Geri Dön

Modelling based life cycle assessment of energy efficient wastewater treatment plants

Enerji verimli atıksu arıtma tesislerinin modelleme tabanlı yaşam döngüsü analizi

PDF İndir

  1. Tez No: 953762
  2. Yazar: FİLİZ DAŞKIRAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MUSTAFA EVREN ERŞAHİN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 152

Özet

Atıksu arıtma tesisleri (AATler), atıksuyu arıtarak zararlı ve istenmeyen maddelerden (kirleticilerden) arındırmak suretiyle insan kaynaklı faaliyetlerin etkilerinin azaltılmasında önemli bir rol oynamaktadır. Ancak, AAT'lerin işletimi sırasında gerek kimyasal, gerek enerji kullanımı gibi girdiler sebebi ile çevresel bir yük de oluşmaktadır. AAT'lerin çevresel etkilerinin en önemlilerinden biri enerji ayak izleridir. Son yıllarda sürdürülebilirliğe verilen önemin arttığı göz önüne alındığında, AAT'lerin olumsuz çevresel etkilerini azaltmanın yollarını belirleyebilmek için enerji tüketimini ve genel çevresel performansını değerlendirmek önem arz etmektedir. Yaşam Döngüsü Analizi (YDA-LCA), teknik bir sistemin tüm aşamalarıyla ilişkili çevresel etkileri değerlendiren kapsamlı bir yöntemdir. LCA'yı atıksu arıtma sistemlerine uygulayarak bu tesislerin girdilerini ve çıktılarını çevresel bir bakış açısıyla incelemek ve daha sürdürülebilir uygulamaları belirlemek mümkündür. Bu yaklaşım, çevresel yükü en aza indiren, gelişmiş tasarımları ve işletme stratejilerini belirlemeye olanak sağlayabilmektedir. Bu tez, matematiksel modelleme ve LCA yaklaşımını kullanarak kentsel AAT'lerin çevresel yönlerini karşılaştırmalı olarak değerlendirmeyi amaçlamakta ve aşağıdaki araştırma konularını incelemektedir: Çalışma 1; farklı biyolojik besi maddesi (nutrient) giderimi (BNR) konfigürasyonuna sahip üç farklı tam ölçekli ileri biyolojik AAT'nin çevresel etkiler açısından değerlendirilmesini ve seçilen bir AAT'nin farklı mevsimler için çevresel etkiler açısından değerlendirilmesini, Çalışma 2; incelenen AAT'nin farklı işletme koşulları altında çevresel etkiler açısından değerlendirilmesini, Çalışma 3; incelenen AAT'de farklı çamur arıtma stratejilerinin uygulanması halinde çevresel etkiler açısından değerlendirmeyi kapsamaktadır. Tez kapsamında yapılan çalışmalar, İstanbul'da bulunan büyük ölçekli kentsel AAT'lerden alınan gerçek veriler kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Çalışma 1'de üç farklı BNR konfigürasyonunun (anaerobik-anoksik-oksik (A2O), beş kademeli Bardenpho ve Johannesburg prosesleri) çevresel performansını değerlendirmek için ayrıntılı bir LCA gerçekleştirilmiştir. A2O prosesi için, iki farklı fonksiyonel birim (FU) (arıtılan metreküp atıksu başına (FU1) ve giderilen toplam azotun (TN) kilogramı başına (FU2)) kullanılarak yaz ve kış aylarında çevresel etkiler incelenmiştir. Sonuçlar, beş kademeli Bardenpho prosesi ile işletilmekte olan tesisin, özellikle daha fazla endüstriyel atık su girişi nedeniyle en yüksek çevresel yüke sahip olduğunu ortaya koymuştur. A2O prosesi ile benzer enerji tüketim seviyelerine sahip olmasına rağmen, Johannesburg prosesi yüksek kirletici giderme verimliliğine sahip olması nedeniyle çevresel açıdan en sürdürülebilir seçenek olarak ortaya çıkmaktadır. Fonksiyonel birim olarak FU1 kullanıldığında, kış mevsimindeki çevresel etki yaz mevsimine kıyasla daha düşük gerçekleşmiştir. Buna karşılık, FU2 kullanıldığında, çevresel etkilerin yarısı kış, diğer yarısı ise yaz mevsiminde daha düşük çıkmıştır. Bu durum, AAT'lerde LCA için doğru fonksiyonel birimlerin seçilmesinin önemini göstermektedir. Çalışma, FU2'nin mevsimsel değerlendirmelerde FU1'e kıyasla daha doğru netice verdiğini ortaya koymaktadır. Bu durum özellikle, tesis debilerindeki mevsimsel değişimlerin kirletici yükündeki değişimlere kıyasla daha fazla olduğu birleşik kanalizasyon sistemlerine sahip AAT'ler için geçerlidir. Çalışma 2'de, çevresel performans açısından değerlendirilen senaryolar, matematiksel modelleme kullanılarak, bir BNR (A2O prosesi) tesisinde net elektrik tüketiminde temel senaryoya (Senaryo 0) kıyasla %10'luk azalma sağlayacak şekilde oluşturulmuştur. Temel senaryo tesisin mevcut işletme şartlarını ifade etmektedir. Söz konusu azaltım, senaryolar bazında çamur yaşı, çözünmüş oksijen konsantrasyonu ve içsel geri devir oranı parametrelerindeki değişikliklerle sağlanmıştır. Tez çalışması kapsamında elde edilen bulgular, tasarruf edilen elektrik enerjisi miktarı benzer olsa da, çamur yaşı, çözünmüş oksijen konsantrasyonu ve içsel geri devir oranının değiştirilmesinin AAT'nin çevresel performansı üzerindeki etkilerini değiştirdiğini göstermiştir. Özellikle, düşük çamur yaşı ve düşük oksijen konsantrasyonu uygulanan koşullarda, herhangi bir çevresel etki kategorisinde belirgin bir iyileşme veya kötüleşme görülmemiştir. Ancak, daha düşük içsel geri devir, bozulan arıtılmış atıksu kalitesi sebebiyle ötrofikasyon kaynaklı etki kategorilerini olumsuz etkilemiştir. Ayrıca, azalan çözünmüş oksijen konsantrasyonu, artan nitröz oksit (N2O) emisyonlarına bağlı olarak küresel ısınma etki kategorisi üzerinde olumsuz bir etkiye sebep olmuştur. Çalışma ayrıca, biyogazdan enerji geri kazanımından elde edilen çevresel faydaların önemini ortaya koymuştur. Bununla birlikte, işletme koşullarındaki değişikliklerin, eşdeğer elektrik tüketimine sahip AAT'lerin çevresel performansı üzerinde asgari bir etkiye sahip olduğu gözlenmiştir. Diğer yandan, kurutulmuş çamurdan ısı enerjisi kullanımının çevresel faydaları, enerji ile ilgili etki kategorilerini olumlu yönde etkilemiş ve genel çevresel yükü azaltmıştır. Çalışma 3'te tam ölçekli bir BNR sisteminin (A2O prosesi) üç farklı çamur çürütme senaryosu, (i) Senaryo 1: fazla biyolojik çamurun (WAS) tekil çürütülmesi, (ii) Senaryo 2: WAS ve tesiste oluşan yağ-köpüklerin (FOG) birlikte çürütülmesi, (iii) Senaryo 3: WAS ve yemek atıklarının (FW) birlikte çürütülmesi, için kapsamlı bir matematiksel model geliştirilmiş ve tesise ait gerçek veriler kullanılarak kalibre edilmiştir. Model sonuçlarının LCA yazılımına entegre edilmesi ile karşılaştırmalı bir çevresel performans değerlendirme çalışması yürütülmüştür. Yapılan çalışma, çeşitli kategorilerdeki çevresel etkileri azaltmak için çamur ve atık yönetimi uygulamalarını optimize etme ihtiyacının önemi ortaya koymuştur. Düzenli depolama ve fosil yakıt kullanımını içeren Senaryo 0, en kötü çevresel performansı sergilerken, Senaryo 1 ve 2, enerji geri kazanımının artması ve yemek atıklarının depolanmasının önüne geçilmesi gibi potansiyel çevresel faydalar sağlamaktadır. Bu tez öncelikle önde gelen üç BNR konfigürasyonunun çevresel açıdan karşılaştırılmasını ele almaktadır. Ardından konfigürasyonların birine yönelik mevsimsel değerlendirmeler, biyolojik arıtma işletim senaryolarındaki optimizasyonlar ve çamur yönetimindeki senaryo modellemeleri yoluyla bütüncül olarak atıksu yönetimindeki çevresel sürdürülebilirlik stratejilerini araştırmaktadır. Çalışmada, Johannesburg prosesinin daha yüksek kirletici giderme verimliliği nedeniyle en iyi çevresel performansı sunduğu sonucuna ulaşılmıştır. Mevsimsel analiz ise çevresel değerlendirmede uygun FU seçilmesinin önemini ortaya koymaktadır; birim kirletici giderimine dayalı sonuçlar, özellikle değişken debili AATler için arıtılan birim atıksu hacmine dayalı sonuçlardan daha anlamlı bir karşılaştırma sağlamaktadır. Operasyonel senaryo modellemesi, SRT, DO ve IR'deki azalmaların daha düşük net elektrik tüketimine yol açtığını, ancak bu değişimlerin çevresel indikatörlerin tamamında iyileşme sağlamadığını ortaya koymuştur. Çamur bertaraf stratejileri değerlendirildiğinde; WAS'ın tekli çürütülmesi, düzenli depolama ve fosil yakıt ihtiyacı nedeniyle en fazla çevresel yüke sahipken, WAS'ın FOG veya FW ile birlikte çürütülmesinin, biyogaz üretimini artırarak çevresel performansı önemli ölçüde iyileştirdiği görülmüştür. Bu çalışma, yürütülen LCA çalışmasında tam ölçekli AAT'lere ait gerçek operasyonel verilerin kullanılması ile literatüre önemli bir katkı sağlamaktadır. Yalnızca biyolojik modelleme ya da teorik varsayımlara dayanan önceki birçok çalışmanın aksine, bu araştırma tüm tesisin çevresel etkilerini değerlendiren bütüncül ve senaryo tabanlı bir yaklaşım benimsemektedir. Tesis çapında biyolojik modelleme ve LCA kullanarak birden fazla tasarımsal ve operasyonel senaryoyu değerlendiren çalışma, atık su arıtmanın tüm aşamalarının kapsamlı bir çevresel değerlendirmesini sunmaktadır.

Özet (Çeviri)

Wastewater treatment plants (WWTPs) play a crucial role in mitigating the impact of anthropogenic activities by treating wastewater to remove harmful substances. However, the operation of these plants is not without environmental cost. One of the most significant aspects of their environmental impact is their energy footprint. Given the growing emphasis on sustainability, it is imperative to evaluate the energy consumption and overall environmental performance of WWTPs to identify ways to reduce their environmental load. Life cycle assessment (LCA) provides a comprehensive method for evaluating the environmental impacts associated with all stages of a technical system. By applying LCA to wastewater treatment systems, it is possible to examine the inputs and outputs of the plants from an environmental perspective, allowing for the identification of more sustainable practices and modifications. This approach can lead to improved designs and operational strategies that minimize environmental burden. This thesis comparatively evaluates the environmental performances of municipal WWTPs using mathematical modeling and LCA approach. It investigates the following research topics: Study 1 – environmental assessment of three full-scale advanced biological WWTPs with different Biological Nutrient Removal (BNR) configurations, and the environmental assessment of one selected plant across different seasons; Study 2 – environmental assessment of the selected plant under different operating conditions, and Study 3 – comparative environmental evaluation of different sludge treatment strategies of the selected plant. These topics were investigated using real data of the large-scale municipal WWTPs located in Istanbul. In Study 1, a detailed LCA was performed to assess the environmental performance of three different BNR configurations: Anaerobic-anoxic-oxic (A2O), five-stage Bardenpho, and Johannesburg. Seasonal analyses were conducted for the A2O process, examining its environmental performance during both summer and winter periods using two distinct functional units (FUs): per cubic meter of treated wastewater (FU1) and per kilogram of total nitrogen (TN) removed (FU2). The results revealed that the WWTP having five-stage Bardenpho process had the highest environmental load among the three configurations, primarily due to its higher industrial wastewater inflow. Despite having similar energy consumption levels to the A2O process, the Johannesburg process emerged as the most environmentally sustainable option due to its superior TN removal efficiency. When using FU1, the environmental impact during winter was lower compared to summer. Conversely, with FU2, winter showed a reduction in environmental impacts for half of the measured parameters. This result highlights the importance of selecting the right FUs for LCA of WWTPs. The study emphasized that FU2 provided more valuable insights in seasonal assessments compared to FU1. This is particularly relevant for WWTPs with combined sewer systems (CSS), where seasonal variations in flow rates tend to be more significant than variations in pollutant load. In Study 2, scenarios have been developed to achieve a 10% reduction in net electricity consumption at A2O type BNR plant compared to the baseline scenario (Scenario 0) through mathematical modeling. The baseline scenario refers to the current operating conditions of the plant. Common adjustments such as reduction in sludge retention time (SRT), dissolved oxygen (DO) concentration, and internal recirculation (IR) contributed to a decrease in net electrical energy use. It was found that while the amount of saved electrical energy was consistent, the effects of altering SRT, DO concentration, and IR on the WWTP's environmental performance varied. Specifically, under conditions of low SRT and DO, no particular environmental impact categories were notably improved or worsened. However, a lower IR negatively impacted categories related to eutrophication due to deteriorated effluent quality. Additionally, reduced DO concentration had an adverse effect on the global warming impact category, attributed to increased nitrous oxide (N2O) emissions. The study highlighted the significance of environmental benefits gained from recovering energy from biogas. Nevertheless, it was observed that the variations in operating conditions had a minimal impact on the environmental performance of WWTPs with equivalent electricity consumption. Conversely, the environmental benefits of utilizing heat energy from dried sludge positively influenced energy-related impact categories and reduced the overall environmental burden. In Study 3, a comprehensive model of A2O type BNR plant was developed and calibrated using real-data. This model's results were integrated into LCA software to evaluate and compare three different sludge digestion scenarios: (i) Scenario 0: mono-digestion of waste activated sludge (WAS), (ii) Scenario 1: co-digestion of WAS and fats, oils, and grease (FOG), and (iii) Scenario 3: co-digestion of WAS and food waste (FW). The scenario analysis underscored the need to optimize sludge and waste management practices to reduce environmental impacts across various categories. Scenario 0, which involved landfilling and fossil fuel use, showed the least favorable environmental performance. In contrast, Scenarios 1 and 2 offered potential environmental benefits through co-digestion, and reduction of FW landfilling. Anaerobic co-digestion of FOG and FW with sludge could significantly reduce environmental impacts of WWTPs and enhance sustainability. This thesis conducted a detailed LCA of three leading BNR configurations: A²O, five-stage Bardenpho, and Johannesburg. It then explores strategies for enhancing environmental sustainability and optimizing energy use through seasonal assessments, adjustments in operating scenarios, modifications in sludge management, and scenario modeling. The study concluded that the Johannesburg process offers the most favorable environmental performance due to its higher pollutant removal efficiency. The seasonal analysis reveals the importance of selecting appropriate FUs results based on unit pollutant removal provided more meaningful information than results based on unit volume of wastewater treated, especially for WWTPs with variable flows. Operational scenario modeling revealed that reductions in SRT, DO and IR lead to lower net electricity consumption, but these reductions come with environmental trade-offs. Among sludge treatment strategies, mono digestion of WAS had the worst environmental outcomes due to landfilling and fossil fuel dependency, while co-digestion of WAS with FOG or FW significantly improved environmental performance by increasing biogas production. This study makes a significant contribution to the literature by utilizing real operational data from full-scale WWTPs in LCA studies. Unlike many previous studies that rely solely on biological modeling or theoretical assumptions, this research takes a holistic and scenario-based approach that evaluates the environmental impacts of whole treatment plant. By evaluating multiple design and operational scenarios using plant-wide biological modeling and LCA, the study provides a comprehensive environmental assessment of all stages of wastewater treatment.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    878591

    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

    İngilizce

    2024

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MUSTAFA EVREN ERŞAHİN

  2. Tez No

    381847

    Sürdürülebilir çevre için mimari aydınlatma sistemi tasarımında kullanılabilecek bir yaklaşım

    An architectural lighting system design approach for sustainable environments

    FERİDE ŞENER YILMAZ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Mimarlıkİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALPİN KÖKNEL YENER

  3. Tez No

    674609

    Gıda atığı ve ön çökeltim çamuru karışımından uçucu yağ asidi üreten pilot ölçekli bir tesiste yaşam döngüsü değerlendirmesi

    Life cycle assessment of a pilot scale facility producing volatile fatty acid from food waste and pre-digestion sludge mixture

    DİLARA YALÇINKAYA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATMA FATOŞ BABUNA

    DR. ÖĞR. ÜYESİ NİLAY ELGİNÖZ KANAT

  4. Tez No

    677216

    Techno-economic investigation of alternative propulsion systems for tugboats

    Römorkörler için alternatif sevk sistemlerinin tekno-ekonomik incelenmesi

    ÖMER EMRE KARAÇAY

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. OSMAN AZMİ ÖZSOYSAL

  5. Tez No

    878252

    Yapı bilgi modellemesi uygulama planının döngüsel yapı tasarımı açısından ele alınması: Raylı sistem projeleri örneği

    Building information modelling execution plan based on circularity in built environment: The case of rail systems projects

    SEMİN ERDEM

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Mimarlıkİstanbul Teknik Üniversitesi

    Bilişim Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MERYEM BİRGÜL ÇOLAKOĞLU

Geri Dön