Integration of advanced wastewater treatment and reclamation technologies for organic micropollutants removal and promote water reuse

Abstract

(English) Climate change and overpopulation are responsible for more frequent droughts, and the imbalance in the water resources management leads to a greater competition in the exploitation of freshwater sources. The introduction of alternative water resources such as reclaimed water seems to be one of the most sustainable option from an economic and environmental point of view, compared with other alternatives such as seawater desalination or water transfer. Nevertheless, the wide implementation of water reuse is still far from its whole potential and faces different local barriers related to public awareness and governance. The presence of organic micropollutants (OMP) in the water cycle, specifically in the wastewater effluents intended to be reclaimed and reused, has generated concern in public authorities due to their uncertain effects in human health. During last decades, limited removal efficiencies in conventional wastewater and reclamation schemes were reported by several authors. In this line, innovation must bring suitable solutions to unblock current barriers. Novel advanced water reclamation technologies need to be demonstrated to guarantee the cost-effective removal of OMP, as well as provide solutions in terms of brine management or valorization. Moreover, it is necessary to propose educational and communication initiatives and address innovative governance models to achieve the economic feasibility of water reuse projects. Throughout three published articles (Chapter 3-5), this PhD thesis evaluates and compares from a technical and economic point of view different advanced municipal wastewater reclamation schemes to produce cost-effective reclaimed water to be reused. An industrial pilot-scale demonstration conducted in El Baix Llobregat WRP (Barcelona, Spain), removal efficiencies and costs of different advanced reclamation technologies focused on the removal of OMP were assessed, including PAC-MBR, ozonation-UV, PAC-UF, UF-RO and an innovative high-performance sorbent (CNM). On the other hand, tools to ease decision making in water reuse planning through a rapid estimation in costs need to be proposed. Cost curves for CAPEX and OPEX for different reclamation technologies will be also calculated and applied to estimate implementation costs of reusing urban reclaimed water for industrial uses in three different case studies in the Barcelona (Spain) area. The ultimate goal is to provide knowledge to overcome some of the identified barriers and contribute to a higher implementation of water reuse.

(Español) La situación climática actual y la sobrepoblación localizada son los principales responsables de un desajuste en los balances hídricos territoriales. El principal impacto es una mayor frecuencia de sequías y una mayor variabilidad de lluvias, generando una mayor presión en la explotación de agua superficial y subterránea. La introducción de recursos hídricos alternativos como puede ser el agua regenerada resulta una estrategia más atractiva que la desalación de agua de mar desde un punto de vista económico y ambiental; sin embargo, su actual implementación territorial dista de su potencial, existiendo barreras como pueden ser la percepción pública o la gobernanza. La presencia de nuevos microcontaminantes orgánicos (OMP) en el ciclo integral del agua, específicamente en los efluentes de agua regenerada y reutilizada, genera preocupación en las administraciones públicas y en las operadoras, siendo actualmente inciertos los efectos que pueden tener sobre la salud humana o el medio ambiente. Durante las últimas décadas, se han reportado en la literatura eficiencias de eliminación bajas (<20%) para algunos de estos compuestos en los procesos de depuración y regeneración convencionales. De esta manera, es necesario recurrir a la innovación para el desarrollo de nuevas soluciones que permitan desbloquear esta barrera. Nuevos procesos avanzados de regeneración de aguas deben ser demostrados en escalas relevantes para garantizar una eliminación coste-efectiva de estos compuestos, así como proveer soluciones para la gestión de salmueras o su valorización. Además, es necesaria la propuesta de iniciativas ligadas a la educación y a la comunicación, así como abordar nuevos modelos de gobernanza que permitan alcanzar la viabilidad económica de los proyectos de reutilización. El objetivo de esta tesis doctoral es aportar conocimiento para superar las barreras identificadas en la reutilización de aguas y contribuir a una mayor importación. A través de tres artículos publicados (Capitulo 3-5), esta tesis doctoral evalúa y compara desde un punto de vista tecno-económico distintos esquemas coste-efectivos de regeneración avanzada. Distintos pilotajes a escala industrial se realizaron en la Estación Regeneradora de Aguas del Baix Llobregat (Barcelona, España) para evaluar eficiencias de eliminación, costes de inversión y de operación, incluyendo tecnologías como pueden ser el PAC-MBR, procesos de oxidación avanzada (O3+UV), PAC-UF, UF-OI y un innovador adsorbente de alto rendimiento (CNM). Por otor lado, es necesario desarrollar herramientas de ayuda a la decisión que ayuden a una rápida estimación de costes. Se han calculado curvas de costes, incluyendo costes de inversión (CAPEX) y costes de operación (OPEX) para distintos trenes de tratamiento, para su validación en tres casos de estudio en el área de Barcelona (España).