Tiềm năng chuyển đổi dinh dưỡng bằng giải pháp dựa vào thiên nhiên trong các thành phố và khái niệm sử dụng để tạo ra hệ thống thực phẩm đô thị tuần hoàn

Springer Science and Business Media LLC - Tập 1 - Trang 1147-1164 - 2021
Maria Wirth1, Tamara Vobruba1, Marco Hartl1, Johannes Kisser1
1alchemia-nova GmbH, Vienna, Austria

Tóm tắt

Hệ thống thực phẩm hiện tại đặc trưng bởi dòng chảy tài nguyên theo chiều tuyến tính từ các khu vực nông thôn vào các thành phố, nơi mà phần lớn thực phẩm được tiêu thụ và các chất dinh dưỡng cần thiết bị thải ra dưới dạng nước thải. Tài nguyên nước và phốt pho hạn chế cùng với dấu chân carbon lớn của các loại phân bón hóa học thúc đẩy việc thu hồi nước và chất dinh dưỡng để tái sử dụng trong nông nghiệp. Bên cạnh các công nghệ xử lý nước thải tại nhà máy xử lý nước thải thông thường, các giải pháp dựa vào thiên nhiên cung cấp một giải pháp thay thế vững chắc và tiết kiệm năng lượng. Bài báo này đánh giá tiềm năng của các quy trình xử lý sử dụng các giải pháp dựa vào thiên nhiên nhằm đóng kín vòng tuần hoàn nước và chất dinh dưỡng trong hệ thống thực phẩm đô thị. Phương pháp Phân tích Dòng Chất được sử dụng để định lượng ngân sách chất dinh dưỡng đô thị (nitơ, phốt pho, kali) có thể phục hồi từ nước thải hộ gia đình và chất thải bếp có thể phân hủy, lấy thành phố Vienna, Áo làm ví dụ. Mô hình phát triển phản ánh quá trình chuyển hóa nước và các chất dinh dưỡng của các đầm lầy xử lý và các bể biogas thành nước tưới phân và phân bón. Nó phân biệt giữa các yêu cầu về chất dinh dưỡng cụ thể của cây trồng và năng suất, cũng như điều kiện canh tác trong nhà kính và ngoài trời trong khí hậu ôn hòa. Kết quả chỉ ra rằng, với việc sử dụng các giải pháp dựa vào thiên nhiên, nước thải và chất thải bếp từ 77.250 người có thể hoàn toàn đáp ứng nhu cầu phân bón nitơ và phốt pho cho toàn bộ sản xuất rau củ ở Vienna, nơi hiện cung cấp một phần ba lượng rau tiêu thụ của Vienna. Số lượng người bổ sung vào hệ thống có thể cung cấp thêm lượng chất dinh dưỡng dư thừa đáng kể để sản xuất các loại cây trồng khác trong và ngoài thành phố. Mô hình có thể cung cấp thông tin cho việc lựa chọn và thiết kế các giải pháp dựa vào thiên nhiên để thu hồi và tái sử dụng chất dinh dưỡng, đồng thời hỗ trợ quy hoạch tích hợp về việc sử dụng các nguồn chất dinh dưỡng thứ cấp và tối ưu hóa việc sử dụng chất dinh dưỡng thứ cấp.

Từ khóa

#hệ thống thực phẩm đô thị #nước thải #chất dinh dưỡng #giải pháp dựa vào thiên nhiên #tuần hoàn #phân bón #Vienna

Tài liệu tham khảo

Akram U, Quttineh NH, Wennergren U, Tonderski K, Metson G (2019) Enhancing nutrient recycling from excreta to meet crop nutrient needs in Sweden – a spatial analysis. Sci Rep 9:10264. https://doi.org/10.1038/s41598-019-46706-7

Akratos CS, Oirschot DV, Tekerlekopoulou AG, Vayenas DV, Stefanakis AI (2018a) Dairy wastewater treatment with constructed wetlands: experiences from Belgium, the Netherlands and Greece. In: Constructed Wetlands for Industrial Wastewater Treatment. John Wiley & Sons, Ltd, pp 175–202. https://doi.org/10.1002/9781119268376.ch9

Akratos CS, Tekerlekopoulou AG, Vayenas DV (2018b) Treatment of wastewater from tanneries and the textile industry using constructed wetland systems. In: Constructed Wetlands for Industrial Wastewater Treatment. John Wiley & Sons, Ltd, pp 0–0. https://doi.org/10.1002/9781119268376.ch16

Almuktar SAAAN, Abed SN, Scholz M (2018) Wetlands for wastewater treatment and subsequent recycling of treated effluent: a review. Environ Sci Pollut Res 25:23595–23623. https://doi.org/10.1007/s11356-018-2629-3

Arden S, Ma C (2018) Constructed wetlands for greywater recycle and reuse: a review. Sci Total Environ 630:587–599

Arienzo M, Christen E, Quayle WC, Kumar A (2009) A review of the fate of potassium in the soil-plant system after land application of wastewaters. J Hazard Mater 164:415–422. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2008.08.095

Bringezu S, van de Sand I, Schütz H, Bleischwitz R, Moll S (2009) Analysing global resource use of national and regional economies across various levels. In: Sustainable Resource Management. Global Trends, Visions and Policies. Greenleaf, Sheffield, pp 10–52

Childers DL, Corman J, Edwards M, Elser JJ (2011) Sustainability challenges of phosphorus and food: solutions from closing the human phosphorus cycle. BioScience 61:117–124. https://doi.org/10.1525/bio.2011.61.2.6

CropLife International (2012) The carbon footprint of crop protection products. CropLife International. https://www4.unfccc.int/sites/SubmissionsStaging/Documents/201811071654%2D%2D-CLI%20Submission%20Carbon%20Footprint.pdf. Accessed 31.5.2021

De Monte HM, Albuquerque A (2010) Analysis of constructed wetland performance for irrigation reuse. Water Sci Technol 61:1699–1705. https://doi.org/10.2166/wst.2010.063

Dordio A, Carvalho AJP (2018) Removal processes of pharmaceuticals in constructed wetlands. In: Constructed Wetlands for Industrial Wastewater Treatment. John Wiley & Sons, Ltd, pp 343–403. https://doi.org/10.1002/9781119268376.ch17

Dotro G, Langergraber G, Molle P, Nivala J, Puigagut J, Stein O, von Sperling M (2017) Treatment wetlands, biological wastewater treatment series. IWA Publishing, London

Ellen MacArthur Foundation (2017) Urban Biocycles

Ellen MacArthur Foundation, 2017. Urban Biocycles. Ellen MacArthur Foundation. https://www.ellenmacarthurfoundation.org/assets/downloads/publications/Urban-Biocycles_EllenMacArthurFoundation_21-06-2017.pdf. Accessed 31.5.2021

Elser B, Bennett E (2011) A broken biogeochemical cycle. Nature 478:29–31. https://doi.org/10.1038/478029a

European Commission (2020) Nature-based solutions projects tackle the climate and biodiversity crisis. https://ec.europa.eu/easme/en/section/horizon-2020-environment-and-resources/nature-based-solutions-projects-tackle-climate-and. Accessed 2.5.21

European Environment Agency (2021) Briefing. Urban waste water treatment for 21st century challenges. Publications. https://www.eea.europa.eu/publications/urban-waste-water-treatment-for/urban-waste-water-treatment. Accessed 5.30.21

Eustáquio Júnior VE, De Matos AT, Lo Monaco PAV, De Campos LC, Borges AC (2012) Eficiência de sistemas alagados construídos cultivados com aveia preta no tratamento de esgoto doméstico. Acta Sci Technol 34:391–398. https://doi.org/10.4025/actascitechnol.v34i4.13990

Global Wetland Technology (2021) References. Glob. Wetl. Technol. https://www.globalwettech.com/references.html. Accessed 3.5.21

Gomes AC, Stefanakis AI, Albuquerque A, Simões R (2018) Cork Boiling wastewater treatment in pilot constructed wetlands. In: Constructed Wetlands for Industrial Wastewater Treatment. John Wiley & Sons, Ltd, pp 283–308. https://doi.org/10.1002/9781119268376.ch14

Hartl M, Hogan J, Ioannidou V (2018) Treatment of effluents from meat, vegetable and soft drinks processing using constructed wetlands In: Constructed Wetlands for Industrial Wastewater Treatment. John Wiley & Sons, Ltd, pp 145–162. https://doi.org/10.1002/9781119268376.ch7

Jenssen PD, Mæhlum T, Krogstad T, Vråle L (2005) High performance constructed wetlands for cold climates. J Env Sci Heal Part Toxic Hazardous Subst Env Eng 40:1343–1353. https://doi.org/10.1081/ESE-200055846

Jönsson H, Baky A, Jeppsson U, Hellström D, Kärrman E (2005) Composition of urine, feaces, greywater and biowaste for utilisation in the URWARE model., Urban Water report. Chalmers University of Technology, Gothenburg

Jover-Smet M, Martín-Pascual J, Trapote A (2017) Model of suspended solids removal in the primary sedimentation tanks for the treatment of urban wastewater. Water 9:448. https://doi.org/10.3390/w9060448

Kaur R, Talan A, Tiwari B, Pilli S, Sellamuthu B, Tyagi RD (2020) Chapter 5 - Constructed wetlands for the removal of organic micro-pollutants. In: Current Developments in Biotechnology and Bioengineering. Emerging Organic Micro-Pollutants. Elsevier, pp 87–140

Kehrein P, Van Loosdrecht M, Osseweijer P, Garfí M, Dewulf J, Posada J (2020) A critical review of resource recovery from municipal wastewater treatment plants – market supply potentials, technologies and bottlenecks. Environ Sci Water Res Technol 6:877–910. https://doi.org/10.1039/C9EW00905A

Kisser J, Wirth M, De Gusseme B, Van Eekert M, Zeeman G, Schoenborn A, Vinnerås B et al (2020) A review of nature-based solutions for resource recovery in cities. Blue-Green Syst 2:138–172. https://doi.org/10.2166/bgs.2020.930

Knoop T, Tietze M, Dornack C, Raab T (2018) Fate of nutrients and heavy metals during two-stage digestion and aerobic post-treatment of municipal organic waste. Bioresour Technol 251:238–248. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2017.12.019

Kumar S, Choudhary AK (2018) Constructed wetland technology for pulp and paper mill wastewater treatment. In: Constructed Wetlands for Industrial Wastewater Treatment. John Wiley & Sons, Ltd, pp. 309–325. https://doi.org/10.1002/9781119268376.ch15

Masi F, Martinuzzi N (2007) Constructed wetlands for the Mediterranean countries: hybrid systems for water reuse and sustainable sanitation. Desalination 215:44–55. https://doi.org/10.1016/j.desal.2006.11.014

Masi F, Rizzo A, Bresciani R (2018a) Treatment of wineries and breweries effluents using constructed wetlands. In: Constructed Wetlands for Industrial Wastewater Treatment. John Wiley & Sons, Ltd, pp 95–104. https://doi.org/10.1002/9781119268376.ch4

Masi F, Rizzo A, Regelsberger M (2018b) The role of treatment wetlands in new circular economy, resource oriented, and ecosystem services paradigms. J Environ Manage 2016:275–284. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2017.11.086

Möller K, Müller T (2012) Effects of anaerobic digestion on digestate nutrient availability and crop growth: a review: digestate nutrient availability. Eng Life Sci 12:242–257. https://doi.org/10.1002/elsc.201100085

Morari F, Giardini L (2009) Municipal wastewater treatment with vertical flow constructed wetlands for irrigation reuse. Ecol. Eng. 35:643–653. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2008.10.014

Neuweiler R (2011) Düngungsrichtlinien für den Gemüseanbau. Forschungsanstalt Agroscope Changins-Wädenswil ACW, Wädenswil

Nivala J, Wallace S (2010) Treatment of landfill leachate in aerated subsurface flow wetlands: two case studies. In: Water and Nutrient Management in Natural and Constructed Wetlands. Springer Science and Business Media LLC, Dordrecht, The Netherlands, pp. 121–131

Ong SA, Uchiyama K, Inadama D, Ishida Y, Yamagiwa K (2010) Treatment of azo dye Acid Orange 7 containing wastewater using up-flow constructed wetland with and without supplementary aeration. Bioresour Technol 101:9049–9057

ÖNORM B 2505 (2009) Kläranlagen - Intermittierend beschickte Bodenfilter (“Pflanzenkläranlagen”) - Anwendung, Bemessung, Bau, Betrieb, Wartung und Überprüfung

ÖWAV (2016) ÖWAV-Regelblatt 407: Empfehlungen für die Bewässerung – Überarbeitete Neuauflage des ÖWAV-Arbeitsbehelfs Nr. 11 (2003). Austrian Standards, Vienna

Scherhaufer S, Hrad M, Unger N, Obersteiner G (2016) Datenlage zu Lebensmittelabfallmengen in Österreich. Institut für Abfallwirtschaft, Universität für Bodenkultur Wien, Vienna

Schwarzl B, Weiß M (2017) SUM-FOOD: Regionale Lebensmittelpfade am Beispiel der Stadt Wien für die Produktgruppe Gemüse (No. REP-0621). Umweltbundesamt GmbH, Vienna

Sogn TA, Dragicevic I, Linjordet R, Krogstad T, Eijsink VGH, Eich-Greatorex S (2018) Recycling of biogas digestates in plant production: NPK fertilizer value and risk of leaching. Int J Recycl Org Waste Agric 7:49–58. https://doi.org/10.1007/s40093-017-0188-0

Stadt Wien (2021) Bevölkerungsstand – Statistiken. URL https://www.wien.gv.at/statistik/bevoelkerung/bevoelkerungsstand/. Accessed 2.5.21

Stadt Wien (n.d.) Gemüseproduktion in den Bundesländern nach Produktgruppen 2018. Wirtsch. Arb. Stat. URL https://www.wien.gv.at/statistik/wirtschaft/tabellen/gemueseernte-bundeslaender.html. Accessed 2.5.21

Stein OR, Hook PB (2005) Temperature, plants, and oxygen: how does season affect constructed wetland performance? J Env Sci Heal Part ToxicHazardous Subst Env Eng 40:1331–1342. https://doi.org/10.1081/ESE-200055840

Stundner W (2014) Regenwasserbewirtschaftungsbecken als Teil des nach haltigen Regenwassermanagements in Wien. MA 22 - Umweltschutz, Vienna

Sudarsan JS, Roy RL, Baskar G, Deeptha VT, Nithiyanantham S (2015) Domestic wastewater treatment performance using constructed wetland. Sustain Water Resour Manag 1:89–96. https://doi.org/10.1007/s40899-015-0008-5

Tanner CC, Sukias JPS, Headley TR, Yates CR, Stott R (2012) Constructed wetlands and denitrifying bioreactors for on-site and decentralised wastewater treatment: Comparison of five alternative configurations. Ecol Eng 42:112–123. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2012.01.022

Tepe Y, Temel FA (2018) Treatment of effluents from fish and shrimp aquaculture in constructed wetlands, in: Constructed Wetlands for Industrial Wastewater Treatment. John Wiley & Sons, Ltd, pp 105–125. https://doi.org/10.1002/9781119268376.ch5

UNESCO, UN-Water (2020) United Nations World Water Development Report 2020:Water and Climate Change. UNESCO, Paris

Vymazal J (2011) Constructed wetlands for wastewater treatment: five decades of experience. Environ Sci Technol 45:61–69. https://doi.org/10.1021/es101403q

Wasserrechtsgesetz" 1959, §55 und §133 Abs. 6, BGBl. I Nr. 58/2017. https://www.ris.bka.gv.at/GeltendeFassung.wxe?Abfrage=Bundesnormen&Gesetzesnummer=10010290. Accessed 12.7.2021

World Bank Group (2020) Water in Agriculture. World Bank. URL https://www.worldbank.org/en/topic/water-in-agriculture. Accessed 3.5.21

Zraunig A, Estelrich M, Gattringer H, Kisser J, Langergraber G, Radtke M, Rodriguez-Roda I, Buttiglieri G (2019) Long term decentralized greywater treatment for water reuse purposes in a tourist facility by vertical ecosystem. Ecol Eng 138:138–147. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2019.07.003

Thông tin
Thông tin xuất bản

Springer Science and Business Media LLC

Tập 1

1147-1164

Thông tin tác giả