Um Versorgern und Gesetzgebern zu helfen, die Auswirkungen auf die Umwelt durch Wasseraufbereitungsprozesse zu verstehen, haben Xylem und IVL, das Schwedische Institut für Umweltforschung, die unterschiedlichen Aufbereitungsverfahren im Zuge eines umfassenden Forschungsprojekts näher untersucht. Nachfolgend vier Faktoren, die Sie bei der Entwicklung und Projektierung einer Wasseraufbereitungsanlage kennen sollten.
In einem früheren Artikel behandelte Impeller die Forschungsergebnisse im Hinblick auf die Gesamtbetriebskosten von unterschiedlichen Wasseraufbereitungssystemen, einschließlich Kapital- und Betriebskosten über den Zeitraum von 20 Jahren. In diesem Artikel geht es um die Forschungsergebnisse, die sich mit den zehn wichtigsten Leistungsindikatoren (KPIs) für die Umweltbeeinflussung beschäftigen (die komplette Liste ist am Ende des Artikels aufgeführt).
„Wir wollten wissen, welches Verfahren am nachhaltigsten und am besten ist“, erklärt Aleksandra Lazic, Senior Process Engineer R&D Treatment bei Xylem. „Daher sahen wir uns die Gesamtbetriebskosten, die Umweltbilanz, d. h. die Umweltbeeinflussung, und den gesellschaftlichen Aspekt an, d. h. das Erreichen der Ablaufwassergüte im Einklang mit den vor Ort geltenden Gesetzen und Bestimmungen. Wir definierten Nachhaltigkeit als Schnittpunkt dieser drei Aspekte, die man in ihrer Gesamtheit betrachten muss.“
1. Das Verbessern der Ablaufwassergüte wirkt sich nur unwesentlich auf die Umweltbeeinflussung aus.
Bei dieser Studie sahen sich die Forscher acht Aufbereitungsanlagen für drei unterschiedliche Wasserwiederverwendungszwecke an: Landwirtschaft, Grundwassererneuerung und industrielle Anwendung. Diese Anlagen umfassten Einheiten, die Wasser mit geringer Ablaufwassergüte für den Einsatz in der Landwirtschaft produzieren bis hin zu Anlagen, die eine hohe Ablaufwassergüte ohne Mikroschadstoffe für die Grundwassererneuerung liefern.
„Unsere Forschung zeigte, dass man durch die Verbesserung der Ablaufwassergüte bei den meisten KPIs den Wert der Umweltbeeinflussung verbessern kann, aber nicht bei allen“, erklärt Lazic. „Gleichzeitig konnten wir im Vergleich zu herkömmlichen Abwasseraufbereitungsverfahren keine enormen Sprünge bei den wichtigsten KPIs wie dem Treibhauspotential, der Versauerung und der Eutrophierung feststellen. Die Anstiege sind nicht extrem, d. h. dass sich die Verbesserung der Ablaufwassergüte nur geringfügig auf die Umweltbeeinflussung auswirkt.“
2. Die niedrigste Ablaufwassergüte hatte das höchste Treibhauspotential.
„Bis auf einen, konnten wir bei sämtlichen KPIs bei zunehmender Verbesserung der Ablaufwassergüte einen geringen Anstieg der Umweltbeeinflussung feststellen, wobei sich das Treibhauspotential bei Verbesserung der Ablaufwassergüte verringert“, fährt Lazic fort. „Man kann also sagen, dass die schlechteste Wasserqualität für den Einsatz in der Landwirtschaft das höchste Treibhauspotential hat. Dies war etwas, das wir nicht erwartet hatten. Der Grund hierfür liegt darin, dass bei diesem Verfahren die Distickstoffoxid-Emissionen (N2O) bei 2,1 Prozent lagen im Vergleich zu 0,2 Prozent bei anderen Anlagen.“
Der Grund für die höheren N2O-Konzentrationen liegt darin, dass bei der Produktion von Ablaufwasser mit niedriger Qualität für den Einsatz in der Landwirtschaft die Nährstoffe im Wasser bleiben, die als Dünger dienen. Hierfür muss die Sekundärreinigungsstufe wiederholt unterbrochen werden, was in höheren N2O-Konzentrationen resultiert.
„Das Treibhauspotential von Distickstoffoxid ist 300-mal so hoch wie das von Kohlendioxid, man kann also sagen, dass es im Hinblick auf Treibhausgase eines der problematischsten Gase ist“, fährt Lazic fort. „Obwohl sich viele Menschen dieser Emission im Aufbereitungsprozess bewusst sind, wird der Wert für dieses Gas häufig auf Grundlage von Annahmen festgelegt. Wir haben jedoch die N2O-Emissionen über zwei Jahre gemessen.“
3. Bei 7 von 10 KPIs bestimmt der Energieverbrauch die Umweltbeeinflussung.
„Wir haben uns angesehen, welche Parameter die KPIs bestimmen, um die Ergebnisse so weit wie möglich vereinfachen zu können“, erklärt Lazic. „Wir stellten fest, dass die meisten KPIs, d. h. sieben von zehn, vom Energieverbrauch abhängig sind. Das bedeutet, dass eine Reduktion des Energieverbrauchs in den Aufbereitungsanlagen die Umweltbeeinflussung reduziert. Vor diesem Hintergrund kann der Energieverbrauch dazu dienen, die Umweltbeeinflussung durch Ihre Anlage auf einfache Art zu bewerten.“
Bei den Aufbereitungsanlagen für die Grundwassererneuerung und die industrielle Verwendung waren die N2O-Emissionen sehr gering, so dass der Energieverbrauch den größten Einfluss auf das Treibhauspotential hatte. Bei landwirtschaftlichen Aufbereitungsanlagen hatten die N2O-Emissionen die größten Auswirkungen“, fährt Lazic fort.
„Bei unserer Analyse der Lebenszykluskosten stellten wir fest, dass die sekundäre Reinigungsstufe die meiste Energie verbraucht und den größten Kostenfaktor sowohl bei den Kapital- als auch bei den Betriebskosten darstellt. „Bei unserer Lebenszyklusbewertung zeigte sich, dass eine Reduktion des Energieverbrauchs in der sekundären Reinigungsstufe auch die Umweltbeeinflussung reduziert. Dies gibt uns einen deutlichen Hinweis darauf, welche Stufe wir optimieren müssen.“
Laut Lazic sind einige Länder bei der Überwachung der Treibhausgas-Emissionen, die beim Betreiben einer Anlage entstehen, schon sehr weit gekommen. In Großbritannien beispielsweise müssen Aufbereitungsanlagen jetzt eine Kohlenstoffabgabe zahlen, um den Energieverbrauch und die Emissionen zu reduzieren. Um die jährlichen Kosten zu berechnen, müssen die Anlagen ihren Energieverbrauch vorlegen sowie die Emissionen für die gesamte Anlage. Liegen die Zahlen einer Anlage nicht innerhalb der vorgegebenen Grenzwerte, muss eine Abgabe gezahlt werden.
4. Die geographische Lage und die Größe der Anlage können bei der Umweltbeeinflussung eine entscheidende Rolle spielen.
Im Zuge des Forschungsprojekts wurden dessen acht Wasseraufbereitungsanlagen in drei maßstäblichen Anlagengrößen getestet: 20 000 PE (Personenäquivalent), 100 000 PE und 500 000 PE. Die Forscher stellten fest, dass bei zunehmender Größe einer Anlage die C02-Emissionen pro Kubikmeter aufbereitetem Wasser sanken.
„Größere Anlagen mit größeren Pumpen und Belüftern werden mit zunehmender Größe immer effizienter“, erklärt Lazic. „Das bedeutet, dass der Energieverbrauch pro Kubikmeter aufbereitetem Wasser sinkt. Daher geht der Trend zu einer zentralisierteren Aufbereitung, d. h. einer größeren Anlage anstelle von vielen kleinen.“
Die in der Anlage genutzte Energiequelle ist ebenfalls ein wichtiger Faktor für die Umweltbeeinflussung.
„Unsere Forschung basiert auf den Kosten und dem Stromversorgungsnetz in Spanien“, berichtet Lazic. „Wenn wir die Beeinflussung einer Anlage in Schweden berechnen, einem Land, in dem wesentlich mehr Ökostrom verwendet wird, sinkt das globale Treibhauspotential um 60 Prozent, während in den USA, wo mehr fossile Brennstoffe verwendet werden als in Spanien, der Wert um 50 Prozent ansteigt. Daher betonen wir, dass bei der Berechnung der Umweltbeeinflussung der Standort der Anlage eine entscheidende Rolle spielt.“
Xylems Rolle bei der nachhaltigen Wasseraufbereitung
Auf Grundlage dieser Erkenntnisse über die Umweltbeeinflussung durch Wasseraufbereitung entschloss sich Xylem, einen Schritt weiter zu gehen und zu untersuchen, wie Emissionen weltweit gesenkt werden können.
„Wir entschieden uns, die Erkenntnisse, die wir gewonnen haben, auf einen globalen Maßstab zu übertragen, um zu sehen, wie es sich auf die Umweltbeeinflussung auswirkt, wenn es uns gelingt, die Aufbereitungsanlagen durch den Einsatz der bereits heute erhältlichen Xylem Technologie zu optimieren“, erklärt Lazic. Dies resultierte in dem Bericht Powering the Wastewater Renaissance, der verdeutlicht, dass die Abwasserindustrie die durch Strom entstehenden Emissionen um die Hälfte reduzieren kann.
„Seit Xylem ein komplettes System für die Abwasseraufbereitung und Wiederverwendung anbieten kann, sind wir in der Lage, die gesamte Aufbereitungsanlage zu optimieren“, fährt Lazic fort. „Wir liefern nicht länger nur Ausrüstung, sondern auch Lösungen. Wir haben enorme Anstrengungen unternommen, um herauszufinden, worauf es ankommt, um nicht nur die beste, sondern auch die nachhaltigste Lösung zu finden.
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Die zehn KPIs für Umweltbeeinflussung
Treibhauspotential, Versauerungspotential, Eutrophizierungspotential, fotochemisches Ozonbildungspotential, Humantoxizität, Süßwasserökotoxizität, Salzwasserökotoxizität, terrestrische Ökotoxizität, abiotischer und fossiler Ressourcenverbrauch.