Laine-Ylijoki, Jutta, Mroueh, Ulla-Maija, Vahanne, Pasi, Wahlström, Margareta, Vestola, Elina, Salonen, Sakari & Havukainen, Jorma

VTT Prosessit, Biologinkuja 7, PL 1602, 02044 VTT

VTT Tiedotteita 2291, Maaliskuu 2005, 83 s. + liitt. 4 s.
ISBN

Projektin nimi: STREAMS-teknologiaohjelma (Tekes)

Toimeksiantaja(t): Teknologian kehittämiskeskus Tekes, Ekokem Oy Ab, Jätelaitosyhdistys, Salvor Oy, VTT Prosessit

Avainsanat: municipal solid wastes, thermal treatment, grate firing, combustion, gasification, utilization, disposal, combustion residues, legislation, solidification

Tiivistelmä

Uudistuva lainsäädäntö tulee aiheuttamaan Suomessa suuria muutoksia yhdyskuntien jätehuollossa. Sekä jätteiden energiahyödyntämisen että biologisen käsittelyn osuus lisääntyy, ja loppusijoitettavan biohajoavan yhdyskuntajätteen vähentämistavoitteet edellyttävät uusien käsittelylaitosten rakentamista ja uusien tekniikoiden käyttöönottoa. Jätteenkäsittelyjärjestelmän monimuotoistuessa käsittelyssä syntyvien uudenlaisten sivu- ja lopputuotteiden sekä muiden poistovirtojen optimaalisen jatkokäsittelyn merkitys ja vaikutus esimerkiksi laitosten käyttökustannuksiin kasvaa. Lisäksi uudentyyppisten käsittelytekniikoiden käyttöönottoon liittyy monia näkökohtia ja riskitekijöitä, jotka olisi pystyttävä ottamaan huomioon ennen käsittelyvaihtoehtojen lopullista valintaa. Samalla jo käsittelykokonaisuuden suunnittelussa olisi otettava huomioon tekniikkavalintojen vaikutukset lopputuotteiden laatuun sekä käsittely- ja sijoituskustannuksiin.

Tässä julkaisussa tarkastellaan esiselvitysluonteisesti yhdyskuntajätteiden termisen käsittelyn yhteydessä syntyvien tuhkien ja kuonien hyötykäyttö-, loppusijoitus- ja käsittelyvaihtoehtoja ulkomailla ja arvioidaan niiden käytännön soveltuvuutta Suomessa. Julkaisua voidaan hyödyntää tällä hetkellä ajankohtaisten energiakäyttöhankkeiden suunnittelussa sekä kuonien ja tuhkien teknistaloudellisesti optimaalisten käsittely- ja sijoitusmenetelmien valinnassa ja jatkokehityksessä.

Abstract

Waste treatment systems of municipal solid waste (MSW) are today becoming more multiform. This highlights importance of optimal selection of treatment alternatives for different treatment rejects. Based on latest estimations 150 000–250 000 tons of slags and ashes are in the future generated in Finnish waste-to-energy plants. At this time, there is not enough knowledge in Finland on different disposal, utilisation and treatment alternatives and their practical suitability for waste to energy ashes and slags, complicating the planning of future actions.

In this summary report, which is based on a project within Tekes' Streams-technology program, the re-use, disposal and handling alternatives of ashes and slags from thermal treatment of municipal waste in other countries are surveyed and their applicability of subsequent use in Finland is assessed. The report summarises current information on utilisation and disposal possibilities of secondary flows from thermal treatment of municipal wastes in Finland within the near future.

Sisällysluettelo

Tiivistelmä
Abstract
Alkusanat
1. Lähtökohta ja tavoitteet
2. Yhdyskuntajätteen terminen käsittely Euroopassa
3. Teknologiat ja polttoaineet
3.1 Termisen käsittelyn teoriaa
3.2 Lainsäädännölliset vaatimukset
3.3 Tekniikat
3.3.1 Arinatekniikka
3.3.2 Leijukerrospoltto
3.3.3 Kaasutus ja pyrolyysi
3.4 Jätteen koostumus ja tekniikan valinta
3.5 Päästöjen käsittely
4. Termisen käsittelyn kiinteät jätteet
4.1 Pohjatuhkat ja kuonat
4.1.1 Koostumus
4.1.2 Liukoisuusominaisuudet
4.1.3 Tekniset ominaisuudet ja testimenetelmät
4.2 Savukaasujen puhdistuksessa muodostuvat jätteet
4.2.1 Tuhkien muodostuminen ja koostumus
4.2.2 Tuhkien ominaisuudet
4.3 Ongelmajätteen termisen käsittelyn kiinteät jätteet
5. Kiinteiden ja lietemäisten jätteiden käsittely
5.1 EU-lainsäädäntö ja vaatimukset
5.2 Nykytilanne muutamissa maissa
5.2.1 Tanska
5.2.2 Hollanti
5.2.3 Saksa
5.2.4 Englanti ja Wales
5.2.5 Japani
5.3 Pohjatuhkan hyötykäyttö
5.3.1 Tekninen toteuttaminen
5.3.2 Toimintaympäristö ja kustannukset
6. Ominaisuuksien parantamismahdollisuudet
6.1 Eri tekniikat
6.1.1 Varastointi
6.1.2 Pesu
6.1.3 Kiinteytys- ja stabilointitekniikat
6.1.4 Terminen käsittely
6.2 Pohjatuhkan käsittely
6.2.1 Varastointi
6.2.2 Pesu
6.2.3 Metallien ja hienoaineksen erotus
6.3 Savukaasujen puhdistusjätteiden käsittely
6.3.1 Kiinteytys ja stabilointi
6.3.2 Sulatus ja vitrifikaatio
6.3.3 Uuttotekniikat
6.3.4 Loppukäsittely
6.3.5 Tuhkan käsittelyn kustannukset
7. Käsittely Suomessa
7.1 Nykytila
7.2 Strategiset tavoitteet
7.3 Jätteen terminen käsittely
7.3.1 Laitossuunnitelmat
7.3.2 Käsittelyvaihtoehdot ja niissä syntyvät jätteet
7.3.3 Termisen käsittelyn elinkaaren aikaiset ympäristövaikutukset
7.4 Energiakäytön jätteiden käsittelytarve tulevaisuudessa
Kirjallisuus

Kuvat ja taulukot

Kuva 1. Yhdyskuntajätteenpolttokapasiteetti asukasta kohden nykyisissä EU:n jäsenvaltioissa (ISWA 2002).

Taulukko 1. Syntyvän yhdyskuntajätteen, ongelmajätteen ja jätevesilietteen määrä sekä niiden käsittely Euroopassa (UBA 2001).

Taulukko 2. Uusissa jäsenvaltioissa (EU-13) syntyvän jätteen määrä sekä niiden käsittely (Bodo et al. 2004).

Kuva 2. Periaatekuva arinakattilaratkaisusta (Energia Suomessa, VTT Prosessit 2004).

Kuva 3. Leijukerroskattilat (Kvaerner ja Foster Wheeler) (Energia Suomessa, VTT Prosessit 2004).

Kuva 4. Periaatekuva kaasutusprosessista (Energia Suomessa, VTT Prosessit 2004).

Kuva 5. Yhdyskuntajätteen käsittelyyn soveltuva pyrolyysilaitteisto (UBA 2001).

Kuva 6. Jätteen termisen käsittelyn pääprosessit ja niihin liittyvät päästöt.

Taulukko 8. Pohjatuhkan ja luonnonmaan kokonaispitoisuuksia (Lapa et al. 2002, Kaartinen 2004).

Kuva 7. Savukaasujen puhdistusprosessit (muokaten ISWA 2003).

Kuva 8. Jäte- ja kaatopaikkaluokat. Yleiset kaatopaikkakelpoisuuskriteerit on annettu sinisellä taustavärillä merkityille kaatopaikoille.

Kuva 9. Sapporon jätteenpolttolaitos Numero 4.

Kuva 10. Japanin kaatopaikkaluokitus ja tavallisimmat kaatopaikkatyypit (Inang et al. 2004).

Kuva 11. Jätteiden merisijoitusta Japanissa.

Kuva 12. Prosessoitua pohjatuhkaa, josta hienoaines on poistettu. Materiaali vastaa rakeisuudeltaan likimain mursketta.

Kuva 13. Pohjatuhkan käyttö jakavassa kerroksessa, pengermateriaalina ja suodatinkerroksessa.

Kuva 14. Pohjatuhkan välivarastointialue, jossa tuhka läjitetään aumoihin (Naestved, Tanska, DSV A/S).

Kuva 15. Biohajoavan yhdyskuntajätteen määrän kehitys ja vähentämistavoitteet kansallisen biojätestrategian mukaan.

Kuva 16. Yksinkertaistettu yhteenveto jätteenkäsittelyvaihtoehtojen elinkaaren aikaisten ympäristövaikutusten vertailun tuloksista. Yhteenveto perustuu kahteentoista eri puolilla Eurooppaa tehtyyn tutkimukseen (Sundberg et al. 2004).

Kirjallisuus

Abbott, J., Coleman, P., Howlett, L. & Wheeler, P. (2003). Environmental and Health Risks Associated with the Use of Processed Incinerator Bottom Ash in Road Construction. BREWEB, AEAT/ENV/R/0716. 193 s.

Aalbers, Th. G., de Wilde, P. G. M., Rood, G. A., Vermij, P. H. M., Saft, R. J., van den Beek, A. I. M., van de Broeckman, M. H., Masereeuw, P., Kamphuis, Ch., Dekker, P. M. & Valtinjn, E. (1993). Milieuhygiënische kwaliteit van primaire en secundaire ouwmaterialen in relatie tot hergebruik en bodem- en oppervlaktewateren-bescherming. Rijksinstitutuut vor Volksgezondheid en Milieuhygiene, RIVM-rapport no 771 402 006. 456 s.

Afatek A/S. (2004). Tanska. Tutkimusselostus 3.8.2004. Julkaisematon.

Arm, M. (2003). Mechanical Properties of Residues as Unbound Road Materials – experimental tests on MSWI bottom ash, crushed concrete and blast furnace slag. Doctoral Thesis 2003, Stockholm, Sweden. KTH Land and Water Resources Engineering.

Astrup, T. & Christensen T. H. (2003). Slagge fra affaldsforbrænding. Status og udviklingsmuligheder år 2003. DTU 2003.

Bodo, P., Nemeskeri, L., Tielens, T., Hoogendoorn, J., Wahlström, M., Mroueh, U.-M., Vestola, E., Vilimaite, K., Morotz, A., Szlezak, J., Simpsin, J., Luo, Z. & Eder, P. (2004). Techo-economi outlook on waste indicators in enlargement countries (TEO-waste). Final Report. EUR 21205 EN.

Cappai, G., Favaretti, M. & Stimamiglio, C. (1999). Mechanical and hydraulic properties of MSW incineration slags. Proceedings Sardinia99, Seventh International Waste Management and Landfill Symposium, 4–8 October 1999, Italy.

Chandler, A., Eighmy, T., Hatrlen, J., Hjelmar, O., Kosson, D., Sawell, S., van der Sloot, H. & Vehlow, J. (1997). Municipal solid waste incinerator residues. Studies in Environmental Science 67. Elsevier 1997.

Christensen, T., Lundtorp, K., Jensen, D., Soerensen, M. & Mogensen, E. (2000). Stabilisation of waste incinerator APC-resudues with FeSO4. In: Waste Materials in constructin – Science and Engineering of recycling for environmental protection. Ed. Woolley, G., Goumans, J. & Wainwright, P., Waste Management Series Vol. 1. Pergamon 2000.

Energia Suomessa, Tekniikka, talous ja ympäristövaikutukset. (2004). VTT Prosessit. Edita, Helsinki 2004.

Environment Agency (2002). Solid Residues from Municipal Waste Incinerators in England and Wales. A report on an investigation by the Environment Agency. 72 s.

Eurits (2003). List of techniques for consideration as BAT.

European Commission (2004). Integrated Pollution Prevention and Control. Draft Reference Document on the Best Available Techniques for Waste Incineration. Draft March 2004.

Hallgren, C. & Strömberg, B. (2004). Current methods to detoxify fly ash from waste incineration. Svensk Fjärrwärme 2004:1.

Hjelmar, O. (1996). Disposal Strategies for Municipal Solid Waste Incineration Residues. Journal of Hazardous Materials, Vol. 47, No. 1–3, s. 345–368.

IAWG (1997). Municipal solid waste incinerator residues. Elsevier. ISBN 0-444-82563.

ICLRS (2004). The 3rd Intercontinental Landfill Research Symposium. Toya, Hokkaido, Japan. November 29th – December 2nd, 2004.

Inang, B., Endo, K., Inoue, Y., Yamada, M., Ono, Y., Nagamori, M., Oshigata, T. & Ebihara, M. (2004). Application of aerobic and anaerobic bioreactor technology for Japanese landfills. International Landfill Research Symposium, 29th November – 2nd December 2004, Toya, Japan.

ISWA (2002). Energy from waste – state of the art. Jan. 2002.

ISWA (2003). Management of APC residues from WTE Plants. An overview of important management options.

ISWA (2003). Management of APC Residues from WTE plants, ISWA-WG Thermal treatment of waste, Subgroup: APC Residues from WTE-plants.

Izquierdo, M., Vazquez, E., Querol, X., Barra, M., Lόpez, A. & Plana, F. (2001). Use of bottom ash from municipal solid waste incineration as a road material. 2001 International Ash Utilization Symposium, Center for Applied Research, University of Kentucky, Paper #37.

Ferrari, S., Belevi, H. & Baccini, P. (2002). Chemical Speciation of Carbon in Muncipal Solid Waste Incinerator Residues. Waste Management, Vol. 22, No. 3, s. 303–314.

Kaartinen, T. (2004). Yhdyskuntajätteen käsittelyn jäännösjakeiden kestävä loppusijoitus tulevaisuuden kaatopaikoille, diplomityö, TKK 2004.

Kansallinen strategia biohajoavan jätteen määrän vähentämiseksi, 2.12.2004.

Lapa, N., Barbosa, R., Morais, J., Mendes, B., Mehu, J. & Santos Oliveira, J. F. (2002). Ecotoxicological Assessment of Leachates from MSWI Bottom Ashes. Waste Management, Vol. 22, No. 6, s. 583–593.

Lundtorp, K. (2001). The Ferrox-process in an industrial scale – developing a stabilisation process for air pollution control residues from municipal solid waste incineration. DTU. Tanska.

Merilehto, K., Rytkönen, T. & Tyni, A. 2004. Kiinteän yhdyskuntajätteen virrat. Suomen ympäristökeskus, Suomen ympäristö 728. 226 s.

Mizutani, S., van der Sloot, H. & Sakai, S. (1997). Evaluation of treatment of gas cleaning residues from MSWI with chemical agents. In: Waste materials in construction: Putting theory into practice. Ed. Goumans, J., Senden, G. & van der Sloot, H. Studies in Environmental Science 71. Elsevier 1997.

Mulder, E. & Zijlstra, R. (1997). Pre-treatment of MSWI fly ah for useful application. In: Waste materials in construction: Putting theory into practice. Ed. Goumans, J., Senden, G. & van der Sloot, H. Studies in Environmental Science 71. Elsevier 1997.

Pfrang-Stotz, G., Reichelt, J. & Roos, R. (2000). Chemical-Mineralogical Valuation of the Leachate Potential of Municipal Solid Waste Incineration (MSWI) Bottom Ashes. In: Waste Management Series: Volume 1. Waste Materials in Construction. Science and Engineering of Recycling for Environmental Protection. Pergamon. S. 975–983.

Reid, J. M. et al. (2001). ALT-MAT: Alternative materials in road construction. Report No.: WP6.TRL.002, Final Report. 188 s. http://www.trl.co.uk/altmat/deliver.htm

Sakai, S. & Hiraoka, M. (1997). Overview of MSWI residue recycling by thermal Processess. In: Waste materials in construction: Putting theory into practice. Ed. Goumans, J., Senden, G. & van der Sloot, H. Studies in Environmental Science 71. Elsevier 1997.

Selinger, A. & Schmidt, V. (1997). The ABB dry ah concept: InREC™. In: Waste materials in construction: Putting theory into practice. Ed. Goumans, J., Senden, G. & van der Sloot, H. Studies in Environmental Science 71. Elsevier 1997.

Selinger, A., Schmidt, V., Bergfeldt, B., Vehlow, J. & Simon, F.-G. (1997). Investigation of sintering processes in bottom ash to promote the reuse in civil construction (Part 1) – Element balance and leaching. In: Waste materials in construction: Putting theory into practice. Ed. Goumans, J., Senden, G. & van der Sloot, H., Studies in Environmental Science 71. Elsevier 1997.

Steketee, J., Duzijn, R., & Born, J. (1997). Quality improvement of MSWI bottom ah by enhanced aging, washing and combination processes. In: Waste materials in construction: Putting theory into practice. Ed. Goumans, J., Senden, G. & van der Sloot, H. Studies in Environmental Science 71. Elsevier 1997.

Sundberg, J., Olofsson, M. & Sahlin, J. (2004). Evaluating waste incineration as treatment and energy recovery method from an environmental point of view. CEWEP/Profu. http://www.profu.se/report%20Cewep.pdf

TA Siedlungsabfall, TASi 1993.

Tanaka, N., Matsuto, T. & Tojo, Y. (2004). Landfill Engineering for Final Disposal of solid Waste by Japanese Style – Design, Construction, Management and Scientific Knowledge for Environmental Protection. Hokkaido University, Laboratory of Solid Waste Disposal Engineering. 187 s.

TFHRC. Turner-Fairbank Highway Research Center, Federal Highway Administration, U.S. Department of transportation. http://www.tfhrc.gov

Tilastokeskus, 2004. Aiempaa vähemmän jätettä kaatopaikoille. Tilastouutisia 21.12.2004. 2 s.

TWG Comments (2003). TWG Comments on Draft 1 of Waste Incineration BREF.

UBA (2001). Darft of a German report for a creation of a BREF-document, ”Waste Incineration”, Umweltbundesamt, Saksa.

Waste materials in construction: Putting theory into practice. (1997). Ed. Goumans, J., Senden, G. & van der Sloot, H. Studies in Environmental Science 71. Elsevier 1997.

VDI (2002). ”Thermal waste treatment: state of the art – a summary”. The Future of waste management in Europe 2002, Strasbourg.

Vejteknisk Institut (2002). Bundsikringslag af forbraendingsslagge. Rapport 118. Vejdirektoratet. 26 s.

Vesterinen, R. & Lohiniva, E. (2000). Co-firing of MSW and RDF. Teoksessa: Accomplishments from IEA Bioenergy Task 23 – Energy from Thermal Conversion of MSW and RDF. VTT Prosessit.

Zijlstra, J. O., Coppens, M. H. M., Eikelboom, R. T., Hiemstra, H., van Kampen, M., Laan, G. J., Leenders, P., Mijnsbergen, J. P. G., Ruwiel, E. P., Urlings, L. G. C. M. & Wismeijer, R. (1994). Uitlogen op karakter – Handboek Uitloogkarakterisering II Materialen. C.R.O.W.