización sin tratamiento terciario estos contaminantes se emiten al suelo, con las concentraciones de t = 0 en la figura 1; en el escenario de reutilización con ozono estos contaminantes se emiten al suelo, con las concentraciones de t = 5 en la figura 1. Los datos de inventario para los insumos (electricidad, oxígeno, transportes) se obtuvieron de la base de datos de ACV Ecoinvent (Swiss Centre for Life Cycle Inventories, 2007).

Figura 1. Variación de la concentración total de los contaminantes analizados durante el transcurso del experimento.

3.5. Metodología de evaluación de impactos Se evaluó en total cuatro indicadores, tres de ellos relacionados con toxicidad, más un cuarto reflejando el balance de emisiones de efecto invernadero. Los indicadores de toxicidad han sido evaluados con el modelo USES-LCA (Huijbregts y otr. 2000), incluyendo ecotoxicidad acuática, ecotoxicidad terrestre, así como toxicidad humana. La unidad de medida en este modelo es una sustancia de referencia, el 1,4-diclorobenceno (DCB). La mayor parte de factores de caracterización necesarios para evaluar la toxicidad de los contaminantes de la tabla 1 se obtuvo mediante una extensa recopilación de datos físico-químicos, toxicológicos, y modelización con USESLCA (Muñoz y otr. 2008b). La evaluación de las emisiones de gases de efecto invernadero se llevó a cabo mediante la aplicación de potenciales de calentamiento global a 100 años (Forster y otr., 2007), expresando el indicador en equivalentes de dióxido de carbono.

4. RESULTADOS En la figura 2 se muestran los resultados de la fase de evaluación de impactos del ACV, por unidad funcional (1 m3 de agua). En ecotoxicidad acuática (Fig. 2a) el peor escenario es no reutilizar el agua, ya que los contaminantes en el efluente de la EDAR son vertidos al medio acuático. Cuando el agua se reutiliza el impacto disminuye notablemente, ya que por un lado el agua no se vierte al medio acuático, sino al suelo, y en el caso de aplicar ozono, la cantidad de contaminantes en el agua es mucho menor. Al aplicar ozono y reutilizar el agua, el impacto sobre el medio acuático se reduce en más de un 99%. En cuanto a ecotoxicidad terrestre (Fig. 2b), el peor escenario de entre los evaluados es reutilizar el agua sin aplicar tratamiento terciario, ya que se emite al suelo toda la carga de contaminación presente en el efluente de la EDAR. El escenario de no reutilización y el de

reutilización con ozono tienen un impacto mucho menor en ambos casos, siendo levemente menor el correspondiente a reutilización con ozono (un 55% menor). Con respecto a toxicidad humana (Fig. 2c), los dos escenarios de reutilización tienen un menor impacto, debido a que no es necesario producir agua desalada. La producción de ésta última conlleva la emisión de varios contaminantes relevantes en toxicidad humana (fluoruro de hidrógeno, cromo VI, PAHs, arsénico) asociados a la electricidad y los reactivos químicos empleados en la ósmosis inversa. Se observa así mismo que el impacto de reutilizar el agua tras aplicar ozono es mayor que el de reutilizar el agua sin ozono. Esto es debido al impacto indirecto asociado a la producción del ozono, y al hecho de que la toxicidad humana del efluente no disminuye tras aplicar ozono. Aunque el tratamiento con ozono resultó muy eficaz para la mayoría de contaminantes, la concentración de dos importantes sustancias, el cadmio y el hexaclorobenceno, no disminuyeron. En el primer caso, al tratarse de un metal, el ozono no es capaz de eliminarlo, ya que solo ataca a moléculas orgánicas. En el segundo caso, el hexaclorobenceno es un contaminante muy persistente. Tras analizar los resultados del experimento, se observó que la concentración de este contaminante no disminuyó tras los 30 minutos de ozonización. Por último, en cuanto a las implicaciones sobre el efecto invernadero (Fig. 2d), se observa que la no reutilización del agua residual supone la peor opción posible si la alternativa para abastecimiento es la desalación de agua de mar, con casi 2 kg eq. CO2 m-3, frente a 0.3 kg eq. CO2 m-3 al reutilizar tras aplicar ozono. La reutilización sin aplicar tratamiento terciario es la mejor opción de las tres, puesto que no se incurre en ningún gasto energético ni material.

Figura 2. Resultados de la evaluación de impactos del ciclo de vida, por m3 de agua.

5. CONCLUSIONES La aplicación de la ozonización como tratamiento terciario en aguas residuales urbanas se ha mostrado como una técnica efectiva de eliminación de contaminantes, aunque se ha observado que algunas sustancias, como metales pesados o hexaclorobenceno permanecen en el agua tras el tratamiento. La realización de un ACV ha permitido la comparación de los impactos ambientales de la reutilización de aguas frente a la no reutilización. La reutilización tras aplicar un tratamiento terciario como el ozono es la mejor opción en cuanto a ecotoxicidad acuática y terrestre, mientras que en toxicidad humana no hay diferencias significativas entre reutilizar con o sin ozono. Sin embargo, en cualquier caso también en toxicidad humana reutilizar es preferible a no reutilizar. El balance de gases de efecto invernadero es también favorable a la reutilización. Tanto en toxicidad humana como en efecto invernadero, los resultados están muy influenciados por la selección de la desalación de agua de mar como tecnología de abastecimiento, ya que ésta es muy intensiva en el uso de energía. Los resultados para estos dos indicadores podrían no ser tan favorables con tecnologías más convencionales, como la utilización de agua dulce subterráneas o superficial. Agradecimientos: Los autores agradecen al Ministerio de Ciencia e Innovación (refs. CSD 2006-44, CTM2007-65544/TECNO, y a la Junta de Andalucía (P06-TEP-02329) por la financiación recibida.

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