Life cycle assessment of sewage sludge treatment methods for negative emissions and abatement of hazardous contaminants
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/2787163Utgivelsesdato
2021Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
Behandling og bruk av avløpsslam utnytter generelt ikke all energien og næringsstoffene som finnes i slammet, og fører dessuten til utslipp av klimagasser og forurensende stoffer. Denne studien studerer behandlingsmetoder som involverer anaerob stabilisering (AD) og pyrolyse for å omdanne slammet til biogass, bioolje, biokull og syngass. Hvis biokullet påføres til jord vil det bidra til negative karbonutslipp og resirkulering av næringsstoffer. Det kan også være mulig å bruke biokullet for å avkarbonisere industri. For å best mulig inkludere effekten av pyrolyse av slam, blir skjebnen til noen særlig prioriterte organiske miljøgifter og tungmetaller vurdert nøye i hvert scenario.
En livssyklusvurdering (LCA) ble utført ved hjelp av data fra litteraturen tilpasset norske forhold. Hovedmålet var å identifisere og sammenligne miljøpåvirkningen av alternative behandlingsmetoder av slam hvor pyrolyse benyttes, med et referansescenario for konvensjonell slambehandling og bruk i Norge. Resultatene viser at karbonfangstpotensialet er høyest dersom langsom pyrolyse ved 300°C blir brukt for å produsere biokull til å erstatte fossilt kull, kombinert med karbonfangst og lagring (CCS). Opptil 62% av karbonet i slammet kunne fanges her. For å minimere klimaeffektene ble det imidlertid funnet at en behandling med AD og pyrolyse ved 500°C, etterfulgt av jordpåføring av biokull, er det foretrukne scenariet. Her er det riktignok bare 10% av karbonet fra slammet som ender opp permanent lagret. Det ble også funnet at langsom pyrolyse ved 500°C virker lovende for å redusere biotilgjengeligheten til tungmetaller og å redusere organiske miljøgifter i slam. Videre viste resultatene at det er tungmetaller som er den største bidragsyteren til negativ påvirkning på menneskelig helse og økosystemer ved slamdisponering på land, sammenlignet med de andre særlig prioriterte miljøgiftene.
På grunn av de energirike produktene fra pyrolyse og reduserte klimagassutslipp ved bruk biokull i stedet for slam i landbruk, hadde scenariene med pyrolyse langt reduserte livssykluspåvirkninger. Når det er sagt, anbefales ytterligere forskning på miljøgifter og tungmetaller under pyrolyse av slam før biokullet brukes i landbruk. Akkumulering av tungmetaller i biokull er en utfordring, men det ble funnet at biotilgjengeligheten deres ble betydelig redusert under pyrolyse. Sewage sludge (SS) treatment and disposal do not take full advantage of the energy and nutrients in SS, and furthermore leads to emissions of greenhouse gases (GHGs) and pollutants. This study explores treatment methods involving anaerobic digestion (AD) and pyrolysis for the conversion of SS into the energy-rich products biogas, bio-oil, biochar and syngas. The biochar, if applied to soil, can be used to sequester carbon and recycle nutrients from the SS. It may also be possible to use as a solid fuel to decarbonize industries. To fully include the effect of pyrolysis of SS, the fate of several hazardous organic pollutants (HOCs) and heavy metals (HMs) is carefully assessed in each scenario.
A comparative life cycle assessment (LCA) was performed using data from the literature adapted to Norwegian conditions. The main objective was to identify and compare the environmental impacts of alternative SS management scenarios, using pyrolysis, with a reference case for conventional SS treatment and disposal. The results show that the largest negative emissions are achieved when using slow pyrolysis at 300°C to produce biochar that can substitute coal combined with carbon capture and storage (CCS), where up to 62% of the carbon in SS could be captured. However, to minimize the climate impacts, it was found that that a combination of AD and pyrolysis at 500°C followed by soil application of biochar is the preferred scenario, even though only 10% of the carbon from the initial SS ends up sequestered. It was also found that slow pyrolysis at 500°C is a promising method to reduce the bioavailability of HMs and destroy HOCs in the SS. Moreover, the LCA showed that HMs contribute significantly more to human toxicity and freshwater ecotoxicity from soil application of Norwegian SS than the studied priority HOCs.
Due to the additional bioenergy products from pyrolysis and reduced GHG emissions from soil application, the scenarios with pyrolysis came out better in terms of their life cycle impacts. That being said, additional research on the fate of HOCs and HMs during SS pyrolysis is recommended before agricultural application of SS biochar. The accumulation of HMs in the biochar poses the main challenge for its use in agriculture, but it was found the bioavailability of HMs was reduced significantly during pyrolysis.