Ökobilanz verschiedener Verfahrensoptionen

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1 Ökobilanz verschiedener Verfahrensoptionen zur Spurenstoffentfernung Dr. Christian Remy, Daniel Mutz (Kompetenzzentrum Wasser Berlin) Dr. Alexander Sperlich, Jana Schaller, Gesine Windelberg (BWB) Abschlussveranstaltung der Verbundprojekte ASKURIS und IST4R 14. September 2015 Partner Gefördert von Partner AP 8: Verfahrensbewertung Ergebnisse der Ökobilanz Gefördert von Partner

2 Ziele der Ökobilanz Definitionen Ziel: Integration der Spurenstoffelimination in eine bestehende 4. Reinigungsstufe 4. Reinigungsstufe: weitergehende Phosphorentfernung und Desinfektion Vorangegangenes UEP Projekt: Referenzmodell: Flockungsfilter (Zweischicht) und UV Desinfektion Analyseeines eines ModellklärwerksGK5 (kein Standortbezug) Funktionelle Einheit: Behandlung von 1 m³ Klarlauf eines GK 5 Klärwerks Zielparameter: 1) Phosphor: Gesamt P < 100 µg/l 2) Desinfektion (saisonal): Gute Qualität gemäß EU Badegewässerrichtlinie (2006/7/EG) 3) Spurenstoffe: unterschiedliche Dosierungen, da keine Vorgaben vorhanden 14. September 2015 Ökobilanz IST4R, C. Remy 3 Systemgrenzen Betrachtung nachgeschalteter Verfahren Volumen, Aktivkohle, Eisen Spuren stoffelim. P Entfernung TP < 100 µg/l Desinfektion (saisonal) Gewässer Modellklärwerk GK5 16Mio 1,6 EW m³/d DOC = Schlammbehandlung Strom Hilfsstoffe Systemgrenzen für die Bilanz 14. September 2015 Ökobilanz IST4R, C. Remy 4

3 Umweltindikatoren t Bewertung von Aufwand und Nutzen der Verfahren Kumulierter Energieaufwand (fossil + nuklear = nicht erneuerbar) Treibhauspotential (CO 2 Fußabdruck) Versauerung Eutrophierung (P) Ökotoxizität Humantoxizität Indikatoren der Ökobilanz zeigen potentielle Schäden (Modelle: VDI 2012, ReCiPe 2008, USEtox) 14. September 2015 Ökobilanz IST4R, C. Remy 5 Aufwand der 4. Reinigungsstufe i Kumulierter Energieaufwand, fossil + nuklear GK5 Kläranlage GK5 (brutto) Kläranlage 6,4 Raumfilter + UV + UV 1,3 Filter + UV = + 20% 5,1 mg/l 2,5 1) Ozon + 9,0 mg/l 3,4 + Ozon = % 4,2 30 3,0 2) PAK + 32,0 mg/l 5,5 51,2 mg/l 7,9 3) 3,2 PAK Stufe + 32,0 mg/l 5,7 + PAK = % 51,2 mg/l 8, BV 2,1 4) ZSF + GAK Filter + UV BV 3, BV 5, BV 2,0 + GAK = % 5) GAK Schicht Shih in BV 3, BV 5,6 Ozon + GAK niedrig 3,3 6) Schicht in ZSF + mittel 5,2 + GAK/Ozon = % UV hoch 87 8,7 Ozonung PAK AK Rezi P GAK Filter ZSF GAK im Z Ozon+GAK Schicht O niedrig 2,8 Ozon/PAK + 7) mittel 4,3 + PAK/Ozon = % hoch 6,0 Ozon (50%)+PAK (50%) Ablauf Kläranlage: DOC = 12.8 mg/l GK 5 Kläranlage (Brutto) Schlammbehandlung Heizöl & Entsorgung (KSVA) Chemikalien (FM+FHM) Strom, P Entfernung Strom, UV Strom, OMP Elimination Flüssigsauerstoff Aktivkohle (frisch) Aktivkohle (Reaktivat) Stromgutschrift aus KSVA Substitution von Heizöl (KSVA) Netto KEA Kumulierter Energieaufwand (fossil+nuklear) [MJ/m³ Ablauf ] 14. September 2015 Ökobilanz IST4R, C. Remy 6

4 Aufwand der 4. Reinigungsstufe i Treibhauspotential (100 a) 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) GK 5 Kläranlage GK5 Kläranlage (brutto) Raumfilter + UV 5,1 mg/l Ozon + 9,0 mg/l PAK + 32,0 mg/l 51,2 mg/l PAK Stufe + 32,0 mg/l 51,2 mg/l BV ZSF BV GAK Filter + UV BV BV GAK Schicht Shihtin BV BV Ozon + GAK niedrig Schicht in ZSF + mittel UV hoch Ozonung PAK AK Rezi P GAK Filter ZSF GAK im Z Kokosnussschalen Ozon+GAK Schicht O Ozon (50%)+PAK (50%) Ozon/PAK + niedrig mittel hoch 0,085 0,17 0,22 0,28 0,15 0,21 0,14 0,21 0,23 0,22 0,28 0,56 0,29 0,58 0,38 0,35 0,38 0,39 0,58 0,55 0,755 0,84 0,86 Steinkohle Braunkohle Ablauf Kläranlage: DOC = 12.8 mg/l GK 5 Kläranlage (Brutto) Schlammbehandlung Heizöl & Entsorgung (KSVA) Chemikalien (FM+FHM) Strom, P Entfernung Strom, UV Strom, OMP Elimination Flüssigsauerstoff Aktivkohle (frisch) Aktivkohle (Reaktivat) Stromgutschrift aus KSVA Substitution von Heizöl (KSVA) Netto THP 0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Treibhauspotential [kg CO 2 eq/m³ Ablauf ] 14. September 2015 Ökobilanz IST4R, C. Remy 7 Herstellung der Aktivkohle k Treibhausgasemissionen Verschiedene Rohmaterialien für Aktivkohle: Steinkohle/Braunkohle Aktivierung erzeugt fossiles CO 2 Regenerative Rohstoffe (z.b. Kokosnussschalen) nicht CO 2 neutral (Aktivierung, Verkokung mit Methanemissionen) Treibhauspotential: Herstellung von Aktivkohle Steinkohle 13,8 Kokosnussschalen 9,9 Braunkohle 18, [kg CO 2 eq/kg Aktivkohle ] Steinkohle e Gewinnung Biochar Herstellung Braunkohle Gewinnung Dampf Erdgas Strom [CN] Transport, L Transport, Schiff Abbrand pro kg Aktivkohle: 3 kg 10 kg Rohmaterial = 3 kg Biochar 5 kg 12 kg 0,28 m³ 1,6 kwh 300 km km 2 kg (StK), 4 kg (BrK), 2 kg (Biochar) Datensätze der Aktivkohleproduktion sollten aktualisiert werden (Stand 2005) Hersteller kontaktiert, aber keine Daten erhalten 14. September 2015 Ökobilanz IST4R, C. Remy 8

5 Sensitivität ität Treibhauspotential ti Aktivkohle, Strommix, Wasserqualität Best case: Mix D2050, grüne AK, 6,4 mg/l DOC Worst case: Mix D2010, AK Braunkohle, 12,8 mg/l DOC Variation der Daten: Strommix D2010, D2030, D2050 Material Aktivkohle Wasserqualität = DOC Dosierung! Hoher Einfluss der Annahmen: Grüner Strom für Ozon Kokosnuss für PAK/GAK Wasserqualität wichtig für alle Verfahren 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) Raumfilter + UV Ozon + IST PAK + IST PAK Kreislauf + IST ZSF + IST GAK Filter + UV GAK Schicht Shihtin IST Ozon + GAK Schicht in IST Ozonung PAK AK Rezi PA GAK Filter ZSF GAK im Z Ozon+GAK Schicht O Ozon (50%)+PAK (50%) Ozon/PAK + IST Dosierung niedrig mittel hoch 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Treibhauspotential [kg CO 2 eq/m³ Ablauf ] 14. September 2015 Ökobilanz IST4R, C. Remy 9 Zusammenfassung 4. Reinigungsstufe g erhöht Energieverbrauch und Treibhauspotential der Abwasserreinigung: Energie CO 2 eq Saisonale Desinfektion (UV): +3% +2% Phosphorentfernung: +17% +9% Spurenstoffe: % % Ozon % % Pulveraktivkohle % +9 39% Granulierte Aktivkohle Bestimmende Faktoren für Aufwand und dessen Übertragbarkeit: Wasserqualität und Zielwerte Dosierung Strommix für Ozon Materialauswahl für Aktivkohle Ökologische Folgen im Lebenszyklus sollten in Entscheidungsprozesse mit einbezogen werden (Zielwerte, Verfahrensauswahl) 14. September 2015 Ökobilanz IST4R, C. Remy 10

6 Ökobilanz zur Spurenstoffelimination am Tegeler See ASKURIS AP 5: Verfahrensbewertung Partner Ziel und Zielparameter Gewässerschutz Tegeler See m³/d (nach Ausbau) 12 mg/l DOC Klärwerk Schönerlinde Ziel: Schutz des Gewässers Tegeler See durch weitergehende Spurenstoffelimination Tegeler Fließ Funktionelle Einheit: Einleitung von 1 m³ Wasser in den Tegeler See (nach ) Tegeler See m³/d 10 mg/l DOC Ziele für Gewässerqualität: 1) Spurenstoffelimination: noch keine Vorgaben definiert unterschiedliche Dosierung von Ozon oder Aktivkohle angenommen 2) Randbedingungen: g keine Erhöhung der Phosphorfracht und weiterhin gute hygienische Qualität (EU Badegewässerrichtlinie) 14. September 2015 Ökobilanz ASKURIS, C. Remy 12

7 .. Das System Tegeler See Systemgrenzen der Ökobilanz Seeleitung Havel Tegeler Fließ Nordgraben (Kanal) Seeleitung zur Havel & Wehrüberlauf (Regenwetterspitzen ) Volumen, Aktivkohle, Eisen Ablauf Schönerlinde Strom Hilfsstoffe Rückspülwasser m³/d m³/d 4. Stufe Ablauf Schlammbehandlung Aktivkohle, Eisen Strom Stromgutschrift Hilfsstoffe Strom Hilfsstoffe Systemgrenzen für die Bilanz 14. September 2015 Ökobilanz ASKURIS, C. Remy 13 Kumulierter Energieaufwand nicht erneuerbar m³/d 12 mg/l DOC m³/d 10 mg/l DOC Schön nerlinde GK 5 Kläranlage Kläranlage (Brutto) 4,8 mg/l Ozon 8,4 mg/l 12,0 mg/l 4,8 mg/l Ozon+Filter 8,4 mg/l 12,0 mg/l 12 mg/l PAK+Filter 30 mg/l 48 mg/l 12 mg/l PAK Simultan 30 mg/l 48 mg/l OWA 4 mg/l Ozon 7 mg/l 10 mg/l 8 mg/l PAK 20 mg/l 32 mg/l BV GAK Filter BV BV BV GAK BV 2. Schicht BV Ozon+Filte on Ozo r PAK+Filter W PAK multan Sim TEG Ozon TEG PAK G GAK ilter TEG Fi TEG GAK 2.Schicht 0,7 1,0 +41% 0,9 0,7 0,9 1,0 1,2 1,1 1,3 1,5 1,7 +22% 1,7 1,7 2,0 1,9 2,3 2,3 2,4 2,7 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 [MJ eq/m³ Ablauf ] 2,8 3,7 3,8 4,1 4,2 4. Stufe am Klärwerk: % für Ozon % für PAK 4,6 4,5 Erweiterung OWA: % für Ozon % für PAK % für GAK 21. Januar 2015 Ökobilanz ASKURIS, C. Remy 14

8 .. Treibhauspotential 100a nach IPCC m³/d 12 mg/l DOC m³/d 10 mg/l DOC Schön nerlinde GK 5 Kläranlage (Brutto) Kläranlage 4,8 mg/l Ozon 8,4 mg/l 12,0 mg/l 4,8 mg/l Ozon+Filter 8,4 mg/l 12,0 mg/l 12 mg/l PAK+Filter 30 mg/l 48 mg/l 12 mg/l PAK 30 mg/l Simultan 48 mg/l OWA 4 mg/l Ozon 7 mg/l 10 mg/l 8 mg/l PAK 20 mg/l 32 mg/l BV GAK Filter BV BV BV GAK BV 2. Schicht BV Ozon+Filte on Ozo r PAK+Filter W PAK multan Sim TEG Ozon T TEG PAK G GAK lter TEG Fil TEG GAK 2.Schicht 0,05 0,08 0,11 0,07 0,10 0,13 0,13 0,11 0,14 0,07 0,11 0,16 0,13 0,05 0, ,13 0,12 p 0,26 0,29 0,29 0,31 0,33 0,42 0,45 0,45 4. Stufe am Klärwerk: % für Ozon % für PAK 0,52 Erweiterung OWA: % für Ozon % für PAK % für GAK t CO 2 eq/a! 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 [kg CO 2 eq/m³ Ablauf ] 21. Januar 2015 Ökobilanz ASKURIS, C. Remy 15 Zusammenfassung Nutzen der Spurenstoffentfernung: Verringerung von Spurenstoffeinträgen in den Tegeler See ökologisch sinnvoll Bewertung über globale Toxizitätsmodelle derökobilanzschwierig (nur wenige Substanzen erfasst, Wirkungsabschätzung mit hohen Unsicherheiten) Aufwand der Spurenstoffentfernung: Alle Verfahren erhöhen den Primärenergiebedarf und die Emission von Treibhausgasen signifikant bezogen auf die heutige Abwasserreinigung Aufwand als 4. Stufe am Klärwerk etwas geringer g als in der Tendenz im Verfahrensvergleich Tegeler See: Ozonung hat meist niedrigeren Energiebedarf und Treibhauseffekt Aktivkohle braucht fossile Rohstoffe ( Kohle Kohle ) und viel Energie zur Herstellung/Reaktivierung ABER: Wasserqualität und geforderte Entfernungsleistung für Zielstoffe bestimmt letztlich Dosierung und damit den realen Aufwand!! 21. Januar 2015 Ökobilanz ASKURIS, C. Remy 16

9 Kein zusätzlicher lokaler Nutzen ohne zusätzlichen globalen Aufwand Verhältnismäßigkeit abwägen Kontakt: wasser.de Abschlussveranstaltung der Verbundprojekte ASKURIS und IST4R 14. September 2015 Partner Gefördert von Partner