Modelling solid waste management systems, using advanced life cycle assessment (LCA) tools

Abstract

The problems arising from environmental impacts associated with human activities have intensified in recent decades. Governments, particularly the European Union, have focused on creating, establishing, and implementing legal frameworks, directives, and guidelines. Their short-term goal is the minimization and, in the long term, the reversal of these negative environmental impacts. Directive 851/2018 (EU) introduces environmental protection and human health measures to manage urban solid waste. These measures aim to prevent or reduce waste production, mitigate the negative consequences of production and waste management, limit the overall impact of resource use, and enhance the waste management system efficiency. Simultaneously, the new climate law, Law No. 4936/2022, establishes measures and policies for the country's adaptation to climate change and ensures decarbonization by 2050. These initiatives play a crucial role in transitioning to a circular economy and ensuring the long-term competitiveness of the European Union. Therefore, exploring new waste management scenarios and modernizing existing systems must align with the new guidelines. Specifically, goals for reducing biowaste ending up in landfills and decreasing the consumption of natural resources necessitate revising and redesigning existing waste management systems. However, as the systems undergo modernization, the question arises about the environmental benefits of these upgrades and the tools that can evaluate this transition.The Life Cycle Assessment (LCA) in managing solid waste represents a precious tool for understanding environmental impacts and the in-depth exploration of the processes that regulate such a system. Through this methodology, management plans ranging from simple to highly complex can be examined and analyzed. Indeed, as the boundaries of the studied system expand and the system becomes more complex, taking into account more information and data, the need for computational power increases correspondingly. Therefore, using specialized computational tools becomes essential for achieving the goals of each research study.In this thesis, the integrated waste management system of the Chania region in Crete, which represents a typical Mediterranean integrated waste management system (IWMS), underwent a comprehensive study and modelling through extensive waste sampling and data collection. Such as weighting, truck travel logs, and fuel consumption info from the waste collection fleet were easily accessible to waste managers. The resulting data enabled an in-depth analysis of the critical processes involved in collecting, transporting, and treating municipal solid waste. This valuable information was utilized to enhance the understanding of the system's dynamics and environmental impacts.Additionally, the present thesis evaluated the environmental impact associated with existing waste collection practices in the Chania region of Greece. Herein, the introduction of waste transfer stations was considered in the context of resource consumption. The study leveraged actual, readily accessible data, such as weight records, total monthly fuel consumed, and total distance travelled by the collection vehicles, to create and evaluate a life cycle assessment inventory. Advanced LCA tools software was used to compare the implications of varying waste transfer station locations and quantities in a modern integrated solid waste management system. Using the produced data, five scenarios – one conventional direct haul and four scenarios including waste transfer stations - were explored, and their environmental impacts and efficiencies within the context of integrated waste management were assessed. The aim was to provide a comprehensive analysis that can inform better waste management practices, balancing operational efficiency, resource consumption, and environmental impact. The final results showed that a combination of direct and assigned to waste transfer stations (WTS) transport is the optimal scenario for the region but also revealed the benefits arising from proper and methodical transportation programming.Moreover, mechanical composting is a popular treatment method for the mechanically separated organic fraction of municipal solid wastes (MSW) to stabilize the waste material and reduce its environmental impacts. The model and life cycle inventory database were created based on the existing centralized mechanical composting facility in Chania (Crete, Greece). All stages of the composting process, wherein input-output flows were comprehensively analyzed based on specific waste fragments. The transfer coefficients were calculated for each waste fragment throughout the processes. The degradation rate was measured as kg of C and N released per mg of the treated material. The results show that process degradation rates are independent of the initial fragmental composition. This is the first study that accurately models the fate of specific waste fragments in a composting plant. At the same time, the developed life cycle inventory (concerning mass and energy balances) can be applied to estimate the environmental impacts regarding mechanical composting of the organic fraction of municipal solid wastes.Lastly, an LCA was performed to investigate the environmental impacts of two alternative approaches in a biowaste management system. The system inventory was based on actual data and on-site sampling for two consecutive years at the mechanical and biological treatment (MBT) facility in the prefecture of Chania (Greece). The facility pertains to MBT for household waste and material recycling facility (MRF) for the recyclable fractions in two different process lines. The mass balances and environmental performance were assessed from waste generation to end-use. The LCA and ReCiPe 2016 methodology allowed for estimating the endpoint environmental impacts on human health, ecosystem quality and resource scarcity. The results show that biowaste source segregation in an integrated waste management system significantly benefits its recoverability potential and environmental performance. Impacts on human health (HH) have been reduced by 4.6 times, on freshwater ecosystem quality (EQf) by 6.3 times, and resource scarcity (RS) usage by 2.5 times when biowaste is combined with compost production and use, material recovery and reprocessing for fertilizer and raw material substitution.

Τα προβλήματα από τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις που συνδέονται με τις ανθρωπογενείς δραστηριότητες, τις τελευταίες δεκαετίες έχουν ενταθεί. Οι κυβερνήσεις και ειδικότερα η Ευρωπαϊκή Ένωση έχουν στραφεί στη δημιουργία, καθιέρωση και εφαρμογή νομικών πλαισίων, οδηγιών και κατευθυντήριων γραμμών, στοχεύοντας βραχυπρόθεσμα στην ελαχιστοποίηση και μακροπρόθεσμα την αντιστροφή των αρνητικών περιβαλλοντικών αυτών επιπτώσεων. Όσον αφορά στη διαχείριση των αστικών στερεών απορριμμάτων, η εφαρμογή της Οδηγίας 851/2018(EE) θεσπίζει μέτρα για την προστασία του περιβάλλοντος και της ανθρώπινης υγείας, προλαμβάνοντας ή μειώνοντας την παραγωγή απορριμμάτων καθώς και τις αρνητικές συνέπειες της παραγωγής και διαχείρισης αυτών, περιορίζοντας έτσι τον συνολικό αντίκτυπο της χρήσης των πόρων στην διαχείριση των αστικών στερεών απορριμμάτων και βελτιώνοντας την αποδοτικότητά της. Ταυτόχρονα, ο νέος κλιματικός νόμος 4936/2022 που θεσπίζει μέτρα και πολιτικές για την προσαρμογή της χώρας στην κλιματική αλλαγή και τη διασφάλιση της πορείας ανθρακοποίησης έως το έτος 2050, παίζει καθοριστική σημασία για τη μετάβαση σε μια κυκλική οικονομία και την εξασφάλιση της μακροπρόθεσμης ανταγωνιστικότητας της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Επιτάσσεται λοιπόν η διερεύνηση νέων σεναρίων διαχείρισης των παραγόμενων απορριμμάτων, αλλά και ο εκσυγχρονισμός των ήδη υπαρχόντων, ώστε να εναρμονίζονται με τις νέες κατευθυντήριες γραμμές. Ειδικότερα, οι στόχοι για τη μείωση των βιοαποβλήτων που καταλήγουν σε χώρους υγειονομικής ταφής και την ελάττωση των καταναλωμένων φυσικών πόρων, οδηγούν στην αναθεώρηση και τον επανασχεδιασμό των υφιστάμενων συστημάτων διαχείρισης απορριμμάτων. Τίθεται όμως το ερώτημα αν και κατά πόσο είναι περιβαλλοντικά ωφέλιμος ο εκσυγχρονισμός των συστημάτων διαχείρισης, καθώς και ποια θα είναι τα εργαλεία που θα μπορέσουν να αξιολογήσουν αυτή τη μετάβαση.Η Ανάλυση Κύκλου Ζωής (AKZ) (Life Cycle Assessment - LCA) στη διαχείριση των στερεών απορριμμάτων αποτελεί πολύτιμο εργαλείο, τόσο για την κατανόηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων, όσο και για την εις βάθος εξέταση των διεργασιών που διέπουν ένα τέτοιο σύστημα. Με τη χρήση της παραπάνω μεθοδολογίας, μπορούν να εξεταστούν, να αναλυθούν και να μοντελοποιηθούν από απλά έως εξαιρετικά πολύπλοκα διαχειριστικά σχέδια και διαδικασίες. Καθώς όμως τα μοντέλα που προκύπτουν βασίζονται στην επεξεργασία μεγάλου όγκου δεδομένων και την επίλυση πολύπλοκων υπολογισμών, είναι εμφανής η ανάγκη για υπολογιστική δύναμη, αρκετές παραδοχές και έξυπνα ή ευέλικτα υπολογιστικά και απεικονιστικά εργαλεία. Είναι επομένως εμφανής η ανάγκη και η χρησιμότητα εξειδικευμένων υπολογιστικών AKZ εργαλείων ώστε να επιτευχθούν οι στόχοι κάθε μελέτης, καθώς και δεδομένων με αντιπροσωπευτικά στοιχεία που να ανταποκρίνονται χωροχρονικά στα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του προς μελέτη συστήματος. Το σύστημα διαχείρισης των στερεών αστικών απορριμμάτων της Περιφερειακής Ενότητας Χανίων στην Κρήτη, αποτελεί τυπικό παράδειγμα ολοκληρωμένης διαχείρισης αστικών στερεών απορριμμάτων, αντιπροσωπευτικό του συνόλου των συστημάτων που έχουν αρχίσει να εφαρμόζονται στην περιοχή της Μεσογείου. Το συγκεκριμένο σύστημα τέθηκε υπό συστηματική παρακολούθηση και μελέτη για τρία χρόνια με δειγματοληψίες και συλλογή δεδομένων. Οι πληροφορίες που συλλέχθηκαν επέτρεψαν, με τη χρήση εξειδικευμένων υπολογιστικών εργαλείων ΑΚΖ, την εις βάθος ανάλυση των κρίσιμων διαδικασιών που διέπουν τα στάδια της διαχείρισης των στερεών αστικών απορριμμάτων, από την συλλογή, τη μεταφορά, αλλά και όλα τα στάδια της επεξεργασίας τους όπως ο διαχωρισμός, η ανάκτηση και η κομποστοποίηση των υλικών αυτών. Τα δεδομένα που προέκυψαν, επέτρεψαν την κατανόηση των διεργασιών που λαμβάνουν χώρα, καθώς και να την σύνδεσή τους με τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις του υπό μελέτη συστήματος σε τομείς, όπως η ανθρώπινη υγεία, η ποιότητα του αέρα και των υδατικών οικοσυστημάτων ή της κλιματικής αλλαγής. Με βάση τα δεδομένα αυτά η παρούσα διατριβή επικεντρώθηκε στη διερεύνηση της συλλογής - μεταφοράς των ΑΣΑ, καθώς και στην ολοκληρωμένη ανάκτηση και επεξεργασία των ανακυκλώσιμων υλικών και των βιοαποβλήτων.Πιο συγκεκριμένα, η παρούσα διατριβή στοχεύει στην αξιολόγηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων που συνδέονται με τις πρακτικές συλλογής των αστικών στερεών απορριμμάτων στην Περιφερειακή Ενότητα Χανίων, συμβατικά αλλά και με την εισαγωγή σταθμών μεταφόρτωσης. Αξιοποιώντας πραγματικά, δεδομένα ευρέως διαθέσιμα στους διαχειριστές συστημάτων, όπως ζυγολόγια, λίστες δρομολογίων, αλλά και χιλιομετρικά δεδομένα ή στοιχεία κατανάλωσης καυσίμων από τον στόλο οχημάτων συλλογής, τα οποία είναι εύκολα διαθέσιμα, η παρούσα διατριβή, αποσκοπεί στη δημιουργία προσεγγιστικών αποθετηρίων ανάλυσης κύκλου ζωής σχετικά με τη διαδικασία συλλογής και μεταφοράς απορριμμάτων. Στη συνέχεια, τα δεδομένα αυτά χρησιμοποιούνται για τον σχεδιασμό και τη μελέτη σεναρίων συλλογής και μεταφοράς σύμμεικτων και ανακυκλώσιμων υλικών στη μελετώμενη περιφέρεια και συγκρίνονται ως προς την επίδραση της χωροθέτησης σταθμών μεταφόρτωσης απορριμμάτων στο περιβαλλοντικό αποτύπωμα της διαδικασίας. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ο συνδυασμός απευθείας μεταφοράς και εισαγωγής σταθμών μεταφόρτωσης απορριμμάτων, υπό συγκεκριμένες προϋποθέσεις, μπορεί να έχει ευνοϊκά αποτελέσματα για το περιβάλλον, εάν συνδυάζεται με ένα ολοκληρωμένο σύστημα διαχείρισης απορριμμάτων με εκτεταμένη ανάκτηση ανακυκλώσιμων υλικών.Στο κομμάτι της επεξεργασίας των συλλεγόμενων υλικών, η διατριβή επικεντρώθηκε στη δημιουργία απογραφών για όλες τις διεργασίες επεξεργασίας και ανάκτησης των δυο κυριότερων επεξεργαζόμενων ρευμάτων, δηλαδή σύμμεικτα και ανακυκλώσιμα, ενώ ιδιαίτερη βάση δόθηκε στη διεργασία της μηχανικής κομποστοποίησης. Η συγκεκριμένη διεργασία, αποτελεί μια διαδεδομένη μεθοδολογία επεξεργασίας του μηχανικά συλλεγόμενου οργανικού κλάσματος των στερεών αστικών απορριμμάτων, ώστε τα υλικά αυτά να σταθεροποιηθούν και να μειωθούν οι περιβαλλοντικές τους επιπτώσεις., Στην παρούσα διατριβή, η διαδικασία μοντελοποιήθηκε και δημιουργήθηκε ένας κατάλογος (inventory) των διεργασιών που συνθέτουν τη μελετώμενη επεξεργασία βασιζόμενη στη μονάδα μηχανικής κομποστοποίησης της περιφερειακής ενότητας Χανίων. Στόχος ήταν να καταγραφούν και να μοντελοποιηθούν όλες οι εισροές και εκροές του συστήματος, οι διεργασίες, αλλά και οι μεταβολές των υλικών. Για τον λόγο αυτό υπολογίστηκαν οι λόγοι ανάκτησης των υλικών που συνθέτουν το εισερχόμενο οργανικό κλάσμα, αλλά και οι λόγοι αποδόμησής τους κατά τη διεργασία της κομποστοποίησης. Με εργαλείο τη λεπτομερή αποτύπωση της μηχανικής κομποστοποίησης και τα στοιχεία από τις απογραφές για κάθε επιμέρους διεργασία ανάκτησης στο μελετώμενο σύστημα, η διατριβή επικεντρώθηκε επίσης στη διερεύνηση της ανάκτησης και αξιοποίησης των βιοαποβλήτων, διεξάγοντας μια συγκριτική μελέτη ανάλυσης κύκλου ζωής ανάμεσα σε δυο σενάρια διαχείρισης βιοαποβλήτων. Τα αποτελέσματα της έρευνας δείχνουν ότι η μετάβαση από το υπάρχον σύστημα μηχανικής ανάκτησης και κομποστοποίησης βιοαποβλήτων από σύμμεικτα απόβλητα σε ένα σύστημα διαλογής στην πηγή και κομποστοποίησης, μπορεί να ελαχιστοποιήσει τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία κατά 4,6 φορές, όσον αφορά την ποιότητα των υδατικών οικοσυστημάτων, κατά 6,3 φορές τη διατήρηση των φυσικών πόρων και κατά 2,5 φορές όταν η επεξεργασία των βιοαποβλήτων συνδυάζεται με την εκτεταμένη ανάκτηση ανακυκλώσιμων υλικών και τη χρήση του παραγόμενου κόμποστ για εδαφοβελτίωση και υποκατάσταση λιπασμάτων.