Life Cycle Assessment für Kläranlagen - Kritische Analyse am Beispiel einer Modellkläranlage

Abstract

Life-cycle Assessment (LCA) ist eine Methode, um Umweltauswirkungen von Produkten über ihren gesamten Lebensweg zu bewerten. Diese Methode findet immer häufiger auch bei Kläranlagen Anwendung. Die Bewertung kann mehrere umweltrelevante Aspekte erfassen, z. B. das Treibhausgaspotential, Versauerungspotential oder Eutrophierungspotential einer Kläranlage. Die durchgeführte Literaturanalyse bisheriger LCA-Studien zeigt, dass es große Unterschiede in den Ansätzen gibt. Diese reichen von der Wahl der Bezugseinheit bis zu unterschiedlichen Berechnungsmodellen. Als Bezugseinheit dient in vielen Fällen eine volumenbezogene Einheit, etwa ein Kubikmeter, ohne Bezug zur Abwasserzusammensetzung. Die Schmutzfrachten haben jedoch eine große Auswirkung auf die Ergebnisse. Am Beispiel eines Life Cycle Assessments für eine Modellkäranlage werden die wesentlichen Schritte aufgezeigt: die Festlegung der funktionellen Einheit und der Systemgrenze, die Erstellung der Sachbilanz und die Wirkungsabschätzung. Anschließend wird eine kritische Analyse der Ergebnisse inklusive Sensitivitätsanalysen durchgeführt. Als funktionelle Einheit dient ein EW120 pro Jahr. Mit dieser Einheit sind auch alle Schmutzfrachten verknüpft. Die Ergebnisse liefern für jede Umweltkategorie ein anderes Bild. Das Treibhausgaspotential der Kläranlage beträgt 30,85 kg-CO2-eq/(EW·a). Dazu tragen mit 52% vor allem die direkten Emissionen bei. Eine solide Abschätzung der N2O (Lachgas) und CH4-Emissionen (Methan) ist dafür notwendig. In anderen Kategorien sind die Ablaufemissionen ausschlaggebend, etwa für das Eutrophierungspotential (FEP 93%, MEP 96%). Auch die Betriebsmittel leisten einen wesentlichen Beitrag, z. B. für das Ozone Depletion Potential (ODP) mit 83% oder den Ressourcenverbrauch (52%). Der Anteil der Infrastruktur, also der Errichtung der Anlage, ist mit maximal 7 bis 11% eher gering. Ein Vergleich mit anderen Literaturquellen zeigt große Unterschiede bei den Annahmen für die Infrastrukturdaten und, dass die Abschätzung mit einigen Schwierigkeiten verbunden ist. Im Zuge der kritischen Analyse werden ausgewählte Parameter einer Sensitivitätsanalyse unterzogen. Der Grad der Stickstoffentfernung hat wesentliche Auswirkungen auf die N2OEmissionen. Bei 70%-N-Entfernung liegt das Global Warming Potential (GWP) um 27% höher als bei 80%-Entfernung. Die Art der Schlammverwertung hat einen großen Einfluss auf die Ergebnisse. Der Vergleich zwischen Schlammverbrennung und landwirtschaftlicher Klärschlammverwertung zeigt große Differenzen. Die landwirtschaftliche Verwertung hat größere Auswirkungen auf die Humantoxizität, aber ein geringeres Versauerungspotential. Für die Wirkungsabschätzung stehen verschiedene Methoden zur Auswahl. Die Wahl der Methode kann große Auswirkungen auf das Endergebnis haben. Vor allem die Bewertung der Toxizität unterliegt großen Streuungen. Hier besteht noch Bedarf an weiterer Entwicklung und Forschung.

Life-cycle Assessment (LCA) is a method to quantify the environmental impacts of a product for its whole life cycle. More and more this method is being applied to assess the impacts of wastewater treatment plants (WWTP). The assessment usually includes many aspects like global warming potential (GWP), acidification potential (AP) or eutrophication potential (EP) of the wastewater treatment plant. A literature review of previous LCA studies shows that the used approaches and methods differ between the studies. Differences in the definition of the functional unit (FU) and the applied models have been observed. Many authors refer the input and output data to a volumetric FU e.g. 1 m often not related to the pollution loads. However, the loads have a major influence on the results. On the basis of a model wastewater treatment plant the crucial steps of a LCA are shown and a critical analysis (incl. sensitivity analysis) is performed. These steps are the definition of the FU and the system boundary, the collection of inventory data and the impact assessment (IA). The FU is chosen as one PE120 per year. This unit is linked to all pollution loads. The results differ between the impact categories. The result of the GWP is 30,85 kg-CO2- eq/(PE·a). Direct greenhouse gas emissions account for 52%. Hence, an accurate estimation of N2O and CH4 emissions is necessary. For other categories the discharge emission of the WWTP is significant e.g. for freshwater (93%) and marine eutrophication (96%). The demand of chemicals (precipitants and polymers) has the biggest impact on ozone depletion potential (83%) and resource demand (52%). The construction phase of this WWTP only accounts for a maximum of 7 to 11% depending on the category. A comparison of different literature sources shows high variance of results for this phase. Parameters which were selected in the critical analysis are tested by sensitivity analysis. The N-removal rate has a significant impact on the N2O emissions. A decline of the N-removal rate from 80% to 70% increases the GWP by 27%. The type of sewage sludge disposal has a big influence on the results. A comparison of sludge incineration and agricultural spreading shows that the agricultural utilization has far more impact on the human toxicity but less on the acidification potential. The choice of the IA method can affect the outcomes significantly. Especially the toxicity assessment differs between the existing methods. Hence, more effort and research is needed in this specific field.