System för återanvändning av fosfor ur avlopp

Transkript

1

2 System för återanvändning av fosfor ur avlopp Peter Balmér Karin Book Bengt Hultman Håkan Jönsson Erik Kärrman Erik Levlin Ola Palm Caroline Schönning Anette Seger Kristina Stark Henriette Söderberg Henrik Tideström Helena Åberg NATURVÅRDSVERKET

3 Beställningsadress Naturvårdsverket Kundtjänst SE Stockholm, Sweden Tfn: Fax: Internet-hemsida: Miljöbokhandeln: ISBN pdf ISSN Naturvårdsverket Omslag: Patrik Sundström Tryck: Danagårds grafiska 2002/10 Upplaga: 600 ex

4 1 Förord Regeringen har givit Naturvårdsverket i uppdrag att utreda frågorna om miljöoch hälsoskyddskrav för avloppsslam och dess användning samt om återföring av fosfor 1. Naturvårdsverket redovisar uppdraget till regeringen senast den 15 december 2002, efter begärd förlängning. Arbetet med uppdraget har bl.a. bedrivits i form av ett antal delprojekt. Denna rapport är resultatet av ett av delprojekten. MISTRA-programmet Urban Water, tillsammans med ytterligare forskare och konsulter, har fått i uppdrag av Naturvårdsverket att ta fram underlagsmaterial kring de delar av regeringsuppdraget som berör möjliga framtida systemlösningar för återföring av fosfor ur avlopp. Underlagsmaterialet ska beskriva teknikläge och potentiella konsekvenser vid införandet av de olika systemen. Materialet gör inte anspråk på att vara en heltäckande genomgång av aktuell litteratur inom området, utan snarare en beskrivning av teknikläget utifrån ett urval av litteraturen. Tiden, resurserna och uppdragets omfattning har inte medgivit något annat. Författarna svarar ensamma för innehållet i rapporten och bilagorna. Följande personer har medverkat i arbetet: Ola Palm (projektledare) och Karin Book, JTI; Erik Kärrman (biträdande projektledare), Scandiaconsult; Bengt Hultman, Erik Levlin och Kristna Stark, KTH; Anette Seger och Henrik Tideström, VA-projekt; Caroline Schönning, Smittskyddsinstitutet; Håkan Jönsson, SLU; Peter Balmér, VA-strategi. Henriette Söderberg, Chalmers, har bidragit med material kring organisation och Helena Åberg, Göteborgs universitet, med brukaraspekter, men i övrigt har de inte medverkat i arbetet med rapporten. Stockholm i oktober 2002 Naturvårdsverket 1 I enlighet med promemoria Uppdrag till Naturvårdsverket om miljö- och hälsoskyddskrav angående avloppsslam samt återföring av fosfor, nr. 8

5 2

6 3 Innehåll Förord...1 Innehåll...3 Sammanfattning...5 Summary Bakgrund Inledning Hållbarhetsaspekter på vissa växtnäringsämnen System för återanvändning av fosfor Introduktion Referensscenario Uppsamling av urin Uppsamling av klosettvatten Slamanvändning i jordbruk Utvinning av fosfor ur avloppsvatten Biologisk fosforrening och PhoStrip Utvinning av fosfor ur slam KREPRO Utvinning av fosfor ur aska BioCon Systemanalys förutsättningar Introduktion Förutsättningar och avgränsningar Antaganden om uppsamlings- och behandlingssystemet Analys av systemen Miljö och resurshushållning Hygienaspekter Ekonomi Produktmarknad Organisation Brukaraspekter Möjligheter och hinder Systemens utvecklingsläge och utvecklingsmöjligheter Tidsperspektiv för införande av systemen Acceptans...78

7 4 5.4 Hållbarhetskriterier och mål Miljökvalitetsmål Diskussion, osäkerheter, slutsatser Sammanfattande diskussion Osäkerheter och kunskapsluckor i underlagsmaterial och bedömningar Slutsatser...92 Bilagor...95 Hållbarhetsaspekter på vissa växtnäringsämnen...97 Biologisk funktion...97 Teknisk beskrivning av system för återanvändning av fosfor Uppsamling av urin Uppsamling av klosettvatten Slamanvändning i jordbruk Utvinning av P ur avloppsvatten Utvinning av P ur slam Utvinning av P ur aska efter förbränning - BioCon-processen Superkritisk våtoxidation med AquaReci-processen Återvinning av P med jonbytare efter syralakning av aska Systemanalys - förutsättningar och antaganden Miljö- och resurshushållning beräkningsunderlag Ingångsdata och förutsättningar för beräkning av substansflöden Underlagsberäkningar för bassystemet Kemikalieproduktion och transporter Ekonomi beräkningsunderlag Brukaraspekter Hushåll konsumenter som aktörer i VA-systemen Att skapa arenor för hushåll konsumenters medverkan Förutsättningar och konsekvenser av tekniker för återanvändning av fosfor158 Framtida forskningsbehov Organisation nätverksanalys och kapacitetsprofiler Nätverksanalys Kapacitetsprofiler Procentuell återföring av växttillgängligt kväve, fosfor, kalium och svavel exempel Referenser...175

8 5 Sammanfattning MISTRA-programmet Urban Water, tillsammans med ytterligare forskare och konsulter, har fått i uppdrag av Naturvårdsverket att ta fram underlagsmaterial kring möjliga framtida systemlösningar för återföring av fosfor ur avlopp. Detta underlag är en del av Naturvårdsverkets regeringsuppdrag med att utreda frågorna om miljö- och hälsoskyddskrav för avloppsslam och dess användning samt om återanvändning av fosfor. Uppdraget från Naturvårdsverket har varit mycket brett och omfattat vitt skilda aspekter såsom bedömningar av systemlösningar och tekniska konsekvenser vid införandet, organisation, ekonomi, brukaraspekter, hygienaspekter, miljöpåverkan, resurshushållning, produktkvalitet och -marknad etc. Utredningstiden har dessutom varit kort i förhållande till uppdragets omfattning. Inom flera områden finns det även större eller mindre kunskapsluckor samt motstridiga forskningsresultat och erfarenheter. Sammantaget finns därför osäkerheter i både rapportens beskrivningar, bedömningar och slutsatser. Sex system för återföring av fosfor från avlopp har studerats och jämförts med ett referenssystem bestående av konventionell avloppsvattenrening, inklusive kväverening, där slammet omhändertas genom förbränning. De sex systemen är: separat uppsamling av urin, separat uppsamling av klosettvatten, direkt användning av hygieniserat slam, utvinning av fosfor från avloppsvatten, utvinning av fosfor från slam och utvinning av fosfor från aska efter slamförbränning. Systemen som studerats har begränsats till sådana som idag tillämpas eller som befinner sig nära tillämpning i full skala. I alla system, utom direkt slamanvändning, ingår slamförbränning. För samtliga alternativ har också förutsatts att uppfyllelse av nationella miljömål eftersträvas och att den produkt som återförs skall vara hygieniskt invändningsfri. Utan hänsynstagande till växttillgänglighet bedöms urinuppsamling kunna återföra ca 40% av fosforn, klosettvattenuppsamling ca 75%, direkt slamanvändning ca 95%, utvinning från avloppsvatten ca 60%, utvinning från slam ca 70% och utvinning från slamaska ca 60%. Eftersom 16% av befolkningen bor utanför tätorter blir den möjliga totala återföringen motsvarande mindre även vid ett totalt införande. Uppsamling av urin och klosettvatten är dock system som lämpar sig att införa även utanför tätorter, där de kan minska utsläppen av växtnäring väsentligt. Genom kombinationer av olika metoder kan högre återföring uppnås, kostnaderna blir dock högre. Med urin- och klosettvattenuppsamling kan även huvuddelen av avloppets kväve, kalium och svavel återföras. I jämförelse med den totala antropogena påverkan framgår att de studerade systemen framför allt påverkar miljön vad gäller utsläpp till vatten av kväve och fosfor (övergödande ämnen) samt tungmetaller. Systemet med klosettvattenuppsamling

9 6 bedöms medföra väsentligt lägre kväveutsläpp till vatten än övriga alternativ men har nackdelen att det kräver betydligt mer energi för driften än övriga alternativ. Bortses från läkemedelsrester ger urin och klosettvattenuppsamling en ren produkt. Även om kunskaperna är otillräckliga bedöms även utvinningssystemen ge rena produkter. Slammet är den produkt som beräknas föra med sig mest metaller till åker vid återanvändning. Slamanvändning bedöms dock kunna ge lägre metallflöden och urin- och klosettvattensortering samt utvinningssystem väsentligt lägre metallflöden till åker i förhållande till gällande regelverk. Direkt användning av slam är från teknisk synpunkt genomförbart inom ca 10 år, liksom utvinning av fosfor från avloppsvatten. Att införa utvinning av fosfor från slam torde också kunna gå på ca 10 år, dock måste först tillräcklig praktisk erfarenhet från de anläggningar som nu byggs eller är under utveckling inväntas. Urin- eller klosettvattenuppsamling förutsätts införas successivt i samband med nybyggnation och förnyelse av det den befintliga bebyggelsen. Ett fullständigt införande bedöms därför ta ca 50 år. Om slam skall omhändertas genom förbränning bedöms kostnaderna, relativt nuvarande förhållanden, öka med kr per person och år. Vid direkt användning av slam förväntas kostnaderna bli ca 26 kr lägre per person och år, eftersom investeringar i förbränningsanläggningar kan undvikas. Kostnaderna för utvinning av fosfor från avloppsvatten är starkt beroende av lokala förhållanden. Med de förutsättningar som gjorts i utredningen bedöms kostnaderna ej bli högre än ca 14 kr per person och år relativt referenssystemet eller 33 kr per kg återförd fosfor. Vid utvinning av fosfor från aska och slam bedöms kostnaderna relativt referensalternativet bli kr per person och år eller ca kr per kg återförd fosfor. Urin- och klosettvattenuppsamling bedöms ge kostnader på kr per person och år relativt referenssystemet, eller kr per kg återförd fosfor. Dessa system återför även kväve, kalium och svavel. Då den genomsnittliga årliga kostnaden för vatten och avlopp i Sverige för närvarande är ca kr per person innebär detta kostnadsökningar på uppmot 50% för de källsorterande systemen. För samtliga kostnadsuppskattningar ovan gäller att de är grova, att de är beroende av lokala förhållanden och att teknisk utveckling kan sänka kostnader och att oförutsedda komplikationer kan höja dessa. En stor del av urin- och klosettvattensystemens kostnader består av ökade kapitalkostnader för avloppsintallationerna i fastigheterna. Dagens kapitalkostnader för VA-installationer i fastigheterna finns inte med i genomsnittskostnaden för vatten och avlopp i Sverige ovan. Storskaligt införande av urin- eller klosettvattenuppsamling torde kräva förändringar i VA-lagen. Utredningsuppdraget har gällt återföring av fosfor. Under arbetet har framkommit underlag som visar att ett ur uthållighetsperspektiv bör även andra näringsämnen beaktas. Ett mer allomfattande mått för kretslopp av icke förnybara resurser, kan då vara genomsnittlig procentuell återföring av kväve, fosfor, kalium och svavel. Fortsatt forskning bör initieras för att ta fram lämpliga verktyg för att analysera resurseffektiviteten i avloppssystem. Den genomsnittliga procentuella återföringen av växtnäringsämnena kväve, fosfor, kalium och svavel för de olika systemen bedöms vid direkt slamanvändning vara 24%, för de tre fosforutvinningsprocesserna 15-18%, för urinsortering 50% och för klosettvattensortering 74%.

10 7 Under utredningen har konstaterats att främst följande kunskapsluckor bör fyllas för att öka förutsättningarna för en god bedömning av systemlösningar: teknisk funktion och kostnader för olika system för återföring av fosfor och andra näringsämnen, liksom för andra lovande alternativ t.ex. våtoxidation vid superkritisk temperatur acceptans hos allmänhet, VA-sektor och livsmedelssektor för olika system för återföring av fosfor och andra näringsämnen möjligheterna att anpassa befintliga system för avledning av avloppsvatten till uppsamling av urin- eller klosettvatten bättre kriterier för bedömning av långsiktig hållbarhet hos olika system bättre kännedom om sammansättning och egenskaper hos de produkter som återförs med olika system. Slutligen bör det framhållas att planering mot mer uthålliga VA-system är betydligt mer komplext än att endast handla om återanvändning av fosfor. I MISTRAprogrammet Urban Water (där flera av rapportens författare deltar) pågår under perioden forskning för att ta fram planeringsverktyg för att beakta uthållighetsaspekter i strategisk VA-planering.

11 8

12 9 Summary Systems for re-use of phosphorus from sewage The Swedish government has commissioned the Swedish Environmental Protection Agency (Swedish EPA) to review environmental and health standards regarding the composition and use of sewage sludge, as well as the re-use of phosphorus. The Swedish EPA is to present their results to the government no later than the 15 th of December Scientists within the research programme Sustainable Urban Water Management have, together with additional researchers and consultants, been requested by the Swedish EPA to provide a synthesis of current knowledge around potential systems for the re-use of phosphorus from sewage. The synthesis should describe the technology and potential consequences related to the introduction of the different systems. Parts of the material have been discussed with representatives from wastewater treatment plants and the Swedish EPA, whereupon additional points have been included in the synthesis. The synthesis is not claimed to be a complete survey of relevant literature in the field, but rather a description of the present technology from selected literature. The assignment from the Swedish EPA was a broad evaluation of systems for phosphorus re-circulation and includes widely differing aspects, such as: - technical feasibility - time for implementation - organisation - economy - usability and operability - hygiene - environmental impact - use of resources - product quality - product market etc. The time for the assignment has been short in relation to its scope. In many areas there are major or smaller gaps in knowledge and also contradictory research findings and experiences reported. Thus, there are uncertainties in descriptions, evaluations and conclusions. The report has to be read with these conditions in mind. Six systems for the re-use of phosphorus from sewage have been analysed and compared to a reference system. The reference system consists of conventional wastewater treatment, including nitrogen removal, and incineration of the sludge. The six systems are: separate collection of urine, separate collection of blackwater, direct agricultural use of dewatered, hygienised sludge, extraction of phosphorus from wastewater, extraction of phosphorus from sludge and extraction of phosphorus from ashes after incineration of sludge. These systems are, or are believed to soon be, technically feasible.

13 10 Incineration of sludge is included in all the systems, except for the system with direct agricultural use of sludge. For all the systems the Swedish Environmental Quality Objectives are to be fulfilled, and there is to be no concern regarding the hygienic quality of the re-used product. With total introduction of the systems, and without consideration of the bioavailability of the nutrients, there is estimated to be a 40% return of phosphorus for the system with separate collection of urine, 75% with collection of blackwater, 95% with direct sludge use, 60% with extraction from sewage, 70% with extraction of sewage sludge and 60% with extraction from ashes after incineration of sludge. Since 16% of the population in Sweden live outside urban areas, the total recirculation will be lower. However, the systems with separate collection of urine and blackwater could also be introduced outside of urban areas, where they can give additional benefits, such as reductions of the discharge of plant nutrients to receiving waters. Combinations of different methods could recycle even more phosphorus, however at a greater cost. The systems for the collection of urine and blackwater also make it possible to recycle most of the nitrogen, potassium and sulphur in the wastewater. The systems mainly affect the environment through discharge to water of nitrogen and phosphorus (causing eutrophication) and heavy metals. The system with collection of blackwater is estimated to result in considerably lower discharge of nitrogen to water than the other alternatives. On the other hand this alternative has the disadvantage that it requires more energy than the other systems. Apart from residues of pharmaceuticals and their metabolites, the systems with collection of urine and blackwater give clean products. Despite some gaps in knowledge, the systems based on extraction are also considered to produce clean products. The sewage sludge is the product estimated to take most metals back to arable land, when the sludge is applied as fertiliser. However, for all systems the flows of metals to arable land are expected to be lower or much lower than the presently legislated maximum values. Direct agricultural use of hygienised sludge with improved quality is, from a technical point of view, practicable within approximately 10 years. An introduction of extraction of phosphorus from sludge will probably also be practicable within 10 years, as soon as enough practical experience has been gained. An introduction of systems for the collection of urine or blackwater is expected to be gradual, and implemented in conjunction with the construction of new urban areas and the renewal of existing houses. A total introduction is therefore estimated to take about 50 years. If the sludge has to be incinerated, the costs will increase with SEK per person and year, compared to the present situation. By direct use of sludge, the costs are expected to decrease with 26 SEK per person and year, since investments in incineration plants can be avoided. The cost for extraction of phosphorus from wastewater is very dependent on the local conditions. With the assumptions made in the report, the costs are not estimated to be higher than approximately 14 SEK per person and year, compared to the reference system, or 33 SEK per kilogram of recycled phosphorus. For extraction of phosphorus from ashes and sludge, the costs are estimated to increase with SEK per person and year, compared to the reference system, or approximately SEK per kilogram of phosphorus to be recycled. Collection of urine or blackwater are

14 11 estimated to increase the costs with 550 and 900 SEK respectively per person and year, compared to the reference system, or SEK per kilogram of phosphorus to be recycled. These systems also recycles nitrogen, potassium and sulphur to agriculture. As the average cost per person for services of potable water and sewage is presently about SEK in Sweden, the source-separating systems imply an increase of the costs with up to 50%. All the cost estimates are crude, and are dependent on the local conditions. Technical development could decrease the costs while unforeseen complications could increase them. A large part of the costs, for the systems with the collection of urine or blackwater, consists of increased capital costs for the installations in the buildings. It should be noted that the present costs, related to potable water and sewerage, do not include the capital costs for the installations. Large-scale introduction of systems for the collection of urine or blackwater will probably require changes in the laws regulating potable water and sewerage. This report focuses on the re-use of phosphorus from sewage. During the work it was noted that, from a perspective of sustainability, other nutrients should also be considered. A more all-embracing measure for recycling of non-renewable resources could, for example, be an average return of nitrogen, phosphorus, potassium and sulphur, calculated as a percentage. Further research ought to be initiated to establish suitable tools to analyse the resource-efficiency in sewerage systems. The average return, calculated as a percentage, of nitrogen, phosphorus, potassium and sulphur for the different systems, is estimated to be 24% for direct sludge use, 15-18% for the three phosphorus extraction systems, 50% for collection of urine and 74% for collection of blackwater. To improve the basis for good judgement in the selection of new systems, the following gaps in knowledge ought to be filled: - technical function and costs, for different systems for recycling of phosphorus and other nutrients, as well as for other promising alternatives - acceptance by the public, the water and wastewater industry and the food industry for different systems for recycling of phosphorus and other nutrients - the possibilities of adapting existing sewerage systems for the collection of urine or blackwater - better criteria for judgement of long-term sustainability for different systems - better knowledge about composition and qualities of the products that are recycled with different systems Finally, it must be stated that planning towards sustainable water and wastewater systems is considerably more complex, than just being a question of re-use of phosphorus from sewage. In the research programme Sustainable Urban Water Management (in which many of the authors of this report are participating), the research is aimed at developing support for strategic decisions on the future sustainable systems in Sweden.

15 12

16 13 1 Bakgrund 1.1 Inledning I Sverige är så gott som alla hushåll i tätorter anslutna till kommunala avloppsreningsverk. Vid rening av avloppsvatten bildas slam. År 1998 uppkom ca 1,2 miljon ton slam med en genomsnittlig TS-halt på 20% vid de kommunala avloppsreningsverken (SCB, 1999). Slam definieras enligt miljöbalken som avfall. Avloppsslam innehåller ca 3% fosfor och en återanvändning eftersträvas genom användning av slam i jordbruket. Den senaste tiden har förutsättningarna för användning av avloppsslam på åkermark kännetecknats av osäkerhet. Osäkerheterna gäller kvalitetsaspekter (halter och effekter av metaller, smittämnen och organiska ämnen) samt framför allt acceptans och förtroende för slamgödslade livsmedel. Lantbruket och livsmedelsindustrin är beroende av förtroende för sina varor hos konsumenterna. LRF rekommenderar därför sedan hösten 1999 sina medlemmar att tills vidare inte använda slam på åkrarna. Ett mycket kraftfullt styrmedel för en kretsloppsanpassad avfallshantering är införandet av hushållnings- och kretsloppsprincipen som en av de allmänna hänsynsreglerna i miljöbalken. Denna princip innebär att miljöbalken skall tillämpas så att återanvändning och återvinning liksom annan hushållning med material, råvaror och energi främjas så att ett kretslopp uppnås. Detta är en betydande förändring jämfört med den gamla miljöskyddslagen. Tidigare kunde inte krav ställas på åtgärder för att spara resurser, eller för att genom exempelvis återvinning kretsloppsanpassa en tillverkning. Som ett led i omställningen till en ekologiskt hållbar utveckling har regeringen föreskrivit i renhållningsförordningen (1998:902) att det från och med den 1 januari 2005 är förbjudet att deponera organiskt avfall. Avloppsslam är ett organiskt avfall. Vidare har en deponiskatt införts (Prop. 1998/99:84) för allt avfall som deponeras. Beslutet syftar till att främja återvinningen av det organiska avfallet och dess resurser av närings- och humusämnen, främst fosfor. Regeringen har tidigare angivit att, som ett led i åtgärderna för att nå en långsiktigt hållbar utveckling (Prop. 1997/98:145, MJU 1998/99:6), slutna kretslopp mellan samhälle och jordbruk bör skapas för närings- och humusämnen, i första hand för fosfor. I propositionen framhölls även att risken för smittspridning till djur och människor skulle minimeras samt att slamanvändningen inte fick leda till negativa hälso- eller miljöeffekter, varken på kort eller lång sikt. Utifrån dessa utgångspunkter har detta kunskapsunderlag utarbetats där teknikläget beskrivs och potentiella konsekvenser vid införandet av olika system för återanvändning av fosfor ur avlopp diskuteras ur olika aspekter. Aspekterna som analyseras har olika karaktär, vilket innebär att vissa utvärderas kvalitativt och andra kvantitativt. De värderade aspekterna ingår i en samlad bedömning för respektive teknik, där potentialen för ett brett införande av tekniken diskuteras och bedöms.

17 Hållbarhetsaspekter på vissa växtnäringsämnen Enligt regeringsförklaringen 1996 skall Sverige "vara en pådrivande internationell kraft och ett föregångsland i strävan att skapa en ekologiskt hållbar utveckling". Hållbar utveckling i vid mening definieras som en samhällsutveckling som tillgodoser dagens behov utan att äventyra kommande generationers möjligheter att tillgodose sina behov (Prop. 97/98:145). Hållbarhet kräver därför att jordbruksmarkens bördighet skall bibehållas, vilket bland annat innebär att åkermarkens förråd av näringsämnen ej får utarmas. Åkern måste tillföras lika mycket näring som förs bort. För att inte de fossila förråden av näringsämnen skall minska onödigt mycket, och därmed minska framtida generationers möjligheter att tillfredsställa sina behov, bör tillförseln av näringsämnen till jordbruket huvudsakligen baseras på att kretsloppen av näringsämnen sluts. Detta innebär bland annat att "Ett framtida hållbart och kretsloppsanpassat VA-system bör vara utformat så att: - slutna kretslopp mellan samhälle och jordbruk skapas för närings- och mullämnen" (Prop. 1997/98:145). Den viktigaste råvaran för åkerns mullämnen är rötter och skörderester, av vilka det produceras ca 12 miljoner ton per år (Pettersson, 1992). I jämförelse med denna är mängden mullråämnen i avloppsslam relativt liten. Om halten organiskt material i producerat avloppsslam sätts till 50% blir den totala mängden organiskt material i avloppsslam (SCB, 1999) ca ton per år. En bibehållen god bördighet och goda årliga skördar torde vara det effektivaste sättet att bibehålla en god mullhalt, då höga skördar också innebär stor produktion av rötter och skörderester. Resursmålen vad gäller växtnäring kan således ges prioritetsordningen: 1) bibehålla åkermarkens möjlighet till hög produktion av högkvalitativa livsmedelsråvaror och 2) tära så lite som möjligt på de fossila resurserna som måste tas i anspråk för att bibehålla åkermarkens produktivitet. En fördjupning kring hållbarhetsaspekter på växtnäringsämnena återfinns i bilaga 1. Framför allt diskuteras kväve, kalium, fosfor och svavel, vilka är de växtnäringsämnen som de flesta grödor behöver i störst mängd.

18 2 System för återanvändning av fosfor Introduktion Ett flertal tänkbara principer för återanvändning av fosfor ur avlopp finns. Utifrån en princip kan sedan olika tekniska lösningar och system byggas upp, vilket ger ett flertal varianter. Vi har valt ut sex system för ingående analys och jämförelse. Systemen är utvalda för att de dels är åtminstone provade i pilotskala eller liknande, dels att det finns underlagsmaterial som gör beräkningar möjliga. Följande system har studerats: Uppsamling av urin Uppsamling av klosettvatten Slamanvändning i jordbruk Utvinning av fosfor ur avloppsvatten Utvinning av fosfor ur slam Utvinning av fosfor ur aska efter förbränning av slam Urvalet av system har även gjorts så att en mångfald av principer för återanvändning av fosfor belyses - sorterande system för uppsamling av fosforrika fraktioner nära källan (uppsamling av urin respektive klosettvatten), slamanvändning i jordbruk samt system för fosforutvinning (ur avloppsvatten, slam respektive aska). I bilaga 2 finns detaljerade beskrivningar av de sex systemen samt i begränsad utsträckning varianter av dessa. För att göra rättvisa jämförelser mellan olika system måste även vissa andra system vid sidan av själva återanvändningen av fosfor tas in i bedömningen. Hit hör omhändertagandet av övriga restprodukter från avloppshanteringen, förutom fosfor, som systemen ger upphov till. Ett systemanalytiskt angreppssätt har valts. I detta fall innebär det att olika metoder för återanvändning av fosfor beskrivs och analyseras utifrån ett antal aspekter och därefter jämförs. Dataunderlaget hämtas från litteratur och försök samt fullskaleanläggningar. Detta medför att endast metoder som idag är dokumenterade har analyserats. Vid analysen av de sex systemen jämförs de med referenssystemet konventionellt avloppsreningsverk där slammet förbränns och askan deponeras. Vi har valt detta som referens därför att referenssystemet är en trolig konsekvens av dagens förutsättningar, som bl.a. innebär deponeringsförbud för organiskt avfall från år 2005 och stora svårigheter med fortsatt jordbruksanvändning av slam. Hela mängden urin, fekalier, spolvatten och BDT-vatten som genereras av en person ingår i beräkningarna. Även inläckande dräneringsvatten i ledningsnätet ingår liksom spillvatten från allmän service som finns i bostadsområden (skolor, daghem, vårdinrättningar, butiker etc.). Industriellt spillvatten ingår inte.

19 Referensscenario Hushållsspillvatten Kemikalier Avloppsreningsverk Slam Förbränning Recipient Deponi Teknisk beskrivning och förutsättningar I referenssystemet leds allt spillvatten, dvs. urin, fekalier och BDT-vatten, i gemensamt avloppssystem till befintligt reningsverk med mekanisk, biologisk och kemisk rening. Den biologiska reningen omfattar även kväverening. Järnsulfat används som fällningskemikalie. Slammet stabiliseras genom mesofil rötning och avvattnas. Det slam som bildats vid reningsverket förbränns i anläggning som antas vara belägen i direkt anslutning till reningsverket. Ingen inblandning av annat avfall sker. Efter förbränning deponeras askan. Ingen återvinning av fosfor sker i detta system.

20 Uppsamling av urin Urin, spolvatten Fekalier, spolvatten, BDT Kemikalier Lagring Avloppsreningsverk Slamförbränning Recipient Deponi Teknisk beskrivning och förutsättningar I hushållen används klosetter med urinsortering. Från toaletten leds urinen och spolvatten via ett eget ledningsnät till en uppsamlingstank, som kan ligga i fastigheten, på tomten eller, om urinsortering införs i ett större område eller en stad, kan vara gemensam för hela området eller staden. I det alternativ som ingår i den här analysen antas urinen samlas upp i tankar vid varje fastighet. Från uppsamlingstanken transporteras urinen till ett lager som bör ligga nära den mark där urinen senare skall användas som gödsel. Urinen lagras separat, utan någon påfyllning, för att åstadkomma en tillräcklig hygienisering före användning. Fekalier, BDT-vatten samt felsorterad urin leds via befintligt ledningsnät för behandling vid befintligt avloppsreningsverk med mekanisk, kemisk och biologisk rening samt kväverening. Som fällningskemikalie används järnsulfat. Slammet genomgår mesofil rötning och avvattnas. Det slam som bildats vid reningsverket förbränns i anläggning som antas vara belägen i direkt anslutning till reningsverket. Ingen inblandning av annat avfall sker. Askan deponeras. Ingen fosforutvinning från dessa flöden förutsätts.

21 Uppsamling av klosettvatten Snålspolad vakuumtoalett BDT-vatten Kemikalier Hygienisering Avloppsreningsverk Slamförbränning Rötning Recipient Deponi Teknisk beskrivning och förutsättningar I hushållen används vakuumklosetter för uppsamling av klosettvattnet. Klosetterna är inte urinsorterande men är utformade med en mindre spolmängd för urin och en större för fekalier, detta för att hålla nere inblandning av spolvatten. Klosettvattnet samlas upp i lagringstankar belägna vid varje vakuumstation. Därifrån sker hämtning med lastbil för transport till behandlingsanläggning. Denna förutsätts vara belägen i anslutning till den jordbruksmark där det behandlade klosettvattnet skall användas så att ytterligare landsvägstransport undviks. Klosettvattnet hygieniseras och stabiliseras före användning i jordbruket. Utveckling av ny teknik för detta pågår för närvarande (se bilaga 2). Här har förutsatts beprövad teknik. Klosettvattnet pastöriseras genom upphettning till 70 C i minst en timme. Därefter sänks temperaturen och klosettvattnet rötas termofilt (ca 55 C) under 10 dygn. Det hygieniserade och rötade klosettvattnet lagras vid behandlingsanläggningen. BDT-vattnet leds i befintligt system med självfall och pumpar till reningsverk. Befintliga reningsverk förutsätts kunna anpassas till rening av BDT-vattnet och det slam som uppstår. Vid beräkningar förutsätts mekanisk,biologisk och kemisk rening. Någon särskild kväverening krävs ej. Det slam som uppstår rötas termofilt och biogas utvinns. Slam förbränns utan inblandning av annat avfall. Askan transporteras till deponi.

22 Slamanvändning i jordbruk Hushållsspillvatten Kemikalier Avloppsreningsverk inkl. hygienisering Slam Recipient Jordbruk Teknisk beskrivning och förutsättningar Förutsättningarna i fastigheter och vid avloppsreningsverket fram till att slammet ska rötat är desamma som i referenssystemet, dvs. allt spillvatten leds till ett konventionellt reningsverk med kväverening. Före rötning pastöriseras slammet vid 70 o C i minst 1 timme. Därefter sker en konventionell rötning och slammet avvattnas. Slammet lagras vid reningsverket eller vid särskilt mellanlager och transporteras sedan med lastbil för användning på åkermark. Jordbruksanvändningen sker med normal utrustning för spridning av fastgödsel.

23 2.6 Utvinning av fosfor ur avloppsvatten Biologisk fosforrening och PhoStrip 20 Hushållsspillvatten Kemikalier Avloppsreningsverk Retur slam PhoStrip Stripper (ättiksyra) Fällning med kalk Recipient Förbränning Deponi Teknisk beskrivning och förutsättningar I detta alternativ sker endast förändringar vid avloppsreningsverket, dvs. installationer i hushåll och ledningsnät är desamma som för referenssystemet. PhoStrip-processen bygger på utvinning av fosfor med kristallisationsteknik ur en delström av avloppsvattnet. I reningsverk med biologisk fosforreduktion utsätts bakterierna växelvis för aeroba och anaeroba förhållanden. I det anaeroba steget avger bakterierna fosfat samtidigt som de tar upp lättnedbrytbart organiskt material och i det aeroba steget förbränns upptaget organiskt material samtidigt som fosfat tas upp. Andelen vattenlöst fosfat är därför störst efter det anaeroba steget och andelen fosfat i slamfasen är störst efter det aeroba steget. Genom att ta ut överskottslammet efter det aeroba steget erhålls en reduktion av fosfathalten i utflödet. I PhoStrip-processen leds en del av returslammet till en anaerob stripper där fosfor frigörs från slammet. Genom tillsats av ättiksyra förmås bakterierna att avge fosfor. Efter separering av slamfasen fälls den lösta fosfaten med kalk. Kalciumfosfat som utvunnits ur en sidoström i reningsverket har en tillräckligt låg halt av föroreningar för att kunna användas som råvara i fosfatindustrin. I processen tillförs organiskt material till den anaeroba strippern. Om den biologiska fosforreduktionen i reningsverket kräver tillsats av organiskt material, gör fosforfrigörning i strippern med åtföljande fosforåtervinning, att mindre mängd fosfor cirkulerar med returslammet varför en mindre mängd organiskt material behöver tillsättas i reningsverket. För processen gäller att ca 10% av fosforn går

24 21 ut med utflödet varför traditionell kemisk fällning kan behöva användas som komplement för att uppfylla utsläppsvillkor. Fällningen kan göras på sandfilter för utgående renat avloppsvatten. Det rötade överskottsslammet som inte passerar PhoStrip-processen förbränns i en anläggning förlagd i anslutning till reningsverket. 2.7 Utvinning av fosfor ur slam KREPRO P från slam - Krepro Hushållsspillvatten Kemikalier Avloppsreningsverk Slam Järnsulfat Rejekt löst KREPRO: Surgörning, Förvärmning, Hydrolys, Centrifugering, Fosforutfällning Organiskt fiberslam Förbränning Järnfosfat Tungmetallslam Recipient Jordbruk Deponi Teknisk beskrivning och förutsättningar I detta alternativ sker endast förändringar vid avloppsreningsverket, dvs. installationer i hushåll och ledningsnät är desamma som för referenssystemet. Avloppsreningsverket är ett konventionellt reningsverk med kväverening och mesofil rötning av slammet. Efter avvattning förs slammet till fosforutvinning. För fosforutvinning har förutsatts att den sk KREPRO-processen nyttjas. KREPROprocessen har utvecklats av Kemira Kemwater. Data har använts för den anlägggning som projekterats för Sjölunda avloppsreningsverk i Malmö. Förutom slam från Sjölunda kommer även slam från närliggande avloppsreningsverk att behandlas i anläggningen. Denna mängd är ungefär lika stor som slammängden från Sjölunda. Principen är att avvattnat slam från avloppsreningsverket samt externt slam behandlas genom surgörning med hjälp av svavelsyra, ph 1,5 2, och termisk hydrolys där utlösning av fosfor och metaller sker samt en del kväve och organiskt material. Innehållet av fast material minskar till ca 50-60% av inkommande TS-mängd under

25 22 hydrolysen. Den del av slammet, som inte lösts upp vid hydrolysen, avskiljs i en första centrifug. Denna fraktion innehåller huvudsakligen organiskt material samt omkring hälften av tungmetallerna i slammet. Detta organiska fiberslam förbränns och askan deponeras. Rejektvattnet innehåller övriga komponenter som utlösts vid hydrolysen. Genom en stegvis ph-justering kan de olika komponenterna fällas ut och avskiljas i olika separationssteg. Fosforn fälls ut som järnfosfat och avskiljs genom centrifugering. Järnfosfatslurryn torkas för att få en mer lätthanterlig slutprodukt. Målet för järnfosfatutfällningen är att fälla ut och separera >95% av till utfällningen inkommande fosfor, genom att använda inkommande tvåvärt järn som fällningsmedel. Detta uppnås genom att till råmaterialströmmen sätta väteperoxid för att oxidera det tvåvärda järnet till trevärt vid ph 3 varvid trevärt järn fäller fosfatjoner. De tungmetaller som inte bundits i det organiska slammet avskiljs för att undvika en ackumulering i reningsverket. Utfällning av tungmetallsulfider sker i ett tredje steg genom tillsats av natriumvätesulfid. De utfällda tungmetallerna omhändertas som farligt avfall. Efter behandling i KREPRO återstår ett rejektvatten som innehåller löst kväve och organiskt material. Efter det att kvävet och det organiska materialet har avskilts, vilket exemepelvis kan ske i en SBR-anläggning inkluderande nitrifikation/denitrifikation leds rejektvattnet tillbaks till inkommande flöde i reningsverket. 2.8 Utvinning av fosfor ur aska BioCon Hushållsspillvatten Kemikalier Avloppsreningsverk Slam Fällningskemikal. BioCon: Torkning Förbränning Malning Surgörning Jonbyte Indunstning Tungmetallslam Fosforsyra Recipient Deponi Förädling

26 23 Teknisk beskrivning och förutsättningar I detta alternativ sker endast förändringar vid avloppsreningsverket, dvs. installationer i hushåll och ledningsnät är desamma som för referenssystemet. Avloppsreningsverket är ett konventionellt reningsverk med kväverening och mesofil rötning av slammet. Efter avvattning förs slammet till torkning och därefter sker förbränning. Fosforåtervinningen föutsätts ske enligt den teknik som utvecklats av företaget BioCon och som projekterats för Främby avloppsreningsverk i Falun. Företaget BioCon har köpts upp av firma Krüger som har dragit sig ur åtagandet i Falun. Denna anläggning kommer således ej att bli uppförd enligt tidigare planer. Detta bör hållas i minnet vid bedömning av det faktaunderlag som använts i denna utredning. Anläggningen i denna studie antas vara belägen i anslutning till reningsvserket. BioCon-anläggningen är uppbyggd av tre moduler; torkning, förbränning och återvinning. I slamtorken torkas det avvattnade slammet till en torrsubstanshalt på ca 90%. För torkningen används den energi som förbränningen genererar. Den vattenånga som bildas vid torkningen kyls ned i en kondensor och tas ut som kondensat. Den avkylda och torra luften leds tillbaka till torken. Förbränningen av det torkade slammet sker i en förbränningsugn vars botten är försedd med vattenkyld rost, som kyler slaggen efter förbränning. Bottenaskan går till återvinningsprocessen. Askan från förbränningen förs till en kvarn som finfördelar den till ett pulver. Pulvret löses upp i svavelsyra. I processen återvinns fosfor och fällningskemikalier. Askans innehåll av sand sedimenterar under processförloppet och skiljs av i botten. Syralösningen pumpas till ett jonbytarbatteri bestående av fyra sektioner. Den första sektionen är katjonbytare där järnjonerna tas upp. Vid regenerering med svavelsyra bildas järnsulfat som är den fällningskemikalie som används på avloppsreningsverket. Nästa sektion är anjonbytare där sulfat tas upp. I tredje sektionen tas fosfat upp som bildar fosforsyra (50%) genom regenerering med svavelsyra. Fosforsyran kan användas som råvara till handelsgödsel. I den sista jonbytarsektionen, som är en katjonbytare, tas lösningens innehåll av tungmetaller upp. Genom att regenerera jonbytarna med saltsyra avskiljs en slamrest som innehåller tungmetallerna som kloridföreningar. Slamresten omhändertas som farligt avfall.

27 3 Systemanalys förutsättningar Introduktion Systemanalysen genomförs i form av jämförelser av sex olika avloppssystem. Dessa system analyseras vad gäller: miljö- och resurshushållning hygienaspekter på fosforprodukterna ekonomi produktmarknad organisation brukaraspekter Analys av dessa sju grupper av aspekter sker med fastställda förutsättningar och avgränsningar såsom funktionell enhet, geografi, bebyggelse, tekniska system och tid. 3.2 Förutsättningar och avgränsningar De sex utvalda systemen samt referensalternativet analyseras för den funktionella enheten: Behandling av hushållsspillvatten eller dess fraktioner (urin, fekalier och BDTvatten) från en person under ett år. Denna avgränsning benämnes bassystem i analysen av miljö- och resurshushållning. begreppet behandling innefattar även återvinning av vissa näringsämnesrika produkter till åkermark. För detaljer kring förutsättningar och avgränsningar, se bilaga 3. Hela mängden urin, fekalier, spolvatten och BDT-vatten som genereras per person och år ingår i beräkningarna, dvs. såväl det som genereras under hemmavaro som det som uppkommer på arbetsplatsen, skolan, eller annan plats där personer vistas under dygnet. Även inläckande dräneringsvatten till spillvattenledning ingår samt spillvatten från allmän service (såsom vårdinrättningar, daghem, skolbespisning, butiker m.m.). Industrispillvatten är dock exkluderat från beräkningarna. Utredningen avser urbana områden. Avgränsning av ett mer specifikt område undviks så långt som möjligt. I analysen av miljö och resurshushållning samt ekonomi har dock ett specifikt val av storlek på avloppssystem och geografiskt läge varit nödvändigt. I dessa fall har Örebro använts som modellstad, vars reningsverk har ca personekvivalenter anslutna. Örebros geografiska läge tas vidare som utgångspunkt för antaganden om avstånd för transport av kemikalier till avloppssystemen.

28 25 Transportavståndet från avloppsbehandlingssystemet till jordbruk har antagits vara 30 km och transportavståndet från avloppsbehandlingssystemet till deponi 100 km. För aspekterna miljö och resurshushållning analyseras förutom bassystemet även ett utvidgat system. I det utvidgade systemet tas förutom aspekterna i bassystemet även hänsyn till återvinning av den totala mängd av näringsämnena kväve, fosfor, kalium och svavel som igenomsnitt en person genererar i urin, fekalier och BDTvatten. Det utvidgade systemet har följande funktionella enhet: Behandling av hushållsspillvatten eller dess fraktioner (urin, fekalier och BDTvatten) från en person under ett år samt tillförsel av 5,0 kg växttillgängligt kväve, 0,73 kg växttillgängligt fosfor, 2,5 kg kalium och 0,57 kg svavel per år till åker. De studerade systemen kan återvinna olika stora andelar av dessa näringsämnen (inget system ger 100% återvinning). De återvunna näringsämnena förutsätts ersätta handelsgödselanvändning i jordbruk. För att fylla upp till de angivna nivåerna läggs erforderlig mängd handelsgödsel till i varje alternativ. Gränserna för de två systemen åskådliggörs i figur 1. UTVIDGAT SYSTEM BASSYSTEM Hushåll: urin, fekalier, BDT Energi produktion Produktion av gödsel Kemikalie produktion Behandling och förädling av produkt för återanvändning Jordbruk Deponi EMISSIONER TILL VATTEN OCH LUFT ENERGI Figur 1. Principiell teknisk avgränsning av systemet för behandling av hushållsspillvatten eller dess fraktioner. Pilarna avser flöden och transporter. Bassystemet och det utvidgade systemet i figur 1 analyseras med avseende på flöden av fosfor, kväve, kalium, svavel och tungmetaller. Direkta utsläpp till

29 26 vatten beaktas såväl som vattenemissioner från kemikalieproduktion. Vattenemissioner från jordbruk ingår ej i studien. Luftemissioner från förbränning av fossila bränslen, transporter samt produktion av kemikalier i form av svaveldioxid, koloxid, koldioxid och kväveoxider (NO x ), beaktas från samtliga komponenter beskrivna i bassystemet i figur 1. I såväl bassystem som utvidgat system analyseras energianvändning i form av total energianvändning (här tas endast hänsyn till förbrukning av el och förbrukning av fossila bränslen ) samt primärenergianvändning, där hänsyn tas till förbrukning och utvinning av höggradig energi. Utvunnen biogas antages gå till elproduktion. Av biogasen blir en tredjedel av energiinnehållet el och resten värme och förluster. Endast elproduktion tillgodoräkas i primärenergiberäkningarna. 3.3 Antaganden om uppsamlings- och behandlingssystemet Ledningsnät Avloppsvatten leds via befintligt ledningsnät som beräknas använda 0,8 MJ el per kubikmeter vatten inklusive pumpning vid reningsverket (Kärrman m.fl., 1999). Detta värde bygger på data från Uppsala, men är sannolikt representativt för småoch medelstora svenska kommuner. I storstäder där tunnlar har sprängts för avledning av avloppsvatten och där mer resurser finns för att underhålla pumpar och ledningsnät kan energianvändningen reduceras kraftigt. I Göteborg används t.ex. endast ca 0,1 MJ/m 3 för pumpning i ledningsnät (Va-verket i Göteborg, 2000) samt 0,27 MJ/m 3 för pumpning i avloppsreningsverket. Flödet i ledningsnätet som pumpas till reningsverket och behandlas i detsamma, uppgår till 365 liter per person och dygn i samtliga system utom systemen med uppsamling av urin och uppsamling av klosettvatten. Flödet härstammar från hushåll, allmän service samt inläckande vatten. Detta värde gäller generellt för personer anslutna till avloppsledningsnät i Sverige och har beräknats från VAV (1999) där flöden från industri har dragits av. I systemet med urinsortering minskas flödet till 332 liter per person och dygn och i systemet med klosettvattensortering 315 liter per person och dygn. I alternativet med uppsamling av urin har förutsatts att 20% av urinen felsepareras, dvs. den hamnar i fekaliedelen av den tvådelade toalettskålen. Avloppsreningsverk I avloppsreningsverket behandlas avloppsvattnet mekaniskt, biologiskt och kemiskt. I samtliga system utom alternativet med biologisk fosforrening antages två tredjedelar av inkommande mängd BOD 7 avskiljas i försedimenteringen som följd av förfällning, medan endast en tredjedel förutsätts avskiljas i försedimenteringen i alternativet med biologisk fosforrening. För nedbrytning av BOD 7 som ej avskiljs i försedimenteringen krävs syre. Detta tillförs genom luftning med kompressorer som förbrukar 3,6 MJ el per kg borttagen BOD 7. I de system där det är aktuellt ingår kväverening ner till utsläppshalten 8 mg N-tot/l via nitrifikation/-

30 27 denitrifikation. Gränsen vid 8 mg N-tot/l i utgående avloppsvatten är satt för att ge en 20-procentig säkerhetsmarginal för att uppfylla utsläppskravet 10 mg N-tot/l som idag är vanligt vid kustnära svenska reningsverk. Nitrifikation beräknas åstadkommas genom luftning som kräver 16 MJ el per kg totalkväve som skall denitrifieras. Vid denitrifikation kan dock 3/8 av energitillförseln vid nitrifikation återvinnas varvid nettoförbrukningen 10,3 MJ el per kg totalkväve som skall avskiljas används i beräkningen. Övrig energianvändning (exklusive pumpning och luftning) i avloppsreningsverk beräknas vara 54 MJ per person och år (Balmér & Mattsson, 1993). Fosfor fälls genom tillsats av järnsulfat med doseringen 1,0 mol järn per mol fosfor. Kemfällningen tillämpas så att utgående vatten maximalt innehåller 0,24 mg P/l, vilket motsvarar en 20-procentig säkerhetsmarginal för att klara det vanliga utsläppskravet om 0,3 mg P/l för svenska verk. I samtliga system rötas slammet som genereras vid reningsverket och i systemet med uppsamling av klosettvatten rötas dessutom klosettvattnet separat. Innehållet av organisk torrsubstans i fekalier och BDT-vatten beräknas generera biogas. Den organiska substansen antas avskiljas i försedimenteringen samt i aktivtslamsteget. I samtliga system antas att 11 MJ biogas utvinnes per kg organisk torrsubstans in till rötkammaren. Vidare behandling av slammet består av förtjockning och avvattning. För att förbättra slammets avvattningsegenskaper tillsätts 5 kg polymerer per ton torrsubstans i det avvattnade slammet. I bilaga 4 redovisas hur olika substanser fördelas på vatten- och slamfas efter reningsverket. Hygienisering tillämpas då en organisk restprodukt innehållande fekalier (som under tidigare renings- eller förädlingsprocesser inte har behandlats vid tillräckligt hög temperatur) används för spridning i jordbruk. Hygieniseringen består av upphettning till 70 C i minst en timme. Hygienisering tillämpas i alternativen med slamanvändning i jordbruk och uppsamling av klosettvatten. I systemet med slamanvändning i jordbruk beräknas emellertid värme finnas tillgänglig, t.ex. från gasmotor för utnyttjande av biogas, varför ingen extern energianvändning för hygienisering har belastats detta alternativ i analysen av miljö och resurshushållning. Förbränning av organiska restprodukter I samtliga alternativ, utom slamanvändning i jordbruk, ingår förbränning av slam. Förbränningen kan ske i en särskild slamförbränningsanläggning eller i en förbränningsanläggning för fast avfall eller annat fast bränsle. Eftersom det är stora skalfördelar inom förbränningstekniken, kommer troligen förbränningen i de flesta fall att ske i stora anläggningar dit slammet transporteras. Lokala förhållanden kommer att avgöra vilken förbränningslösning som väljs och vilka transportavstånd som blir aktuella. I denna studie har vi valt att förutsätta att slammet förbränns i en anläggning av sådan storlek att kostnaderna per ton avvattnat slam blir de som förutsatts i avsnitt 4.3. I alternativen med uppsamling av klosettvatten och utvinning av fosfor ur slam KREPRO blir slammängderna lägre än i övriga alternativ. Detta bör i princip ge högre kostnader per ton slam. Detta bedöms dock inte ha någon avgörande betydelse och därför har inte någon hänsyn tagits till detta.