Written by 08:00 Nauka, Technologie

Technologie w walce z niedoborem wody

Magdalena Skonieczna, Tomasz Walczykiewicz
IMGW-PIB/Zakład Gospodarki Wodnej i Systemów Wodnogospodarczych

W krajach Unii Europejskiej woda jest ograniczonym zasobem, a problem jej deficytu dotyczy jednej trzeciej terytorium Wspólnoty. Coraz większe zapotrzebowanie na wodę oraz zmiana klimatu spowodują, że w przyszłości dostęp do tego zasobu będzie jeszcze trudniejszy. Nowoczesne technologie i systemowe rozwiązania strukturalne dają nadzieję na ograniczenie tych niekorzystnych tendencji.

Nadmierny pobór wody, przede wszystkim w rolnictwie, lecz również w przemyśle i na potrzeby rozwoju obszarów miejskich, jest jednym z głównych zagrożeń dla środowiska wodnego w Unii Europejskiej. W komunikacie w sprawie rozwiązania problemu dotyczącego niedoboru wody i susz w UE zwrócono uwagę, że oba zjawiska są problemami ogólnoświatowymi i mogą się pogłębiać na skutek zmiany klimatu. Susza, która w 2003 roku dotknęła ponad 100 mln osób, objęła blisko jedną trzecią terytorium Unii Europejskiej, a szkody w gospodarce Wspólnoty wyceniono na co najmniej 8,7 mld euro.

W latach 1990-2017 roczne odnawialne zasoby słodkiej wody zmniejszyły się w południowej Europie z 2800 m3 do 2400 m3 na osobę, w zachodniej Europie z 2300 m3 do 2100 m3 na osobę, a w północnej Europie z 9000 m3 do 8850 m3 na osobę. Duże spadki zaobserwowano w krajach takich jak Hiszpania (–65%), Malta (–54%) i Cypr (–32%). Według Organizacji Narodów Zjednoczonych do spraw Wyżywienia i Rolnictwa (FAO) zasoby wód powierzchniowych poniżej 1000 m3/rok/osobę klasyfikują kraj do grupy państw o skrajnie małych zasobach wodnych, a w granicach 1000-2000 m3/rok/osobę – w grupie krajów o bardzo małych zasobach. W Polsce na jednego mieszkańca przypada średnio 1660 m3 wody powierzchniowej rocznie.

Niedobór wody oraz susze mają bezpośredni wpływ na ludność i sektory gospodarki, które wykorzystują wodę i są od niej zależne, czyli rolnictwo, turystykę, przemysł, energetykę i transport. Według Europejskiej Agencji Środowiska niedobór wody wynika przede wszystkim z dwóch czynników: poziomu zapotrzebowania na wodę (na co w dużej mierze wpływają trendy w populacji i zmiany społeczno-gospodarcze) oraz warunków klimatycznych (które determinują dostępność odnawialnych zasobów słodkiej wody i sezonowość zaopatrzenia w wodę). Różne rozwiązania technologiczne mogą zmniejszyć zapotrzebowanie na wodę.

Photo by Helena Janés on Unsplash
Photo by Helena Janés on Unsplash

Innowacyjne technologie w rolnictwie

Za głównego sprawcę i jednocześnie ofiarę niedoboru wody uznaje się sektor rolniczy. Obszary nawadniane stanowią blisko 20% ziemi uprawianej na świecie i odpowiadają za 40% globalnej produkcji żywności. Blisko trzy czwarte globalnego poboru wody generuje działalność rolnicza, a w niektórych krajach rozwijających się wskaźnik ten osiąga nawet 95%. Globalne ocieplenie i zmiany w strukturze opadów będą przyczyniać się do wzrostu zapotrzebowania na wodę w rolnictwie, również w regionach, gdzie dotychczas problem jej niedoborów i susz w tym sektorze gospodarki nie był znaczący (np. w Polsce).

Na ilość wody zużywanej do nawodniania wpływają, poza czynnikami pogodowymi, rodzaj uprawy i tempo jej wzrostu, praktyki rolnicze, intensywność upraw, właściwości gleby, stopień modernizacji melioracji oraz zasięg technologii tzw. inteligentnego nawadniania. Jednym z przykładów inteligentnych technik nawodnieniowych jest system GSM (ang. Global System for Mobile Communications), dzięki któremu rolnik ma możliwość monitorowania i sterowania, np. za pomocą telefonu komórkowego, poziomu wilgotności gleby i temperatury otoczenia. GSM na podstawie danych o zużyciu wody przez roślinę, porze dnia, kondycji upraw lub poziomie wody w zbiornikach automatycznie uruchamia i zatrzymuje pompy wodne. W przypadku wystąpienia opadu deszczu system automatycznie się wyłącza. Porównanie inteligentnej techniki nawodnieniowej opartej na GSM z tradycyjnym ręcznym podlewaniem i nawadnianiem kropelkowym wykazało oszczędność nie tylko wody, ale i energii.

Kolejnym przykładem zastosowania inteligentnych technologii w rolnictwie jest precyzyjne nawadnianie. Technika ta polega na dokładnym odmierzaniu ilości wody doprowadzanej do roślin w określonym czasie. W 2016 roku zakończono europejski projekt badawczy, którego celem było zwiększenie efektywności wykorzystania wody przez uprawy. Opracowana w jego ramach platforma nawadniająca wspiera proces podejmowania decyzji przez rolników. System, poprzez wbudowane modele wzrostu plonów, czujniki monitorujące stan roślin i gleby, mechanizmy analizy danych satelitarnych, meteorologicznych, hydrologicznych oraz algorytmy prognostyczne, dostarcza rolnikom precyzyjnych i wiarygodnych zaleceń dotyczących ilości wody i czasu nawadniania.

Wprowadzenie na Krecie usług eksperckich w zakresie nawadniania pozwoliło wygenerować oszczędności w wykorzystaniu wody na poziomie 9-10%. Przedstawiciele służby doradczej do spraw nawadniania udzielają rolnikom telefonicznych informacji na temat częstotliwości i metod nawadniania upraw, na podstawie codziennych oszacowań warunków wywierających wpływ na te uprawy.

Trwają prace nad dostosowaniem prawodawstwa unijnego do krajowego w zakresie ponownego wykorzystania oczyszczonych ścieków komunalnych do nawadniania w rolnictwie w ramach zintegrowanego zarządzania zasobami wodnymi. Zarówno ramowa dyrektywa wodna (200/60/WE) jak i dyrektywa dotycząca oczyszczania ścieków komunalnych (91/271/EWG) nie określają warunków ponownego wykorzystania wody. W komunikacie z 2015 roku pt. „Zamknięcie obiegu – plan działania UE dotyczący gospodarki w obiegu zamkniętym”nawadnianie w rolnictwie zostało uznane za główne potencjalne źródło popytu na odzyskaną wodę, które ma największy potencjał, jeśli chodzi o zwiększenie jej wykorzystania i zmniejszenie jej niedoboru. Nowe rozporządzenie, o którym mowa w komunikacie z 2018 roku, wprowadza minimalne klasy jakości odzyskanej wody oraz dopuszczalne zastosowania i metody nawadniania dla każdej z klas. Zdaniem ekspertów zarówno przedsiębiorcy, jak i rolnicy powinni otrzymać szansę na wprowadzenie lub udoskonalenie procesów związanych z ponownym wykorzystaniem wody na cele rolnicze.

Photo by Wynand Uys on Unsplash
Photo by Wynand Uys on Unsplash

Oszczędność wody w gospodarstwach domowych

W tradycyjnym gospodarstwie domowym 50-80% wody ściekowej może być wykorzystane ponownie, jako tzw. szara woda. Według danych Europejskiej Agencji Środowiska sektory korzystające z systemów zbiorowego zaopatrzenia w wodę zużywają tylko 20% pobranej wody, podczas gdy pozostałe 80% zwracane jest do środowiska jako ścieki oczyszczone. Czas powrotu odpowiednio uzdatnionej wody do odbiorcy jest stosunkowo długi, dlatego żeby przyspieszyć ten proces, zaleca się ponowne wykorzystywanie szarej wody np. do podlewania ogrodów i spłukiwania toalet. Z ekonomicznego punktu widzenia takie rozwiązanie jest bardziej opłacalne i przyjazne dla środowiska niż budowa kanalizacji czy wywóz ścieków. Działania takie podjęto m.in. na Cyprze, co pozwoliło na zmniejszenie zużycia wody na osobę do 40%.

Obecnie instalacje pozwalające na ponowne wykorzystanie szarej wody znajdują się w budynkach o dużym zużyciu wody, gdzie realny zwrot nakładu inwestycyjnego jest możliwy w ciągu 5-10 lat. W sektorze hotelarskim, gdzie zużycie wody to około 70 m3/1 miejsce noclegowe/rok, oszczędności z wdrożenia instalacji mogą sięgać nawet 40%. Niestety, systemy tego typu są drogie, ponieważ wymagają odrębnych obiegów wody (tzw. systemu dualnego).

Wiele firm oferuje użytkownikom, w tym gospodarstwom domowym, urządzenia umożliwiające ograniczenie zużycia wody. Są to m.in. zbiorniki reakcyjne, w których woda zostaje oczyszczona mechanicznie, a następnie poddana obróbce biologicznej. Następnie może być wykorzystana do spłukiwania toalet, nawadniania, podlewania trawników itp. Inną metodą oszczędzania wody jest instalowanie na końcówkach baterii tzw. perlatorów. Urządzenie zmniejsza ilość wody wypływającej z kranu, co pozwala według niektórych producentów ograniczyć zużycie o blisko 15%.

Ślad wodny i kosztowna produkcja żywności

Globalny niedobór wody i obawy związane z bezpieczeństwem żywnościowym sprawiły, że ślad wodny stał się ważnym wskaźnikiem zrównoważonego rozwoju w rolnictwie i sektorze spożywczym. Niestety, wiedza na temat śladu wodnego w dalszym ciągu jest niewielka – w przeciwieństwie do śladu węglowego, istotnego z punktu widzenia tworzenia się gazów cieplarnianych. Wskaźnik ten informuje o ilości zużytej wody w stosunku do wytworzonego towaru lub usługi. Można go policzyć dla pojedynczej osoby, przedsiębiorstwa, całej linii technologicznej określonego produktu (np. pary jeansów), pojedynczego procesu (np. procesu uprawy ryżu), dorzecza lub państwa. Zazwyczaj wyraża się go w metrach sześciennych na tonę produkcji to-waru lub na hektar użytków rolnych. Więcej informacji na temat śladu wodnego (w tym niebieskiego, zielonego i szarego śladu wodnego) można znaleźć na platformie The Water Footprint Network.

Globalna produkcja zwierzęca wymaga około 2422 Gm3 wody rocznie (87,2% zielonej, 6,2% niebieskiej, 6,6% szarej). Jedna trzecia tej objętości wykorzystywana jest w hodowli bydła mięsnego, kolejne 19% – bydła mlecznego. Większość całkowitej objętości wody (98%) odnosi się do śladu wodnego w paszy dla zwierząt. Woda pitna dla zwierząt, woda użytkowa i woda do mieszania pasz stanowią odpowiednio 1,1%, 0,8% i 0,03%. Z danych opublikowanych w raporcie The Green, Blue and Grey Water Footprint of Farm Animals and Animal Products wynika, że krowy mleczne mają największy roczny ślad wodny (2056 m3/rok/zwierzę) i wartość ta jest większa niż dla przeciętnego człowieka.

W Polsce przemysł mleczarski jest jednym z najbardziej chłonnych sektorów gospodarki – zarówno pod względem potrzeb wodnych, jak i zużycia energii. Wytwarza też ogromne ilości ścieków niebezpiecznych dla środowiska. Szacuje się, że do produkcji 1 litra mleka spożywczego zużywa się blisko 1,5 litra wody. Do 2 litrów wody potrzeba do produkcji serów z 1 litra przetworzonego mleka. Około 80-90% zużytej w mleczarstwie wody staje się ściekami o różnym stopniu zanieczyszczenia.

Chłonność poszczególnych etapów produkcji mleka wskazuje na konieczność wprowadzania wodooszczędnych technologii tam, gdzie to zużycie jest największe. W zakładach przetwórstwa mlecznego ograniczenie zużycia wody można osiągnąć poprzez bardziej efektywne systemy mycia oraz innowacyjne technologie obróbki wody. Przykładem jest odwrócona osmoza i odzysk kondensatu z mlecznych wyparek w celu zastąpienia zużycia wody pitnej. Eksperci z branży wskazują jednak, że z ekonomicznego punktu widzenia, proces odwróconej osmozy jest opłacalny tylko w dużych zakładach produkcyjnych.

Photo by Angelina Litvin on Unsplash
Photo by Angelina Litvin on Unsplash

Deszczówka na wagę złota

Z badania Światowego Forum Ekonomicznego wynika, że do 2050 roku dwie trzecie światowej populacji zamieszka w miastach. To ogromne wyzwanie dla gospodarki wodnej i zarządzania lokalnymi systemami wodociągowymi. Dlatego to właśnie w miastach coraz częściej wykorzystuje się najnowocześniejsze technologie i rozwiązania w zakresie zarządzania wodą. Jednym z największych wyzwań jest odpowiednie zagospodarowanie wody opadowej.

Wyróżnia się dwa podstawowe sposoby retencjonowania deszczówki (ang. rainwater harvesting) – zbieranie spływu powierzchniowego oraz zbieranie wody z dachów budynków. Szczegółową charakterystykę rozwiązań można znaleźć na platformie Natural Water Retention Measures, poniżej prezentujemy kilka najpopularniejszych.

Zielone dachy

Typowa konstrukcja zielonego dachu obejmuje warstwę roślinności posadzoną na odpowiednim substracie (podłożu wzrostowym). Pod nią znajduje się warstwa filtracyjna z geowłókniny oraz warstwa drenażowa z kruszywa lub geokompozytu. Zielone dachy są najwydajniejsze przy częstych i mniej ekstremalnych opadach deszczu. Poprawnie zaprojektowane, mogą wychwycić niemal całą objętość opadów z 2-letniego okresu powtarzalności. Stosuje się dwa rodzaje konstrukcji. W przypadku dachów ekologicznych (rozległych) wykorzystuje się lekką, nisko rosnącą roślinność, która nie wymaga większych zabiegów pielęgnacyjnych i konserwacyjnych. Obiekty te zwykle nie są dostępne dla mieszkańców. Dachy ogrodowe (intensywne) przypominają rozległe krajobrazy. Stosuje się w nich drzewa i elementy wodne. Tego typu rozwiązania stanowią jednak duże obciążenie dla konstrukcji budynku. Wymagają też ciągłej konserwacji, w tym nawadniania, karmienia i cięcia.

Powierzchnie przepuszczalne

Rozwiązanie to ma umożliwić przenikanie wody deszczowej do warstw leżących poniżej (do gleby i warstwy wodonośnej). Powierzchnie tego typu stosuje się najczęściej na drogach i parkingach samochodowych. Niekiedy pomiędzy porowatymi chodnikami lub przepuszczalnymi nawierzchniami a gruntem układa się perforowane rury. Pozwala to na zbieranie wody opadowej po przekroczeniu maksymalnej pojemności podłoża i odprowadzenie jej do zbiorczego systemu drenażowego. W zależności od zastosowanej technologii możliwe jest częściowe oczyszczenie wody. Skuteczność porowatych lub przepuszczalnych nawierzchni jest bardzo zróżnicowana. Redukcja spływu powierzchniowego waha się od 10% do 100%. Wydajność ta może się szybko i drastycznie obniżyć z powodu zatykania systemu osadami.

Kanały jak łupiny orzecha (swales)

Są to szerokie, płytkie kanały, porośnięte roślinnością, których przekrój poprzeczny przypomina łupinę orzecha. Ich celem jest przechwycenie, częściowe zmagazynowanie lub przetransportowanie wody do innego kanału, a niekiedy oczyszczenie. Często wykorzystywane są jako element systemu drenującego. Pozwalają zmniejszyć prędkość spływu wód opadowych oraz zredukować ich objętość poprzez chwilowe zmagazynowanie. Mogą być stosowane zarówno w obszarach zurbanizowanych, jak i rolniczych. Brzegi kanałów obsadzane są zwykle krzaczastą lub trawiastą roślinnością. Rozwiązania tego typu projektuje się zwykle tak, aby zminimalizować skutki opadu deszczu o okresie powtarzalności 10-30 lat.

Photo by Geetanjal Khanna on Unsplash
Photo by Geetanjal Khanna on Unsplash

W warunkach niepewności dalszego rozwoju społeczno-gospodarczego, a zwłaszcza w związku z postępującą zmianą klimatu, konieczne jest odpowiedzialne zarządzanie zasobami. Służą do tego różne narzędzia prawne, ekonomiczne oraz techniczne. Porównanie Polski z krajami znacznie zamożniejszymi i bardziej zaawansowanymi technologicznie pokazuje, że jednostkowe zużycie wody można dalej ograniczać. Dotyczy to w szczególności przemysłu, w którym należy wprowadzać wodooszczędne technologie, oraz energetyki – tutaj rozwiązaniem są bardziej efektywne lecz kosztowne zamknięte obiegi chłodzenia. W rolnictwie konieczne jest zarzucenie nieefektywnej technologii nawadniania metodą podsiąku oraz większe wykorzystanie  wody pochodzącej z recyklingu.

Magdalena Skonieczna, Tomasz Walczykiewicz | Zakład Gospodarki Wodnej i Systemów Wodnogospodarczych, IMGW-PIB

Zdjęcie główne: Josè Maria Sava | Unsplash

Źródła:
COM(2018)337, Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady w sprawie minimalnych wymogów dotyczących ponownego wykorzystania wody, EUR-Lex, Bruksela
COM(2007)414, Komunikat Komisji do Parlamentu Europejskiego i Rady: Rozwiązanie problemu dotyczącego niedoboru wody i susz w Unii Europejskiej, EUR-Lex, Bruksela
Use of freshwater resources in Europe, https://www.eea.europa.eu/data-and-maps/indicators/use-of-freshwater-resources-3/assessment-4
COM/2015/614, Komunikat Komisji do Parlamentu Europejskiego, Rady, Europejskiego Komitetu Ekonomiczno-Społecznego i Komitetu Regionów: Zamknięcie obiegu – plan działania UE dotyczący gospodarki o obiegu zamkniętym
Grzelak A., Fiałkiewicz-Kozieł B., 2017, Perspektywy i potencjalne zagrożenia ponownego wykorzystania szarej wody, Inżynieria i Ochrona Środowiska, 20 (1), 27-41
Irrigation in EU agriculture. Briefing, European Parliamentary Research Service, PE 644.216 – December 2019
Krishnan R.S., Julie E.G., Robinson Y.H., Raja S., Kumar R., Thong P.H., Son L.H., 2020, Fuzzy logic based smart irrigation system using internet of things, Journal of Cleaner Production, 252, DOI:  10.1016/j.jclepro.2019.119902
Michalska K, Pazera A., Bizukojć M., Wolf W., Sibiński M., 2013, Innowacyjne mleczarnie – niezależność energetyczna i technologie bezodpadowe konsekwencją inwestycji biogazowych i fotowoltaicznych, Acta Innovations, 9, 5-17
Natural Water Retention Measures, http://nwrm.eu/
Ramm K., 2020, Odzysk wody ze ścieków na cele rolnicze, Technologia Wody, 1 (69), s. 58
Ridoutt B.G., Williams S.R.O., Baud S., Fraval S., Marks N., 2010, The water footprint of dairy products: case study involving skim milk powder, Journal of Dairy Science, 93 (11), 5114-5117, DOI: 10.3168/jds.2010-3546
Systemy odzysku szarej wody w hotelarstwie, http://www.greenwatersolutions.pl/aktualnosci/systemy-szarej-wody-w-hotelarstwie/
Tarka R., 2018, Szara woda czy szara perspektywa oszczędzania?, Polityka Surowcowa, 2 , s. 39
The green, blue and grey water footprint of farm animals and animal products, https://www.waterfootprint.org/media/downloads/Report-48-WaterFootprint-AnimalProducts-Vol1.pdf
Urban Service Online Survey, https://www.wmo.int/edistrib_exped/grp_prs/_en/09215-2018-WDS-SDD-USS_en.pdf
Water in the city, https://www.eea.europa.eu/articles/water-in-the-city
What is a water footprint, https://www.waterfootprint.org/en/water-footprint/what-is-water-footprint/
Woda na potrzeby rolnictwa, https://www.eea.europa.eu/pl/articles/woda-na-potrzeby-rolnictwa

(Visited 474 times, 1 visits today)
Close