De globale ferskvannsutfordringene

Transkript

1 1 NTVA, Bergen, Vannforvaltning i et globalt perspektiv Hallvard Ødegaard Institutt for vann og miljøteknikk NTNU hallvard.odegaard@ntnu.no 2 De globale ferskvannsutfordringene De to hovedutfordringene: Knapphet/mangel som har med kvantitet å gjøre Forurensning som har med kvalitet å gjøre Begge henger sammen og kan relateres til: Befolkningsøkningen Tilgangen på ferskvann Urbaniseringen Økningen i energiforbruket Klimaforandringene 1

2 3 Befolkningsøkningen (million) 世 界 BC400 BC200 AD Vår krympende verden 4 2

3 5 Tilgangen på ferskvann Globale, interne, fornybare vannressurser per person og år 6 Uttak fra elver (2000) 3

4 7 Økende mangel (Scarcity < m 3 /person. år) og knapphet (Stress: m 3 /person. år) 8 Urbaniseringen Utvikling i den urbane befolkning Veksten i den urbane befolkning 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % World Watch Institute 2007: > 50 % av verdens befolkning bor nå i byer 4

5 9 Økningen i energiforbruket Idag er 80% av forbruket basert på hydrokarboner Energy consumption in millions TOE MTOE x10 in 60 years 232g CO 2 eq per kwh 282g CO 2 eq per kwh g CO 2 eq per kwh Coal Oil Gas Hydro Nuclear Source: Schilling & al + Observatoire énergie + AIE + BP Statistical review Klimaforandringene 5

6 11 Page /15/ Sanitær-forholdene i verden 2,8 milliarder mennesker har ikke tilgang til en sanitær (toalett) løsning 6

7 13 14 Koplingen mellom vann og avløp Skillet mellom vann og avløp er i ferd med å utviskes Helsegevinsten ved tiltak for å forbedre avløpsforholdene synes å være enda større enn tiltak for å forbedre drikkevannsforholdene Det er umulig å skille vann og avløp begge er deler av det store hydrologiske sirkulasjonssystemet av ferskvann som vi alle er avhengige av Bruk av vann er gjenbruk av vann 7

8 15 Svært mange fokuserer på vann- og kloakk utfordringene på landsbygda 16 Jeg tror den største utfordringen ligger i den økende urbaniseringen 8

9 17 Veksten i den urbane befolkning 18 Utvikling av megabyer skjer primært i land under utvikling 9

10 19 Tilgang til vann og avløp (eksempler) DELHI CITIES BY CONTINENT: ACCESS TO SEWERAGE AND PIPED WATER SYSTEMS North America Europe Tashkent Shanghai Hong Kong Chengdu Seoul Osaka Ulanbaatar Kathmandu Karachi CENTRAL ASIA CHINA EAST ASIA Piped water system Latin Water Dhaka Sewerage America, Caribbean Sewer Delhi SOUTH ASIA Colombo Vientiane Asia Phnom Penh Manila Kuala Lumpur SOUTHEAST ASIA Africa Jakarta Ho Chi Minh City Jakarta 17 millioner innbyggere 2000 Mindre enn 2% knyttet til avløpsnett I (2001), > 1 million septik tanker med utslipp til grunnen, 20% av befolkningen bruker utedo (pit latrines) Avløpsvannet forsvinner i grunnen og havner i grunn-vannet som benyttes til vannforsyning (drikkevann) 2025 Overutnyttelse av grunnvann forårsaker senkning av grunnvannsnivået og gir saltvannsinntrengning 10

11 21 Mexico City Mexico city ligger på en høyslette i et vukankrater Mexico City på Inka-tiden hadde allerede da ca 1 mill innbyggere 22 Mexico City million innbyggere Nedslagsfeltet for lite til tilstrekkelig vannforsyning 1973 Overutnyttelse av grunnvannsressursene Grunnvannsnivået synker opp til 1 m/år Byens nivå synker med 10 cm/år 40 % vannlekkasje i vannforsyningssystemet 5-7 % av innbyggerne må kjøpe vann fra tankbiler

12 23 Vann og avløp i Mexico City Vannforbruk: 110 m 3 /sek Avløp: 90 m 3 /sek. Mezquital Valley uten vanning Avløpet pumpes ut av byens nedslagsfelt og renner mot den Mexicanske Gulf via Mezquital Valley. Fattige bønder bruker kloakkvannet i elven til vanning av sine grøder, bl.a grønnsaker Dette fører til en alvorlig epidemisk situasjon i befolkningen i Mezquital Valley. En elv av kloakk Mezquital Valley med vanning med avløpsvann 24 Melbourne/Australske storbyer I 2005/06 opplevde Victoria sitt 10 de år med nedbør under normalen 12

13 25 Hva er viktigst vann eller avløp? Det er en sterk kopling mellom vann og avløp Helsegevinsten ved tiltak for å forbedre avløpsforholdene synes å være enda større enn tiltak for å forbedre drikkevannsforholdene Det er umulig å skille vann og avløp begge er deler av det store hydrologiske sirkulasjonssystemet av ferskvann som vi alle er avhengige av 26 Hvordan kan utfordringene knyttet til ferskvannsbehovet i storbyer med vannmangel løses? Det er tre mulige løsninger på denne utfordringen : bringe inn vann fra fjerntliggende kilder gjenvinne ferskvann fra saltvann (begrenset til kystbyer) gjenbruke vannet flere ganger, dvs rense vannet 13

14 27 Løsning 1: Bruk av fjerntliggende kilder Eksempel: Vannforsyningen til California 28 14

15 29 Kina s sør-til-nord vannprosjekt (SNWTP) 30 De tre vannveiene i SNWTP West route Middle route East route 15

16 31 Utfordringer ved bruk av fjerntliggende kilder 1. Kostnadene 2. Energiforbruket 3. Miljøeffektene 4. Forurensning av vannet på veien 5. Regionale konflikter 32 Løsning 2: Avsaltning av havvann To aktuelle teknologier: Destillasjon Omvendt osmose (RO) Omvendt osmose er en membranfiltreringsteknologi 16

17 33 Avsaltningsanlegg basert på membranfiltrering (omvendt osmose) Avsaltning ved RO er (relativt sett) kostbart pga høye trykk Vannpris med RO er likevel synkende og er nå nede i ca 1 US $/m 3 34 Den 3. løsning Gjenbruk av renset avløpsvann Ressurser i avløpsvann 1. Vannet selv 2. Stoffer i vannet Irrigation Urbane parklandskap Gjenbruk i industri Gjenbruk for forsyningsvann Næringsstoffer (C,N,P) Karbon til energiproduksjon (biogass, biobrensel) Koagulantgjenvinning (Al, Fe) 3. Varmen i vannet Energi til oppvarming 17

18 35 Koagulering + Sedimentering Overføring i krtiske situasjoner Drikkevannbehandlingsanlegg UF+NF DRIKKEVANNSFORSYNING Naturlig elv Byområde Avløp FORSYNING Gjenvinningsanlegg RO(avsalting avsalting) Drain UF-membran Kloakkrensing med avanserte metoder Tertiærrensing rrensing+uf KUNSTIG INNSJØ Kvalitets og kvantitetsbuffer Vannkvalitetsovervåking king 36 Bruken av vann Vann til landbruk (matproduksjon) øker mest!!! Mesteparten av gjenbrukt vann vil derfor bli brukt til vanning!!!! 18

19 37 Renset avløpsvann til vanning California Drip irrigation, India Rismarker i Japan Plogfurevanning i Arizona 38 Renset avløpsvann til urbane formål Renset avløpsvann til toalett-spyling i doble avløpssystemer To fremgangsmåter: et system for hele byen lokale, småskala system 19

20 39 Gjenbruk av renset avløps- vann i Tokyo Resirkuleringsanlegg for bydelen Shinjuku i Tokyo 40 Renset vann til urbane formål Vasking og spyling Parkanlegg 20

21 41 Renset avløpsvann til industriformål Gjenbruk innen industrien selv Gjenbruk av renset kommunalt avløpsvann innen industri: vann til kjølevannsystemer vann til dampkjeler prosessvann til produksjon 42 Renset avløpsvann til drikkevannsforsyning Grunnvannsgjenvinning Groundwater recharge by surface spreading Bruk direkte til drikkevann Recharge Basin Well Drikkevanns behandling Avløpsrensing Forekommer mange steder - for å forhindre grunnvannssynkning for å hindre saltinntrengning for å lagre vann for å oppnå selvrensing i grunnen Forekommer svært sjelden Ikke fordi man ikke kan rense godt nok men fordi folk har en motforestilling mot å drikke fhv avløp 21

22 43 Drikkevann fra avløpsvann Eksempel: Windhoek, Namibia 44 Vannkvalitetsendringer gjennom rensing Vannkvalitet Naturlig vann Vann behandlng Drikke vann Kommunalt og industielt bruk av vannet Rensing av avløpsvann Avløpsvann Gjenvinninmg og gjenbrik Nytt vann Gjenvunnet vann Renset avløpsvann 22

23 45 Utfordringer knyttet til gjenbruk av avløpsvann Sørge for en alminnelig god avløpsrensing som utgangspunkt for videre behandling Fjerning av partikler, organisk stoff, næringsstoffer etc Sikre at vannet er helsemessig forsvarlig Kontroll med kjemiske komponenter Organiske mikroforurensninger (EDC, legemiddelrester, biosider) Uorganiske mikroforurensninger (tungmetallet etc) Den psykologiske effekten av å bruke vann som en gang har vært skittent 46 En meget stor del av avløpsvannet i verden blir ikke renset før utslipp Source: UNEP/GPA Coordination office 23

24 47 Organiske mikroforurensninger Pesticider Hormonhermere (EDC s) Legemiddelrester (PhACs) Personlig pleie produkter (PPCPs) Courtesy of Dr. Shane Snyder, Southern Nevada Water Authority 48 Utvalgte mikroforurensninger i avløpet fra 15 finske renseanlegg, Heinonen, 2009 Substance Atrazine No of samples 20 Median µg/l <0,003 Max µg/l 0,034 AA-EQS µg/l 0,6 WHO DW standard Di-(2-ethyl hexyl phatalate 18 < 0,2 3,36 1,3 8 Dichloromethane 20 <0,3 2, Hexachlorobenzene 8 <0,05 <0,25 0,01 Lindane 9 <0,05 <0,05 0,02 Nonylphenol incl ethoxylates 19 < 0,20 17,12 0,3 Pentachlorophenol 21 < 0,1 <0,1 0,4 9 Tetrachloroetylene 9 <0,5 <1, Mercury 7 <0,2 < 1,0 0,05 6 Cadminum 7 <0,5 <10 0,08-0,25 3 Nickel 7 7 < Lead 6 2,5 < 5,0 7,2 10 Det synes ikke å være grunn til å overdrive problemet! 24

25 49 Effekten av konventionell avløpsrensing (EAWAG, 2009) Baseline toxic equivalents (TEQ) for a large group of compounds Toxic equivalents (TEQ) for different groups of compounds VK after pre-settling NK after post-settling SF after sandfilter FO river above WWTP FU river below WWTP 50 Utfordring: Patogener Bakterier Virus Parasitter (klor resistente) Kontrol strategier: 1. Fjerning som partikler 2. Inaktivering ved desinfeksjon 25

26 51 Hva fjerner vi et et konvensjonelt avløpsrenseanlegg? Eksempel GRYAB WWTP, Gothenburg (Mattson et al, 2009) N DN 99,5 % ecpected (2,5 log) Treatment P Coliforms 35º 50 Enterococci 35º 50 E. coli 35º 30 Norovirus 40 Antibiotic resistant bacteria meca teta tetb P + AS/S > P + AS/S + BF/S >90 > >99 P primary, AS/S activated sludge/separation, BF biofilm/separation 52 Sentral renseteknologi ifm gjenbruk av vann: Membranfiltrering Reverse osmosis (< 1 nm) Separation of ions Desalination Nanofiltration (< 10 nm) Separation of virus Sep. of large molecules Ultrafiltration (< 100 nm) Sep. of bacteria Sep. of particles Microfiltration (< 100 nm) Sep. of parasites Sep. of flocs 26

27 53 Den psykologiske effekt av å bruke vann som en gang har vært skittent 54 Gjenbruk av avløpsvann: Fact or fiction? Source: Megeacity Challanges, The Economist Intelligence Unit, commissioned by Siemens AG, World Bank estimates investments of billion $ during the next 10 years 27

28 55 Gjenbruk av vann kan komme til å bli den billigste løsningen mange steder 56 Gjenbrukt vann kan kreve minst energiforbruk Energibehov for ferskvannsforsyning til Orange County, California Water sources Desalination of ocean water State water project Colorado River Groundwater Replenishment System (GWRS) Energy need (kwh/m 3)

29 57 Eksempel: Singapore Land Area 680 km 2 Population 4.2 mil Average Annual Rainfall 2400 mm Water Demand 1.3 mil m 3 per day (approx 300 mgd~ 550 Olympic pools) Supply of Water and Modern Sanitation 100 % 23 km 42 km Unaccounted for Water 5% 58 Singapore satser på mange kilder 1. Eget nedslagsfelt 2. Import av vann fra Malaysia 3. Avsaltning av havvann 4. Gjenbruk av vann (NeWater) 29

30 59 Brakkvannsreservoir midt i byen Marina Barrage Marina Barrage Marina Centre Sports Hub Marina East IR Gjennom bygging av et damanlegg holder man havvannet ute alt ferskvann slippes ut i brakkvannsreservoiret som gradvis får ferskere vann BFC Marina South Pier Straits of Singapore Marina Barrage 60 Elementer i Singapore s vanngjenvinning Rain Sea Indirect Potable Use Direct Non- Potable Use 30

31 61 NeWater NEWater er brand name gitt til det gjenvunnede vannet produsert av Singapore s Public Utility Board. Mer spesifikt, er det renset avløpsvann renset gjennom bruk av tostegs membranfiltrering (MF/RO) og ultrafiolett bestråling, etter de tradisjonelle avløps- og vannrenseprosesser Vannet er renere enn drikkevannet i Singapore konsumeres av befolkningen men brukes mest i den industri som trenger høy-kvalitets vann f.eks. IT-industrien. 62 Storbyenes infrastrukturproblemer Mangel på infrastruktur (VAledninger, renseanlegg etc) Forfall i infrastrukturen All mix Avløpsledningene fører alle slags avløpsvann: toalettavløp vaskevann industriavløp regnvann Ekstremt høye kostnader til nybygging, vedlikehold og rehabilitering av ledninger i bygatene 31

32 63 RIF s rapport mars 2010 Vannforsyning Avløp 64 Forfall i infrastrukturen Milliarder til fornyelse av VAledninger Likevel en økning i lekkasjer og brudd et tegn på forfall Europa: 30% av det rene vannet forsvinner i lekkasjer. Norge: % Kostnadene til vedlikehold øker. Forfallet i ledningsnettet forårsaker lekkasjer (dvs tap av vann), brudd (uteblivelse, flom etc) og dårlig vannkvalitet Los Angeles: Det vil det ta 100 år å TV-inspektere hele byens avløps-system, med den takten de har råd til å bruke idag 32

33 65 Fornyelse av VA-ledningene Behovet for fornyelse av VA-ledninger i Norge (% av total lengde) År Virkelig Drikkevann 0,5 0,6 0,9 0,1-0,2 Avløpsvann 0,6 0,7 1,0 ca 0,25 Fakta om 2008: - 30 % av kommunene 0% fornyelse - 50 % av kommunene < 0,3 % fornyelse - 70 % av kommunene < 0,7 % fornyelse 66 Klimaendringen kan gi økning i frekvensen i urbane flommer Oslo juni 2007: 20 mm regn i 15 min = 220 l/s ha tilsv. et 50-års rain Oslo, juli 2007: 49,3 mm regn i 60 min = 134 l/s ha tilsv. et 100-years rain Storflommen i Glomma (1995) hadde en maksimal avrenning på ca 100 l/s km 2 I urbane områder kan et 10-års regn gi mange ganger mer; opptil l/s km 2 33

34 67 DET URBANE ALL MIX AVLØPSSYSTEMET Idag - Mange avløpstyper blandes til en mix av: snille stoffer (organiske stoffer og næringsstoffer) slemme stoffer (giftsstoffer, smittestoffer etc) I morgen Man vil ha mulighet til å: separere de snille fra de slemme stoffene gjenvinne og bruke de snille stoffene 68 Eksempel: Bidraget fra toalettet Næringsstoffene i kloakken kommer primært fra toalettet og det gjelder også smittestoffer Naturlig konsekvens: Separér toalett avløpet fra resten 34

35 69 Trenger vi et paradigmeskifte i den urbane håndteringen av vann Mindre bruk av vann fra begrensede kilder gjennom gjenbruk av vann Endringer i hvordan vi forvalter vannet og hvordan VA-infrastrukturen bygges opp ikke minst røropplegg i bygninger Mindre, kontrollérbare desentraliserte VA-system Lokal vannsyklus Separasjon av avløpsstrømmer Industriell/husholdning Toalett/vaskevann Snille stoffer/ Slemme stoffer Gjenbruk av snille stoffer Kontroll med slemme stoffer 70 NTNU konseptet - Serious Habitats Ekstern vannforsyning <10 % av det normale Nanofiltrering Mikro filtrering Analyse og kontroll Regnvannsoppsamling Mat, drikke og personlig vask Vask av klær, bolig og oppvask Spyling av toaletter Utendørsbruk Vanning, vask, spyling Strandinfiltrasjon Biol/kjem. rensing UF/UV Bioreaktor til organisk avfall Nødoverløp Bio-mold gjødsel Naturlig park med dam for biologisk omsetning, rekreasjon og vannlagring/utjevning 35

36 71 Hva med den bergenske vannforvaltning? 1. VA-systemer 2. Epidemier 3. Flommer 4. Vannmangel 72 Svartediket vannverk (1855) landets eldste 36

37 73 VA-systemene i Bergen Jordalsvatnet vba Svartediket vba Sædalen vba Kismul vba 74 Hovedledningsnettet

38 75 Store epidemier i Bergen Kolera, 1848 Giardia, 2004 Antall pasienter No. patients Giardiasis- - prøve MSIS registered tatt ved HUS - reg. mnd. Giardiasis- Hordaland clinical confirmed - innsykning januar Jan februar Feb Mar mars Apr april May mai Jun juni Jul juli august Aug Year 2004 Måned and 2005 (2004 og 2005) september Sep oktober Oct november Nov desember Dec januar Jan februar Feb Mar mars Apr april May mai Jun juni Jul juli august Aug september Sep oktober Oct november Nov desember Dec 76 Giardia-epidemien (2004) Antall Giardia-smittede: diagnosen giardiasis >200 fortsatt syke etter 2,5 år Forårsaket av kloakklekkasje Vannet desinfisert med klor som ikke er effektiv overfor Giardia Helsevernet ikke forberedt Epidemien kunne skjedd hvor som helst i Norge 38

39 77 Kunne risikoen vært forutsett? Typisk sesongvariasjon I råvannskvalitet Sammenbrudd av kildebarrieren finner sted hver høst Precipitation (mm) Color (mg Pt/l) Svartediket E.coli Tarlebø E.coli Mulen E.coli Precipitation (mm) : 85 regndager på rad Color (mg Pt/l, E.coli (no/100ml) jan 29-jan 26-feb 25-mar 22-apr 20-mai 17-jun 15-jul 12-aug 09-sep 07-okt 04-nov 02-des 30-des 78 Oppstuving m/oversvømmelser ved endret klima 30 års flommen 50 års flommen Lys lilla = 30 års dagens Mørk lilla = 30 års 2050 Lys orange = 50 års dagens Mørk orange = 50 års

40 Vannmangel i Bergen (2010)??? Vannforbruk ( gjennomsnittlig døgnforbruk ) og magasinreserver des mars 2010 Vannforbruk m3/døgn Resterende magasinvolum ( m3) Døgnforbruk Magasinreserve Uke nr 80 Takk for oppmerksomheten 40