Geri Dön

Life cycle assessment of package and ultrafiltration systems and four disinfection technologies for a full-scale water treatment plant

Tam ölçeklı̇ bı̇r su arıtma tesı̇sı̇ ı̇çı̇n paket ve ultrafı̇ltrasyon sı̇stemlerı̇ ı̇le dört dezenfeksı̇yon teknolojı̇sı̇nı̇n yaşam döngüsü değerlendı̇rmesı̇

PDF İndir

  1. Tez No: 898767
  2. Yazar: MEHMET ZAHİD DEMİR
  3. Danışmanlar: PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 117

Özet

Artan küresel nüfus, temel bir insan ihtiyacı olan yeterli içme suyuna acil erişim ihtiyacının altını çizmektedir. Birleşmiş Milletler tarafından da kabul edildiği üzere, güvenli ve temiz içme suyuna erişim temel bir insan hakkıdır ve hükümetleri bu hakkı sağlamakla yükümlü kılar. Bu ihtiyacı karşılamak için su kaynağına bağlı olarak çeşitli arıtma ve dezenfeksiyon yöntemleri kullanılmaktadır. Bu süreçlerde kullanılan malzeme ve ekipmanlar farklı sektörlerden temin edilmekte ve kullanım sonrasında atılmakta, bu da potansiyel olarak doğal kaynakların tükenmesi, emisyonlara ve atık oluşumu gibi önemli çevresel sonuçlara yol açmaktadır. Bu çevresel etkileri kapsamlı bir şekilde değerlendirmek için Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi mevcut en kapsamlı ve hassas metodolojilerden biridir. Günümüzde içme suyu kalitesinin iyileştirilmesine yönelik yaklaşımlar temel olarak fiziksel ve kimyasal süreçlerin yanı sıra bunların birlikte kullanılmasına dayanmaktadır. Paket arıtma sistemleri, suyu hem fiziksel hem de kimyasal süreçler kullanarak önceden inşa edilmiş arıtma tankları aracılığıyla arıtarak geleneksel tesislere göre çeşitli avantajlar sunmaktadır. Bu sistemler nispeten düşük ilk yatırım maliyeti, minimum alan ihtiyacı, hızlı kurulum ve işletme kolaylığı ile karakterize edilir. Ayrıca, bu sistemlerde kullanılan malzemeler geri dönüştürülebilir ve çevresel etkilerini azaltır. Buna karşılık, ultrafiltrasyon sistemleri daha az kimyasal kullanımı, minimum alan gereksinimi, operasyonel basitlik ve kapasite genişletme potansiyeli gibi avantajlar sağlayan fiziksel süreçlere dayanır. Arıtma yöntemi ne olursa olsun, tüketiciye sağlıklı ve güvenli içme suyu sağlamak için suyun dezenfeksiyonu esastır. İçme suyunun insan tüketimi açısından güvenli kabul edilebilmesi için patojen mikroorganizmalardan arındırılmış olması gereklidir. Yaygın su dezenfeksiyon teknikleri arasında klorlama ve ozonlama gibi kimyasal yöntemler, ultraviyole (UV) gibi fiziksel yöntemler, gelişmiş oksidasyon işlemleri ve elektrokimyasal yöntemler yer almaktadır. UV çok çeşitli mikroorganizmalara karşı etkili olması ve kullanımının kolay olması nedeniyle giderek daha fazla tercih edilmektedir. Ekonomik açıdan bakıldığında, yüksek yatırım ve işletme maliyetleri nedeniyle ozon hariç, kimyasal dezenfeksiyon yöntemleri genellikle daha uygun maliyetlidir. UV sistemlerinin kullanımı artmakla birlikte, nispeten yüksek yatırım maliyetine rağmen çeşitli UV kaynaklarını kullanan tesislerin sayısı her geçen gün artmaktadır. Bu tezin amacı, Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi metodolojisini kullanarak gaz klor, ultraviyole ve ozonun yanı sıra paket arıtma ve ultrafiltrasyon su arıtma sistemleri de dahil olmak üzere en yaygın kullanılan dezenfeksiyon sistemlerinin çevresel etkilerinin karşılaştırmalı bir analizini sunmaktır. Bu çalışma, çevresel açıdan sürdürülebilir su arıtma ve dezenfeksiyon alternatifleri arayışında karar vermeyi kolaylaştırmak amacıyla, hem su arıtma hem de su dezenfeksiyon sistemleriyle ilişkili ekolojik sonuçların kapsamlı bir şekilde anlaşılmasını sağlamayı amaçlamaktadır. Karşılaştırmalar ISO 14040“Çevre yönetimi - Yaşam döngüsü değerlendirmesi - İlkeler ve çerçeve”standardının adımları takip edilerek yapılmıştır. ISO 14040, LCA çalışmalarında uygulanacak adımları ve bunların nasıl olması gerektiğini belirtirken, ISO 14044“Çevre yönetimi - Yaşam döngüsü değerlendirmesi - Gereklilikler ve kılavuz”bu adımları detaylı olarak açıklamaktadır. Bu tezde incelenen arıtma ve dezenfeksiyon sistemleri i) Hedef ve kapsam tanımı ii) Yaşam döngüsü envanter analizi (LCI) iii) Yaşam döngüsü etki değerlendirmesi (LCIA) ve iv) Yaşam döngüsü yorumlama aşamalarını içermektedir. Çevresel etki hesaplamaları için kullanılan veriler saha ziyaretleri, literatür ve piyasa araştırması yoluyla toplanmıştır. Toplanan veriler fonksiyonel birime (functional unit) göre düzenlenmiş ve hesaplama sürecinde kullanılmıştır. Çevresel etki değerlerinin hesaplanmasında, ReCiPe LCA metodolojisi ile birlikte 18 etki kategorisini değerlendirmek için bir LCA yazılımı olan SimaPro kullanılmıştır. Tez kapsamında incelenen su arıtma ve dezenfeksiyon sistemlerinin sonuçları analiz edilmiş ve sonuçlar tez konusu doğrultusunda literatürdeki mevcut çalışmalarla karşılaştırılmıştır. Modellemede kullanılan veriler iki grup altında toplanmıştır. Birinci grubu ön plan verileri (foreground data) ve ikinci grubu ise arka plan verileri (background data) oluşturmaktadır. Ön plan verileri, bir ürünün yaşam döngüsünün sistem sınırı içindeki süreçlerden doğrudan toplanan spesifik, birincil verileri ifade eder. Bu veriler genellikle doğrudan ölçümlerden veya ayrıntılı şirket kayıtlarından toplanır ve değerlendirilen belirli ürün veya sürece özgüdür. Ön plan verileri saha ziyaretleri, üretici firmalar ve işletmeciler ile direkt görüşmeler gibi çalışmalar ile toplanabilmektedir. Arka plan verileri, incelenen sistemin doğrudan kontrolü dışındaki ortalama koşulları veya süreçleri temsil eden genel verileri kapsar. Bu veriler genellikle veri tabanlarından, literatürden veya diğer ikincil kaynaklardan elde edilir ve enerji üretimi, malzeme üretimi ve atık yönetimi gibi süreçler için daha geniş bir bağlam sağlar. Arka plan verileri belirli süreç detaylarının mevcut olmadığı genel durumlarda kullanılmaktadır. Bu tez kapsamında ön plan verileri pilot içme suyu arıtma tesisine yapılan saha ziyaretleri, ekipman üreticileri ile görüşmeler, arıtma tesisi işletmecileri ile yapılan görüşmeler ve ilgili kurumun işletme kayıtları incenelerek oluşturulmuştur. Arka plan verileri ise Ecoinvent veritabanı, litereatür araştırmaları ve Amerika Çevre Ajansı (US EPA) gibi kurumların hazırlamış olduğu raporlar kullanılarak oluşturulmuştur. Su arıtma sistemleri hem işletme hem de inşaat kaynaklı çevresel etkileri açısından karşılaştırılmıştır. Paket su arıtma sistemi üretmek için ultrafiltrasyon su arıtma sistemine göre daha fazla malzeme kullanılmasına rağmen, paket arıtma sistemlerinin çevresel etkisinin tüm etki kategorilerinde daha az olduğu görülmektedir. Bunun temel nedeni, ultrafiltrasyon sistemlerinin üretiminde kullanılan malzemelerin üretiminin yüksek çevresel etkisi ve işletme için gereken yüksek enerji tüketimidir. Bir diğer önemli husus ise paket arıtma sistemlerinde kullanılan arıtma tanklarının üretiminde kullanılan malzemelerin (örn. paslanmaz çelik, galvanizli sac) kullanım ömürlerinin sonunda bertaraf edilmek yerine yeniden kullanılabilmesidir. Su arıtma sistemlerinin ön plan verileri incelen ekipmanlarında kullanılan malzemeler, içme suyu arıtma tesisinin belirlenen faydalı ömrü boyunce işletme esnasında kullanılan sarf malzemeleri, kimyasallar enerji ve arıtılan içme suyu miktarı üzerinden oluşturulmuştur. Su dezenfeksiyon sistemlerinin karşılaştırılmasında sadece işletme aşamasından kaynaklanan etkiler dikkate alınmaktadır. Su dezenfeksiyon ekipmanının üretiminden kaynaklanan çevresel etkiler hesaplamalara dahil edilmemiştir. Bunun nedeni, incelenen dezenfeksiyon ekipmanlarının üretimine ilişkin literatür bilgisi bulunmaması ve üreticilerin bu bilgileri paylaşmamasıdır. Karşılaştırılan su dezenfeksiyon ekipmanları arasında çevresel etkisi en düşük olan sistemler düşük basınçlı amalgam ultraviyole lambaların kullanıldığı UV sistemi ve gaz klor sistemi olmuştur. Ozon sistemi ve LED ultraviyole lambaları kullanan UV sistemi en yüksek çevresel etkiye sahip sistemlerdir. Bu sonucun ana nedeni işletme için gereken enerji miktarıdır. Su dezenfeksiyon sistemlerinin ön plan verileri menşe ülke, nakliye rotası ve türü, işletme için gerekli olan kimyasallar, enerji ve dezenfekte edilen içme suyu miktarı üzerinden oluşturulmuştur. Sonuçlar, su arıtma ve dezenfeksiyon proseslerinin çevresel etkilerinin, tesiste kullanılan enerji ve malzeme üretim adımlarının kaynağı açısından önemli olduğunu göstermektedir. Biri küresel elektrik üretimini kapsayan, diğeri ise yerel elektrik üretimine odaklanan iki ayrı elektrik üretim verisi seti kullanıldığında, su dezenfeksiyon sistemlerinin ekolojik etki derecelendirmesinde herhangi bir değişiklik gözlenmemiştir. Ancak, her bir etki kategorisinde hem artış hem de düşüş gösteren farklılıklar görülmüştür. Yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı, içme suyu arıtma ve dezenfeksiyon sistemlerinin çevresel etkilerini azaltacaktır.

Özet (Çeviri)

A growing global population underscores the urgent need for access to adequate drinking water, a basic human need. As recognized by the United Nations, access to safe and clean drinking water is a basic human right and obliges governments to ensure this right. To meet this need, various treatment and disinfection methods are used depending on the water source. The materials and equipment used in these processes are sourced from different sectors and discarded after use, potentially leading to significant environmental consequences such as depletion of natural resources, emissions and waste generation. To comprehensively assess these environmental impacts, Life Cycle Assessment is one of the most comprehensive and accuratemethodologies available. Today's approaches to improving drinking water quality are mainly based on physical and chemical processes as well as combination of those. Package treatment systems offer several advantages over conventional plants by treating water through pre-built treatment tanks using both physical and chemical processes. These systems are characterized by relatively low initial investment cost, minimal spatial footprint, quick installation and ease of operation. Furthermore, the materials used in these systems are recyclable, reducing their environmental impact. In contrast, ultrafiltration systems rely on physical processes which provide advantages such as reduced chemical use, minimal space requirements, operational simplicity and potential for capacity expansion. Regardless of the treatment method, disinfection of water is essential to ensure safety for consumption. Drinking water must be free of pathogenic microorganisms to be considered safe for human consumption. Common water disinfection techniques include chemical methods such as chlorination and ozonation, physical methods such as ultraviolet (UV) irradiation, advanced oxidation processes and electrochemical methods. UV irradiation is increasingly preferred because it is effective against a wide range of microorganisms and easy to use. From an economic point of view, chemical disinfection methods are generally more cost-effective, with the exception of ozone due to its high investment and operational costs. Although the adoption of UV systems has been increasing, it is supported by installations that utilize a variety of UV sources despite its relatively high investment cost. The aim of this thesis is to present a comparative analysis of the environmental impacts of the most widely used disinfection systems, including gas chlorine, ultraviolet and ozone, as well as package treatment and ultrafiltration water treatment systems, using the Life Cycle Assessment methodology. This study aims to achieve a thorough comprehension of the ecological consequences associated with both water treatment and water disinfection systems, with the objective of facilitating knowledgeable decision-making in the pursuit of environmentally sustainable water treatment and disinfection alternatives. The comparisons were made by following the steps of ISO 14040“Environmental management - Life cycle assessment - Principles and framework”standard. ISO 14040 specifies the steps to be applied in LCA studies and how they should be, and ISO 14044“Environmental management - Life cycle assessment - Requirements and guidance”explains these steps in detail. The treatment and disinfection systems examined in this thesis include phases i) Goal and scope definition ii) Life cycle inventory analysis (LCI) iii) Life cycle impact assessment (LCIA) and iv) Life cycle interpretation. The data used for the environmental impact calculations were collected through site visits, literature and market researchThe data collected were arranged in accordance with the functional unit and utilized in the computational process.. For the calculation of environmental impact values, SimaPro, an LCA software, was used to evaluate 18 impact categories together with the ReCiPe LCA methodology. The results of the water treatment and disinfection systems examined within the scope of the thesis were analyzed and the results were compared with the existing studies in the literature in line with the thesis subject. The water treatment systems were compared in terms of their environmental impacts from both operation and construction. Although more material is used to produce package water treatment system than ultrafiltration water treatment system, it is seen that the environmental impact of package treatment systems is less in all impact categories. The main reason for this is the high environmental impact of the production of materials used in the production of ultrafiltration systems and the high energy consumption required for operation. Another important aspect is that the materials used in the production of the treatment tanks used in package treatment systems (e.g. stainless steel, galvanized sheet) can be reused instead of being disposed of at the end of their useful life. The comparison of water disinfection systems considers only the impacts caused by the operational phase. Environmental impacts caused by the production of the water disinfection equipment are not included in the calculations. The reason for this is that there is no literature information about the production of the disinfection equipment examined and the manufacturers do not share this information. Among the water disinfection equipment compared, the systems with the lowest environmental impact were the UV system using low pressure amalgam ultraviolet lamps and the gas chlorine system. The ozone system and the UV system using LED ultraviolet lamps had the highest environmental impact. The main reason for this result is the amount of energy required for operation. The results show that the environmental impacts of the water treatment and disinfection processes are important for the source of the energy and material production steps used in the plant. When utilizing two separate sets of electricity generation data - one encompassing global electricity generation and the other focusing on local electricity generation - no alteration was observed in the ecological impact rating of water disinfection systems. However, variations were evident in each impact category, both showing increases and declines. The use of renewable energy sources will reduce the environmental impacts of drinking water treatment and disinfection systems.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    787154

    Exergoeconomic analysis and life cycle assessment of a combined cycle power plant

    Kombine bir çevrim santralinin eksergoekonomik analizi ve yaşam döngüsü değerlendirmesi

    AHMED EMİN KILIÇ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    EnerjiAnkara Yıldırım Beyazıt Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EROL ARCAKLIOĞLU

  2. Tez No

    666284

    Sunucu kabini üretiminde yaşam döngüsü değerlendirmesi

    Life cycle assessment in server cabinet production

    EDA CEBE ABANOZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. FATMA FATOŞ BABUNA

  3. Tez No

    199915

    Atık yönetimi planlamasında yaşam döngüsü analizi

    Life cycle analysis on waste management planning

    ZERRİN ÇOKAYGİL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2005

    Çevre MühendisliğiAnadolu Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    Y.DOÇ.DR. MÜFİDE BANAR

  4. Tez No

    840526

    Yaşam döngüsü analizi ile bir elyaf boyama tesisinin çevresel etkilerinin incelenmesi

    Nvestigation of the environmental impacts of a fiber dyeing mill with life cycle assessment

    ŞEYDA HIZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Çevre MühendisliğiHasan Kalyoncu Üniversitesi

    Çevre Bilimleri ve Enerji Yönetimi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ADEM YURTSEVER

    DOÇ. DR. AFŞIN YUSUF ÇETİNKAYA

  5. Tez No

    342490

    Evli bireylerin algıladıkları eş desteğinin çeşitli değişkenler açısından değerlendirilmesi: KKTC örneği

    An assessment of spousal support perceived by married persons in light of different varriables: The case of the Turkish Republic of Northern Cyprus

    DAMLA AYŞEGÜL GÜNSEL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    PsikolojiAnkara Üniversitesi

    Eğitimde Psikolojik Hizmetler Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SERAP NAZLI

Geri Dön