Εναλλακτικά συστήματα διαχείρισης αστικών υδατικών πόρων

Abstract

Η αύξηση του πληθυσμού και της υδατικής ζήτησης στις πόλεις και η ρύπανση των υδατικών πόρων, έχουν οδηγήσει πολλά κράτη του ανεπτυγμένου κόσμου στην ανάπτυξη εφαρμογών αξιοποίησης βρόχινου νερού, είτε εφαρμογών επαναχρησιμοποίησης λυμάτων ή γκρι νερού, είτε σε κεντρικό, είτε σε αποκεντρωμένο επίπεδο. Στη βάση του ευρύτερου πλαισίου της ολοκληρωμένης διαχείρισης αστικού νερού, τα αποκεντρωμένα συστήματα αρχίζουν και παρουσιάζουν κάποια σημαντικά πλεονεκτήματα έναντι των συμβατικών κεντρικών συστημάτων. Συνήθως το νερό της βροχής στις στέγες είναι καλής ποιότητας, ενώ ο ρυθμός παραγωγής διαθέσιμου νερού εξαρτάται μεταξύ άλλων και από κλιματικούς παράγοντες. Αντιθέτως, η παραγωγή γκρι νερού είναι σταθερή κι εξαρτάται από τις συνήθειες κατανάλωσης των κατοίκων. Ο απαραίτητος όγκος των δεξαμενών γκρι νερού είναι μικρότερος. Το νερό που καταναλώνεται κατά τη χρήση της τουαλέτας εκτιμάται να αποτελεί περίπου το 30% επί της συνολικής κατανάλωσης, ενώ κάποιες μέσες καταναλώσεις που έχουν αναφερθεί κυμαίνονται μεταξύ 21-33 L/άτομο/ημέρα. Για κάθε αστικό υδατικό σύστημα ευρείας εφαρμογής είναι απαραίτητη η εκτίμηση και διαχείριση του κινδύνου για την υγεία, αλλά και για το περιβάλλον. Το πλαίσιο της Στοκχόλμης περιλαμβάνει τις διαδικασίες του εντοπισμού, της εκτίμησης και του χαρακτηρισμού του υπαρκτού κινδύνου, της εκτίμησης του αποδεκτού κινδύνου, τη θέσπιση στόχων για την κατάσταση της δημόσιας υγείας και τις ενέργειες της διαχείρισης, που περιλαμβάνουν την αποτύπωση κρίσιμων σημείων ελέγχου, τη λήψη προληπτικών μέτρων και την παρακολούθηση της λειτουργίας και τον έλεγχο των αποτελεσμάτων του συστήματος. Η ποιότητα του γκρι νερού είναι κατά πολύ καλύτερη από αυτή των μεικτών λυμάτων. Το γκρι νερό συνεισφέρει περίπου το 10% της συνολικής ποσότητας αζώτου στο μεικτά λύματα, το 10-30% του συνολικού εισερχόμενου φωσφόρου και το 50% της άμεσα αποικοδομήσιμης οργανικής ύλης. Ωστόσο οι συγκεντρώσεις του COD είναι σημαντικές λόγω της χρήσης απορρυπαντικών πιάτων και ρούχων. Το γκρι νερό μπορεί να διαχωριστεί ανάλογα με την προέλευσή του στα απόνερα του μπάνιου, του πλυντηρίου ρούχων και της κουζίνας. Τα απόνερα της κουζίνας συχνά αποφεύγεται να συγκαταλέγονται ως γκρι νερό λόγω της αισθητά χαμηλότερης ποιότητάς των (οργανικό φορτίο, αιωρούμενα στερεά, άζωτο), ενώ το νερό του μπάνιου παρουσιάζει την καλύτερη ποιότητα. Οι βασικοί κίνδυνοι για την υγεία, από την επαναχρησιμοποίηση του γκρι νερού, εντοπίζονται στην ύπαρξη παθογόνων, που προέρχονται κυρίως από την κοπρανική ρύπανση του γκρι νερού, η οποία βέβαια είναι μικρότερη από αυτή των μεικτών λυμάτων. Ως βακτηριακός δείκτης συνηθίζεται να χρησιμοποιείται το βακτήριο E.coli. Οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις σχετίζονται κυρίως με την υποβάθμιση της ποιότητας του εδάφους. Πολλά μέτρα μπορούν αν ληφθούν για την προστασία από τα παθογόνα, μεταξύ αυτών και τεχνικά μέτρα επεξεργασίας. Οι μέθοδοι επεξεργασίας χωρίζονται σε μεθόδους φυσικής, χημικής και βιολογικής επεξεργασίας. Τα συστήματα φυσικής επεξεργασίας χρησιμοποιούνται συνήθως για μεγαλύτερη διαύγεια, όμως δεν επαρκούν από μόνα τους. Οι χημική επεξεργασία μειώνει επιτυχώς τα αιωρούμενα στερεά, αλλά οι βιολογικές διαδικασίες κρίνονται ως οι πιο αποτελεσματικές (RBC, MBR, τεχνητοί υγρότοποι). Σχεδόν πάντοτε υπάρχει ένα στάδιο μετεπεξεργασίας με στόχο την απολύμανση. Η κοινωνική αποδοχή είναι κρίσιμος παράγοντας για τη βιωσιμότητα ενός εναλλακτικού υδατικού συστήματος. Στην παρούσα εργασία αναφέρεται μία μεθοδολογία για την εκτίμηση του μεγέθους αυτού. Ένας τρόπος μέτρησής του είναι με τη βοήθεια των δεικτών WTU, WTP. Σε γενικές γραμμές οι ανεπτυγμένες κοινωνίες φαίνεται να αποδέχονται την πρακτική αυτή, όμως κρίσιμος παράγοντας αναδεικνύεται η αποτελεσματικότητα του συστήματος και η μη πρόκληση αισθητών προβλημάτων. Η ενέργεια και το κόστος είναι δύο ακόμη σημαντικοί παράγοντες βιωσιμότητας. Το μεγαλύτερο μερίδιο στην κατανάλωση ενέργειας στα συμβατικά συστήματα το καταλαμβάνουν τα στάδια της επεξεργασίας και της άντλησης. Στα συστήματα επαναχρησιμοποίησης γκρι νερού η ενεργειακές απαιτήσεις ενός τυπικού αντλιοστασίου κυμαίνονται 1 ÷ 3 kWh/m3, ενώ γενικώς απαιτούνται περίπου 1,84 ÷ 3,7 kWh/m3 για τη συνολική λειτουργία. Το κόστος των συστημάτων επαναχρησιμοποίησης μετριάζεται με τα οφέλη, τα οποία μπορεί να είναι άμεσα ορατά, μπορεί όμως να είναι και έμμεσα και να μην γίνονται αντιληπτά. Έχει γίνει φανερό ότι με τη συμμετοχή αρκετών οικιστικών μονάδων σε κοινό σύστημα γκρι νερού μπορούν να μειωθούν σημαντικά τα κόστη κεφαλαίου και λειτουργίας και να επιτευχθεί αρκετά γρηγορότερα η απόσβεση. Το κόστος κεφαλαίου για συστήματα RBC κυμαίνεται περίπου 400 ÷ 1650 (US) $ ανά διαμέρισμα, ενώ για συστήματα MBR 800 ÷ 4600 (US) $ ανά διαμέρισμα. Κάποια ανεπτυγμένα υπολογιστικά προγράμματα προσομοίωσης είναι τα Aquacycle, UVQ, UWOT, Switch CWB. Το πρόγραμμα UVQ αποτελεί την εξέλιξη του Aquacycle και επιτρέπει εκτός της προσομοίωσης του αστικού υδατικού κύκλου και την προσομοίωση του ρυπαντικού φορτίου και του ρυπαντικού κύκλου. Επιπλέον επιτρέπονται περισσότεροι συνδυασμοί ύδρευσης και αποχέτευσης μεταξύ των διάφορων ροών. Το UWOT είναι πιο φιλικό στο χρήστη λόγω του περιβάλλοντος Excel και εκτός από την ποσότητα και ποιότητα του νερού προσομοιώνει και άλλους παράγοντες βιωσιμότητας όπως η κοινωνική αποδοχή, ο κίνδυνος για την υγεία, η χρήση γης… Ένα βασικό πλεονέκτημα του Switch CWB είναι η δυνατότητα προσομοίωσης και των εποχιακών μεταβολών της κατοίκησης μίας περιοχής, το οποίο είναι πολύ χρήσιμο για την προσομοίωση τουριστικών περιοχών για παράδειγμα. Το πρόγραμμα UWOT εφαρμόζεται σε μια μελέτη περίπτωσης για το ελληνικό νησί «Αγκίστρι». Αρχικά προσομοιώνεται η υπάρχουσα κατάσταση κι έπειτα μελετώνται άλλα τρία εναλλακτικά σενάρια του αστικού υδατικού συστήματος. Στο 1ο εισάγουμε «έξυπνες συσκευές», στο 2ο γίνεται κεντρική επαναχρησιμοποίηση γκρι νερού και κεντρική αξιοποίηση βρόχινου νερού. Στο 3ο υιοθετούνται τοπικά (onsite) συστήματα βρόχινου νερού και τοπικά συστήματα γκρι νερού για τις ξενοδοχειακές μονάδες. Η μεγαλύτερη κεντρική δεξαμενή διαστασιολογήθηκε 2970,6 m3, ενώ η μεγαλύτερη τοπική δεξαμενή διαστασιολογήθηκε 9,96 m3 και αντιστοιχεί σε παραθεριστική κατοικία. Για τους μόνιμους κατοίκους η ατομική κατανάλωση από 162,32 L/ημέρα/κάτοικο μπορεί να μειωθεί σε 85,35 L/ημέρα/κάτοικο με το 1ο σενάριο, σε 37,04 L/ημέρα/κάτοικο με το 2ο σενάριο και σε 68 L/ημέρα/κάτοικο με το 3ο. Για όλο το νησί μπορεί να επιτευχθεί μείωση της κατανάλωσης πόσιμου νερού κατά 44,9% με το 1ο σενάριο, κατά 71,2% με το 2ο και κατά 61,9% με το 3ο εναλλακτικό σενάριο. Βέβαια, το κόστος του 2ου σεναρίου είναι δυσανάλογα μεγαλύτερο. Με την υπόθεση ενός επιτοκίου 2%, υπολογίζεται ότι το 1ο σενάριο μπορεί να αποσβεστεί σε 6 έτη, το 2ο σενάριο εκτιμάται ότι δεν δύναται να αποσβεστεί και το 3ο σενάριο σε 36 έτη.

In this study there are introduced some alternative urban water systems, that aim to reduce the potable water consumption. Contrary to conventional urban water management, alternative urban water systems' target is to reclaim part of urban wastewater, or part of urban stormwater. So we have greywater reuse systems and rainwater harvesting systems. As alternative systems, there are also introduced systems in a local or domestic level. All these are based in the general framework of integrated urban water management, in which urban water systems are viewed in terms of sustainability. Then, there is given more emphasis in greywater reuse systems. Greywater is the domestic wastewater except the water from the toilet. It is often used for gardening, toilet flushing, or household cleaning. The water needed for toilet flushing is estimated about 30% of total indoor consumption, about 21-33 L/capita/day. More extensively is discussed the area of risk assessment and risk management for these systems. The wastewater from the bathroom, except the waste from the toilet, is considered to be of better quality compared to the waste from the laundry and the kitchen. The main danger is considered to be the microbial contamination. E. coli is used as a bacterial indicator. The main categories of greywater treatment systems are the systems of physical treatment, systems of chemical treatment and systems of biological treatment. Biological treatment gives higher quality outflows and some biological greywater systems are RBC, MBR and Constructed Wetlands. But in order to investigate the sustainability of greywater systems, some of the chapters are devoted to the social acceptability, to energy consumption and to the economic cost. Social acceptability is often estimated through the use of WTU and WTP metrics. One of the critical issues for the society's acceptability is the effective functionality of the systems. The operational energy consumption of greywater systems is estimated 1.84 - 3.7 kWh/m^3 and the capital cost of these is estimated 400 -1650 (US)$/flat for the RBC systems and 800 - 4600 (US)$/flat for the ΜΒR systems. The lower values correspond to systems in cluster level, which means that groups of flats are combined in a single system. Some models for the simulation of urban water cycle are Aquacycle, UVQ, UWOT and Switch CWB. UVQ is developed in the basis of Aquacycle, but it can also simulate the cycle of pollutants and not only the cycle of the water volumes. Additionally, more combinations between water supply, wastewater and stormwater flows can be made. UWOT is a decision support tool. It is friendlier to the user because of the Excel interface and it helps the decision maker to compare different scenarios of an urban water system, in relation to both quantitative and qualitative issues, such as health, land use, acceptability… Switch CWB is a new developed model, which is based on all the previous and some more models. One of its advantages is that a seasonal variation of the population can be simulated, which is useful for the simulation of tourist places. In a case study that is referred to the Greek island of Agistri, at first it is simulated the present situation and afterwards, three alternative scenarios where compared. In the first scenario there are inserted appliances that result in using less water, in the second scenario there are used greywater recycling and rainwater harvesting systems, in a central level, whereas in the third scenario there are used rainwater harvesting systems for the residents and greywater recycling systems for the hotels, in a local level. The largest tank was sized 2970.6 m3, whereas the largest local tank was sized 9.96 m3 and corresponds to the summer residents. According to the simulation, for the permanent residents the potable water consumption per capita can be reduced from 162.32 L/capita/day to 85.35 L/capita/day in the 1st scenario, 37.04 L/capita/day in the 2nd scenario and 68 L/capita/day in the 3rd scenario. In the whole island there can be achieved a potable demand reduction of 44.9% in the 1st scenario, 71.2% in the 2nd scenario and 61.9% in the 3rd scenario. Nevertheless, the cost of the 2nd scenario is disproportionately higher. By assuming an interest rate of 2%, it is estimated that the return period of the capital cost is about 6 years for the 1st scenario, 36 years for the 3rd scenario, whereas in the 2nd scenario a return period of the capital cost is not expected to be achieved.