Αξιολόγηση εναλλακτικών σεναρίων λειτουργίας εγκαταστάσεων επεξεργασίας λυμάτων μέσω μαθηματικής προσομοίωσης και ανάλυσης κύκλου ζωής

Μοσχοπούλου, Ελένη; Moschopoulou, Eleni

dc.contributor.author	Μοσχοπούλου, Ελένη	el
dc.contributor.author	Moschopoulou, Eleni	en
dc.date.accessioned	2021-05-27T09:05:53Z
dc.date.available	2021-05-27T09:05:53Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/53499
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.21197
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Επιστήμη και Τεχνολογία Υδατικών Πόρων”	el
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων	el
dc.subject	Εναλλακτικά σενάρια λειτουργίας	el
dc.subject	Μαθηματική προσομοίωση	el
dc.subject	Ανάλυση κύκλου ζωής	el
dc.subject	Συγκριτική αξιολόγηση	el
dc.subject	Wastewater treatment plants	en
dc.subject	Alternative operation scenarios	en
dc.subject	Mathematical simulation	en
dc.subject	Life cycle assessment	en
dc.subject	Comparative assessment	en
dc.title	Αξιολόγηση εναλλακτικών σεναρίων λειτουργίας εγκαταστάσεων επεξεργασίας λυμάτων μέσω μαθηματικής προσομοίωσης και ανάλυσης κύκλου ζωής	el
dc.title	Evaluation of alternative operation scenarios of wastewater treatment plants through mathematical simulation and life cycle assessment	en
heal.type	masterThesis
heal.classification	Περιβαλλοντική μηχανική	el
heal.classification	Environmental engineering	en
heal.language	el
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2021-03-08
heal.abstract	Στα πλαίσια της βιώσιμης ανάπτυξης και προστασίας του περιβάλλοντος, έχει αναδειχθεί η σημαντικότητα σχεδιασμού και λειτουργίας Εγκαταστάσεων Επεξεργασίας Λυμάτων (ΕΕΛ) που επιτελούν ταυτόχρονα πολλαπλούς σκοπούς. Μέχρι πρότινος, βασικό κριτήριο κατά το σχεδιασμό, λειτουργία και αναβάθμιση των ΕΕΛ ήταν η επίτευξη των ποιοτικών προδιαγραφών εκροής που θέτει η νομοθεσία. Πλέον, το ενδιαφέρον στρέφεται και στην παράλληλη ελαχιστοποίηση χρήσης πόρων και πρώτων υλών, ανάκτηση θρεπτικών, μείωση της καταναλισκόμενης ενέργειας αλλά και των εκπομπών ρύπων σε νερό, έδαφος και αέρα. Λόγω της πολυπλοκότητας των διεργασιών που πραγματοποιούνται στις ΕΕΛ αλλά και της ανάγκης ταυτόχρονης αξιολόγησης των προαναφερόμενων κριτηρίων, έχουν αναπτυχθεί κατάλληλα εργαλεία αξιολόγησης. Τα εργαλεία αυτά, επιτρέπουν τον έλεγχο εναλλακτικών σεναρίων λειτουργίας για τον εντοπισμό των βέλτιστων συνθηκών. Μέσα σε αυτές τις προκλήσεις, η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία επιδιώκει την αξιολόγηση της επίδρασης λειτουργικών παραμέτρων στην απόδοση της ΕΕΛ Λαμίας. Αρχικά, χρησιμοποιήθηκε το ολοκληρωμένο μαθηματικό μοντέλο που έχει αναπτυχθεί στο Εργαστήριο Υγειονομικής Τεχνολογίας του Τομέα Υδατικών Πόρων του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, για την προσομοίωση της υφιστάμενης λειτουργίας της ΕΕΛ σε σταθερές συνθήκες. Με το ίδιο μοντέλο εξετάσθηκε η επίδραση τριών λειτουργικών (χρόνος παραμονής στερεών, συγκέντρωση διαλυμένου οξυγόνου, ποσοστό κατακράτησης στερεών στις μονάδες ιλύος) και δύο ποιοτικών (εισερχόμενο οργανικό φορτίο, κλασματοποίηση ευκολοδιασπάσιμου οργανικού φορτίου) παραμέτρων, στα ποιοτικά χαρακτηριστικά της εκροής, την ενεργειακή κατανάλωση, τις απαιτήσεις σε χημικά και τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου σε όλα τα στάδια επεξεργασίας. Τη σημαντικότερη επίδραση στην απόδοση της ΕΕΛ είχαν τα σενάρια της μεταβολής του χρόνου παραμονής στερεών, του διαλυμένου οξυγόνου και του εισερχόμενου οργανικού φορτίου. Η μεταβολή των λειτουργικών παραμέτρων πέραν τις βέλτιστης τιμής τους, επηρεάζει άμεσα την απόδοση του συστήματος στην απομάκρυνση αζώτου, οδηγώντας σε επιδείνωση της ποιότητας εκροής αλλά και μεγιστοποίηση των εκπεμπόμενων αερίων του θερμοκηπίου. Επιπλέον, για σημαντική αύξηση του εισερχόμενου οργανικού φορτίου, παρατηρείται άμεση επιδείνωση της απόδοσης της ΕΕΛ για το σύνολο των εξεταζόμενων παραμέτρων. Εν συνεχεία, για την ποσοτικοποίηση των εκπεμπόμενων ρύπων σε νερό, έδαφος και αέρα δύο εναλλακτικών σεναρίων λειτουργίας της προσομοιούμενης ΕΕΛ, χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος Ανάλυσης Κύκλου Ζωής (ΑΚΖ) σύμφωνα με το πρότυπο ISO 14040 – 14044:2006. Για την εφαρμογή της ΑΚΖ δημιουργήθηκε μοντέλο στο Excel με παράλληλη χρήση του λογισμικού SimaPro 7 software (PRé Consultants, 2011). Οι κατηγορίες επιπτώσεων που μελετήθηκαν είναι α) Κλιματική Αλλαγή, β) Οξίνιση Εδάφους, γ) Ευτροφισμός Γλυκού Νερού, δ) Οικοτοξικότητα Γλυκού Νερού και ε) Οικοτοξικότητα Εδάφους, με τη χρήση της μεθοδολογία ReCiPe 2016. Το πρώτο σενάριο αφορά στην υφιστάμενη λειτουργία της προσομοιούμενης εγκατάστασης, με τα όρια του συστήματος να ξεκινούν από την είσοδο των λυμάτων σε αυτή μέχρι τη διάθεση των προϊόντων επεξεργασίας (εκροή, ιλύς) στο περιβάλλον. Στα όρια του συστήματος εξετάζονται τα περιβαλλοντικά οφέλη από τη μείωση παραγωγής συμβατικών λιπασμάτων, λόγω διάθεσης της επεξεργασμένης ιλύος στις καλλιέργειες. Στο δεύτερο σενάριο εξετάζεται η αναβάθμιση της υφιστάμενης λειτουργίας με την προσθήκη μονάδας τριτοβάθμιας επεξεργασίας και επαναχρησιμοποίησης της εκροής για την άρδευση καλλιεργειών κατά τους θερινούς μήνες. Σκοπός είναι να εντοπισθούν τα πιθανά περιβαλλοντικά οφέλη και επιδράσεις από την αναβάθμιση της ΕΕΛ. Τα αποτελέσματα της ΑΚΖ υποδεικνύουν το σημαντικό περιβαλλοντικό όφελος από την εφαρμογή του σεναρίου επαναχρησιμοποίησης στο περιβαλλοντικό αποτύπωμα της ΕΕΛ. Η εφαρμογή του σεναρίου αυτού, επιφέρει μείωση της τάξης του 50% των εκπεμπόμενων ρύπων της κατηγορίας «Ευτροφισμός Γλυκού Νερού», η οποία αποτελεί την κατηγορία που επιβαρύνεται περισσότερο από τη λειτουργία της ΕΕΛ. Ιδιαίτερα σημαντικά είναι τα περιβαλλοντικά οφέλη από την αντικατάσταση των συμβατικών λιπασμάτων με την επεξεργασμένη ιλύ, λόγω της σημαντικής περιβαλλοντικής επιβάρυνσης από τη παραγωγή και χρήση αυτών.	el
heal.abstract	In light of sustainable development and environmental protection, the importance of designing and operating Wastewater Treatment Plants (WWTP) that can benefit multiple purposes has been highlighted. Up until recently, the main criterion in the design, operation and upgrading of the WWTPs was the achievement of the quality effluent standards, set by the legislation. Lately, the attention also gravitates towards minimizing the use of resources and raw materials, recovering nutrients, reducing the energy consumption and the emissions of water, soil and air pollutants. Due to the complexity of the processes carried out in WWTPs and the need for simultaneous evaluation of the above-mentioned criteria, appropriate tools have been developed. These tools allow the control of alternative operating scenarios to identify optimal conditions. Amidst these challenges, this thesis seeks to assess the impact of functional parameters on the performance of Lamia WWTP. Initially, an integrated mathematical simulation model, developed in the Laboratory of Health Technology of the Department of Water Resources of the National Technical University of Athens, was used to simulate the existing operation of the WWTP in stable conditions. Using the same model, the effect of three functional (solid retention time, dissolved oxygen concentration, solids retention in sludge units) and two qualitative (organic loading rates, organic load fractionalization) parameters were then investigated on the effluent’s quality characteristics, energy consumption, chemical requirements and greenhouse gas emissions at all stages of treatment. The plant’s performance is greatly affected by the change in the solid retention time, the dissolved oxygen concentration, and the organic loading rates. The change in functional parameters beyond their optimum value, directly affects the system's performance in nitrogen removal, leading to deterioration in outflow’s quality and maximisation of the greenhouse gases emitted. In addition, a significant increase in the incoming organic load leads to an immediate deterioration in the performance of the WWTP for all the parameters considered. Subsequently, the method of Life Cycle Analysis (LCA) was used, following ISO 14040 – 14044:2006, for two alternative scenarios of the simulated plant’s operation, in order to quantify the pollutants emitted in water, soil and air. For that purpose, a model was created in Excel while using SimaPro 7 software (PRé Consultants, 2011). The impact categories studied are (a) Climate Change, (b) Soil Acidification, (c) Freshwater Eutrophication, (d) Freshwater Ecotoxicity and (e) Soil Ecotoxicity, using the ReCiPe 2016 methodology. The first scenario concerns the existing operation of the simulated plant. The system boundaries start from the entry of wastewater in the plant and end up with the disposal of treatment’s product (effluent, sludge) into the environment. Moreover, the system boundaries examine the environmental benefits of reducing the production of conventional fertilizers, due to the use of treated sludge in agriculture. The second scenario examines the upgrading of the existing operation, by adding a tertiary treatment unit and reuse of the effluent for crop irrigation, during the summer months. The aim is to identify the potential environmental benefits and effects of upgrading the WWTP. The LCA’s results indicate the significant environmental benefit of the implementation of reuse scenario on the plant’s environmental footprint. Through this scenario, a reduction of 50% of the emitted pollutant of “Freshwater Eutrophication” category, which is the most burdened category by plant’s operation, is estimated. Furthermore, the environmental benefits of replacing conventional fertilizers with treated sludge are particularly significant, due to the significant environmental impacts of their production and use.	en
heal.advisorName	Νουτσόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Παπακωνσταντής, Ηλίας	el
heal.committeeMemberName	Μαλαμής, Συμεών	el
heal.committeeMemberName	Νουρσόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	173 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false