Potential för optimering av energi och klimatavtryck för

Resultatet av en fallstudie presenteras för att visa användningen av LCA (Life Cycle Assessment) som ett verktyg för att kvantifiera miljöpåverkan från en slambehandlingsanläggning vid ett stort avloppsreningsverk i Berlin. Ackumulerat energibehov och utsläpp av växthusgaser (klimatavtryck) analyserades. Artikeln är pedagogisk, illustrativ, välskriven och innehållsrik på data och kan på det varmaste rekommenderas.

Av: Bengt Andersson

Vid avloppsvattenrening används stora mängder energi och krav ställs idag från många håll på att minska energianvändningen främst för att minska kostnaderna men även för att minska dess miljöpåverkan. Åtgärder kan vidtagas för att öka energieffektiviteten för ingående processer och utrustningar, för modifiering av processutformning och för ökad energiåtervinning på olika sätt med en strävan att avloppsvattenreningen skall kunna bli självförsörjande på energi eller ännu bättre energipositiv. Önskvärt vid minimeringsprocesser av detta slag är att få en allsidig värdering av både direkta och indirekta effekter av olika typer av åtgärder. LCA (Life Cycle Assessment) är ett verktyg för att kunna göra en bredare analys av olika åtgärder.

En fallstudie presenteras från ett stort avloppsreningsverk i Berlin, där intresse finns för att utvärdera effekten av olika metoder för behandling och disponering av slammet från reningsverket.

Beskrivning av slambehandlingsanläggningen

Avloppsreningsverket i Berlin belastas av motsvarande cirka 1,5 miljoner personekvivalenter och med ett flöde som uppgår till drygt 190000 m³/d i genomsnitt. Verket är utformat för långtgående rening av organiskt material, fosfor och kväve. Avskilt slam behandlas på följande sätt.

Förtjockat överskottsslam genom centrifugering med polymerdosering blandas med primärslam och det samlade slammet passerar en sil för avskiljning av grövre partiklar samt en förvärmare före inpumpning till rötkamrarna. Rötningen sker mesofilt vid en temperatur av 38 ^oC och en uppehållstid av 18 – 20 dygn. Externt fettslam tillförs rötkamrarna för ökad gasproduktion. Rötgasen renas genom avskiljning av H₂S innan förbränning i gasmotorer för el- och värmeproduktion. Rötat slam leds till en MAP-process och utfälld MAP (magnesium ammonium fosfat) avskiljs genom sedimentering och säljs som ett gödningsmedel. Rötslammet avvattnas i centrifuger till en TS-halt av cirka 27 %. Bräddvatten från förtjockningen och rejektvatten från avvattningen leds tillbaka till inloppet av reningsverket.

Disponering av det avvattnade slammet baseras på förbränning för energiåtervinning. Fyra olika disponeringsvägar används parallellt vid reningsverket i olika omfattning – monoförbränning av avvattnat slam med tillsatsbränsle (16 % av slammet i genomsnitt), samförbränning av avvattnat slam i kolkraftverk (50 % av slammet), torkning av avvattnat slam och förbränning i kolkraftverk (6 % av slammet) och torkning av avvattnat slam och förbränning i cementugn (28 % av slammet i genomsnitt).

Genomförande av LCA

LCA beskrivs i ISO 14040 och 14044. Genom en steg-för-steg- procedur kan olika scenario utvärderas systematiskt med iakttagande av både uppströms- och nedströmsprocesser och belysa andelen såväl direkta som indirekta emissioner från systemet. LCA tar inte hänsyn till de dynamiska variationer som alltid finns vid ett avloppsreningsverk utan det är de genomsnittliga förhållanden för en existerande process som beaktas och som kan jämföras med olika optioner i form av resursbehov och relaterade emissioner.

Genomförd fallstudie avsåg slambehandlingsanläggningen beskriven ovan och en jämförelse av det driftsätt som utnyttjas idag med fyra alternativa sätt för slamdisponeringen som bygger på att de används ene och ene var för sig för allt slam. Påverkan på ackumulerat energibehov och utsläpp av växthusgaser (klimatavtryck) beräknades för varje fall.

Data för LCA samlades in från olika källor. Bakgrundsdata för emissioner av växthusgaser från både aktuella behandlingsprocesser och mera allmänna bakgrundsprocesser togs från databasen Ecoinvent v2.2. Processdata sammanställdes för det aktuella reningsverket i Berlin för år 2009 och databrister ersattes av kvalificerade antagande tillsammans med driftpersonalen. Slambehandlingsprocessen beskrevs i en statisk substansflödesmodell UMBERTO 5.5.

Slambehandlingen levererar dessutom en rad olika sekundära produkter som har en positiv påverkan och kan dras av från den påverkan som föreligger för studerad process. Värdering av den minskade påverkan hämtades från Ecoinvents databas.

Resultat av fallstudien

Analysen gjordes dels för ett grundscenario som avspeglar hur slambehandlingen drivs i praktiken med utnyttjandegraden av de olika disponeringssätten som beskrivits ovan dels för de olika disponeringsalternativen i en renodlad drift. Indikatorvärdena för grundscenariet relaterades till belastningen uttryckt som PE_COD*år, där den specifika belastningen valdes till 120 g COD/PE * år enligt ATV.

Det ackumulerade energibehovet för grundscenariet uppgick till 219 MJ/(PE_COD*år) och de största behoven fanns för driften av rötkamrarna (62 MJ), av slamavvattningen (25 MJ) och av slamtorkningen (46 MJ). För behandling av rejektvattnet från slamavvattningen var behovet 20 MJ/(PE_COD*år). En produktion av energi motsvarande 380 MJ/(PE_COD*år uppvägde energibehovet och gav en positiv energibalans med ett energiöverskott netto på 161 MJ/(PE_COD*år). Det var främst produktionen av el och värme från förbränningen av biogas som bidrog positivt (187 MJ/(PE_COD*år)).

Det totala utsläppet av växthusgaser i grundscenariet uppgick till 16.6 kg CO_2ekv/(PE_COD*år). Slambehandlingsprocessen bidrog även till en minskning av bidraget av växthusgaser genom ersättning av elenergi och fossila bränslen och detta positiva bidrag uppgick till 28.2 kg CO_2ekv/(PE_COD*år). Således bidrog slambehandlingen med en nettominskning av 11.6 kg CO_2ekv/(PE_COD*år), vilket innebar att anläggningen genererade ett positivt klimatavtryck.

Indikatorerna kan även normaliseras genom att de relateras till den totala miljöpåverkan per person och år i Tyskland. Med genomsnittssiffror för ackumulerat energibehov och utsläpp av växthusgaser i Tyskland på 156500 MJ/(person *år) resp. 11840 kg CO_2ekv/(person *år) blir bidraget från slambehandlingen – 0.1 % för båda indikatorerna. Även om andelen kan synas försumbar fastslås i artikeln att optimering av resursbehov och emissioner är ett absolut nödvändigt mål i framtiden.

Vid analysen av olika disponeringssätt för stabiliserat och avvattnat slam beräknades värdena relaterade till 1 ton TS efter avvattning. För grundscenariet var det ackumulerade energibehovet 4.9 GJ/t TS samtidigt som sekundära produkter genererade en energivinst på 10.3 GJ/t TS, vilket resulterade i en sammantagen nettoenergivinst på 5.4 GJ/t TS. Av de fyra alternativen var monoförbränning av avvattnat slam minst fördelaktigt med en energivinst av 0.5 GJ/t TS och samförbränning av avvattnat slam i ett kolkraftverk det bästa alternativet med en energivinst av 7.9 GJ/t TS.

Nettominskningen av utsläppet av växthusgaser i grundalternativet var 593 kg CO_2ekv/t TS. Monoförbränning av avvattnat slam var minst fördelaktigt med ett nettobidrag av växthusgaser uppgående till 292 kg CO_2ekv/t TS medan alternativ med samförbränning av avvattnat slam i kolkraftverk eller cementugn bidrog med en nettominskning av utsläppet med mellan 740 och 803 kg CO_2ekv/t TS. Alternativen med torkning av det avvattnade slammet före förbränning gav bäst klimatavtryck. 

Slutsatser

Följande slutsatser kan dras av undersökningen.

Användning av LCA har på ett föredömligt sätt använts i fallstudien och det är uppenbart att det är ett verktyg som bör användas oftare vid utvärdering av olika processförändringar i ett avloppsreningsverk.

För studerad slambehandlingsprocess konstaterades att optimering av energibehov och klimatavtryck kan ske genom

Dessutom bör miljöprofilen för slambehandlingen utvidgas i analysen och även innefatta påverkan på människa, ekotoxicitet och återvinning av ändliga resurser som fosfor.

Källa: C. Remy, B. Lesjean, J. Waschnewski. Identifying energy and carbon footprint optimization potentials of a sludge treatment line with Life Cycle Assessment. Water Science & Technology 67 (2013) pp 63 – 73.

Hela artikeln från Water Science & Technology finns att köpa här.