Life cycle assessment of conventional and source separation systems for urban wastewater management [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Christian Remy

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Life Cycle Assessment of conventional and source-separation systems for urban wastewater management vorgelegt von Dipl.-Ing. Christian Remy von der Fakultät III – Prozesswissenschaften – der Technischen Universität Berlin zur Erlangung des akademischen Grades Doktor der Ingenieurwissenschaften – Dr.-Ing. – genehmigte Dissertation Promotionsausschuss: Vorsitzender: Prof. Dr.-Ing. Matthias Kraume Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Martin Jekel Prof. Dr. rer.nat. Matthias Finkbeiner Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 28. Januar 2010 Berlin 2010 D 83 Vorwort Nachhaltigkeit ist als Leitbild der zukünftigen Entwicklung in unserer Gesellschaft weithin anerkannt und wird von Wissenschaft, Öffentlichkeit und Politik zunehmend eingefordert. Damit ist auch im Bereich des Abwassermanagements eine Bewertung der bestehenden Systeme und eine Entwicklung hin zu nachhaltigeren Lösungen gefragt. Neben dem traditionellen System der Abwasserableitung und -behandlung wurden daher in den vergangenen Jahren neue Ansätze entwickelt, die eine kreislauforientierte Nutzung der im Abwasser vorhandenen Ressourcen ermöglichen. Die vorliegende Arbeit bietet nun einen systematischen Vergleich der ökologischen Nachhaltigkeit von konventionellen und neuen Systemen des kommunalen Abwassermanagements mittels der Ökobilanz-Methodik.
Publié le : vendredi 1 janvier 2010
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Life Cycle Assessment of
conventional and source-separation systems
for urban wastewater management



vorgelegt von
Dipl.-Ing. Christian Remy


von der Fakultät III – Prozesswissenschaften –
der Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades

Doktor der Ingenieurwissenschaften
– Dr.-Ing. –

genehmigte Dissertation



Promotionsausschuss:

Vorsitzender: Prof. Dr.-Ing. Matthias Kraume
Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Martin Jekel Prof. Dr. rer.nat. Matthias Finkbeiner

Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 28. Januar 2010



Berlin 2010
D 83






Vorwort

Nachhaltigkeit ist als Leitbild der zukünftigen Entwicklung in unserer Gesellschaft
weithin anerkannt und wird von Wissenschaft, Öffentlichkeit und Politik zunehmend
eingefordert. Damit ist auch im Bereich des Abwassermanagements eine Bewertung der
bestehenden Systeme und eine Entwicklung hin zu nachhaltigeren Lösungen gefragt.
Neben dem traditionellen System der Abwasserableitung und -behandlung wurden
daher in den vergangenen Jahren neue Ansätze entwickelt, die eine kreislauforientierte
Nutzung der im Abwasser vorhandenen Ressourcen ermöglichen. Die vorliegende
Arbeit bietet nun einen systematischen Vergleich der ökologischen Nachhaltigkeit von
konventionellen und neuen Systemen des kommunalen Abwassermanagements mittels
der Ökobilanz-Methodik. Durch die Systemanalyse konnten die entscheidenden
Vorteile der neuen Systeme nachgewiesen und damit Möglichkeiten zur weiteren
Verbesserung der Nachhaltigkeit aufgezeigt werden.

Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher
Mitarbeiter am Fachgebiet Wasserreinhaltung der Technischen Universität Berlin. Sie
basiert zu einem erheblichen Teil auf Ergebnissen des Projekts „Sanitary Concepts for
Separate Treatment of Urine, Faeces and Greywater“ (SCST), finanziert vom
Kompetenzzentrum Wasser Berlin gGmbH, Anjou Recherche (Paris) und der EU-
Kommission (EU LIFE 03ENV/D/000025).





Danksagung

Zuerst möchte ich meinem Betreuer Herrn Prof. Dr.-Ing. Martin Jekel ganz herzlich für
das Vertrauen, die gute Zusammenarbeit und die Unterstützung meiner Arbeit in den
vergangenen Jahren danken. Er gab mir die Möglichkeit, an seinem Fachgebiet
unterschiedliche spannende Projekte zu bearbeiten und ließ mir zudem die notwendigen
Freiräume zur Erstellung dieser Dissertation. Sein wissenschaftliches Vorbild in der
Wasserforschung hat diese Arbeit geprägt, und dafür bin ich ihm sehr verbunden. Als
zweiten Gutachter konnte ich mit Herrn Prof. Dr. rer. nat. Matthias Finkbeiner einen
Experten im Bereich der Ökobilanzen gewinnen. Ihm danke ich für die kritische
Begutachtung des methodischen Vorgehens dieser Arbeit und seine vielen Anregungen
für die schriftliche Ausarbeitung dieser Dissertation. Herrn Prof. Dr.-Ing. Matthias
Kraume danke ich für die Übernahme des Vorsitzes des Prüfungsausschusses.

Diese Arbeit baut auf den umfangreichen Vorarbeiten von Dr.-Ing. Alexander Ruhland
auf, dem ich für seine Einführung in die Ökobilanz-Methodik und den Umgang mit der
Software UMBERTO® herzlich danke. Erwähnt werden soll auch Ralf Mühleck (†),
der das Thema der neuen Sanitärsysteme durch seine langjährigen Recherchen am
Fachgebiet eingeführt hat.

Meinen Kollegen im Projekt SCST danke ich für die gute Zusammenarbeit und die
vielen anregenden Gespräche, speziell Anton Peter-Fröhlich, Alexandre Bonhomme,
Martin Oldenburg, Martina Winker, Felix Tettenborn und Andreas Muskolus. Den
vielen Kolleginnen und Kollegen aus der Wasserreinhaltung danke ich allen ganz
herzlich für die sehr angenehme und offene Atmosphäre und den guten Zusammenhalt,
die meine Arbeit am Fachgebiet in den vergangenen Jahren so angenehm und spannend
gemacht haben.

Am Schluss möchte ich besonders meiner Familie danken, meinen Eltern und
Geschwistern, die mich die ganzen Jahre so wunderbar auf meinem Weg unterstützt
haben und ohne die diese Arbeit nicht möglich gewesen wäre.


Berlin, im Dezember 2009


Christian Remy

Zusammenfassung

Trennsysteme für die Behandlung von urbanem Abwasser erfassen die verschiedenen
Abwasserteilströme separat und ermöglichen so die Rückgewinnung wertvoller
Ressourcen (Energie, Nährstoffe) aus dem Abwasser. Daher werden sie allgemein als
nachhaltiger im Vergleich zum konventionellen System der gemeinsamen Erfassung
und Behandlung erachtet. Diese Hypothese wird in der vorliegenden Arbeit überprüft,
indem die Umweltauswirkungen von konventionellem und stoffstrom-separierenden
Systemen mit der Methodik der Ökobilanz (ISO 14040/44) verglichen werden. Für eine
hypothetische Fallstudie eines Stadtgebiets mit 5000 Einwohnern werden zwölf
verschiedene Szenarien für die integrierte Behandlung von Haushaltsabwasser und
Bioabfall in einem Stoffstrommodel abgebildet. Die benötigten Sachbilanzdaten für alle
relevanten Prozesse der Abwassererfassung und –behandlung sind aus Pilotprojekten
und der Literatur zusammengestellt und werden durch qualifizierte Abschätzungen
ergänzt. Sekundärfunktionen der Trennsysteme (Bereitstellung von Energie und
Nährstoffen) werden berücksichtigt, indem das konventionelle System durch die
entsprechenden Produktionprozesse für Netzstrom und Mineraldünger erweitert wird.
Der Ressourcenverbrauch und die Emissionen werden für jedes Szenario aggregiert und
in der Wirkungsabschätzung anhand von acht Indikatoren ausgewertet, darunter
Energie- und Ressourcenverbrauch, globale Erwärmung, Eutrophierung, Versauerung
sowie Human- und Ökotoxizität.
Die Ergebnisse der Wirkungsabschätzung zeigen, dass Trennsysteme signifikante
Potentiale für ein nachhaltigeres Abwassermanagement bieten. Die Rückgewinnung von
Energie aus Toilettenabwasser und vor allem Bioabfall in einem Vergärungsprozess
kann den kumulierten Energieaufwand um bis zu 40% und die verbundenen Emissionen
von Treibhausgasen um bis zu 46% reduzieren. Energetische Vorteile der Substitution
von Mineraldünger sind relativ gering, aber die Qualität der organischen Dünger aus
Urin und Fäkalien ist der von Mineraldünger oder Klärschlamm in Bezug auf
Schwermetallgehalte überlegen. Das verbleibende Grauwasser kann in einem
Belebtschlammverfahren mit geringerem Energieaufwand und besserer Ablaufqualität
gereinigt werden als im konventionellen System. Eine naturnahe Reinigung des
Grauwassers in Bodenfiltern senkt den Energieverbrauch erheblich, aber die
eingeschränkte Entfernung von Phosphor kann hier das Eutrophierungspotential um bis
zu 140% erhöhen. Grauwasser kann zudem für die Abwasserwiederverwendung in
Membranbioreaktoren adequat gereinigt werden, obwohl die energetischen Vorteile der
Wiederverwendung marginal sind. Bei der Ausbringung von flüssigen organischen
Düngern aus Urin oder Fäkalien führen hohe Ammoniakemissionen zu einem um 60-
110% erhöhten Versauerungspotential und sollten daher durch geeignete
Ausbringungstechniken minimiert werden.
Insgesamt zeigt die Gruppierung und Wichtung der Indikatoren signifikante Vorteile
von Trennsystemen in Bezug auf ökologische Nachhaltigkeit. Dennoch ist die Auswahl
einer geeigneten Prozesskombination für Trennsysteme essentiell, um diese Vorteile zu
realisieren, da das konventionelle System in Bezug auf Energieverbrauch und
Ablaufqualität bereits optimiert wurde. Durch Sensitivitätsanalysen wurden
entscheidende Schlüsselparameter der Sachbilanz identifiziert. Funktionelle
Definitionen und die Auswahl sowohl der Indikatoren zur Wirkungsabschätzung als
auch der Bewertungsmethode können die Ergebnisse der Ökobilanz erheblich
beeinflussen. Abstract

Source-separation systems for urban wastewater management collect the different
wastewater flows separately to facilitate the recovery of valuable resources from
wastewater (energy, nutrients). Thus, they are claimed to be more sustainable than the
conventional concept of combined drainage and treatment. This hypothesis is verified in
this study by comparing the environmental impacts of conventional and source-
separation systems with the methodology of Life Cycle Assessment (ISO 14040/44). In
a hypothetical case study for an urban area (5000 inhabitants), twelve different
scenarios for the integrated management of household wastewater and biowaste are set
up in a substance flow model. Required inventory data for all relevant core processes of
wastewater collection and treatment is compiled from pilot projects and literature and is
complemented by qualified assumptions. Secondary functions of separation systems
(supply of energy and nutrients) are considered by expanding the conventional system
with the respective production processes for grid energy and mineral fertilizer. Resource
demand and emissions are aggregated for each scenario and evaluated in Life Cycle
Impact Assessment with a set of eight indicators for energy and resource demand,
global warming, eutrophication, acidification, and human and ecotoxicity.
Results of the impact assessment show that separation systems offer significant
potentials for an increase in sustainability. Recovering energy from the organic matter
of toilet wastewater and especially biowaste in a digestion process can decrease the
cumulative energy demand by up to 40% and related emissions of greenhouse gases by
up to 46%. Energetic benefits of mineral fertilizer substitution are relatively low, but the
quality of organic fertilizers from urine and faeces is superior to mineral fertilizer or
sewage sludge in terms of lower heavy metal content. The remaining greywater can be
treated in an activated sludge process with less energy demand and better effluent
quality than in the conventional system. Natural treatment in soil filters can further
reduce the energy demand considerably, but the insufficient retention of phosphorus in
soil filters can seriously increase the eutrophication potential by up to 140%. Greywater
can also be adequately treated for non-potable reuse with membrane bioreactors,
although the energetic benefits of wastewater reuse are marginal. During the application
of liquid organic fertilizers from urine and faeces, increased emissions of ammonia lead
to a higher potential for acidification (+ 60-110%) and should be minimized by
adequate application techniques.
Overall, grouping and weighting of the indicators reveal significant benefits in
ecological sustainability for separation systems. However, the choice of an appropriate
combination of process technology for separation systems is essential for a realization
of these potential benefits, because the conventional system has already been optimized
in terms of energy demand and effluent quality. In sensitivity analysis, decisive key
parameters of the inventory are identified. Functional definitions and the choice of both
indicators for impact assessment and valuation methods can have a considerable impact
on the results of this LCA.



Contents

1 Introduction......................................................................12
2 Literature review and approach of this study ...............20
2.1 Sustainability assessment in water management .............................. 20
2.2 Review of LCA case studies for wastewater treatment...................... 22
2.3 Approach of this study ....................................................................... 29
3 Definition of goal and scope...........................................30
3.1 Goal and target group........................................................................ 30
3.2 Function and functional unit ............................................................... 30
3.3 Reference input flows 31
3.4 System expansion ............................................................................. 35
3.5 Description of the investigated sanitation scenarios .......................... 37
3.5.1 Reference scenarios (R)............................................................. 40
3.5.2 Separation scenarios with vacuum collection and digestion of
urine and faeces (V).................................................................................. 41
3.5.3 Separation scenarios with urine separation, vacuum drainage and
digestion of faeces (SV)............................................................................ 44
3.5.4 eparation and composting of
faeces (SC)............................................................................................... 46
3.6 System boundaries 49
3.6.1 System boundaries between the analysed economic system and
the environment ........................................................................................ 49
3.6.2 Multi function processes and recycling ....................................... 50
3.6.3 Considered life cycle phases and sub-systems .......................... 52
3.6.4 Considered elementary flows ..................................................... 55
3.6.5 Geographical and temporal scope.............................................. 57
3.7 Data quality of Life Cycle Inventory.................................................... 58
3.7.1 Data quality of the present LCI ................................................... 59
3.7.2 Important assumptions and limitations of this study.................... 60
3.8 Life Cycle Impact Assessment........................................................... 64
3.8.1 Selection of LCIA methodology .................................................. 65
3.8.2 Classification............................................................................... 68
3.8.3 Characterization.......................................................................... 69
3.8.4 Normalization .............................................................................. 75
3.8.5 Grouping and weighting .............................................................. 77
3.9 Interpretation and sensitivity analysis................................................. 80
4 Life Cycle Inventory ........................................................ 82
4.1 System operation ............................................................................... 82
4.1.1 Conventional sanitation system................................................... 83
4.1.2 Separation systems..................................................................... 91
4.1.3 Fertilizer application .................................................................. 124
4.2 System construction......................................................................... 132
4.2.1 Settlement structure 132
4.2.2 Inventory ................................................................................... 133
4.2.3 Service life................................................................................. 138
4.2.4 Materials for system construction.............................................. 140
4.3 Background processes..................................................................... 142
4.3.1 Energy Supply........................................................................... 142
4.3.2 Transport by truck 144
4.3.3 Incineration plant....................................................................... 145
4.3.4 Auxiliary material 146
4.3.5 Industrial fertilizer production .................................................... 147
5 Results ........................................................................... 150
5.1 Selected results of the Life Cycle Inventory ..................................... 150
5.1.1 Demand of electric energy for operation ................................... 151
5.1.2 Supply of organic fertilizers ....................................................... 154
5.1.3 Processes for system expansion............................................... 156
5.1.4 Effluent concentrations and loads from wastewater and greywater
treatment plants....................................................................................... 158
5.1.5 Heavy metals loads emitted to surface waters and soil............. 164
5.2 Results of the Life Cycle Impact Assessment .................................. 168
5.2.1 Cumulative energy demand ...................................................... 168
5.2.2 Depletion of abiotic resources................................................... 173
5.2.3 Global warming ......................................................................... 174
5.2.4 Acidification............................................................................... 177
5.2.5 Eutrophication ........................................................................... 178
5.2.6 Human toxicity 182
5.2.7 Freshwater ecotoxicity .............................................................. 184

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