Municipal sewage sludge (MSS) management varies widely between countries and legislative regimes. Within the European directive for sewage treatment France applies over half of MSS to arable land, while The Netherlands has banned the practice (Kelessidis et al, 2012). In Sweden, 34% of MSS is applied to agricultural lands; despite this, ocial government reports recommend banning the practice over pollution concerns, alongside the most common alternative of land reclamation (Ekane et al, 2020). This is the result of two decades of disagreement, complicated by dual perceptions of MSS as a valuable resource to be returned to the ecocycle vs an unsanitary waste product requiring careful disposal (Ekman Burgman, 2022). Previous studies have analyzed novel treatment technologies including multiple forms of phosphorus and nitrogen extraction from various stages of MSS treatment, but holistic system analyses are scarce (Bagheri et al 2023). Based on literature review and emerging technologies in Sweden, hydrothermal carbonisation (HTC) is identified as a keystone technology, and can be supported by secondary treatment via nitrogen stripping and phosphorus extraction from liquid and ash waste streams respectively. HTC is an anaerobic thermal treatment of wet organic waste resulting in solid hydrochar and liquid process water products. To address the lack of holistic assessments, an environmental and techno-economic assessment framework (ETEA) is applied to model three MSS treatment scenarios. Each scenario models treatment of MSS by anaerobic digestion (AD) and mechanical dewatering of digested sludge followed by: REF: A reference case of storage and arable land application of dewatered digested sludge (DDS) ALT1: DDS treatment by Oxypower HTC with Aqua2N nitrogen recovery from process and reject water. ALT2: The treatment described by ALT1, followed by hydrochar mono-incineration and Ash2Phos phosphorus extraction. ETEA is conducted in four stages using data collected from literature and public and private partners. Qualitative and quantitative process flow mapping defines the scenarios and models material and energy flows through the systems. An attributional comparative life cycle assessment (LCA) alongside techno-economic analysis (TEA) follows. The LCA has a gate to grave scope with a functional unit of one ton of total solids treated. Finally, results are evaluated using sensitivity and data uncertainty analysis to identify hotspots and knowledge gaps in the system. Results combining alternative scenarios based on current trends show the potential of emerging technologies to multiply WWTP nitrogen and phosphorus recovery by five and two times respectively, while simultaneously improving net energy recovery by three times. LCA results show reductions of greenhouse gas (GHG) emissions by between 60-70%. Considering emerging MSS technologies from a systems perspective provides critical context that can improve their economic viability. Combining intelligent systems design with these technologies, the models demonstrate how future MSS treatment can provide both good sanitation and recovery of nutrient and energy resources. Integration of these systems will accelerate the transition from wastewater treatment plants (WWTP) to water resource recovery facilities (WRRF). / Hanteringen av kommunalt avloppsslam (MSS) varierar kraftigt mellan länder och lagstiftande regimer. Inom det europeiska direktivet för avloppsrening tillämpar Frankrike över hälften av MSS på åkermark, medan Nederländerna har förbjudit detta (Kelessisdis et al, 2012). I Sverige tillämpas 34 % av MSS på jordbruksmark; Trots detta rekommenderar ociella regeringsrapporter att man förbjuder praxis på grund av föroreningsproblem, vid sidan av det vanligaste alternativet med landåtervinning (Ekane et al, 2020). Detta är resultatet av två decennier av oenighet, komplicerat av dubbla uppfattningar om MSS som en värdefull resurs som ska återföras till kretsloppet jämfört med en ohälsosam avfallsprodukt som kräver noggrann hantering (Ekman Burgman, 2022). Tidigare studier har analyserat nya reningstekniker inklusive flera former av fosfor- och kväveextraktion från olika stadier av MSS-behandling, men holistiska systemanalyser är få (Bagheri et al 2023). Baserat på litteraturgenomgång och framväxande teknologier i Sverige, identifieras hydrotermisk karbonisering (HTC) som en nyckelstensteknik, och kan stödjas av sekundär rening via kvävestrimning och fosforextraktion från flytande respektive askavfallsströmmar. HTC är en anaerob termisk behandling av vått organiskt avfall som resulterar i fast hydrochar och flytande processvattenprodukter. För att komma till rätta med bristen på holistiska bedömningar, tillämpas ett ramverk för miljö- och teknikekonomisk bedömning (ETEA) för att modellera tre MSS-behandlingsscenarier. Varje scenario modellerar behandling av MSS genom anaerob rötning (AD) och mekanisk avvattning av rötslam följt av: REF: Ett referensfall av lagring och applicering av åkermark av avvattnat rötslam (DDS) ALT1: DDS-behandling av Oxypower HTC med Aqua2N kväveåtervinning från process- och rejektvatten. Behandlingen som beskrivs av ALT1, följt av monoförbränning av kolväte och fosforextraktion av Ash2Phos. ETEA genomförs i fyra steg med hjälp av data som samlats in från litteratur och oentliga och privata partners. Kvalitativ och kvantitativ processflödeskartläggning definierar scenarierna och modellerar material- och energiflöden genom systemen. En attributionell jämförande livscykelanalys (LCA) tillsammans med teknisk-ekonomisk analys (TEA) följer. LCA har en grind till graven omfattning med en funktionell enhet på ett ton av totalt behandlat fast material. Slutligen utvärderas resultaten med hjälp av känslighets- och dataosäkerhetsanalys för att identifiera hotspots och kunskapsluckor i systemet. Resultat som kombinerar alternativa scenarier baserade på nuvarande trender visar potentialen hos framväxande teknologier för att multiplicera reningsverkens kväve- och fosforåtervinning med fem respektive två gånger, samtidigt som nettoenergiåtervinningen förbättras med tre gånger. LCA-resultat visar minskningar av växthusgasutsläpp (GHG) med mellan 60-70%. Att överväga framväxande MSS-teknologier ur ett systemperspektiv ger ett kritiskt sammanhang som kan förbättra deras ekonomiska bärkraft. Genom att kombinera intelligent systemdesign med dessa teknologier visar modellerna hur framtida MSS-behandling kan ge både bra sanitet och återvinning av närings- och energiresurser. Integration av dessa system kommer att påskynda övergången från reningsverk för avloppsvatten (WWTP) till anläggningar för återvinning av vattenresurser (WRRF).
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-336963 |
| Date | January 2023 |
| Creators | Tibbetts, Harry |
| Publisher | KTH, Hållbar utveckling, miljövetenskap och teknik |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-ABE-MBT ; 23535 |
Page generated in 0.0028 seconds