Advanced

Sustainable and Safe Use of Non-conventional Waters -Reclaimed Water and Desalinated Water

Liu, Shuang LU (2013)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Vatten är inte bara en oumbärlig resurs varav allt liv är beroende. Det är också en grundläggande ekonomisk resurs för samhällsutvecklingen. Av allt vatten på jorden är bara 0,34% tillgängligt för människan. Övriga vattenresurser föreligger som saltvatten, is eller djupt liggande grundvatten. Vattenkrisen på jorden är stor och över 780 miljoner människor saknar rimlig tillgång till dricksvatten. Hela 2,5 miljarder saknar tillgång till anständig sanitet. Eftersom färskvattnet är väldigt ojämnt fördelat på jorden har cirka 80 länder främst i Afrika, Asien och Europa färskvattenbrist. I takt med urbanisering ökar behovet av färskvatten till de snabbväxande städerna, vilket ökar belastningen på... (More)
Popular Abstract in Swedish

Vatten är inte bara en oumbärlig resurs varav allt liv är beroende. Det är också en grundläggande ekonomisk resurs för samhällsutvecklingen. Av allt vatten på jorden är bara 0,34% tillgängligt för människan. Övriga vattenresurser föreligger som saltvatten, is eller djupt liggande grundvatten. Vattenkrisen på jorden är stor och över 780 miljoner människor saknar rimlig tillgång till dricksvatten. Hela 2,5 miljarder saknar tillgång till anständig sanitet. Eftersom färskvattnet är väldigt ojämnt fördelat på jorden har cirka 80 länder främst i Afrika, Asien och Europa färskvattenbrist. I takt med urbanisering ökar behovet av färskvatten till de snabbväxande städerna, vilket ökar belastningen på lokala och regionala vattenresurser. Ingenstans i världen har snabbväxande städer manifesterats lika tydligt som i Kina.

För att lindra vattenbrist, särskilt i de snabbväxande städerna, behöver återanvändning av vatten och bättre hushållning med vattenresursen öka. Sådana vattenresurser kan hämtas från renat avloppsvatten ( återvunnet vatten ), avsaltat vatten, uppsamling av regnvatten och eventuellt långväga import av vatten från vattenrikare områden. I denna avhandling diskuteras återvinning av avloppsvatten och avsaltning av saltvatten, eftersom de är stabila och rikliga vattenresurser som påverkas mindre av naturliga faktorer som geologi, klimat och årstider.

Återvunnet vatten kan definieras som kommunalt avloppsvatten som har gått igenom olika behandlingsprocesser för att uppfylla särskilda kriterier för vattenkvalitet. Återvinning av vatten är egentligen inget nytt eftersom allt avloppsvatten rinner ut i vattendrag nedströms industrierna och städerna och blandas med annat vatten där, för att förenas till en mer eller mindre påverkad vattenresurs. Men att medvetet och planerat samla upp, behandla och återanvända avloppsvatten under kontrollerade former är en tämligen ny ide.

I allmänhet kan återanvändning indelas i två kategorier: direkt och indirekt återanvändning. Bägge kan innefattar vatten till dricksvatten, respektive vatten till andra tillämpningar. Återvunnet vatten inkluderar bevattningsvatten till jordbruk och skogsbruk, industriell användning för tillverkning och energiöverföring (process -och kylvatten ), användning i byggindustrin (betongtillverkning), markbevattning, som trädgårdar, golfbanor, idrottsplatser och fritidsanläggningar, urban användning som toalettspolning , biltvätt , brandbekämpning, gaturenhållning, dammdämpningoch snötillverkning, för miljö- och rekreationsändamål, till exempel vatten för restaurering eller nyanläggning av akvatiska ekosystem, vattendrag och fiskdammar, för förbättrad grundvattenbildning, som infiltration i grundvattenmagasin för vattenlagring och åtgärder mot saltvatteninträngning. Metoder för återanvändning av vatten för dricksvattenändamål behandlas inte i denna avhandling.

Återanvändning har flera fördelar ur miljömässiga och ekonomiska perspektiv. Återvunnet vatten kan användas för att minska efterfrågan på färskvatten och kontrollera överexploatering. Rätt återanvänt vatten är också en metod som minskar kostnaderna för kväve- och fosforrening, om närsalterna i avloppsvattnet används för växtodling. Behovet av konstgödning minskar också, vilket kan lindra utsläpp av näringsämnen till miljön minska övergödningsproblem. Vid utveckling av industriområden kan återanvänt vatten öka värdet på mark, öka möjligheten att anlägga våtmarker och skydda mot torka och värmeböljor. För att allt detta goda skall kunna ske behöver regler för hur vatten återanvänds tas fram och efterlevas. Vidare måste tydliga kvalitetskrav på återanvänt vatten fastställas som leder till att risker för användare och allmänhet minimeras. Återanvändningen måste granskas och kvaliteten på det återvunna vattnet garanteras. Många aktörer har en intuitiv rädsla mot återanvändning av avloppsvatten, vilket gör att kontrollen och införandet av återanvändningsmetoder måste ske transparant och i nära samverkan med alla intressenter som kan tänkas påverkas av återanvändningen.

Alternativt till återanvändning av avloppsvatten är att öka färskvattentillförseln från avsaltat vatten. Avsaltning kan definieras som vattenbehandlingsprocesser som tar bort salt och andra mineraler från saltvatten , såsom havet och bräckt vatten och göra det säkert för mänsklig konsumtion och användning. Avsaltning är en viktig metod för att framställa dricksvatten och är en snabbt växande teknik över hela världen, eftersom den kan öka den totala mängden färskvatten på land, speciellt i kustnära områden. Installerad avsaltningskapacitet har ökat snabbt globalt, från 8.000 m3/d år 1980 till cirka 80,2 miljoner m3/d installerad eller kontrakterad kapacitet i över 16.000 storskaliga anläggningar 2012. Omvänd osmos (eng. Reverse osmosis, RO) och flerstegs termisk indunstning (eng. multistage flash evaporators, MSF) dominerar marknaden för avsaltning och svarar för 63% respektive 23 % av installerad kapacitet 2012. Havsvatten och bräckt vatten är de viktigaste råvattnen till avsaltningsverken. Avsaltning är tämligen energikrävande och avsaltning av saltvatten kräver betydligt större energitillförsel än återanvändning av avloppsvatten. Avsaltning har dock den emotionella fördelen att råvattnet inte upplevs som lika smutsigt av allmänheten som återanvänt avloppsvatten.

Med utgångspunkt i kinesiska och svenska förhållanden har denna avhandling ägnats åt att undersöka hur strategier bör utvecklas för att främja en hållbar användning av av icke-konventionella vatten och hur säkerheten vid återanvändning av vatten kan garanteras för användare och allmänhet. En delstudie har ägnats åt hur de olika intressenterna kan involveras för att förbättra deras delaktighet vid återanvändning av vatten i samhället. En annan delstudie har ägnats åt att diskutera vilka krav som måste ställas på regelverket vid återanvändning av avloppsvatten i Sverige. Sverige saknar för närvarande helt ett regelverk för kvalitetskrav på medveten återanvändning av avloppsvatten. En tredje delstudie analyserar hur det kinesiska samhället kan främja en ökad utveckling av avsaltningsverk för att minska överuttaget av färskvatten i kustnära områden i östra Kina. En fjärde studie fokuserar på villkoren för hur återanvändning av avloppsvatten kan garanteras i Kina. En femte studie granskar olika mikrobiella riskvärderingsmetoder för att bedöma säkerhet och uthållighet i återanvändning av avloppsvatten för tillämpningar utanför dricksvattensektorn.

Av arbetet framgår tydligt att åtgärder mot vattenbrist och för ökad vattensäkerhet måste genomföras på alla plan i samhället. Det räcker inte med bara tekniska lösningar. Därutöver måste en konkret nationell strategi tas fram där ett tydligt regelverk fastställs och en struktur för att granska efterlevnaden av regelverket utvecklas. Statistiska metoder kan användas för att förfina kontrollprogram för övervakning av vattenkvalitet och förbättra noggrannheten vid bedömning av risker och säkerhet. För att göra det möjligt att investera i anläggningar för återanvändning och avsaltning behöver kostnadsriktiga vattenpriser införas som användarna betalar. De vanligt förekommande kraftigt subventionerade vattenpriserna motverkar utvecklingen mot ökad vattensäkerhet och uppmuntrar dessutom till slöseri med färskvatten. En central del i arbetet måste vara att öka delaktigheten och transparansen för alla intressenter som berörs när återanvändning av avloppsvatten ökar. Men om inte det återanvända vattnet är säkert ur hygienisk synvinkel, kommer förtroendet för systemet att falla sönder. Krav på systematisk riskvärdering och tillräckligt skydd mot smittspridning måste efterlevas kontinuerligt och resultaten av dessa arbeten redovisas regelbundet. En viktigt brist för närvarande är det saknas regelverk för bedömning av kemisk kvalitet, speciellt avseende persistenta organiska föreningar i avloppsvatten. Här behövs mer forskning.

En spännande slutsats är dock att vattenbristen i Kina kan lindras för alla tillämpningar och elimineras för de flesta om de i avhandlingen föreslagna åtgärderna införs. Skulle Kina genomföra de i avhandlingen föreslagna åtgärderna ökade den tillgängliga mängden färskvatten för olika tillämpningar med åtminstone 40 miljarder kubikmeter per år. Stort sett kunde alla kostsamma långväga överföringsledningar och kanaler då fasas ut och överuttaget av grundvatten upphöra. Konsekvenserna i Sverige är mindre, men ändå mycket positiva. Behovet av konstgödning till odling och risken för överuttag av vatten för konstbevattning kunde minska signifikant. Under alla omständigheter behövs en aktiv förvaltning av vattenresurserna för att öka säkerhet och trygghet i samhällets vattenförvaltning. I avhandlingen finns några förslag på hur detta kan göras. (Less)
Abstract
Fresh water scarcity, pollution and an uneven distribution have caused an increasingly serious global water crisis. One of the most widely adopted response strategies is the exploitation and use of non-conventional water sources. Water reuse and desalination were in focus in the study which was aimed to develop the strategies to promote the sustainable and safe use of reclaimed water and desalinated water from the perspective of key factors affecting the development. China and Sweden are used for case studies. With the help of literature reviews, water quality analysis, microbial risk assessment models and statistic evaluation methods the suggested strategies were evaluated and improvements to the strategies suggested.

If... (More)
Fresh water scarcity, pollution and an uneven distribution have caused an increasingly serious global water crisis. One of the most widely adopted response strategies is the exploitation and use of non-conventional water sources. Water reuse and desalination were in focus in the study which was aimed to develop the strategies to promote the sustainable and safe use of reclaimed water and desalinated water from the perspective of key factors affecting the development. China and Sweden are used for case studies. With the help of literature reviews, water quality analysis, microbial risk assessment models and statistic evaluation methods the suggested strategies were evaluated and improvements to the strategies suggested.

If sustainable development of non-conventional waters should be promoted, improvements and clarifications must be made in the aspects of legislation, management, water security and policy. Key factors for desalination were identified and analysed. The most important are technology promotion, energy efficiency, feed water treatment, full cost coverage in the price. Strategy and technology for lowering cost and developing intelligent pricing system are critical to desalination market. A sound management system, qualified water and supported policy and transparency to the public are key factors for water reuse. The relevant strategy for further sound development were suggested not only for China but also available for the countries with similar situations.

For improving the security of using non-conventional waters especially reclaimed water, the study was carried out from two perspectives: developing water reuse guidelines assessing microbial risk for using treated wastewater for different applications. The approaches for setting guidelines and how they should be formulated were discussed. A combination of epidemiology study and risk assessment was recommended for developing microbial indicators standard. Guidelines must include regulations of treatment processes and instructions on how to protect users and the public. Statistic methods imply that water quality monitoring can be simplified. Quantitative microbial risk assessment is an effective supplementary tool to guidelines and was applied for judging the possibility of reuse the studied water for different applications. The protective guidelines could be developed based on the process and results of risk assessment by controlling exposure pathway and dose.

Besides the strategy developed by water managers, other stakeholders, especially public and users, play an important role. The key stakeholders were identified and their interaction and influence for water reuse industry were analysed. Their participation is crucial for enhanced water reuse. Strategies for clear legal basis and guarantee, establish communication platforms, formulate incentive mechanisms and improve education of public, for promoting stakeholders’, especially public, acceptance and participation were discussed.

As a summary, the potential market of non-conventional waters is huge and will be greatly promoted by the strategies and means discussed in the thesis for sustainable development, improvement of water security and the stakeholders’ co-operation and participation. For China, the wastewater discharge is about 80 billion m3 per year, which means if intelligent strategy adopted, the potential reclaimed water could not only meet the 40.4 billion m3 of annual water shortage, but also save the water from long-distance water diversion, as well as reduce the pollution burden of natural waters. Seawater desalination is here more marginal, but could supply 803 million m3/a by 2015 as planned. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Professor Hoek, Jan-Peter van der, Section of Sanitary Engineering, Faculty of Civil Engineering and Geosciences, Delft Technical University, The Netherlands
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Water reuse, Desalination, Strategy, Water security, Guidelines, Policy, Microbial risk assessment
pages
188 pages
defense location
Lecture hall A:C, Sölvegatan 24, Lund University Faculty of Engineering.
defense date
2014-01-24 10:15
ISBN
978-91-7473-792-9
language
English
LU publication?
yes
id
fcbb741c-a97a-4e1e-bcec-c42308432b26 (old id 4196313)
date added to LUP
2013-12-20 13:47:11
date last changed
2016-09-19 08:45:19
@misc{fcbb741c-a97a-4e1e-bcec-c42308432b26,
  abstract     = {Fresh water scarcity, pollution and an uneven distribution have caused an increasingly serious global water crisis. One of the most widely adopted response strategies is the exploitation and use of non-conventional water sources. Water reuse and desalination were in focus in the study which was aimed to develop the strategies to promote the sustainable and safe use of reclaimed water and desalinated water from the perspective of key factors affecting the development. China and Sweden are used for case studies. With the help of literature reviews, water quality analysis, microbial risk assessment models and statistic evaluation methods the suggested strategies were evaluated and improvements to the strategies suggested. <br/><br>
If sustainable development of non-conventional waters should be promoted, improvements and clarifications must be made in the aspects of legislation, management, water security and policy. Key factors for desalination were identified and analysed. The most important are technology promotion, energy efficiency, feed water treatment, full cost coverage in the price. Strategy and technology for lowering cost and developing intelligent pricing system are critical to desalination market. A sound management system, qualified water and supported policy and transparency to the public are key factors for water reuse. The relevant strategy for further sound development were suggested not only for China but also available for the countries with similar situations.<br/><br>
For improving the security of using non-conventional waters especially reclaimed water, the study was carried out from two perspectives: developing water reuse guidelines assessing microbial risk for using treated wastewater for different applications. The approaches for setting guidelines and how they should be formulated were discussed. A combination of epidemiology study and risk assessment was recommended for developing microbial indicators standard. Guidelines must include regulations of treatment processes and instructions on how to protect users and the public. Statistic methods imply that water quality monitoring can be simplified. Quantitative microbial risk assessment is an effective supplementary tool to guidelines and was applied for judging the possibility of reuse the studied water for different applications. The protective guidelines could be developed based on the process and results of risk assessment by controlling exposure pathway and dose. <br/><br>
Besides the strategy developed by water managers, other stakeholders, especially public and users, play an important role. The key stakeholders were identified and their interaction and influence for water reuse industry were analysed. Their participation is crucial for enhanced water reuse. Strategies for clear legal basis and guarantee, establish communication platforms, formulate incentive mechanisms and improve education of public, for promoting stakeholders’, especially public, acceptance and participation were discussed.<br/><br>
As a summary, the potential market of non-conventional waters is huge and will be greatly promoted by the strategies and means discussed in the thesis for sustainable development, improvement of water security and the stakeholders’ co-operation and participation. For China, the wastewater discharge is about 80 billion m3 per year, which means if intelligent strategy adopted, the potential reclaimed water could not only meet the 40.4 billion m3 of annual water shortage, but also save the water from long-distance water diversion, as well as reduce the pollution burden of natural waters. Seawater desalination is here more marginal, but could supply 803 million m3/a by 2015 as planned.},
  author       = {Liu, Shuang},
  isbn         = {978-91-7473-792-9},
  keyword      = {Water reuse,Desalination,Strategy,Water security,Guidelines,Policy,Microbial risk assessment},
  language     = {eng},
  pages        = {188},
  title        = {Sustainable and Safe Use of Non-conventional Waters -Reclaimed Water and Desalinated Water},
  year         = {2013},
}