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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 

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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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