Phosphorus sorbing small-scale wastewater treatment plants in the county of Stockholm : an environmental systems analysis using life cycle assessment methodology

Modern, small-scale wastewater treatment faces a twofold challenge: On the one hand requirements from legal authorities regarding removal of eutrophying substances have become more demanding. On the other hand high-quality phosphorus reserves are dwindling, which has raised calls for increased recycling. The problem is acute in the county of Stockholm where about 34 000 households are identified to not possess adequate wastewater treatment facilities. In this master’s thesis, four treatment systems, of which three had some phosphorus recycling potential, were compared using life cycle assessment methodology. The small-scale treatment systems analyzed were infiltration, filter beds with Filtralite® P and Filtra P respectively as filter material and a chemical precipitation system. The system boundaries included the extraction of raw materials, production of materials and components, the construction and operation of the systems as well as deconstruction and recycling of the treatment plants. Apart from impacts on human health and acidification potential, which both proved to be of less relevance to the final results, energy usage, consumption of abiotic resources, global warming potential and eutrophication potential were taken into account in this study. The infiltration system attained the most favourable results in all impact categories save eutrophication potential, which was due to both the low usage of energy and resources as well as the system’s high life expectancy. The filter bed system using Filtralite® P demonstrated the best performance in reduction of eutrophying substances. However, the system’s energy demand and emissions of greenhouse gases by far exceeded the other systems’ results in these categories. Both the filter bed system using Filtra P and the chemical precipitation system fared relatively equal in the overall analysis, with moderate impacts in all categories. The nutrient recycling potential was shown to be limited by the waste products’ relatively high heavy metal content. Sludge from chemical precipitation had higher potential for replacement of fertilizer than filter bed material. The chemical precipitation system fared best in the overall assessment. Its technical immaturity and limited data foundation put the alternative using Filtra P into second place. The infiltration system’s limited treatment performance and inexistent recycling potential put this alternative into third place. The alternative using Filtralite® P was ruled out entirely because of its high impact on fossil fuel consumption and global warming. Based on this ranking recommendations were made. Even though the filter bed materials in this study showed excellent phosphorus removal capacity, further research into alternative filter bed materials will have to be made due to the materials’ environmental impacts in other areas. Focus should be on waste material and natural products (such as shell sand) with low environmental impacts from production. Ways of separating heavy metals from plant nutrients need to be explored if nutrient recycling is to be an aim. This study showed that good phosphorus removal characteristics can lead to an increase in other environmental impacts, which in some cases even may outweigh the positive effects of decreased eutrophication.Modern, småskalig avloppsreningsteknik står inför två utmaningar. Å ena sidan har kraven från lagstiftaren på rening av eutrofierande ämnen ökat. Problemet är akut i Stockholms län där det finns ca. 34 000 hushåll som inte anses uppfylla reningskraven. Å andra sidan minskar fosforförekomsterna av hög kvalitet i allt större takt, vilket har väckt krav på ökad återföring av växtnäring. I detta examensarbete undersöktes fyra olika reningstekniker, varav tre har en viss återföringspotential, med hjälp av metodik från livscykelanalys. Systemen som undersöktes var infiltration, filterbäddar dels med Filtralite® P och dels med Filtra P som filtermaterial, samt ett kemikaliefällningssystem. Systemgränserna omfattade extraktion av råmaterial, produktion av anläggningsmaterial och –komponenter, uppförande och drift av systemen samt avveckling av anläggningarna och återföring av restmaterial. Förutom påverkan på mänsklig hälsa och försurningspotential, som visade sig vara mindre relevanta för slutresultaten, omfattade analysen även en undersökning av energianvändning, förbrukning av abiotiska resurser, potential för global uppvärmning och eutrofieringspotential. Infiltrationslösningen fick de mest fördelaktiga resultatvärden i alla kategorierna förutom eutrofieringspotential, vilket kan förklaras med systemets låga energi- och resursbehov samt dess höga livslängd. Filterbädden med Filtralite® P som filtermaterial uppvisade den största förmågan att reducera eutrofierande substanser. Systemets energibehov och utsläpp av växthusgaser översteg dock de andra systemens resultat i dessa kategorier kraftigt. Både anläggningen med Filtra P och kemikaliefällningslösningen fick liknande resultat, med måttlig påverkan i alla kategorier. Systemens återföringspotential visade sig vara begränsad av restprodukternas höga tungmetallhalt. Kemikaliefällt slam hade högre återföringspotential än filterbäddsmaterial. Kemikaliefällning klarade sig totalt sett bäst i studien. Den relativt obeprövade tekniska utformning och det osäkra dataunderlaget ledde till att Filtra P hamnade i rangordningen efter kemikaliefällning. Infiltrationssystemets begränsade reningsförmåga och den obefintliga återföringspotentialen ledde till att alternativet hamnade näst sist. Filtralite® P-alternativet blev placerat sist i rangordningen på grund av dess stora påverkan på förbrukning av fossila bränslen och global uppvärmning. Baserat på rangordningen utfärdades rekommendationer. Trots att filtermaterialen som undersöktes i denna studie har en utmärkt fosforreningsförmåga, kommer det att krävas fler studier med avseende på alternativa filtermaterial, eftersom materialens användning av icke-förnybara energikällor är mycket stor vid tillverkningen. Fokus borde ligga på återvunna eller naturliga material (som t.ex. snäcksand) med låg miljöpåverkan vid tillverkning. Om återföring av växtnäring ska bli ett mål inom småskalig avloppsvattenrening, måste effektiva sätt att separera tungmetaller från växtnäringsämnen utforskas. Denna studie visade att goda fosforavskiljningsegenskaper kan medföra att andra typer av miljöpåverkan ökar, vilket i vissa fall kan leda till att de negativa konsekvenserna överväger nyttan av minskad eutrofiering.Moderne, dezentrale Abwassertechnik steht zwei großen Herausforderungen gegenüber. Zum einen sind die Ansprüche von Seiten des Gesetzgebers gestiegen, die effektivere Abwasserreinigungstechniken erfordern. Zum andern werden Phosphorvorkommen von hoher Qualität zunehmend knapper, was Rufe nach verstärkter Rückführung von Phosphor hat laut werden lassen. Im Verwaltungsbezirk Stockholm, in dem es ungefähr 34 000 Haushalte mit unzureichender Abwasserreinigung gibt, ist das Problem von besonderer Bedeutung. In dieser Diplomarbeit wurden vier Abwasserreinigungssysteme, wovon drei ein gewisses Potential für Phosphorrückführung haben, mit Hilfe einer Ökobilanzierung untersucht. Folgende Systeme wurden untersucht: Eine Infiltrationsanlage, zwei Filterbettsanlagen, eine mit Filtralite® P und eine mit Filtra P als Filtermaterial sowie ein System mit Chemikaliefällung. Die Systemgrenzen umfassten die Gewinnung und Verarbeitung von Rohstoffen, das Errichten der jeweiligen Anlage, deren Betrieb sowie Rückgewinnung und Entsorgung von Restmaterialien. Neben Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und Versauerungspotential, die sich im Nachhinein als weniger relevant erwiesen, wurden Energiebedarf, Verbrauch abiotischer Resourcen, Potential für globale Erwärmung und Eutrophierungspotential untersucht. Die niedrigsten Resultate in allen Kategorien außer Eutrophierungspotential wurden vom Infiltrationssystem erreicht. Filtralite® P erwies sich als am leistungsstärksten, was die Reduktion von eutrophierenden Substanzen angeht. Der Energiebedarf und die Emissionen von Treibhausgasen dieser Alternative überstieg die Ergebnisse der anderen Alternativen in diesen Kategorien doch bei weitem. Filtra P und Chemikaliefällung erzielten moderate Auswirkungen in allen Kategorien. Das Potential für die Rückführung von Pflanzennährstoffen wird, wie die Ergebnisse zeigen, vom relativ hohen Schwermetallhalt in den Restprodukten begrenzt. Chemikaliefällung ist in dieser Studie die beste Alternative. Filtra P zeigte sich als technisch noch zu wenig ausgereift und die Datenunterlage als zu unvollständig, weswegen diese Alternative an zweiter Stelle steht. Die begrenzte Reinigungsfähigkeit des Infiltrationssystemes und das nicht vorhandene Potential für Rückführung von Phosphor führten dazu, dass diese Lösung an dritter Stelle steht. Das System mit Filtralite® P als Filtermaterial wurde wegen seines großen Verbrauchs von fossilen Brennstoffen für wenig brauchbar befunden und steht damit an letzter Stelle. Trotz ihrer hervorragenden phosphorreduzierenden Eigenschaften, wird weitere Forschung im Bereich alternativer Filtermaterialien notwendig werden. Hierbei sollten natürliche Materialien (wie Muschelsand) oder Restprodukte im Mittelpunkt des Interesses stehen, um die Umweltauswirkungen gering zu halten. Wenn die Rückführung von Phosphor ein Ziel der Abwasserreinigung sein soll, müssen Lösungen, Schwermetalle von Pflanzennährstoffen zu trennen, gefunden werden. Diese Studie hat gezeigt, dass gute phosphorreduzierende Eigenschaften zu verstärkten Umweltauswirkungen in anderen Bereichen führen können, welche in manchen Fällen sogar die Vorteile einer verringerten Eutrophierung übersteigen können