Evaluation of co-substrate alternatives for co-digestion of sewage sludge: Coupling plant-wide modelling with life cycle analysis
Arıtma çamurunun birlikte çürütülmesi için ilave substrat alternatiflerinin değerlendirilmesi: Tesis bazlı modelleme ve yaşam döngüsü analizinin birlikte kullanılması
- Tez No: 878591
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MUSTAFA EVREN ERŞAHİN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 83
Özet
Arıtma çamuru, atıksu arıtma tesislerinde arıtım sırasında oluşmaktadır. Çamurun anaerobik çürütme yolu ile stabilize edilmesi sonucunda biyogaz üretilir. Arıtma çamuru ve organik atıkların birlikte çürütülmesi, anaerobik çürütme yoluyla biyogaz üretimini artırabilir. Bununla beraber, birlikte çürütme yaklaşımı arıtılmış atıksu kalitesini, enerji tüketimini ve atıksu arıtma tesislerinin sera gazı emisyonlarını da etkiler. Bu nedenle, arıtma çamuru için en iyi birlikte çürütme senaryosunun seçilmesi çok boyutlu düşünülmesi gereken bir karar alma sürecine ihtiyaç duyar. Arıtma çamurunun farklı organik atıklarla birlikte çürütülmesinin yaşam döngüsü analizi daha önce literatürde araştırılmıştır. Bununla birlikte, yaşam döngüsü analizinin fazla sayıda ve tutarlı veri gereksinimi, farklı stratejilerin yüksek doğrulukta karşılaştırılmasını zorlaştırır. Bu tez çalışmasında özgün olarak, tesis bazlı modelleme ve yaşam döngüsü analizi, farklı anaerobik çürütme senaryolarının çevresel etkilerini karşılaştırmak amacıyla birlikte kullanılmıştır. Kalibre edilmiş matematiksel model, farklı işletme senaryoları için standart veri çıktıları vereceğinden, yaşam döngüsü analizi sonuçları veri tutarlılığı açısından daha güvenilir olacaktır. Bu tez ile ortaya konan bir başka yenilik de, arıtma çamurunun tekil çürütülmesi durumu ve çamurun yağ-gres ve gıda atıkları ile birlikte çürütülmesi durumunun çevresel etkilerinin birbiri ile karşılaştırılmasıdır. Tesis bazlı modelleme ve yaşam döngüsü analizinin kombine edildiği bu tez çalışması ile elde edilen sonuçlar, karar vericilerin güvenli şekilde kullanabileceği bir yöntem ortaya koymuştur. Atıksu arıtma tesislerinde atıksu arıtımı sırasında oluşan arıtma çamuru, anaerobik çürütücüler tarafından stabilize edilerek biyogaz üretilir. Üretilen biyogaz kojeneratörlerde kullanılarak enerji üretilir. Atıksu arıtma tesislerinde geri kazanılan enerjinin kullanılması, fosil yakıt tüketiminden tasarruf sağlayarak atıksu arıtma tesislerinin karbon ayak izini azaltır. Atıksu arıtma tesislerindeki anaerobik çürütücülerden biyogaz üretimi, arıtma çamuru ve organik atıkların birlikte çürütülmesiyle artırılabilir. Bu sayede düzenli depolama sahalarına gönderilen organik atık miktarı azaltılabilmektedir. Bununla birlikte, birlikte çürütme işlemi sırasında atıksu arıtma tesisi başına geri devrettirilen üst sudaki (yan akım) kirletici yükü, arıtma çamurunun tekil arıtımı sırasında oluşan üst suya kıyasla daha yüksek beklenir. Yan akımda kirletici yükündeki artışın, atıksu arıtma tesisinin deşarj kalitesi üzerinde olumsuz bir etkisi oluşturabilir. Ayrıca anaerobik çürütücüye gelen substrat miktarının artması, atıksu arıtma tesisi işletim maliyetlerini artırabilir ve sera gazı emisyonlarını etkileyebilir. Bu nedenle, arıtma çamurunun tekil veya birlikte arıtımına karar verme aşamasında; atıksu kalitesi, enerji üretimi ve sera gazı emisyonu faktörlerinin bir arada değerlendirilmesi önem arz etmektedir. Yaşam döngüsü analizi, atıksu arıtma tesislerinin çevre üzerindeki etkilerini tahmin etmeye yönelik kullanılan bir araçtır. Farklı senaryolar yaşam döngüsü analizi yaklaşımıyla kapsamlı bir şekilde değerlendirilebildiğinden, özellikle karar vermede yararlı olmaktadır. Yaşam döngüsü analizinin başlıca dezavantajları fazla sayıda veri gereksinimi ve verilerin yüksek oranda tutarlı olması gerekliliğidir. Tesis bazlı modelleme, çeşitli senaryoların (atıksu özellikleri, işletme koşulları vb.) atıksu arıtma performansı üzerindeki etkilerini belirlemek için kullanılan bir araçtır. Tesis bazlı modellemenin çıktıları, farklı senaryolar için aynı miktarda ve kalitede veri sağlayacağından, yaşam döngüsü analizi ile tesis bazlı modellemenin birlikte kullanılması, yaşam döngüsü analizinin fazla ve tutarlı veri ihtiyacını karşılayabilecektir. Bu tez çalışması, tesis bazlı modelleme ve yaşam döngüsü analizinin birlikte kullanımı yaklaşımıyla, arıtma çamurunun tekil çürütülmesinin ve farklı organik atıklarla birlikte çürütülmesinin çevresel etkilerini karşılaştırmayı amaçlamaktadır. Bu çalışmanın sonuçları, entegre arıtma çamuru ve organik atık yönetimi geliştirilmesine yardımcı olacaktır. Tez kapsamında, arıtma çamurunu anaerobik çürütme ile stabilize eden tam ölçekli bir evsel atıksu arıtma tesisi matematiksel olarak modellenmiştir. Kullanılan model, atıksu kalitesi, biyogaz miktarı ve tesisin enerji tüketimini içeren gerçek tesis verileriyle kalibre edilmiştir. Kalibrasyon çalışması sonrasında, farklı organik atıklarla birlikte çürütme senaryoları test edilerek; model çıktısı olarak elde edilen atıksu kalitesi, biyogaz miktarı, bertaraf edilen çamur keki miktarı ve sera gazı emisyonları yaşam döngüsü analizi için girdi olarak kullanılmıştır. • Temel senaryoda (S0), arıtma çamuru anaerobik olarak çürütülmüştür (tekil çürütme). • İlk senaryoda (S1), arıtma çamuru, atıksu arıtma tesisi ön arıtma ünitesinde toplanan yağ ve gres ile birlikte çürütülmüştür. • İkinci senaryoda (S2), arıtma çamuru, atıksu arıtma tesisi dışından temin edilen gıda atığı ile birlikte çürütülmüştür. Yağ-gres ve gıda atıkları, yüksek organik içeriğe sahip oldukları için birlikte çürütme prosesi için ilave substrat olarak seçilmiştir. Tüm senaryolar yaşam döngüsü analizi kullanılarak yapılan değerlendirmeler neticesinde; iklim değişikliği, ozon tabakasının incelmesi, ötrofikasyon, asidifikasyon, insan toksisitesi (kanser ve kanser dışı), solunum inorganikleri, iyonlaştırıcı radyasyon, ekotoksisite, fotokimyasal ozon oluşumu, arazi kullanımı ve kaynak tükenmesi üzerindeki çevresel etkiler dikkate alınarak en iyi senaryo seçilmiştir.
Özet (Çeviri)
Sewage sludge is an inevitable byproduct produced during the wastewater treatment process in wastewater treatment plants (WWTPs). As wastewater flows through the various treatment stages, solids settle out and accumulate as sludge. When this sludge undergoes stabilization through anaerobic digestion, biogas—a mixture primarily composed of methane and carbon dioxide—is produced as a valuable byproduct. Biogas can be harnessed as a renewable energy source, contributing to the energy needs of the WWTP and potentially supplying excess energy to the grid. Enhancing biogas production through the co-digestion of sewage sludge with organic waste is a promising strategy, as it can significantly boost the efficiency of anaerobic digestion. Co-digestion involves the addition of organic wastes, such as fat, oil, grease (FOG), and food waste (FW), to the sewage sludge. These organic wastes typically have high methane potential due to their rich organic content, thus increasing the overall biogas yield. However, the co-digestion process is complex and multifaceted. It affects various aspects of WWTP operations, including effluent quality, energy consumption, and greenhouse gas (GHG) emissions. Therefore, selecting the optimal co-digestion scenario for sewage sludge involves careful consideration of multiple factors to ensure a balance between enhanced biogas production and the operational and environmental impacts. Life cycle assessment (LCA) is a widely used method to evaluate the environmental impacts of co-digestion processes comprehensively. Various studies have examined the LCA of co-digesting sewage sludge with different organic wastes. Nevertheless, the LCA approach demands extensive and consistent data, making it challenging to compare different management strategies with high accuracy. This thesis introduces a novel approach by coupling plant-wide modeling with LCA to create a robust tool for comparing the environmental impacts of different anaerobic digestion scenarios. A calibrated mathematical model for a WWTP can generate standardized data outputs for various operational scenarios, thus enhancing the reliability of LCA results in terms of data consistency. Additionally, this thesis offers a unique comparison of the environmental impacts of mono-digestion of sewage sludge versus co-digestion with FOG and FW. This integrated approach will provide decision-makers with a comprehensive tool, combining plant-wide modeling and LCA, to facilitate informed decision-making. The comparison aims to identify the most environmentally sustainable and operationally efficient strategy for WWTPs. In WWTPs, the sewage sludge produced during wastewater treatment is stabilized by anaerobic digesters, generating biogas. This biogas can be used in co-generators to produce energy, which in turn reduces the carbon footprint of WWTPs by decreasing fossil fuel consumption. By co-digesting sewage sludge with organic waste, biogas production can be significantly increased. This not only boosts energy recovery but also reduces the amount of organic waste that ends up in sanitary landfills. Diverting organic waste from landfills is beneficial as it reduces the production of landfill gases, primarily methane, which is a potent GHG. However, the co-digestion process is not without its challenges. The pollutant load of the supernatant resulting from co-digestion is likely higher than that from mono-digestion. This higher pollutant load can negatively impact the discharge quality of the WWTP, requiring additional treatment processes to meet regulatory standards. Additionally, increasing the substrate amount in the anaerobic digester elevates the cost of the stabilization process and influences the GHG emissions from WWTPs. Therefore, there is a delicate balance between effluent quality, energy production, and GHG emissions when choosing between mono-digestion and co-digestion of sewage sludge. LCA is a powerful tool to estimate the environmental impacts of WWTPs and is particularly useful for decision-making, as it allows for the comprehensive evaluation of different scenarios. Despite its advantages, LCA's main drawback is its intense data requirement. Plant-wide modeling, on the other hand, is employed to determine the effects of various scenarios, such as changes in wastewater characteristics and operational conditions, on wastewater treatment performance. By coupling LCA with plant-wide modeling, this thesis aims to address the data intensity and consistency issues associated with LCA, providing a more reliable and holistic assessment tool. The thesis focuses on comparing the environmental impacts of mono-digestion of sewage sludge with co-digestion involving different organic wastes, using a coupled plant-wide modeling and LCA approach. The findings are intended to aid decision-makers in developing integrated sewage sludge and organic waste management strategies. Such integrated management is crucial for optimizing the environmental and operational performance of WWTPs, ensuring sustainable and efficient waste treatment and energy recovery. To achieve this, a full-scale municipal WWTP that stabilizes sewage sludge through anaerobic digestion was mathematically modeled. The model was calibrated using actual plant data, including effluent quality, biogas production, and energy consumption. Various co-digestion scenarios with different organic wastes were then tested. The model's outputs, including effluent quality, biogas production, the amount of disposed sludge cake, and GHG emissions, were used as inputs for the LCA. In the base scenario (S0), sewage sludge underwent anaerobic digestion alone (mono-digestion). In the first scenario (S1), sewage sludge was co-digested with FOG collected from the preliminary treatment unit of the WWTP. In the second scenario (S2), sewage sludge was co-digested with food waste brought from outside the WWTP. FOG and food waste were chosen for co-digestion due to their high organic content, which is expected to enhance biogas production significantly. The best scenario was selected by considering a range of environmental impact categories, including climate change, ozone depletion, eutrophication, acidification, human toxicity (both cancer and non-cancer related), respiratory inorganics, ionizing radiation, ecotoxicity, photochemical ozone formation, land use, and resource depletion. Each scenario was evaluated using LCA to determine its overall environmental impact, thereby identifying the most sustainable and efficient approach for WWTPs. This comprehensive evaluation ensures that the selected co-digestion strategy not only enhances biogas production but also minimizes negative environmental impacts, leading to a more sustainable wastewater treatment process.
Benzer Tezler
- Evaluation of biogas production as a source of renewable energy through co-digestion of agricultural residues and poultry manure
Biyogaz üretiminin yenilenebilir enerji kaynağı olarak tavuk gübresi ve tarımsal atıklarla oluşturulan birleşik çürütme ile değerlendirilmesi
NEFİSE PINAR GÖL
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
EnerjiBoğaziçi ÜniversitesiÇevre Teknolojileri Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. BURAK DEMİREL
PROF. DR. TURGUT T. ONAY
- Sn esaslı anotların elektrokimyasal yöntemlerle üretilmesi ve lityum iyon bataryalarda kullanımlarının değerlendirilmesi
Production of sn based anodes via electrochemical method and their evaluation of usage of Sn based anodes in lithium ion batteries
BURÇİN BİLİCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZGÜL KELEŞ
- Developing approaches and in vitrosystems for studying and promotingangiogenesis and for regenerativemedicine applications
Başlık çevirisi yok
SERKAN DİKİCİ
- Kuvvetli atıkların yukarı akışlı havasız filtrelerde arıtım kinetiği
Kinetics of strong waste treatment by anqerobic upflow filters
M.ATALAY TİMUR
- Fabrication and characterization of pcl-nha composite scaffolds by using non-solvent induced phase separation technique in bone tissue engineering
Kemik dokusu mühendisliğinde solvent olmayan indüklenmiş faz ayırma tekniği kullanarak pcl-nha kompozit iskeleme fabrikasyonu ve karakterizasyonu
MEHMET SERHAT AYDIN