ALTERNATIVT SYSTEM FÖR AVLOPPSHANTERING I REGIONER MED VATTENBRIST FÖRFATTARE: Stina Welander (stina.welander@sweco.se) telefon 08-695 62 72, Peter Ullman (peter.ullman@sweco.se), Daina Millers-Dalsjö (daina.millers-dalsjo@sweco.se). Christina Odén (christina.oden@sweco.se), Charlotte Gunsell (charlotte.gunsell@sweco.se) samtliga Sweco Environment och Ulf Ranhagen (ulf.ranhagen@sweco.se) Sweco Architects. SAMMANFATTNING Sweco har haft i uppdrag att utforma strategier för en ny eko-stad i Kina Caofedian International Eco-City. I arbetet har experter från flera olika discipliner samarbetat för att kombinera stadens försörjningssystem på ett effektivt sätt. Fokus för VA har varit att minimera vattenförbrukningen och energiförbrukningen, maximera biogasproduktionen och möjliggöra användning av näring och avloppsvatten i jordbruket. Staden ska förses med vatten från en reservoar. För att minska behovet av detta vatten är dagvattnet tänkt att användas som en resurs. Eftersom nederbörden är mycket ojämnt fördelad över året krävs stora lagringsutrymmen i form av underjordiska magasin. För att minimera hushållens vattenförbrukning föreslås alla lägenheter säljas kompletta med energi- och vattensnåla installationer. Hushållsförbrukningen är antagen till 120 l/pe,dygn. Avloppssystemet föreslås utgöras av ett separerat system där klosettvatten och matavfall från avfallskvarnar leds till en anaerob behandling. Gråvattnet leds till en konventionell aerob aktivslamanläggning. Den anaeroba reningen kräver mindre elenergi och biogasproduktionen väntas bli större. Nackdelen är att den relativt stora volymen vatten kräver uppvärmning till ca 37 grader. Ett intensivt jordbruk i regionen skulle kunna dra nytta av avloppsvattnet och dess innehåll av näringsämnen. Det behövs dock mycket stora dammar för att lagra avloppsvattnet som främst behövs under den mycket torra våren. Inga detaljerade kostnadsberäkningar har utförts men Sweco bedömer att investeringskostnaden blir högre än för ett konventionellt system, främst p g a det dubblerade ledningssystemet och ett ökat antal pumpstationer. Sammanfattningsvis anser Sweco att systemet har stor potential men en framgångsrik implementering kräver att erfarenheter från planerade försök i pilotskala tas till vara och att man arbetar aktivt med kompletterande verksamhet såsom organisationsrådgivning. 1 (8)
ABSTRACT Sweco has developed strategies for a new Eco-City in China Caofeidian International Eco- City. In this work experts from different disciplines have been cooperating to combine the City s supply systems in an efficient way. For Water and Sanitation the focus has been to minimize the water and the energy consumption, maximize the production of biogas and render reuse of nutrients and wastewater in agriculture possible. The City will be supplied with fresh water from a reservoir. Decreased need of water from the reservoir can be reached by using storm water as a resource. As the precipitation is unevenly distributed over the year, large underground storage volumes are required. To minimize the household water consumption it is proposed that all apartments are sold fully furnished with smart energy- and water-installations. The household consumption is estimated to 120l/cap, day. The proposed sanitation system is constituted by two separate systems black-water from toilets is led, together with kitchen waste from waste grinders, to an anaerobic treatment and the grey-water is led to a conventional activated sludge process. The anaerobic treatment consumes less energy and the production of biogas is estimated to be higher. The drawback is that a relatively large volume of water needs to be heated to approximately 37 C. An intense agriculture in the region would make use of the wastewater and its contents of nutrients. However large dams are required for storage as the wastewater is above all needed during the dry spring. No detailed cost calculations have been made but Sweco estimates the investment to be larger than for a conventional system, primarily because of the double piping system and an increased number of pumping stations. To sum up Sweco considers the system to have a large potential, but a successful implementation requires that experiences from planned pilot tests are utilized and that supportive work such as organizational strengthening is done in parallel. INLEDNING Under 2008 och 2009 har Sweco har haft uppdraget åt Tangshans stad att utforma strategier och förslag för en helt ny ekostad i Kina för 500 000 invånare Caofeidian International Eco-City. Uppdraget har inneburit samarbete mellan flera av Swecos bolag och i arbetsgruppen har förutom planarkitekter ingått experter inom VA, dagvatten, avfall, energi och trafik. I planeringsarbetet har man utgått ifrån konceptet SymbioCity ett koncept där stadens försörjningssystem kombineras, anpassas till lokala förutsättningar och drar fördel av 2 (8)
synergieffekter för att uppnå socio-ekonomisk, kulturell och ekologisk hållbarhet. Grunden till konceptet har tagits fram av Sweco under ledning av Professor Ulf Ranhagen. Då staden är tänkt att byggas på en plats med intensivjordbruk och sötvattenbrist, har fokus för VA legat på att i största möjliga mån minska behovet av vatten, gärna i kombination med minimerad energianvändning och maximerad biogasproduktion. Att sluta kretsloppet genom att återföra både vatten och näring till jordbruk i regionen var också ett viktigt mål METOD Ett Eco-cycle-team sattes samman med experter inom dricksvatten, avloppsvatten, dagvatten, avfall och energi. Gruppens deltagare har sedan kommit med förslag inom sina discipliner på långsiktigt hållbara tekniker och lösningar. De olika förslagen har i diskussion jämkats samman och integrerats för att uppnå en optimerad systemlösning där systemen snarare stöttar varandra än konkurrerar. Behov, krav och förslag har också stämts av med övriga teknikområden inom bl a landskaps- och stadsplanering, huskonstruktion och trafik för att säkerställa att det finns tillräckligt med plats i gatorna för ledningar, att avfallstransporterna inte blir ett hinder för busstrafiken, hur mycket biogas som finns tillgänglig för kollektivtrafik etc. En viktig del i arbetssättet har varit att tydligt visualisera systemlösningar så att en effektiv integration av dessa i planer på stads- stadsdels- och kvartersnivå möjliggörs, se Figur 1. För att verifiera metoderna har Sweco rekommenderat lokala pilotanläggningar och vidare forskning. Figur 1. Exempel på en lägenhet med föreslagna installationer för att illustrera systemlösningarna (Sweco, 2009). 3 (8)
RESULTAT Vattenförsörjning Staden ska förses med dricksvatten från en damm/reservoar några mil bort. Dammen förser i dagsläget lantbruket med bevattningsvatten, och i takt med att staden byggs ut kan man förvänta att det blir konkurrens om vattnet. Under växtsäsongens åtta månader är nederbörden endast tillräcklig för att tillgodose växternas behov under en månad. Detta gör att det krävs stora volymer bevattningsvatten för att kunna ha gröna stråk i staden. För att minimera stadens behov av vatten till ändamål som bevattning och spolning av gator samt för att dämpa flödestoppar har ett system med lagring av dagvatten föreslagits. Dagvatten från hårdgjorda ytor och leds in i grönområden och trädalléer där det infiltreras och leds vidare till dagvattenmagasinen. Dagvattenmagasinen har även en reningsfunktion eftersom partikelbundna föroreningar kommer att sedimentera där. På grund av den höga andelen hårdgjorda ytor i förhållande till mängden grönytor kommer endast ca hälften av dagvattnet att behöva lagras för att tillgodose bevattningsbehovet. Hushållens vattenförbrukning utgör en stor del av den totala förbrukningen och för att minimera den ställs det höga krav på alla installationer i lägenheterna. Normalt säljs en lägenhet i Kina utan exempelvis vitvaror, tvättmaskin och luftkonditionering. När hushållen sedan investerar i utrustning tenderar inköpspriset att vara avgörande, oberoende av energioch vattenförbrukning. Om man istället kräver av varje byggherre att alla lägenheter redan vid inflyttning ska vara försedda med diskmaskin, tvättmaskin och avfallskvarn med specificerade maxförbrukningar av vatten och el, samt snålspolande kranar, duschmunstycken och toaletter, skulle en hög kvalitet på lägenheterna och en låg resursförbrukning garanteras. I Sverige har vattenförbrukningen per capita minskat de senaste 35-40 åren. Svenskt Vatten anger i sin broschyr Fakta om vatten och avlopp (2005) att hushållsförbrukningen var ca 180 l/person och dag medan all förbrukning, inklusive industrier och samhällsservice var ca 310 l/person och dag. För Caofeidian har en hushållsförbrukning om 120 l/pe och dag och en total förbrukning om 150 l/pe och dag antagits. Anledningen till att förbrukningen utanför hushållen är så låg är att nästan inga industrier kommer att finnas i området. För att spara på färskvatten har man i Kina gjort det obligatoriskt med ett system för distribution av renat avloppsvatten (reclaimed waste water). Detta vatten är inte lämpligt som dricksvatten utan används till toalettspolning, bevattning och städning. Vattnet innehåller 4 (8)
normalt förhöjda halter av både närsalter och bakterier. Då det lagrade dagvattnet kan användas för bevattning och spolning av gator minskar behovet av renat avloppsvatten. Snålspolande toaletter gör att behovet minskas ytterligare och Sweco har därmed inte ansett det lämpligt att rekommendera ytterligare ett distributionssystem för vatten. Ytterligare en faktor i bedömningen har varit den uppenbara risken för felkopplingar, vilket kan få allvarliga konsekvenser. Avloppshantering För att möjliggöra en effektiv behandling av avloppsvattnet och maximera biogasproduktionen har separata ledningssystem för grå- respektive svartvatten föreslagits. Förutom toaletter föreslås att även avfallskvarnar, installerade i alla hushåll, ansluts till svartvattensystemet. Köksavfallskvarnar är lättskötta och gör det enkelt och hygieniskt att sortera ut matavfallet. Avloppsvattnet föreslås följande behandling: Svartvattnet, som är en mindre del av flödet, men som ändå innehåller den största delen av avloppsvattnets organiska material och näringsämnen, leds till en anaerob reningsprocess, med efterbehandling i en aerob process. Aerob behandling av avloppsvatten är energikrävande, vilket gör det fördelaktigt att minska behovet av luftning. Vid anaerob behandling av svartvattnet, kan en större del av det organiska materialet utnyttjas för biogasproduktion. Dessutom blir den totala energiförbrukningen för luftning lägre, jämfört med ett konventionellt system. En nackdel är att vattnet behöver vara relativt varmt (ca 35-37 grader) för att den anaeroba processen ska fungera bra. Under vinterhalvåret betyder det att relativt stora mängder vatten måste värmas, jämfört med om enbart förtjockat slam ska värmas upp och rötas. Uppvärmningen kommer på sikt att ske med överskottsvärme från ett kraftvärmeverk, men måste i en initial fas ordnas med hjälp av värmeväxlare och värmepumpar, med elkraft som primär energikälla. Efter den anaeroba reningen avvattnas svartvattnet och vätskefasen slutbehandlas tillsammans med gråvattnet. Gråvattnet leds i självfallssystem till ett reningsverk med en konventionell process med aktivslam och membranfiltrering, dels för att spara utrymme och dels för att nå hög kvalitet på det behandlade vattnet inför återanvändning. Slammet från gråvattenreningen kan tillföras svartvattenprocessen. Kretsloppet För Sweco har det varit viktigt att ta fram ett förslag som möjliggör fortsatt jordbruk i regionen, och att återföra vatten och näringsämnen till jordbruket från staden blev då en naturlig lösning. Målsättningen är att renat avloppsvatten ska användas för bevattning inom jordbruk. Därmed behöver vattnet inte renas från näringsämnen som fosfor och kväve, vilket 5 (8)
också sparar energi och kemikalier. I Caofedian regnar det ca 500-700 mm per år, med de allra största mängderna under juli och augusti. Odlingssäsongen pågår från mars till oktober och framförallt under den torra våren finns ett stort bevattningsbehov. Det renade avloppsvattnet ska lagras i stora dammar. Slammet från reningen föreslås användas som gödsel i jordbruket. För att minimera kväveavgången förvaras slammet i slutna tankar eller med svämtäcke. I regionen odlas bland annat vete, majs och ris. Konstgödsel är subventionerat av staten och framförallt kvävegödsel används i stora mängder. Även fosfor tillförs, ofta i form av ammoniumfosfat. I vissa områden används också svingödsel och slam från septiktankar. För att användningen av rötresten ska få genomslag, kräver det att myndigheterna gör det minst lika fördelaktigt att använda rötrest som att använda handelsgödsel. Energi För att kunna jämföra systemet med ett konventionellt system har energiåtgång och biogasproduktion uppskattats. Jämförelsen visar att det föreslagna systemet förbrukar väsentligt mindre elektricitet än ett konventionellt system förutsatt att uppvärmningen av vattnet före den anaeroba processen sker med överskottsvärme. Eftersom svartvattensystemet har en högre TS-halt, jämfört med gråvattensystemet och ett konventionellt blandat system, krävs större lutning på ledningarna och mer pumpenergi. Biogasproduktionen blir högre jämfört med ett konventionellt alternativ. Hur mycket högre är dock svårt att säga eftersom det till mycket stor del beror på i vilken grad matavfall sorteras ut och hur det tillförs det jämförande konventionella systemet. Om matavfallet sorteras ut med avfallskvarnar blir biogasproduktionen ca 50% högre i det föreslagna systemet, jämfört med ett konventionellt avloppssystem. Om matavfallet sorteras ut i påsar kan biogasproduktionen bli lika hög som i det föreslagna systemet, förutsatt att avfallsfraktionen är så ren att den går att röta. Ytterligare ett alternativ är att hämta avfallet osorterat och sortera ut matavfallet först vid reningsanläggningen, det s k RMC (Resource Management Centre motsvarande kretsloppscentrum ), se Figur 2. Det sistnämnda alternativet förväntas ge en låg utsorteringsgrad och relativt dålig kvalitet på det utsorterade avfallet. Biogasen från den anaeroba processen föreslås upparbetas till fordonskvalitet, för att användas till ekostadens busspark. 6 (8)
Figur 2. Bilden visar föreslagen RMC (Resource Management Centre), från vänster till höger: avfallshantering med sortering, kraftvärmeverk, rötkammare med uppgraderingsanläggning, avloppsreningsverk, utbildning och utställningsområde och vattenverk (Sweco, 2009). Investerings- och driftkostnader Detaljerade kostnadsberäkningar har inte utförts men vår Swecos bedömning är att Eco-Citykonceptet har högre investeringskostnader än ett konventionellt system, främst på grund av att ledningssystemen är dubblerade och att många pumpstationer krävs för svartvattnet. Det innebär också ökade pump- och underhållskostnader. Dessa förväntas dock vägas upp av den i övrigt energieffektiva processen. Sweco har igenom hela arbetet framhållit vikten av att bygga med god kvalitet för att systemen ska hålla länge livscykelkostnaden påverkas naturligtvis av hur lång livstid man anser att systemet har. Energipriser (kol, el och gas) påverkar också kalkylernas utgång/slutresultat. DISKUSSION Uppdraget var att ta fram ett system som är hållbart och som gärna bygger på ny teknik. Efter hand har det från beställaren kommit synpunkter på att tekniken eller systemlösningarna inte är beprövade i stor skala. Systemet som är beskrivet ovan kommer därför till en början att byggas i ett pilotområde för 12 000 personer. Purac kommer att leverera anläggningen till pilotområdet. I resten av staden byggs husen med separerade system medan gatorna endast förses med självfallsystemet för gråvatten, som tills vidare får ta hand om allt avloppsvatten. Efterhand som erfarenheter vinns från pilotområdet kan systemet skalas upp för större delar av staden. 7 (8)
I Sverige byggs ledningssystem med en beräknad livstid kring 100 år. Vi lägger därför ner mycket tid och pengar på att få det rätt från början för att ledningarna ska hålla en mycket hög kvalitet, även på lång sikt. Från den kinesiska beställarens sida finns vissa tveksamheter till att fullt ut genomföra de konceptuella idéer som tagits fram. Detta beror dels på att det ännu finns få exempel i Kina på ledningssystem som är byggda med hög kvalitet och därmed visat sig ha långa livslängder. Det kan också bero på att personalkostnaderna i Kina är lägre och att det därför inte är så stora problem att göra om ledningen med jämna mellanrum. Energipriserna är också betydligt lägre i Kina varför driftkostnader sammantaget får en mindre betydelse än i Sverige. Eftersom uppdraget var att ta fram ett konceptuellt förslag har någon projektering eller kostnadsberäkning hittills inte genomförts. SLUTSATSER För att applicera svensk miljöteknik i utlandet krävs omfattande samarbete för att skapa förståelse för systemsynergier och den organisatorisk struktur som är nödvändig för att systemen ska uppnå hög miljöprestanda och effektivitet över lång tid. Swecos kompetens omfattar inte bara tekniska lösningar utan även stadsplanering och organisationsrådgivning vilket är viktigt för att systemen ska kunna genomföras. Vad gäller den tekniska utformningen visar systemförslaget på en klar potential att utvinna mera biogas och förbruka mindre elenergi, om anaerob behandling av svartvatten utförs direkt. Biogaspotentialen blir ännu större om även malt köksavfall tas in denna behandling. Flera betydelsefulla aspekter, t ex investering för olika alternativ samt svartvattnets och köksavfallets behandlingsbarhet, har dock inte kunnat beaktas på detta stadium. De planerade pilotförsöken med svartvattenbehandling är väsentliga för den fortsatta utvärderingen. REFERENSER Svenskt Vatten (2005) Fakta om Vatten och Avlopp Sweco (2008) Caofeidian International Eco-City, Tangshan, China. Sustainability Guidelines Final Report for Task 1 December 2008. Sweco (2008) Caofedian Internatonal Eco-City, Tangshan, China. Conceptual Plan for 30 sqkm Final Report for Task 2 December 2008 Sweco (2009) Caofeidian Internationan Eco-City, Tangshan, China Detailed Conceptual Plan for 12 sqkm Report for Task 4 March 2009 8 (8)