Towards circular economy in wastewater management : Environmental impacts, benefits and drawbacks of improved nutrient recovery and recycling by source separation

Abstract

Due to the growing need for phosphorus and nitrogen in food production, more attention needs to be paid for the efficient recovery and safe recycling of wastewater nutrients and organic matter back to agriculture. Source separation of household wastewaters has emerged as an efficient way to recover these nutrients. This can be accomplished by collecting and treating nutrient-rich and nutrient-poor wastewater separately. The nutrients can be recovered in a plant-available form without being mixed with harmful substances from sources other than toilet water. In addition, nutrient recovery is technically easier when the nutrients are undiluted and thus present in higher concentrations.

The objective of this dissertation was to analyze the life cycle environmental impacts, advantages and drawbacks, of wastewater management to improve nutrient recovery by source separation in urban, peri-urban and rural areas. Moreover, the limitations of life cycle assessment (LCA) in assessing the environmental impacts of nutrient recovery and recycling were analyzed.

The results indicate a substantial increase in the nutrient recovery potential with source separation of wastewaters in urban, peri-urban and rural areas compared to conventional wastewater treatment systems. In urban areas, the source separation of wastewater would allow up to ten times higher nitrogen recovery compared to the conventional system. In rural areas, the source separation of wastewater would bring even greater benefits. Phosphorus recovery could be improved 3-5 times and nitrogen recovery over 30 times.

Moreover, improved recovery and recycling of nutrients by source separation would reduce the climate impact of wastewater treatment in urban areas by about half, but the climate impact in rural areas would remain at the same level. Source separation of wastewater would also reduce eutrophication of water bodies, especially in rural areas. Instead, acidifying emissions may increase.

However, the actual environmental benefits of improved nutrient recovery and recycling require the realization of avoided emissions, which rely strongly on the decisions made in the planning and design of the system and on the policies and decisions made in the society. LCA offers a good tool to support planning, decision making, and policy related to nutrient recycling. However, the LCA methodology still needs further development and accepted rules to take into account the impacts of carbon content of organic matter in recycled nutrients.

Tackling the inefficiencies of nutrient recovery and recycling promotes the transition towards circular economy and carbon neutrality in wastewater management. Source separation of wastewaters offers one way to accomplish these. Source separation allows for more efficient nutrient recycling and supports the self-sufficiency of fertilizers. This requires that the nutrients are recovered and processed into safe end products. To realize the nutrient potential and environmental benefits of the agricultural use of wastewater-based nutrients, policy support and careful planning from a life-cycle perspective are needed.

Ruuan tuotannolle välttämättömien ravinteiden, fosforin ja typen, kasvavan tarpeen vuoksi tulee kiinnittää enemmän huomiota jäteveden ravinteiden talteenottoon ja turvalliseen kierrätykseen. Kotitalouksien jätevesien syntypaikkaerottelu (erotteleva sanitaatio, jätevesien erilliskeräys) on todettu tehokkaaksi tavaksi ottaa talteen jäteveden ravinteita kasveille käyttökelpoisessa muodossa. Jätevesien erottelu voidaan toteuttaa keräämällä ja käsittelemällä erikseen ravinnerikkaat (käymälävesi) ja ravinneköyhät jätevedet (harmaa vesi). Samalla voidaan vähentää ravinteisiin päätyviä haitta-aineita. Lisäksi ravinteiden talteenotto on teknisesti helpompaa, kun ravinteet ovat suurempina pitoisuuksina.

Tämän väitöskirjan tavoitteena oli arvioida jätevesien ravinteiden talteenoton tehostamista jätevesiä erottelemalla, sen elinkaarisia ympäristövaikutuksia, etuja ja haittoja kaupunki- ja haja-asutusalueilla. Lisäksi työn tavoitteena oli analysoida elinkaariarvioinnin (LCA) menetelmällisiä rajoituksia ravinteiden talteenoton ja kierrätyksen ympäristövaikutuksien arvioinnissa.

Väitöskirjan tulokset osoittavat, että jätevesien erottelulla voidaan tehostaa ravinteiden talteenottoa huomattavasti sekä haja-asutusalueella että kaupunkialueilla tavanomaiseen käsittelyyn verrattuna. Kaupunkiympäristössä jätevesien erottelu mahdollistaisi jopa yli kymmenen kertaa suuremman typen talteenoton. Haja-asutusalueella jätevesien erottelulla saavutettaisiin vielä suurempi hyöty. Fosforin talteenotto voisi tehostua noin 3-5 kertaa suuremmaksi ja typen yli 30 kertaa suuremmaksi tavanomaiseen käsittelyyn verrattuna.

Tulosten mukaan ravinteiden tehokkaampi talteenotto ja kierrättäminen jätevesiä erottelemalla vähentäisi kaupunkialueilla jätevedenkäsittelyn ilmastovaikutuksia noin puoleen, mutta haja-asutusalueella vaikutukset pysyisivät arviolta samalla tasolla. Jätevesien erottelu vähentäisi myös vesistöjä rehevöittäviä vaikutuksia, erityisesti haja-asutusalueella. Sen sijaan happamoittavat päästöt voivat kasvaa.

Tehokkaammalla ravinteiden talteenotolla saavutettujen ympäristöhyötyjen toteutuminen edellyttää usein vältettyjen päästöjen (energia, ravinteet) toteutumista, joka on voimakkaasti riippuvainen sekä erottelevan järjestelmän suunnittelusta ja toteutuksesta että yhteiskunnassa toteutettavasta politiikasta ja päätöksenteosta. LCA-menetelmä soveltuu hyvin suunnittelun työkaluksi sekä päätöksenteon tueksi ravinteiden kierrätyksessä. Menetelmä vaatii kuitenkin vielä kehitystä ja yhteisesti sovittuja käytäntöjä, erityisesti kierrätyslannoitteiden sisältämän orgaanisen aineksen vaikutusten sisällyttämiseksi.

Jätevesien ravinteiden talteenoton ja kierrätyksen tehostaminen jätevesiä erottelemalla edistää vesihuollon kiertotaloutta ja hiilineutraaliutta. Ravinteiden tehokkaampi talteenotto jätevesistä vahvistaa myös huoltovarmuutta. Talteen otettujen ravinteiden kierrätys takaisin maatalouteen kuitenkin edellyttää, että ravinteet jalostetaan turvallisiksi lopputuotteiksi. Ravinnepotentiaalin ja ympäristöhyötyjen saavuttaminen edellyttää poliittista tukea jätevesipohjaisten ravinteiden maatalouskäytölle sekä huolellista suunnittelua elinkaarinäkökulma huomioiden.