De globale ferskvannsressursene og avløpshåndteringen Prof. Hallvard Ødegaard Institutt for vann- og miljøteknikk, NTNU hallvard.odegaard@ntnu.no 1
(m illion) 12000 世 界 10000 8000 6000 4000 2000 0 2 BC 400 BC 200 AD 1 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200
3
4 Global oppvarming
Økende mangel (Scarcity < 1.000 m 3 /person.år) og knapphet (Stress: 1.000-1700 m 3 /person.år) 5
Sanitær-forholdene i verden 6 < 50 % med akseptabel kloakkløsning ca 3 milliarder mennesker WHO - UNICEF (2004)
7 Svært mange fokuserer på vann- og kloakk utfordringene på landsbygda
Jeg tror den største utfordringen ligger i den økende urbaniseringen 8
Urbaniseringen i verden 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % 1950 1990 2030 Innen 2035 vil 60 % av verdens befolkning bo i store byer 9 World Watch Institute 2007: > 50 % bor allerede i byer
10 Byer mer > 1 mill innbyggere
Antall byer over 5 mill innbyggere i 1950 1950 11 Data source: U.N. Population Division
Antall byer over 5 mill innbyggere i 2015 2015 12 Data source: U.N. Population
13 Utvikling av megabyer skjer primært i land under utvikling
14 Veksten i den urbane befolkning
Tilgang til vann og avløp (eksempler) DELHI CITIES BY CONTINENT: ACCESS TO SEWERAGE AND PIPED WATER SYSTEMS North America Tashkent Shanghai Hong Kong Chengdu Seoul Osaka CENTRAL ASIA CHINA EAST ASIA Europe Ulanbaatar Kathmandu Karachi Piped water system Latin America, Caribbean Water Sewer Dhaka Delhi Colombo Sewerage SOUTH ASIA Asia Vientiane Phnom Penh Manila Africa Kuala Lumpur Jakarta SOUTHEAST ASIA 15 0 20 40 60 80 100 Ho Chi Minh City 0 20 40 60 80 100
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 16
Eks: Jakarta 2000 12.3 millioner offisielle innbyggere Mindre enn 2% er knyttet til avløpsnett (2001), > 1 million septik tanker med utslipp til grunnen, 20% av befolkningen bruker utedo (pit latrines) 2025 Avløpsvannet forsvinner i grunnen og havner i grunnvannet som benyttes til vannforsyning (drikkevann) 17 Overutnyttelse av grunnvann forårsaker senkning av grunnvannsnivået og gir saltvannsinntrengning
Eks: Mexico City 20-24 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 2000 18 5-7 % av innbyggerne må kjøpe vann fra lastebiler
Mexico City: Ikke bærekraftig Mexico city ligger på en høyslette i et vukankrater Mexico City på Inka-tiden hadde allerede da ca 1 mill innbyggere 19
Vann og avløp i Mexico City Mezquital Valley uten vanning Vannforbruk: 60 m 3 /sek Avløp : 45 m 3 /sek. Avløpet pumpes ut av byens nedslagsfelt og renner mot den Mexikanske 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 20
Eks: Melbourne/Australske storbyer I 2005/06 opplevde Victoria sitt 10 de år med nedbør under normalen Elvene førte bare 55 % av normalvannmengden I Juni 2006 var de 5 reservoirene < 10 % full og i mai 2007 nesten tom 21
Hvordan kan utfordringene knyttet til ferskvannsmangel i sterkt urbaniserte områder 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 22
23 Løsning 1: Bruk av fjerntliggende kilder Eksempel: Vannforsyningen til California
24
25 Kina s sør-til-nord vannprosjekt (SNWTP)
De tre vannveiene i SNWTP 26 West route Middle route East route
Løsning 2: Avsaltning av havvann To aktuelle teknologier: Destillasjon Omvendt osmose (RO) Omvendt osmose er en membranfiltreringsteknologi 27
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 28
Den 3. løsning Gjenbruk av renset avløpsvann Ressurser i avløpsvann 1. Vannet selv Irrigation Urbane parklandskap Gjenbruk i industri Gjenbruk for forsyningsvann 2. Stoffer i vannet Næringsstoffer (C,N,P) Karbon til energiproduksjon (biogass, biobrensel) Koagulantgjenvinning (Al, Fe) 29 3. Varmen i vannet Energi til oppvarming
Naturlig elv Koagulering + Sedimentering Overføring i krtiske situasjoner Drikkevannbehandlingsanlegg UF+NF DRIKKEVANNSFORSYNING Byområde Kloakkrensing med avanserte metoder Avløp Tertiærrensing+UF GJENBRUKT VANN FORSYNING KUNSTIG INNSJØ Kvalitets og kvantitetsbuffer Vannkvalitetsovervåking Gjenvinningsanlegg RO (avsalting) Drain UF-membran 30
Renset avløpsvann til vanning China & S Asia: Water withdrawals - agriculture, industry & domestic 0% 20% 40% 60% 80% 100% China Bangladesh India Nepal Pakistan 31
Renset avløpsvann til urbane formål Renset avløpsvann til toalett-spyling i doble avløpssystemer To fremgangsmåter: et system for hele byen lokale, småskala system 32
Gjenbruk av renset avløps- vann i Tokyo Resirkuleringsanlegg for bydelen Shinjuku i Tokyo 33
34 Renset avløpsvann til urbane formål Parkanlegg og landskaps- utforming
35 Renset avløpsvann til urbane formål Vasking og spyling
Renset avløpsvann til industriformål Gjenbruk innen industrien selv Gjenbruk av renset kommunalt avløpsvann innen industri: vann til kjølevannsystemer vann til dampkjeler prosessvann til produksjon 36
Renset avløpsvann til drikkevannsforsyning Grunnvannsgjenvinning Groundwater recharge by surface spreading Bruk direkte til drikkevann Recharge Basin Well Drikkevanns behandling Avløpsrensing 37 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
Drikkevann fra avløpsvann Eksempel: Windhoek, Namibia 38
Utfordring: Hygienisk forurensning Patogene bakterier Virus Klorresistente parasitter 39
Utfordring: Organiske mikroforurensninger Hormonhermere (Endocrine Disrupting Compounds) Aktive farmasøytise stoffer (medisinrester) Personlig pleie produkter 40 Courtesy of Dr. Shane Snyder, Southern Nevada Water Authority
Vannkvalitet Vannkvalitetsendringer gjennom rensing Drikke vann Nytt vann Naturlig vann Gjenvunnet vann Renset avløpsvann Avløpsvann 41 Tid
Renseteknikk for gjenbruk 1. Tradisjonell avløpsrensing (tertiærrensning) Fjerning av suspendert stoff Fjerning av organiske stoff Fjerning av næringsstoffer 2. Gjenvinningsanlegg (water reclamation) Bedre fjerning av partikler Bedre fjerning av patogener Bedre fjerning av organiske mikroforurensninger 3. Behandlingsanlegg for drikkevannsforsyning ( Nytt vann ) Behandling for å klare standardene for drikkevannskvalitet 42
Membran filtrering Nøkkelteknologi for rensing av avløps-vann til gjenbruk Konsentrat membran Fase 1: Fase 2: Råvann Permeat Renset vann Råvann Permeat Drivende kraft; C, P, T, E Membranfiltrering brukes til separasjon av: 43 Salt/ioner Naturlig organisk stoff (NOM) Organiske mikroforurensninger Partikler/kolloider Koagulaterte partikler/fnokker Biomasse Patogener
44 Ulike membranfiltreringsteknologier definert av membranens poreåpning og trykket over den
45 Membranfilter materialer Nanoteknologi
Membran filtreringsteknologier Omvendt osmose (< 1 nm) Fjerning av ioner Avsaltning 46
Membran filtreringsteknologier Reverse osmosis (<1 nm) Removal of ions Desalination Nanofiltrering (< 10 nm) Fjerning av molekyler NOM Organiske mikroforurensninger Separasjon av virus 47 Mer enn 100 drikkevannsanlegg i Norge benytter nanofiltrering for fjerning av humus (myrfarge) i vann
Membran filtreringsteknologier Reverse osmosis (<1 nm) Removal of ions Desalination Nanofiltration (< 10 nm) Removal of molecules (NOM) Separation of virus Ultrafiltrering (< 100 nm) Fjerning av kolloider Separasjon of bakterier 48
Membran filtreringsteknologier Reverse osmosis (<1 nm) Removal of ions Desalination Nanofiltration (< 10 nm) Removal of molecules (NOM) Separation of virus Ultrafiltration (< 100 nm) Removal of colloids Separation of bacteria 49 Mikrofiltrering (< 1000 nm) Fjerning av partikler/fnokker Separasjon of parasitter Keramiske membraner synes ha et stort potensial
Forventet utvikling mht vannkilder i verdens megabyer Source: Megeacity Challanges, The Economist Intelligence Unit, commissioned by Siemens AG, 2007. 50 World Bank estimerer investeringer på 400 600 milliarder $ i de neste 10 år
Viktige forhold å huske på i relasjon til gjenbruk av avløpsvann 1. Langt det største vannbehovet er til vanning drikkevannskvalitet er ikke alltid nødvendig 2. Gjenbruk i industrien kreves som oftest ikke drikkevannskvalitet 3. Gjenbruk til urban landskapspleie kan brukes som mellomstasjon før andre former for gjenbruk 51 4. Vi har i realiteten praktisert indirekte gjenbruk av avløpsvann i årtier (Rhinen, Donau, Mississipi, Themsen, Glomma etc)
Vannforsyningen til San Diego En radikal omlegging må til i løpet av de neste 10 år 2000 2020 MWD 84% Ground Water 3% Surface Water 11% Transfers 25% Other Imported 11% Ground Water 7% Surface Water 11% 52 Recycling 2% MWD 36% Recycling 7% Seawater Desalination 3%
Orange County Water District http://www.ocwd.com/ Energiforbruk for forsyning av ferskvann til Orange County Vannkilder Energi behov (kwh/m 3) Avsaltning av havvann 3.5 4.0 State water project 2.62 Colorado River 1.82 Groundwater Replenishment System (GWRS) 1.19 53
54 Kostnaden til vannforsyning er uløselig knyttet til energibruk
Tiltak i Australia s byer Perth Avsaltning Gjenbruk av avløpsvann Sidney Avsaltning Gjenbruk av avløpsvann Vil forsyne 17 % of Perth s behov Maks kapasitet: 250.000 m 3 /d Vindmøller dekker hele energibehovet Brisbane Avsaltning Gjenbruk av avløpsvann 55 Melbourne Avsaltning Gjenbruk av avløpsvann
Eksempel: Singapore - et land med vannunderskudd Shortage of water Land Area 680 km 2 Population 4.2 mil Average Annual Rainfall 2400 mm Water Demand 1.3 mil m3 per day (approx 300 mgd~ 550 Olympic pools) 23 km Supply of Water and Modern Sanitation 100 % 42 km 56 Unaccounted for Water 5%
57
Man bygger et brakkvannsreservoir midt i byen Marina Barrage Marina Barrage Marina Centre Sports Hub Marina East IR BFC Marina Barrage 58 Marina South Pier Straits of Singapore
De 3 målene med demningen Vannforsyning basenget omvandles til et ferskvannsreservoir 59 Flom kontrol kontroll av springflo, stabiliserte vann nivåer Vann- og fritidaktiviteter i byen ferskvannsinnsjø med mange aktiviteter på land og til vanns downtown Singapore
Elementer i Singapore s vanngjenvinningssystem Rain Sea Direct Non- Potable Use 60
Prosessene i NeWater anleggene Renset avløpsvann NeWater Industriell bruk og indirekte til drikkevann MF Omvendt osmose (RO) 61 UV
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 to-stegs 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
AquaMiner Sewer Mining 200 micron sil Mikrofiltrering Omvendt osmose Råkloakk CMF inn tank RO inn tank fra avløpsledning Silgods tilbake til avløp CMF spylevann til avløp RO konsentrat tilbake til avløp Høy kvaliets vann Avløpsledning 63
Byenes infrastruktur (VA)-problemer 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 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: 40-50 % Kostnadene til vedlikehold øker. 65 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
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 66 gjenvinne og bruke de snille stoffene
Eksempel: Bidraget fra toalettet Næringsstoffene i kloakken kommer primært fra toalettet og det gjelder også smittestoffer 67 Naturlig konsekvens: Separér toalett avløpet fra resten
Det vi trenger er altså. Mindre bruk av vann fra begrensede kilder gjennom gjenbruk av vann Endringer i hvordan vi forvalter vannet og hvordan VAinfrastrukturen bygges opp ikke minst røropplegg i bygninger Mindre, kontrollérbare desentraliserte VA-system Lokal vannsyklus 68 Separasjon av avløpsstrømmer Industriell/husholdning Toalett/vaskevann Snille stoffer/ Slemme stoffer Gjenbruk av snille stoffer Kontroll med slemme stoffer
Vårt konsept - 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 69 Naturlig park med dam for biologisk omsetning, rekreasjon og vannlagring/utjevning
70
UTFORDRENDE, SPENNENDE, KREVENDE Det vil bli svært krevende og løse ferskvannsutfordringene i verdens storbyer Arbeidet med disse spørsmålene er utfordrende og spennende Det trengs nye visjoner og nye krefter for å implementere dem Utvikling av ny vannbehandlingsteknologi står helt sentralt 71
Takk for oppmerksomheten 72 Adapted from Du Pont PERMASEP