Characterization and biological stabilization of fine fraction from landfill mining

Abstract

Landfilling has been the major method to dispose waste for the decades, thus there are thousands of landfills around the world. Landfills contain large amount of resources, which could be used as material or energy. There is an increasing interest for landfill mining which means excavation and processing of waste materials mined from landfills. While previous landfill composition studies have focused especially on metal recovery and combustible materials, they have shown that landfills contain significant amounts of soil type material with small particle size, referred as fine fraction (FF). As redisposal of FF after landfill mining is expensive and causes emissions for decades, FF should be treated to increase value for reuse. The aim of this thesis was to assess in details the characteristics of the FF and to evaluate the effects of different biological treatment methods on stability and characteristics of FF. In this study, FF was sampled from two landfills representing different eras of material consumption and waste management practices: Kuopio, landfilled 2001–2011, and Lohja, landfilled 1967–1989.<br/><br/>The Kuopio landfill was found to contain 38–54 % of FF (< 20 mm) and the Lohja landfill 40–74%. FF contains in various amounts of organic matter (VS 6–27% of TS), nutrients (1.4–8 kg N/t TS, 1–1.5 kg P/t TS) and soluble organic compounds (e.g. 0.5–4.6 kg COD/t TS). The organic matter content, biomethane potential (0.4–27 L CH4/kg TS) and respiration activity (1.4–2.4 g O2/kg TS) were detected to be higher in top layer of new landfill (1–5 years old) while bottom layer of new landfill (6–10 years old) was similar to old landfill (24–46 years old). Biological activity may limit the utilization of FF after landfill mining, thus FF needs to be stabilized to reduce biological activity. Furthermore, FF may also contain hazardous compounds, which needs to be assessed when evaluating the use of FF.<br/><br/>To reduce biological activity of FF, the anaerobic and aerobic stabilization of FF were studied in two laboratory experiments employing simultaneous four leach bed reactors operated for 173–180 days. In anaerobic stabilization, methane production was found to range from 9 to 18 m3 CH4/t VS for FFs from both landfills. Irrigation of FF was necessary for efficient methane production while sludge addition providing both moisture and inoculum deteriorated the characteristics of FF.<br/><br/>Aerobic stabilization reduced more efficiently organic matter content and biological activity from FF compared with anaerobic treatment. Ammonium nitrogen in the leachate was removed rapidly in aerobic treatment due to nitrification. Organic matter and soluble compounds were efficiently removed with continuous water adding, regardless of anaerobic and aerobic conditions, while leachate recirculation introduced those back to the reactor. The scaling up of the anaerobic and aerobic stabilization methods of FF showed that applied technology, for example aeration or irrigation method, and size of treatment area have major effects on the costs of FF treatment. However, anaerobic stabilization and aerobic stabilization with passive aeration without continuous irrigation would have similar costs in similar sites.<br/><br/>In conclusion, FF may need stabilization due to organic matter content and biological activity before utilization. Both anaerobic and aerobic stabilization improved the quality of FF by reducing organic matter content and biological activity. Both treatment methods can be used in full scale stabilization of FF. The treatment of FF has potential to increase the value and usability of FF. Treatment concept and technology should be further optimized in pilot and full scales.

Jätteen loppusijoittaminen kaatopaikalle on ollut vuosikymmenien ajan yleisin jätteenkäsittelymenetelmä, minkä seurauksena esimerkiksi Euroopassa on arviolta 150 000–500 000 kaatopaikkaa. Kaatopaikkojen kaivamisesta on kiinnostuttu viime vuosina, koska kaatopaikat sisältävät hyödynnettäviä materiaaleja kuten metalleja ja polttokelpoisia muoveja. Näiden lisäksi kaatopaikat sisältävät paljon hienoainesta, joka on partikkelikooltaan kaatopaikan jakeista pienin. Hienoaines muistuttaa maata, ja on suurelta osin peräisin kaatopaikkojen välitäytöistä, mutta sisältää lisäksi alle 10 % muita hajonneita jätemateriaaleja, kuten metallia, lasia ja orgaanista ainesta. Kaatopaikkojen kaivamisen yhteydessä hienoaines on yleensä sijoitettu takaisin kaatopaikalle, mikä on kallista ja aiheuttaa ympäristöpäästöjä vuosikausia, joten on tarpeellista etsiä hienoainekselle hyötykäyttömahdollisuuksia. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli tutkia hienoaineksen ominaisuuksia ja arvioida biologisten käsittelymenetelmien vaikutusta hienoaineksen ominaisuuksiin ja stabiilisuuteen, ja siten parantaa mahdollisuuksia hyötykäyttää kaatopaikalta kaivettu hienoaines.<br/><br/>Tätä tutkimusta varten otettiin näytteitä kahdelta yhdyskuntajätteen kaatopaikalta: Kuopiosta, täytetty vuosina 2001–2011 ja Lohjalta, täytetty vuosina 1967–1989. Kuopion kaatopaikasta 38–54 % ja Lohjan kaatopaikasta 40–74 % oli hienoainesta (raekoko alle 20 mm). Hienoaines sisälsi orgaanista ainetta 6–27 % kuiva-aineesta (ka), liukoista orgaanista ainetta 0.5–6.4 kg COD/t ka, typpeä 1.4–8 kg/t ka, fosforia 1–1.5 kg/t ka ja sen biologinen aktiivisuus mitattiin metaanintuottopotentiaalilla (0.4–27 m3 CH4/t ka) ja hapenkulutuksella (1.4–2.4 g O2/kg ka). Orgaanisen aineksen määrä ja biologinen aktiivisuus voivat rajoittaa hienoaineksen hyötykäyttöä, sillä ne ovat korkeampia kuin vastaavilla luonnon maalajeilla. Mainittujen ominaisuuksien lisäksi hienoaines saattaa sisältää haitallisia yhdisteitä kuten raskasmetalleja ja orgaanisia haitta-aineita, jotka on analysoitava hyötykäyttöä arvioitaessa.<br/><br/>Hienoainesta stabilointiin orgaanisen aineksen ja biologisen aktiivisuuden vähentämiseksi kahdessa neljän laboratorioreaktorin kokeessa 173–180 päivän ajan anaerobisissa ja aerobisissa olosuhteissa. Anaerobisessa käsittelyssä metaania tuotettiin 9–18 m3 CH4/t orgaanista ainetta, mutta aerobinen käsittely eli ilmastus vähensi enemmän hienoaineksen orgaanisen aineen määrää ja biologista aktiivisuutta. Käsittelyssä hienoainekseen pitää riittävän kosteuspitoisuuden takaamiseksi lisätä vettä käsittelyn alussa tai vähitellen koko käsittelyn aikana. Myös kerätyn suotoveden kierrättäminen reaktorissa on mahdollista. Veden voi korvata myös lietteellä, mikä lisäsi metaanintuottoa, mutta heikensi hienoaineksen ominaisuuksia käsittelyn jälkeen. Liukoiset materiaalit, kuten orgaaninen aines ja anionit, poistuivat jatkuvassa veden lisäyksessä, kun taas suotoveden kierrätys palautti nämä liukoiset aineet takaisin reaktoriin. Metaania tuotettiin yhtä paljon reaktoreissa, joista toiseen lisättiin jatkuvasti puhdasta vettä ja toiseen kierrätettiin suotovettä. Aerobisessa käsittelyssä nitrifikaatio poisti tehokkaasti ammoniumtypen suotovedestä.<br/><br/>Tämä tutkimus osoittaa, että sekä anaerobisella että aerobisella käsittelyllä voidaan stabiloida hienoainesta ja että stabilointi voitaisiin toteuttaa täydessä mittakaavassa olemassa olevilla teknologioilla. Stabilointi parantaa aineksen laatua ja käytettävyyttä esimerkiksi rakennusmateriaalina tai maanparannusaineena, mikä nostaa hienoaineksen arvoa. Riittävää ilmastus- ja kastelumäärää on kuitenkin syytä tutkia lisää esimerkiksi pilot-mittakaavassa, jotta hienoaineksen käsittelyn kustannukset saadaan edullisemmiksi kuin kaatopaikkasijoittaminen.