Mohamed Rabie Mohamed Ghazy
Sustainable Sewage Sludge Management in egypt Based on Life Cycle Assessment
Zusammenfassung
Die nachhaltige Verwertung und Entsorgung von Klärschlämmen gehört weltweit zu den drängendsten Fragen des Umwelt- und Ressourcenschutzes. Um einerseits die Rückgewinnung wertvoller Inhaltsstoffe des Klärschlamms zu ermöglichen und andererseits eine Gefährdung von Mensch und Umwelt durch im Klärschlamm enthaltene Schadstoffe zu verhindern, ist die Entwicklung und Anwendung geeigneter Klärschlammbehandlungssysteme unabdingbar.
Für Länder wie Ägypten, in den die Bevölkerungszahlen kontinuierlich ansteigen, weitere Kläranlagen gebaut werden und somit auch die Klärschlammmengen beständig zunehmen, ist die Frage der nachhaltige Behandlung und Entsorgung des Klärschlammes eines der vordinglichsten Probleme, mit denen sich der Abwassersektor derzeit konfrontiert sieht. Bisher wurde der Behandlung des anfallenden Schlammes nur wenig Beachtung geschenkt, was zu einem Anstieg von gesundheitlichen und ökologischen Problemen führt. In der vorliegenden Arbeit sollen Lösungen gefunden werden, um die Klärschlämme in einer für Ägypten wirtschaftlich und ökologisch vertretbaren und umsetzbaren Weise adäquat zu behandeln und somit die negativen Auswirkungen auf Mensch und Umwelt zu minimieren.
Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit lag in der Evaluierung der aktuellen Situation der Klärschlammbehandlung in Ägypten, um darauf aufbauend unter Berücksichtigung der Wirtschaft-lichkeit, an die dortigen Randbedingungen angepasste Behandlungsverfahren zu ermitteln. Ausgewählte Behandlungsprozesse und Szenarien wurden mittels Life-Cycle-Assessment (LCA) einer umfassenden ökologischen Bewertung unterzogen. Aufbauend hierauf wurde ein umfassendes Konzept zur Evaluation von Schlammbehandlungsverfahren entwickelt, welches Entscheidungsträger in Ägypten bei der Auswahl geeigneter Verfahren zur Behandlung, Entsorgung sowie der Wiederverwertung von Klärschlämmen unterstützen kann.
Auf Grund der Tastsache, dass zu den in Ägypten realisierten Schlammbehandlungsverfahren kaum Literaturdaten verfügbar waren, wurden zunächst im Rahmen von Besichtigungen und Befragungen vor Ort umfangreiche Daten erhoben. Diese wurden durch Erhebungen von Daten aus der öffentlichen Verwaltung, von Forschungseinrichtungen sowie von Kläranlagenbetreibern mittels Fragebögen ergänzt. Außerdem wurden von einer Reihe von Kläranlagen zusätzlich Klärschlammproben entnommen und labortechnisch analysiert. Anhand der gesammelten Daten konnte eine umfassende Darstellung und Bestandsaufnahme hinsichtlich der vorhandenen Behandlungsverfahren sowie der vorliegenden Schlammengen und deren Charakteristika vorgenommen werden.
Darüber hinaus wurden die Möglichkeiten der nutzbringenden Verwendung von Klärschlamm unter Beachtung des ackerbaulichen Wertes sowie dem in Ägypten vorhandenen Marktpotential für Klärschlamm untersucht. Alternative Behandlungsmöglichkeiten für Klärschlamm, die in jüngster Zeit in Ägypten besonders zum Einsatz gelangen, wurden im Rahmen der Arbeit ebenfalls betrachtet.
Für die Entwicklung eines konzeptionellen Modells zum nachhaltigen Klärschlammmanagement in Ägypten wurden insgesamt fünf Szenarien zur Schlammbehandlung und entsorgung unter ökonomischen und ökologischen Gesichtspunkten untersucht und bewertet. Anhand der erhobenen Daten wurde der Status quo der Klärschlammbehandlung bestimmt und darauf basierend wurden die Szenarien erstellt, mit dem Ziel unterschiedliche Behandlungsverfahren im Hinblick auf deren Umsetzbarkeit unter ägyptischen Bedingungen zu überprüfen und letztlich an die Gegebenheiten vor Ort anzupassen. Aus der Umsetzung der ausgewählten Behandlungsverfahren sollen zukünftig Klärschlämme resultieren, die bedenkenlos für den Einsatz in der Landwirtschaft geeignet sind.
Zur Abschätzung der aus den jeweiligen Behandlungsverfahren resultierenden Umweltauswirkungen wurde für ausgewählte Szenarien in Anlehnung an die ISO-Normen 14040/14044 ein Life-Cycle-Assessment (LCA) durchgeführt. Im Rahmen der durchgeführten LCA-Studien wurden sämtliche eingesetzten Ressourcen sowie die resultierenden Schadstoffemissionen sowie auch die Gewinnung und Verarbeitung von Rohstoffen, die Herstellung von Chemikalien, Anlagenbetrieb, Transport, Recycling und Entsorgung betrachtet, soweit sie im Zusammenhang mit dem Lebenszyklus der einzelnen Schlammbehandlungsverfahren stehen. Das entsprechende Dateninventar für die einzelnen Behandlungsprozesse beinhaltete Parameter zur Beschreibung von Energie- und Rohstoffverbrauch, zu Emissionen in Abluft, Wasser und Boden sowie zum Abfallaufkommen. Die Daten entstammen aus Standorterkundungen, Simulationsergebnissen, Literaturangaben sowie qualifizierten Annahmen. Alle Werte die den Verbrauch oder die Erzeugung von Produkten und Energie betreffen, wurden für jedes Szenario über Massenbilanzen berechnet und letztlich auf eine funktionellen Einheit (FU) zusammengefasst, die sich auf die Behandlung von einer Tonne Schlammtrockenmasse bezieht. Sämtliche relevanten Umwelteinflüsse wurden durch eine Bewertung der möglichen Auswirkungen (problemorientierter Ansatz) in zehn umweltwirksame Kategorien eingeteilt. Die Ergebnisse der ökologischen Charakterisierungsindikatoren wurden kumuliert und gewichtet und mit zwei Bewertungsmethoden einer vergleichenden Bewertung unterzogen, wodurch die untersuchten Szenarien untereinander verglichen werden konnten. Auf Basis des Betriebs- und Wartungsaufwandes, wie er von den wichtigsten Kläranlagen in Ägypten erhoben wurde, wurde für ausgewählte Szenarien eine wirtschaftliche Betrachtung für Kläranlagen mit einem täglichen Abwasseranfall von 5.000, 10.000, 20.000 und 50.000 m3 durchgeführt. Die ökonomische Bewertung basierte auf den derzeitig üblichen Baukosten sowie den Kosten je Einheit Energie, Arbeitskraft und Bauland in Ägypten.
Die Ergebnisse zeigten, dass die Verwendung von Klärschlamm in der Landwirtschaft unter den ägyptischen Bedingungen die nachhaltigste und kostengünstigste Variante der Klärschlammverwer-tung darstellt, da die ägyptischen Landwirte bereit sind, für organische Düngemittel jeglicher Art zu bezahlen und Klärschlamm dort somit grundsätzlich über ein hohes Marktpotential verfügt. Die derzeitige Produktion von Schlamm liegt bei 0,87 Millionen Tonnen Trockenmasse pro Jahr, die schätzungsweise nur etwa 5 % des Bedarfs des als Agrarfläche genutzten Wüstenlands decken. Der behandelte Klärschlamm hat ein ökonomisches Potenzial von ca. 19 Millionen US-Dollar, was einem Anteil von über 40 % der derzeitigen jährlichen Betriebs- und Wartungskosten der ägyptischen Kläranlagen entspricht.
Die entscheidenden Faktoren für die im Vergleich mit dem internationalen Markt niedrigen Gesamtkosten der Schlammbehandlung in Ägypten sind die niedrigen Stundensätze für Arbeitskräfte sowie die geringeren Energiepreise. Die anaerobe Klärschlammstabilisierung erwies sich unter ägyptischen Verhältnissen als wirtschaftlich ab Kläranlagenausbaugrößen von mehr als 40.000 Einwohnerwerten (EW). Die Wirtschaftlichkeit für eine mechanische Entwässerung konnte sich für große Kläranlagen von mehr als 210.000 bis 270.000 EW bestätigen. Die ökonomische Bewertung der untersuchten Szenarien zeigte, dass das fünfte Szenario (aerobe Stabilisierung, natürliche Entwässerung und Kompostierung) für Kläranlagenkapazitäten bis zu 5.000 m3/d die am besten geeignete Variante ist, während das zweite Szenario (anaerobe Stabilisierung, natürliche Entwässerung, Kompostierung) sich besser für Anlagen mit Kapazitäten von 8.000 bis 20.000 m3/d eignete. Außerdem stellte sich heraus, dass das vierte Szenario (anaerobe Stabilisierung, mechanische Entwässerung, Kompostierung) für Kläranlagen mit Kapazitäten von mehr als 20.000 m3 pro Tag gut realisierbar ist. Das erste Szenario (anaerobe Stabilisierung, Schlammspeicherteiche und Lufttrocknung des Schlamms) erwies sich hingegen als vorteilhaft für Kläranlagen mit mehr als 50.000 m3 /d.
Die Analyse der jeweiligen Umweltauswirkungen zeigte, dass die aerobe Stabilisierung von Klärschlämmen in Ägypten in allen betrachteten Umwelt-Kategorien zu höheren negativen Auswirkungen führte, während die anaerobe Stabilisierung eine Verbesserung in allen Kategorien aufwies. Die Schlammkompostierung mit Reisstroh als Zuschlagsstoff bewirkte eine Verbesserung in einigen Umweltkategorien.
Die abschließende Auswertung der verschiedenen Szenarien ergab, dass sich das erste Szenario als umweltfreundlichste Variante herausstellte, während das dritte Szenario am schlechtesten abschnitt. Aus den Ergebnissen der ökonomischen und ökologischen Betrachtung konnte letztlich ein umfassender Ansatz für die sinnvolle und nachhaltige Behandlung von Klärschlamm unter ägyptischen Bedingungen abgeleitet werden.