UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI ROMA "TOR VERGATA" - PDF

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UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI ROMA TOR VERGATA FACOLTA' DI INGEGNERIA DOTTORATO DI RICERCA IN INGEGNERIA AMBIENTALE XXIV CICLO Characterisation of the main properties and leaching behaviour of bottom ash

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UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI ROMA TOR VERGATA FACOLTA' DI INGEGNERIA DOTTORATO DI RICERCA IN INGEGNERIA AMBIENTALE XXIV CICLO Characterisation of the main properties and leaching behaviour of bottom ash from different types of waste thermal treatment plants in view of specific reuse or disposal scenarios Stefania Rocca A.A. 2010/2011 Tutor: Prof. Francesco Lombardi Co-Tutor: Dott. Giulia Costa Coordinatore: Prof. Renato Gavasci Abstract Abstract I processi di trattamento termico di rifiuti, quali ad es. biomasse, rifiuti solidi urbani indifferenziati o combustibile derivato dai rifiuti, CDR, in appositi impianti di termodistruzione con produzione di energia (quali inceneritori e gassificatori) danno origine ad alcuni residui solidi, tra cui le scorie di fondo (bottom ash, BA) che rappresentano circa il 10-20% in peso dei rifiuti trattati. Il crescente impiego di tali impianti per il trattamento termico di varie tipologie di rifiuti ha suscitato, negli ultimi anni, un forte interesse nell individuazione di adeguate strategie gestionali per le BA, le quali non solo rappresentano il flusso di residui solidi più abbondante derivante da tali processi ma anche, al tempo stesso, il più idoneo per caratteristiche fisiche (es. densità e granulometria) e proprietà tecniche (es. resistenza a compressione) al riutilizzo come materiale da costruzione in luogo di aggregati naturali. Per tali ragioni, il recupero delle BA in vari settori dell ingegneria civile (principalmente nella costruzione di sottofondi stradali, terrapieni e barriere antirumore) è comunemente praticato in diversi Paesi Europei, come l Olanda e la Danimarca. In altri paesi, tra cui l Italia, invece, non esistono specifiche norme che regolamentino i requisiti tecnici ed ambientali di tali residui ai fini della loro valorizzazione, per cui essi sono prevalentemente smaltiti in discarica per rifiuti non pericolosi. A tale proposito, bisogna osservare che, generalmente, le BA presentano un maggiore contenuto di componenti potenzialmente tossici per l ambiente, quali metalli (es. Pb, Cu e Zn), metalloidi (es. Cr, Mo e Sb) e sali (es. cloruri e solfati), rispetto ai materiali naturali impiegati nell edilizia. Tuttavia, l aspetto più rilevante da valutare per l individuazione di idonee strategie gestionali riguardanti il recupero o lo smaltimento di tali residui è il rilascio dei suddetti costituenti in soluzione acquosa ( lisciviazione ), nonché i principali meccanismi geochimici che ne influenzano la solubilità nel breve e nel lungo periodo, piuttosto che il loro contenuto totale. Dunque, un appropriata analisi dell impatto ambientale concernente il riuso o lo smaltimento delle BA richiede tali valutazioni. L obiettivo della presente tesi di dottorato è stato quello di studiare le principali caratteristiche fisiche, chimiche, mineralogiche e il comportamento alla lisciviazione di BA prodotte da impianti di trattamento termico di rifiuti differenti tra loro sia per la tecnologia utilizzata, sia per la tipologia di rifiuti trattati, al fine di individuare per tali residui le proprietà ambientali in condizioni di recupero o smaltimento. In particolare, sono state analizzate le BA derivanti da: un impianto di incenerimento di CDR (refuse derived fuel incineration, RDF-I); un impianto di gassificazione di CDR (refuse derived fuel gasification, RDF-G); un impianto di incenerimento di rifiuti ospedalieri (hospital waste incineration, HW-I). A tale proposito, bisogna notare che, in letteratura, sono i Abstract disponibili soltanto alcuni studi riguardanti la caratterizzazione di questi specifici residui, a causa del recente impiego di tecnologie, quali l incenerimento e la gassificazione, per la valorizzazione energetica del CDR, così come del piuttosto limitato numero di impianti esclusivamente dedicati al trattamento termico dei rifiuti ospedalieri. L obiettivo finale di questa ricerca è stato quello di identificare, sulla base di un attenta caratterizzazione della composizione chimica e mineralogica di tali residui, i principali processi geochimici che controllano la lisciviazione dei maggiori costituenti e dei metalli in traccia dalle BA in esame, nonché di valutarne le strategie gestionali più idonee. A tale scopo, dapprima, sono stati condotti test sperimentali di lisciviazione, i cui risultati sono stati, successivamente, analizzati mediante l impiego di modelli geochimici predittivi, in accordo con l approccio utilizzato in studi precedenti riguardanti le BA prodotte da impianti di incenerimento di rifiuti solidi urbani (municipal solid waste incineration, MSWI). Innanzitutto, nel presente studio, sono stati individuati i principali meccanismi e i componenti (organici ed inorganici) che contribuiscono a determinare gli alti valori della perdita al fuoco (loss on ignition, LOI) a 550 o 1000 C per le RDF-I BA e le HW-I BA, mediante termogravimetria e spettrometria di massa (TG-MS) (Chapter 1). A questo proposito, bisogna osservare che la LOI è considerata quale un parametro di qualità dei residui da incenerimento, essendo tipicamente associata al loro contenuto di sostanza organica. Di conseguenza, alti valori della LOI per le BA sono stati, generalmente, correlati ad una scarsa efficienza del processo di combustione dei rifiuti. Tuttavia, i risultati ottenuti in questo studio per le RDF-I BA hanno indicato che la LOI è associata all evaporazione di H2O e alla decomposizione di fasi d idratazione (portlandite, hydrocalumite) e di carbonati di calcio (CaCO 3 ) contenute nei campioni in esame. Per le HW-I BA, invece, i risultati hanno mostrato che gli alti valori della LOI sono attribuibili principalmente alla decomposizione di carbonio elementale (EC) inerte. Pertanto, dal presente studio risulta evidente che la LOI non può essere impiegata come stima indiretta del contenuto di carbonio organico dei residui in esame, tanto più dell efficienza del processo di combustione dei rifiuti da cui le BA sono prodotte. In seguito, sono state esaminate le principali caratteristiche chimiche, mineralogiche e il comportamento alla lisciviazione delle HW-I BA (Chapter 2). La composizione chimica di tali residui è risultata simile a quella tipicamente osservata per le MSWI BA in studi precedenti. L analisi mineralogica mediante diffrattometria a raggi X (XRD), invece, ha mostrato la preponderanza di fasi amorfe e vetrose nelle HW-I BA, diversamente da quanto indicato in letteratura per le MSWI BA. Sulla base del confronto delle concentrazioni di metalli misurate negli eluati del test di cessione con i criteri Europei di accettabilità dei rifiuti in discarica e con i limiti della legislazione italiana ed olandese per il riuso di rifiuti non pericolosi in specifiche applicazioni ii Abstract dell ingegneria civile, le HW-I BA in esame possono essere smaltite in discariche per rifiuti non pericolosi. Inoltre, tali BA hanno mostrato di rispettare i limiti per il riuso, nonostante la legislazione italiana ne obbliga lo smaltimento in discarica per rifiuti pericolosi. Tuttavia, le HW-I BA hanno mostrato una capacità di neutralizzazione acida piuttosto bassa e inferiore ai valori generalmente riportati per le MSWI BA, riconducibile al suo elevato contenuto di fasi vetrose caratterizzate da una scarsa capacità tampone. Ciò implica che il dell ambiente in cui le HW-I BA vengono smaltite o, eventualmente, riutilizzate può essere di cruciale importanza per la valutazione del comportamento ambientale di questi residui poiché il loro originario (circa pari a 10) tenderebbe rapidamente a diminuire verso un valore acido con un conseguente aumento della solubilità di alcuni contaminanti (ad es. Cu e Zn). Un ulteriore confronto qualitativo e quantitativo della lisciviazione dei maggiori costituenti e dei metalli in traccia delle HW-I BA con le concentrazioni osservate per le MSWI BA ha indicato che la tecnologia utilizzata per il trattamento termico dei rifiuti (temperatura e configurazione del forno) è il fattore che maggiormente influenza le caratteristiche ambientali di tali residui. In seguito, il comportamento ambientale delle RDF-I e delle RDF-G BA è stato valutato e confrontato sulla base della composizione chimica, della mineralogia, della capacità di neutralizzazione acida (ANC) e del rilascio dei maggiori componenti di tali residui al variare del (Chapter 3). Complessivamente, i risultati dell analisi elementale hanno mostrato che non esistono significative differenze nelle caratteristiche chimiche di queste BA, in parte riconducibili alla simile composizione del rifiuto (RDF) trattato dagli impianti. Tuttavia, differenze nelle proprietà di lisciviazione (di macro-componenti e metalli in traccia) dei residui in esame sono state attribuite alle diverse caratteristiche tecnologiche (es. temperatura, agente ossidante) degli impianti di incenerimento e gassificazione da cui le BA sono prodotte. Inoltre, l analisi mineralogica ha rivelato la presenza di numerose fasi cristalline nelle RDF-I BA e la preponderanza di fasi amorfe e vetrose nelle RDF-G BA, per effetto delle diverse condizioni operative del trattamento termico dei rifiuti adottate negli impianti considerati. Successivamente, i risultati dell analisi elementale e mineralogica di tali residui sono stati inclusi in un modello geochimico (mediante il programma LeachXS/Orchestra) per l individuazione dei principali processi e fasi minerali che controllano l ANC e il rilascio dei maggiori costituenti dalle BA in esame. In particolare, è stato osservato che la minore ANC e le più basse concentrazioni dei macro-componenti (es. Ca, Mg e Si) misurate per le RDF-G BA sono, sostanzialmente, riconducibili ad un minore contenuto di fasi minerali solubili presenti in tali BA in confronto con le RDF-I BA. Successivamente, sono stati analizzati i principali meccanismi che controllano le concentrazioni dei metalli in traccia rilasciati dalle RDF-G BA, al variare del (2-12.5) e del tempo di contatto (48 iii Abstract ore, 1 settimana e 2 settimane) tra le BA e la soluzione acquosa (Chapter 4). L analisi di quest ultimo aspetto è stata considerata di rilevante importanza per tali residui che sono caratterizzati da una matrice prevalentemente vetrosa e quindi potrebbero richiedere tempi di contatto maggiori di quelli stabiliti nel test di lisciviazione standard per raggiungere la condizione di equilibrio termodinamico con la soluzione acquosa. Il confronto dei risultati ottenuti in questo studio ha permesso di verificare che, in realtà, le concentrazioni dei metalli rilasciate dalle BA in esame non hanno mostrato significative variazioni per effetto del tempo di contatto tra i residui e la soluzione acquosa al variare dei valori di analizzati. Inoltre, il confronto delle concentrazioni lisciviate dalle RDF-G BA con quelle osservate in precedenti studi riguardanti le MSWI BA ha indicato che le concentrazioni di metalli (ad es. Zn, Ni) determinate negli eluati dei test di cessione delle RDF-G BA sono significativamente (da 1 a 3 ordini di grandezza, in dipendenza del considerato) inferiori a quelle misurate per le MSWI BA. Infatti, l elevata temperatura del reattore di gassificazione ( 1200 C) può aver causato la volatilizzazione di questi elementi dalla matrice solida dei rifiuti con riduzione della loro disponibilità nelle BA e, conseguentemente, del loro rilascio in acqua. Inoltre, le minori concentrazioni di Cu misurate negli eluati delle RDF-G BA in confronto con le MSWI BA sono state attribuite ai più bassi livelli di carbonio organico disciolto (DOC) determinati per i residui da gassificazione. Questi risultati sono in buon accordo con studi precedenti sulle MSWI BA in cui è stato dimostrato che la lisciviazione del Cu può essere quantitativamente correlata alla formazione di complessi solubili Cu-DOC. In seguito, i risultati della modellazione geochimica hanno indicato che per le RDF-G BA la lisciviazione di alcuni metalli (ad es. Pb e Cu) è controllata da processi di precipitazione di minerali, tra cui ossidi contenuti in tali residui. La mobilizzazione di altri componenti (ad es. Ni e Cr), invece, è apparsa fortemente dipendente da meccanismi di assorbimento su superfici amorfe contenenti Al/Fe, il cui contenuto è risultato significativo nella matrice di questa tipologia di BA. Infine, sono stati valutati gli effetti del processo di invecchiamento naturale (condotto per 6 mesi alla scala di laboratorio) sulla mineralogia e sul rilascio di macroelementi e costituenti in traccia per le RDF-I BA (Chapter 5). A questo proposito, bisogna considerare che tale processo avviene naturalmente nelle scorie in condizioni di smaltimento o recupero nell edilizia, per effetto del contatto con l aria e le precipitazioni atmosferiche. Per questo motivo, un attenta valutazione delle proprietà ambientali di tali BA (contenenti numerose fasi cristalline potenzialmente reattive) a seguito dell invecchiamento è stata ritenuta di significativa importanza. I risultati hanno indicato che la mineralogia, l ANC ed il comportamento alla lisciviazione di alcuni metalli sono variate in seguito al trattamento d invecchiamento naturale esaminato. In particolare, sono state misurate minori concentrazioni di metalli (ad es. Pb, Zn) e maggiori concentrazioni di ossianioni (ad es. Mo, iv Abstract Cr) negli eluati dei test di cessione condotti al naturale dei campioni invecchiati. Tuttavia, i risultati ottenuti in questo studio hanno indicato che l invecchiamento (condotto per 6 mesi) non ha influenzato in maniera significativa le proprietà di lisciviazione delle RDF-I BA, al variare del. Ciò implica che il contenuto di composti minerali che principalmente determinano il rilascio di macro/micro componenti di questi residui non è variato sostanzialmente a seguito del trattamento in esame. Inoltre, la modellazione geochimica dei risultati sperimentali ha indicato che i meccanismi di precipitazione di fasi minerali idrosside presenti nelle RDF-I BA costituiscono i principali processi che controllano il rilascio di metalli (es. Pb, Zn, Ni) da tali residui, in accordo con quanto osservato in studi precedenti riguardanti le MSWI BA. v Abstract Abstract Thermal treatment of waste materials (e.g. biomass, unsorted municipal solid waste, MSW or selected refuse derived fuel, RDF) in Waste to Energy (WtE) plants, i.e. combustion or gasification facilities generate a number of solid by-products, among which the most abundant is bottom ash (BA), which accounts generally for wt.% of the feedstock. This slag-like material is produced worldwide in large quantities. Over the past few decades, in some European countries, BA from MSW incineration (MSWI) is increasingly being reused in construction applications (e.g. in road foundations, embankments or sound barriers) due its suitable physical (e.g. bulk density, particle size) and mechanical properties (e.g. compressive strength). However, BA generally exhibits higher concentrations of toxic constituents of environmental concern compared to natural materials, including metals, oxyanions and salts. To ensure the environmentally safe utilization or disposal of this type of residue, the leaching properties and the major geochemical processes that control contaminant leaching need to be thoroughly investigated. Once the leaching properties are known, an improved understanding of the long term environmental behavior of BA under possible management scenarios can be developed. The aim of this thesis was to perform an in depth analysis of the main mineralogical, physical and chemical composition and the resulting leaching properties of BA produced in different types of waste thermal treatment plants, in order to gain a proper insight on the environmental behaviour of this material in utilization or disposal applications. In particular, evaluations were performed on BA samples originated from: a refuse derived fuel incineration (RDF-I) plant, a refuse derived fuel gasification (RDF-G) plant and hospital waste incineration (HW-I) plant. These specific types of bottom ash were selected since for these materials there is a lack of knowledge regarding both their main composition and the mechanisms governing their leaching. Specifically, based on the results of characterization analysis, the final objective of this study was to identify the chemical and physical processes responsible for the observed release of major and trace components from each type of residue. In view of that, a combination of experimental leaching tests and a geochemical modelling approach that was established for MSWI BA was employed. In particular, the main reactions and organic or inorganic species that contribute to the relatively high loss on ignition (LOI) measured for RDF-I BA and HW-I BA were investigated using thermogravimetrical (TG) and mass spectrometry (MS) analysis method (Chapter 1). Results for RDF-I BA indicated that the LOI measured at 550 C was due to moisture evaporation and dehydration of Ca(OH) 2 and hydrocalumite. Results for the HW-I BA instead showed that the LOI resulting at 550 C was related to the high elemental carbon (EC) content of the slag. The results imply that LOI cannot be considered as a generic quality control parameter for the effectiveness of a vi Abstract waste incineration system with respect to the content of unburned organic material in the incineration residues. In addition, reaction mechanisms that can bias the determination of LOI in general and of the EC and CaCO 3 contents in particular were identified. The newly found reaction mechanisms quantitatively explain why EC is underestimated while the CaCO 3 content of the slag is overestimated if measured by TG analysis. Similar artefacts are expected to occur also in conventional LOI methods and for other types of materials such as e.g. MSW incineration bottom and fly ashes. In addition, it is suggested that the identified mechanisms can also occur during the combustion of the waste and that the formation of calcium carbonate in BA can already take place in the incineration plant. Therefore, these results may also give direction to further optimization of waste incineration technologies with regard to stimulating in-situ carbonation in order to achieve a subsequent quality improvement of bottom ash. Subsequently, the chemical characteristics, mineralogy and leaching properties of HW-I BA were investigated (Chapter 2). The bulk chemical composition of HW-I BA was quite similar to the data typically reported for MSWI BA. On the other hand, mineralogical characterization revealed that the analyzed HW-I BA was predominantly amorphous and therefore exhibited a different mineralogy than that reported in the literature for MSWI BA. Furthermore, leaching test results showed that HW-I BA would meet the European acceptance criteria for non hazardous waste landfills and the limits for reuse in specific application scenarios. However, the acid neutralization capacity was low so that possible implications on the dependent release of many constituents should be considered in order to draw further conclusions regarding the expected leaching behaviour of the material in real case applications. The comparison of the leaching properties of fresh and aged HW-I BA with those typically found for MSWI BA suggested that the observed differences may be most likely related to the nature of the input materials and differences in the combustion conditions (such as temperature typically resulting for rotary kiln and grate furnace incineration technologies). Another part of the study concerned the comparison of the main composition and environmental properties of bottom ash resulting from thermal treatment of RDF applying two different technologies: grate-fired incineration (RDF-I) and gasification (RDF-G) (Chapter 3). Mineralogy analysis showed that the RDF-I slag consisted of an assemblage of several crystalline phases, while the RDF-G slag was mainly made up by amorphous g
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