Life cycle assessment of antibiotic wastewater treatment technologies: A dual-endpoint framework with fluoroquinolone ecotoxicity

Elke dag produceren farmaceutische fabrieken en ziekenhuizen enorme hoeveelheden water die vervuild zijn met medicijnen die nooit volledig het menselijk lichaam verlaten. Onder deze residuen vormt een veelvoorkomende klasse van antibiotica, bekend als fluoroquinolonen, een bijzondere uitdaging. Deze chemicaliën zijn ontworpen om taai te zijn, waardoor ze weerstand bieden aan natuurlijk afbraakproces en langdurig in rivieren en meren blijven aanwezig. Daar vormen ze een bedreiging voor het aquatisch leven en stimuleren ze bacteriën om resistentie te ontwikkelen, waardoor toekomstige infecties moeilijker te behandelen worden. Om het milieu te beschermen, hebben ingenieurs verschillende manieren ontwikkeld om deze medicijnen uit afvalwater te verwijderen voordat het wordt geloosd. Echter, een cruciale vraag bleef onbeantwoord: welke reinigingsmethode is werkelijk de beste voor de planeet?

Decennialang hebben wetenschappers een hulpmiddel genaamd levenscyclusanalyse gebruikt om de milieukosten van industriële processen af te wegen. Deze methode werkt als een volledige boekhoudkundige grootboek, waarbij elke ounce verbruikte energie en elk beetje gegenueerde vervuiling wordt bijgehouden vanaf het moment dat een zuiveringsinstallatie in bedrijf wordt genomen tot het moment dat het afval wordt afgevoerd. Traditioneel hebben deze studies zich alleen gericht op de kostenkant van het grootboek: hoeveel kooldioxide een machine uitstoot terwijl deze werkt. Ze hebben de voordeelkant grotendeels genegeerd: de milieuschade die wordt voorkomen wanneer een giftige chemische stof succesvol wordt verwijderd. Zonder beide kanten te zien, is het onmogelijk om te weten of een energieverslindende machine die bijna alle gifstoffen verwijdert eigenlijk beter is dan een energiezuinige machine die er wat van achterlaat.

Een onderzoeker probeerde dit blinde vlek te verhelpen door vier veelvoorkomende technologieën voor afvalwaterzuivering te vergelijken: geavanceerde oxidatie, die krachtige oxidanten gebruikt om chemicaliën af te breken; membraanbioreactoren, die bacteriën combineren met filterende membranen; korrelend geactiveerd koolstof, dat poreuze houtskool gebruikt om verontreinigingen op te zuigen; en kunstmatige wetlands, die vertrouwen op planten en natuurlijke bodemprocessen. In plaats van alleen de koolstofvoetafdruk van het draaien van deze machines te meten, bouwde de onderzoeker een duaal-endpoint kader. Deze benadering berekent twee afzonderlijke getallen voor elke technologie. Het eerste meet de directe milieukosten van het exploiteren van het systeem, specifsem de opwarming van de aarde potentieel, oftewel de hoeveelheid koolstofdioxide-equivalent die vrijkomt per kubieke meter behandeld water. Het tweede meet het milieubat voordeel, of de hoeveelheid toxische schade die wordt voorkomen door het succesvol verwijderen van de fluoroquinolonen uit het water.

De onderzoeker verzamelde gegevens uit eenenveertig gepubliceerde studies om een realistisch model te bouwen van hoe deze systemen in de echte wereld presteren. Ze keken naar elektriciteitsverbruik, de productie van materialen zoals geactiveerde koolstof en membranen, en de verwijdering van afvalslib of verbruikte houtskool. Wanneer ze de cijfers draaiden voor de directe operationele kosten, ontstond er een duidelijke hiërarchie. Het proces van geavanceerde oxidatie was het duurst in termen van koolstofemissies, waarbij ongeveer veertien komma vijf kilogram koolstofdioxide-equivalent werd uitgestoten voor elke kubieke meter water die werd behandeld. Deze hoge kosten kwamen bijna volledig voort uit de enorme hoeveelheid elektriciteit die nodig is om de oxidanten te genereren. Korrelend geactiveerde koolstof was de op één na hoogste, met een uitstoot van bijna elf kilogram koolstofdioxide-equivalent per kubieke meter. Verrassend genoeg kwam dit niet doordat de machines veel elektriciteit gebruikten, maar omdat de productie en verwijdering van de geactiveerde koolstof zelf extreem koolstofintensief zijn. De membraanbioreactor presteerde veel beter, met een uitstoot van minder dan één kilogram per kubieke meter, terwijl de kunstmatige wetland veruit de schoonste was, met een uitstoot van slechts ongeveer drie honderdste van een kilogram per kubieke meter.

Echter, het beeld veranderde volledig toen de onderzoeker het voordeel van het verwijderen van de antibiotica meenam in de berekening. Ze berekenden hoeveel milieutoxiciteit werd voorkomen voor elke gram succesvol verwijderde fluoroquinolon. Omdat het proces van geavanceerde oxidatie zo energieverslindend is, bleek het de meest kostbare manier te zijn om één gram van de stof te verwijderen, waarbij meer dan één kilogram koolstofemissies werd gegenereerd voor elke gram verwijderd. In schril contrast hiermee was de kunstmatige wetland, ondanks het verwijderen van een kleiner percentage van de stof, de meest efficiënte optie. Het vereiste zo weinig energie dat het slechts ongeveer drie duizendsten van een kilogram koolstofemissies genereerde voor elke gram van de stof die werd verwijderd. Dit betekent dat de wetland ongeveer driehonderd zevenentwintig keer efficiënter was in het verwijderen van de stof per eenheid uitgestoten koolstof dan het proces van geavanceerde oxidatie.

De studie onthulde ook dat eerdere, eenvoudigere modellen de impact van het gebruik van geactiveerde koolstof aanzienlijk hadden onderschat. Eerdere schattingen suggereerden dat het gebruik van houtskool een kleine stap was in het reinigingsproces, maar de nieuwe, gedetailleerde gegevens toonden aan dat de productie en verwijdering van de koolstof bijna de gehele milieukosten van die methode beslaat. De onderzoeker voerde duizenden computersimulaties uit om te testen hoe stabiel deze resultaten waren. Ze ontdekten dat hoewel de rangschikking van de wetland als de schoonste en de geavanceerde oxidatie als de meest koolstofintensieve methode consistent bleef, de kloof tussen de geavanceerde oxidatie en de methode met geactiveerde koolstof klein genoeg was dat de volgorde zou kunnen omdraaien als het elektriciteitsnet schoner zou worden.

Uiteindelijk biedt dit onderzoek een completere manier om te kiezen hoe we ons water zuiveren. Het demonstreert dat een technologie die op papier efficiënt lijkt, een zware vervuiler kan zijn wanneer de volledige levenscyclus van de materialen in overweging wordt genomen. Omgekeerd kan een laagtechnologische oplossing zoals een wetland, die bijna geen elektriciteit gebruikt, de meest effectieve keuze zijn voor het beschermen van het milieu, mits er voldoende land beschikbaar is om het te bouwen. Door de kosten van de behandeling af te wegen tegen het voordeel van het verwijderen van het gif, kunnen fabrieken en steden beslissingen nemen die werkelijk bijdragen aan schonere productie, waardoor wordt gewaarborgd dat de oplossing voor watervervuiling niet een nieuw probleem voor de atmosfeer creëert.