Life cycle assessment of anaerobic digestion for the organic fraction of municipal solid waste
Kentsel katı atıkların organik kısmının anaerobik çürütülmesi prosesi yaşam döngüsü analizi
- Tez No: 895522
- Danışmanlar: PROF. DR. FATOŞ GERMİRLİ BABUNA, DOÇ. DR. BURÇİN ATILGAN TÜRKMEN
- 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: 89
Özet
Üretilen evsel katı atık (MSW) miktarındaki artış, toplumları koordineli atık yönetim planları uygulamaya zorlamaktadır. Aynı zamanda, artan hacimlere paralel olarak belediye atıklarının içeriği de çeşitlenmektedir. Plastik, kâğıt, metal, cam, gıda ve yeşil atıklar, insanlar tarafından günlük olarak üretilen karışık atıkların ana bileşenleridir. Tüm türler arasında en büyük pay karbon bazlı malzemeler olan organiklere aittir. Tasarlanmış bir süreçle, organik atıklardan biyolojik olarak metanizasyon yoluyla enerji üretilebilir. Anaerobik çürütme olarak adlandırılan bu süreç, organik atıkların sürdürülebilir bir şekilde yönetilmesi için yaygın olarak kullanılan yöntemlerden biridir. Bunun aksine, düzenli depolama veya yakma gibi diğer alternatif yönetim yolları, organiklerin değerli kısmının (metan) neredeyse israf edildiği daha doğrusal çözümler sunmaktadır. Türkiye'de; Türkiye İstatistik Kurumu'na göre, 2022 yılına kadar, toplanan kentsel katı atıkların %61'i çoğunlukla düzenli depolama sahalarında bertaraf edilmektedir. Karışık toplama nedeniyle, organik kısım diğer atık türleriyle karışmakta ve bu nedenle verimli bir geri kazanım gerçekleşmeden bertaraf edilmektedir. Ancak döngüsel bir zihniyet, atığı kaynak olarak görmeyi gerektirmektedir. Organiklerin atık olarak bertaraf edilmesi bir yana, depolama sahası gazının toplanması gibi kısmi geri kazanım bile potansiyel göz önünde bulundurulduğunda yeterli değildir. Nitekim son yıllarda ülkeler düzenli depolama sahasına gönderilen atıkların azaltımı konusunda hedefler belirlemektedir. Kentsel katı atıkların organik kısmı (KKAOK) için sürdürülebilir yönetim, ilgili makamlar için önemli bir endişe kaynağı olmalıdır. Anaerobik çürütme uygun yöntemlerden biri olarak düşünülebilir. Temelde bu yöntem, doğada gerçekleşen mevcut süreci taklit eden bir mühendislik sistemine dayalıdır. Kontrollü koşullarda mikroorganizmalar yardımıyla enerji üretimi gerçekleşir. Türkiye'de toplanan kentsel katı atıkların yaklaşık yarısı, enerji üretimi için önemli bir potansiyele sahip olan organik maddelerden oluşmaktadır. Bu çalışma, Türkiye'nin en büyük şehirlerinden birinde toplanan organik atık yönetimini içermektedir. Bir milyondan fazla nüfusa sahip olan Sakarya, günde 1500 ton evsel katı atık üretmektedir. Toplanan atıkların tamamı Sakarya Entegre Katı Atık Yönetim Tesisi 'ne (SEKAY) gönderilmektedir. Söz konusu karışık atıklardan her gün yaklaşık 300 ton organik madde tesisteki mekanik ayrıştırma ünitelerinde ayrıştırılmaktadır. Bunlara ek olarak, park - bahçe, tarımsal faaliyetlerden kaynaklanan atıklar, tavuk gübresi veya arıtma çamuru, son kullanma tarihi geçmiş gıdalar vb. gibi harici organikler tesiste bulunan üç anaerobik çürütücüye beslemektedir. Bahsedilen organikler çeşitli mikroorganizma grupları tarafından parçalandıktan sonra besin açısından zengin sıvı fermente ürün ve enerji açısından zengin biyogaz ortamda elementel oksijen olmadan üretilir. Açığa çıkan metan gazı boru hatları aracılığıyla toplanır ve gaz balonunda depolanır. Ana hedef elektrik üretmek olduğundan, tüm süreç elektriğin üretildiği ve şehir şebekesine aktarıldığı gaz motorlarında sonlandırılır. Isı da sürecin bir diğer değerli çıktısıdır. Biyolojik faaliyetlerin belirli sıcaklık ihtiyaçları nedeniyle çürütücüler tesiste üretilen ısı ile harici olarak ısıtılmaktadır. Çalışmanın tüm verileri SEKAY'ın Nisan 2022 ile Nisan 2023 tarihleri arasındaki bir yıllık anaerobik çürütme faaliyetlerinden elde edilmiştir. Kayıtlara göre, çürütücülere günde ortalama 300 ton organik madde beslenmekte ve 112 MW elektrik üretilmektedir. Bu çalışmanın temel amacı, anaerobik çürütme sürecinin çevresel sürdürülebilirliğinin yaşam döngüsü yaklaşımıyla değerlendirilmesidir. Yaşam döngüsü değerlendirmesi (YDD) yazılım tabanlı bir süreç modelleme aracı olarak tanımlanabilir. Yöntem, sistemin olası çevresel etkilerini derlemek için tüm malzeme ve enerji girdi-çıktı verilerini kullanır. Bu çalışmada, tüm hesaplamalar ve analizler SEKAY'da üretilen 1 KWh elektriğe karşılık gelen bir fonksiyonel birime göre yapılmıştır. KKAOK'dan 1 KWh elektrik üretmenin çevresel yükü, ISO 14040/14044'te sunulan standart çerçeveye sahip Gabi yazılımı ile analiz edilmiştir. Her kaynak ve emisyon, değerlendirmeye dahil edilen etki kategorilerinden bir veya daha fazlasına tahsis edilir. Dolayısıyla, bu çalışma CML 2001 metodu kullanarak belirtilen etki kategorilerine odaklanmıştır: küresel ısınma potansiyeli (KIP), abiyotik tükenme potansiyeli-element (ATP element), abiyotik tükenme potansiyeli-fosil (ATP fosil), asitleşme potansiyeli (AP), ötrofikasyon potansiyeli (ÖP), insan toksisite potansiyeli (İTP), deniz sucul ekotoksisite potansiyeli (DSEP), ozon tükenme potansiyeli (OTP), karasal ekotoksisite potansiyeli (KETP), tatlı su sucul ekotoksisite potansiyeli (TSETP), fotokimyasal ozon oluşturma potansiyeli (FOOP). Nihayetinde, atıktan enerji teknolojilerine sahip fikirler, zorunlu atık yönetimi meselesini başka bir sürdürülebilir seviyesine yükseltmek etrafında şekillenmektedir. Bu olumlu bir girişim olsa da, önemli istenmeyen sonuçlar da doğurabilir. 'Değerinden daha fazla sorun' yaşamamak için; yetkililer tarafından belirli önlemler alınmalıdır. Bu nedenle, sürecin çevresel yükleri öncelikle değerlendirilmeli ve uygun şekilde ele alınmalıdır. Sonuç olarak, bu çalışma, atık yönetimi sektörüne hem çevresel hem teknik fırsatlar sağlamak amacıyla KKAOK'nın anaerobik çürütülmesinin etkilerini belirlemek için tasarlanmıştır. Anaerobik çürütme prosesi çalışmasının YDD 'sinden elde edilen sonuçlar göstermiştir ki; biyokütle hazırlama, anaerobik çürütmr, biyogaz temziliği, birleşik ısı ve güç üretimi, suszlaştırma ve kompostlaştırmayı içeren operasyonel faaliyetler kümülatif olarak yüksek etkilere sahipken; reaktörler, birleşik ısı ve güç ünitesi ve kompost tesisinin inşasını psayan inşaat faaliyetleri, kentsel katı atıkların organik kısmı (KKAOK) yönetiminde operasyonel faaliyetlere kıyasla daha düşük ancak önemli etkilere sahiptir. Operasyonel faaliyetler 11 etki kategorisinden 8'inde daha büyük sonuçlar verirken inşaat faaliyetleri ATP Element, İTP ve KETP etki kategorilerinde sistemin yükünü artıtmıştır. İncelenen tüm etki kategorileri için operasyonel faaliyetler arasında en büyük yükün birleşik ısı ve güç ünitesine atfedildiği analizler sonucu saptanmıştır. Birleşik ısı ve güç üretiminde 0,25 kg CO2 eş değeri küresel ısınma potansiyeli ve 0,87 MJ'lük abiyotik tükenme potansiyeli-fosil ise dikkate haiz ekti kategorileridir. Öte yandan anaerobik çürütme prosesi sistemin tümünde İTP (-0,02 kg DHB eşdeğeri), FOOP (-0,00004 kg eten eşdeğeri) ve KETP (-0,0002 kg DHB eşdeğeri) etki kategorilerinde olumlu mahiyette negatif yük oluşturan yegâne faaliyettir. Biyogaz temizleme faaliyeti bu etki kategorileri hariç diğer tüm kategorilerde operasyonel olarak en düşük etkiye sahiptir. Detaylar incelendiğinde, AD sürecinin çeşitli aşamalarındaki elektrik tüketimi, ulusal şebeke içeriği nedeniyle dikkate değer bir olumsuz çevresel etkiye sahiptir. Bu nedenle, ulusal şebeke, biyoenerji ve güneş enerjisi gibi farklı elektrik kaynaklarını içeren daha ileri bir duyarlılık analizi yapılması gerekli görülmüştür. Sonuçlar, henüz yetersiz yenilenebilir kaynak içeriği nedeniyle en az çevre dostu kaynağın ulusal şebeke olduğunu ortaya koymuştur. Tesisin gerçek durumu ve gelecekteki olasılıklar göz önünde bulundurularak, fermantasyon çıktısının sıvı kısmının özel olarak inşa edilmiş lagünlerde depolanması ve biyogazın saflaştırılması (iyileştirilmesi) senaryoları da değerlendirilmiştir.
Özet (Çeviri)
An increase in the quantity of generated municipal solid waste (MSW) compel societies to implement coordinated waste management plans. At the same time, municipal waste's composition diversifies in tandem with increased volumes. Plastic, paper, metal, glass, food and green waste are the main constituents of comingled waste generated by people on daily basis. Among all types, the biggest portion belongs to organics which are carbon-based materials. With a designed process, organic waste can generate energy through methanisation biologically. The process called anaerobic digestion, is one of commonly used methods to managing organic waste in a sustainable manner. On contrary, other alternative management ways such as landfilling or incineration offers more linear solutions that valuable parts of the organics (methane) are nearly wasted. In Türkiye; along 2022, according to Turkish Statistical Institute, 61% of collected municipal solid waste is mostly disposed in landfill sites. Due to commingled collection, organic fraction is mixed with other type of wastes and therefore disposed off without efficient recovery. However, a circular mindset necessitates considering waste to be handled as a source. Far from disposing organics as waste; partial recovery even like collecting landfill gas, is not adequate when the potential is considered. As a matter of fact, countries are setting targets about landfill diversion in recent years. Sustainable management for the organic fraction of municipal solid waste (OFMSW) need to be a top concern for relevant authorities. Anaerobic digestion can be considered one of the suitable methods. Principally, it imitates the natural decomposition procedure in an engineered systematic process. It produces energy with the help of microorganisms in controlled conditions. In Türkiye nearly half of the MSW collected comprise organics which have considerable potential for energy generation. The scope of this study comprises organic waste management in one of the biggest cities in Türkiye. With its more than one million populations, Sakarya generates 1500-ton municipal solid waste per day. The whole collected waste is transferred to Sakarya Integrated Solid Waste Management Plant (SEKAY). From mentioned mixed waste, every day nearly 300 tons of organics are separated through mechanical separation units in the facility. In addition to those, external organics such as waste from recreational, agricultural activities, chicken manure or waste sludge, expired foods etc. are fed to three anaerobic digesters of the plant. Mentioned organics are degraded by various microorganism groups then nutrient-rich digestate and energy-rich biogas are produced without elemental oxygen. Released methane gas is collected via pipelines and stored in the gas balloon. As the main target is producing electricity, whole process is ended in gas engines where electricity is generated and transferred to the city grid. Heat is also another outcome of the process. Due to certain temperature needs of biological activities, the digesters are externally heated with the heat produced at the facility. The study's entire set of data is obtained from SEKAY's one-year interval anaerobic digestion operations from April 2022 to April 2023. According to records, an average of 300 tons of organic is fed into digesters and 112 MW of electricity is produced per day. The objective of this study is to evaluate the environmental sustainability of the anaerobic digestion process with a life cycle approach. The life cycle assessment (LCA) can be defined as a software-based process modeling tool. The method uses all material and energy input-output data to compile possible environmental impacts of the system. In this study, all calculations and analyses are done corresponding to a functional unit which is 1 kWh of electricity produced in SEKAY. The environmental burdens of producing 1 kWh of electricity from OFMSW are analyzed with Gabi software which has the standard framework presented in ISO 14040/14044. Every resource and emission is allocated to one or more of the impact categories included in the assessment. Thus, by utilizing the CML (Centre of Environmental Science at Leiden University) 2001 method, this study focused on impact categories of global warming potential (GWP), ADP abiotic depletion potential-elements (ADP elements), abiotic depletion potential-fossil (ADP fossil), acidification potential (AP), eutrophication potential (EP), human toxicity potential (HTP), marine aquatic ecotoxicity potential (MAEP), ozone depletion potential (ODP), terrestrial ecotoxicity potential (TETP), freshwater aquatic ecotoxicity potential (FAETP), human toxicity potential (HTP), photochemical ozone creation potential (POCP). Eventually, ideas having waste to energy technologies circle around escalating obligatory waste management issues into another sustainability level. Not to have 'more trouble than it's worth' situation; precautions must be taken by authorities. Therefore, the process's environmental burdens should primarily be assessed and addressed appropriately. To conclude, the present study was designed to identify the impacts of anaerobic digestion of OFMSW with the aim of providing both environmental and technical opportunities to waste management sector. Results attained from LCA of anaerobic digestion (AD) study indicate that the biggest burden is attributed to the combined heat and power (CHP) unit. Whereas operational activities have higher impacts cumulatively, construction of the AD plant, CHP unit, composting facility has a significant effect which increases the total influence of organic fraction of municipal solid waste (OFMSW) management. Once the specifics are examined, electricity consumption on various points of the AD process has a noticeable negative environmental impact due to national grid content. In this manner, it is deemed necessary to conduct further sensitivity analysis which includes different electricity sources: national grid, bioenergy and solar. The results revealed that the least environmentally friendly source is the national grid due to its yet insufficient renewable source content. By taking into consideration of facility's real situation and future possibilities, storing liquid digestate in specially constructed lagoons and purifying (upgrading) biogas scenarios are also assessed.
Benzer Tezler
- Environmental and economic assessment of zero waste management
Sıfır atık yönetiminin çevresel ve ekonomik sonuçlarının değerlendirilmesi
KADRİYE ELİF MAÇİN
Doktora
İngilizce
2023
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OSMAN ATİLLA ARIKAN
DOÇ. DR. ANDERS DAMGAARD
- KOMPOZİT TUBULAR ELEKTROT KULLANILAN MİKROBİYAL YAKIT HÜCRESİNDE BİYOBOZUNUR ATIKLARDAN ELEKTRİK ENERJİSİ ÜRETİMİ
ELECTRICITY GENERATION FROM BIODEGRADABLE WASTES IN MICROBIAL FUEL CELL USING TUBULAR COMPOSITE ELECTRODES
ARDA KARLUVALI
Doktora
Türkçe
2016
BiyoteknolojiYıldız Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BESTAMİ ÖZKAYA
- 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
EMİRCAN KARA
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA EVREN ERŞAHİN
- Life cycle impact assessment of an anaerobic digester plant for organic wastes generated from a university campus in Istanbul
İstanbul'da bulunan bir üniversitenin organik atıkları ile çalışan anaerobik çürütme tesisinin yaşam döngüsü etki analizi
MERVE TUNALI
- Determination of biogas potential of banana harvestingwaste and environmental life cycle assessment of utilizingstem waste for banana production in greenhouses in Türkiye
Muz atıklarının biyogaz potansiyelinin belirlenmesi ve Türkiye'deki muz üretimi için kullanılmasının çevreselyaşam döngüsü değerlendirmesi
KARDELEN AFRODİT ADSAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OSMAN ATİLLA ARIKAN
DOÇ. DR. FEHMİ GÖRKEM ÜÇTUĞ