Pretreatment methods and LCA of anaerobic digestion of organic waste

The goal of this master thesis project was to develop computer models of some plausiblepretreatment techniques and to assess the potential benefits/costs of using pretreatment andanaerobic digestion for waste management of organic waste from a system perspective. Forthis purpose a computer program called ORWARE has been used. ORWARE (organic wasteresearch) is a program for making life cycle assessments of waste management. As the mainpart of the project work the ORWARE system has been provided with three new models ofpretreatment techniques. The additions consist of: One model of pretreatment with ultrasound,one model of thermal hydrolysis and one model of a screw press. All three technologies hadthe potential to deal with technical hindrances of treating certain waste types with anaerobicdigestion.With ORWARE, life cycle assessment was made by simulations of various wastemanagement scenarios. A total of nine scenarios were simulated for the waste management ofthree different types of wastes: Bio sludge, fibre sludge and food waste, with three scenariosfor each waste type. Bio sludge is microbial sludge from biological waste water treatment.Fibre sludge is lignocellulosic sludge mainly from the pulp and paper industries. Food wasteis generally considered to be the unwanted part of food from households, restaurants and foodindustry.Three primary waste management scenarios, one scenario for each waste type, which includedpretreatment and anaerobic digestion, were simulated. There was a “bio sludge scenario” withultrasonication pretreatment, a “fibre sludge scenario” with thermal hydrolysis pretreatment(THP) and a “food waste scenario” with screw press pretreatment. The rest of the ninescenarios were assessed as comparative references to the three primary ones. These scenariosrepresented conventional methods of waste management or variations of the primaryscenarios.The resulting life cycle assessments show that anaerobic digestion of some organicwastes produces about the same amount of greenhouse gases, acidifying pollutants andeutrophying pollutants as incineration does (where the heat from incineration is made useful).The biggest downside of the anaerobic digestion waste management process is the electricityuse needed for pretreatment and for heating the anaerobic digestion. An electricity cost that inthis case is assumed to be provided through coal power, which is a common assumption whenassessing the impact of margin power utilization in life cycle assessment. If that assumptioncould instead be that the electricity is provided by a less polluting power source, the anaerobicdigestion alternative could lessen the overall pollution since the methane is commonly used asa renewable substitute for fossil fuels.In this master thesis project the ecological and economical benefits and costs of managingorganic waste through pretreatment and anaerobic digestion were assessed. These benefits andcosts were compared to conventional waste management in Sweden. The comparison showsthat anaerobic digestion of organic waste is beneficial for reduction of global warming butlikely has a greater economical cost than the conventional methods, e.g. incineration.Syftet med det här examensarbetet var att utveckla datormodeller av några sannoliktimplementerbara förbehandlingstekniker och att uppskatta de potentiella vinsterna med atthantera organiskt avfall genom förbehandling och rötning ur ett systemperspektiv. Förändamålet har ett datorprogram som heter ORWARE använts. ORWARE (organic wasteresearch) är ett dator/beräkningsprogram för livscykelanalys av avfallshantering. I sambandmed det här arbetet har ORWARE kompletterats med tre nya modeller avförbehandlingstekniker: ultraljud, termisk hydrolys och skruvpress. Alla dessa tre tekniker harpotentialen att åtgärda tekniska hinder för att röta vissa typer av organiskt material.Med ORWARE gjordes därefter livscykelanalyser på olika avfallshanteringsscenarier. Totaltnio scenarier simulerades för hanteringen av tre typer av organiskt avfall: bioslam, fiberslamoch matavfall. Bioslam benämns ofta överskottslam och är mikrobiellt slam från biologiskvattenrening. Fiberslam kan definieras som slam från massaindustrin med en hög halt avlignocellulosa. Med matavfall menas allmänt de oönskade delarna av maten från hushåll,storkök och matindustrier.Tre primära avfallshanteringsscenarier, ett scenario för varje typ av avfall, som inkluderadeförbehandling och rötning simulerades varav ett var ”bioslamscenario” medultraljudsförbehandling, ett ”fiberslamsscenario” med förbehandling med termisk hydrolysoch ett ”matavfallsscenario” med förbehandling med skruvpress. Övriga sex scenarieruppskattades för att fungera som referenser att jämföra de tre primära scenarierna mot.De resulterande livscykelanalyserna visade att rötning av vissa organiska avfall leder tillnästan likvärdiga utsläpp av växthusgaser, försurande ämnen och gödande ämnen somförbränning av avfallet (där värmen tillvaratas). Den stora nackdelen med rötningsprocessen,är den elanvändning som krävs för förbehandling och rötning. En elanvändning som i det härfallet har antagits försedd från kolkraft, ett vanligt förekommande marginalantagande isamband med livscykelanalyser. Om rötnings- och förbehandlingsprocesserna kan drivas påmindre utsläppsintensiv elkraft är det möjligt att på det hela taget göra miljövinster eftersommetangasen från rötning med fördel ersätter fossila drivmedel.I det här projektet uppskattades miljömässig påverkan och energivinster/förluster av atthantera organiskt avfall med förbehandling och rötning. Dessa vinster och kostnader jämföresmed konventionell avfallshantering i Sverige d.v.s. förbränning av slam och sortering ochrötning efter sortering av matavfall