LCA AF TEKNOLOGISCENARIER TIL EFFEKTIV UDNYTTELSE AF RESSOURCER I SPILDEVAND

Transkript

1 LCA AF TEKNOLOGISCENARIER TIL EFFEKTIV UDNYTTELSE AF RESSOURCER I SPILDEVAND 38 AUGUST, NST Analyse af potentialer for ressourceudnyttelse i vand- og spildevandsforsyningen AARHUS

2 MILJØVURDERING (LCA) AF TEKNOLOGISCENARIER ER DER BEDRE MÅDER -KLIMA OG MILJØMÆSSIGT- AT ANVENDE RESSOURCERNE I SPILDEVANDET PÅ? 2

3 LCA LIVSCYKLUS ANALYSE Goal and Scope Analyse af spildevandsrense og slambehandlings-teknologier Vigtigste funktion er at fjerne biologiske og kemiske affaldsprodukter fra indløbsspildevand ved produktionen af renset spildevand som overholder udleder krav. Hovedfokus i nærværende projekt er samtidig genvinding og brug af ressourcer fra vand hhv. slamlinien (= Grøn produktion).

4 TEKNOLOGISCENARIER Sammenlignende analyse af 12 forskellige ressourcefjernelses og genanvendelsesteknologier Med eller uden forklaringstank Teknologiscenarie PE belastning N og P ressource forvaltningsstrategi C ressource forvaltningsstrategi Optimering af eksternt energi forbrug 1-trin 1-trin 1-trin 1-trin 2-trin 2-trin 2-trin 2-trin 2-trin 2-trin 2-trin 2-trin T1k T1b T2k T2b T3k T3b T3b+s T3b+a T3b+a+CO2k T3b+a+h T3b+a+eksC T3b+s+a+h+eksC Kemisk P Bio P Kemisk P Bio P Kemisk P Bio P Bio P og Struvit Bio P og anammox Bio P og anammox Bio P, Bio P, Bio P, struvite, Aerob stabilisering Aerob stabilisering + CO 2 konvertering Hydrolyse og slamudrådning Ekstern kulstof og slamudrådning Ekstern kulstof, hydrolyse og slam-udrådning Bundbeluftning og Varmepumpe på efterklaring Konsekventiel LCA- systemudvidelse for at inkludere processer og undgåede påvirkninger ved optimering C, N og P ressourceforvaltningsteknologier

5 LIVSCYKLUS INVENTORY (LCI) 1/4 Input-output kemikalier, energi og massestrømme for alle teknologitrin fra indløbsspildevand (og tilført eksternt kulstof) til output produkter Systemafgrænsningen Cradle-to-Gate, dvs inkluderer ikke videre bearbejdning af output produkter, ej heller anvendelsesfasen 5

6 LIVSCYKLUS INVENTORY (LCI) 2/4 Fokus er på teknologierne kvaliteten af indløbsspildevand*, udløbsspildevand og indholdet et metaller i slutslam holdt konstant for alle teknologiscenarier varierende energi og kemikalieforbrug i de teknologier, som indgår i spildevands- og slambehandlingen såvel som i produktionen af de kemikalier, der er forbrugt i de valgte ressourcefjernelses- og genanvendelsesteknologier *Indløbsspildevandet ressourceindhold: 1 PE = 73 m 3, 4,4 kg, 1 kg P og 60 kg COD per år 6

7 INPUT - SYV TEKNOLOGISCENARIER 3/4 Med eller uden forklaringstank Teknologiscenarie PE belastning N og P ressource forvaltningsstrategi C ressource forvaltningsstrategi 1-trin 1-trin 1-trin 1-trin 2-trin 2-trin 2-trin 2-trin 2-trin 2-trin 2-trin 2-trin T1k T1b T2k T2b T3k T3b T3b+s T3b+a T3b+a+CO2k T3b+a+h T3b+a+eksC T3b+s+a+h+eksC Kemisk P Bio P Kemisk P Bio P Kemisk P Bio P Bio P og Struvit Bio P og anammox Bio P og anammox Bio P, Bio P, Bio P, struvite, Aerob stabilisering Aerob stabilisering + CO 2 konvertering Hydrolyse og slamudrådning Ekstern kulstof og slamudrådning Ekstern kulstof, hydrolyse og slam-udrådning Bundbeluftning og Varmepumpe på efterklaring Optimering af eksternt energi forbrug Input T1k T1b T2k T2b T3k T3b T3b+s T3b+a T3b+a+CO2k T3b+a+h T3b+a+eksC T3b+s+a+h+eksC Vindenergi (U) kwh/m E Elektricitet (U) kwh/m3 3.51E E E E E E E E E E E E-01 Vand kg/m Ninlet kg/m3 6.03E E E E E E E E E E E E-02 Nreject kg/m3 0.00E E E E E E E E E E E E-03 Pinlet kg/m3 1.37E E E E E E E E E E E E-02 CODinlet kg/m3 8.22E E E E E E E E E E E E-01 CODreject kg/m3 5.54E E E E E E E E E E E E-04 Al kg/m Fe kg/m3 1.36E E E E E E E E E-02 Ekstern Karbon [COD kg/m E E-01 Polymerer kg/m3 4.40E E E E E E E E E E E E-03 Magnesium kg/m E E-02 NaOH kg/m E E-03

8 OUTPUT - SYV TEKNOLOGISCENARIER 4/4 Med eller uden forklaringstank Teknologiscenarie PE belastning N og P ressource forvaltningsstrategi C ressource forvaltningsstrategi 1-trin 1-trin 1-trin 1-trin 2-trin 2-trin 2-trin 2-trin 2-trin 2-trin 2-trin 2-trin T1k T1b T2k T2b T3k T3b T3b+s T3b+a T3b+a+CO2k T3b+a+h T3b+a+eksC T3b+s+a+h+eksC Kemisk P Bio P Kemisk P Bio P Kemisk P Bio P Bio P og Struvit Bio P og anammox Bio P og anammox Bio P, Bio P, Bio P, struvite, Aerob stabilisering Aerob stabilisering + CO 2 konvertering Hydrolyse og slamudrådning Ekstern kulstof og slamudrådning Ekstern kulstof, hydrolyse og slam-udrådning Bundbeluftning og Varmepumpe på efterklaring Optimering af eksternt energi forbrug Output T1k T1b T2k T2b T3k T3b T3b+s T3b+a T3b+a+CO2k T3b+a+h T3b+a+eksC T3b+s+a+h+eksC Biogas (produceret o MWh/m E E E E E E E E E E-04 Biogs_Elektricitet MWh/m E E E E E E E E E E-03 Biogas_Varme MWh/m E E E E E E E E E-03 Varmepumpe MWh/m3 5.00E+03 Slam produktion ton/m3 2.20E E E E E E E E E E E E-04 Undgået produktion kg/kg DM sludge 8.17E E E E E E E E E E E E-02 af handelsgødning

9 LCI-ANTAGELSER OM BIOTILGÆNGELIGHED 1/2 Tabel 1 Tilgængeligheden af fosfor i løbet af et år i forhold til den valgte teknologi til fosforfjernelse fra spildevandet. Teknologinummer Teknologi til fosforfjernelse Tilgængelighed af fosfor i jorden i løbet af et år 1 Direkte udtag af suspenderet fosfor - Dette sker ved udtag af primær slam, uden supplerende dosering af skemikalier 2 Kemisk fosforfjernelse - Dette sker ved af fosfor med jern eller aluminium 3 Alm. biologisk fosforfjernelse 4 Bio-P - Fosfor fjernes ved biologisk indbygning af fosfor i slammets bakterier - Fosfor fjernes ved biologisk indbygning af fosfor i særligt fosforakkumulerende bakterier 5 Tertiær renseproces *) - Dette er betegnelsen for en efterfølgende 100 % 0 % 100 % 100 % % polering af det rensede vand mht. SS. Dette kan være et sandfilter, et mekanisk filter eller en membran 6 Intern fosforgenvinding **) - Dette er betegnelsen for etablering af 100 % fosforgenvinding eksempelvis via struvit 9

10 LCI- ANTAGELSER OM BIOTILGÆNGELIGHED 2/2 Handelsgødningssubstitutionsrate: SR = f p, slam x C p, slam / C p,ref f p, slam er fraktion af biotilgængeligt fosfor i slutslam, C p,slam er koncentrationen af fosfor i slam og C p,ref er P-indholdet i handelsgødning Med eller uden forklaringstank Teknologiscenarie PE belastning N og P ressource forvaltningsstrategi C ressource forvaltningsstrategi 1-trin 1-trin 1-trin 1-trin 2-trin 2-trin 2-trin 2-trin 2-trin 2-trin 2-trin 2-trin T1k T1b T2k T2b T3k T3b T3b+s T3b+a T3b+a+CO2k T3b+a+h T3b+a+eksC T3b+s+a+h+eksC Kemisk P Bio P Kemisk P Bio P Kemisk P Bio P Bio P og Struvit Bio P og anammox Bio P og anammox Bio P, Bio P, Bio P, struvite, Aerob stabilisering Aerob stabilisering + CO 2 konvertering Hydrolyse og slamudrådning Ekstern kulstof og slamudrådning Ekstern kulstof, hydrolyse og slam-udrådning Bundbeluftning og Varmepumpe på efterklaring Optimering af eksternt energi forbrug Slam produktion ton/m3 2.20E E E E E E E E E E E E-04 N bundet i slam TS kg N/m3 1.07E E E E E E E E E E E E-03 P bundet i slam TS kg/m3 5.14E E E E E E E E E E E E-03 P bundet i struvit kg P/m3 0.00E E E E E E E E E E E E-03 % P bio-bundet %-vis af P i TS slam 35% 100% 35% 70% 30% 70% 100% 70% 70% 70% 70% 100% % P kemisk bundet m%-vis af P i TS slam 65% 0% 65% 30% 70% 30% 0% 30% 30% 30% 30% 0% % af P tilgængeligt i s%-vis af P i struvit 0% 0% 0% 0% 0% 0% 100% 0% 0% 0% 0% 100% Undgået produktion akg/kg DM sludge 8.17E E E E E E E E E E E E-02

11 LCI - LUFTEMISSIONSDATA Med eller uden forklaringstank Teknologiscenarie PE belastning N og P ressource forvaltningsstrategi C ressource forvaltningsstrategi 1-trin 1-trin 1-trin 1-trin 2-trin 2-trin 2-trin 2-trin 2-trin 2-trin 2-trin 2-trin T1k T1b T2k T2b T3k T3b T3b+s T3b+a T3b+a+CO2k T3b+a+h T3b+a+eksC T3b+s+a+h+eksC Kemisk P Bio P Kemisk P Bio P Kemisk P Bio P Bio P og Struvit Bio P og anammox Bio P og anammox Bio P, Bio P, Bio P, struvite, Aerob stabilisering Aerob stabilisering + CO 2 konvertering Hydrolyse og slamudrådning Ekstern kulstof og slamudrådning Ekstern kulstof, hydrolyse og slam-udrådning Bundbeluftning og Varmepumpe på efterklaring Optimering af eksternt energi forbrug Emissioner til luft fra spildevands- og slambehandling (IPPC) Metan emission fra biologiske processer*** kg/m3 6.17E E E E E E E E E E E E-04 Klimaneutral CO 2 emission fra biologiske processer kg/m3 2.47E E E E E E E E E E E E-01 Metan emission fra anaerobe processer kg/m E E E E E E E E E E-03 Klimaneutral CO 2 emission fra anaerobe processer kg/m E E E E E E E E E E-03 Lattergas emission fra spildevandsbehandling kg/m3 3.01E E E E E E E E E E E E-04 Lattergas emission fra kg/m3 4.06E E E E E-05 Lattergasemission fra udløbsspildevand kg/m3 4.97E E E E E E E E E E E E-05 Klima neutral N2 emission kg/m3 5.41E E E E E E E E E E E E-02 EF_N 2 O=4.99 g N 2 O/kg total N indløb

12 TRE METODISKE TILGANGE Klima(CO 2 ) neutralitet 1. Klassisk LCA tilgang inkluderer alle proces emissioner fra forbrugte fossile hhv. konvertering af ressourcer i spildevand (bioprodukter) 2. CO 2 -aftryk (Klimaneutral ressourceforvaltning) Defineres her som den samlede direkte og indirekte drivhusgasemission fra spildevands- og slam-behandling indenfor systemets afgrænsning og er eksklusiv energiforbrug til drift af anlægget 3. Energineutralitet Defineret som et anlæg der producerer mere energi end det forbruger eller er selvforsynende med grøn energi

13 1. LCA IMPACT KATEGORI KLIMA FORANDRINGER

14 2. CO 2 fodaftryk - Klimaneutral ressourceforvaltning

15 LCIA KLIMAFORANDRINGER Teknologiscenarie T1k T1b T2k T2b T3k T3b T3b+s T3b+a T3b+a+CO2k T3b+a+h T3b+a+eksC T3b+s+a+h+eksC LCIA CC Total 3.98E E E E E E E E E E E E+00 CO 2 fodaftryk 2.04E E E E E E E E E E E E+00 Tre teknologiescenarier præsterer et negativt CO 2 fodaftryk T3b+a+h h for termisk hydrolyse, b for BioP før slamafvanding og a for på rejektvand T3b+a+eksC eksc for eksternt kulstof tilført rådnetanken, b for BioP før slamafvanding og a for på rejektvand T3b+a+h+eksC eksc for eksternt kulstof tilført forbehandlingstank, H for termisk hydrolyse, b for BioP før slamafvanding og a for på rejektvand

16 KONKLUSION TEKNOLOGIER 1/3 Det er muligt for danske renseanlæg at teknolgioptimere til et negativt CO 2 fodaftryk C ressourceforvaltningsstrategier: Slamforbehandlingsteknologier som fører til et øget biogasomdannelsespotentiale (f.x. disintegration og termisk hydrolyse) Tilførsel af eksternt biogent kulstof mindsket COD forbrug til biologisk N-fjernelse

17 KONKLUSION TEKNOLOGIER 2/3 N og P ressourceforvaltningsstrategi Struvit og BioP som alternativ til kemisk P Struvit og BioP øger biotilgængelighed af fosfor i gødningsproduktet Eksternt tilført kulstof giver mulighed for øget slamberigelse af biotilgængeligt fosfor i gødningsproduktet Biotilgængeligheden af fosforberiget slam har afgørende betydning for kvaliteten af gødningsproduktet, men dette er ikke implementeret i eksisterende regulering Struvit mindsker tab af N ved ekstraktion og genvinding

18 KONKLUSION TEKNOLOGIER 3/3 Minimering af eksternt energiforbrug og Energi ressourcestrategi Varmepumper på efterklaringstanken (topscore i E-merproduktion) Bundbeluftning (topscore i minimering af energiforbrug) Optimering af energiforbrug og produktion fx termisk hydrolyse og konvertering til bionaturgas Men kræver vindenergi til drift af teknologier. I et vindenergi scenarie spiller spildevandsanlæggene en vigtig rolle i - levering af fjernvarme (varmepumper) - omdannelse af vindenergi til kemisk energi som kan opbevares og anvendes når der er behov CO 2 fodaftryksmetoden et bedre instrument end energineutralitet

19 FOKUSPUNKTER TIL ØGET RESSOURCEUDNYTTELSE 1. Optimering af forbehandlingsprocesser som medfører - øget mængde kulstoftilførsel til rådnetankene biologisk fosfor ophobning / PAB, anaerob oxidation af ammoniak / anammox - øget biogaskonvertering slamdisintegration eller termisk hydrolyse = øget kg biogas/kg COD - brug af ekstern biokulstof med høj brændværdi 2. Optimeret behandling af rejektvand fra slamafvanding - Øget mængde COD bevarelse igennem hovedanlægget f.eks struvit ud, PAB, anammox) - Øget biomasse produktion ved brug af fx mikroalger til biologisk rensning 3. Effektivisering af biogasproduktion og konvertering - Øget el og varmevirkningsgrad/sænket energitab opgradering til bionaturgas og tilslutning til naturgassystemet - Øget metan produktion ved CO 2 konvertering anvendelsen af fossil CO 2 emission som ekstern kulstofkilde til øget metanproduktion

20 MANGLER Vi mangler i LCAen at få belyst anvendelsen af CO 2 som en ressource: Carbon capture and use strategi: CO 2 er en ressource som kan omdannes til metan eller anvendes til øget biomasseproduktion (Kalundborg) Carbon Capture and Storage strategi: Effekten af carbontilførsel til jord Hvis vi tæller re-assimilation af fossil CO 2 emission med I CO 2 fodaftrykket skal emissionerne fra brugs- og affaldsfasen også medtages.