On Optimization of the Logistics Related to Recycling of Nutrients in Wastewater Sludges

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2022-01-25
Department
Major/Subject
Systems and Operations Research
Mcode
SCI3055
Degree programme
Master’s Programme in Mathematics and Operations Research
Language
en
Pages
62+1
Series
Abstract
Nutrient pollution is one of the most challenging environmental problems. Ineffective nutrient recycling causes eutrophication, climate-warming emissions, and a dependency on non-renewable natural resources. Wastewater sludges contain the second-highest amount of nutrients from all organic side-streams in Finland, but the sludge treatment is not planned to reclaim and recycle them. Technological development in sludge processing is required to increase nutrient recycling, but it requires treatment of large capacity to be profitable. This thesis is part of the project that aims to reform Finland's wastewater treatment with centralized sludge treatment facilities that utilize nutrients and energy from wastewater sludges. This thesis focuses on locating centralized treatment facilities to minimize sludge logistics. Additionally, the thesis offers information for decision-makers regarding the number and sizes of the treatment facilities by considering different scenarios. A mixed-integer linear programming model is formulated to find optimal locations for centralized facilities by minimizing the sludge transport. Simulations were executed in multiple different scenarios. The simulations provide information of optimal locations in scenarios of two and four centralized facilities with and without a maximum transport limit. The total transport distance of the current situation is computed for comparison, and the logistics of one product, phosphorus fertilizer, is simulated. In order to conclude if centralized sludge treatment facilities is a profitable and feasible solution for wastewater sludge treatment in Finland, a broader analysis is needed. More factors, such as different concepts for sludge treatment facilities, should be added to simulations. Most of all, a comprehensive life-cycle assessment of the entire process should be executed.

Ravinteiden aiheuttama saastuminen on yksi haastavimmista ympäristöongelmista. Tehoton ravinteiden kierrätys aiheuttaa rehevöitymistä, ilmastoa lämmittäviä päästöjä ja riippuvuutta uusiutumattomista luonnonvaroista. Jätevesilietteet sisältävät toiseksi eniten ravinteita kaikista Suomen orgaanisista sivuvirroista, mutta lietteenkäsittelyä ei ole suunniteltu ottamaan talteen ja kierrättämään ravinteita. Lietteiden käsittelyyn tarvitaan kehittynyttä teknologiaa ravinteiden kierrätyksen lisäämiseksi, mutta se vaatii suuren kapasiteetin laitoksia ollakseen kannattavaa. Tämä diplomityö on osa hanketta, jonka tavoitteena on uudistaa Suomen jätevedenkäsittelyä keskitetyillä lietteenkäsittelylaitoksilla, jotka hyödyntävät jätevesilietteiden sisältämät ravinteet ja energiapotentiaalin. Tämä työ keskittyy keskitettyjen käsittelylaitosten sijoittamiseen lietelogistiikan minimoimiseksi. Lisäksi työ tarjoaa päättäjille tietoa käsittelylaitosten lukumäärään ja kokoon liittyen tarkastelemalla erilaisia tilanteita. Lineaarinen sekalukuohjelmointimalli muotoiltiin keskitettyjen laitosten optimaalisten sijaintien löytämiseksi minimoimalla lietteen kuljetus. Simulaatiot toteutettiin useassa eri tilanteessa. Ne antavat tietoa optimaalisista sijainneista kahden ja neljän keskitetyn laitoksen vaihtoehdoissa sekä enimmäismatkarajoituksella että ilman. Nykytilanteen kuljetusmatkan kokonaispituus lasketaan vertailua varten ja yhden lopputuotteen, fosforilannoitteen, logistiikkaa simuloidaan. Jotta voidaan päätellä, onko keskitetty lietteenkäsittelylaitos kannattava ja toteuttamiskelpoinen ratkaisu jätevesilietteiden käsittelyyn Suomessa, tarvitaan laajempi analyysi. Simulaatioihin tulisi lisätä enemmän tekijöitä, kuten erilaisia lietteenkäsittelykonsepteja. Ennen kaikkea tulisi toteuttaa koko prosessin kokonaisvaltainen elinkaariarviointi.
Description
Supervisor
Ilmonen, Pauliina
Thesis advisor
Koskela, Olli
Keywords
facility location problem, wastewater sludges, optimization, logistics, nutrient recycling
Other note
Citation