Vann og avløp. Løsninger og strategier for fremtiden. Prof. em. Hallvard Ødegaard. Institutt for vann- og miljøteknikk, NTNU

Transkript

1 1 Vann og avløp Strategier for fremtiden Seminar Vannforeningen 20. mars 2013 Vann og avløp Løsninger og strategier for fremtiden Prof. em. Hallvard Ødegaard Institutt for vann- og miljøteknikk, NTNU

2 2 Den blå planeten Growth of Developing Countries to the economic levels of USA, EU and Japan may need 3 or 4 of the EARTH. Tambo, 2011

3 MTOE 3 De globale ferskvannsutfordringene Knapphet på vann Forurensning av vann Ubrukelig eller manglende infrastruktur Energi forbruket Urbanisering Energy consumption in millions TOE Urban befolkningsvekst Infrastructure Infrastruktur Pollution Forurensning x10 in 60 years Fresh Knapphet water på scarcity vann Coal Oil Gas Hydro Nuclear 232g CO 2 eq per kwh 282g CO 2 eq per kwh 416g CO 2 eq per kwh Source: Schilling & al + Observatoire énergie + AIE + BP Statistical review 2008 Alle utfordringene kan relateres til: Befolkningsveksten Tilgangen på vann Urbaniseringen Energiforbruket Klimaendringene Klimaendringene Tilgangen på ferskvann

4 4 Hvor har denne situasjonen bragt verden..? ~3 milliarder mennesker uten tilgang til drikkevann i hjemmet eller tett ved (45 %) ~ 4 milliarder mennesker uten kontinuerlig tilgang på drikkevann (60%) ~2,8 milliarder uten tilgang til do der de bor ~4.5 milliarder uten tilgang til avløpssystem (70 %) ~ 5.5 millliarder uten tilknytning til avløpsrenseanlegg (80%)

5 5 Addis Abeba, november 2010

6 6 Norge er i en helt spesiell situasjon i verden hva angår vann Vi har mye vann - ingen knapphet, men mye av vårt vann er fra naturens side ikke spesielt godt egnet som forsyningsvann Pga god tilgang på vann, sløser vi. Vi har mye lekkasjer og mye fremmedvann. Ledningssystemet er i forfall Vi har til dels gode resipienter noe som har ført til at vi har lagt oss på et lavt ambisjonsnivå mht rensing av avløpsvann Vi oppnår lite god VA per krone brukt Vi er i 2013 lite forberedt på fremtiden

7 7 Karakteristika: Dagens urbane VA-system Sentralisert, lineært system Kun én forsynings-kvalitet Infrastruktur i forfall Stor grad av kombinert system store ledninger Utsatt for urbane flommer Mange overløp Lite omfattende rensing Høy andel av total-kostn. til ledningsnett

8 8 Utfordringer på VA-sektoren 1. Endringer i by- og tettstedsutviklingen (miljø, økonomi og sosiale forhold) 2. Klimaendringer - VA-sektoren er spesielt utsatt 3. Aldrende VA-anlegg og tiltagende forfall truer tjenestetilbudet 4. Økende forurensningspress truer folkehelse og biologisk mangfold 5. Endrede myndighets- og brukerkrav til vannkvalitet og miljø, brukervennlighet, sikkerhet og beredskap

9 9 1. Endringer i byutviklingen pe/ha Area popul: 13.4 mill Byene sveller (og dermed også VA-systemene) Systemene forstørres i takt med forstadsutbyggingen 9 pe/ha Sentralisering og overforbruk kan føre til kapasitetsproblemer i sentrale strøk Blandingen av separate og kombinerte avløpssystem fører til forurensning forårsaket av de mange overløp pe/ha Area popul: 25.0 mill pe/ha Urban fortetning Mer av regnvannet legges i rør bekker forsvinner pe/ha Area popul: 36.0 mill Mer tette overflater raskere avrenning og flere urbane flommer 62 pe/ha

10 10 2. Klimaendringer Representerer en økende utfordring pga: Mer ekstreme regn kan forventes pga klimaendringene Større andel av tette flater gir større og mer intens avrenning Urbane flommer vil forekommer hyppigere Mer forurensning forårsaket av overløpsutslipp Alle disse problemene eskalerer pga en infrastruktur i forfall

11 11 3. Infrastruktur i forfall Lekkasjer og fremmedvann Tap av vann fra drikkevannsledninger (> 40% i noen norske byer) Fremmedvann (67 % i middel av 14 norske byer) Høyere driftskostnader Mer pumping Mer både vann og avløp må renses Gamle systemer resulterer i infrastruktur kollaps som resulterer i: Høye vedlikeholdskostnader Samfunnskritiske situasjoner Problemer for befolkningen

12 12 4a. Økende forurensningspress Kjemiske mikroforurensninger truer miljøet og folkehelsen Nye kjemiske mikroforurensninger : Rengjøringskjemikalier (f.eks. detergenter) Industrikjemikalier (f.eks. flammehemmere) Legemiddelrester (f.eks. hormonhermere) Personlig pleie produkter (f.eks. antioksidanter)

13 13 4a. Økende forurensningspress Patogene mikro-organismer truer folkehelsen Patogene mikroorganismer må håndteres Bakterier Virus Parasitter Smittepresset øker som følge av globalisering, «nye» mikroorganismer og klimaendringer

14 14 4c. Økende forurensningspress Overgjødsling og miljøgifter truer det biologiske mangfold Overgjødsling av vann-forekomstene Akkumulering av miljøgifter i næringskjeden Avrenning fra jordbruket

15 15 5a. Endrede myndighets- og bruker-krav Vern av vassdrag i det urbane miljø Vann til rekreasjon og trivsel i by

16 16 5b. Endrede myndighets- og bruker-krav Høyere ambisjoner Politikerne Ønskede endringer i urbane bosettingsmønster Økende forventning om gjenbruk samt energi- og karbonnøytrale løsninger Innbyggerne Kvalitetsmål (drikkevann, vann for rekreasjon) Gjenbruksmål Myndighetene Rammedirektivet Ambisjonsnivået i en bransje bestemmer i stor grad viljen og evnen til utvikling og innovasjon Eksempelvis forslag til ambisjon for avløpshåndteringen i 2025: Vannet som slippes ut skal ikke ha dårligere kvalitet enn det vannet det slippes ut i Renseanleggene skal være energi og karbon-nøytrale

17 17 Hvordan kan vi tenke nytt i VA bransjen 1. når teknologiene (tekniske innretningene) som benyttes er karakterisert av at de har levetider på år 2. når VA-bransjen (i likhet med de fleste infrastrukturbransjer) har overinvestert i teknologi som er gammeldags allerede i starten av sin levetid Husk: Mengden av teknisk informasjon som er frembragt etter 2003 er større enn all teknisk informasjon frembragt i historien før når brukerne av de alt for billige tjenestene ikke skjønner hva de oppnår med større utlegg 4. når innovasjonsiveren derfor er på et lavmål

18 18 Vi må tenke nytt!!! Vannforsyningen Sårbarhet og sikkerhet multiple barrierer Kilde/ nedslagsfelt Filtrering Desinfeksjon Tilsyn og kontroll Overvannshåndteringen Lokal, landskapsbasert overvannshåndtering Rensing av overvann og overløpsvann Avløpsrensingen Forurensningskontroll og gjenbruk Energisparing Rain Slambehandlingen Ressursgjenvinning Energi Fosfor Reservoir DW TP Sewer overflows CSO's DS TP Res Reservoir WR TP Res DW TP Systemvalget som sådant WW TP WW TP

19 19 Fargetall, mg Pt/l Fargetall, mg Pt/l Fargetall, mg Pt/l Vannforsyningen Farris, Larvik Utviklingen synes å gå i retning av: Økt innhold av humus Økt avrenning/økt innhold av patogener "Nye" hygieniske utfordringer (parasitter) Nye kjemiske forurensninger Mageparasitt herjer i Bergen En liten parasitt har invadert magen til mange bergensere. Parasitten gir ofrene mageknip og diaré. Flere har havnet på sykehus. Publisert: 02. nov. 2004, 10:59 23 tilfeller av positive giardiafunn i avføring fra pasienter i oktober Årstall 30 Rorevann, Arendal og Grimstad Årstall 90 Glomma, FREVAR Fredrikstad Årstall

20 20 Mikroforurensninger nye EU-krav? EC- No. Substance existing Proposed EQS µg/l DWD µg/l Ratio AA annual average MAC maximum allowable German Drinking Water standard DWO/EQS MAC DWO/EQS AA 6 Cadmium and its compounds 0,08 0,25 0,45 1,5 3 6,6-2 9a Cyclodien pesticides 0,01-0,1 10 9b DDT total Para-para DDT 0,025 0, (0,5) 0,1 14 Endosulfan 0,005 0,01 0, Hexachlorobenzene - 0,05 0, Hexachlorocyclohexane 0,02 0,04 0,1 2,5 21 Mercury and its compounds 0, ,3 28 Benzo(g,h,i)-perylene - 0,0082 0, Trichloromethane 2, Trifluralin 0,03-0,1 3,3 34 Dicofol 0,0013-0, Bifenox 0,012 0,04 0,1 2,5 40 Cybutryne 0,0025 0,016 0,1 6,25 41 Cypermethrin 0, ,0006 0, Dichlorvos 0,0006 0,0007 0, Heptachlor 0, ,0003 0,1 333 (20) 10 1 ng/l er sammenlignbart med tykkelsen av et riskorn (1 mm) i forhold til 1 mill km (25 jordrotasjoner) proposed (Harro Bode, 2012)

21 paracetamol (17:18) ibuprofen (44:47) naproxen (46:46) furosemide (18:18) atenolol (21:21) ketoprofen (46:46) metformin (6:11) metoprolol (23:23) hydrochlorothiazide (20:20) codeine (6:6) tramadol (3:3) oxazepam (30:30) losartan (6:6) phenazone (1:8) gemfibrozil (11:11) carbamazepine (15:15) simvastatin (2:21) diclofenac (45:47) ranitidine (13:20) budesonide (1:2) hydrocortisone (4:5) cetirizine (6:6) estriol (21:42) bezafibrate (5:8) isosorbide mononitrate (6:6) enalapril (15:18) citalopram (28:30) indometacin (1:8) propranolol (7:14) raloxifene (1:2) Clofibric acid (1:2) sertraline (12:28) mirtazapine (3:3) ketoconazole (4:5) zopiclone (6:18) amiloride (2:2) atorvastatin (6:6) clozapine (6:17) paroxetine (6:18) dextropropoxyphene (10:23) terbutaline (10:19) fenofibrate (1:8) norethisterone (21:42) ifosfamide (1:21) risperidone (3:17) salbutamol (8:18) amlodipine (5:5) bendroflumethiazide (2:2) felodipine (5:6) carvedilol (1:2) progesterone (17:30) propofol (6:15) estrone (4:4) zolpidem (6:17) fluoxetine (11:29) estradiol (22:42) ramipril (5:6) desloratadine (2:2) fluvastatin (1:2) mianserin (1:2) omeprazole (1:5) xylometazoline (4:5) warfarin (6:7) cyclophosphamide (5:22) tamoxifen (1:2) ethinylestradiol (6:41) fentanyl (1:17) diazepam (4:22) oxymetazoline (2:5) glibenclamide (3:3) Inkommande koncentration (ng/l) 21 Legemiddelrester i svensk avløpsvann (Falås, 2012) Ibuprofen (Betennelse) Paracetamol (smertestillende) Carbamazepin (epilepsi) Ranitidin (magesår) Diclofenac (smertestillende) Etinylestradiol (hormoner)

22 22 Reduktion (%) propofol (5:8) hydrochlorothiazide (11:11) dextropropoxyphene (5:11) sertraline (6:14) warfarin (5:10) mirtazapine (1:1) carbamazepine (10:10) ifosfamide (1:12) citalopram (14:15) tramadol (1:1) metoprolol (14:14) desloratadine (1:1) ranitidine (7:11) oxazepam (15:15) propranolol (5:10) diazepam (3:11) cetirizine (4:4) fluoxetine (5:15) glibenclamide (1:1) diclofenac (21:21) furosemide (10:10) progesterone (7:13) oxymetazoline (1:4) clozapine (4:9) atenolol (12:12) xylometazoline (3:4) zopiclone (4:10) ramipril (3:4) salbutamol (5:10) amiloride (1:1) felodipine (4:5) terbutaline (6:11) gemfibrozil (7:7) omeprazole (1:4) bezafibrate (5:7) cyclophosphamide (5:13) amlodipine (4:4) bendroflumethiazide (1:1) Clofibric acid (1:2) isosorbide mononitrate (4:4) codeine (4:4) zolpidem (6:10) losartan (4:4) ketoprofen (20:20) fenofibrate (1:6) simvastatin (1:12) ethinylestradiol (3:18) estradiol (9:19) norethisterone (8:18) estrone (2:2) raloxifene (1:1) ketoconazole (2:4) hydrocortisone (3:4) naproxen (21:21) metformin (3:5) atorvastatin (4:4) enalapril (10:10) risperidone (1:10) ibuprofen (21:21) estriol (9:18) paroxetine (3:11) paracetamol (10:10) Reduksjon av legemiddelrester i svenske RA Falås, 2012

23 23 Krav til organiske mikroforurensninger (OMF) i Sveits I Sveits går man nå (beslutning i Parlamentet ventes våren 2013) inn for at alle anlegg > pe, alle > pe med utslipp til innsjøer og alle > pe med utslipp til elver med fortynning < 10 % skal fjerne OMF (utvalgte stoffer) fom 2014 eller 2015 Dette skal skje ved ozonering og/eller aktivkull (PAC) Kostnaden for rensingen vil i middel stige fra ca 0,7 CHF/m 3 (4,3 NOK/m 3 ) til 0,75 1,0 CHF/m 3 (4,6 6,0 NOK/m 3 ), dvs i middel 25 % For Sveits vil dette føre til en ekstra økning av kostnadene til kommunal rensing med ca 130 mill CHF (795 mill NOK/år), dvs vel 100 NOK per innbygger per år

24 24 Overvannshåndtering Åpne vannveier i urbane strøk Vanlig fremgangsmåte nå: Gjør rørene større Ny fremgangsmåte: Fjern overvannet fra avløpsledningene Sentralisert, rørbasert tilnærming Desentralisert, landskaps-basert tilnærming

25 25 Prinsipper for LOH Unngå overvann til avløpsnettet om mulig Infiltrer, forsink og fordrøy Sikre trygge flomveier Utnytt konstruerte vannverier også som en del av behandlingssystemet Rens om nødvendig overvannet/overløpsvannet

26 26 Rensing av overløpsvann og overvann Fremtidsfokus på: Fosfor Partikkelseparasjon Patogene organismer Mikroforurensninger Svanemøllebugten overvannsanlegg, CPH Overløpsvann: Billigere med omfattende fysisk/kjemisk rensing av overløpsvannet enn omfattende biologisk/kjemisk rensing av mest mulig av avløpsvannet

27 27 Bruk av gater, parkeringsplasser, fordypninger til fordrøyning og behandling Normalt regn Ekstrem regn Portland, Oregon (A. Backhaus) Normalt regn Ekstrem regn København Berlin M. Bergen Jensen, 2012

28 28 Bruk av grønne tak (Schmidt, 2010) Grønne tak demper avrenningsintensiteten og virker avkjølende pga økt fordampning -

29 29 Utvikling av renseteknologiene Kompakte renseteknologier Fysisk/kjemiske såvel som biologiske Biofilm I stedet for, eller i kombinasjon med, aktiv slam Filtrering eller flotasjon i stedet for sedimentering Coagulant DAF O 3 /UV MBBR UF/MF Avanserte partikkel separasjonsteknologier Mikrosiling Mediafiltrering Membranfiltrering MF,UF,NF,RO Teknologier for patogen-fjerning Desinfeksjonsteknologier (UV, O 3 etc) Avansert partikkelseparasjon Avanserte oksidasjonsteknologier UV, O 3, H 2 O 2, UV/O 3, UV/H 2 O 2 etc.

30 30 Eksempel: Membran filtrering Omvendt osmose (RO) (< 1 nm) Separasjon av ioner Avsaltning Nanofiltrering (NF) (< 10 nm) Separasjon av virus og store molekyler Ultrafiltrering (UF) (< 100 nm) Separasjon av bakterier og kolloidale partikler Mikrofiltration (MF) (< 1000 nm) Separasjon av parasitter og flokker

31 Specific Energy Demand (kwh/m 3 ) 31 Vil membran-bioreaktorer revolusjonere avløpsrensingen? Deres fremtid vil avhenge av om vi karer å bringe energiforbruket ned på akseptable nivå (SED < 1 kwh/m 3 ) MBR A (Zenon) 1,440 m3/d MBR B (Puron) 14,250 m3/d MBR C (Puron) 1,750 m3/d MBR D (Zenon) 3,000 m3/d 3 a. MBR med dykkede membraner 2 1 b. MBR med nedstrøms membraner 0 0% 20% 40% 60% 80% 100% Utilisation Capacity (Real flow / Nominal flow) Source: 4 recent MBR operated by Veolia in France Lesjean et al., MBR-Network, 2009

32 32 Slamhåndteringen Fremtidsfokus på bruk og gjenvinning av ressurser: Energi Biogass Varme Elektrisitet Optimalisering av gass-utbyttet Næringsstoff Fosfor Fosforgjenvinning Bruk i jordbruket Bruk i jordbruket direkte Gjenvinning fra slam Kersti Linderholm - PhD - SLU Alnarp : Den beste måten (økonomisk, ressursmessig og miljømessig) å gjenvinne fosfor på, er å bruke slam i jordbruket

33 33 Produksjon av gjødsel Bio-pellets (Minorga)-produksjon ved SNJ, Stavanger, Norge o 50 % tørket slam og 50 % tilsettingstoffer ( N og K) MAP (struvitt) (magnesiumammoniumfosfat) Kalsiumfosfat (apatitt) Næringsinnhold ( vektprosent) Total P 2,0-3,0 P-AL 0,10-0,20 Total N 3,0-4,0 Kalium 0,10 0,20 Ammonium 0,20-0,35 Nitrat + nitritt 0,0001-0,0015 Gjenvinning av fosfat fra forbrenningsaske Gjenvinning av fosfat fra slam gjennom ekstraksjon vha syre/trykk/varme CAMBI, KREPRO, AquaReci etc.

34 34 Bruk av slam i bygningsmaterialer Bruk av slam i Japan en betydelig fraksjon ender opp i bygningsmaterialer X 1,000,000 kg DS year Amount of sludge reused Portland cement Other building materials Agricultural use total 1990 year 2001

35 35 Energi og karbon-nøytralitet Stort potensiale for energi-gjenvinning og ikke minst energisparing i VA sektoren: Energigjenvinning fra slam biogassproduksjon forbrenning fra vann - varmepumper via vannturbiner Konsentrert slam (4 %) til biogassanklegg Koagulant Termisk hydrolyse sludge heater Biogass-anlegg scum layer gas storage gas storage supernatant super- layer natant digested sludge return sludge stabilised sludge Carbon Sludge Hydrocyclon Microsand M M M Coagulant Inlet Gassmotor M El Outlet Injection Flocculation Coagulation Lamella- - Polymer sedimentation Fin-sil DAF Kombinert for- og etter-dn MBBR Flokkulering/sedimentering eller Actiflo Filtrering Energisparing 5 min 20 min Energiforbruket til vannforsyning dobbelt så stort i Norge som i DK og 25 % høyere enn i Sverige Energiforbruket til rensing av avløpsvann kun 15 % av hva det er i Sverige og 37 % av det i Danmark Det karbon-nøytrale renseanlegget er fullt mulig 3 hrs 20 min (ved Actiflo) 20 min

36 36 Systemeendring Fra: En endring basert på: Mindre forbruk av vann Lokal oppsamling og gjenbruk av vann Mindre, semisentraliserte VA-system Lokal vannsyklus Til: Separasjon av avløpsstrømmer Flerkvalitetssystem Sanntidsstyring av VA-tjenestene Endringer i røropplegg og -systemer

37 37 Integrert behandling på distrikt/tettsteds - nivå Integrerte semi-sentraliserte løsninger, derfor: Fokus på mindre anlegg Kompakte enheter Hvert distrikt har sitt eget Behandlings- og energisenter Bruk av vann og fornybar energi koples Waste treatment and energy recovery unit Control center and WWT unit Solar panels Potable water treatment unit Greywater treatment unit

38 38 Er egentlig anleggstørrelsen avgjørende for kostnaden? Inflytelse av størrelse på erstatning av renseanlegg i Sveits (Maurer,2011) Erstatningsverid av kombinerte avløpsledninger i Sveits (Maurer,2011) Sentralisert Semi-sentralisert

39 39 The Smart Water Community Concept (SWCC): Vann-tilførsel < 30 % normalt forbruk DVRA GBRA Drikke, matlaging, personlig hygiene Vasking og rengjøring GVRA Organisk kjøkken avfall Overvåkning og kontroll Toalettspyling SVRA Oppsamling av regnvann/overvann Utendørs bruk, vanning Infiltrasjon Varmepumpe Energi gjenvinn Bio-jord gjødsel Nødoverløp Park med konstruert reservoar/dam for lagring, selvrensing og rekreasjon H. Ødegaard, 2012

40 40 The Pulpit, Lysefjord, Norway Er vi modige nok til å ta spranget inn i den nye VA-alderen? Takk for oppmerksomheten!