Comparative analysis of selected water disinfection technologies with the use of life cycle assessment

• Autorzy: Jachimowski Artur , Nitkiewicz Tomasz

Identyfikatory

DOI

10.24425/aep.2019.128635

Warianty tytułu

PL

Porównawcza analiza wybranych technologii dezynfekcji wody przy wykorzystaniu środowiskowej analizy cyklu życia

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The objective of the paper is to use life cycle assessment to compare environmental impact of different technologies used in the process of water disinfection. Two scenarios are developed for water disinfection life cycle at ZUW Raba water treatment plant: (1) historical, in which gaseous chlorine is used as a disinfectant and (2) actual, in which UV radiation and electrolytically generated sodium hypochlorite are used for that purpose. Primary data is supplemented with ecoinvent 3 database records. Environmental impact is assessed by IMPACT2002+ method and its midpoint and endpoint indicators that are calculated with the use of SimaPro 8.4 software. The focus of the assessment is on selected life cycle phases: disinfection process itself and the water distribution process that follows. The assessment uses the data on flows and emissions streams as observed in the Raba plant. As the results of primal analysis show, a change of disinfectant results in quantitative changes in THMs and free chlorine in water supplied to the water supply network. The results of analysis confirm the higher potential of THMs formation and higher environmental impact of the combined method of UV/NaClO disinfection in distribution phase and in whole life cycle, mainly due to the increase of human toxicity factors. However, during the disinfection phase, gaseous chlorine use is more harmful for environment. But the final conclusion states that water quality indicators are not significant in the context of LCA, while both disinfection and distribution phases are concerned.

PL

Celem artykułu było pokazanie wykorzystania środowiskowej oceny cyklu życia (LCA) do porównania wpływu na środowisko różnych technologii stosowanych w procesie dezynfekcji wody. Dla cyklu życia procesu dezynfekcji wody w zakładzie uzdatniania wody Raba Miejskiego Przedsiębiorstwa Wodociągów i Kanalizacji (MPWiK) w Krakowie w niniejszej pracy zostały sformułowane dwa scenariusze: (1) historyczny, w którym dezynfektantem jest chlor gazowy oraz (2) bieżący, w którym tę rolę spełnia układ dwustopniowy z promieniowaniem UV i podchlorynem sodu. Podstawowe dane były uzupełniane rekordami bazy danych ecoinvent 3. Oddziaływanie środowiskowe poddano ocenie przy wykorzystaniu metody IMPACT2002+. Pośrednie i końcowe wskaźniki kategorii wpływu wyliczono przy wykorzystaniu oprogramowania SimPro 8. Analiza obejmowała wybrane fazy cyklu życia: sam proces dezynfekcji i następujący po nim proces dystrybucji wody. W ocenie wykorzystano dane ilościowe o przepływach i emisjach w procesie dezynfekcji wody z wybranego zakładu uzdatniania wody. Wyniki wstępnych analiz pokazują, że zmiana dezynfektanta powoduje zmiany ilościowe trihalometanów (THM) i chloru wolnego w wodzie dostarczanej do sieci wodociągowej. Analiza wskazuje, że w fazie dezynfekcji użycie chloru gazowego jest bardziej szkodliwe dla środowiska. Natomiast wyniki analizy potwierdzają wyższy potencjał tworzenia się THM i większy wpływ na środowisko połączonej metody dezynfekcji UV/NaClO w fazie dystrybucji wody.

Słowa kluczowe

EN

LCA; life cycle assessment; drinking water; sodium hypochlorite; chlorination; water disinfection; UV disinfection

PL

LCA; cykl życia; woda pitna; podchloryn sodu; chlorowanie; dezynfekcja wody; dezynfekcja UV

• Wydawca: Institute of Environmental Engineering, Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Environmental Protection
• Rocznik: 2019
• Tom: Vol. 45, no. 3
• Strony: 3--10
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Jachimowski Artur

• Cracow University of Economics, Poland

autor

Nitkiewicz Tomasz

• Czestochowa University of Technology, Poland

Bibliografia

• 1. Bajdur, W.M., Henclik, A., Skowron-Grabowska, B. & Iwaszczuk, N. (2016). LCA application in the assessment of new technologies of industrial effluents treatment, Desalination and Water Treatment, 57, 3, pp. 1058-1066, DOI: 10.1080/19443994.2015.1043496.
• 2. Biedrzycka, A. (2014). New water disinfection technology in MPWiKSA in Kraków, Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne, 5, pp. 28-31. (in Polish)
• 3. Bortolini, M., Gamberi, M., Mora, C., Pilati, F. & Regattieri, A. (2017). Design, prototyping, and assessment of a wastewater closed-loop recovery and purification system, Sustainability, 9, 11, pp. 1-12, DOI: 10.3390/su9111938.
• 4. Boulay, A.-M., Hoekstra, A.Y. & Vionnet, S. (2013). Complementarities of water-focused life cycle assessment and water footprint assessment, Environmental Science & Technology, 47, pp. 11926-11927, DOI: 10.1021/es403928f.
• 5. Choi, Y. & Choi, Y.-J. (2010). The effects of UV disinfection on drinking water quality in distribution systems, Water Research, 44, 1, pp. 115-122, DOI: 10.1016/j.watres.2009.09.011.
• 6. Frischknecht, R., Jungbluth, N., Althaus, H.J., Doka, G., Dones, R., et al. (2007). Implementation of life cycle impact assessment methods: Data v2.0, Ecoinvent report No. 3. Dübendorf, Switzerland.
• 7. Garfi, M., Cadena, E., Sanchez-Ramos, D. & Ferrer, I. (2016). Life cycle assessment of drinking water: comparing conventional water treatment, reverse osmosis and mineral water in glass and plastic bottles, Journal of Cleaner Production, 137, pp. 997-1003, DOI: 10.1016/j.jclepro.2016.07.218.
• 8. Gibczyńska, M. (2013). Hydrochemistry, Wydawnictwo Uczelniane Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie, Szczecin 2013. (in Polish)
• 9. Goedkoop, M., Heijungs, R., Huijbergts, M., de Schryver, A., Struijs, J. & van Zelm, R. (2013). ReCiPe 2008. A life cycle assessment method which comprises harmonized category indicators at the midpoint and the endpoint level, Ruimte en Milieu, Ministerie van Volkshuisvesting, Ruimtelijke Ordening en Milieubeheer.
• 10. Humbert, S., de Schryver, A., Bengoa, X., Margni, M. & Jolliet, O. (2012). IMPACT2002+: User Guide. Draft for version Q2.21, Quantis, Lausanne, (https://www.quantis-intl.com/pdf/IMPACT2002_UserGuide_for_vQ2.21.pdf (19.04.2019)).
• 11. Jachimowski, A. (2018). Effects of a new water disinfection technology on water quality, E3S Web of Conferences, 44, 00052, DOI: 10.1051/e3sconf/20184400052.
• 12. Jones, C.H., Shilling, E.G., Linden, K.G. & Cook, S.M. (2018). Life cycle environmental impacts of disinfection technologies used in small drinking water systems, Environmental Science & Technology, 52, 5, pp. 2998-3007, DOI: 10.1021/acs.est.7b04448.
• 13. Koehler, A. (2008). Water use in LCA: Managing the planet’s freshwater resources, International Journal of Life Cycle Assessment, 13, 6, pp. 451-455, DOI: 10.1007/s11367-008-0028-6.
• 14. Kowal, A.L. & Świderska-Bróż, M. (2009). Purification of water. Theoretical and technological foundations, processes and devices, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2009. (in Polish)
• 15. Lyon, B.A., Dotson, A.D., Linden, K.G. & Weinberg, H.S. (2012). The effect of inorganic precursors on disinfection byproduct formation during UV-chlorine/chloramine drinking water treatment, Water Research, 46, 15, pp. 4653-4664, DOI: 10.1016/j.watres.2012.06.011.
• 16. MPWiK (2014). Characteristics of water treatment technology in the Water Treatment Plant in Raba, Kraków.
• 17. MPWiK (2018). Results of laboratory analyzes of drinking water and tap water quality indicators for ZUW Raba, made at the Central Laboratory in 2011-2017, own study, Kraków.
• 18. Opher, T. & Friedler, E. (2016). Reducing inventory data requirements for scenario representation in comparative life cycle assessment (LCA), demonstrated on the urban wastewater system, Urban Water Journal, 13, 7, pp. 759-772, DOI: 10.1080/1573062X.2015.1036084.
• 19. Papciak, D., Zamorska, J. & Kiedryńska, L. (2011). Microbiology and biotechnology in water treatment processes, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 2011. (in Polish)
• 20. PN-EN ISO 14040:2009. Environmental Management. Life Cycle Assessment. Principles and Framework. (in Polish)
• 21. PN-EN ISO 14044:2009. Environmental Management. Life Cycle Assessment. Requirements and Guidelines. (in Polish)
• 22. Raghuvanshi, S., Bhakar, V., Sowmya, C. & Sangwan, K.S. (2017). Waste water treatment plant life cycle assessment: treatment process to reuse of water, Procedia CIRP, 61, pp. 761-766, DOI: 10.1016/j.procir.2016.11.170.
• 23. Simms, A., Hamilton, S. & Biswas, W.K. (2017). Carbon footprint assessment of Western Australian groundwater recycling scheme, Environmental Management, 59, 4, pp. 557-570, DOI: 10.1007/s00267-016-0816-x.
• 24. Slagstad, H. & Brattebø, H. (2014). Life cycle assessment of the water and wastewater system in Trondheim, Norway - A case study, Urban Water Journal, 11, 4, pp. 323-334, DOI: 10.1080/1573062X.2013.795232.
• 25. Weng, S., Li, J. & Blatchley III, E.R. (2012). Effects of UV254 irradiation on residual chlorine and DBPs in chlorination of model organic-N precursors in swimming pools, Water Research, 46, 8, pp. 2674-2682, DOI: 10.1016/j.watres.2012.02.017.
• 26. Włodyka-Bergier, A. & Bergier, T. (2013). Influence of UV disinfection on halogen water chlorination by-product formation potential in water distribution system, Ochrona Środowiska, 35, 3, pp. 53-57. (in Polish)
• 27. Żaba, T. (2014). A new approach to water disinfection at ZUW Raba, Woda i My, 69, pp. 4-5. (in Polish)