Ανάλυση κύκλου ζωής (LCA) μονάδας επεξεργασίας υδατικών αποβλήτων ορυχείων άνθρακα – Σενάρια βελτίωσης περιβαλλοντικού αποτυπώματος

Στρούτζα, Δανάη-Ελένη; Stroutza, Danai Eleni

dc.contributor.author	Στρούτζα, Δανάη-Ελένη	el
dc.contributor.author	Stroutza, Danai Eleni	en
dc.date.accessioned	2023-03-29T06:28:06Z
dc.date.available	2023-03-29T06:28:06Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/57350
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.25048
dc.relation	LIFE18 ENV/GR/000019	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	Ανάλυση του Κύκλου Ζωής	el
dc.subject	Υγρά απόβλητα ανθρακωρυχείου	el
dc.subject	Επεξεργασία υγρών αποβλήτων	el
dc.subject	Μηδενική απόρριψη υγρών	el
dc.subject	Περιβαλλοντικό αποτύπωμα	el
dc.subject	Life Cycle Assessment	en
dc.subject	Coal mine wastewater	en
dc.subject	Wastewater treatment	en
dc.subject	Environmental footprint	en
dc.subject	Zero Liquid Discharge	en
dc.title	Ανάλυση κύκλου ζωής (LCA) μονάδας επεξεργασίας υδατικών αποβλήτων ορυχείων άνθρακα – Σενάρια βελτίωσης περιβαλλοντικού αποτυπώματος	el
dc.title	Life Cycle Assessment (LCA) of a coal mine wastewater desalination plant – Environmental footprint improvement case studies	en
dc.contributor.department	Μονάδα Περιβαλλοντικής Επιστήμης και Τεχνολογίας (ΜΠΕΤ)	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Water engineering	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-03-01
heal.abstract	O ορυκτός άνθρακας χρησιμοποιείται σε μεγάλο εύρος εφαρμογών, μεταξύ των οποίων η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, τσιμέντου και αλουμινίου. Μεταξύ των πολλών εφαρμογών του άνθρακα, η παραγωγή ενέργειας είναι η κύρια χρήση του. Την περίοδο 2000-2020, η χρήση του άνθρακα για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας εμφάνισε την υψηλότερη αύξηση σε σχέση με τις υπόλοιπες πηγές ενέργειας. Μελλοντικές προβλέψεις δείχνουν πως μέχρι το 2050, παρόλο που η χρήση του άνθρακα αναμένεται να μειωθεί, θα εξακολουθήσει να υφίσταται σε μεγάλο βαθμό. Σύμφωνα με δεδομένα της Euracoal, η Πολωνία είναι ο μεγαλύτερος παραγωγός άνθρακα. Πέραν των δυνατοτήτων ενεργειακής αποδοτικότητας και εργασιακής απασχόλησης, η εξορυκτική δραστηριότητα του άνθρακα έχει συσχετιστεί με σοβαρές επιπτώσεις, μεταξύ των οποίων οι επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία και η περιβαλλοντική υποβάθμιση. Οι επιπτώσεις στην αθρώπινη υγεία αποδίδονται στην έκθεση σε υδράργυρο, αρσενικό και οξείδια του αζώτου και του θείου. Ο άνθρακας είναι το κύριο ορυκτό καύσιμο που είναι υπεύθυνο για την εκπομπή αερίων του θερμοκηπίου και επομένως για την πρόκληση αέριας μόλυνσης και της κλιματικής αλλαγής. Πέραν των επιπτώσεων αυτών, τα ανθρακωρυχεία είναι υπεύθυνα για την παραγωγή μεγάλων ποσοστήτων υγρών αποβλήτων υψηλής αλατότητας, υψηλού περιεχομένου σε χλωριούχα και θειϊκά άλατα. Τα υγρά απόβλητα των ανθρακωρυχείων απορρίπτονται σε επιφανειακά και υπόγεια ύδατα, προκαλώντας την υφαλμύρινσή τους και επομένως υποβαθμίζοντας στην ποιότητα των υδάτων και επιδρώντας στις λειτουργικές δραστηριότητες του υδατικού συστήματος. Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάται ένα πιλοτικό σύστημα που έχει εγκατασταθεί στην Πολωνία, για την επεξεργασία των υγρών αποβλήτων του ανθρακωρυχείου Ziemowit και την ανάκτηση αλάτων και νερού υψηλής καθαρότητας. Ο σκοπός της εργασίας είναι η Ανάλυση του Κύκλου Ζωής (ΑΚΖ) του συστήματος και πιο συγκεκριμένα ο προσδιορισμός και η ποσοτικοποίηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων που προκαλούνται, καθώς επίσης και η εξέταση εναλλακτικών σεναρίων στα πλαίσια της βελτίωσης του περιβαλλοντικού αποτυπώματος. Η διεξαγωγή της ανάλυσης πραγματοποιήθηκε σε τέσσερα στάδια. Το πρώτο στάδιο περιλαμβάνει τον ορισμό του σκοπού και του αντικειμένου της μελέτης, της λειτουργικής μονάδας και των ορίων του συστήματος. Ως λειτουργική μονάδα ορίστηκε η επεξεργασία «1 m3 υδατικού αποβλήτου του ανθρακωρυχείου». Εντός των ορίων του συστήματος περιλαμβάνονται όλες οι διεργασίες του συστήματος, οι εισερχόμενες και οι εξερχόμενες ροές. Το δεύτερο στάδιο περιλαμβάνει την απογραφή των δεδομένων, κατά την οποία προσδιορίστηκαν οι εισερχόμενες ροές κάθε τεχνολογίας, οι καταναλώσεις ενέργειας και χημικών. Η εκτίμηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων του συστήματος αποτέλεσε το τρίτο στάδιο της ανάλυσης. Στο τέταρτο στάδιο προσδιορίστηκαν τα περιβαλλοντικά φορτία των τεχνολογιών και οι κύριοι παράγοντες που είναι υπαίτιοι για την πρόκληση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων. Η Ανάλυση του Κύκλου Ζωής πραγματοποιήθηκε τρεις φορές. Αρχικά πραγματοποιήθηκε η προκαταρκτική ΑΚΖ του συστήματος, στην οποία τα δεδομένα απογραφής περιλαμβάνουν τα δεδομένα σχεδιασμού του συστήματος πριν την εγκατάστασή του. Κατά τη δεύτερη ΑΚΖ, ελήφθησαν υπ’όψη διαφοροποιήσεις ενεργειακών καταναλώσεων συγκεκριμένων τεχνολογιών έπειτα από τη λειτουργία του συστήματος. Κατά την τρίτη ΑΚΖ εξετάστηκε η εγκατάσταση φωτοβολταϊκών για την κάλυψη μέρους των ενεργειακών αναγκών του συστήματος, ως εναλλακτικό σενάριο βελτίωσης του περιβαλλοντικού αποτυπώματος. Βάσει των υπολογισμών της αξιολόγησης των επιπτώσεων, οι κύριες κατηγορίες που ευθύνονται για το περιβαλλοντικό φορτίο των εφαρμοζόμενων τεχνολογιών είναι τοξικότητα στον άνθρωπο-καρκινογόνες επιπτώσεις, τοξικότητα στον άνθρωπο-μη καρκινογόνες επιπτώσεις, οικοτοξικότητα γλυκών υδάτων. Η ηλεκτροδιάλυση είναι υπεύθυνη για το μεγαλύτερο μέρος του περιβαλλοντικού αντικτύπου μεταξύ των εφαρμοζόμενων τεχνολογιών του συστήματος, λόγω της υψηλής ενεργειακής της κατανάλωσης, ενώ η κρυστάλλωση και η πρώτη δεξαμενή καθίζισης παρέχουν περιβαλλοντικό όφελος για το σύστημα λόγω της ανάκτησης παραπροϊόντων. Για τις τεχνολογίες μεμβρανών, ο κύριος παράγοντας που συντελεί στο περιβαλλοντικό αντίκτυπο είναι η ενεργειακή κατανάλωση ενώ για τις δεξαμενές καθίζισης τα χημικά αντιδραστήρια. Η μείωση της ενεργειακής κατανάλωσης συγκεκριμένων τεχνολογιών έπειτα από τη λειτουργία του συστήματος οδήγησε σε ανάλογη μείωση του περιβαλλοντικού αντικτύπου, περίπου κατά 50%. Περαιτέρω, η εφαρμογή φωτοβολταϊκών για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών της ηλεκτροδιάλυσης μπορεί να επιφέρει επιπλέον 20% μείωση του περιβαλλοντικού φορτίου. Η ανάλυση διαταραχών συντελεί στον προσδιοριμό της επίδρασης παραμέτρων αβεβαιότητας στην κατηγορία της κλιματικής αλλαγής μέσω του υπολογισμού των λόγων ευαισθησίας. Για τον σκοπό αυτόν εξετάστηκε η κατανάλωση χημικών αντιδραστηρίων και ενέργειας. Από τα λαμβανόμενα αποτελέσματα, οι κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν τα περιβαλλοντικά φορτία είναι η κατανάλωση NaOH (S.R. 0,20) και η ενεργειακή κατανάλωση της κρυστάλλωσης (S.R. 0,33). Η ποιότητα των δεδομένων απογραφής αποτελεί άμεση συνάρτηση της εγκυρότητας των δεδομένων. Η διεξαγωγή της προκαταρκτικής ΑΚΖ του συστήματος επιτρέπει την αρχική εκτίμηση των προβλεπόμενων περιβαλλοντικών επιπτώσεων ενός συστήματος. Η διεξαγωγή της Ανάλυση του Κύκλου Ζωής έπειτα από την λειτουργία του συστήματος επιτρέπει τον ακριβή υπολογισμό των περιβαλλοντικών φορτίων που προκαλούνται από τη λειτουργία των εφαρμοζόμενων τεχνολογιών. Τέλος, παρέχεται η δυνατότητα εξέτασης σεναρίων βελτίωσης του περιβαλλοντικού αποτυπώματος.	el
heal.abstract	Coal is an essential resource for supplying electricity as well as steel and concrete production. Among the many applications of coal, power generation has been its primary use for many years. During the period 2000 – 2020 coal use has experienced the most significant growth among all other primary energy sources According to future projections until 2050, although coal consumption is expected to be decreased significantly, coal will still be used to a large extent. Although coal mines provide power efficiency and employment opportunities, they are also associated with negative environmental impacts, including health impacts and environmental degradation.The health risks associated with coal are attributed to the exposure to mercury, arsenic, and oxides of nitrogen and sulfur. Moreover, coal is the main fossil fuel for the emission of greenhouse gases, thereby contributing to air pollution and causing climate change. In addition to air pollution and greenhouse gas emissions, coal mine activities are accompanied by environmental degradation, as coal mines generate huge amounts of saline wastewater with high content of chlorides and sulphates. Saline wastewaters end up in surface water bodies and groundwater, provoking their salinization and thus, the deterioration of the water quality and the destruction of the aquatic system. The purpose of this dissertation was to study a pilot system installed in Poland for treating brine wastewater from Ziemowit coal mine, and for recovering products and by-products of high quality and purity. This dissertation presents the Life Cycle Assessment for the system. The purpose of this dissertation was to evaluate and quantify the environmental impact of the applied technologies and to propose alternative scenarios in order to examine the potential improvement of the environmental footprint. The analysis was carried out in four stages. In the first stage, the objectives, the main scope of the study, the functional unit and the system boundaries were determined. The functional unit of the study is “the treatment of 1 m3 of coal mine wastewater”. Τhe system boundaries include all the stages, processes, inlet and outlet flows of the system. Ιn the second stage, the life cycle inventory was carried out. For the life cycle inventory, the data requirements include inlet flows, the energy consumption of each individual unit process and chemical reagents for operational and cleaning purposes. The third stage of the analysis involved estimating the environmental impacts of the system. In the fourth stage, the environmental burdens of the technologies were identified, as well as the main factors responsible for causing the environmental impacts. The Life cycle Assessment was conducted three times. Initially, the preliminary LCA of the system was carried out. Τhe data for the life cycle inventory included the design data of the system before its installation. During the second LCA, differentiations in energy consumption data of specific technologies after the operation of the pilot system were taken into account. During the third LCA, the installation of photovoltaics to cover part of the electricity needs of the system was examined as an alternative scenario for improving the environmental footprint. Based on the obtained impact assessment calculations, the main impact categories that contribute to the environmental load caused by the implemented processes are the following: human toxicity-non-cancer effects, human toxicity-cancer effects, and freshwater ecotoxicity. Electrodialysis provides the highest environmental cost among the processes, due to the extremely high energy consumption, while crystallization and the first precipitation tank provide environmental benefits for the system because of the recovered by-products. For membrane technologies, the main factor contributing to the environmental impact is energy consumption while for precipitation tanks the main factor responsible for the environmental burdens is chemical reagents consumption. The updated system operating data included a decrease in the energy consumption of certain technologies, which resulted in an approximately 50% reduction in the environmental load (for the aforementioned impact categories). Furthermore, a further reduction of approximately 20% can be achieved by the installation of photovoltaics for the energy supplies of electrodialysis technology. The perturbation analysis contributes to the evaluation of the effect of uncertainty parameters on the category of climate change impacts through the calculation of sensitivity ratios. For this purpose, the consumption of chemicals and energy was examined. From the obtained results, the main factors affecting the environmental load are the consumption of NaOH (S.R. 0,20) and the energy consumption of the crystallizer (S.R. 0,33). The validity of LCA studies is a direct function of the life cycle inventory data quality. Conducting a preliminary life cycle assessment of a pilot system prior to its installation provides an initial evaluation of the projected environmental impacts that will be caused by the system. Conducting a Life Cycle Assessment after the operation of the system ensures more accurate environmental loads calculations. . The life cycle inventory data are more accurate when the actual operating conditions have been taken into account, therefore leading to more valid impact assessment calculations. Finally, alternative scenarios can be examined, in order to improve the environmental footprint.	en
heal.advisorName	Κόλλια, Κωνσταντίνα	el
heal.committeeMemberName	Παυλάτου, Ευαγγελία	el
heal.committeeMemberName	Βουγιούκα, Σταματίνα	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Χημικών Επιστημών (I)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	165 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false