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Diario de Producción más LimpiaVolumen 92 , 1 de Abril de 2015, páginas 274-281
Cálculo de la huella hídrica de la industria del hierro y el acero: un
estudio de caso en el este de China
Yifan Gu una ,Jin Xu una ,Arturo A. Keller b ,Dazhi Yuan c ,Yi Li una ,Bei Zhang una ,Qianting Weng una
,Xiaolei Zhang d ,Ping Deng e ,Wang Hongtao f , una , , , Fengting Li una , f
Mostrar más
Reflejos
Hemos desarrollado un modelo general de análisis del sistema para evaluar la huella hídrica
industria.
Usamos una fábrica de hierro chino como caso de estudio y evaluación del ciclo de vida hecha.Hemos calculado la huella de consumo de agua y la huella de la contaminación del agua por
separado.
Huella hídrica es más completo que los indicadores actuales de la industria del acero.
Huella hídrica puede evaluar el r iesgo del agua de la industria del hierro y el acero.
Abstracto
China es el mayor productor de hierro y acero en el mundo. Esta industria pesada se caracteriza por el
consumo de agua importante y numerosos peligros relacionados con el agua. En este estudio, se propone
el uso de la huella de agua en lugar de los indicadores convencionales (consumo de agua fresca (FWC)
por tonelada de acero o el consumo de agua (WC) por tonelada de acero) para la industria del hierro y el
acero. El uso de una fábrica de hierro en el este de China como un ejemplo, desarrollamos un modelo de
cálculo de la huella hídrica que incluye huellas directas y virtuales de agua. Se propone entonces unmétodo de análisis de frontera del sistema para desarrollar una metodología industrial común y factible la
evaluación de la huella hídrica. En concreto, se analizan las características de la industria del hierro y el
acero desde una perspectiva de evaluación del ciclo de vida. Una evaluación de riesgos del agua se
realizó en base a los resultados de los cálculos de la huella de agua. La fábrica de hierro seleccionado
tiene un consumo de agua (agua azul) huella de 2,24 × 10 7 m 3 , incluyendo el agua virtual, y una
contaminación teórica de agua (aguas grises) huella de 6,5 × 10 8 m 3 en 2011, lo que indica que las
actitudes empresariales un grave riesgo para el medio acuático. El agua y el agua gris azul huellas se
calculan por separado para proporcionar información más detallada del riesgo del agua, en lugar de añadir
estos dos indicadores, que tiene menos importancia ambiental.
Abstracta gráfica
Opciones Figura
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Palabras clave
Evaluación de la huella de agua ;Siderurgia y acero ;Evaluación del ciclo de vida ;Riesgo Agua
;Producción más limpia
Abreviaturas
WF , huella hídrica ;FWC , el consumo de agua fresca ;WC , el consumo de agua ;LCA , evaluación del
ciclo de vida ;DQO , la demanda química de oxígeno ;DBO , demanda bioquímica de oxígeno ;TN ,
nitrógeno total ;GB , estándar nacional chino
1. IntroducciónAgua y energía son componentes cruciales de la producción de acero ( Wolters et al., 2008 ). China es el
mayor productor de hierro y por lo tanto contribuye al desarrollo de la industria del hierro y el acero
internacional. Tabla 1 ilustra la producción de acero 2008-2010 (China Industria Economía Yearbook,
2012) para los países clave. En 2004, el consumo de agua (WC) de la industria del hierro y el acero en
China fue de 4 × 10 9 m 3 , lo que representó el 10% del WC industrial anual ( Hao, 2004 ). La industria del
hierro y el acero puede afectar significativamente los entornos locales de agua a través de la descarga de
aguas residuales. Estas aguas residuales pueden contener una amplia gama de contaminantes tóxicos,
tales como metales disueltos, incluyendo Cd, productos derivados del petróleo, fenol volátil, arsénico, etc.
( Mortier et al., 2007 ). Por lo tanto, las industria del hierro y el acero impactos significativos recursos
locales, regionales y mundiales de agua y se enfrenta a riesgo alto de agua. En la actualidad, la industria
del hierro y del acero utiliza el consumo de agua dulce (FWC) por tonelada de acero , WC por tonelada de
acero , y otros indicadores. FWC por tonelada de acero denota el agua fresca utilizada en la producción de
1 tonelada de hierro y acero. El término "agua dulce" se utiliza para referirse a agua fresca del grifo, agua
subterránea, agua de superficie o añadido al sistema de agua de una fábrica de hierro y acero, excluyendo
el agua en circulación para la refrigeración. WC por tonelada de acero denota toda el agua utilizada en la
producción de 1 tonelada de hierro y acero, incluyendo reciclados y el agua recuperada. FWC y WC son
relativamente simples y prácticos. Sin embargo, sólo reflejan el WC directa de la industria del hierro y el
acero y no hacen caso de la contaminación de aguas residuales WC y virtual. El concepto de agua virtual
fue introducido por Allan (1998) , y se refiere al agua que se necesita para producir los insumos para el
proceso actual ( Verma et al., 2009 ). Por ejemplo, el agua necesaria para generar electricidad para la
fábrica de acero sería considerado agua virtual para esta empresa. Gao et al. (2011) aplicaron el análisis
de flujo de sustancias para establecer un índice de evaluación de los sistemas de uso de agua de
empresas de acero. El sistema de índice incluye WC por tonelada de acero, FWC por tonelada de acero,
WC reciclado por tonelada de acero, y las pérdidas de agua por tonelada de acero. Este índice se utiliza
para evaluar el estado de consumo de agua de las grandes empresas de acero en China y para identificar
los problemas en WC actual. Sin embargo, este método no tiene en cuenta la influencia del agua virtual en
los gastos de energía y otros gastos de producción (de la cadena de suministro) y no tiene en cuenta lasinfluencias ambientales generados por la descarga de aguas residuales. Por lo tanto, un indicador integral
debe ser establecido para evaluar la presión sobre los recursos de agua y agua de riesgo de la industria
del hierro y el acero.
Tabla 1.
La producción mundial de acero 2008-2010 (unidad: 10 6 tonelada).
Año Primero Segundo Tercera Cuarto Quinto
2008 China Japón América Rusia India
512.3 118.7 91.3 68.5 55.1
2009 China Japón Rusia América India
567.8 87.5 59.9 58.1 56.6
2010 China Japón América Rusia India
626.7 109.6 80.6 67.0 66.9
( Oficina de Estadísticas de China División Industrial, 2012 ).
Hoekstra (2002) propuso el concepto de huella hídrica, que se refiere a la suma de WC y las entradas
netas de agua virtual, que puede ser evaluada en varias escalas, desde un solo proceso, una fábrica, un
sector industrial, nacional y regional. En el estudio de Hoekstra, el concepto de huella hídrica fue
propuesto como una medida de la apropiación de los recursos hídricos mundiales de las diversas
regiones. Huella de agua es importante en las estrategias y actividades que sustentan encaminadas a
reducir la presión sobre los recursos hídricos, ya que esta medida puede reflejar con mayor precisión el
impacto de las actividades humanas sobre los recursos hídricos regionales. Ridoutt y Pfister (2010)
proponen la reducción de la huella hídrica humano para aliviar la presión sobre los recursos hídricos. Con
Opciones de la tabla
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la progresión de la huella hídrica investigación metodología, el método de huella hídrica ahora se puede
implementar para el análisis de los procesos de producción y servicios. Huella hídrica incluye huella azul
agua, huella hídrica verde, y la huella hídrica gris ( Gerbens-Leenes et al., 2009a y Gerbens-Leenes et al.,
2009b ). Huella hídrica verde se refiere al agua de lluvia que se ha consumido directamente en el paisaje,
por ejemplo, mediante la producción agrícola. Huella hídrica azul se refiere a las aguas superficiales y las
aguas subterráneas que se retira del medio ambiente para usos humanos. Huella hídrica gris se refiere a
la cantidad teórica de agua necesaria para diluir los contaminantes que han sido dados de alta en el
sistema natural de agua de tal manera que la calidad de agua del ambiente se mantiene por encima de los
objetivos de calidad del agua pertinentes (por ejemplo, normas). En muchos casos, el tratamiento de
aguas residuales puede reducir significativamente la cantidad real de agua necesario para cumplir los
objetivos. Huella de agua gris se utiliza como un indicador de la calidad del agua.
En contraste con WC, la huella total de agua incluye WC directa y agua virtual, así como su influencia
sobre la calidad del agua. Con el desarrollo de metodologías de la huella hídrica por el (LCA) de la
comunidad evaluación del ciclo de vida, una huella de agua basada en el ACV puede utilizarse para
evaluar los efectos de los productos o negocios en ambientes acuáticos durante el ciclo de vida del
producto ( Boulay et al., 2013 y Jeswani y Azapagic, 2011 ).
Actualmente, la mayoría de estudios se centran en las huellas hídricas regionales y agrícolas ( Chiu y Wu,
2012 , Feng et al., 2012 , Ge et al., 2011 , Liu et al., 2012 , Mekonnen y Hoekstra, 2012 y Zhang et al.,
2012 ), mientras que el cálculo de la huella de agua industrial producto aún está en sus primeras etapas (
Berger et al., 2012 y Shao y Chen, 2013 ). Metodologías huella hídrica presentan algunos inconvenientes
que impiden la evaluación de la huella hídrica industriales ( Gu et al., 2014A ). La suma numérica simple de
agua gris, azul (directa y virtual), y el verde no es informativo con el medio ambiente para los fabricantes (
Gu et al., 2014b y Pfister y Ridoutt, 2014 ). El agua verde no puede ser utilizado generalmente por
instalaciones industriales, a menos que implementan un sistema de recogida de aguas pluviales. El agua
virtual puede ser consumido lejos de la planta industrial, con un impacto directo sobre los recursos hídricoslocales. Por lo tanto, la adición de estas huellas genera valores que no tienen un impacto ambiental clara.
Energía y sostenibilidad del agua están inextricablemente entrelazados en la industria. Así, el nexo entre
la energía y el agua ha generado un gran interés en la investigación en los últimos años ( Chiu et al., 2009 ,
Gerbens-Leenes et al., 2009a , Herath et al., 2011 y Scown et al., 2011 ). Sin embargo, la huella hídrica de
consumo de energía en el proceso de producción sigue siendo difícil de calcular debido a la cantidad de
los recursos hídricos que se utiliza varía según las diferentes áreas y diferentes métodos de producción de
energía. Además, las huellas del agua basada en el ACV, que consideran WC y la contaminación del agua
en todo el ciclo de vida del producto, son difíciles de calcular debido a la limitada disponibilidad de datos.
En el presente trabajo, se pretende desarrollar una metodología común y factible la evaluación de la huella
hídrica de la industria para la gestión del agua y la producción más limpia.
Este estudio utiliza una fábrica de hierro y acero en el este de China como un ejemplo de un análisis de la
huella de agua de la industria del hierro y el acero. El análisis incluye la validación del método de la huella y
el modelo, la evaluación de la WC virtual para la energía, y la consideración de los riesgos del agua de la
huella hídrica y de la industria (riesgo de limitaciones en la cantidad de suministro de agua y el riesgo de
contaminación del agua). A diferencia de la FWC por tonelada de acero o WC por tonelada de acero, las
huellas del agua se proponen como indicadores de impacto del agua para la industria del hierro y el acero,
ya que evalúan los factores de riesgo integral del agua y son mucho mejores indicadores para el logro de
una producción más limpia y sostenible . En cuanto a la metodología, se construye una frontera del
sistema viable para la investigación basada en la perspectiva LCA. El agua y el agua gris azul huellas se
calculan por separado para mostrar la información detallada en lugar de su simple suma numérica riesgo
hídrico. Hasta ahora, sólo unos pocos casos de evaluación de la huella de agua se han llevado a cabo en
China, especialmente en la industria pesada ( Hoekstra et al., 2012 ). Se espera que el presente trabajo
para contribuir al desarrollo de metodologías de evaluación de la huella de agua industrial.
2. Materiales y métodos
2.1. El análisis global del sistema
Dos métodos pueden ser utilizados para calcular la huella de agua: el enfoque de suma cadena y el
enfoque acumulativo paso a paso ( Herath et al., 2011 y WWF-UKS.pa, 2009 ). El enfoque de la suma de
cadena se usa principalmente para sistemas de producción con una sola salida de producto. La huella de
agua asociada con los diversos pasos en el sistema de producción se puede atribuir por completo al
producto que resulta de un sistema. El enfoque acumulativo por etapas es un método de cálculo de la
huella hídrica general basada en la huella hídrica de los pasos finales en la producción de productos
finales y necesarios y en el cálculo de la huella de agua en las etapas de procesamiento. La cadena de
producción de la industria del hierro y el acero es compleja e incluye la refinación del mineral de fundición,
colada continua, laminación, y otros procesos que se llevan a cabo en numerosos talleres con amplia
consumo de agua y energía en cada enlace. Fig. 1 muestra los procesos de producción de hierro y acero.
El agua descargada por cada taller se somete a una recuperación sustancial o desemboca en otros
talleres de producción. La mayoría de las grandes fábricas de hierro y acero tienen sus propias
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instalaciones de tratamiento de aguas residuales. Ambos métodos de huellas requieren información
detallada y una gran cantidad de datos de apoyo, que puede ser confidencial, especialmente en la
industria pesada. Esto hace que sea difícil de calcular la huella hídrica de la industria y promover mejores
prácticas de gestión del agua.
Fig. 1.
Hierro y producción de acero procesos.
En este trabajo, se realiza un análisis global del sistema para evaluar la huella hídrica. En el proceso de
cálculo de la huella hídrica, consideramos WC directa, consumo de energía, y los efectos ambientales de
agua locales, para entender mejor los efectos de la industria del hierro y el acero en los recursos hídricos.
Este método se centra principalmente en la huella de agua del proceso de producción en la fábrica
seleccionada y por lo tanto no requiere análisis a largo plazo y una extensa cantidad de datos. Dadas
estas características, el método propuesto se puede aplicar en otras industrias.
2.2. Gama de Investigación y la determinación de los límites del sistema
El ciclo de vida de la industria del hierro y el acero incluye la extracción de materias primas (principalmente
mineral de hierro y carbón), los procesos de producción de hierro y acero, el consumo de productos de
acero, el reciclaje y el transporte. Por lo tanto, las huellas del agua basados ciclo de vida se pueden utilizar
para evaluar los efectos de los productos o negocios en ambientes acuáticos durante todo el ciclo del
producto o de la vida empresarial. Sin embargo, las huellas hídricas de algunos insumos (por ejemplo,
materias primas y cadena de suministro) aguas arriba de la producción de acero son difíciles de obtener
para las empresas. Además, la extracción y transporte de materias primas pueden ser muy diferentes
dependiendo de las fuentes y son típicamente no está bien documentado, y el consumo de productos de
hierro y acero varía dramáticamente dependiendo del uso final (por ejemplo, edificios, tuberías,
automóviles y electrodomésticos ). Por último, el agua utilizada en la instalación y desmantelamiento de la
fábrica de acero no es típicamente un seguimiento, por lo que no hay datos disponibles para este aspecto.Dada la vida de varias décadas de la mayoría de las fábricas de acero, es probable que una pequeña
fracción de la huella total de agua, y por lo tanto no se considera aquí. Fig. 2 ilustra la frontera de
investigación (el objeto del estudio es en líneas continuas). Los procesos de producción se utilizan como el
cuerpo principal, que es la parte más importante que los fabricantes deben tener en cuenta cuando se
deciden a aliviar el riesgo de agua, en las evaluaciones de la huella de agua industriales. Por lo tanto, nos
centramos en la evaluación de la huella de agua en el proceso productivo de una empresa de acero.
Fig. 2.
Frontera del Sistema de la investigación sobre el cálculo de la huella hídrica de la industria del hierro y el acero.
2.3. Modelo de investigación
Desde el modelo de cálculo de la huella de agua, se obtiene la siguiente fórmula:
Opciones Figura
Opciones Figura
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donde WCF es la huella de consumo de agua, DWF es la huella hídrica directa, y FVW es la huella de
agua virtual. Aquí,
donde WF obtenido es la cantidad de agua obtenida, WF D-descarga es la cantidad de descarga de agua
directa, y WF pérdida es la pérdida de agua causada por la evaporación, infiltración y subproductos.
El cálculo de la huella de agua virtual para una planta de acero es compleja, ya que requiere conocimiento
y la contabilidad del agua utilizada en la producción de insumos, interno (es decir, personal) WC, elconsumo interno de energía eléctrica, energía para el transporte, y productos químicos (principalmente
para el tratamiento de refrigeración que circula la corrosión del agua, inhibidores de incrustaciones,
floculante para la deshidratación de lodos, etc.). Al referirse a las investigaciones de acería, el WC para la
producción y el uso doméstico es relativamente fácil de obtener. Se recogen datos de primera mano sobre
el consumo de energía, el consumo de carbón, y el consumo de petróleo para calcular el consumo de
energía para la acería. El agua virtual encarnado en la generación de electricidad en China se basa en
Zhang et al. ( Zhang y Anadón, 2013 ). Estudiaron los retiros del ciclo de vida del agua, el uso consuntivo
de agua y descarga de aguas residuales de los sectores energéticos regionales de China mediante el uso
de un modelo mixto-unidad multirregional de entrada-salida (Mrio). Todos estos parámetros tienen una
cantidad considerable de variabilidad, dependiendo de las tecnologías específicas y procesos, la fuente
de la portadora de energía primaria, e incluso consideraciones temporales.
Otro aspecto importante es la huella hídrica gris, que se refiere al volumen teórico de agua dulce necesaria
para asimilar la carga de contaminantes a concentraciones naturales o normas existentes de calidad del
agua ambiente. La huella hídrica gris incluye la gestión de las aguas residuales domésticas y la gestión delas aguas residuales industriales. En el cálculo de la huella hídrica de las aguas residuales domésticas, la
demanda química de oxígeno (DQO) y otros índices se miden, y la cantidad de agua diluida se calcula
basándose en las Normas de Calidad Ambiental para Agua Superficial ( GB3838-2002 ) ( Ministerio de
Protección del Medio Ambiente de la República Popular de China, 2002 ) o el Estándar de Calidad de
Agua de Mar ( GB3097-1997 ) ( Ministerio de Protección del Medio Ambiente de la República Popular de
China, 1997 ). En el cálculo de la huella hídrica gris de aguas residuales industriales, aguas residuales de
diferentes talleres se recoge y trata antes de ser dado de alta. La cantidad de agua de dilución necesario (
Y i ) se basa en el cumplimiento de los Estándares de Calidad Ambiental para Agua Superficial ( GB3838-
2002 ) (Ministerio de Protección del Medio Ambiente de la República Popular de China, 2002 ) o la Norma
de Calidad de Agua de Mar ( GB3097-1997 ) ( Ministerio de Protección del Medio Ambiente de la
República Popular de China, 1997 ). Y i se calcula usando la Ec. (3) .
donde Q i es el estándar de calidad de agua de la descarga de aguas residuales para el contaminante i
, y X i es el valor promedio medido de la concentración de contaminantes en las muestras de aguas
residuales. MAX [ Y i ] es la huella de agua final gris. Ecs. (1) , (2) y (3) se utilizan para calcular la
huella hídrica de acería.
2.4. Evaluación de riesgos del agua basado en la huella hídrica
Riesgo de agua Empresa contiene riesgo físico, el riesgo regulatorio y el riesgo de la reputación ( Stuart
Orr y Dave, 2009 y Stuart Orr et al., 2011 ). Entre los tres riesgos, riesgo físico está más cerca de la huella
hídrica. Riesgo físico es el riesgo directo de los recursos hídricos. Cuando hay escasez de agua o agua
altamente contaminados, las empresas pueden enfrentar el riesgo físico, que consiste en riesgo la
cantidad de agua y el riesgo de la calidad del agua. En la evaluación de riesgos del agua, huella hídrica es
una herramienta útil, y tres partes principales están implicados: cálculo de la huella de agua, evaluación de
riesgos del agua y la gestión de riesgos del agua. El análisis de la huella hídrica de toda la empresa y cadaproceso de producción puede proporcionar toda la información para la gestión eficaz y sostenible de los
recursos hídricos. Además, las empresas pueden tomar medidas de gestión basadas en los resultados de
la evaluación de riesgos del agua.
3. Resultados y discusión
3.1. Huella hídrica de una fábrica de hierro y acero
Una empresa siderúrgica en el este de China fue utilizado como ejemplo en este estudio. Esta empresa
ofrece un proceso completo de producción de materia prima para la fabricación del hierro, el acero, colada
continua, laminación de acero y otros procesos utilizando equipos avanzados. En 2011, la empresa
produjo 4,46 × 10 6 toneladas de acero. De acuerdo con el método general de análisis del sistema, el DWF
de la empresa en 2011 fue de 1,46 × 10 6 m 3 dentro del error del 5%, considerando una pérdida de agua
del 10% estimado por el ingeniero en esta fábrica. Esto significa 90% si el agua se consume en la
( 1 )
WCF = DWF + FVW ,
( 2 )DWF = WF ob t uv o - WF D -des c a rga - WF pérd ida ,
( 3 )
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un
un
b
empresa.
El proceso de producción de la empresa seleccionada es compleja. Hasta 20 sustancias químicas
diferentes, tales como inhibidores de la corrosión y de escala, se incorporan en diversos procesos. La
empresa utiliza anualmente 4.82 × 10 7 toneladas de sustancias químicas. 90% son sólidos sin huella
hídrica directa; el agua utilizada en el proceso para la otra sustancia química se consideró en el DWF. El
agua virtual de estos productos químicos no se pudo evaluar debido a la disponibilidad limitada de los
datos, pero es probable que sea mucho menor que DWF.
La Tabla 2 muestra la huella de consumo de energía y agua de las distintas fuentes de energía en 2011,
para la fábrica de estudio de caso. La huella hídrica de electricidad fue de 1.98 × 10 7 m 3 en 2011. Durante
el mismo año, las huellas hídricas de carbón y coque duro eran 78,3 × 10 4 m 3 y 191.4 × 10 4 m 3 ,
respectivamente. Por lo tanto, el WC virtuales total de energía fue de 2.25 × 10 7 m 3 en 2011, que es másde un orden de magnitud mayor que el DWF.
Tabla 2.
El consumo de energía y la huella de agua de energía de la fábrica del caso.
Tipo de
Energía
El
consumo
de
energía
Intensidad directa
extracción de agua a nivel
provincial una
Nacional medio de
retirada directa del agua
intensidad un
Energía gama
huella hídrica (10
4 m 3 )
Promedio huella
hídrica de la energía
(10 4 m 3 )
Electricidad 1.275
GWh
0,64 a 60,14 m 3 / MWh 15.50 m 3 / MWh 82-7668 1976
Carbón 206.1 ×
10 4
tonelada
0-1,07 m 3 / tonelada 0,38 m 3 / tonelada 0-221 78
Coque 185.8 ×
10 4
tonelada
0-2,24 m 3 / tonelada 1,03 m 3 / tonelada 0-416 191
Total - - 2246
Zhang y Anadón (2013) .
El estándar de calidad de agua aplicable para la empresa seleccionada es la de Aguas Residuales
Integrado Descarga estándar ( GB 8978-1996 ) ( Ministerio de Protección del Medio Ambiente de la
República Popular de China, 1996 ) Categoría II. Tabla 3 presenta la calidad del agua se mide en el
desempeño y la factores de dilución correspondiente. La cantidad de agua doméstica dispuesta por el
personal que vive en esta fábrica es 4,35 × 10
4
m
3
. Como se muestra en la Tabla 3 , el factor de diluciónmáxima de es de 50. La huella hídrica gris de agua para uso doméstico antes de usar el tratamiento de
aguas residuales es de 2.17 × 10 6 m 3 .
Tabla 3.
Concentraciones de efluentes caso acerera Promedio, agua estándar de calidad de la descarga de aguas residuales integrada y
relación de dilución sea necesario.
Indicador
La concentración promedio
(mg / L) una
Norma de calidad del agua de mar (GB3079-1997) b
Clase IV (mg / L)
Relación de
dilución
DQO 150 5 30
Petróleo 10 0.50 20
Fenoles
volátiles
0.5 0.05 10
NH 3 -N 25 0.5 50
Cloruro 0.5 0.2 2.5
Zn 5.0 0.5 10
Cr 6+ 0.5 0.5 1
CD 0.1 0.01 10
Como 0.5 0.5 1
Pb 1.0 0.5 2
DQO: Demanda química de oxígeno. GB: estándar nacional chino.
Ministerio de Protección del Medio Ambiente de la República Popular de China (1996) .
Ministerio de Protección del Medio Ambiente de la República Popular de China (1997) .
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Palabras clave
breviaturas
. Introducción
. Materiales y métodos
. Resultados y discusión
. Análisis de Incertidumbre
. Análisis de sensibilidad
. Conclusión
gradecimientos
Referencias
Las figuras y tablas
Tabla 1
Tabla 2
Tabla 3
Tabla 4
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un
Las aguas residuales de la acería se envía a la planta de tratamiento de aguas residuales regional, y el
efluente tratado se descarga al mar de China Oriental. El Mar de China Oriental se regula de acuerdo con
la norma de calidad del agua marina cuarto nivel. Basado en el estándar de agua de mar de Calidad ( GB
3079 hasta 1997 ) (Ministerio de Protección del Medio Ambiente de la República Popular de China, 1997 )
y la calidad del agua del efluente de la planta de tratamiento de aguas residuales, el máximo factor de
dilución se calcula en 106 ( Tabla 4 ). En 2011, la cantidad de efluente tratado descargado por la empresa
de estructuras de acero seleccionado fue 6,10 × 10 6 m 3 . Durante este período, la huella hídrica gris de
aguas residuales industriales fueron 6,46 × 10 8 m 3 . De este modo, la huella hídrica gris total es de 6,5 ×
10 8 m 3 .
Tabla 4.Concentraciones de efluentes tratados Promedio en la región de la siderúrgica estudio de caso, la norma de calidad del agua de
mar y la relación de dilución necesarias.
Indicador
La concentración promedio
(mg / L)
Norma de calidad del agua de mar (GB3079-1997) una clase
IV (mg / L)
Relación de
dilución
DQO 323 5 65
DBO 5 182 5 36
TN 52.9 0.5 106
DQO: Demanda química de oxígeno; DBO: Demanda bioquímica de oxígeno; TN: nitrógeno total.
Ministerio de Protección del Medio Ambiente de la República Popular de China (1997) .
Fig. 3 muestra los diversos elementos de la huella total de agua de esta siderúrgica. En la mayoría de los
estudios, los resultados de la evaluación de la huella hídrica de un producto o un negocio por lo general se
muestran como la huella hídrica total determinada por la suma de la huella de agua verde, huella hídrica
azul, y la huella hídrica gris. Sin embargo, la combinación de un "volumen de contaminación" hipotético
(aguas grises) con volúmenes WC (agua azul) para huella hídrica total se considera que no tiene sentido
ambiental. En este estudio, la huella total de WC (huella hídrica azul) y la huella de la contaminación del
agua (huella hídrica gris) se calculan por separado para mostrar la información detallada en lugar de la
suma de riesgos agua. Para la empresa siderúrgica seleccionado, el WC (agua azul) huella total es de
2.44 × 10 7 m 3 y la contaminación total del agua (aguas grises) la huella es de 6.5 × 10 8 m 3 . El alto
consumo de energía de los resultados de la empresa siderúrgica en gran WC virtual. La alta huella hídrica
gris indica que la empresa plantea un grave riesgo para el medio acuático.
Fig. 3.
Huella hídrica total de la empresa siderúrgica en 2011.
Generalizar los resultados de este estudio, se estima que la huella hídrica de la industria siderúrgica en
China fue de aproximadamente 4 × 10 9 m 3 en 2010, teniendo en cuenta la producción de acero de China
en 2010. Ge et al. (2011) estima que la huella hídrica total de China es de 860 × 10 9 m 3 y la huella hídrica
per cápita era de 650 m 3 / año en 2007. Esto significa que el sector de industria del hierro y el acero de
aproximadamente el 0,4% del total huella hídrica. Parece que la intensidad de la huella hídrica de la
industria del hierro y el acero es significativo en comparación con otras industrias relacionadas con el
agua. Se confirma la necesidad de este estudio para calcular la huella hídrica de una planta de tratamiento
específico industria del hierro y el acero.
Además, el hierro y el acero son muy importantes como materias primas para la industria manufacturera.
Berger et al. (2012) mostraron que los materiales de acero y hierro aportan casi el 35-40% del consumo
Opciones de la tabla
Opciones Figura
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total de agua de los modelos de coches de golf de Volkswagen. Por lo tanto, la reducción de la huella
hídrica de la industria del hierro y el acero reducirá en gran medida de la huella de agua industrial de
muchos productos en China y en todo el mundo.
La industria del hierro y el acero no sólo tiene un importante consumo de agua, pero también plantea
riesgos significativos relacionados con el agua. La huella hídrica gris de la empresa siderúrgica
seleccionado es casi 27 veces en total WC (agua azul) huella. Por el contrario, para la producción mundial
de animales de la huella hídrica gris es sólo 1,06 veces la huella azul agua (87,2% de la huella hídrica
verde, 6.2% de la huella hídrica azul y huella hídrica gris 6,6%) ( Mekonnen y Hoekstra, 2012 ). La razón se
atribuye a la disparidad de las relaciones entre la huella hídrica gris de huella hídrica azul es la alta
concentración de las aguas residuales industriales específicos dados de alta de la empresa siderúrgica.
3.2. La comparación de los tres indicadores de consumo de agua
Grandes cantidades de agua se util izan para los procesos de producción de acero. La calidad de las aguas
residuales vertidas por la empresa siderúrgica en la Tabla 3 muestra que sus aguas residuales puede
tener un impacto negativo en el medio ambiente local de agua si no se trata adecuadamente. De este
modo, la industria del hierro y el acero presenta riesgos de abastecimiento de agua y la disminución de la
contaminación del agua. Otros insumos (materias primas de la cadena de suministro y la energía) también
son ampliamente consumidos.
En comparación con la FWC y WC, la estimación de la huella de agua tiene más incertidumbres. La huella
hídrica total no sólo tiene en cuenta la huella hídrica de la propia empresa, pero también tiene en cuenta la
huella hídrica de la cadena de suministro externo. Como se muestra en este estudio de caso, la huella de
agua virtual puede ser mucho mayor que DWF. A pesar de que es un reto para evaluar la huella de agua
virtual, es importante tener en cuenta la entrada más relevante y su huella de agua, tales como la energía,
en este caso. A medida que más información esté disponible en la huella hídrica de la cadena desuministro, una mejor estimación de la huella hídrica azul global (= DWF + agua virtual de energía + agua
virtual de otros insumos) dará lugar a la toma de decisiones mejorada y gestión de riesgos del agua.
Fig. 4 muestra la relación entre la huella hídrica y el análisis de riesgos del agua. Huella de agua virtual de
la cadena de suministro, incluyendo la extracción y el transporte de minerales de hierro, refleja el riesgo
del agua de la cadena de suministro y es por lo tanto importante para el desarrollo sostenible de la
industria del hierro y el acero. La huella de agua virtual de consumo de energía puede reflejar el riesgo del
consumo de energía. Sobre la base de la huella de agua virtual de la cadena de suministro, la industria del
hierro y el acero puede elegir proveedores de productos químicos, energía y otros insumos importantes
que han demostrado estar comprometidos con el desarrollo sostenible y la protección del medio ambiente
mediante la reducción de su agua azul y gris huellas.
Fig. 4.
A partir de la huella hídrica de análisis de riesgos del agua.
Las aguas residuales de la industria del hierro y el acero es difícil de tratar. Aunque la mayoría de las
fábricas tienen sus propios sistemas de tratamiento de aguas residuales, los efluentes vertidos en el
medio ambiente local de agua puede tener impactos negativos. La huella de la contaminación total del
agua (huella hídrica gris) de la empresa siderúrgica seleccionado es casi 27 veces de la huella total de WC
(huella hídrica azul), lo que demuestra el impacto significativo sobre el medio ambiente local de agua. Es
imprescindible actualizar el tratamiento de aguas residuales interno de la empresa para reducir la huella
hídrica gris o incluso para lograr cero descarga. La huella hídrica gris de la industria del hierro y el acero
puede reflejar el riesgo de contaminación del agua que de otra manera no puede ser revelado por FWC y
WC.
A diferencia de FWC y WC, huella hídrica puede evaluar exhaustivamente el riesgo de agua de la industria
Opciones Figura
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del hierro y el acero y es útil para la gestión de los recursos hídricos. El análisis de la huella de agua puede
proporcionar a los administradores un mejor conocimiento de la utilización de los recursos hídricos de la
empresa, y por lo tanto reducir los riesgos. A través de este análisis, la empresa puede tomar medidas
para una mejor gestión de los recursos hídricos, como el diseño ecológico de producción, la gestión del
sistema de agua, gestión de la cadena de suministro y gestión de aguas residuales. El objetivo de todos
estos análisis es reducir la huella hídrica de la empresa, para llegar, finalmente, el desarrollo sostenible.
El riesgo de abastecimiento de agua para la industria podría evaluarse teniendo en cuenta la magnitud de
la oferta total de agua en la región alrededor de la acería, y luego determinar la fracción que la siderúrgica
requiere. Se informa que la cantidad de agua azul (agua superficial y subterránea) en la ciudad donde la
empresa de hierro y acero utilizado en este estudio se encuentra es de 61 × 10 8 m 3 en 2011 ( Zhejiang
Buró Provincial de Recursos Hídricos, 2011 ). De este modo, la huella hídrica azul directa de fábrica delcaso sólo representa el 0,02% de la huella hídrica azul locales, lo que indica que el riesgo de
abastecimiento de agua de esta fábrica no está considerando muy alto los localmente abundantes
recursos hídricos. El riesgo de contaminación considera la cantidad de agua necesaria para la dilución en
comparación con la velocidad de flujo baja media en la región. Se informa que el flujo superficial en la
ciudad es de 59 × 10 8 m 3 en 2011 ( Zhejiang Provincial del Agua Oficina de Recursos, 2011 ). La huella
hídrica gris de la fábrica de estudio de caso representa el 11% del flujo de la superficie total de la región, lo
que indica un riesgo muy alto de contaminación. Por lo tanto, la fábrica caso debe tomar más medidas
para reducir su huella de agua gris.
3.3. Recomendaciones
Los recursos hídricos pueden limitar el desarrollo de la industria del hierro y el acero, entre otros factores.
Siderurgia empresas en China deben considerar su reputación al consumir los recursos hídricos. Desde el
estudio de caso, es evidente que la reducción de la huella de agua virtual es clave para reducir la huella de
agua azul, sobre todo a partir del consumo de electricidad. Se debe hacer hincapié en las medidas deeficiencia energética, así como la fuente de energía de más proveedores de eficiencia hídrica. Además, se
recomienda el uso de nuevas fuentes de energía como la energía eólica para reducir los costes
energéticos de las huellas hídricas.
Aunque la descarga de aguas residuales de las empresas 'está dentro de los requisitos nacionales,
todavía no satisface el Agua Standard Sea Calidad ( GB3097-1997 ) ( Ministerio de Protección del Medio
Ambiente de la República Popular de China, 1997 ). Descarga de aguas residuales que contiene altas
concentraciones de contaminantes no se considera parte de la huella directa de agua de una empresa. Sin
embargo, este tipo de descarga de aguas residuales requiere grandes cantidades de agua para diluir el
agua natural. Cuentas huella hídrica gris para una gran parte de la huella hídrica total. Por lo tanto, la
amenaza potencial de la huella hídrica gris no puede pasarse por alto. Si las empresas pueden mejorar la
eficiencia del tratamiento de aguas residuales, su huella hídrica gris puede reducirse significativamente.
Un análisis detallado de los factores que aumentan la huella hídrica gris (por ejemplo, NH 3 -N y TN en este
estudio de caso) puede conducir a optimizar el tratamiento de aguas residuales o procesos industriales.Los fabricantes de acero pueden invertir en el tratamiento de aguas residuales interna para reducir la
huella muy grande de agua gris.
Los productos químicos con pequeñas huellas hídricas deben ser elegidos por razones obvias. Por
ejemplo, algunos inhibidores de la corrosión escala con fósforo utilizados causarán fosfatos. La reducción
de la huella hídrica gris requiere el uso de productos químicos con el medio ambiente. Para el tratamiento
del agua, las fábricas pueden elegir agentes verdes como los inhibidores de la corrosión de escala sin
fósforo.
Para reducir WC directa, la industria del hierro y el acero debe mejorar la eficiencia de sus procesos de
producción, tales como el reciclaje y el tratamiento del agua de refrigeración o utilizando un equipo más
avanzado interna. También se recomienda la recolección de agua de lluvia y la utilización de otras
fábricas. Necesita la gestión del sistema de agua que mejorar para reducir el uso de agua dulce.
Huella hídrica puede ser un indicador más fiable y eficiente que FWC por tonelada de acero o WC por
tonelada de acero para la industria del hierro y el acero, debido a su amplitud. Teniendo en cuenta elhecho de que China se enfrenta a una crisis de agua crítica, la evaluación de la huella hídrica de su
industria del hierro y el acero es útil en la conservación de los escasos recursos hídricos. Evaluación de la
huella de agua es de acuerdo con la evaluación de riesgos del agua, y la correcta gestión de la huella de
agua puede reducir los peligros relacionados con el agua. Para reducir la descarga de aguas residuales y
la huella hídrica gris en la industria del hierro y el acero, las empresas y los fabricantes de la cadena de
suministro deberían llevar a cabo el tratamiento avanzado de aguas residuales y promover su
reutilización.
4. Análisis de Incertidumbre
Las incertidumbres son el resultado de los supuestos para establecer el rango de la investigación y el
límite del sistema. El cálculo de los procesos de extracción y transporte de la huella hídrica de las materias
primas se complica por la falta de datos y de multitud de fuentes. El consumo de productos de hierro y
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Allan, 1998
acero también varía notablemente. En este estudio, nos centramos nuestro cálculo de la huella de agua en
los procesos de producción de hierro y acero y el desprecio de las huellas hídricas de las materias primas
y los procesos de consumo de productos. Aunque se han hecho esfuerzos para proporcionar los datos de
consumo de agua directos y virtuales de alta calidad, las limitaciones se producen debido a la falta de
datos fiables. En este estudio, los datos primarios sobre la toma de agua, evacuación de aguas residuales,
y el consumo de energía de la empresa seleccionada se obtienen con precisión a partir de datos
estadísticos de la empresa, dentro del 5%.
Hay incertidumbres del cálculo de la huella hídrica de la energía. El sector energético es el segundo mayor
usuario de agua en el mundo en términos de retiros, siguiendo riego ( Hightower y Pierce, 2008 ). Hay una
gran variabilidad en el agua necesaria incluso para la misma energía primaria, dependiendo de las
tecnologías específicas y procesos, la fuente de la portadora de energía primaria, e inclusoconsideraciones temporales ( Fthenakis y Kim, 2010 y Keller et al., 2010 ) . En el cálculo de la huella
hídrica de la energía, los coeficientes de conversión se citan de la investigación relacionada ( Zhang y
Anadón, 2013 ) en China, teniendo en cuenta la huella hídrica de consumo de energía varía en función de
las diferentes áreas. Ese estudio evalúa el uso del agua en la sección de producción de energía en la
provincia y en escala nacional en China. Los conjuntos de datos pueden ser utilizados para cálculos de la
huella de agua, pero pueden subrepresentar el consumo real de agua virtual incorporado en energía en
esta fábrica. Por lo tanto, existen incertidumbres en los resultados finales. En esto, el rango de
incertidumbre de la huella hídrica de la energía está calificada en la Tabla 2 . Las huellas hídricas de la
electricidad, el carbón y el coque duro están en los rangos de 82 a 7700 × 10 4 m 3 , 0 a 220 × 10 4 m 3 , y 0-
420 × 10 4 m 3 , respectivamente, basado en Zhang y Anadón (2013) .
5. Análisis de sensibilidad
Se realizó un análisis de sensibilidad para entender cómo parámetro variabilidad afecta a los resultados e
identificar los parámetros que son críticos para la cuantificación de la huella hídrica de la industria delhierro y el acero. La huella hídrica para las cuentas de consumo de energía para una gran parte de la
huella total de WC (92%). Los parámetros utilizados en el análisis de la huella de agua de energía incluyen
la energía eléctrica, el carbón y el coque duro. La energía eléctrica es el factor más sensible debido a que
se consume por la empresa seleccionada en grandes cantidades. Por lo tanto, tener información de alta
calidad sobre la huella hídrica de los generadores de electricidad locales o regionales reducirá
significativamente la incertidumbre en las estimaciones de la huella hídrica virtuales.
Para la evaluación de la huella hídrica gris, la calidad del agua descargada es el factor más sensible
debido a la huella hídrica gris se clasifica como la cantidad de agua necesaria para diluir los contaminantes
que han sido dados de alta en el sistema natural de agua de tal manera que la calidad del agua ambiente
permanece por encima de la establecido estándares de calidad del agua. Es importante para la empresa
para recoger datos precisos de calidad del agua y las corrientes de descarga para estimar mejor la huella
hídrica gris.
6. Conclusión
Para la fábrica de hierro y acero seleccionado el agua azul (WC total) era huella de 2,44 × 10 7 m 3 y el
agua gris huella fue 6,5 × 10 8 m 3 en 2011. A diferencia de fwc por tonelada de acero o de WC por
tonelada de acero, huella hídrica debería promoverse como un indicador para la industria del hierro y el
acero, ya que puede reflejar reales riesgos WC y agua de la industria. De esta manera, la eficiencia del
agua puede ser mejorada. La reducción de la huella hídrica de la industria del hierro y el acero puede dar
lugar a una producción más limpia.
Se propone el método de análisis de frontera del sistema en este trabajo para desarrollar una metodología
de evaluación de la huella de agua común en la industria y factible. El agua azul (Total WC) la huella y el
agua gris (contaminación del agua) huella se calculan por separado para comprender mejor los diferentes
riesgos agua en lugar de la suma numérica simple de las dos huellas. Esto conduce a las
recomendaciones específicas para reducir los riesgos. Se espera que este trabajo para contribuir al
desarrollo de metodologías de evaluación de la huella de agua industrial.
Agradecimientos
Esta investigación fue financiada por el proyecto de formación de capacidad de investigación científica
para estudiantes de pregrado en la Universidad de Tongji . Damos las gracias a Scott Albert C. Roker por
su ayuda con la edición de idioma. También damos las gracias al Sr. Yang Aihui del Fondo Mundial para la
Naturaleza por su ayuda.
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