Ressourcenökonomische Anreize für ein zukunftsfähiges Stoffstrommanagement in der kommunalen Abwasserwirtschaft

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1 Ressourcenökonomische Anreize für ein zukunftsfähiges Stoffstrommanagement in der kommunalen Abwasserwirtschaft Thomas Dockhorn (Braunschweig) Zusammenfassung Unter ressourcenökonomischen Gesichtspunkten ist die herkömmliche kommunale Abwasserreinigung eine Elimination von zum Teil essentiellen Ressourcen, insofern als energieaufwändige Verfahren zum Abbau potentieller Energieträger eingesetzt werden und ferner als Dünger verwertbare Pflanzennährstoffe eliminiert werden. Die vorliegende Arbeit beziffert anhand eines Beispiels für Einwohnerwerte das in einzelnen Teilströmen des Abwassers vorhandene ökonomische Ressourcenpotenzial und stellt diesem die spezifischen Reinigungskosten bei der herkömmliche Abwasserreinigung gegenüber. Die Erweiterung herkömmlich verwendeter Bilanzrahmen und Kostenstellen wird als Möglichkeit vorgestellt, wie das vorhandene ökonomische Potenzial in konkrete ökonomische Anreize zur vermehrten Realisierung stoffstromseparierender Maßnahmen umgesetzt werden kann. Schlagwörter: Abwasserreinigung, kommunal, Stoffstrom, Bilanz, Trennung, Ressource, Decision Support System, Nährstoff, Rückgewinnung Abstract More Efficient Use of Resources Incentives for a Future-oriented Materials Flow Management in Municipal Wastewater Treatment From the point of view of an efficient use of resources, traditional municipal wastewater treatment systems eliminate a number of essential resources, since methods that consume a lot of energy are used to decompose potential energy sources, and plant nutrients, which could be used as fertilisers, are simply removed. Taking the example of a system for 350,000 population equivalents, the paper gives concrete figures for the economic potential of those resources, which are contained in the various partial flows of the wastewater, and compares them with the specific treatment costs in traditional wastewater treatment plants. An extension of existing balance sheet classifications and cost centres is discussed as a possibility to translate the existing economic potential into concrete economic incentives for the implementation of measures to separate the various material flows. Key words: wastewater treatment, municipal, material flow, balance, separation, resource, decision support system, nutrient, recovery Einführung Die herkömmlichen Systeme zur Abwasserreinigung haben seit deren Einführung unbestreitbar einen großen Beitrag zur Verbesserung der Lebensbedingungen, vor allem in urbanen Gebieten, sowie eine deutliche Entlastung der Umwelt mit sich gebracht. Im Hinblick auf die Zukunftsfähigkeit der modernen Abwasserreinigung steht jedoch zunehmend die Frage im Vordergrund, inwiefern sich die Verfahren des nachsorgenden Umweltschutzes mit der berechtigterweise zunehmenden Forderung nach einem nachhaltigen Ressourcenmanagement in Einklang bringen lassen. Ein wesentliches Charakteristikum existierender Systeme ist, dass in erheblichem Umfang Ressourcen aufgewendet werden, um letztlich die im Abwasser enthaltenen Ressourcen zu eliminieren. Insofern besteht ein konkreter Anreiz, in Zukunft aufbauend auf dem Prinzip des Stoffstrommanagements vermehrt nach Lösungen zu suchen, die die Vorzüge der herkömmlichen Systeme (Entsorgungssicherheit) mit den Vorteilen eines nachhaltigen Ressourcenmanagements verbinden. Im kommunalen Bereich bietet sich hier insbesondere eine Abtrennung der hochkonzentrierten Teilströme Urin und Fäkalien (Source Separation) mit einer anschließenden stofflichen Verwertung an. Durch den ressourcenökonomischen Vergleich von herkömmlichen mit nachhaltigen Konzepten eröffnet sich ein ökonomisches Potenzial zu Gunsten der stoffstromseparierenden Verfahren, welches im positiven Sinne als Lenkungsinstrument für eine verstärkte Umsetzung solcher Verfahren eingesetzt werden kann. Leitidee bei der vorliegenden Arbeit war es, vorhandene, aber ungenutzte ökonomische Freiräume zu identifizieren, die einen sukzessiven Übergang vom weiteren Betrieb der vorhandenen Systeme auf alternative Konzepte ermöglichen und nicht als Vorbedingung eine Realisierung auf der grünen Wiese erfordern. Eine entsprechende Herangehensweise wird anhand eines konkreten Beispiels aus der kommunalen Abwasserreinigung für Einwohnerwerte dargestellt. Stoffstrommanagement Nach der Theorie der Cowboy-Ökonomie von Kenneth Boulding stellt die natürliche Umwelt dem wirtschaftlichen System natürliche Ressourcen bereit und dient ihm als Abfalleimer für Reststoffe. Diese aus dem Bereich des herkömmlichen industriellen Wirtschaftens stammende Auffassung trifft im Grundsatz auch auf die nachgeschaltete Behandlung kommunaler Abwässer zu. Werden die Abwasserinhaltsstoffe jedoch als KA Abwasser, Abfall 2006 (53) Nr. 1 35

2 fehlgeleitete Produktionsmittel und damit auch unter ökonomischen Gesichtspunkten sinnvoll nutzbare Ressourcen betrachtet und einer weiteren stofflichen Verwertung zugeführt, gelingt nach den Prinzipien der Raumschiff-Ökonomie (Kenneth Boulding) die Verbindung von Wirtschaftskreislauf und den natürlichen Stoffkreisläufen. Das Ziel eines Stoffstrommanagements ist die ökologisch und ökonomisch effiziente Beeinflussung von Stoffströmen unter Berücksichtigung sozialer Aspekte. Als Ausgangspunkt dient eine möglichst umfassende und medienübergreifende Analyse und Bewertung sämtlicher Stoffströme (Spengler, 1998). Auf Grundlage der Ergebnisse der Stoffstromanalyse werden Ziele definiert und die zum Erreichen dieser Ziele erforderlichen Strategien entwickelt. Diese Vorgehensweise soll zu einer prinzipiellen Senkung des Materialdurchsatzes entlang der gesamten Wirtschaftskette, zu einer Verringerung bzw. dem Ersatz ökologisch bedenklicher Stoffe sowie zu einer weitgehenden Schließung von Stoffkreisläufen führen. Bereits an dieser Stelle wird deutlich, dass die Entwicklung eines Stoffstrommanagements in der kommunalen Abwasserwirtschaft zwangsläufig die stoffliche Weiternutzung der im Abwasser enthaltenen Ressourcen beinhalten muss. Abwasser und Ressourcen Abwasser ist per se eine Senke natürlicher Ressourcen, da hierin u. a. sämtliche Stoffwechselendprodukte aus den menschlichen Ausscheidungen enthalten sind. Da der Mensch am Ende der Nahrungskette steht, werden durch die herkömmliche Abwasserreinigung die Nährstoffe ihren natürlichen Kreisläufen entzogen und diese unterbrochen. Im Rahmen der vorliegenden Fallstudie werden im Einzelnen die Ressourcen organischer Kohlenstoff (erfasst als CSB), Stickstoff, Phosphor sowie Kalium betrachtet. Die Betrachtung lässt sich prinzipiell auf weitere Ressourcen (z. B. S, Ca, Mg, Na) sowie auf potentielle Schadstoffe wie Schwermetalle, halogenierte organische Verbindungen, Arzneimittelrückstände oder auch Krankheitserreger ausweiten. Im Vorfeld einer multikriteriellen Bewertung des Ressourcenverbrauchs unterschiedlicher Konzepte zur Abwasserbehandlung ist es sinnvoll, die unterschiedlichen betrachteten Kriterien (z. B. Energie, Äquivalente einzelner Ressourcen etc.) über eine gemeinsame und vergleichbare Größe soweit wie möglich zu aggregieren (Zimmermann und Gutsche, 1991). Derartige multikriterielle Bewertungen können beispielsweise mit Hilfe des Outranking-Verfahrens PROMETHEE (Brans et al., 1986) vorgenommen werden. Im vorliegenden Fall wurden als relevante Kriterien die Ressourcen- und Energieströme betrachtet, wobei eine Aggregation der Kriterien im Vorfeld erfolgte. Ein möglicher Ansatz ermittelt beispielsweise für jedes Verfahren die Äquivalente an eingesetzter Primärenergie, wobei auch die Ressourcenverbräuche (z. B. Gewinnung von Phosphatdünger) in Primärenergieäquivalente umgerechnet werden (Maurer et al., 2003). Im vorliegenden Fall werden sämtliche Kriterien über das monetäre Äquivalent aggregiert. Dieser Ansatz hat den Vorteil, dass sich eine mögliche Ressourcenverknappung über entsprechend steigende Marktpreise unmittelbar in der Bewertung niederschlägt (der Preis als Knappheitsindikator bewirkt Anpassungen), während eine Ressourcenverknappung andererseits nicht unmittelbar zu einem erhöhten Primärenergieverbrauch führt. Zur Ermittlung des wirtschaftlichen Potenzials der im Abwasser enthaltenen Wertstoffe werden im Folgenden die relevanten Ressourcen hinsichtlich ihres theoretischen Marktwertes sowie in Bezug auf die Herstellung handelsüblicher Komplementärprodukte betrachtet. Phosphor Phosphor ist unter dem Gesichtspunkt des Ressourcenschutzes der bedeutendste der betrachteten Wertstoffe, da die globalen Phosphorressourcen endlich sind und bereits heute abzusehen ist, dass in Zukunft größere Anstrengungen unternommen werden müssen, um mittels entsprechender Kreislaufführung die Versorgung der Landwirtschaft mit Phosphatdünger sicherzustellen. Phosphor wird weltweit mit rund 140 Mt/a als Gesteinsphosphat bergbaulich gewonnen und mittels industrieller Verfahren zu etwa 40 Mt/a Phosphatdünger sowie 5 Mt/a phosphatbasierten Reinigungsmitteln aufbereitet (Gumbo et al., 2002). Während das elektrothermische Verfahren sehr energieintensiv ist (für die Herstellung von weißem Phosphor werden etwa 13 kwh/kg P aufgewendet), erfordert die nasschemische Aufbereitung Schwefelsäure und eine aufwendige Aufbereitung der Grünsäure (Keudel et al., 1999). Die für den Aufbereitungsprozess erforderlichen Aufwendungen werden im Rahmen der Fallstudie über den Marktpreis des Phosphatdüngers Thomas-Phosphat in Höhe von 0,782 /kg P (DAINET, 1998) ermittelt. Für die Elimination von Phosphor in herkömmlichen Kläranlagen müssen abermals Rohstoffe eingesetzt werden, wie z. B. Metallsalze zur chemischen Phosphatfällung. Der Energieaufwand der P-Fällung liegt bei rund 13,6 kwh/kg P (Maurer et al., 2003). Stickstoff Die großtechnische Herstellung von Ammoniak mit dem Steamreforming-Verfahren benötigt 9,6 kwh elektrische Energie je kg Ammoniak-Stickstoff sowie nach der Stöchiometrie des Prozesses rund 570 g CH 4 /kg NH 3 -N. Andererseits werden bei der Nitrifikation des Stickstoffs in einer Kläranlage rechnerisch 3,07 kwh/kg NH 3 -N verbraucht. Damit ergibt sich je kg Stickstoffdünger, der direkt aus einem Abwasserteilstrom genutzt werden kann, allein für die Energiebilanz insgesamt ein Einsparpotenzial von 12,7 kwh/kg NH 3 -N. Maurer et al. (2003) geben für Nitrifikation und vorgeschaltete Denitrifikation einen Gesamtenergiebedarf von umgerechnet 12,5 kwh/kg N an. Im Rahmen der vorliegenden Fallstudie wird das Wertstoffpotenzial von Stickstoff über den Marktpreis des Düngers Ammonsulfatsalpeter mit 0,706 /kg N (DAINET, 1998) berechnet. Kalium Kalium ist ein ubiquitäres Element, insofern ist seine Bedeutung im Hinblick auf den Ressourcenschutz nicht so prioritär einzustufen wie beispielsweise die des Phosphors. Allerdings akkumuliert das gut lösliche Kalium lediglich zu einem geringen Anteil durch den Aufbau von Biomasse im Klärschlamm. Der Großteil bleibt also gelöst und müsste dann gegebenenfalls durch die Nutzung der flüssigen Phase verwertet werden. Kalium ist ein essentieller Pflanzennährstoff und stellt als Dünger ein Wertstoffpotenzial von 0,297 /kg K dar (DAINET, 1998). Organische Verbindungen Die im Abwasser enthaltenen organischen Verbindungen lassen sich in erster Linie energetisch durch eine anaerobe Behandlung nutzen. Hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit ist es 36 KA Abwasser, Abfall 2006 (53) Nr. 1

3 aerobe Behandlung anaerobe Behandlung Verhältnis CSB/BSB 5 2,3 spezifischer O 2 -Bedarf 1,2 kg O 2 /kg BSB 5 aerober Abbau spezifischer O 2 -Ertrag Strombezug konventionell CSB-Abbaugrad anaerobe Behandlung spezifische Methanbildung 1,5 kg O 2 /kwh 0,065 /kwh 80 % 0,15 kg CH 4 /kg CSB abgebaut Energiegehalt (CH 4 ) 10 kwh/m 3 Stromeinspeisung regenerativ 0,087 /kwh Wirkungsgrad der Gasmotoren 32 % Tabelle 1: Kennzahlen für die aerobe und anaerobe Behandlung organischer Stoffe Parameter CSB P N K Ressourcenäquivalent 0,047 /kg CSB 0,782 /kg P 0,706 /kg N 0,297 /kg K Tabelle 2: Verwendete ökonomische Äquivalente der betrachteten Ressourcen diesbezüglich unbedingt erforderlich, hohe Ausgangskonzentrationen im zu behandelnden Teilstrom zu realisieren. Für den aeroben Abbau organischer Verbindungen, wie er in herkömmlichen Abwasserreinigungsanlagen praktiziert wird, werden überschlägig 0,35 kwh/kg CSB abgebaut an elektrischer Energie benötigt. Beim anaeroben Abbau mit anschließender Verstromung des Biogases hingegen lässt sich in etwa der gleiche Ertrag an elektrischer Energie erzielen. Somit ergibt sich ein Gesamtpotenzial von rund 0,7 kwh/kg CSB abgebaut. Bezogen auf die eingesetzte Primärenergie liegt das Potenzial sogar bei 2 kwh/ kg CSB. Für die aerobe wie anaerobe Behandlung der organischen Fracht wurden im Rahmen der Fallstudie die in Tabelle 1 aufgeführten Kennzahlen angesetzt. Für die ökonomische Bewertung der im Abwasser enthaltenen Ressourcen wurden die in Tabelle 2 aufgeführten Kennzahlen verwendet. Für die Ressourcen P, N und K wurden dabei die Marktpreise handelsüblicher Dünger angesetzt. Für den CSB wurde eine anaerobe Behandlung mit Biogasgewinnung und anschließender Verstromung gemäß der Kennzahlen aus Tabelle 1 angenommen. Das ökonomische Äquivalent entspricht hier dem aus der Stromeinspeisung erzielbaren Ertrag. Unter Annahme täglicher einwohnerspezifischer Frachten von 120 g CSB, 11 g TKN, 1,8 g P (ATV-DVWK, 2000) sowie 4,9 g K (Otterpohl, 2000) ergibt sich für rund 6,4 Milliarden Erdbewohner rechnerisch ein jährliches gesamtes Ressourcenpotenzial von 281,4 Millionen t CSB, 25,8 Millionen t N, 4,2 Millionen t P sowie 11,5 Millionen t K. In Bezug auf die jährliche weltweite Düngemittelproduktion (IFA, 2004) entspricht dies immerhin 27 Prozent der Produktion an Stickstoffdünger, 28 Prozent an Phosphatdünger und 55 Prozent der Produktion an Kalidünger. Unter Ansatz der in Tabelle 1 aufgeführten Kennzahlen entspricht das in der organischen Masse (CSB) durch anaerobe Behandlung theoretisch verfügbare Energiepotenzial 58 Millionen t/a an Steinkohleäquivalenten, was 0,3 Prozent des weltweiten Energiebedarfs an Primärenergie entspricht. Stoffstromanalyse Ausgang der Stoffstromanalyse ist die qualitative und quantitative Beschreibung der im gesamten kommunalen Abwasser enthaltenen Ressourcen. Im Rahmen der betrachteten Fallstudie werden Analysen der folgenden Stoffströme, bezogen auf EW, erstellt: gesamtes kommunales Abwasser separiertes Gelbwasser (Urin) separiertes Braunwasser (Fäkalien) Grauwasser (Gesamtabwasser ohne Urin und Fäkalien). Als Datengrundlage wurden die reellen Betriebsdaten und Kosten einer Kläranlage für EW verwendet. Für den Strom Gelbwasser wurden 500 l Urin/EW a (wasserloses Urinal) und für den Braunwasseranfall 50 l/ew a sowie 3 l/d an Spülwasser (Vakuumtoilette) angesetzt. Die prozentuale Verteilung der Ressourcen auf die einzelnen Teilströme wurde in Anlehnung an Otterpohl (2000) vorgenommen. In Tabelle 3 sind die Konzentrationen sowie Frachten der relevanten Ressourcen für die einzelnen Teilströme dargestellt, sie dienen als Grundlage für die weitere Bewertung der einzelnen Stoffströme. Parameter Fracht [t/a] anteilige Fracht [ Prozent] Konzentration [mg/l] CSB TKN ,9 P ges ,3 TS K ,7 Q [m 3 /a] CSB TKN P ges TS K Q [m 3 /a] ,8 CSB TKN P ges TS K Q [m 3 /a] ,6 CSB TKN 42,3 3 1,9 P ges 19,0 10 0,9 TS K ,6 Q [m 3 /a] ,4 Teilstrom Gelbwasser Gesamtabwasser Braunwasser Grauwasser Tabelle 3: Frachten und Konzentrationen des Gesamtabwassers sowie von Gelb-, Braun- und Grauwasser von EW KA Abwasser, Abfall 2006 (53) Nr. 1 37

4 Erforderlicher Aufwand für die herkömmliche Abwasserreinigung Die Gebührenerhebung für die kommunale Abwasserreinigung basiert üblicherweise auf dem Prinzip der Verhältnismäßigkeit. Hierbei werden die jährlichen Gesamtkosten der Abwasserreinigung (Investitionen und Betriebskosten) auf die im gleichen Zeitraum gereinigte Abwassermenge (Erhebung nach dem Frischwassermaßstab) umgelegt. Darüber hinaus können Starkverschmutzer entsprechend der vermehrten Inanspruchnahme der Klärtechnik zur Zahlung eines Starkverschmutzerzuschlags herangezogen werden. Die Berechnung verursachergerechter Starkverschmutzerzuschläge setzt sich in der Regel aus einem verschmutzungsunabhängigen Anteil (z. B. Pumpwerke, Nutzung von Kanal und Vorklärung etc.) sowie einem verschmutzungsabhängigen Anteil (z. B. Belüftungsenergie, Schlammentsorgung, Volumenanteile des Belebungsbeckens etc.) zusammen. Eine weitere Aufschlüsselung kann zudem verschmutzungsabhängig in Bezug auf die einzelnen Abwasserparameter (CSB, N und P) vorgenommen werden. Prinzipiell ist nach dieser Vorgehensweise die gesamte Kostenstellenrechnung einer Kläranlage aufzuteilen. Anhand der Berechnung von Starkverschmutzerzuschlägen kann eine direkte kostenmäßige Bewertung von Verschmutzungen, die über die übliche mittlere Abwasserzusammensetzung hinausgehen, sowie der tatsächlich für deren Abreinigung erforderliche monetäre Mehraufwand ermittelt werden. Im Rahmen der vorliegenden Fallstudie wurde nach dieser Vorgehensweise der zur Reinigung der einzelnen Teilströme erforderliche Mehraufwand theoretisch ermittelt. Der methodische Ansatzpunkt ist dabei, im Umkehrschluss zu unterstellen, dass, wenn bestimmte hochkonzentrierte Teilströme (z. B. Urin) der Kläranlage nicht zugeführt werden, sich der verschmutzungsabhängige Mehraufwand entsprechend verringert. Würde die kommunale Gebührenerhebung nun dergestalt modifiziert, dass dem Akteur, der z. B. den Teilstrom Urin separiert und einer weitergehenden Verwertung zukommen lässt, der entsprechend verminderte Aufwand bei der Reinigung seines restlichen Abwassers mit seiner Gebührenrechnung in Form eines solchen Ressourcenbonus verrechnet würde, ergäbe sich hier eine konkrete Motivation für den einzelnen Akteur zur Stoffstromseparation mit anschließender stofflicher Verwertung. Ein solches System erweist sich allerdings nur dann als tragfähig, wenn eine tatsächliche Entkoppelung von hochkonzentrierten Teilströmen und dem restlichen Abwasser mit anschließender stofflicher Verwertung stattfindet. Die alleinige Umsetzung wassersparender Maßnahmen führt hingegen zu keiner Entlastung der Gesamtheit der Nutzer, da der Reinigungsaufwand prinzipiell der Gleiche bleibt, die spezifischen Abwasserreinigungskosten jedoch steigen. In der vorliegenden Fallstudie wurden die tatsächlichen Gesamtkosten von Kanal und Kläranlage des betrachteten Standortes für die einzelnen Kostenstellen nach verschmutzungsabhängigen und -unabhängigen Kosten für die Parameter CSB, N und P aufgeschlüsselt. Zunächst werden für sämtliche verschmutzungsrelevanten Parameter Zuschlagssätze z nach der allgemeinen Beziehung (Gleichung 1) ermittelt (ATV, 1990): z C csv cgw Kosten KA f x = (1) c Gesamtkosten 100 m mit: z C Zuschlagssatz für den betreffenden Parameter [ ] c SV Konzentration des Parameters im stark verschmutzten Abwasser [mg/l] c GW Grenzkonzentration zur Erhebung eines Starkverschmutzerzuschlags [mg/l] c m mittlere Konzentration des Parameters im häuslichen Abwasser [mg/l] Kosten KA Jahreskosten der Kläranlage [ ] Gesamtkosten Summe der Jahreskosten (Kläranlage, Kanal etc.) [ ] f x verschmutzungsrelevanter Kostenanteil des Parameters [ ] Die Starkverschmutzergebühr für die Parameter CSB, N und P lässt sich nach der allgemeinen Gleichung 2 ermitteln: G = g + [(g z CSB ) + (g z N ) + (g z P )] (2) mit: G erhöhte Reinigungsgebühr [ /m 3 ] g normale Schmutzwassergebühr [ /m 3 ] z CSB, z N, z P verschmutzungsabhängige Zuschläge für die Parameter CSB, N und P Für das konkrete Beispiel ergibt sich damit unter Berücksichtigung der tatsächlich angefallenen Kosten sowie einer entsprechenden Aufschlüsselung der einzelnen Kostenstellen der Berechnungsansatz nach Gleichung 3. Die spezifischen tatsächlichen Reinigungskosten (einschließlich Kanal etc.) im Beispiel betragen 1,15 /m 3. ccsb 900 c N 80 G = 1,15 + [ 1,15 0, ,15 0, c P ,15 0,027] 8,5 Wertstoffpotenzial einzelner Teilströme Anhand der Angaben aus Tabelle 2 und Tabelle 3 werden für die einzelnen Teilströme des Beispiels für EW separat für die betrachteten Ressourcen jeweils das ökonomische Wertstoffpotenzial einerseits sowie die entsprechenden Kosten der Abwasserreinigung gemäß Gl. 3 berechnet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 dargestellt. Das Gelbwasser dominiert sowohl das im kommunalen Abwasser vorhandene Wertstoffpotenzial als auch die spezifischen Reinigungskosten. Obwohl der Volumenstrom lediglich 0,77 Prozent des Gesamtabwassers ausmacht, resultieren bei dessen Reinigung anteilige Kosten von 12,6 Prozent. Damit bietet sich der Teilstrom Gelbwasser, der der eigentliche Kostentreiber unter den betrachteten Teilströmen ist, unter ressourcenökonomischen Gesichtspunkten bevorzugt für eine Teilstromseparation mit anschließender stofflicher Verwertung an. Obwohl dem Phosphor unter Gesichtspunkten des Ressourcenschutzes zweifelsfrei die größte Bedeutung zukommt, stellt der Stickstoff, zumindest unter derzeitigen marktwirtschaftlichen Gesichtspunkten, das größte ökonomische Ressourcenpotenzial dar. Für den Teilstrom Braunwasser steht anteiligen Gesamtkosten von 17,8 Prozent ein anteiliger Volumenstrom von 1,8 Prozent gegenüber. (3) 38 KA Abwasser, Abfall 2006 (53) Nr. 1

5 Parameter kommunales Abwasser Gelbwasser Braunwasser Grauwasser Wertstoffpotenzial N [ /m 3 ] 0,04 4,95 0,25 0,00 P [ /m 3 ] 0,01 0,42 0,15 0,00 K[ /m 3 ] 0,01 0,58 0,06 0,00 CSB [ /m 3 ] 0,03 0,50 0,86 0,01 Summe Wertstoffpotenzial [ /m 3 ] 0,09 6,45 1,32 0,01 Kosten Abwasserreinigung N [ /m 3 ] 0 10,39 0,41 0 P [ /m 3 ] 0 1,94 0,65 0 CSB [ /m 3 ] 0 5,32 9,44 0 Grundkosten [ /m 3 ] 1,15 1,15 1,15 0,82 Summe Reinigungskosten [ /m 3 ] 1,15 18,80 11,65 0,82 Abwassermenge EW [m 3 /a] Reinigungskosten EW [ /a] Tabelle 4: Wertstoffpotenzial und Reinigungskosten einzelner Abwasserteilströme Unter der Maßgabe, dass die vollständige Separation von Gelbund Braunwasser zu der in Tabelle 4 dargestellten Kostenentlastung (entsprechend den aufgeführten Reinigungskosten für die Teilströme Gelb- und Braunwasser) bei der Reinigung des restlichen Gesamtabwasserstroms führt, würde sich der Reinigungsaufwand für die Behandlung des Grauwassers mit dem vorhandenen Anlagenbestand von 1,15 /m 3 auf 0,82 /m 3 reduzieren. Somit würde sich selbst bei einer Weiternutzung des vorhandenen Anlagenbestandes durch die verringerten Schmutzfrachten ein ökonomisch nutzbarer Spielraum zur sukzessiven Implementierung stoffstromseparierender Verfahren ergeben. Dieser Umstand ist insofern von entscheidender Bedeutung, als ein vollständiger Ad-hoc-Ersatz der existierenden Systeme wirtschaftlich kaum leistbar sein wird. In solchen Fällen, in denen es in Folge der durch Stoffstromseparation veränderten Abwasserzusammensetzung (vgl. Tabelle 3) und damit einhergehend veränderten Reinigungszielen möglich ist, eine angepasste Klärtechnik zur Grauwasserbehandlung neu zu errichten, würden sich die Aufwendungen weiter reduzieren (Wilsenach und van Loosdrecht, 2003), da hierfür eine deutlich einfachere und vom Bauvolumen kleinere Anlagentechnik erforderlich ist. Eine überschlägige Nachbemessung des erforderlichen Belebungsbeckenvolumens (ATV-DVWK, 2000) für unterschiedlich zusammengesetzte Abwasserteilströme führt im vorliegenden Fall zu den in Tabelle 5 dargestellten ausgewählten Ergebnissen. Für die Nachbemessung wurden die in Tabelle 3 aufgeführ- Parameter Szenario 1 Gesamtabwasser Reinigungsziel CSB-Abbau, Nitrifikation, simultane Denitrifikation, simultane P-Fällung Szenario 2 Grau- + Braunwasser CSB-Abbau Szenario 3 Grauwasser CSB-Abbau V BB [m 3 ] 49958*) V D /V BB [ ] 0, Fällmittelbedarf [kg Fe 3+ /d] ÜS d [kg TS/d] t TS,ges [d] mittlerer O 2 Verbrauch [kg/d] NO 3 -N e [mg/l] 12,6 0 0 P ges,e [mg/l] 2,0 1,7 0 Bemerkungen N im Minimum N und P im Minimum Einwohneräquivalente [ ] Spezifische Gesamtinvestitionen [ /EW] Gesamtinvestitionen Kläranlage [ ] **) *) vorhandener Anlagenbestand: m 3 ; **) tatsächliche Gesamtinvestitionen ÜS d = Überschussschlammproduktion; t TS,ges = Gesamtschlammalter Tabelle 5: Zusammenstellung relevanter Ergebnisse der Nachbemessung für drei unterschiedliche Szenarien KA Abwasser, Abfall 2006 (53) Nr. 1 39

6 Kostenstelle Stakeholder ökonomisches Potenzial 1. Kläranlage Anlagenbetreiber Nutzer im häuslichen Bereich 2. Ressourcen aus den einzelnen Teilströmen Nutzer im häuslichen Bereich Verwerter 3. Trinkwasser Nutzer im häuslichen Bereich Reduzierung der Investitionen und Betriebskosten Verkauf/Vermarktung/Nutzung der Ressourcen Einsparung von Trinkwasser Tabelle 6: Relevante Kostenstellen im kommunalen Stoffstrommanagement ten Jahreswerte unter Berücksichtigung einer Vorklärung (0,5 1 h Aufenthaltszeit) verwendet. Für den Vergleich der Gesamtinvestitionen wurden aufbauend auf den tatsächlichen Gesamtinvestitionen (Szenario 1) für die Szenarien 2 (Mischung aus Grau- und Braunwasser) und 3 (Grauwasser) die erforderlichen Beckenvolumina ermittelt und diese proportional zu der aktuellen Ausbaugröße als Einwohneräquivalente ausgedrückt. Über einen modifizierten einwohnerspezifischen Kostenansatz (ATV, 1995) wurden dann die Gesamtinvestitionen für die Szenarien 2 und 3 abgeschätzt. 1. Trinkwasserverbrauch: 126 l/(ew d) 4 Pers. 365 d/a = 184 m 3 /a; á 1,60 /m 3 294,00 2. Abwassergebühr: 184 m 3 /a 1,15 /m ,60 3. Wertstoffe im Urin: 4 Pers. 0,5 m 3 /a 6,45 /m 3 12,90 4. Ressourcenprämie: 2 m 3 18,80 /m 3 37,60 5. Trinkwassereinsparung: 4 Pers. 2 l/spülung 23,36 5 Spülvorgänge/d 365 d = 14,6 m 3 /a; á 1,60 /m 3 6. Einsparung Abwassergebühr: 14,6 m 3 /a 1,15 /m 3 16,79 Summe 414,95 /a Tabelle 7: Exemplarische Wasser-/Abwasserrechnung für einen Vier-Personen-Haushalt Bilanzrahmen und Verteilung der Kostenstellen Die Antwort auf die Frage, inwiefern eine Stoffstromtrennung mit anschließender Verwertung der Ressourcen letztlich ökonomische Anreize für die einzelnen Stakeholder bietet, hängt entscheidend vom gewählten Bilanzrahmen und der Verteilung der einzelnen Kostenstellen ab. Prinzipiell sollte der betrachtete Bilanzrahmen neben dem System der Abwasserentsorgung auch die Trinkwasserversorgung sowie den Wert der Ressourcen mit einbeziehen, nur so lassen sich die theoretisch vorhandenen Synergien auch weitestgehend nutzen. Für ein kommunales Stoffstrommanagement lassen sich die in Tabelle 6 genannten relevanten Kostenstellen identifizieren. Innerhalb des betrachteten Bilanzrahmens müssen sämtliche Kostenstellen sowie die einzelnen Stakeholder untereinander vernetzt werden. Bei der bisher praktizierten Abgrenzung durch die vorhandenen Schnittstellen kommen der Gesamtheit der Nutzer z. B. weder wassersparende Maßnahmen zu Gute, noch kann der Nutzer alternativer Sanitärtechniken mit anschließender Ressourcennutzung von den Kosteneinsparungen des Kläranlagenbetreibers profitieren, die er durch die entsprechende Entlastung der Kläranlage verursacht. Ein sinnvolles Lenkungsinstrument kann beispielsweise die zuvor beschriebene Ressourcenprämie sein, die analog der oben beschriebenen Vorgehensweise ermittelt wird und für nachweislich einer Verwertung zugeführte Teilströme mit den üblichen Abwassergebühren verrechnet werden kann. Für einen Vier-Personen-Haushalt lässt sich exemplarisch die in Tabelle 7 zusammengefasste Rechnung aufstellen. Gegenüber der herkömmlichen Variante, bei der für Trink- und Abwasser insgesamt 505,60 /a für vier Personen anfallen, ergibt sich hier eine rechnerische Ersparnis von 22,66 pro Person und Jahr. Hochgerechnet auf EW entspräche das 7,9 Millionen /a an theoretisch ökonomisch nutzbarem Potenzial. Eine weiterführende vergleichende Wirtschaftlichkeitsbetrachtung von herkömmlichen und alternativen Varianten muss dann neben den hier betrachteten Kostenblöcken auch die Kosten für die Sanitär- sowie Behandlungstechnik sämtlicher Varianten einbeziehen. Im vorliegenden Fall wurde dieser Vergleich nicht angestellt, da es hier darum ging, das generell vorhandene ökonomische Potenzial zu identifizieren. Bei bereits durchgeführten vergleichenden Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen für unterschiedliche Sanitär- und Anlagenkonzepte konnte jedoch gezeigt werden, dass alternative gegenüber herkömmlichen Konzepten vor allem im langjährigen Vergleich durchaus wirtschaftlich konkurrenzfähig sein können (Peter- Fröhlich et al., 2004). Fazit und Ausblick Neben ihren vielen Errungenschaften bewirkt die moderne Abwasserreinigung unter ressourcenökonomischen Gesichtspunkten eine Elimination essentieller und zum Teil nicht erneuerbarer Ressourcen. Ein Hauptkriterium hierbei ist, dass hochkonzentrierte Teilströme und deren nutzbare Inhaltsstoffe auf ein Maß herunter verdünnt werden, welches eine weitere Nutzung in der Regel unwirtschaftlich macht. Alternative Sanitärtechniken mit dem Ziel der Stoffstromseparation und anschließender Verwertung der in den Teilströmen enthaltenen Ressourcen sind unter diesen Gesichtspunkten den herkömmlichen Verfahren überlegen. Insbesondere auf Grund der in den bestehenden Behandlungsanlagen gebundenen hohen Investitionen und den langen Abschreibungszeiträumen sind die existierenden Systeme zur Abwasserreinigung äußerst statisch und ad hoc kaum ersetzbar. Der hier vorgestellte Ansatz zur ökonomischen Bewertung der in einzelnen Teilströmen enthaltenen Ressourcen in Verbindung mit der Identifizierung der jeweiligen spezifischen Reinigungskosten bei der herkömmlichen Abwasserreinigung zeigt jedoch, dass es durchaus ökonomisch sinnvoll sein kann, die existierenden Systeme sukzessive um eine Stoffstromseparation mit einer Verwertung der Ressourcen zu erweitern. Hier bietet sich vor allem eine Urinseparation mit anschließender stofflicher Verwertung auf Grund des hohen Ressourcenpotenzials, des hohen Reinigungsaufwands bei der herkömmlichen Abwasserreinigung sowie der vergleichsweise geringen Mengen dieses Teilstroms an. Obwohl dem Phosphor unter Gesichtspunkten des Ressourcenschutzes zweifelsfrei die größte Bedeutung zukommt, stellt der Stickstoff, zumindest unter derzeitigen marktwirtschaftlichen Gesichtspunkten, das größte Ressourcenpotenzial dar. 40 KA Abwasser, Abfall 2006 (53) Nr. 1

7 Vordringliche Maßnahme, um das vorhandene ressourcenökonomische Potenzial besser zu nutzen, muss es sein, die existierenden gebührentechnischen Schnittstellen derart zu modifizieren und zu erweitern, dass durch eine verschmutzungsabhängigere Gebührenerhebung bzw. Rückerstattung eines Ressourcenbonus ein ökonomischer Anreiz für die einzelnen Akteure zur vermehrten Umsetzung stoffstromseparierender Systeme in Verbindung mit einer stofflichen Verwertung entstehen kann. Literatur ATV (1990): Starkverschmutzerzuschläge Technisch-wissenschaftliche Grundlagen der Gebührenermittlung für industrielle Nutzer öffentlicher Abwasseranlagen. Arbeitsbericht des ATV-Fachausschuss 7.4, Korrespondenz Abwasser 9/1990, ATV (1995): Handbuch Betriebstechnik, Kosten und Rechtsgrundlagen der Abwasserreinigung, 4. Aufl., Ernst & Sohn, Berlin, S. 486 ATV-DVWK (2000): Bemessung von einstufigen Belebungsanlagen, Arbeitsblatt ATV-DVWK-A 131, Hennef Brans, J. P., Vincke, P., Mareschal, B. (1986): How to select and how to rank projects; the PROMETHEE method, European Journal of Operational Research 24, DAINET (1998): Deutsches Agrar-Informationsnetz, Leitfaden/kap4/4_11_8.pdf Gumbo, B., Savenije, H. H. G., Kelderman, P. (2002): Ecologising societal metabolism: The case of phosphorus, Proc. 3 rd Int. Conf. Environmental Management, 27. bis 30. August 2002 IFA (2004): International Fertilizer Industry Association Keudel, L., Müller, J., Dichtl, N. (1999): Technische Lösungen zur Wert- und Schadstofffraktionierung von Klärschlämmen, Studie im Auftrag des Niedersächsischen Umweltministeriums, unveröffentlicht Maurer, M., Schwegler, P., Larsen, T. A. (2003): Nutrients in urine: energetical aspects of removal and recovery, Wat. Sci. Tech. 48 (1), Otterpohl, R. (2000): Design of highly efficient source control sanitation and practical experiences, EURO-Summerschool DESAR, Juni 2000, Wageningen/ Niederlande Peter-Fröhlich, A., Kraume, I., Luck, F., Lesouëf, A., Oldenburg, M. (2004): Separate discharge and treatment of urine, faeces and greywater demonstration project in Berlin, Germany. Proceedings der 2 nd Leading Edge Conference on Sustainability, 8. bis 11. November 2004, Sydney/Australien Spengler, T. (1998): Industrielles Stoffstrommanagement: betriebswirtschaftliche Planung und Steuerung von Stoff- und Energieströmen in Produktionsunternehmen, Erich Schmidt Verlag, Berlin Wilsenach, J., van Loosdrecht, M. (2003): Impact of separate urine collection on wastewater treatment systems, Wat. Sci. Tech. 48 (1), Zimmermann, H.-J., Gutsche, L. (1991): Multi-Criteria Analyse, Springer, Berlin Autor Dr.-Ing. Thomas Dockhorn Institut für Siedlungswasserwirtschaft Technische Universität Braunschweig Pockelsstraße 2a, Braunschweig t.dockhorn@tu-bs.de KA Abwasser, Abfall 2006 (53) Nr. 1 41