Water reuse: How safe is it?*

Image: SPCR

*Article written by the Young Water Researchers of the T&A area of the Catalan Institute for Water Research (ICRA). Spanish Version at the end of this article.

INTRODUCTION 

The capacity to ensure clean and affordable water is becoming one of the most significant global challenges of our century [1]. Global water demand is expected to increase with a rate of 1% per year until 2050, accounting for an increase of 20–30% above the current level of water use [1]. In combination with current water scarcity caused by climate change, the possibility of reusing water is not merely an option but a necessity [2].

SPAIN: EXAMPLES OF WATER REUSE

The Mediterranean region regularly suffers from severe water supply and demand imbalance, especially during the hottest season period. During the summertime, many Mediterranean countries become a holiday destination for tourists from all over the world. While this might be good for the local economy, water deficiency is often pushed to the extreme as a result of this intensive touristic activity.

The amount of water used by one single hotel at full capacity is enormous. Just imagine, all the showers and laundries that can be done in a single day.

However, the water reuse approach can turn the problem of how to treat an increased amount of polluted water into a benefit. Greywater collected from touristic locations can serve as a significant water and nutrient source while reducing the energy required for treatment.

An example of on-site water reuse is the Clean-TOUR project, which explores the potential benefits of greywater reuse in Lloret de Mar, a popular tourist destination of Costa Brava. Greywater is, in fact, all the household generated wastewater that is considered clean since it excludes toilet water, and thus can be potentially reused. The CLEaN-TOUR project is reusing this type of water for toilet flushing and as a feed for hydroponic vegetable systems where plants like tomatoes can grow.

Another excellent example of reclaimed water reuse is in Pinedo wastewater plant (Valencia). There, nearly 78 hm3/year (equivalent to about 31,000 Olympic swimming pools) of recycled water is used for crop irrigation alongside the environmental restoration of the Albufeira natural park. An additional benefit of the use of reclaimed waters in agriculture is the lower fertilizer consumption because nutrients involved in these waters can be leveraged by the terrain [1].

While the potential benefit of reusing water is something to pursue, the reused water must be safe both in terms of the environment side and our health.

A study showed that people who consumed crops irrigated with reclaimed wastewater were found to have higher blood levels of a pharmaceutical that they never consumed when compared to people eating crops irrigated with freshwater.

This pharmaceutical got into their food through the wastewater-soil-crop continuum. While the levels of this pharmaceutical were much lower than the therapeutic dose (theoretically safe), it does push the point that we need to understand the implications of wastewater reuse better and if the higher costs of treating water to higher standards is justified. 

WHAT

Pharmaceuticals like the ones found in crop products are just one type of a larger class of contaminants, just recently discovered. The emerging contaminants (ECs) also include personal care products, gasoline additives, plasticizers, nd other everyday life products. Only recently, the have been recognized as harmful substances [3].

WHY HARMFUL

ECs are persistent and recalcitrant towards water treatment technologies or natural attenuation, they tend to bioaccumulate in macroinvertebrates, other organisms in the aquatic food web, and humans (Stackelberg et al., 2007). As found by Reinert et al. (2012), they can end up in our drinking water sources. Furthermore, the impact of exposure to low-level of these contaminants over prolonged periods is a growing concern. For instance, persistent chemicals with long-term effects such as polychlorinated biphenyls (PCBs), perfluorinated alkylated substances (PFAS), and chlorofluorocarbons (CFCs), could cause cancer when their concentration is above a safety threshold.

HOW MUCH

Even if ECs are present at very low concentrations ranging from ng/L to µg/L (e.g., one ng/L is only one drop in one trillion drops of water), they may pose a risk to the environment or human health [4, 5]. 

Annually, about 300 million tons of synthetic compounds from industrial and consumer products, 140 million tons of fertilizers, and several million tons of pesticides are consumed and partially find their way into natural waters [6].

HOW TO MEASURE

Recent advances in analytical techniques have led to the detection of many ECs that ended up in drinking waters [7].

Since the analytical methods are evolving, a huge number of substances can now be detected in the water, even in trace quantities. It is crucial to investigate the effects of these new substances and their metabolites on health and the environment, especially under the scope of water reuse. In 2005, the European Commission funded the NORMAN project to promote a permanent network of reference laboratories and research centers, including academia, industry, standardization bodies, and NGOs. The NORMAN network notably targets to provided more transparent information and monitoring data on ECs and established an independent and competent technical/scientific debate on issues related to emerging substances. 

SOLUTIONS

One might wonder: but are there any solutions to remove these harmful pollutants to get safe drinking water?

The answer is YES.

Nevertheless, when it comes to water treatment, one must consider the quality of the water at the initial stage and the required quality after treatment, as dictated by its intended use. When treating domestic wastewater is concerned, the limitation, usually, is not a technological one, but rather an economical one.  

If we would just need to inactivate viruses, bacteria, and so on, the water purification process that most people would be familiar with is boiling. Now imagine a highly simplified case where one person is generating the typical quantity of wastewater (150 liters per day). If we boiled water, that would mean over €25 of energy consumption to let the water boil! Furthermore, although the process of heating water, while on the one hand, kill pathogens, on the other, it could be useless in terms of removing the ECs.  

Over the last decades, chlorination has been the go-to treatment for disinfection. However, while chlorination allows us to get water free of pathogens, it does present some drawbacks. Some are harmless (e.g., the taste of chlorinated drinking water can ruin your tea), others, such as the generation of chlorinated by-products, are instead linked to bladder cancer, and it is ineffective against ECs.  

Other types of treatment are listed in the table with their positive and negative sides:

For example, both ozonation and especially photocatalysis are substantially more expensive than chlorination. This brings us back to what water quality is ultimately needed to justify the costs of its treatment.  

Otherwise, other kinds of low-cost treatments are considering electrochemical systems, hybrid systems coupling low-cost biological treatment with nanotechnology aimed at resource recovery (e.g., anaerobic digestion and recovery of nutrients and biogas) or nature-based solutions (NBS). An example of the latter one is the treatment wetland, which enables us to treat naturally polluted waters while promoting awareness on our environmental footprint. Also, NBS had already been implemented even in developing countries where the lack of financial investments poses a severe challenge on water treatment and sanitation.

What is required, however, is less easy to ascertain and is something that is still evolving as we find out more about the fate of pollutants in the environment.

WHAT IS THE CURRENT LEGISLATION

Just five countries in Europe (Cyprus, Greece, Italy, France, and Spain) have a specific legislation regarding water reuse, even if this should be an issue of concern in more countries. Precisely, in May 2020, the European Parliament published the regulation on minimum requirements for water reuse (EU 2020/741). This regulation contemplates water reuse mainly for agricultural purposes and lists a set of requirements to ensure the safe water reuse. It is important to point out that although ECs are not considered in this regulation, more research is needed to assess their presence and behavior under different treatment technologies in order to eliminate their presence in reused water.

CONCLUSIONS

The best way to ensure clean water is to prevent contaminating it.

Adopting a circular economy approach in product manufacturing can prevent the release of harmful pollutants at the source. Following the example of Nature’s cycles, we should start envisioning a more sustainable world to help us overcome water shortage. However, the current situation is still far from this ideal scenario.

Fortunately, with the proper technology, reclaimed water can be used in various applications, depending on its quality, from a source of drinking water to irrigation in agriculture. To ensure safe reclaimed water use, a well-defined framework should be put in place with regulations that are up to date and strictly imposed. At the same time, these regulations should stimulate and encourage water reuse.

Yes, technology and regulation can make water reuse safe. It is up to us to make water reuse our hero.

ACKNOWLEDGEMENT

The authors would like to thank the support of the Department of Economics and Knowledge of the Catalan Government through the Consolidated Research Group (ICRA-TECHNOLOGY – 2017 SGR 1318).

REFERENCES

[1] Jodar-Abellan A, López-Ortiz MI, Melgarejo-Moreno J. Wastewater treatment and water reuse in Spain. Current situation and perspectives. Water (Switzerland). 2019;11(8).  

[2] Qu X, Brame J, Li Q, Alvarez PJJ. Nanotechnology for a safe and sustainable water supply: Enabling integrated water treatment and reuse. Acc Chem Res. 2013;46(3):834–43.  

[3] Zwiener C, Frimmel FH. LC-MS analysis in the aquatic environment and in water treatment – A critical review: Part II: Applications for emerging contaminants and related pollutants, microorganisms and humic acids. Anal Bioanal Chem. 2004;378(4):862–74.

[4] Oliver J. Summary for Policymakers. In: Intergovernmental Panel on Climate Change, editor. Climate Change 2013 – The Physical Science Basis [Internet]. Cambridge: Cambridge University Press; 2019. p. 1–30. Available from: https://www.cambridge.org/core/product/identifier/CBO9781107415324A009/type/book_part

[5] Pal A, He Y, Jekel M, Reinhard M, Gin KYH. Emerging contaminants of public health significance as water quality indicator compounds in the urban water cycle. Environ Int [Internet]. 2014;71:46–62. Available from: http://dx.doi.org/10.1016/j.envint.2014.05.025.ç

[6] Anderson, B. S., Phillips, B. M., Hunt, J. W., Worcester, K.,Adams, M., Kapellas, N., & Tjeerdema, R. Evidence of pesticide impacts in the Santa Maria River watershed, California, USA.Environmental Toxicology and Chemistry. 2006;25:1160–1170.

[7] Hsion-Wen, D. K. and Xagoraraki, I. Contaminants Associated with Drinking Water. International Encyclopedia of Public Health (Second Edition);2017:148-158

REUTILIZACIÓN DEL AGUA: QUÉ TAN SEGURA ES?*

Imagen: SPCR

*Artículo escrito por los Young Water Researchers del área T&A del Institut Català de Investigación del Agua (ICRA)

INTRODUCCIÓN 
La capacidad de asegurar agua limpia y asequible se está convirtiendo en uno de los desafíos globales más importantes de nuestro siglo [1]. Se espera que la demanda mundial de agua aumente a un ritmo del 1% anual hasta el 2050, lo que supone un incremento del 20 al 30% por encima del nivel actual de uso del agua [1]. En combinación con la actual escasez de agua causada por el cambio climático, la posibilidad de reutilizar el agua no es sólo una opción sino una necesidad [2].
ESPAÑA: EJEMPLOS DE REUTILIZACIÓN DEL AGUA
La región del Mediterráneo sufre regularmente un grave desequilibrio entre la oferta y la demanda de agua, especialmente durante el período de la estación más cálida. Durante el verano, muchos países mediterráneos se convierten en un destino de vacaciones para los turistas de todo el mundo. Si bien esto puede ser bueno para la economía local, la deficiencia de agua suele ser llevada al extremo como resultado de esta intensa actividad turística.
La cantidad de agua utilizada por un solo hotel a plena capacidad es enorme. Imagínense, todas las duchas y lavanderías que se pueden llevar a cabo en un solo día.
Sin embargo, el enfoque de la reutilización del agua puede convertir el problema de cómo tratar una mayor cantidad de agua contaminada en un beneficio. Las aguas grises recogidas en lugares turísticos pueden servir como una fuente importante de agua y nutrientes, al tiempo que reducen la energía necesaria para el tratamiento.
Un ejemplo de reutilización del agua in situ es el proyecto Clean-TOUR, que explora los posibles beneficios de la reutilización de las aguas grises en Lloret de Mar, un popular destino turístico de la Costa Brava. Las aguas grises son, de hecho, todas las aguas residuales generadas en los hogares que se consideran limpias, ya que excluyen el agua de los inodoros, y por lo tanto pueden ser potencialmente reutilizadas. El proyecto CLEaN-TOUR está reutilizando este tipo de agua para las cisternas de los inodoros y como alimento para sistemas vegetales hidropónicos donde pueden crecer plantas como los tomates.
Otro excelente ejemplo de reutilización de agua recuperada es la planta de aguas residuales de Pinedo (Valencia). Allí, cerca de 78 hm3/año (equivalente a unas 31.000 piscinas olímpicas) de agua reciclada se utiliza para el riego de cultivos junto con la restauración ambiental del parque natural de la Albufera. Un beneficio adicional del uso de las aguas recicladas en la agricultura es el menor consumo de fertilizantes, ya que los nutrientes que intervienen en estas aguas pueden ser aprovechados por el terreno [1].
Si bien el beneficio potencial de la reutilización del agua es algo que hay que tener como objetivo principal, el agua reutilizada debe ser segura tanto en términos ambientales como de nuestra salud.
Un estudio demostró que las personas que consumían cultivos regados con aguas residuales recuperadas tenían niveles más altos de un fármaco que nunca habían consumido en comparación con las personas que consumían cultivos regados con agua dulce.
Este fármaco se introdujo en sus alimentos a través de la continuidad agua-suelo-cultivo. Aunque los niveles de este fármaco eran mucho más bajos que la dosis terapéutica (teóricamente segura), esto nos lleva al punto de que necesitamos entender mejor las implicaciones de la reutilización de las aguas residuales y si se justifican realmente los altos costos de tratar el agua a niveles más exigentes. 
QUÉ
Los productos farmacéuticos como los que se encuentran en los productos de cultivo son sólo un tipo de una clase más grande de contaminantes, recientemente descubiertos. Los contaminantes emergentes (EC) también incluyen productos de cuidado personal, aditivos de gasolina, plastificantes y otros productos para la vida diaria. Sólo recientemente han sido reconocidos como sustancias nocivas [3].

POR QUÉ SON DAÑINOS
Las EC son persistentes y recalcitrantes frente a las tecnologías de tratamiento del agua o la atenuación natural, tienden a bioacumularse en los macroinvertebrados, otros organismos de la red alimentaria acuática y los seres humanos (Stackelberg et al., 2007). Como han descubierto Reinert y otros (2012), pueden acabar en el agua potable. Además, el impacto de la exposición a bajos niveles de estos contaminantes durante períodos prolongados es una preocupación creciente. Por ejemplo, los productos químicos persistentes con efectos a largo plazo, como los bifenilos policlorados (PCB), las sustancias alquiladas perfluoradas (PFAS) y los clorofluorocarbonos (CFC), podrían causar cáncer cuando su concentración supera un umbral de seguridad.
CUANTO
Incluso si los CE están presentes en concentraciones muy bajas que van de ng/L a µg/L (por ejemplo, un ng/L es sólo una gota en un billón de gotas de agua), podrían suponer un riesgo para el medio ambiente o la salud humana [4, 5]. 
Anualmente se consumen unos 300 millones de toneladas de compuestos sintéticos de productos industriales y de consumo, 140 millones de toneladas de fertilizantes y varios millones de toneladas de plaguicidas, que en parte llegan a las aguas naturales [6].
CÓMO MEDIMOS
Los recientes avances en las técnicas analíticas han llevado a la detección de muchos CE que terminaron en aguas potables [7].

Dado que los métodos analíticos están evolucionando, actualmente se puede detectar un gran número de sustancias en el agua, incluso en cantidades ínfimas. Es crucial investigar los efectos de estas nuevas sustancias y sus metabolitos en la salud y el medio ambiente, especialmente en el ámbito de la reutilización del agua. En 2005, la Comisión Europea financió el proyecto NORMAN para promover una red permanente de laboratorios de referencia y centros de investigación, incluidos el mundo académico, la industria, los organismos de normalización y las ONG. La red NORMAN tiene por objeto, en particular, proporcionar información y datos de vigilancia más transparentes sobre las CE y establecer un debate técnico y científico independiente y competente sobre cuestiones relacionadas con las sustancias emergentes. 

SOLUCIONES
Uno podría preguntarse: ¿pero hay alguna solución para eliminar estos contaminantes dañinos para obtener agua potable segura?
La respuesta es sí.

Sin embargo, cuando se trata del tratamiento del agua, uno debe considerar la calidad del agua en la etapa inicial y la calidad requerida después del tratamiento, según lo dicte su uso previsto. Cuando se trata del tratamiento de aguas residuales domésticas, la limitación, por lo general, no es tecnológica, sino más bien económica.  
Si sólo tuviéramos que inactivar virus, bacterias, etc., el proceso de purificación del agua con el que la mayoría de la gente estaría familiarizada es la ebullición. Ahora imaginemos un caso muy simplificado en el que una persona está generando la cantidad típica de aguas residuales (150 litros por día). Si hirviéramos el agua, eso significaría más de 25 euros de consumo de energía para dejar hervir el agua! Además, aunque el proceso de calentar el agua, mientras que por un lado, mata a los patógenos, por el otro, podría ser inútil en términos de eliminar las EC.  
En las últimas décadas, la cloración ha sido el tratamiento para la desinfección. Sin embargo, mientras que la cloración nos permite obtener agua libre de patógenos, presenta algunos inconvenientes. Algunos son inofensivos (por ejemplo, el sabor del agua potable tratada con cloro puede arruinar el té), otros, como la generación de subproductos clorados, están en cambio vinculados al cáncer de vejiga, y es ineficaz contra los AE.  
Otros tipos de tratamiento se enumeran en la tabla con sus lados positivos y negativos:

Por ejemplo, tanto la ozonización como, especialmente, la fotocatálisis son sustancialmente más caras que la cloración. Esto nos devuelve a la calidad del agua que se necesita en última instancia para justificar los costos de su tratamiento.  
Por lo demás, otros tipos de tratamientos de bajo costo están considerando los sistemas electroquímicos, los sistemas híbridos que combinan el tratamiento biológico de bajo costo con la nanotecnología dirigida a la recuperación de recursos (por ejemplo, la digestión anaeróbica y la recuperación de nutrientes y biogás) o las soluciones basadas en la naturaleza (NBS). Un ejemplo de esto último es los humedales artificiales, que nos permiten tratar las aguas naturalmente contaminadas y al mismo tiempo promover la conciencia sobre nuestra huella ambiental. Además, las NBS ya se han puesto en práctica incluso en los países en desarrollo, donde la falta de inversiones financieras plantea un grave problema en el tratamiento del agua y el saneamiento.
Sin embargo, lo que se requiere es menos fácil de determinar y es algo que todavía está evolucionando a medida que averiguamos más sobre el destino de los contaminantes en el medio ambiente.

¿CUÁL ES LA LEGISLACIÓN ACTUAL?
Sólo cinco países de Europa (Chipre, Grecia, Italia, Francia y España) cuentan con una legislación específica en materia de reutilización del agua, aunque esto debería ser motivo de preocupación en más países. Precisamente, en mayo de 2020, el Parlamento Europeo publicó el reglamento sobre los requisitos mínimos para la reutilización del agua (EU 2020/741). Este reglamento contempla la reutilización del agua principalmente para fines agrícolas y enumera una serie de requisitos para garantizar la seguridad de la reutilización del agua. Es importante señalar que, aunque las CE no se consideran en este reglamento, se necesita más investigación para evaluar su presencia y comportamiento bajo diferentes tecnologías de tratamiento a fin de eliminar su presencia en el agua reutilizada.
CONCLUSIONES

La mejor manera de asegurar un agua limpia es evitar su contaminación en origen.

Adoptar un enfoque de economía circular en la fabricación de productos puede prevenir la liberación de contaminantes nocivos en la fuente. Siguiendo el ejemplo de los ciclos de la naturaleza, deberíamos empezar a imaginar un mundo más sostenible para ayudarnos a superar la escasez de agua. Sin embargo, la situación actual todavía está lejos de este escenario ideal.
Afortunadamente, con la tecnología adecuada, el agua recuperada puede utilizarse en diversas aplicaciones, dependiendo de su calidad, desde una fuente de agua potable hasta el riego en la agricultura. Para garantizar un uso seguro del agua regenerada, debería establecerse un marco bien definido con reglamentos actualizados y estrictamente impuestos. Al mismo tiempo, esas reglamentaciones deberían estimular y fomentar la reutilización del agua.
Sí, la tecnología y la reglamentación pueden hacer que la reutilización del agua sea segura. Depende de nosotros hacer de la reutilización del agua nuestro héroe.

Agradecimientos

Los autores quieren agradecer el apoyo del Departament d’Economia i Coneixement del Gobierno catalán a través del Grupo de Investigación Consolidado (ICRA-TECNOLOGÍA – 2017 SGR 1318).

REFERENCIAS

[1] Jodar-Abellan A, López-Ortiz MI, Melgarejo-Moreno J. Wastewater treatment and water reuse in Spain. Current situation and perspectives. Water (Switzerland). 2019;11(8).  

[2] Qu X, Brame J, Li Q, Alvarez PJJ. Nanotechnology for a safe and sustainable water supply: Enabling integrated water treatment and reuse. Acc Chem Res. 2013;46(3):834–43.  

[3] Zwiener C, Frimmel FH. LC-MS analysis in the aquatic environment and in water treatment – A critical review: Part II: Applications for emerging contaminants and related pollutants, microorganisms and humic acids. Anal Bioanal Chem. 2004;378(4):862–74.

[4] Oliver J. Summary for Policymakers. In: Intergovernmental Panel on Climate Change, editor. Climate Change 2013 – The Physical Science Basis [Internet]. Cambridge: Cambridge University Press; 2019. p. 1–30. Available from: https://www.cambridge.org/core/product/identifier/CBO9781107415324A009/type/book_part

[5] Pal A, He Y, Jekel M, Reinhard M, Gin KYH. Emerging contaminants of public health significance as water quality indicator compounds in the urban water cycle. Environ Int [Internet]. 2014;71:46–62. Available from: http://dx.doi.org/10.1016/j.envint.2014.05.025.ç

[6] Anderson, B. S., Phillips, B. M., Hunt, J. W., Worcester, K.,Adams, M., Kapellas, N., & Tjeerdema, R. Evidence of pesticide impacts in the Santa Maria River watershed, California, USA.Environmental Toxicology and Chemistry. 2006;25:1160–1170.

[7] Hsion-Wen, D. K. and Xagoraraki, I. Contaminants Associated with Drinking Water. International Encyclopedia of Public Health (Second Edition);2017:148-158

Introducción a las membranas (y V): AnMBR para riego

AnMBR
Esquema de tecnología AnMBR. Scientific Research Publishing

Para cerrar esta serie sobre membranas os presento una aplicación muy interesante. En el número de Mayo/Junio de la revista RETEMA hay un artículo sobre reutilización de agua para riego mediante membranas. Concretamente, el uso de la tecnología AnMBR permite aprovechar tres tipos de recursos: el agua, el biogás y los nutrientes. Voy a explicarlo.

La tecnología AnMBR, una evolución de la MBR, es la aplicación de tecnología de membranas en reactores de tipo anaerobio. Esta configuración es energéticamente más eficiente, ya que la ausencia de oxígeno permite un consumo mucho menor que en la tecnología de lodos activos. Además, del mismo proceso anaerobio se genera biogás mediante las comunidades bacterianas presentes en el biorreactor, una mezcla de gas metano, dióxido de carbono y sulfuro de hidrógeno. Finalmente, los microorganismos que llevan a cabo las reacciones anaerobias en el reactor no son capaces de oxidar ni los compuestos nitrogenados ni los fosforilados. Esto último que sería una desventaja en comparación con otros sistemas que sí eliminan nutrientes se convierte en una oportunidad. El agua depurada resultante, al estar enriquecida con nitrógeno y fósforo puede ser utilizada para riego de cultivos.

AnMBR Comparativa
RETEMA

Aprovechando la importancia que la Comisión Europea da a la economía circular, esta tecnología toma una dimensión muy interesante para afrontar los retos planteados:

  • Evitamos el consumo de agua potable para regadío sustituyéndola por agua regenerada proveniente de aguas residuales urbanas.
  • Reducimos el consumo de fertilizantes aprovechando el enriquecimiento en nutrientes de este agua alternativa.
  • Utilizamos el biogás para el autoconsumo de las instalaciones, avanzando hacia la sostenibilidad económica y energética.

Viendo esta gráfica, queda claro que almenos en España la tecnología AnMBR tiene un gran potencial:

Gràfic consums d'aigua
RETEMA

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