Obiekty technologiczne oczyszczania wody i ścieków, aby mogły realizować zadania w ramach Smart Cities, nie mogą już być traktowane w sposób konserwatywny. Dotychczasowe podejście polegające na traktowaniu ich jako oddzielnych elementów struktury miejskiej, realizujących wydzielone zadania, musi ulec zmianie tak, aby obiekty te były projektowane i eksploatowane jako silnie zintegrowane elementy jednej struktury zarządzanej i eksploatowanej dla utrzymania lub podnoszenia jakości życia mieszkańców bez nadmiernego obciążania środowiska.

W ostatnich stu latach praktycznie na całej kuli ziemskiej obserwuje się wzrost udziału mieszkańców miast w ogólnej liczbie ludności. Proces ten dotyczy zarówno kontynentów (poza Antarktydą), regionów, jak i przytłaczającej większości państw. Obserwuje się przy tym tendencję najbardziej intensywnego wzrostu liczby ludności w największych metropoliach, co potęguje problemy związane z kształtowaniem, utrzymaniem i planowaniem infrastruktury komunalnej tych jednostek. O ile około stu lat temu (w roku 1920) jedynie 14% spośród ówczesnych 1,9 mld mieszkańców naszego globu zamieszkiwało w miastach, to w roku 1960 było to już 34% (z 3 mld ówczesnej liczby ludności). Statystyki ONZ pokazują, że w roku 2014 w miastach zamieszkiwało już 54% spośród 7,2 mld mieszkańców Ziemi, przy czym tempo przyrostu procentowego udziału mieszkańców miast w ogólnej liczbie ludności szacuje się obecnie na około 1,5% rocznie. Połowa mieszkańców miast mieszka w jednostkach o populacji pomiędzy 100 000 a 500 000 mieszkańców, a około 10% ludności naszego globu zamieszkuje megamiasta o liczebności powyżej 10 milionów każde (choć akurat ten problem obecnie nie dotyczy Polski). Prognozy mówią o 70% udziale ludności miast w roku 2050. Według wyników badań opublikowanych przez Departament Spraw Socjalnych ONZ, nastąpiła w skali globalnej stabilizacja liczby ludności zamieszkującej regiony typowo wiejskie, co z kolei powoduje, że stale narasta liczba osób potrzebujących dostępu do infrastruktury komunalnej.

Te zjawiska widoczne są także w Polsce, w której udział mieszkańców miast, wynoszący 25% w roku 1920, wzrósł do 30% w roku 1938, w roku 1960 wynosił niemal połowę (48%), a obecnie przekracza 60%. Należy zwrócić uwagę, że obecnie Polskę zamieszkuje ok. 38,5 mln mieszkańców, czyli jedynie o 10% więcej niż w 1938, co wskazuje na specyficzny, konsekwentny wzrost znaczenia miast. W naszym kraju także widoczny jest wzrost udziału dużych miast w ogólnej liczbie ludności: o ile w 1938 r. mieszkańcy 10 największych miast stanowili jedynie 10% całkowitej liczby mieszkańców, to obecnie jest to niemal 20% mieszkańców naszego kraju (choć oczywiście są to inne miasta). Tak znacząca dynamika wzrostu populacji miast w ostatnich latach, generuje problemy związane z ich zarządzaniem i planowaniem ich rozwoju, z jednej bowiem strony miasta stają się silniejsze ekonomicznie, z drugiej jednak pojawiają się zagrożenia ich istnienia, związane – na interesującym nas obszarze – z nadmiernym obciążeniem środowiska naturalnego przez aktywność życiową i zawodową tak dużych mas ludzi.

Smart Cities – skąd ten pomysł?

Współczesną propozycją rozwiązania tego zagadnienia jest idea Smart Cities (stosowany najczęściej zamienni termin polskojęzyczny Miasta Inteligentne nie do końca oddaje znaczenie słowa „smart”). Idea ta jest wynikiem pewnej ewolucji prognoz określających przewidywane kierunki rozwoju strukturą zarządczą miast, wobec coraz szerszych możliwości, jakie niosą ze sobą techniki komputerowe i – szerzej – informatyczne. W ostatnich latach pojawiały się idee miast przyszłości („future cities”), następnie miast zrównoważonych („sustainable cities”) czy też miast cyfrowych („digital cities”) i wreszcie „smart cities”. Można spotkać różne opisy tej koncepcji rozwoju, jednak najczęściej mówimy o „Smart City” jako o wizji rozwoju opartej na technologiach informacyjnych i komunikacyjnych (IT) oraz tzw. Internecie rzeczy (czyli wymianie informacji pomiędzy obiektami/urządzeniami bez ingerencji człowieka) prowadzącej do odpowiedniego zarządzania coraz bardziej skomplikowaną i stale rozrastającą się infrastrukturą miasta. Obecnie w dyskusjach dominują aspekty techniczne, przede wszystkim chodzi o szerokie użycie technologii IT dla podniesienia efektywności wykorzystania obiektów, urządzeń i zasobów miejskich, efektywnemu wykorzystaniu energii, wody, zasobów naturalnych – w celu obniżenia negatywnego wpływu rosnących miast na środowisko, ale także, aby obniżyć koszty utrzymania jednostek miejskich. Coraz więcej uwagi poświęca się też podniesieniu świadomości obywatelskiej mieszkańców m.in. przez ich szerszy udział w opiniowaniu, planowaniu, ulepszaniu otoczenia z wykorzystaniem zaawansowanych technologii szybkiej wymiany informacji na różnych poziomach działania miast.

Pytamy o rolę przedsiębiorstw wodociągowych i kanalizacyjnych

Skomplikowana sieć powiązań technicznych, ekonomicznych i społecznych wydaje się być szczególnie dobrze predystynowana do działania zgodnie z ideą „Smart”. Właściwym wydaje się tutaj pytanie o rolę przedsiębiorstw wodociągowych (pod tym pojęciem rozumiemy wszystkie struktury zarządzające i eksploatujące tę częścią miast, która jest odpowiedzialna za dostarczanie mieszkańcom wymaganej ilości wody o odpowiedniej jakości oraz za bezpieczne odprowadzanie wody wykorzystanej, zużytej czy też pochodzącej z naturalnych zjawisk klimatycznych) do otaczającego środowiska tak, aby nie obniżyć jakości życia mieszkańców. Przedsiębiorstwa wodociągowe w Polsce w ostatnim ćwierćwieczu z dużym sukcesem rozwiązały szereg problemów technicznych i ekonomicznych, ich wymienianie i omówienie mogłoby być tematem oddzielnego artykułu. Najbardziej znane z nich to: systematyczne podnoszenie wymagań dotyczących jakości oczyszczania wody i stopnia oczyszczania ścieków, balansowanie pomiędzy specyfiką gospodarki wolnorynkowej a społeczną rolą powszechnej dostawy usług komunalnych, konieczność realizacji sprzecznych wydawałoby się postulatów: niskich kosztów usług, a jednocześnie wysokiej jakości działania, czyli specyfika przedsiębiorstw, które eksploatują najbardziej chyba wrażliwy element infrastruktury komunalnej. Kolejnym wyzwaniem wydaje się być wdrażanie idei „Smart” w obszarze naszych zainteresowań zawodowych. Nie są to działania całkiem nowe, gdyż poszukiwanie rozwiązań technologicznych i technicznych, ukierunkowanych na wysokoefektywne oczyszczanie wody i ścieków, od dawna jest związane z szybkim rozwojem społeczno-gospodarczym, w tym zwłaszcza w kontekście rozwoju urbanizacji i metropolizacji. Dlatego polskie przedsiębiorstwa wodociągowe stale wdrażają nowe, oparte na technikach IT technologie eksploatacji i zarządzania, np. związane z zarządzaniem dostawami wody i określaniem zasadności opłat za korzystanie z usług.

W którą stronę zmierzamy?

Nie jest zadaniem tego artykułu pokazywanie konkretnych, jednostkowych przykładów rozwiązań, dlatego przedstawiane będą ogólne opisy kierunków rozwoju techniki i technologii bez podawania przykładów aplikacyjnych. Grupy autorów i organizacje międzynarodowe zajmujące się ideą „Smart Cities” wskazują na konieczność działania przedsiębiorstw wodociągowych w oparciu o jednoczesne zastosowanie czterech podstawowych zasad, takich jak:

  • wprowadzenie wielokrotnego wykorzystania zasobów wodnych;
  • projektowanie miast (zarówno całych dzielnic, jak i poszczególnych budynków) tak, aby idea wielokrotnego (cyrkulacyjnego) wykorzystania wody była realizowana w skali od pojedynczych gospodarstw domowych, poprzez bloki, dzielnice, do miasta jako całości;
  • eksploatowanie systemów wodociągowo-kanalizacyjne w powiązaniu z ochroną ilościową i jakościową wody w środowisku, w otoczeniu miast;
  • zaangażowanie mieszkańców, instytucji, organizacji, jednostek przemysłowych działających w mieście dla wdrażania przyjętych rozwiązań technicznych.

Zasada wielokrotnego wykorzystania zasobów wodnych będzie w praktyce prowadzić do coraz wyższego stopnia oczyszczania ścieków, tak aby po ich oczyszczeniu można było wprowadzać je do odbiorników będących źródłem zaopatrzenia w wodę. Najbardziej zaawansowana w tej grupie technologii jest odnowa wody, tzn. oczyszczanie ścieków do takiego stopnia czystości, aby uzyskały parametry jakościowe wody do spożycia. Wymaga to oprócz wysokosprawnego oczyszczania mechaniczno-biologicznego (które w Polsce jest obecnie standardem działania) o wysokosprawne oczyszczanie fizyczno-chemiczne, do tej pory typowe dla oczyszczania wody powierzchniowej. Wprawdzie – poza nielicznymi wyjątkami – w świecie unika się stosowania wody z odnowy do zaopatrzenia w wodę ludności, pozostawiając ją do zaopatrzenia rolnictwa ewentualnie przemysłu, jednak jest to technologia posiadająca duży potencjał aplikacyjny w megamiastach. Projektowanie tak, aby idea wielokrotnego wykorzystania wody była realizowana w skali miasta jako całości, to stosowanie w skali gospodarstw domowych wyłącznie urządzeń o niskim zużyciu wody, wykorzystywanie wody tzw. szarej lub wody z odnowy do tych zastosowań, które nie wymagają wody o jakości wody do spożycia, czy też wykorzystanie wód deszczowych jako pomocniczego źródła zaopatrzenia w wodę, np. do spłukiwania toalet. Zwraca się uwagę na potencjał, który niesie ze sobą właściwe kształtowanie struktury konstrukcyjnej i instalacyjnej nowo powstających budynków, nawet jeśli stymuluje się te działania instrumentami finansowymi. Szczególny potencjał posiada lepsze niż dotychczas wykorzystanie wód opadowych, które są obecnie traktowane jako zagrożenie dla obszarów miejskich (zwłaszcza wobec obserwowanej w ostatnim okresie ekstremalizacji zjawisk atmosferycznych), choć w obszarach o znaczącym deficycie wód powierzchniowych mogą być wykorzystane w praktyce. Zagadnienia te są przedmiotem prac badawczych różnych ośrodków w świecie.

Eksploatowanie systemów wodociągowych jest obecnie najbliżej idei „smart”, gdyż znane są – także w Polsce – liczne przykłady wykorzystania danych uzyskanych z systemów zdalnego odczytu wodomierzy do optymalizacji działania systemu zaopatrzenia w wodę. Możliwe jest wykorzystanie danych dotyczących zmian natężenia przepływu i/lub ciśnienia w danej strefie do sterowania zasilaniem poszczególnych obszarów zasilania, a na różnych etapach rozwoju znajdują się systemy, które pozwalają na przekazywanie – jednocześnie z typowymi danymi ilościowymi – także podstawowych danych jakościowych wody przesyłanej siecią wodociągową, co z kolei umożliwia optymalizowanie procesów uzdatniania, a szczególnie właściwe prowadzenie procesów dezynfekcji. Doświadczenia innych krajów borykających się z długotrwałym deficytem wody potwierdzają, że właściwe wykorzystanie danych ze zdalnego pomiaru natężenia przepływu i ciśnienia wody umożliwia szybką reakcję na nagły wzrost zapotrzebowania w obszarach zaopatrzenia, co – przy wykorzystaniu nowoczesnych technik obliczeniowych – pozwala na obniżenie kosztów eksploatacji, a czasami także na uniknięcie zbędnych inwestycji, zastępowanych zaawansowanymi technikami sterowania. Prace nad stworzeniem systemu sterowania jednocześnie ilością i jakością wody w sieci wydają się obecnie być najważniejsze dla przedsiębiorstw wodociągowych, a także są chyba najbliższe realizacji pełnoskalowej. Innym kierunkiem, również wdrażanym w polskich przedsiębiorstwach, zwłaszcza eksploatujących sieć wodociągową na terenach o dużej deniwelacji jest zastępowaniem układów redukujących ciśnienie wody w sieci wodociągowej urządzeniami do zamiany energii tej wody w energię elektryczną. Jest to klasyczne działanie zgodnie z ideą „Smart”, gdyż przedsiębiorstwo zaopatrujące w wodę jest jednocześnie producentem energii elektrycznej, zmniejszając tzw. odcisk ekologiczny miasta (czyli obniżając uciążliwość ekologiczną przez zmniejszenie zużycia np. paliw kopalnych do jej wytwarzania). Wdrożenie ostatniej z omawianych zasad (czyli zaangażowanie mieszkańców, instytucji, organizacji do stosowania w praktyce przyjętych rozwiązań technicznych i organizacyjnych) jest bardzo istotne dla powodzenia idei „smart”. Przedsiębiorstwa wodociągowe doświadczają wielu problemów związanych z brakiem zrozumienia przez odbiorców specyfiki eksploatacji infrastruktury wodno-ściekowej. Typowym przykładem jest tutaj brak zrozumienia przez odbiorców, że obniżenie jednostkowego zużycia wody i ilości odprowadzanych ścieków musi skutkować podniesieniem cen jednostkowych, lecz w końcowym efekcie jest zjawiskiem korzystnym dla mieszkańców także ekonomicznie. Wykorzystanie nowoczesnych technik komunikacyjnych powinno znacząco poprawić ten aspekt działalności naszego sektora.

Oczyszczalnie ścieków w zgodzie z ideą „Smart”

Istnieje szereg nowych technologii, szczególnie stosowanych w eksploatacji oczyszczalni ścieków, które już od kilkunastu lat są realizowane w zgodzie z ideą „Smart”. Można tu z pewnym uproszczeniem wymienić następujące kierunki rozwoju technologii eksploatacji oczyszczalni ścieków:

  • podnoszenie efektywności technologiczno-funkcjonalnej oczyszczalni opartej na wielofazowych reaktorach biologicznych do zintegrowanego usuwania związków węgla, azotu i fosforu, a w uzasadnionych przypadkach rozbudowa technologii do standardów jakościowych wody z odnowy;
  • wdrażanie rozwiązań technicznych zapewniających niskie zużycie energii, nie tylko przez stosowanie urządzeń o niskim zużyciu energii elektrycznej (np. dmuchawy, pompy, mieszadła) ale – przede wszystkim – działania zogniskowane na odzysku części energii w procesie technologicznym tak, aby ją wykorzystać jako odnawialną. Przede wszystkim jest to skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i cieplnej z wykorzystaniem gazu fermentacyjnego powstającego podczas beztlenowej przeróbki osadów ściekowych, może to być także stosowanie pomp ciepła z wykorzystaniem ścieków jako tzw. dolnego źródła. Istnieją wreszcie przykłady wykorzystania dużych, niezadrzewionych terenów zajmowanych przez oczyszczalnie ścieków jako obszaru farm fotowoltaicznych;
  • przykładem zastosowania technologii wyraźnie obniżającej zużycie energii elektrycznej jest wprowadzenie usuwania azotu na drodze nitrytacji zamiast znacznie bardziej energochłonnej denitryfikacji;
  • kolejnym kierunkiem działań jest minimalizacja objętości osadów po zakończeniu procesu technologicznego i możliwość ich utylizacji/wykorzystania – dla minimalizacji negatywnego wpływu na środowisko („ecological footprint”) oraz stosowanie takich metod przeróbki osadów, które charakteryzują się niższym niż metody tradycyjne zużyciem energii elektrycznej.

Czy uzdatnianie wody może być „Smart” ?

Doświadczenia we wdrażaniu idei „Smart” w odniesieniu do obiektów uzdatniania wody są obecnie wyraźnie mniejsze niż w odniesieniu do oczyszczalni ścieków, choć w tym obszarze oczekiwania konsumentów są szczególnie duże. Najważniejsze kierunki współczesnych usprawnień technologicznych to:

  • minimalizacja zużycia reagentów do produkcji wody (koagulantów, dezynfektantów), co oprócz korzyści ekonomicznych podnosi zaufanie współczesnych konsumentów do przedsiębiorstw wodociągowych, gdyż wskazuje na ograniczanie stosowania środków chemicznych potocznie uważanych za nieobojętne dla zdrowia;
  • próby zastępowania koagulantów chemicznych nieorganicznych zamiennikami produkowanymi na bazie roślin, np. pektyn lub tanin roślinnych zamiast koagulantów;
  • wdrażanie procedur minimalizujących lub – docelowo – ograniczających stosowanie chemicznych utleniaczy do dezynfekcji wody (zagadnienie to jest ściśle powiązane z omówionym zastosowaniem technik wspólnego sterowania ilością i jakością wody w sieci);
  • prace nad odzyskaniem związków czynnych z koagulantów (np. związków glinu) z osadów pokoagulacyjnych w takiej postaci, aby możliwe było ich ponowne użycie do oczyszczania wody;
  • opracowanie metod przeróbki osadów z produkcji wody zgodnie z zasadą gospodarki cyrkulacyjnej („circular economy”) tak, aby wykorzystano je jako substrat do wytwarzania np. materiałów budowlanych stosowanych w inwestycjach w obrębie miasta, z którego pochodzą te odpady.

Kwestia ustalenia właściwej gospodarki odpadami miejskimi jest też obecnie przedmiotem prac badawczych i wdrożeniowych, gdyż zaobserwowano możliwe korzyści, jakie może dawać np. wspólne przetwarzanie osadów z oczyszczania wody z osadami z oczyszczalni ścieków, czy też osadów ściekowych z odpadami komunalnymi i/lub przemysłowymi. Wszystkie te działania podporządkowane są idei „Smart” tak, aby przy ograniczonych zasobach naturalnych w otoczeniu rozrastających się miast, zapewnić właściwe warunki życia coraz większej liczbie mieszkańców.

Branża wodociągowa w obliczu wyzwania

Istnieje konieczność adaptacji do zmian zachodzących w strukturze społecznej miast, których zaludnienie wykazuje silny trend rosnący. Trzeba liczyć się z bieżącymi zadaniami, jakie stają przed eksploatatorami współczesnych systemów wodociągowych i kanalizacyjnych. Należą do nich:

  • zwiększanie liczebności ludności miast i dążenie do podnoszenia jakości życia, wiążącej dostępność do efektywnych technologii wodno-ściekowych oraz bezpieczeństwo zdrowia i niezawodność pracy infrastruktury wodno-ściekowej;
  • zachowanie zasad zrównoważonego rozwoju w odniesieniu do społeczno-gospodarczego działania na rzecz wzrostu gospodarczego w harmonii z ochroną środowiska.

Realizacje tych zadań umożliwia wdrażanie idei „Smart Cities” opartej na wykorzystaniu współczesnych technik komunikacyjno-informatycznych dla lepszego zarządzania obiektami.

dr hab. inż. Stanisław M. Rybicki,
dziekan Wydziału Inżynierii Środowiska Politechniki Krakowskiej
Kwartalnik "Wodociągi Polskie"
nr 1(53)


2

 

Materiał ukazał się w pierwszym numerze reaktywowanego kwartalnika IGWP "Wodociągi Polskie". 
Zachęcamy do lektury i prenumeraty naszego magazynu.

 http://www.igwp.org.pl/images/artykuly/kwartalnikigwp/Formularzprenumeraty.pdf

 

 

Wyszukiwanie

Nasze szkolenia

  • Nowe technologie oczyszczania wody i ścieków wobec idei Smart Cities. +

    Nowe technologie oczyszczania wody i ścieków wobec idei Smart Cities. Obiekty technologiczne oczyszczania wody i ścieków, aby mogły realizować zadania Czytaj więcej
  • Konsultacje - projekt kodeksu postępowania ochrony danych osobowych dla branży wodociągowo-kanalizacyjnej. +

    Konsultacje - projekt kodeksu postępowania ochrony danych osobowych dla branży wodociągowo-kanalizacyjnej. Szanowni Państwo, Izba Gospodarcza „Wodociągi Polskie” wychodząc naprzeciw oczekiwaniom Członków Czytaj więcej
  • 1

Newsletter IGWP

Rozwiń aby zapisać się do newslettera

Zapisz się do newslettera IGWP i bądź na bieżąco z informacjami i naszą ofertą.

Poniżej proszę wybrać listy newslettera oraz wpisać e-mail na który będą wysyłane informacje.