Comparative assessment of a decentralized blackwater and organic household waste treatment system using LCA : Campus Ås showcase

Abstract

This study evaluates the environmental performance of blackwater and organic household waste treatment in Campus Ås Showcase, located at the Norwegian University of Life Sciences, in Ås municipality, Norway. The Campus Ås Showcase is part of the SiEUGreen Project (www.sieugreen.eu) that aims to demonstrate that a combination of known and emerging technologies contributes to a more resilient and environmentally friendly urban development, with near zero emission, low water footprint and adoption of the circular economy concept. In the Campus Ås Showcase, black water and organic household waste are collected from a dormitory, which is equipped with a vacuum toilet and a grinder system for organic waste. The treatment system comprises an anaerobic digestion reactor (AD), with recovery of biogas, and post-treatment methods that aim at plant nutrient recovery. The post-treatments are liquid fertilizer production (LF), struvite precipitation (SP) and microalgae cultivation (PBR). The systems demonstrated high efficiency of treatment and recovery of nutrients. The analysis was carried out using the Life Cycle Assessment tool, described by ISO14040-44. The impact categories selected for analysis were the global warming potential (GWP), based on the 100-year potential, eutrophication potential (EP), water and energy consumption. The analysis was done for the construction and operational phase, and the fertilizer produced in the system was considered as an avoided burden of commercial fertilizer production. The results were compared to the conventional centralized treatment. The results for the construction phase assessed the environmental impacts associated with the production of the materials used in the system under study. Only the main materials for each system were accounted for in this analysis. The production process of the stainless steel is responsible for the main impacts of the construction phase. Two scenarios were evaluated. Scenario 1 comprises the AD, LF and PBR systems, and Scenario 2 includes struvite precipitation to the process. Scenario 1 presented better results in the GWP category than Scenario 2. The EP and the water consumption were similar for both scenarios. Scenario 2 consumed more energy due the addition of the struvite precipitation process. With the results, it is possible to infer that the addition of the struvite precipitation to the treatment process does not enhance the environmental performance of the system. However, it can be an interesting alternative in case the fertilizer should be transported from the production place.

The results of Scenario 1 were compared with the conventional treatment. The Nordre Follo Wastewater Treatment Plant was chosen for comparison and the operational data from the treatment plant was obtained. The anaerobic digestion treatment for organic waste is a theoretical set up. The comparative study has limitations as the technological representation of Campus Ås Showcase and the conventional system are not identical. Campus Ås Showcase demonstrated to have a better environmental performance with regards to GWP, EP and water consumption. On the other hand, the centralized system presented better results on energy consumption. In the sensitivity analysis, the impact of the volume of flushing water used in the vacuum toilet on the performance of the system was investigated for Scenario 1. Volumes of 1 l, 0.75 l, 0.5 l and 0.25 were chosen. The results of the sensitivity analysis showed that the amount of biogas recovered can be increased significantly, as a result of a longer hydraulic retention time in the AD reactor. The liquid fertilizer produced had higher concentrations and lower volumes. There was not much difference from the results achieved in Scenario 1 in the categories GWP, EP and energy consumption. The water consumption decreased from 5.13 m^3 in Scenario 1 to 3.49 m^3, in the case of 0.25 l flushing volume. Campus Ås Showcase demonstrated to be an environmentally friendly treatment process with low water consumption and of great potential for plant nutrient recovery and CO2 biofixation. To improve the system further, the biogas recovered can be used to supply heat to the AD reactor and it is also possible to complement the electricity source with solar power and decrease the tap water consumption with lower flush volume. To strengthen and validate the results of this study, it is recommended to conduct a LCA with the full-scale system once it is in full operation.

Denne studien evaluerer miljøytelsen til svartvann og organisk husholdningsavfall i Campus Ås Showcase, som ligger ved Norges miljø- og biovitenskapelige universitet, i Ås kommune. Campus Ås Showcase er en del av SiEUGreen -prosjektet (www.sieugreen.eu) som har som mål å demonstrere at en kombinasjon av kjente og nye teknologier bidrar til en mer spenstig og miljøvennlig byutvikling, med nært nullutslipp, lavt vannavtrykk og adopsjon av sirkulærøkonomikonseptet. I Campus Ås Showcase samles svart vann og organisk husholdningsavfall fra en hybel, som er utstyrt med et vakuumtoalett og et kvernsystem for det organiske avfallet. Behandlingssystemet består av en anaerob fordøyelsesreaktor (AD), med utvinning av biogass og etterbehandlingsmetoder som tar sikte på utvinning av næringsstoffer fra plantene. Etterbehandlingene er flytende gjødselproduksjon (LF), struvitutfelling (SP) og dyrking av mikroalger (PBR). Systemene demonstrerte høy effektivitet ved behandling og gjenvinning av næringsstoffer. Analysen ble utført ved hjelp av Life Cycle Assessment-verktøyet, beskrevet av ISO14040-44. Effektkategoriene som ble valgt for analyse var potensialet for global oppvarming (GWP), basert på 100-års potensial, eutrofieringspotensial (EP), vann og energiforbruk. Analysen ble utført for konstruksjons- og driftsfasen, og gjødsel som ble produsert i systemet ble sett på som en unngått byrde ved kommersiell gjødselproduksjon. Den funksjonelle enheten som er valgt for analyse av operasjonsfasen, er en populasjonsekvivalent som skal behandles i løpet av ett år. Resultatene ble sammenlignet med konvensjonell sentralisert behandling. Resultatene for byggefasen vurderte miljøpåvirkningene knyttet til produksjonen av materialene som ble brukt i systemet som studeres. Bare hovedmaterialene for hvert system ble redegjort for i denne analysen. Produksjonsprosessen for rustfritt stål er ansvarlig for de viktigste konsekvensene av byggefasen. To scenarier ble evaluert. Scenario 1 omfatter AD-, LF- og PBR -systemene, og scenario 2 inkluderer struvitutfelling til prosessen. I scenario 1 presenterte bedre resultater i GWP -kategorien enn scenario 1. EP og vannforbruket var like for begge scenariene. Scenario 2 brukte mer energi på grunn av tilførsel av struvitfellingprosessen. Med resultatene er det mulig å slutte at tilsetning av struvitfelling til behandlingsprosessen ikke forbedrer systemets miljøytelse. Imidlertid kan det være et interessant alternativ i tilfelle gjødsel skulle transporteres fra produksjonsstedet. Resultatene fra Scenario 1 ble sammenlignet med konvensjonell behandling. Renseanlegget Nordre Follo ble valgt for sammenligning og driftsdata fra renseanlegget ble innhentet. Den anaerobe fordøyelsesbehandlingen for organisk avfall er et teoretisk oppsett. Den komparative studien har begrensninger ettersom den teknologiske representasjonen av Campus Ås Showcase og det konvensjonelle systemet ikke er identiske. Campus Ås Showcase viste seg å ha en bedre miljøytelse med hensyn til GWP, EP og vannforbruk. På den annen side presenterte det sentraliserte systemet bedre resultater på energiforbruk. I sensitivitetsanalysen ble effekten av volumet av skyllevann som ble brukt i vakuumtoalettet på systemets ytelse undersøkt for scenario 1. Volum på 1 l, 0,75 l, 0,5 l og 0,25 ble valgt. Resultatene av sensitivitetsanalysen viste at mengden biogass som utvinnes kan øke betydelig, som følge av lengre hydraulisk oppbevaringstid i AD -reaktoren. Flytende gjødsel som ble produsert hadde høyere konsentrasjoner og lavere volumer. Det var ikke stor forskjell fra resultatene oppnådd i Scenario 1 i kategoriene GWP, EP og energiforbruk. Vannforbruket gikk ned fra 5,13 i Scenario 1 til 3,49 m3, ved 0,25 l skyllevolum. Campus Ås Showcase viste seg å være en miljøvennlig behandlingsprosess med lavt vannforbruk og med stort potensial for utvinning av næringsstoffer og CO2 -biofiksering. For å forbedre systemet ytterligere kan biogassen som gjenvinnes brukes til å levere varme til AD -reaktoren, og det er også mulig å komplettere strømkilden med solenergi og redusere tappevannforbruket med lavere spylevolum. For å styrke og validere resultatene av denne studien, anbefales det å gjennomføre en LCA med fullskala systemet når det er i full drift.