Ökobilanzierung und Lebenszykluskostenanalyse für zentrale und dezentrale Abwasseraufbereitungsanlagen in Thailand

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 14540 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Diese Forschung untersucht die Kosteneffizienz von vier Schlammbehandlungsszenarien für zentrale (C) und dezentrale (D) Abwasserbehandlungsanlagen (WWTP) mithilfe einer Lebenszykluskostenanalyse (LCCA). Die Umweltauswirkungen und Kosten werden von Stepwise2006 quantifiziert. Die ökologisch und finanziell rentabelste Option für den Bau einer Kläranlage für Bangkok, Thailand (2022–2031) wird anhand der LCCA und des Nettobarwerts (NPV) ermittelt. Die Umweltkosten von D-Behandlungsszenarien sind niedriger als die von C-Behandlungsszenarien. Die gesamten Umweltkosten von C- und D-Düngerszenarien sind niedriger als die von C- und D-Entwässerungsszenarien. Der Netto-Cashflow pro Funktionseinheit ist bei C-Kläranlagen höher als bei D-Kläranlagen. Das C-Dünger-Szenario ist aufgrund des niedrigsten LCCA-Defizits (-5,58 THB2020 pro m3 behandeltes Abwasser) das ökologisch und wirtschaftlich sinnvollste Behandlungsszenario. Daher sollte die Kompostierung zur Behandlung von Schlamm eingesetzt werden. Die ökologisch und finanziell rentabelste Option für den Bau von Kläranlagen ist Option I (Bau von vier C-WWTPs innerhalb von 10 Jahren), da sie das niedrigste LCCA-Defizit (−19925 Mio. THB2020) und den geringsten finanziellen Verlust (NPV = −6309,96 Mio. THB2020) aufweist. Im Wesentlichen sollte die lokale Verwaltung der Hauptstadt Option I als Richtlinie bei der Formulierung der Abwasserbehandlungsmanagementpolitik für den Zeitraum 2022–2031 übernehmen.

Das schnelle Bevölkerungswachstum und die Urbanisierung tragen zu einem steigenden Bedarf an Abwassersammlung und -behandlung bei. In städtischen Gebieten wird Haushaltsabwasser gesammelt und in einer zentralen (C) oder dezentralen (D) Abwasseraufbereitungsanlage (WWTP) behandelt. Das C-Abwassermanagement umfasst typischerweise ausgedehnte Kanalnetze, ein komplexes und effizientes Abwassersammelsystem, Standardbehandlungstechnologie und eine hohe Behandlungseffizienz. Bei der D-Abwasserbewirtschaftung hingegen wird Haushaltsabwasser in der Nähe der Quelle mithilfe modularer Subsysteme gesammelt und behandelt, wodurch der Bau komplexer Kanalnetze überflüssig wird, was wiederum die Flexibilität des Systems erhöht1.

Eine Reihe von Faktoren beeinflussen die Investitionsentscheidung zwischen C- und D-Abwassermanagementsystemen, z. B. die Versorgung des Abwassernetzes, die Landnutzungsmöglichkeiten, die Verfügbarkeit von Fachpersonal sowie die finanzielle und technische Leistungsfähigkeit2. Daher wird in vielen Entwicklungsländern angesichts der finanziellen Engpässe die D-Abwasserbewirtschaftung als wirtschaftlich sinnvolle Alternative zur C-Abwasserbewirtschaftung angesehen.

Die Bau- und Betriebskosten von D-Abwasserbehandlungsanlagen variieren stark, abhängig von der Anzahl und der Anordnung der modularen Teilsysteme. Darüber hinaus sind die Gesamtkosten des D-Aufbereitungssystems, das mit großen modularen Subsystemen ausgestattet ist, aufgrund des geringeren Betriebs- und Wartungsbedarfs des D-Aufbereitungssystems im Allgemeinen niedriger als die des C-Abwasseraufbereitungssystems. Darüber hinaus besitzen die gut konzipierten D-modularen Subsysteme einen Kostenvorteil gegenüber dem C-Abwassermanagement3.

Life cycle thinking focuses on the environmental and socio-economic impacts of a product or service through the entire lifecycle (2022)." href="/articles/s41598-022-18852-y#ref-CR4" id="ref-link-section-d86418223e369"> 4. Die Ökobilanz (LCA) konzentriert sich normalerweise auf Umweltauswirkungen, z. B. menschliche Toxizität, Ökotoxizität, globale Erwärmung, Eutrophierung und Ressourcenverknappung, und besteht aus vier Schritten: (1) Definition der Systemgrenzen, Funktionseinheiten und Annahmen, (2) Leben Zyklusinventur (LCI), (3) Lebenszyklusfolgenabschätzung (LCIA) und (4) Interpretation5,6. Für die wirtschaftlichen Auswirkungen berücksichtigen die Lebenszykluskosten (LCC) den Netto-Cashflow, also die Einnahme- und Ausgabenquellen, während die Lebenszykluskostenbewertung (LCCA) die LCC- und Umweltkosten berücksichtigt7.

Bestehende LCA-Studien, die das Konzept der Lebenszykluskosten (LCC) berücksichtigen, sind in Tabelle 1 aufgeführt. Im Wesentlichen konzentrieren sich die vorhandenen Studien hauptsächlich auf zentralisierte Abwasserbehandlungssysteme, z. B. Awad et al.8, Tabesh et al.9, Polruang et al .10, Bertanza et al.11. Unterdessen untersuchten Lorenzo-Toja et al.12, Lorenzo-Toja et al.13 sowohl C- als auch D-Abwasserbehandlungssysteme im Hinblick auf LCA und LCC.

Es gibt jedoch keine Forschung, die die C- und D-Abwasserbehandlungssysteme mit LCCA vergleichend untersucht. Diese aktuelle Forschung ist somit die erste, die das LCCA-Konzept anwendet, um das C- und D-Abwassermanagement vergleichend zu untersuchen.

Konkret sind die Ziele dieser Forschung: (1) die vergleichende Untersuchung der Umweltauswirkungen und -kosten durch LCA und der Kostenwirksamkeit durch LCCA der C- und D-biologischen Abwasserbehandlungssysteme unter vier Schlammbehandlungsszenarien (C-Entwässerung, C-Dünger, D-Entwässerung, D-Dünger); und (2) Ermittlung des kostengünstigsten Schlammbehandlungsszenarios mit den geringsten Umweltauswirkungen und dem höchsten Netto-Cashflow. Darüber hinaus ermittelt diese Studie auch die ökologisch und finanziell optimale Option für den Bau einer Kläranlage für die thailändische Hauptstadt Bangkok zwischen 2022 und 2031 im Hinblick auf LCCA und Nettobarwert.

Abbildung 1 zeigt den gesamten Forschungsrahmen und die Methodik der vier Schlammbehandlungsszenarien und der vier Optionen für den Bau von Kläranlagen.

Der allgemeine Forschungsrahmen und die Methodik von (A.) vier Schlammbehandlungsszenarien und (B.) vier Optionen für den Bau von Kläranlagen.

Die Systemgrenze erstreckt sich über den Lebenszyklus von der Wiege bis zur Bahre und umfasst den Bau, die Sammlung und den Transport von Abwasser über Rohrleitungen zu Kläranlagen, den Behandlungsbetrieb, die Systemwartung und die Schlammbewirtschaftung. Die Systemgrenze schließt den Anlagenabriss aufgrund der Nichtverfügbarkeit thailändischer Daten aus. Die Funktionseinheit (FU) ist ein Kubikmeter (m3) behandeltes Abwasser. Das Abwasser erfüllt die Anforderungen an die Abwassernormen der Regulierungsbehörde des Landes23. Daten zu den Eigenschaften von Zu- und Abwasser stammen aus den Jahren 2016–2017.

Thailands Hauptstadt Bangkok verfügt derzeit über acht zentralisierte Kläranlagen (d. h. Bangsue, Chatuchak, Chongnonsi, Dindaeng, Nongkaem, Rattanakosin, Sipraya und Thungkru) und zwölf dezentrale Kläranlagen (d. h. Bangbua, Bangna, Bonkai, Huai-khwang, Hua-mark). ). , Khlong Chan, Khlong Toei, RamIntra, Romklao, Thasai und Tungsonghong I und II).

Abbildung 2 zeigt zwei zentralisierte (C) Schlammbehandlungsszenarien: C-Entwässerungs- und C-Dünger-(Zersetzungs-)Behandlungsszenarien und zwei dezentrale (D) Schlammbehandlungs-Szenarien: D-Entwässerungs- und D-Dünger-(Zersetzungs)-Behandlungsszenarien.

Durchschnittliche Bestandsdaten zentraler und dezentraler Schlammbehandlungsszenarien: C-Entwässerung, C-Dünger, D-Entwässerung und D-Dünger.

The 2016–2017 average inventory data of the centralized (i.e., C-dewatering and C-fertilizer) and decentralized sludge treatment scenarios (D-dewatering and D-fertilizer) are also respectively provided in Fig. 2 and Table SI-1 of Supplementary Information (SI) (2018)." href="/articles/s41598-022-18852-y#ref-CR24" id="ref-link-section-d86418223e1529"> 24. In der Analyse konzentriert sich diese Studie auf die bestehenden acht zentralen Kläranlagen und sieben (von 12) dezentralen Kläranlagen, da die verbleibenden dezentralen Kläranlagen entweder vorübergehend wegen Renovierung geschlossen wurden oder Daten fehlen. Die durchschnittliche Kapazität der zentralen und dezentralen Kläranlagen beträgt 139.000 bzw. 2357 m3 pro Tag. Die Nutzungsdauer der Kläranlagen und Kanalnetze wird mit 30 Jahren angenommen.

Die Luftemissionen werden nach den Richtlinien des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen und der US-amerikanischen Umweltschutzbehörde25,26 berechnet. Bei den zentralen Kläranlagen wird der Schlamm als Nebenprodukt der Abwasserbehandlung anaerob zu Biogas vergärt und zur Düngemittelgewinnung zersetzt. In den dezentralen Kläranlagen hingegen wird der Schlamm durch Entwässerung zu trockenen organischen Abfällen aufbereitet. Aufgrund der Nichtverfügbarkeit von Daten ist der Betrieb der anaeroben Vergärung von dieser Studie ausgeschlossen.

Entwässerung ist ein mechanischer Prozess zur Trennung fester von flüssigen Teilen, um den Feuchtigkeitsgehalt des Schlamms zu verringern27. In dieser Studie sind alle zentralen und dezentralen Kläranlagen mit dem Eindicksystem ausgestattet, um den Schlammfeuchtigkeitsgehalt um bis zu 3 % zu reduzieren27. Nach der Eindickung wird der Schlamm für die zentrale Abwasserbehandlung per LKW zur Kläranlage Nongkeam transportiert, wo er in Biogas und Dünger umgewandelt (d. h. zersetzt) wird. Bei der dezentralen Abwasserbehandlung hingegen wird der Schlamm sonnengetrocknet und zur Aufschüttung des Landes (also zur Entwässerung) verwendet.

In the decomposition, 70% sludge and 30% organic matter are composted by the windrow method to improve the quality of compost (2018)." href="/articles/s41598-022-18852-y#ref-CR24" id="ref-link-section-d86418223e1562">24. Laut Seleiman et al28 enthält Schlamm 25,77, 12,98 und 3,40 g Stickstoff, Phosphor und Kalium pro kg Trockenmasse.

Diese aktuelle Forschung basiert auf der LCI-Konsequenzmodellierung. Bei der Entwässerung wird der Schlamm zum Auffüllen des Bodens verwendet, während der Schlamm als Ersatz für chemische Düngemittel für die Zersetzung verwendet wird.

Der LCI von vier Schlammbehandlungsszenarien (C-Entwässerung, C-Dünger, D-Entwässerung, D-Dünger) wird mithilfe von Stepwise2006 von SimaPro auf der Grundlage der ecoinvent-Datenbank auf die Umweltauswirkungen bewertet. Tabelle SI-2 von SI enthält die Details der mittleren Wirkungskategorien in der Stepwise2006-Methode. Diese Forschung konzentriert sich auf vierzehn Umweltauswirkungen, darunter Toxizität für den Menschen (Karzinogene), Toxizität für den Menschen (nicht Karzinogene), aquatische Ökotoxizität, terrestrische Ökotoxizität, globale Erwärmung (fossile), organische Stoffe der Atemwege, anorganische Stoffe der Atemwege, photochemisches Ozon, Versauerung, aquatische Eutrophierung und terrestrische Auswirkungen Eutrophierung, Naturbesatzung, nicht erneuerbare Energien und Mineraliengewinnung. Alle Umweltauswirkungen werden in drei Schadenskategorien eingeteilt: Auswirkungen auf das Ökosystem, das menschliche Wohlergehen und die Erschöpfung der Ressourcen. Darüber hinaus werden die Auswirkungen auf das Ökosystem in atmosphärische, lithosphärische und hydrosphärische Auswirkungen unterteilt.

The environmental costs are determined by Stepwise monetary weighting factors that detail in Table SI-3 of SI29,30 and converted into the year 2020 Thai currency (THB2020) (2020)." href="/articles/s41598-022-18852-y#ref-CR31" id="ref-link-section-d86418223e1594">31 unter Verwendung der Kaufkraftparität (KKP) (d. h. PPPUS$2002 und PPPTHB2002) und des thailändischen Bruttoinlandsprodukts (BIP)-Deflatorindex von 2002 und 2020. Die Einzelheiten der Währungsumrechnung sind in Tabelle SI-4 von SI aufgeführt.

Gemäß ISO14044:20065 hat die Sensitivitätsanalyse das Ziel, die Zuverlässigkeit der Endergebnisse zu beurteilen. Erstens ist der Stromverbrauch der Hauptverursacher der Umweltauswirkungen32. Daher wird davon ausgegangen, dass alle Schlammbehandlungsszenarien (C-Entwässerung, C-Dünger, D-Entwässerung, D-Dünger) den Stromverbrauch erfolgreich um 10 % senken können, 20 %, und 30 %. Darüber hinaus gibt es Hinweise darauf, dass die Wahl der LCIA-Methode die Ergebnisse der Umweltauswirkungen beeinflusst33. Daher führt diese Forschung auch die Sensitivitätsanalyse der vier Schlammbehandlungsszenarien (C-Entwässerung, C-Dünger, D-Entwässerung, D-Dünger) bei einem um 10 %, 20 % und 30 % reduzierten Stromverbrauch durch CML-IA-Basis- und ReCiPe-Methoden auf Mittelpunktebene, zusätzlich zu Stepwise2006.

In the LCCA, the source of revenue (or cash inflow) is the sale of decomposed sludge fertilizer which is priced at 2 THB/kg. For the expenditures (or cash outflow), the construction costs, including the costs of collection system, treatment plant, and dewatering system, are gleaned from publicly available data and prior publications34,35,36. The operation and maintenance (O&M) costs include the costs of electricity, water supply, chemical reagents, sludge treatment, and administrative overheads, e.g., wage, management fee (Department of Drainage and Sewerage (2018)." href="/articles/s41598-022-18852-y#ref-CR24" id="ref-link-section-d86418223e1638">24.

The construction and O&M costs are converted into the 2020 Thai baht (THB2020) based on the purchasing power parity (PPP) and gross domestic product (GDP) deflator index (2020)." href="/articles/s41598-022-18852-y#ref-CR31" id="ref-link-section-d86418223e1647">31. Der KKP- und BIP-Deflatorindex wird verwendet, um Unterschiede zwischen den drei Währungen (US-Dollar, EUR und thailändischer Baht) und mehreren Zeiträumen auszugleichen.

Die LCCA von vier Schlammbehandlungsszenarien (C-Entwässerung, C-Dünger, D-Entwässerung, D-Dünger) bringen ihren jeweiligen Mittelzu- und -abfluss sowie die Umweltkosten mit sich. In dieser Untersuchung weist das kostengünstigste Schlammbehandlungsszenario den größten LCCA-Überschuss bzw. das kleinste LCCA-Defizit auf.

The current total capacity of the centralized and decentralized WWTPs in the capital Bangkok is 1,112,000 and 25,000 m3 per day, respectively. The new centralized WWTP in Minburi district is currently under construction and expected to be complete in 2022, with the maximum wastewater treatment capacity of 10,000 m3 per day. In 2021, all the existing WWTPs combined are capable of treating only 68.33% of Bangkok's municipal wastewater, given the per-capita daily wastewater generation of 0.2 m3 (2017)." href="/articles/s41598-022-18852-y#ref-CR37" id="ref-link-section-d86418223e1670">37 und die Bevölkerung von 8,39 Millionen38.

By 2027, the population of Thailand's capital Bangkok is projected to be 8.48 million, with the wastewater generation of around 1.70 million m3 per day. According to Department of Drainage and Sewerage (2018)." href="/articles/s41598-022-18852-y#ref-CR24" id="ref-link-section-d86418223e1683">24,Japan International Cooperation Agency34, it takes two years to construct a centralized WWTP at the cost of 3358.27 million THB2020; and one year for a decentralized WWTP at the cost of 118.95 million THB2020. An annual budget of around 4500 million THB2020 is set aside for the construction of new WWTPs (Department of Drainage and Sewerage (2018)." href="/articles/s41598-022-18852-y#ref-CR24" id="ref-link-section-d86418223e1698">24.

Angesichts der Budgetbeschränkungen und Kapazitätsbeschränkungen von Kläranlagen sollte sich die Bangkok Metropolitan Administration (BMA) bis 2031 für eine ökologisch und wirtschaftlich optimale Anzahl zukünftiger zentraler und dezentraler Kläranlagen entscheiden, die der Nachfrage und dem Angebot der kommunalen Abwasserbehandlung entsprechen. Die Umwelt- und Finanzkosten der vier Schlammbehandlungsszenarien (C-Entwässerung, C-Dünger, D-Entwässerung, D-Dünger) werden verwendet, um die optimale kombinierte Anzahl zentraler und dezentraler Kläranlagen für den Bau zu bestimmen (d. h. Optionen I, II). , III und IV).

In finance, net present value (NPV) is used in capital budgeting and investment planning to determine the profitability of an investment project. Mathematically, NPV is the present value of the future cash flows, discounted at the required rate of return, minus the initial investment. In this research, the discount rate or required rate of return is 10%, given that the discount rate of public infrastructure projects in developing countries is around 10%39. For the planned WWTPs to be constructed in the capital Bangkok, the sources of revenue are fee from wastewater treatment and sale of decomposed sludge fertilizer, while the expenditures include the O&M and environmental costs, excluding the construction cost since the WWTPs are public infrastructure projects funded from state coffers. The wastewater treatment fee is 2 THB2020 per m3 wastewater (2020)." href="/articles/s41598-022-18852-y#ref-CR40" id="ref-link-section-d86418223e1716">40. Auch diese Studie geht davon aus, dass die BMA 80 % der Gebühr für gereinigtes Abwasser einziehen könnte.

Abbildung 1 zeigt die vier Optionen für den Bau von Kläranlagen für den Zeitraum 2022–2031: Bau von vier zentralen Kläranlagen (Option I), Bau von drei zentralen und 60 dezentralen Kläranlagen (Option II), Bau von zwei zentralen und 127 dezentralen Kläranlagen (Option III) und Bau einer zentralen und von 194 dezentralen Kläranlagen (Option IV).

Wie in Abb. 2 dargestellt, ist der durchschnittliche Input der zentralen Behandlung (C-Entwässerung und C-Dünger), einschließlich Strom, Polymer, Polymertransport und Wasserversorgung, höher als der der dezentralen Behandlung (D-Entwässerung und). D-Dünger). Unterdessen ist die durchschnittliche Leistung der zentralen Behandlung, einschließlich der Luft- (CO2, CH4) und Wasseremissionen (BSB, Gesamt-P), aufgrund der höheren Behandlungseffizienz der zentralen Kläranlagen niedriger. Die direkten Treibhausgasemissionen (THG) der zentralen Behandlung sind geringer als die der dezentralen Behandlung. Allerdings sind die indirekten Treibhausgasemissionen (dh der Stromverbrauch) der zentralen Behandlung höher. Höhere Schwermetalle in den zentralen Behandlungsszenarien sind auf die höhere Schlammbildung bei der zentralen Behandlung als bei der dezentralen Behandlung zurückzuführen.

Table 2 shows the contribution analysis results in terms of the environmental impacts of the four sludge treatment scenarios (C-dewatering, C-fertilizer, D-dewatering, D-fertilizer). Under all treatment scenarios, electricity consumption contributes negatively to almost all environmental impact categories, except for human toxicity (non-carcinogens), aquatic ecotoxicity, and aquatic eutrophication. Human toxicity (non-carcinogens) and aquatic ecotoxicity are inversely correlated to heavy metals in sludge, while aquatic eutrophication is inversely correlated to effluent quality. Electricity consumption of C-dewatering and C-fertilizer is the main contributor of mineral extraction, while the main contributor of mineral extraction of D-dewatering and D-fertilizer is tap water consumption. The mechanical aeration is responsible for the lion's share of the electricity cost in wastewater treatment10,16,32. The electricity consumption of the centralized treatment scenarios (0.873 kWh/m3 treated wastewater) is greater than the decentralized treatment scenarios (0.363 kWh/m3 treated wastewater). The average electricity consumption of 22 WWTPs in Spain (0.36 kWh/m3 treated wastewater)12 is lower that both centralized and decentralized treatment scenarios of this study. In comparison with Arashiro et al.21, the electricity consumption and sludge of the decentralized treatment in this study is lower. All of the environmental impacts, excluding aquatic eutrophication, of the centralized treatment scenarios are higher than the decentralized treatment scenarios. The aquatic eutrophication of the centralized treatment scenarios is lower than the decentralized treatment scenarios. This is attributable to lower total phosphorus in the effluent of the centralized treatment scenarios (0.73 g total P per m3 treated wastewater), compared to that of the decentralized treatment scenarios (1.52 g total P per m3 treated wastewater). In comparison with dewatering, sludge decomposition (i.e., for fertilizer) generates lower environmental impacts. According to Seleiman et al.28,Kominko et al.41, sludge is rich in nutrients that are beneficial for crop growth without contaminating groundwater and agriculture produce. However, in this current research, the heavy metals in sludge fertilizer, including copper, cadmium and mercury, exceed the regulatory limits on organic fertilizer standards42. To minimize food-related toxicity in human, the authorities thus stipulate that sludge fertilizers should be used in ornamental plants (Department of Drainage and Sewerage (2018)." href="/articles/s41598-022-18852-y#ref-CR24" id="ref-link-section-d86418223e1795">24.

Abbildung 3 vergleicht die gesamten Umweltkosten von vier Schlammmanagementszenarien (C-Entwässerung, C-Dünger, D-Entwässerung, D-Dünger). Die gesamten Umweltkosten des C-Entwässerungsszenarios sind am höchsten (1,69 THB2020 pro m3 behandeltes Abwasser), während die des D-Dünger-Szenarios am niedrigsten sind (0,70 THB2020 pro m3 behandeltes Abwasser). Von allen vier Szenarien machen die Auswirkungen auf das Ökosystem den größten Anteil der Umweltkosten aus (0,52–1,01 THB2020 pro m3 behandeltes Abwasser oder 59,98–73,71 % der gesamten Umweltkosten), und der größte Anteil der Auswirkungen auf das Ökosystem ist der atmosphärische Einfluss (0,35–0,90 THB2020 pro m3 behandeltes Abwasser oder 50,16–56,17 % der gesamten Umweltkosten). Die Auswirkungen aller Szenarien auf das Ökosystem und das menschliche Wohlergehen decken mehr als 90 % der gesamten Umweltkosten ab. Die gesamten Umweltkosten der zentralen Schlammbehandlungsszenarien (C-Entwässerung und C-Dünger) sind höher als die der dezentralen Schlammbehandlungsszenarien (D-Entwässerung und D-Dünger). Die gesamten Umweltkosten der Entwässerungsszenarien (1,69 und 0,83 THB2020 pro m3 behandeltes Abwasser für C-Entwässerung und D-Entwässerung) sind höher als die der C- und D-Dünger-Szenarien (1,47 und 0,70 THB2020 pro m3 behandeltes Abwasser).

Gesamtumweltkosten und drei Schadenskategorien von vier Schlammmanagementszenarien.

Die Sensitivitätsanalyse ergab vernachlässigbare Unterschiede in den Umweltauswirkungen zwischen den C- und D-Entwässerungsszenarien angesichts der Reduzierung des Stromverbrauchs um 10 %, 20 % und 30 %. Für die C- und D-Düngemittelszenarien beeinflussen Schwermetalle, Stickstoff und Phosphor im Schlamm die Kategorien Humantoxizität, Ökotoxizität, Eutrophierung und Ressourcen gemäß den Methoden Stepwise2006, CML-IA-Basislinie und ReCiPe. Die Ergebnisse stimmen mit denen von Heimersson et al.43,Niero et al.44,Renou et al.45 überein.

Abbildung 4 stellt die Einnahmen und Ausgaben der vier Schlammbewirtschaftungsszenarien (C-Entwässerung, C-Dünger, D-Entwässerung, D-Dünger) dar. Die Einnahmen aus dem Verkauf von Schlammdünger im C- und D-Dünger-Szenario betragen 0,29 bzw. 0,25 THB2020 pro m3 behandeltes Abwasser. Bei den Ausgaben sind die Bau- und Betriebs- und Betriebskosten der zentralisierten Behandlungsszenarien (2,21 und 2,20 THB2020 pro m3 behandeltes Abwasser) niedriger als die der dezentralen Behandlungsszenarien (4,28 und 7,55 THB2020 pro m3 behandeltes Abwasser). In dieser Studie sind die gesamten finanziellen Kosten der zentralen Schlammbehandlungsszenarien (C-Entwässerung und C-Dünger) höher als die der dezentralen Schlammbehandlungsszenarien (D-Entwässerung und D-Dünger). Der Befund widerspricht jedoch Jung et al.3.

Mittelzufluss und Mittelabfluss von vier Schlammbehandlungsszenarien im thailändischen Baht2020.

The construction costs of the existing decentralized treatment scenarios are higher than the centralized treatment scenarios since most of the existing decentralized WWTPs in Thailand were constructed more than three decades and have treated wastewater using energy-inefficient technology, e.g., mechanical aerations46. The decentralized treatment scenarios are classified by the demand for electricity as the small general service and the centralized treatment scenarios as the large general service (2018)." href="/articles/s41598-022-18852-y#ref-CR24" id="ref-link-section-d86418223e2686">24. The electricity cost (THB per kWh) of the small general service (or the decentralized treatment scenarios) of 1.21 THB2020 per m3 treated effluent was higher than that of the large general service (or the centralized treatment scenarios) of 0.70 THB2020 per m3 treated effluent (2021)." href="/articles/s41598-022-18852-y#ref-CR47" id="ref-link-section-d86418223e2699">47. Der Verwaltungsaufwand, z. B. Lohn, Verwaltungsgebühr, der dezentralen Behandlungsszenarien (6,33 THB2020 pro m3 behandeltes Abwasser) ist höher als die zentralisierten Behandlungsszenarien (1,46 THB2020 pro m3 behandeltes Abwasser).

Abbildung 5 zeigt die LCCA-Ergebnisse der vier Schlammmanagementszenarien (C-Entwässerung, C-Dünger, D-Entwässerung, D-Dünger). Die LCCA der zentralen Behandlungsszenarien (C-Entwässerung und C-Dünger) (−6,09 bzw. −5,58 THB2020 pro m3 behandeltes Abwasser) sind höher als die der dezentralen Szenarien (D-Entwässerung und D-Dünger) (−12,67). bzw. −12,29 THB2020 pro m3 behandeltes Abwasser). Die LCCA der C- und D-Düngemittelszenarien (−5,58 bzw. −12,29 THB2020 pro m3 behandeltes Abwasser) sind höher als die der C- und D-Entwässerungsszenarien (−6,09 bzw. −12,67 THB2020 pro m3 behandeltes Abwasser). ). Die Betriebs- und Wartungskosten der dezentralen Behandlungsszenarien (D-Entwässerung und D-Dünger) machen 59,61–60,24 % des gesamten Mittelabflusses aus (d. h. die Baukosten (33,80–34,16 %), die Umweltkosten (5,60–6,59 %) und die Betriebs- und Wartungskosten). , im Gegensatz zu den zentralen Behandlungsszenarien (C-Entwässerung und C-Dünger), bei denen die Bau-, Betriebs- und Wartungskosten 36,23–37,59 %, 36,06–37,41 % bzw. 25–27,71 % des gesamten Mittelabflusses ausmachen.

LCCA von vier Schlammbehandlungsszenarien im thailändischen Baht2020.

Für die kostengünstigsten Schlammbehandlungsszenarien ist das C-Dünger-Szenario angesichts der höchsten Einnahmen und des niedrigsten Gesamtmittelabflusses das ökologisch und wirtschaftlich sinnvollste Szenario. Im Vergleich dazu sind die Umweltkosten der Schlammzersetzung (C- und D-Düngemittelszenario) geringer als die der Entwässerung (C- und D-Entwässerungsszenario). Mittlerweile sind die Netto-Cashflows der Schlammzersetzung größer als die der Entwässerung.

Abbildung 6 zeigt die LCCA-Ergebnisse der vier Optionen für den Bau von Kläranlagen (d. h. Optionen I, II, III und IV) für den Zeitraum 2022–2031. Die jährlichen Gesamtkosten der vier Optionen sind aufgrund höherer Mittelabflüsse und Umweltkosten im Vergleich zum Mittelzufluss negativ. Das LCCA-Defizit von Option I ist am niedrigsten (-19.925 Millionen THB2020), gefolgt von Option II (-23.613 Millionen THB2020).

LCCA der vier Kläranlagenbauoptionen in Millionen thailändischer Baht2020.

Die Kapitalwerte der vier Optionen für den Bau von Kläranlagen sind in den Tabellen SI-5 bis SI-8 der SI aufgeführt. Die negativen Kapitalwerte sind auf einen geringeren Mittelzufluss (Einnahmen) gegenüber dem Mittelabfluss (Ausgaben) zurückzuführen. Der finanzielle Verlust, gemessen am Kapitalwert, ist bei Option I am geringsten (-6309,96 Millionen THB2020), gefolgt von Option II (-6938,15 Millionen THB2020). Mittlerweile liegt die derzeitige Abwasserbehandlungsgebühr für Einwohner Bangkoks von 2 THB2020 pro m3 Abwasser 3,5-mal unter der erforderlichen Mindestgebühr.

Option I für den Bau von Kläranlagen, die den Bau von vier zentralen Kläranlagen innerhalb von 10 Jahren zwischen 2022 und 2031 umfasst, ist angesichts des niedrigsten LCCA-Defizits (−19925 Millionen THB2020) und des geringsten finanziellen Verlusts die ökologisch und wirtschaftlich optimale Option für den Bau von Kläranlagen für die Hauptstadt Bangkok (NPV = −6309,96 Millionen THB2020).

Die Forschungsergebnisse zeigen, dass der Stromverbrauch in allen vier Schlammbehandlungsszenarien den Hauptverursacher fast aller Umweltauswirkungen darstellt. Alle Umweltauswirkungen der dezentralen Behandlungsszenarien, mit Ausnahme der aquatischen Eutrophierung, sind geringer als die der zentralisierten Behandlungsszenarien. Die gesamten Umweltkosten des D-Düngemittelszenarios sind am niedrigsten (0,70 THB2020 pro m3 behandeltes Abwasser), während die des C-Entwässerungsszenarios am höchsten sind (1,69 THB2020 pro m3 behandeltes Abwasser). Der größte Anteil der Umweltkosten entfällt auf die Auswirkungen auf das Ökosystem aller vier Szenarien (59,98–73,71 % der gesamten Umweltkosten). Die Umweltkosten der dezentralen Behandlungsszenarien sind niedriger als die der zentralisierten Behandlungsszenarien. Die gesamten Umweltkosten von C- und D-Düngerszenarien sind niedriger als die von C- und D-Entwässerungsszenarien.

Die finanziellen Gesamtkosten der zentralisierten Behandlungsszenarien (C-Entwässerung und C-Dünger) sind höher als die der dezentralen Behandlungsszenarien (D-Entwässerung und D-Dünger). Die Bau- und Betriebs- und Wartungskosten der dezentralen Behandlungsszenarien sind höher als die der zentralisierten Behandlungsszenarien. Das LCCA-Defizit (einschließlich Einnahmen, Ausgaben und Umweltkosten) des C-Dünger-Szenarios ist am geringsten. Darüber hinaus ist das C-Dünger-Szenario angesichts der höchsten Einnahmen und niedrigsten Ausgaben das ökologisch und wirtschaftlich sinnvollste Behandlungsszenario. Konkret sollte die Kompostierung zur Schlammbehandlung eingesetzt werden.

Die ökologisch und finanziell optimale Option für den Bau von Kläranlagen besteht darin, zwischen 2022 und 2031 vier zentrale Kläranlagen zu errichten (Option I), da das LCCA-Defizit (−19925 Mio. THB2020) am niedrigsten ist und der finanzielle Verlust (NPV = −6309,96 Mio. THB2020) am geringsten ist. Im Wesentlichen sollte die Bangkok Metropolitan Administration, die lokale Regierung der Hauptstadt Bangkok, Option I als Richtlinie bei der Formulierung der Abwasserbehandlungsmanagementpolitik von 2022–2031 übernehmen.

Die Autoren erklären, dass die Bestandsdaten und die Ergebnisse dieser Studie im Artikel und in den Zusatzinformationen verfügbar sind.

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Die Autoren möchten der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Kasetsart-Universität ihren großen Dank für die Unterstützung der SimaPro-Software aussprechen.

Abteilung für Umweltingenieurwesen, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Kasetsart-Universität, Bangkok, 10900, Thailand

Rutjaya Prateep Na Talang, Sanya Sirivithayapakorn und Sucheela Polruang

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RP: Gestaltung der Arbeit, Analyse, Untersuchung, Interpretation der Daten und Schreiben – Originalentwurf. SS: Konzeptualisierung und Supervision. SP: Konzeptualisierung, Ressourcen, Interpretation von Daten und Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten.

Korrespondenz mit Sucheela Polruang.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Prateep Na Talang, R., Sirivithayapakorn, S. & Polruang, S. Bewertung der Auswirkungen auf den Lebenszyklus und Bewertung der Lebenszykluskosten für zentrale und dezentrale Abwasseraufbereitungsanlagen in Thailand. Sci Rep 12, 14540 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-18852-y

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Eingegangen: 22. April 2022

Angenommen: 22. August 2022

Veröffentlicht: 25. August 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-18852-y

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