Ökobilanz von konventionellen und Trennsystemen für die kommunale Abwasserreinigung

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.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