Nexus آب-آب و آب و هوای آب و هوای آب و هوا در یک سیستم فاضلاب و استفاده مجدد از فاضلاب یکپارچه در شهری: از تئوری تا تمرین

در این مقاله چارچوبی برای شناسایی ، ارزیابی و تجزیه و تحلیل آب استفاده مجدد از آب-کربن-انرژی-مواد غذایی-آب و هوا (WEFC) در یک سیستم تصفیه و استفاده مجدد از فاضلاب پری شهری ایجاد شده است. این روش برای تصفیه خانه فاضلاب شهری (WWTP) Peschiera Borromeo (میلان ، ایتالیا) و منطقه پری شهر آن برای تعریف ممکن ترین تأییدیه ها و درگیری ها به دنبال مقررات اتحادیه اروپا 741/2020 استفاده شد. نتایج این کار نشان داد که انتقال Nexus WEFC از تئوری به تمرین می تواند با ارائه کاهش انتشار گازهای گلخانه ای (GHG) ، صرفه جویی در مصرف انرژی کلی ، کاهش استرس آب و بهینه سازی شیوه های کشاورزی ، مدیریت منابع پایدار را در محیط عملیاتی تحقق بخشد. به ویژه ، مشخص شد که اگر پیکربندی گیاه برای رسیدن به کلاس C کیفیت آب برای استفاده مجدد از آب به روز شود ، به جای تخلیه فاضلاب ، تخمین زده می شود که صرفه جویی در مصرف انرژی به 7. 1 ٪ برسد و قرار است انتشار کربن تا 2. 7 ٪ کاهش یابد. علاوه بر این ، افزایش کیفیت آب از کلاس C به کلاس A منجر به افزایش انرژی و ردپای کربن 5. 7 ٪ و 1. 7 ٪ شد. با این وجود ، محصولات با کیفیت بالاتر را می توان با آب بازپس گیری شده در کلاس A ، با درآمد اقتصادی بزرگتر و بازیابی زیاد مواد مغذی (به عنوان مثال ، بازیابی 154450 کیلوگرم N/Y برای کشت گوجه فرنگی) پرورش داد.

1. مقدمه

آب ریشه دارد و به منابع طبیعی و بهره وری آنها در هم تنیده است [1]. مدیریت آب در واقع یکی از ستون ها برای کارآیی تعادل و تاب آوری بسیاری از بخش های بهره وری مانند تولید انرژی و انتقال است [2]. مدیریت تکه تکه شده از بخش های مرتبط و همچنین تجزیه و تحلیل جدا شده آنها بدون در نظر گرفتن سیستم یکپارچه ، خطر بالقوه عدم دستیابی به نتایج مورد نظر را پنهان می کند [3]. این ناشی از هم افزایی های دست کم گرفته یا حتی ناشناخته ، آنتاگونیسم و اثرات موج دار است. تغییر مدیریت یکپارچه (به اصطلاح رویکرد Nexus) نیاز به تغییر به سمت رویکردهای یکپارچه برای تجزیه و تحلیل و ارزیابی سیستم ها دارد [4]. از این رو ، هدف باید استفاده از Nexus مرتبط با آب ، هدف قرار دادن تجزیه و تحلیل سیستم های جامع ، و آشکار کردن تعامل چندگانه و پیچیده و حلقه های بازخورد بین چرخه های فنی و بیولوژیکی باشد [5]. چارچوب تجزیه و تحلیل سیستم چند بخشی به صورت همزیستی مدیریت منابع مختلف (به عنوان مثال ، آب ، انرژی) برای مدل سازی هر دو بخش اقتصادی-اجتماعی (به عنوان مثال ، مواد غذایی) و غیر اقتصادی (به عنوان مثال ، آب و هوا) برای بررسی تعامل پیچیده و ارتباطات بین ارتباطات بین ارتباطات مورد نیاز است. بخش ها به منظور ترویج هم افزایی و کاهش خصومت بین آنها [6،7]. Nexus ، آب و هوای آب و هوای آب و هوای آب و هوا (WEFC) یک رویکرد سیستماتیک برای تحقیقات علمی و طراحی اهداف و ابزارهای منسجم سیاست است که بر هم افزایی ها ، درگیری ها و معاملات مرتبط با آن متمرکز است که در تعامل بین آب ، انرژی ، غذا و آب و هوا ظاهر می شود. در سطح زیستی فیزیکی ، سایبری فیزیکی ، اجتماعی و اقتصادی و حاکمیتی [8].

مدیریت آب شهری تأمین آب ، تصفیه فاضلاب و دفع آن را یک سیستم یکپارچه می داند. افزایش تقاضا برای آب با کیفیت خوب ، ضرورت بالاتری را برای تصفیه فراهم می کند که باعث استفاده مجدد از آب می شود ، که به نوبه خود نیاز به مصرف انرژی بیشتر و انتشار گازهای گلخانه ای مرتبط (GHG) دارد [9]. ماهیت پر انرژی تصفیه فاضلاب نقش مهمی در پایداری سیستم های آب شهری ایجاد می کند [10]. تفکر مدرن در مورد سیستم های آب شهری نه تنها در مورد افزایش تأمین آب موجود با منابع آب جدید و جایگزین ، بلکه تضمین می کند که اقدامات تطبیقی برای کاهش تغییرات آب و هوا با کاهش مصرف انرژی و انتشار گازهای گلخانه ای اعمال می شود [5،11].

برخی از نویسندگان پیوندی را مورد بحث قرار دادند که به مسائل از طریق استفاده از آب و انرژی در کشاورزی پرداخته شد [7،12]، در حالی که برخی دیگر بر مرزهای WWTP [13] یا خطوط تامین آب و تصفیه [10] تمرکز کردند. در بیشتر موارد، پیوند آب-انرژی-غذا (WEF) اعمال می شود و آب و هوا اغلب در رویکرد پیوند نادیده گرفته می شود [14]. با این حال، تغییر اقلیم یکی از تهدیدکننده ترین عواملی است که پایداری پیوند WEF را در معرض خطر قرار می دهد [15]، به ویژه با توجه به در دسترس بودن آب [16].

در بخش کشاورزی مبتنی بر استفاده مجدد از فاضلاب، ردپای انرژی-کربن و آب بسیار به هم مرتبط هستند و نمونه ای عالی از پیوند آب-انرژی-غذا-اقلیم (WEFC) را نشان می دهند [17]. WWTP ها حامل های انرژی عالی هستند [18،19] و مسئول تا 26 درصد از انتشار گازهای گلخانه ای کل زنجیره تامین آب هستند [20]. از نقطه نظر زیست محیطی و اقتصادی مرتبط با تغییرات آب و هوایی، هرگونه کاهش در مصرف انرژی و مرتبط با انتشار گازهای گلخانه ای ارزشمند است [21]. علاوه بر این، مواد مغذی و پتانسیل استفاده مجدد از فاضلاب بازیافتی ارزشمند است و می تواند در کشاورزی شهری به عنوان یک استراتژی بالقوه برای حمایت از جوامع محلی مورد استفاده مجدد قرار گیرد. بین 50 تا 90 درصد از کل تقاضای آب توسط کشاورزی نشان داده می شود و استفاده مجدد برای آبیاری کشاورزی تا حد زیادی ثابت ترین استفاده نهایی برای آب بازیافتی است و به عنوان راه حلی برای غلبه بر تنش آبی جهانی دیده می شود [22]. از این رو، سیستم های یکپارچه تصفیه و استفاده مجدد فاضلاب یک مورد معمولی از تعاملات WEFC در سطح شهر و مزرعه است که شکاف بین بخش های غذا و آب و هوا را پر می کند. برای مثال، گوندالکار و رامساور [11] پیوند WEF شهری را برای سازگاری با تغییرات آب و هوایی در محله ای از مونیخ، آلمان به کار بردند. نویسندگان 26٪ صرفه جویی در عرضه آب شیرین فعلی با بازیافت فاضلاب و استفاده مجدد همراه با برداشت آب باران و همچنین 66٪ تقاضای محلی برای میوه و 246٪ از تقاضای محلی برای سبزیجات توسط کشاورزی فشرده شهری را فراهم کردند.

در سال های اخیر، مقررات اتحادیه اروپا مانند 2020/741 «مقررات حداقل الزامات برای استفاده مجدد از آب» [23] و استراتژی هایی مانند «مزرعه تا چنگال» ارزش گذاری فاضلاب را ممکن کرده اند. در این میان، بسیاری از مدیران تاسیسات فاضلاب به دنبال اجرای پروژه های پیوند محور برای حمایت از سیاست گذار انرژی شهر خود هستند [24]. با این حال، پیوند تا کنون مفهومی باقی مانده است و در نهایت بسیاری از اپراتورها و/یا مدیران احیا نمی دانند که چگونه این رویکرد می تواند ارزش افزوده ای را برای محیط عملیاتی به ارمغان بیاورد. در حال حاضر، راه های نوآورانه ای مانند بازی های جدی، فرآیندهای مشارکتی و رویکردهای پایین به بالا برای ملموس تر کردن و قابل استفاده تر کردن این پیوند توسط شرکت های آب، سیاست گذاران و شهروندان اتخاذ شده اند [25،26]. تجزیه و تحلیل پیوند در توسعه شهری نیاز به یک ماتریس مشترک برای اندازه گیری کارایی کربن، انرژی و آب سناریوها و گزینه های فنی پیشنهادی دارد. در بسیاری از موارد، ردپای کربن، انرژی و آب نسبی برای تعیین کمیت اثرات زیست محیطی محاسبه و ارزیابی می شود [27]. بر اساس گزارش آژانس محیط زیست اروپا (EEA)، در سال 2007، حداقل 11٪ از جمعیت اروپا و 17٪ از قلمرو تحت تاثیر کمبود آب برآورد شده است، با هزینه مربوط به خشکسالی در 30 سال گذشته 100 میلیارد یورو.. در منطقه مدیترانه، 20٪ از جمعیت تحت تنش آبی ثابت زندگی می کنند که در تابستان تا بیش از 50٪ افزایش می یابد. علاوه بر این، تلفات آب مسائل مهمی است که باید برای یک سیستم توزیع کارآمدتر مورد توجه قرار گیرد. منابع آب غیر متعارف، به عنوان مثال، استفاده مجدد از فاضلاب بازیافتی برای آبیاری، راه حل های نوآورانه ای هستند که باید توسط یک سیستم مدیریت هوشمند آب اجرا شوند. این می تواند کیفیت سالم و خوب آب بازیافتی را برای آبیاری تضمین کند و به برآوردن تقاضای آب بالا در بخش کشاورزی کمک کند. بنابراین در این مقاله، ما می خواهیم یک کاربرد عملی از پیوند WEFC را در یک سیستم یکپارچه حومه شهری برای تصفیه و سیستم استفاده مجدد فاضلاب در میلان ایتالیا به نمایش بگذاریم تا روابط بین بخش های مختلف از جمله تصفیه فاضلاب، زیرساخت های آبیاری و منطقه کشاورزی را برجسته کنیم.. در این راستا، رویکرد Nexus برای تعریف ارتباطات و تعاملات بین استفاده مجدد از آب، ردپای کربن و انرژی و همچنین تولید غذا در سناریوها و شرایط مختلف استفاده مجدد از آب اتخاذ شد.

2. مواد و روشها

2. 1. شرح WWTP و منطقه پیرامون شهری

منطقه پری شهری Peschiera Borromeo WWTP از نظر جغرافیایی در دشت لومباردی پادانا واقع شده است. ظرفیت تصفیه گیاه 566،000 معادل جمعیت (PE) با میانگین میزان جریان 216000 متر در روز در دو خط فاضلاب مختلف است. خط 1 شامل یک فرآیند لجن فعال شده معمولی است که به دنبال آن فیلتراسیون بیولوژیکی برای از بین بردن نیتروژن معدنی و ضد عفونی شیمیایی نهایی با استفاده از اسید پراستیک است. خط 2 طراحی شده است و برای اهداف استفاده مجدد استفاده می شود که شامل یک فیلتراسیون بیولوژیکی دو مرحله ای (Biofor ®) و دو خط موازی ضد عفونی ماوراء بنفش (UV) است. تقاضای آب مناطق پری شهری در جنوب میلان (در نزدیکی پارکو Agricolo Sud Milano) عمدتاً برای اهداف آبیاری مورد نیاز است. زمین کشاورزی اطراف آن مساحت تقریباً 2500 هکتار دارد و محصول اصلی آن ذرت است و تقاضای آب آن می تواند به طور گسترده ای توسط پساب تصفیه شده خط 2 WWTP پوشانده شود. کشاورزی یک بخش مهم برای اقتصاد منطقه است. متداول ترین تکنیک های آبیاری هنوز سنتی است و به آبیاری مرزی متکی است ، که حاکی از تقاضای آب در حدود 1. 5-2 لیتر در هکتار در طول فصل کشاورزی است. منابع آب فعلی از رودخانه ها تهیه می شوند و از طریق شبکه ای از کانال های باز نشده توسط گرانش توزیع می شود. شبکه آبیاری کانال ها و سیستم های تحویل آب مرتبط که آب را برای کشاورزان تأمین می کند توسط کنسرسیوم Est Ticino Villoresi ، که یکی از مهمترین کنسرسیوم های آبیاری در ایتالیا است ، اداره می شود. سیستم های توزیع آب و آبیاری فعلی هنوز با راندمان ضعیف مشخص می شوند و در اثر تلفات قابل توجهی تحت تأثیر قرار می گیرند. علاوه بر این ، کاهش در دسترس بودن آب شیرین در قلمرو مشاهده می شود ، که باعث می شود از آب استفاده مجدد از گزینه معتبر استفاده شود.

2. 2رویکرد Nexus

برای ارزیابی Nexus WEFC ، ردپاهای تک بخش و مراحل زیر سیستم واحد در ابتدا در نظر گرفته شد ، تا عناصر قابل توجهی را که هر تأثیر را مشخص می کند ، تعریف کند. ردپاها ابتدا به صورت جداگانه برای هر بخش ، از انرژی تا کربن و آب محاسبه می شدند و برای هر مرحله از سیستم یکپارچه ، از WWTP به میدان ، از هم جدا شدند. در صورت وجود ، از روشهای استاندارد استفاده شد.

2. 3ردپای انرژی

روش استاندارد شده اخیر ENERWATER [19] برای ارزیابی ممیزی انرژی WWTP اتخاذ شد. تمام تجهیزات الکترومکانیکی که به واحدهای تصفیه خدمت می کنند، فهرست شده اند و برای هر کدام ساعات کار، توان جذب شده و ویژگی های عملکردی را تعریف می کنند. داده های اندازه گیری شده از کنتورهای انرژی نصب شده در طول واحدهای تصفیه جمع آوری و تدوین شد تا مصرف های پایش شده را ارزیابی کرده و تقاضای انرژی مربوطه را به هر واحد اختصاص دهد. علاوه بر این، قبوض انرژی برای تأیید مصرف موثر جمع آوری شد. هر یک از تجهیزات الکترومکانیکی به یکی از 5 مرحله ای اختصاص داده شد که در آن چیدمان کارخانه به آن تقسیم شد. به این ترتیب، مصرف را می توان با توجه به پارامتری که بیشترین تأثیر را روی مرحله تکی داشت، یعنی دبی ورودی (در متر مکعب) برای تیمارهای اولیه (مرحله 1)، مقدار کل مواد جامد حذف شده (کیلوگرم TSS حذف شده) نرمال کرد. برای تیمارهای اولیه (مرحله 2)، مقادیر آلی و مواد مغذی حذف شده برای واحد بیولوژیک (مرحله 3) برحسب معادل کل آلاینده (کیلوگرم TPE حذف شده)، کاهش گزارش پاتوژن برای m3 آب تصفیه شده برای واحد ضد عفونی بیان شده است.(مرحله 4)، و بار جامد پردازش شده به عنوان معادل جامد کل (کیلوگرم TSE پردازش شده) برای تصفیه لجن (مرحله 5) بیان می شود. به این ترتیب شاخص های کلیدی عملکرد (KPI) بر اساس روش استاندارد [19] محاسبه شدند. محاسبات با در نظر گرفتن بهره برداری یک ساله از کارخانه انجام شد. در نهایت، یک شاخص جهانی از عملکرد کارخانه، "شاخص انرژی تصفیه آب" (WTEI)، محاسبه شد و برچسبی که کارایی جهانی نیروگاه را توصیف می کند، همانطور که در جدول 1 گزارش شده است، اختصاص داده شد.

2. 4. ارزیابی ردپای کربن

سازمان تنظیم مقررات ایتالیا برای انرژی، شبکه ها و محیط زیست (ARERA) نشانگر اضافی G5. 3 "ردپای کربن خدمات تصفیه آب" را مطابق استاندارد ISO 14064-1، 2019 معرفی کرد. این دستورالعمل اطلاعات کلی را برای ارزیابیردپای کربن فعالیت، اما شامل مشخصات برای بخش های منفرد، مانند خدمات آب یا فاضلاب نمی شود. دستورالعمل های بین المللی، مانند IPCC [28]، می توانند از ارائه فاکتورهای انتشار (EFs) که در فعالیت های بخشی استفاده می شوند، پشتیبانی کنند، اما شرایط خاص سایت می تواند به طور قابل توجهی با شرایط فرض شده متفاوت باشد.

در این کار، انتشار طبق رابطه (1) در توافق با دستورالعمل IPCC [28] محاسبه شد.

e m i s s i o n (t o n c o 2 e y) = a c t i v i t y d a t a (q u a n t i t y) × e f (t o n g h g s rq u a n t i t y) × g w p

در جایی که ، برای هر گاز گلخانه ای (GHG) ، انتشار گازهای گلخانه ای (AD) ، که مقدار نماینده یک فعالیت یا خدماتی است که باعث انتشار می شود ، توسط یک عامل انتشار (EF) ، که نشان دهنده سهم خاص است ، محاسبه شد.، و یک پتانسیل گرمایش جهانی (GWP) برای تبدیل هر GHG به CO₂معادل ها

به طور کلی ، AD نشان دهنده مقدار تولید شده یا استفاده شده ، انرژی ، جرم یا حجم است که نشان دهنده پارامتر کلیدی برای هر دسته انتشار است. در مورد WWTP ، فعالیت های اصلی مربوط به میزان فاضلاب و آلاینده های تصفیه شده (M 3/Y ، Toncod/Y ، Tonn/Y ،…) ، مواد شیمیایی (تن/y) و انرژی مصرفی (MWH/Y) است ، به عنوانتوضیح داده شده توسط گوستاوسون و توملین [29]. داده های عملیاتی سالانه از گیاه جمع آوری و برای به دست آوردن داده های فعالیت مورد نیاز برای توصیف انتشار گازهای گلخانه ای از یک عملیات WWTP تهیه شده است.

EF های کاربردی از ادبیات ، دستورالعمل ها و بانکهای اطلاعاتی ملی و بین المللی مانند دستورالعمل های IPCC [28،30،31،32] و ISPRA [33،34،35] جمع آوری شد.

تولید گازهای گلخانه ای به دسته بندی ها گروه بندی شدند و بین موارد مستقیم و غیرمستقیم تمایز قایل شدند. با توجه به انتشار مستقیم ، منابع اصلی فرآیندهای بیولوژیکی اکسیداسیون آلی ، نیتریفیکاسیون و انزال سازی بودند [36]. انتشار غیرمستقیم مربوط به مصرف انرژی ، دوز شیمیایی و دفع زباله بود و حتی اگر منابع آنها در خارج از مرزهای فیزیکی WWTP ها قرار داشته باشد ، زیرا آنها توسط استراتژی های مدیریتی خاص تحت مسئولیت ابزار آب ایجاد شده اند. منابع اصلی انتشار مستقیم شامل احتراق بیوگاز ، فرآیندهای WWTP و انتشار فراری بود ، در حالی که انتشار گازهای محلول در بدن آب ، انرژی و مصرف شیمیایی ، حمل و نقل و دفع لجن غیرمستقیم در نظر گرفته شد.

2. 5رد پا

بسته به کلاسهای پیش بینی شده در مقررات اتحادیه اروپا 741/2020 ، ردپای آب با تمایز چهار مورد مختلف از کیفیت آب مورد بررسی قرار گرفت. محدودیت های تخلیه فعلی الزامات کلاس D را که به عنوان گزینه غیر استفاده در نظر گرفته می شود ، برآورده می کند. این گیاه باید تنظیم ایتالیایی 2006/52 را برای کیفیت پساب ، با محدودیت سختگیرانه تر برای غلظت نیتروژن و فسفر ، که به ترتیب زیر 10 میلی گرم در لیتر و 1 میلی گرم در لیتر است ، برآورده کند. علاوه بر این ، غلظت E. Coli در پساب باید پایین تر از 5000 CFU/100 میلی لیتر باشد.

برای آبیاری محصولات زراعی که در آن قسمت خوراکی در تماس مستقیم با آب بازپس گیری نیست ، در صورت استفاده از آبیاری قطره ای برای کاهش بیشتر خطرات ، می توان از کلاس C استفاده کرد. در غیر این صورت ، حداقل کلاس B لازم است. کلاس A برای محصولات غذایی مورد استفاده خام مورد نیاز است که قسمت خوراکی در تماس مستقیم با آب بازپس گیری شده است. به این ترتیب ، کلاس کیفیت به دست آمده برنامه های ممکن موجود را تعیین می کند.

2. 6استفاده مجدد از آب

ردپاهای منفرد به یکدیگر بهم پیوسته بودند. به عنوان مثال ، مصرف انرژی هم بر روی ردپای انرژی و هم بر روی ردپای کربن تأثیر گذاشت ، زیرا انتشار گازهای گلخانه ای مربوط به تولید انرژی باید در ارزیابی ردپای کربن گنجانده شود. به همین ترتیب ، استفاده از مواد شیمیایی بر GHG ساطع شده و نیازهای انرژی برای تولید آنها تأثیر گذاشت. علاوه بر این ، برای تأمین مقدار مشخصی از آب با کیفیت تعریف شده برای آبیاری ، باید راندمان WWTP بهبود یابد ، تقاضای انرژی را برای تقویت عملکردهای درمانی ، به ویژه در واحد ضد عفونی و افزایش انتشار گازهای گلخانه ای مرتبط با آن افزایش دهد. سپس ردپاهای در سطح WWTP گسترش یافت تا بخش کشاورزی را شامل شود. برای کاربردهای استفاده مجدد از آب ، محصولات زراعی کشت شده با آب احیا شده با توجه به الزامات ارائه شده توسط اتحادیه اروپا 741/2020 برای هر کلاس انتخاب شدند و با توجه به پراکنده ترین گونه های سیستم یکپارچه پری شهری در محیط پسه بورومئوWWTPداده های مربوط به بهره وری کشت ، تقاضای مواد مغذی و جداسازی کربن از ادبیات و دستورالعمل های ملی و بین المللی جمع آوری شد. در جدول 2 خواسته های انواع مختلف محصول انتخاب شده در این مطالعه نشان داده شده است. کلاس کیفیت آب بر نوع محصولات آبیاری که می توانند آبیاری شوند ، با آب متفاوت و تقاضای مواد مغذی و همچنین انتشار گازهای گلخانه ای مختلف و جداسازی کربن تأثیر می گذارد. سرانجام ، این مهم است که توجه داشته باشیم که تقاضای آب برای کشت سه محصول منتخب در سرزمین های کشاورزی اطراف (2500 هکتار) از دوره شهری میلان می تواند به طور گسترده ای توسط پساب تصفیه شده خط 2 WWTP تحت پوشش قرار گیرد (25،929،332 متر 3 /y).

روش های مختلف آبیاری برای رسیدگی به نیاز آبی محصولات منتخب، از تکنیک های سنتی تا تکنیک های بیشتر، مانند آبیاری قطره ای، در نظر گرفته شد. هر روش آبیاری با سطح معینی از راندمان مشخص می شود که به عنوان نسبت بین مقدار آبی که به طور موثر به محصول می رسد نسبت به مقدار آب ارائه شده در نظر گرفته می شود. در این شرایط، آبیاری سطحی با کمترین سطح راندمان، برابر با 0. 5 مشخص می شود. راندمان آبیاری بارانی 0. 7 است. آبیاری قطره ای که کارآمدترین روش است راندمان 0. 9 دارد.

بدیهی است که آبیاری قطره ای فناوری است که می تواند بیشترین صرفه جویی در مصرف آب را در طول آبیاری فراهم کند. از این رو، آبیاری قطره ای به عنوان فناوری آبیاری برای محاسبه نیاز آب برای محصولات کشاورزی و مصرف انرژی در طول آبیاری انتخاب شد. نیازهای انرژی برای آبیاری و ردپای کربن متعاقب آن برای ارزیابی نیازهای مرتبط با تولید هر محصول و تعریف روابط خاص بین روش آبیاری، تقاضای آب، انرژی و ردپای کربن محاسبه شد. پس از محاسبه ردپای تک زیرسیستمی، ترکیب های مختلف سطح راندمان تصفیه WWTP و محصول آبی در نظر گرفته شد و ردپای مقطعی یکپارچه آنها تعریف شد. اطلاعات برای ارائه یک پایگاه داده قابل اعتماد برای اجرای یک بازی جدی، بر اساس داده های واقعی مورد آزمایشی منطقه حومه شهری Peschiera Borromeo WWTP جمع آوری شد.

2. 7. ارزیابی سناریوهای استفاده مجدد از آب

برای هر سناریوی در نظر گرفته شده، ردپای تک بخش و تک مرحله محاسبه و ترکیب شدند، نیازهای انرژی مورد نیاز برای دستیابی به یک کلاس کیفیت آب تعریف شده، نیاز آب مورد نیاز به محصول کشت شده بسته به روش آبیاری مورد استفاده، و ردپای کربن مربوطه را به هم مرتبط کردند. کیفیت آب بر مصرف انرژی و ردپای کربن WWTP تأثیر گذاشت، اما نوع محصولات قابل آبیاری و همچنین روش آبیاری را نیز محدود کرد. از طرف دیگر، کیفیت محصول و تکنیک های آبیاری بر میزان آب مورد نیاز، و همچنین مصرف انرژی و سوخت، انتشار گازهای گلخانه ای و ترسیب کربن تأثیر گذاشت. خلاصه ای از الزامات مورد نیاز برای هر سناریو در جدول 3 ارائه شده است، جایی که محدودیت های استاندارد مربوط به مقررات اتحادیه اروپا 741/2020 است.

2. 7. 1. سناریوی عدم استفاده مجدد

سناریوی پایه ، مورد عدم استفاده مجدد بود (شکل 1) ، که در آن WWTP فاضلاب را برای تأمین حداقل محدودیت های نظارتی برای تخلیه درمان می کند. از آنجا که در این حالت ، فاضلاب تخلیه شده در تماس مستقیم با فرهنگ ها نیست ، نیازی به توجه خاصی به مشکلات سمیت برای مصرف بیش از حد شیمیایی نیست. با توجه به اینکه خط درمانی معمولی Peschiera Borromeo WWTP برای استفاده مجدد از آب طراحی نشده است و توسط یک واحد ضد عفونی شیمیایی با اسید پراستیک مشخص می شود ، همان شیمیایی برای شبیه سازی سناریوی غیر مجدد در نظر گرفته شد. مقصد دفع لجن در نظر گرفته شده ، تولید گچ دفع مدفوع بود ، زیرا یکی از متداول ترین مسیرهای منطقه است.

2. 7. 2. استفاده مجدد از سناریوها

سناریوهای مختلف استفاده مجدد مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت ، ترکیبی از کلاس کیفیت آب ، روش آبیاری مورد استفاده و محصول کشت شده (شکل 2). در سطح WWTP ، پیکربندی درمان شامل ضد عفونی UV به جای دوز شیمیایی بود.

خط درمانی 2 از Peschiera-Borromeo WWTP از فیلتراسیون بیولوژیکی به عنوان درمان ثانویه استفاده کرد ، و قبلاً قادر به احترام به استانداردهای BOD بود₅و TS های مربوط به استفاده مجدد از کلاس A (جدول 3). در هر صورت ، محدودیت های استاندارد برای BOD₅و TSS با اضافه کردن یک واحد فیلتراسیون ماسه ای پس از مرحله بیولوژیکی می تواند به راحتی انجام شود. دوزهای اشعه ماوراء بنفش برای احترام به محدودیت های E. coli ارائه شده توسط مقررات اتحادیه اروپا 741/2020 برای کلاس های مختلف کیفیت آب انتخاب شد [32،33].

در منطقه پری شهری میلان ، با توجه به تقاضای زراعی ، به مدت پنج ماه بین آوریل و آگوست ، استفاده مجدد از آب انجام شد.

کلاس C با کمترین کیفیت نیازهای آبیاری محصول مواد غذایی مشخص شد اما دلالت بر اقدامات اضافی برای تضمین سطح قابل قبول خطر دارد. قسمتهای خوراکی محصولات زراعی نباید با آب بازپس گیری ارتباط مستقیمی داشته باشند و باید با استفاده از تکنیک های دقیق تر مانند روش قطره آبیاری شوند. حتی اگر محتوای مواد مغذی در آب بازپس گیری معمولاً برای جبران تقاضای محصول کافی نباشد ، بخشی از کود مصنوعی که معمولاً برای رشد محصول استفاده می شود ، می تواند به هر حال ذخیره شود. مشخص شده است که در کاربرد در امتحان ، غلظت مواد مغذی در فاضلاب مطابق با محدودیت تخلیه مقررات فعلی ایتالیایی 152/2006 فرض می شود ، زیرا در صورت عدم پذیرش مجدد ، کیفیت آب در هر صورت مورد نیاز استالزامات مربوط به تخلیه را برآورده کنید. پیشرفت های بیشتر می تواند شیوه های باروری یا استفاده از لجن را در زمینه های کشت ، بهینه سازی بازیابی منابع و کاهش بیشتر اثرات ناشی از حذف مواد مغذی از خط آب یا دفع لجن در نظر بگیرد. با این حال ، تمام سناریوهای استفاده مجدد مورد بررسی بر روی خط آب متمرکز شده اند ، در حالی که کاربرد لجن در زمینه های کشت در نظر گرفته نشده است ، زیرا ملاحظات بیشتر در مورد نوع پس از درمان و کیفیت نهایی محصول مورد نیاز بود.

اگر آب بازپس گیری شده با استانداردهای کلاس B فراهم شود ، می توان از هر روش آبیاری برای محصولات غذایی بدون قطعات خوراکی در تماس مستقیم با آب استفاده کرد. به این ترتیب ، آب احیا شده ارائه شده توسط WWTP می تواند برای طیف وسیع تری از کاربران بالقوه استفاده شود ، که نیازی به برآورده کردن نیازهای خاص تکنیک های آبیاری اعمال نشده است. از طرف دیگر ، انرژی و ردپای کربن WWTP افزایش می یابد ، زیرا تلاش های بیشتری برای تأمین آب پس گرفته شده با کیفیت بالاتر لازم بود ، به ویژه که در مورد درمان های سوم برای کاهش پاتوژن.

آب بازیافتی در کلاس A دارای سخت ترین استانداردهای کیفی بود. تمام محصولات غذایی مصرف شده به صورت خام در جایی که قسمت خوراکی آن در تماس مستقیم با آب بازیافتی است و محصولات ریشه مصرف شده به صورت خام می توانند آبیاری شوند و از کلیه روش های آبیاری استفاده شود. WWTP ها باید کارایی درمان های سوم و ضد عفونی خود را افزایش دهند تا غلظت E. coli را تا 10 CFU/100 میلی لیتر تضمین کنند. در جایی که واحدهای ضد عفونی UV استفاده می شد، مصرف انرژی بالاتر برای لامپ ها و در نتیجه ردپای کربن بالاتر پیش بینی می شد. در این میان، برای واحدهای شیمیایی، دوز بالاتر معرف ها ضروری بود که حاکی از افزایش انرژی و ردپای کربن مربوط به تولید آنها بود. علاوه بر این، مصرف بیش از حد نباید بر سلامت و خطر زیست محیطی برای استفاده مجدد از آب تأثیر بگذارد [38].

3. نتایج

مزایا و کاربردهای سناریوهای استفاده مجدد

با در نظر گرفتن تنها در سطح WWTP، به نظر می رسد تحویل پساب با کیفیت پایین تر تأثیرات کمتری دارد، زیرا نیروگاه انرژی کمتری مصرف می کند و در نتیجه انتشار کربن کمتری تولید می کند. با این حال، با پیکربندی کمتر کارآمد نیز مشخص می شود. به همین ترتیب، در بخش کشاورزی، هنگامی که فاضلاب تصفیه شده تخلیه می شود، آب شیرین با کیفیت بالا برای اهداف آبیاری مصرف می شود و مقدار بیشتری از کودهای مصنوعی برای رشد محصول مورد نیاز است.

ارزیابی های ردپای ارتباط متقابل بین آب، انرژی و کربن را در کاربرد استفاده مجدد از آب برای آبیاری کشاورزی نشان داد. انتشار کربن و مصرف انرژی بسته به کیفیت آب مورد نیاز برای تحویل متفاوت است (جدول 4). به عنوان مثال، ارتقاء عملکرد کارخانه برای رسیدن به کلاس های با کیفیت بالاتر از پساب تصفیه شده، مستلزم افزایش انرژی و ردپای کربن کارخانه است، اما محصولات با کیفیت بالاتر را می توان با فاضلاب اصلاح شده کشت کرد. در محاسبات جدول 4 مصرف انرژی (1160 مگاوات ساعت در سال) و انتشار گازهای گلخانه ای (515 تن CO2) نیز در نظر گرفته شده است.₂eq/y) برای آبیاری قطره ای منطقه مورد بررسی.

اگر WWTP برای رسیدن به کلاس کیفیت آب C به روز شود ، به جای تخلیه فاضلاب ، صرفه جویی در مصرف انرژی به 7. 1 ٪ رسید ، در توافق با نتایج مطالعات قبلی [39،40] ، و قرار بود انتشار کربن تا 2. 7 کاهش یابد٪. هنگامی که کیفیت آب برای رسیدن به کلاس B انجام شد ، 5. 8 ٪ کاهش ردپای انرژی حاصل شد ، در حالی که ردپای کربن 2. 0 ٪ کاهش می یابد. با این حال ، افزایش کیفیت آب از کلاس C به کلاس A به ترتیب افزایش WWTP در انرژی و ردپای کربن به ترتیب 5. 7 ٪ و 1. 7 ٪ است. با این حال ، از نظر جهانی و پیچیده تر ، فاضلاب پساب با کیفیت پایین به معنای آلودگی بیشتر و تأثیرات بیشتر بر سلامت و محیط زیست است. علاوه بر این ، محصولات با کیفیت بالاتر را می توان با آب بازپس گیری شده در کلاس A ، با درآمد اقتصادی بزرگتر برای کشاورزان کشت کرد. برای ارائه اطلاعات اضافی در مورد محاسبه ردپای کربن ، جزئیات انتشار گازهای گلخانه ای گروه بندی شده برای دسته ها و مربوط به عملکرد Peschiera-Borromeo WWTP در جدول 5 گزارش شده است.

در یک روش مشابه ، اطلاعات مربوط به مصرف انرژی واحدهای مختلف Peschiera-Borromeo WWTP در جدول 6 از نظر KPI و WTEI در توافق با روش استاندارد Enerwater گزارش شده است [19]. به ویژه ، جالب است که مشاهده کنیم که به روزرسانی واحدهای ضد عفونی ، تغییر در طبقه بندی بهره وری انرژی گیاه را که در کلاس F باقی مانده است ، تعیین نمی کند.

سرانجام ، در جدول 7 داده های مربوط به انرژی صرفه جویی شده ، کاهش انتشار GHG ، آب و مواد مغذی بازیابی شده برای آبیاری ذرت ، هویج و گوجه فرنگی با آب پس گرفته شده در مقایسه با سناریوی غیر مجدد ، از سر گرفته شده است. در حین آبیاری قطره ای ، قسمت خوراکی ذرت در تماس مستقیم با آب بازپس گیری نیست. از این رو ، این محصول توسط آب کلاس C قابل آبیاری است. در مقابل ، گوجه فرنگی و هویج باید توسط آب کلاس A آبیاری شوند. به ویژه ، کمترین مصرف انرژی و انتشار GHG در طول آبیاری ذرت به دلیل کمترین نیاز انرژی به ضد عفونی UV (جدول 4) بدست آمد. در مقابل ، در هنگام آبیاری هویج و گوجه فرنگی ، که تقاضای آب بالاتری دارند (جدول 2) می توان بهبودی بالاتری از مواد مغذی و آب داشت. علاوه بر این ، این دو محصول می توانند درآمد اقتصادی بالاتری داشته باشند (جدول 1).

4. بحث

مقررات زیست محیطی سخت گیرانه، الزامات مربوط به پساب و راندمان بالاتر در حذف آلاینده ها با هزینه کمتر و همچنین تولید انرژی از تصفیه فاضلاب ضرورت توجه به روش ها و فناوری های جدید را روشن می کند [41]. توصیف و کمیت پیوند WEFC مبتنی بر استفاده مجدد از آب در یک سیستم تصفیه و استفاده مجدد فاضلاب حومه شهری یکپارچه شامل تجزیه و تحلیل مقطعی، پیوند انرژی، کربن و ردپای آب، و همچنین ارزیابی های مرحله ای از همه زیرساخت ها است. سیستم های درگیرانرژی و انتشار کربن بیشتری باید برای بهبود کیفیت فاضلاب در نظر گرفته شود تا نیازهای استفاده مجدد را برآورده کند. محصولات مختلف و روش های مختلف آبیاری را می توان با هم ترکیب کرد و همیشه الزامات نظارتی و سطح فن آوری قابل دستیابی را در نظر داشت. پس از تعریف همه پیوندهای متقابلی که پیوند را ایجاد می کنند، این روابط می تواند برای توسعه برنامه هایی برای نشان دادن و ارزیابی تمام نتایج مرتبط، توضیح و ارتباط تلاش ها و منافع برای توسعه پایدار یک سیستم پیرامون شهری مورد استفاده قرار گیرد.

بر اساس ارزیابی ما از سناریوهای استفاده مجدد از آب کشاورزی برای WWTP Peschiera Borromeo، کاهش قابل توجهی در کربن و ردپای انرژی به دست آمد. در سناریوهای استفاده مجدد، ردپای انرژی با افزایش کیفیت آب (کلاس استفاده مجدد) به دلیل استانداردهای بالا و فن آوری ها/روش های تصفیه مرتبط افزایش یافت. از سوی دیگر، ردپای کربن در تمام سناریوهای استفاده مجدد تقریباً یکسان باقی مانده است. به طور مشابه، لاهلو و همکارانش [42] از رویکرد پیوندی WEF برای شناسایی تخصیص بهینه 13 منبع فاضلاب تصفیه شده برای استفاده در کشت یونجه، دستیابی به کاهش ردپای آب خاکستری، انرژی و ردپای کربن در قطر استفاده کردند که با ناامنی غذایی شدید مواجه است. به دلیل محدودیت منابع آبینویسندگان ردپای آب خاکستری، انرژی برای حمل و نقل و ردپای کربن را با رشد 1 تن یونجه به صورت 917- متر مکعب، 70 کیلووات ساعت و 34- کیلوگرم CO در ارتباط یافتند.₂معادله برای مزرعه Erakhiya، و-1770 متر مکعب، 68 کیلووات ساعت و-18 کیلوگرم-CO₂معادله برای مزرعه وادی العرایگ.

با توجه به صرفه جویی عمده در منابع (از جمله آب و انرژی) و کاهش انتشار گازهای گلخانه ای، کشاورزان، سیاست گذاران، مدیران احیاء و متخصصان کشاورزی ضرورت وجود پیوند WEFC در سیستم های یکپارچه فاضلاب و استفاده مجدد را تشخیص داده و راه حل های نوآورانه ای را بر اساس این مفهوم به ویژه دربعد محلی [43]. این رویکرد می تواند به اندازه گیری و پایش شاخص های تعاملات پیچیده بین تصفیه/استفاده مجدد آب، انتشار کربن، مصرف انرژی، کشاورزی هوشمند و تنوع آب و هوا کمک کند [17]. علاوه بر این، دیجیتالی سازی می تواند مجموعه داده های مورد نیاز برای ارزیابی های ردپای را بهبود بخشد و فضایی مشترک برای ذخیره سازی و بسط آنها فراهم کند. داده های آفلاین استاندارد از تجزیه و تحلیل های آزمایشگاهی دوره ای یا سایر شیوه های مدیریت سنتی را می توان با سیگنال های بلادرنگ از شبکه نظارت بر حسگرها در WWTP و در میدان پشتیبانی و بهبود بخشید و فرکانس و سطح کنترل را بهبود بخشید. علاوه بر این، اتصال ورودی های میدانی و WWTP می تواند مدیریت آب و منابع را بهینه کند.

5. نتیجه گیری ها

ارزیابی شیوه های پیچیده و چندبخشی، مانند استفاده مجدد از آب برای آبیاری کشاورزی، باید با توجه به پیوند WEFC سیستم یکپارچه انجام شود. ممیزی های منفرد یا ملاحظات جزئی مرحله فرعی ممکن است معرف کل سیستم نباشند، زیرا ممکن است جنبه های مهم یا موازنه های متقابل را شامل نشوند. در این مقاله، رویکرد پیوندی برای ارزیابی شیوه های استفاده مجدد از آب در یک سیستم یکپارچه حومه شهری، تجزیه و تحلیل ردپای بخش های مختلف، از انرژی گرفته تا آب و کربن، برای مراحل مختلف فرعی که سیستم یکپارچه را تشکیل می دهند، از WWTP تا آبیاری مورد استفاده قرار گرفت. رشته. تنها با استفاده از رویکرد پیوندی و در نظر گرفتن تمام سیستم های یکپارچه می توان ارزیابی جامعی انجام داد و مزایای استفاده مجدد از آب (یعنی انرژی و ردپای کربن) را می توان به وضوح برجسته کرد. رویکرد Nexus برای درک بهتر همه اتصالاتی که بخش های آب، انرژی، کربن، غذا و آب و هوا را به هم مرتبط می کنند، اساسی است و امکان ارزیابی تمام اثرات و پیامدهای استراتژی های مختلف بر روی شیوه های استفاده مجدد از آب را فراهم می کند. رویکرد پیوندی می تواند برای افزایش آگاهی از تمام تلاش های مورد نیاز برای به کارگیری شیوه های پایدار و مزایایی که می توان تخصیص داد، بهبود مقبولیت و تمایل به پرداخت برای اقدامات مدیریت آب و منابع پایدارتر استفاده کرد.

کمک های نویسنده

مفهوم سازی ، E. M. ، S. R. ، ç. a. و F. F. ؛روش شناسی ، E. M. ، S. R. و M. S. ؛نرم افزار ، E. M. و S. R. ؛اعتبار سنجی ، M. S. و A. L. E. ؛تجزیه و تحلیل رسمی ، E. M. و S. R. ؛تحقیقات ، E. M. ، S. R. و ç. a. ؛منابع ، F. F. ؛درمان داده ها ، E. M. ، S. R. ، M. S. و G. B. B. ؛نوشتن - پیش نویس آماده سازی ، S. R. و ç. a. ؛نوشتن - بررسی و ویرایش ، کارشناسی ارشد ، A. M. و F. F. ؛تجسم ، E. M. و S. R. ؛نظارت ، A. L. E. ، G. B. B. ، A. M. و F. F. ؛مدیریت پروژه ، A. L. E. و F. F. ؛کسب بودجه ، F. F. همه نویسندگان نسخه منتشر شده نسخه خطی را خوانده و موافقت کرده اند.

منابع مالی

این تحقیق توسط "Digital-Water. City-DWC" اقدام به تأمین بودجه از برنامه تحقیق و نوآوری Horizon 2020 اتحادیه اروپا تحت توافقنامه شماره 820954 شد.