Comparative studies and assessments of process chains for the production and use of biochar from sewage sludge
Description
Growing challenges related to climate change and the scarcity of limited resources require appropriate recycling routes for sewage sludge in order to enable a sustainable circular economy for critical resources while minimizing environmental impacts. In this work, alternative process chains for the production and utilization of biochar and hydrochar from sewage sludge were investigated and evaluated by means of a comparative life cycle assessment. The mono-incineration of sewage sludge was defined as the benchmark process. Subsequently, the emission profiles of sewage sludge treatment by hydrothermal carbonization (HTC) and pyrolysis as well as different utilization paths of the resulting biochar and hydrochar were determined. A total of eight different scenarios were analyzed, allowing for comparisons of the treatment processes and the benchmark process, as well as highlighting the ecological impacts of the different application paths of the biochars and hydrochars. The evaluation of the life cycle assessment (LCA) showed an advantage for the process chains of HTC compared to pyrolysis and mono-incineration in most environmental impact categories. However, the direct material application of the hydrochar showed an increased toxicity potential, so that an energetic utilization of the hydrochar appears to be more reasonable from an ecological point of view. On the other hand, a slightly higher energy demand and thus a higher environmental impact could be determined for the process chains of pyrolysis, which was still lower than that of the mono-incineration. The direct material applications of the biochar also facilitated low toxicity potentials while achieving direct nutrient recycling for phosphorus and a long-term carbon sequestration. Overall, ecological advantages and a lower greenhouse gas potential could be demonstrated for both thermochemical processes compared to mono-incineration, making pyrolysis and HTC alternative treatments in the overall context of a sustainable waste management for sewage sludge.
Abstract (German)
Wachsende Herausforderungen im Zusammenhang mit dem Klimawandel und der Verknappung endlicher Ressourcen erfordern angepasste Verwertungswege für Klärschlämme, um eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft für kritische Ressourcen zu ermöglichen und gleichzeitig die Umweltbelastungen zu minimieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurden alternative Prozessketten zur Herstellung und Nutzung von Biokohlen aus Klärschlamm betrachtet und mithilfe einer vergleichenden Ökobilanz bewertet. Als Benchmark-Prozess wurde die Monoverbrennung des Klärschlamms definiert. Anschließend erfolgte die Bestimmung der Emissionsprofile für die Klärschlammbehandlung durch hydrothermale Carbonisierung (HTC) und Pyrolyse sowie für die verschiedenen Anwendungspfade der entstehenden Biokohlen. Insgesamt wurden acht unterschiedliche Szenarien analysiert, die Vergleiche der Behandlungsverfahren untereinander und mit dem Benchmark-Prozess ermöglichten sowie die ökologischen Auswirkungen der unterschiedlichen Anwendungspfade der Biokohle aufzeigten. Die Auswertung ergab für die Prozessketten der HTC einen Vorteil gegenüber der Pyrolyse und der Monoverbrennung in den meisten Umweltwirkungskategorien. Allerdings zeigte die direkte stoffliche Anwendung der HTC-Biokohlen ein erhöhtes Toxizitätspotential, sodass aus ökobilanzieller Sicht eine energetische Verwertung dieser Biokohlen sinnvoller erscheint. Andererseits wurden für die Prozessketten der Pyrolyse ein höherer Energiebedarf und damit eine höhere Umweltbelastung ermittelt als für die HTC, die allerdings immer noch geringer war als die der Monoverbrennung des Klärschlamms. Die direkte stoffliche Anwendung der Biokohlen aus der Pyrolyse ermöglichte es zudem, das Toxizitätspotential gering zu halten und gleichzeitig ein direktes Nährstoffrecycling für Phosphor sowie eine langfristige Kohlenstoffsequestrierung zu erreichen. Insgesamt konnten für beide thermochemischen Verfahren und die angegliederten Nutzungspfade der Biokohlen ökologische Vorteile gegenüber der Monoverbrennung aufgezeigt werden, sodass die Pyrolyse und die HTC aus ökobilanzieller Sicht alternative Verwertungspfade im Gesamtkontext einer nachhaltigen Abfallwirtschaft für Klärschlamm darstellen.Files
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Additional details
Additional titles
- Original title (German)
- Vergleichende Untersuchungen und Bilanzierungen von Prozessketten zur Herstellung und Nutzung von Biokohlen aus Klärschlämmen
Identifiers
Publishing Information
- ISBN
- 978-3-86009-551-5
- Imprint Pagination
- 209 p.
- Journal Volume
- 118
- Series
- Schriftenreihe Umweltingenieurwesen
- Report number
- INIS-DE--4161
- University
- University of Rostock
- Degree
- Dr.-Ing.
INIS
- Country of Publication
- Germany
- Country of Input or Organization
- Germany
- INIS RN
- 55040770
- Subject category
- S36: MATERIALS SCIENCE; S42: ENGINEERING;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- CARBONIZATION; CHARCOAL; COMBUSTION; COMPARATIVE EVALUATIONS; EMISSION; LIFE CYCLE ASSESSMENT; PRODUCTION; PYROLYSIS; SEWAGE SLUDGE; SUSTAINABILITY; WASTE MANAGEMENT
- Descriptors DEC
- ADSORBENTS; BIOLOGICAL MATERIALS; BIOLOGICAL WASTES; CHEMICAL REACTIONS; DECOMPOSITION; EVALUATION; MANAGEMENT; MATERIALS; OXIDATION; SEWAGE; SLUDGES; THERMOCHEMICAL PROCESSES; WASTES