Characterization and treatment options of residues from waste-to-energy plants

Bottom ash (BA) is the residue produced in greatest amount from incineration of municipal solid waste (MSW). Several countries allow the use of BA for civil engineering applications, as road construction, embankment, pavement, aggregate, filler for concrete, asphalt, or low-cost tiles. In these cases, leaching of heavy metals is a major issue and can limit the feasibility of these reuse options. In order to comply with limits set by law for leaching of heavy metals, several options are available for treating MSW combustion residues: solidification, stabilization, vitrification, classification by granulometric size particles and ageing or weathering. The choice of the treatment depends on site specific conditions, utilization or disposal objectives and law requirements. When an ash treatment method must be chosen, much attention must be payed to investment and operating costs. The main objective of this doctoral thesis was to investigate the effect of size separation and weathering as pre-treatments applied to different residues from waste incineration plants. The following materials were chosen for the experimental activities: - BA from MSW grate furnace combustion plants; - BA from wood waste grate furnace combustion plants; - vitrified residues from refuse derived fuel (RDF) high-temperature gasification plants. Size separation was applied to BA from two high temperature RDF gasification plants. These residues were analysed for the following parameters: grain size distribution, specific gravity, compaction behaviour, hydraulic conductivity, water content and chemical composition. Besides, leaching characteristics were also investigated by means of the EN 12457-2 batch leaching test, the TS 14429 Acid Neutralization Capacity (ANC) test and the Availability Test (NEN 7371). Results of the analytical investigations showed marked differences between the two investigated BA. In one case the levels of heavy metals were always below the Italian regulatory limits for either reuse or disposal as inert waste and a there was a uniform contaminant distribution above the different grain size classes. In the other case Cu, Cr and Ni were above the limits set for reuse. Moreover, the finest fractions appeared to be more contaminated in Cu and Ni and a size separation pre-treatment could be considered as a viable solution to reduce their content in BA. On the other hand, Cr was more or less evenly distributed in all the grain size classes, making the size separation pre-treatment not effective for this metal. As regards weathering treatment of BA from MSW and wood waste grate furnace combustion plants, the residues were analysed at different steps of treatment and characterized for their chemical and mineralogical composition, volume stability and both short term as well as long term leaching behaviour. Pb, Zn and Cu were the heavy metals to be released in greatest amount. After 12 weeks of treatment the concentration of leached Zn fell significantly in both cases, while for Pb it was possible to observe a concentration decrease only for biomass. Lead concentrations seemed to be independent from the BA pH and undersaturated with respect to lead hydroxide (Pb(OH)2), anglesite (PbSO4) and cerrusite (PbCO3). Leaching of Cu was well described by complexation processes with dissolved organic carbon. ANC test permitted to carry out analysis of the weathering process, with particular reference to mineralogical transformation and behaviour of heavy metals. The treatment resulted to be effective to comply with law limits concerning volume stability. As regards the effects of natural weathering on RDF high-temperature gasification residues, the study was conducted on a single BA sample and with reference to different grain size fractions. Significant results were obtained for the leaching of amphoteric elements such as Zn and Pb, while for oxyanion forming elements, such as Cr, it did not exert beneficial effects. Leaching of Cu appeared to be not affected by weathering. Cr and Cu resulted to be the most critical elements in view of recycling or disposal as inert waste.

Le bottom ash (BA) rappresentano il residuo solido prodotto in maggior quantità dagli impianti di trattamento termico dei rifiuti. Molti paesi europei consentono il riutilizzo di questi materiali nell’industria dei materiali da costruzione, in quella siderurgica e nel settore di sottofondi stradali. A causa del rischio legato al possibile rilascio di specie contaminanti, le scorie possono porre problemi una volta reimmesse nell’ambiente. Tali materiali, pertanto, prima di essere posti in discarica o proposti per un eventuale recupero, possono necessitare di un idoneo pretrattamento. I trattamenti più semplici e più comunemente utilizzati sono la separazione dimensionale, la rimozione dei metalli magnetici e non magnetici e la maturazione. Fra i trattamenti più avanzati ci sono, invece, i processi di stabilizzazione/solidificazione e quelli termici di vetrificazione, fusione e sinterizzazione. La scelta del trattamento dipende da condizioni sito-specifiche, dagli obiettivi di recupero e dai limiti normativi. In ogni caso, nella scelta del pre-trattamento è necessario porre particolare attenzione ai costi sia operativi che di investimento. Il principale obiettivo della presente tesi di dottorato è stato quello di valutare l’effetto dei pre-trattamenti di separazione dimensionale e maturazione (o weathering) applicati a residui da processi di incenerimento di rifiuti. In particolare sono stati considerati i seguenti materiali: - BA da impianti di incenerimento a griglia di RSU; - BA da impianti di incenerimento a griglia di biomasse; - Residui vetrificati da impianti di gassificazione ad alta temperatura di combustibile da rifiuti (RDF). Il trattamento di separazione dimensionale è stato applicato a due campioni di BA provenienti da due diversi impianti di gassificazione di RDF ad alta temperatura. I residui sono stati caratterizzati con riferimento ai seguenti parametri: distribuzione granulometrica, peso specifico dei costituenti solidi, caratteristiche di compattazione, permeabilità, contenuto d’acqua e composizione chimica. Il comportamento a lisciviazione è stato valutato mediante il test di cessione EN 12457-2, il test per la determinazione della Capacità di Neutralizzazione Acida (ANC) secondo la metodica TS 14429 ed il test di Availability (NEN 7371). I risultati della indagini analitiche hanno evidenziato delle marcate differenze fra i due materiali considerati. In un caso le concentrazioni dei metalli pesanti negli eluati sono sempre risultate inferiori rispetto ai limiti imposti dalla normativa per il recupero o il conferimento in discarica per rifiuti inerti ed i contaminanti sono risultati uniformemente distribuiti fra le differenti classi granulometriche. Per l’altro materiale analizzato, le concentrazioni di Cu, Cr e Ni sono risultate superiori rispetto ai limiti fissati per il recupero. Tuttavia, per lo stesso campione, i risultati sperimentali hanno evidenziato una maggiore concentrazione di Cu e Ni nelle frazioni più fini. Di conseguenza il pre-trattamento di separazione dimensionale potrebbe dimostrarsi efficiente nel ridurre il contenuto di tali metalli nel residuo. Dall’altra parte, invece, il Cr è risultato presente in maniera pressoché uniforme in tutte le classi granulometriche, rendendo quindi la separazione dimensionale non idonea per la sua rimozione. Per quanto riguarda il trattamento di weathering di BA da impianti di incenerimento di RSU e biomasse, i residui sono stati analizzati a successivi steps di trattamento e caratterizzati in termini di composizione chimica e mineralogica, stabilità volumetrica e tendenza a lisciviazione sia a breve che a lungo termine. I metalli risultati più critici sono stati Pb, Zn e Cu. Dopo 12 settimane di trattamento, la concentrazione di Zn è diminuita in maniera significativa per tutti i materiali considerati, mentre per il Pb si è osservata una lieve diminuzione solo per le BA da biomasse. Le concentrazioni di Pb negli eluati si sono rivelate indipendenti dal pH ed inferiori rispetto alle concentrazioni di saturazione fissate da idrossido di piombo (Pb(OH)2), anglesite (PbSO4) e currusite (PbCO3). Il comportamento a lisciviazione del Cu è risultato strettamente correlato a fenomeni di complessazione con il carbonio organico disciolto. Il test ANC ha permesso di condurre una analisi maggiormente dettagliata del processo di weathering, con particolare riferimento alla correlazione fra trasformazioni di carattere mineralogico e comportamento a lisciviazione dei metalli pesanti. Il trattamento, infine, si è dimostrato efficace nel garantire ai materiali una adeguata stabilità volumetrica. Per quanto riguarda l’effetto del weathering applicato a residui da processi di gassificazione ad alta temperatura di RDF, la ricerca è stata condotta su un singolo campione, facendo riferimento alle diverse classi granulometriche. Il trattamento si è dimostrato efficace nel ridurre la tendenza a lisciviazione dei metalli anfoteri quali Zn e Pb, mentre non ha avuto effetti benefici sul comportamento dei metalli che tendono a formare ossianioni, fra cui il Cr. La tendenza a lisciviazione del Cu non è apparsa influenzata dal processo di maturazione. Alla fine del trattamento Cu e Cr sono risultati i metalli più critici per il recupero o il conferimento in discarica per inerti del materiale oggetto di studio.