Resource efficiency of urban sanitation systems [Elektronische Ressource] : a comparative assessment using material and energy flow analysis / von Franziska Meinzinger

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RESOURCE EFFICIENCY OF URBAN SANITATION SYSTEMS: A COMPARATIVE ASSESSMENT USING MATERIAL AND ENERGY FLOW ANALYSIS Vom Promotionsausschuss der Technischen Universität Hamburg-Harburg zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieurin (Dr.-Ing.) genehmigte Dissertation von Franziska Meinzinger aus Erlangen 2010 Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Ralf Otterpohl, Technische Universität Hamburg-Harburg Prof. Dr.-Ing. Jörg Londong, Bauhaus Universität Weimar Vorsitzender des Prüfungsausschusses: Prof. Dr.-Ing. Otto von Estorff, Technische Universität Hamburg-Harburg Tag der mündlichen Prüfung: 29.10.2010 Things alter for the worse spontaneously, if they be not altered for the better designedly. Francis Bacon (1561-1626) Herausgeber /Editor: Gesellschaft zur Förderung und Entwicklung der Umwelttechnologien an der Technischen Universität Hamburg-Harburg e.V. (GFEU) GFEU e.V. c/o Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH) Institut für Abwasserwirtschaft und Gewässerschutz Eissendorfer Str. 42 21071 Hamburg Tel.: +49 – (0)40 – 42878 3207 Fax: +49 – (0)40 – 42878 2684 http://www.gfeu.org ISBN: 978-3-942768-00-9 © 2010 Franziska Meinzinger Hamburger Berichte zur Siedlungswasserwirtschaft Band 75 Acknowledgements Firstly, my sincere gratitude to my supervisor Prof. Dr. Ralf Otterpohl for providing the opportunity for this research.

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Publié par	technische_universitat_hamburg-harburg
Publié le	01 janvier 2010
Nombre de lectures	37
Langue	English
Poids de l'ouvrage	4 Mo

Extrait

RESOURCE EFFICIENCY OF URBAN SANITATION SYSTEMS:

A COMPARATIVE ASSESSMENT USING

MATERIAL AND ENERGY FLOW ANALYSIS

Vom Promotionsausschuss der Technischen Universität Hamburg-Harburg zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieurin (Dr.-Ing.) genehmigte Dissertation

von

Franziska Meinzinger

aus Erlangen

2010

Gutachter:

Prof. Dr.-Ing. Ralf Otterpohl, Technische Universität Hamburg-Harburg

Prof. Dr.-Ing. Jörg Londong, Bauhaus Universität Weimar

Vorsitzender des Prüfungsausschusses:

Prof. Dr.-Ing. Otto von Estorff, Technische Universität Hamburg-Harburg

Tag der mündlichen Prüfung: 29.10.2010

Things alter for the worse spontaneously, if they be not altered for the better designedly.

Francis Bacon (1561-1626)

Herausgeber /Editor:

Gesellschaft zur Förderung und Entwicklung der Umwelttechnologien an der Technischen Universität Hamburg-Harburg e.V. (GFEU)

GFEU e.V. c/o Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH) Institut für Abwasserwirtschaft und Gewässerschutz Eissendorfer Str. 42 21071 Hamburg Tel.: +49 – (0)40 – 42878 3207 Fax: +49 – (0)40 – 42878 2684 http://www.gfeu.org

ISBN: 978-3-942768-00-9

Hamburger Berichte zur Siedlungswasserwirtschaft

Band 75

Acknowledgements

Firstly,mysinceregratitudetomysupervisorProf.Dr.RalfOtterpohlforprovidingtheopportunityforthisresearch.IenjoyedworkingattheInstituteofWastewaterManagementandWaterProtectionatTUHHandappreciatedthefreedomtofollowmyresearchinterests.

Furthermore,specialthanksgotoProf.Dr.JörgLondongforactingasthesecondrefereeofthisthesis–IparticularlyappreciatedtheinspiringdiscussionatthefinalstagesofthisworkinWeimar–andtoProf.Dr.OttovonEstorffinhiscapacityaschairmanoftheexaminingboard.

ThesoftwareSIMBOXwasprovidedbytheDepartmentSystemAnalysis,IntegratedAssessmentandModellingatEAWAG,Switzerland;IgratefullyacknowledgethehelpfulandverykindsupportfromRuthScheideggerandDr.Hans‐PeterBader.

DuringseveralstaysIhaveexperiencedEthiopiaasafascinatingandinspiringcountry.IthankKifleGutemaandAddisAbabaLisaneworkfromEcologicalSanitationEthiopia,aswellasWudnehAyele,KinfeKassa,SimonShibru,Dr.AbabuTeklemariamandalltheothersfromROSAArbaMinch,fortheirkindsupportandhospitalityandforprovidinginsightsthatenrichedmyworkanddeepenedmycross‐culturalunderstanding.

Severalpeoplestimulatedthisresearchthroughtheirworkandencouragement;thanksgoouttoProf.Dr.MartinOldenburg(OtterwasserGmbH,now:Ostwestfalen‐LippeUniversityofAppliedSciences),Prof.IrenePetersPhD(HafenCityUniversity),Dr.KimAugustin,Dr.ThomasWernerandArnoldSchäfer(all:HamburgWasser).

ThomasWeiner(InstituteforTransportPlanningandLogistics,TUHH)isgratefullyacknowledgedforsupportingthetransportmodelling.

ThankstoallmycolleaguesattheInstituteofWastewaterManagementandWaterProtectionatTUHH,particularlytomyformerroommatesDr.TorbenBlume,ConstanceRiedel,MathiasAntholzandSarahSchreiner.IalsothankAleksandraDrewko,AndreasWiebusch,Dr.ClaudiaWendland,FelixTettenborn,Dr.MarcelaMedina,Dr.MartinaWinkerandmanyothersforcontributingtothepleasantworkenvironmentattheInstitute.

Gratefulappreciationgoestothemorethan30studentswhoIsupervisedduringmytimeatTUHHandwhocontributedtothisworkwithMasterThesesandotherstudies.

ThefinancialsupportfromtheEUfortheROSAprojectisacknowledged.ROSAprovidedmeanopportunitytoexperienceresource‐efficientsanitationinreallife.IthankDr.GünterLangergraberfortheprudentcoordinationoftheproject.

Thanksforproof‐readingtoNielsWieffering,Dr.JoachimBehrendt,Dr.TinaWagner,ChristophAdam,Dr.DominikHünniger,SarahSchreiner,GabrielaEspinosaandAleksandraDrewko.

Mydeepestgratitudegoestomyparents,GabrieleandAlfredMeinzinger,fortheirabsoluteloveandsupport.

Lastbutnotleast,averyspecialthankstoTina,EmmaandClaraforbeingthereformeandforgivingmetimeoffwhileIwasengagedinthiswork.Thethreeofyouarethesunshineofmylife;thisworkisdedicatedtoyou.

Abstract

Withintheframeworkofsustainabledevelopmentitisimportanttofindwaysofreducingnaturalresourceconsumptionandtochangetowardsclosed‐loopmanagement.Asinmanyotherspheresincreasedresourceefficiencyhasalsobecomeanimportantissueinsanitation.Particularlynutrientrecoveryforagriculture,increasedenergy‐efficiencyandsavingofnaturalwaterresources,canmakeacontributiontomoreresourceefficientsanitationsystems.Toassesstheresourceefficiencyofalternativedevelopmentsasystemsperspectiveisrequired.

Thepresentstudyappliesacombinedcost,energyandmaterialflowanalysis(ceMFA)asasystemanalysismethodtoassesstheresourceefficiencyofurbansanitationsystems.Thisincludesthediscussionofrelevantcriteriaandassessmentmethods.Themainfocusofthisthesisisthecomparativeassessmentofdifferentsystems,basedontwocasestudies;HamburginGermanyandArbaMinchinEthiopia.Arangeofpossiblesystemdevelopmentsincludingsourceseparation(e.g.diversionofurineorblackwater)isdefinedandcomparedwiththecurrentsituationasareferencesystem.Theassessmentiscarriedoutusingcomputersimulationsbasedonmodelequations.Themodelequationsnotonlyintegratemassandnutrientflows,butalsotheenergyandcostbalancesofthedifferentsystems.Inordertoassesstheimpactofdifferentassumptionsandcalculationparameters,sensitivityanalysesandparametervariationscompletethecalculations.Basedonthesimulations,followinggeneralconclusionscanbedrawn:

•

Noneofthesystemsshowanoverallbenefitwithregardtoallinvestigatedcriteria,namelynutrients,energy,waterandcosts.Yet,theresultsofthesystemanalysiscanbeusedasbasisfordecisionmakingifacase‐relatedweightingisintroduced.Thesystemsshowvaryingpotentialfortherecoveryofnutrientsfrom(sourceseparated)wastewaterflows.ForthecasestudyofHamburgupto29%ofthemineralfertilisercouldbesubstitutedbynutrientsrecoveredfromwastewater;forthecasestudyofArbaMinchthissubstitutionamountstoamaximumof16%.Factorssuchasthetransportofsourceseparatedflowsorcomplexnutrientrecoveryprocessescanresultinanincreasingenergydemand.However,sourceseparationandrecoveryprocessescanalsoleadtoenergyreduction,forexample,byurinediversion(minus12%forthecaseofHamburg)orbytheuseofbiogasfromanaerobictreatmentplants(minus38%forthecaseofArbaMinch).Theenergyefficiencydependsondeterminantparameters,e.g.theamountofco‐ digestedorganicwaste.Theimpactoftheseparameterscanbesimulatedinthemodel.

•Source‐separatingwastewatersystemscanreducetheuseofnaturalwaterresources,forexample,byreducedflushwaterconsumptionorgreywaterrecycling.•Theintegrationofcostestimateswithmaterialandenergyflowanalyses,allowsacost‐effectivenessappraisalofthesystemdevelopments.Assumptionssuchaswhetherthecostsrefertoanewdevelopmentorthemodificationofexistinginfrastructurehaveamajorimpactonthecostcomparison.Wherethesanitationsystemisimproved,thereisinvariablyanincreaseincostswhencomparedtothecurrentsituation.Butinaddition,financialbenefitscanbegenerated.Foreachcasestudy,adiscussionofthedrivingforces,preconditionsandstartingpointsforimplementation,complementsthecomparativeassessment.Inaddition,potentialobstaclesfortransformationarediscussed.Thestudyshowsthatthemethodofusingcombinedcost,energyandmaterialflowanalysisyieldspurposefulinsightsintotheresourceefficiencyofalternativesanitationsystems.Thiscancontributecomprehensivelytosystemanalysisanddecisionsupport.

Kurzfassung

iii

ImKontexteinernachhaltigenEntwicklungwirdesimmerwichtigerMöglichkeitenzufinden,dievorhandenennatürlichenRessourcenzuschonenundPotentialezurKreis‐ laufwirtschaftaufzuzeigenundumzusetzen.AuchinderAbwasserwirtschaftistdieSteigerungderRessourceneffizienzzueinemaktuellenThemageworden.InsbesonderedieRückgewinnungvonNährstoffen,dieSteigerungderEnergieeffizienzunddieSchonungdernatürlichenWasserressourcenkönneneinenBeitragzuressourcen‐ effizienteren(Ab)Wassersystemenleisten.Hierfüristesnotwendig,einesystem‐ bezogeneBetrachtungsweiseeinzunehmen,ummöglichealternativeSystemeumfassendbewertenzukönnen.

IndervorliegendenArbeitwirdunterAnwendungvonkombiniertenKosten‐,Energie‐ undStoffstromanalysen(ceMFA)dieRessourceneffizienzverschiedenerstädtischerAbwassersystemesystemanalytischuntersucht.NebeneinerDiskussionrelevanterKriterienundBewertungsmethodenbildetdievergleichendeAnalyseverschiedenerSystemedenSchwerpunktdieserStudie.FürzweiFallbeispiele ‐HamburginDeutschlandundArbaMinchinÄthiopien‐werdeneineReihevonmöglichenSystem‐ entwicklungeninklusiveTeilstrombehandlungen(z.B.SeparationvonUrinoderSchwarzwasser)definiert.AlsReferenzsystemdientjeweilsdasgegenwärtigvorhandeneWasser‐undAbwassersystem.FürdieAnalysewerdenineinemSimulationsprogrammModellgleichungenaufgestellt,dieMassen‐undNährstoff‐ ströme,EnergiebilanzensowieKostenfunktionenderunterschiedlichenSystemeintegrieren.DieBerechnungenwerdenabgerundetdurchSensitivitätsanalysenundParametervariationen,diedenEinflussverschiedenerAnnahmenundBerechnungs‐ parameteruntersuchen.AusdenSimulationenlassensichfolgendegenerelleSchlussfolgerungenziehen:

•

KeinesderSystemezeigteinenGesamtnutzeninBezugaufalleuntersuchtenKriterien,d.h.Nährstoffe,Energie,WasserundKosten.DieErgebnissederSystem‐ analysekönnenjedochmitHilfeeinerfallbezogenenGewichtungalsBasisfüreineEntscheidungsunterstützungdienen.DieuntersuchtenSystemebesitzenunterschiedlichesPotentialzurNährstoffrück‐ gewinnungausAbwasser(teil)strömen.FürdasFallbeispielHamburgkönntenbiszu29%desMineraldüngereinsatzesreduziertwerden,fürArbaMinchbeträgtdiemaximaleReduzierung16%.FaktorenwiederTransportvonTeilströmenoderaufwändigeRückgewinnungsverfahrenkönnenteilweisezueinerErhöhungdesEnergiebedarfsführen.AufderanderenSeitekönnenjedochauchenergetischeEinsparungendurchdieEinführungvonTeilstrombehandlungerzieltwerden,wiez.B.durch

Urinseparation(minus12%imFallHamburg)oderdieNutzungvonBiogasausanaerobenBehandlungsanlagen(biszu38%imFallArbaMinch).DieEnergie‐ effizienzhängtvondeterminierendenParameternab,wiez.B.derMengeanmitvergärtenorganischenAbfällen,derenEinflussimModellsimuliertwerdenkann.•DieNutzungnatürlicherWasserressourcenkanndurchteilstromorientierteAbwassersystemereduziertwerden,z.B.durchreduzierteSpülwassermengenoderGrauwasserrecycling.•DieIntegrationderKostenschätzungenindieStoffstrom‐undEnergieanalysenermöglichteineAbschätzungderKostenwirksamkeitderSystemanpassungen.Dabeizeigtsich,dassdieRandbedingungenwieNeubauoderImplementierungimBestandeinenerheblichenEinflussaufdenKostenvergleichbesitzen.ZumTeilerhöhensichunterdenimModellgewähltenAnnahmendieKostenderSystemeimVergleichzurgegenwärtigenSituation.EinedifferenzierteAnalysezeigtjedochdieAbhängigkeitderKostenvonbestimmtenParameternsowiedieMöglichkeitderGenerierungeinesfinanziellenNutzens.DievergleichendeBewertungwirdkomplementiertdurcheineDiskussionverschiedenerTreiber,VoraussetzungenundMöglichkeitenzurImplementierungressourceneffizienterSystemebezogenaufdiejeweiligeFallstudie.AuchmöglicheHindernissebeiderUmsetzungwerdenaufgezeigtunddiskutiert.DieStudiezeigt,dassdieMethodikderkombiniertenStoffstrom‐undEnergieanalysengezielteEinblickeindieRessourceneffizienzverschiedenerAbwassersystemegebenkannundeinenumfassendenBeitragzurSystemanalyseundEntscheidungsfindungleistenkann.

TableofContents

ABSTRACTKURZFASSUNGTABLEOFCONTENTSTABLESFIGURESGLOSSARYABBREVIATIONSANDSYMBOLS1 INTRODUCTION1.1 Background1.2 Objectivesofthestudy1.3 Outlineofthereport2 RESOURCEEFFICIENCYINSANITATION2.1 Theconceptofsustainabilityinthecontextofsanitation2.2 Criteriaforresourceefficiencyassessmentsofsanitationsystems2.3 Water2.3.1 Wateruseandwastewatergeneration2.3.2 Waterreuse2.4 Nutrients2.4.1 Nutrientsandfertilisers2.4.2 Nutrientsinwastewaterflows2.4.3 Nutrientrecoveryinconventionalsystems2.4.4 Sourceseparatingsystems2.5 Energy2.5.1 Energydemandforwaterandsanitation2.5.2 Energyproduction2.6 Economicaspects3 METHODANDCASESTUDIES3.1 Overviewofsystemsanalysismethods3.1.1 MaterialFlowAnalysis(MFA)3.1.2 LifeCycleAssessment(LCA)3.1.3 Otherenvironmentalassessmentmethods3.1.4 Economicassessmentmethods3.1.5 Multi‐criteriaassessmentmethods