Greywater reuse: decentralized treatment with forward osmosis and hydroponic systems

Abstract

To address the challenges of freshwater scarcity caused by climate change, population growth, and inadequate water management, a shift towards circular economy is essential. This is especially important in water-scarce areas reliant on tourism, a sector with substantial water consumption which is rapidly expanding. Hence, reducing freshwater use on a local scale, including tourism, through water reuse is a key strategy. Greywater (GW), which is domestic wastewater without toilet waste, is a promising source for reuse due to its lower contamination levels compared to the total fraction of domestic wastewater. However, it still contains harmful contaminants like organic micropollutants (OMP), which may pose risks to the environment and human health.

Decentralized water treatment systems, such as membrane technologies and nature-based solutions (NBS), offer solutions for safe water reuse in water-scarce regions and/or in isolated areas. Forward osmosis (FO) is an emerging technology that filters water through a membrane using an osmotic gradient as a driving force, achieving higher contaminant rejections than other membrane technologies, and with potentially lower energy requirements. The fertilizer-drawn forward osmosis (FDFO) approach avoids the need for draw solution recovery by using the diluted draw solutions with fertilizer salts for irrigation. Alternatively, NBS like hydroponic systems (soilless culture), have the capacity of growing food crops and have also showcased effectiveness for water treatment, while offering multiple co-benefits, hence emerging among the most sustainable options for the transition towards circular economy.

This thesis evaluated the feasibility of FO and hydroponics as decentralized systems for GW treatment and reuse. The thesis was carried out through a multidisciplinary approach, which resulted in the publication of five scientific articles. Initially, article 1 explored water management practices in Mediterranean coastal hotels, revealing prevalent use of water-saving devices but limited water reuse. Subsequent research (articles 2, 3, and 4) focused on FO, particularly FDFO, highlighting its potential and challenges, such as fertilizer losses. Research also showed that fertilizer salts of magnesium and phosphate recovered from wastewater could be used in FO and hydroponics, achieving successful plant growth (lettuces) in nutrient-adjusted solutions. Further investigation focused on FO for GW treatment, achieving high rejection rates for most OMP, but noting decreased rejection over time. Article 5 evaluated the performance of hydroponic systems for GW treatment and crop production, showing promising results for lettuce growth with nutrient supplementation. However, some OMP remained in edible tissues, indicating the need for system optimization to ensure safety.

Overall, this thesis contributes to the growing body of knowledge on decentralized water treatment and reuse, offering insights into the potential of FO and hydroponic systems for addressing water scarcity challenges and promoting circular water management

Per fer front als desafiaments relacionats amb l'escassetat d'aigua dolça causada pel canvi climàtic, el creixement de la població i una inadequada gestió, resulta essencial un canvi cap a una gestió circular de l’aigua. Això és especialment important en zones amb poca aigua que depenen del turisme, un sector en expansió i amb un consum important d'aigua. Per tant, reduir l'ús d'aigua a escala local (incloent-hi el turisme) mitjançant la reutilització de l'aigua esdevé una estratègia clau. Les aigües grises (GW - greywater), que són les aigües residuals domèstiques sense les aigües negres dels vàters, són fonts alternatives d’aigua molt prometedores per a la seva reutilització gràcies als seus nivells més baixos de contaminació comparats amb el total de les aigües residuals domèstiques. No obstant això, encara contenen contaminants nocius com els microcontaminants orgànics (OMP – organic micropollutants), que poden representar un factor de risc per al medi ambient i la salut humana.

Els sistemes descentralitzats de tractament d'aigua, com les tecnologies de membranes i les solucions basades en la natura (NBS – nature-based solutions), ofereixen solucions per a la reutilització segura de l'aigua en regions amb poca aigua i/o en zones aïllades. L'osmosi directa (FO – forward osmosis) és una tecnologia emergent que filtra l'aigua a través d'una membrana utilitzant un gradient osmòtic com a força motriu, aconseguint un rebuig més alt de contaminants que d’altres tecnologies de membranes, i amb requeriments energètics potencialment més baixos. L'ús de l'osmosi directa amb fertilitzants (FDFO fertilizer-drawn forward osmosis) evita la necessitat de recuperar la solució d'extracció, doncs s’utilitzen sals fertilitzants com a solucions d’extracció, que es diluiran amb l’aigua a tractar i es podran utilitzar per a la irrigació. Alternativament, les NBS com els sistemes hidropònics (cultius sense sòl) tenen la capacitat de produir cultius i també han demostrat ser efectives per al tractament de l'aigua, oferint múltiples beneficis, convertint-se així en una de les opcions més sostenibles per a la transició cap a una gestió circular de l’aigua.

Aquesta tesi ha avaluat la viabilitat de la FO i la hidroponia com a sistemes descentralitzats per al tractament i la reutilització d’aigües grises. La tesi s’ha realitzat amb un enfocament multidisciplinari i ha donat lloc a la publicació de cinc articles científics. Inicialment, l'article 1 va explorar les pràctiques de gestió de l'aigua en hotels de la costa mediterrània, revelant un ús prevalent de dispositius d'estalvi d'aigua però encara amb experiències de reutilització limitades. La investigació posterior (articles 2, 3 i 4) es va centrar en la FO, especialment en la FDFO, destacant el seu potencial i les possibles limitacions, com ara les pèrdues de fertilitzants. La investigació també va mostrar que les sals de magnesi i fosfat recuperades de les aigües residuals podrien utilitzar-se en FO i hidroponia, aconseguint un creixement exitós de plantes (enciams) en solucions ajustades amb nutrients. Una investigació posterior es va centrar en la FO per al tractament d’aigües grises, aconseguint altes taxes de rebuig per a la majoria dels OMP, però observant un rebuig decreixent amb el temps. L'article 5 va avaluar el rendiment dels sistemes hidropònics per al tractament d’aigües grises i la producció de cultius, mostrant resultats prometedors pel creixement d'enciams amb suplementació de nutrients. No obstant això, alguns OMP van romandre en els teixits comestibles, indicant la necessitat d'optimitzar el sistema per garantir-ne la seguretat.

En general, aquesta tesi contribueix al creixent cos de coneixement sobre el tractament i la reutilització de manera descentralitzada de l'aigua, proporcionant sobretot noves dades i pràctiques sobre el potencial dels sistemes FO i hidropònics per fer front als desafiaments de l'escassetat d'aigua i promoure la gestió circular de l'aigua