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
Yazar: DİLARA YALÇINKAYA
Danışman: PROF. DR. FATMA FATOŞ BABUNA ; DR. ÖĞR. ÜYESİ NİLAY ELGİNÖZ KANAT
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Nüfusun ve sanayileşmenin artması ile artan kaynak tüketimi, sürdürülebilirliğin ve atıkların geri kazanımı konularının önemini giderek arttırmaktadır. Çevreye verilen önemin ve toplumun bu konudaki duyarlılığının da artması bu konulardaki tüm gelişmelerde çevresel etkiler üzerinde daha fazla çalışma yapılmasına sebep olmaktadır. 
Bu çalışma ile İsveç-Stockholm'de atıktan Uçucu Yağ Asidi (UYA) üreten pilot ölçekli bir tesisin çevresel etkileri Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi (YDD) yöntemi ile değerlendirilmektedir. Bu amaçla kurulan tesiste anaerobik çürütme prosesi kullanılmaktadır. Kullanılan atık iki farklı arıtma tesisinden alınan ön çürütme çamuru ve gıda atığı karışımından oluşmaktadır. Çürütme sonrasında oluşan atığın Mälarenergi AB çamur yakma tesisine gönderildiği varsayılmıştır. Sistem sınırlarına elektrik ve kimyasal temini, anaerobik çürütme prosesi ve çamur yakma işlemi dâhil edilmiştir. Sistemde ihtiyaç duyulan enerji İsveç şebeke elektrik ağından sağlanmaktadır. 
Kullanılan kimyasalların Biotage Sweden AB firmasından temin edildiği kabul edilmiştir. Kullanılan kimyasalların miktarları ve hangi sürelerle sisteme ilave edildikleri hesaplanmıştır. 
Sistem metan gazı çıkışı olmayacak şekilde tasarlanmıştır. Sistemden kaçan metan gazı olmadığından, metan gazı emisyonu ihmal edilmiş ve sistem sınırlarına dâhil edilmemiştir. 
Sistemi yürüten ekipten elde edilen ve hesaplanan veriler GaBi Professional 7.3.3 yazılımı yardımıyla değerlendirilerek çevresel etkilerin analizi yapılmıştır. Modelde kullanılan girdiler ön çökeltim çamuru ve gıda atığının belirli oranlarla karıştırılması sonucunda oluşan karışık çamur, elektrik ihtiyacı, kimyasal kullanımı ve bu kimyasalların tesise taşınımından oluşmaktadır. Sistemin çıktıları ise UYA açısından zengin sıvı ve atık çamurdan oluşmaktadır.
Modellemesi yapılan sistem için Abiyotik Element Tükenme Potansiyeli (AETP), Abiyotik Fosil Tükenme Potansiyeli (AFTP), Asidifikasyon Potansiyeli (AP), Ötrofikasyon Potansiyeli (ÖP), Tatlı Su Ekotoksisite Potansiyeli (TSEP), Küresel Isınma Potansiyeli (KIP), İnsan Toksisite Potansiyeli (İTP), Deniz Suyu Ekotoksisite Potansiyeli (DSEP), Ozon Tabakası Tükenme Potansiyeli (OTTP), Fotokimyasal Ozon Oluşumu Potansiyeli (FOOP) ve Karasal Ekotoksisite Potansiyeli (KEP) çevresel etki kategorileri baz alınarak çevresel etki değerlendirmesi gerçekleştirilmiştir. 
Oluşturulan modelin sonuçlarına göre farklı çalışma koşulları uygulanarak oluşturulan her bir sistem (vaka) için çevresel etkiye en çok katkıda bulunan sebebin toplam enerji ihtiyacı olduğu değerlendirilmiştir. Bunu izleyen diğer sebep ise kimyasal kullanımıdır. 
İsveç elektrik şebekesinin enerji kaynağı olarak kullanıldığı sistemden elde edilen sonuçlar daha sonra farklı enerji kaynakları kullanılarak oluşturulan modellerin sonuçları ile karşılaştırılmıştır.  
Yapılan karşılaştırma sonucunda, hangi enerji kaynağı kullanılırsa kullanılsın, tüm çevresel etkinin neredeyse tüm katkı kaynağının toplam enerji ihtiyacı olduğu değerlendirilmiştir. 
Kategori bazlı yapılan değerlendirmelerde çevresel etkinin niceliği bakımından çevreye en az etkisi olan enerji kaynağının rüzgar enerjisi olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
The environmental problems caused by the increasing population and industrialization have created an environmental awareness both in academia and society. In addition, despite the increasing resource consumption, due to the increasing population and industrialization, resources being limited, increased the importance of sustainability and recovery. Thus, environmental impact studies have become popular in recent years.
With this study, the environmental impacts of a pilot-scale plant producing Volatile Fatty Acid (VFA) from waste in Stockholm, Sweden are evaluated using the Life Cycle Assessment (LCA) method.
Anaerobic digestion process is used in the facility established for this purpose. The methanogenesis stage of the anaerobic digestion process is inhibited to produce VFA-rich liquid production more efficiently. The waste used as raw material of the system, consists of a mixture of pre-digestion sludge and food waste taken from two different treatment plants. It is assumed that the waste generated after digestion is sent to the Mälarenergi AB sludge incineration facility. Electricity and chemical supply, anaerobic digestion process and sludge incineration is included as system boundaries of the project. Raw material preparation and product characterization processes are excluded. Therefore, the LCA study was carried out with a gate-to-gate approach.
The energy needed in the system is provided from the Swedish grid electricity network.
It is acknowledged that the chemicals used were supplied by Biotage Sweden AB. The amount of chemicals and adding periods are calculated.
The system is designed in such a way that there is no methane gas output. Hence, methane release has neglected and not included in the system boundaries.
There are four different cases (runs) in the system under investigation. These cases are determined by different operating conditions. Namely, Case-1 is the case that the pH is adjusted to 5 and Case-2 is pH adjusted to 10. In these two cases, the retention time was determined as 7 days. Although Case-3 and Case-4 are the cases where pH was not controlled, the retention time of Case-3 was 7 days and 10 days in Case-4. The most experimentally efficient case is determined as Case-2. But experimental efficiency is not enough to find out the most environmentally benign one. For this purpose, a LCA study was conducted on these four cases for obtaining the environmental impacts.
The data obtained from the operators of the system is used as an input for modelling with GaBi Professional 7.3.3 software. Ecoinvent database and CML2001 method were used.
The inputs used in the model consist of mixed sludge formed as a mix of pre-digestion sludge and food waste in certain proportions, electricity requirement, and use of chemicals and the transport of these chemicals to the facility. The output of the system consists of VFA rich liquid and waste sludge.
Abiotic Element Depletion Potential (AEDP), Abiotic Fossil Depletion Potential (AFDP), Acidification Potential (AP), Eutrophication Potential (EP), Freshwater Aquatic Ecotoxicity Potential (FAEP), Global Warming Potential (GWP), Human Toxicity Potential (HTP), Marine Ecotoxicity Potential (MEP), Ozone Layer Depletion Potential (OLDP), Photochemical Ozone Formation Potential (POFP) and Terrestrial Ecotoxicity Potential (TEP) environmental impact categories were evaluated.
According to the results, for each case it was evaluated that the most contributing factor to the environmental impacts was the total energy demand. The other reason that follows is the use of chemicals.
In the model applied, the energy requirement was met from the Swedish grid electricity. In Case-1, only HCl was used for pH adjustment, whereas in Case-2, HCl and NaOH were used.
According to the results the case with the highest environmental impact was Case-4 and the case with the lowest environmental impact was Case-2.
The results obtained from the system which the Swedish electricity grid is used as an energy source are then compared with the results of the models created using different energy sources.
Other energy sources examined are renewable energy sources of solar energy and wind energy. These selected energy sources were modelled for each case and the energy source with the lowest impacts was evaluated.
As a result, it is evaluated that the total energy requirement of the system, regardless of the energy source, has the most effect on the environment.
In category-based evaluations, it was determined that the least harmful energy source for the environment was found as the wind energy and the most harmful one is the solar energy on the environmental impact categories other than OLDP and GWP. For OLDP and GWP impact categories, the highest impacts were obtained when Swedish electricity grid is used. 
When the cases are quantitatively compared, for Swedish grid electricity from the most environmentally friendly case to the least environmentally friendly case, Case-2, Case-3, Case-1, Case-4, respectively. For solar energy, the most environmentally friendly case is Case-2 and the worst one is Case-4. The last energy source that compared with others is wind energy and when the model created with wind energy is examined, the highest environmental impact in all environmental impact categories except OLDP comes from Case-4 as in other energy sources. Only in the OLDP impact category, it was determined that the highest impact comes from Case-2 and the lowest impact comes from Case-3.
Considering all the investigations, it is clearly seen that the most environmentally friendly case is Case-2. In addition, considering the category-based evaluations, it has been determined that the most environmentally friendly energy source is wind energy. Therefore, it is considered that the system in Sweden, which is operated to produce VFA-rich liquid, should be run under operating conditions where the pH is 10 and the retention time is 7 days, both in terms of experimental efficiency and environmental effects. Considering that the most important source in the system is electricity consumption, operating the facility under the working conditions specified by wind energy will be the most suitable in terms of environmental friendliness.