Studies on Ecotoxicity Assessment (Hazard Property HP 14) Frameworks and Safe Geotechnical Applications of Municipal Solid Waste Incineration Bottom Ash

Abstract

A avaliação adequada da característica de perigosidade de resíduos HP 14 (‘ecotóxico’) é crucial para a segurança ambiental. As recomendações da União Europeia, neste contexto, baseiam-se na composição química, mas para matrizes complexas devem ser usados biotestes. A gestão de escórias de incineração de resíduos sólidos urbanos (IBA) varia entre países, sendo a segurança ambiental uma preocupação central. As IBA têm mostrado potencial para valorização, e.g., aplicações geotécnicas. Assim, a sua caracterização, avaliação e classificação são relevantes para definir medidas de gestão sustentáveis. Os principais objetivos desta tese são estudar a fiabilidade e adequação de metodologias para avaliar a HP 14 de resíduos, usando IBA como caso de estudo; analisar o potencial ecotóxico de IBA; avaliar as propriedades geotécnicas de IBA, e em simultâneo a segurança ambiental, para avaliar o potencial para aplicações geotécnicas ambiental e tecnicamente sustentáveis. Neste âmbito, foi realizada uma revisão da gestão das IBA na Península Ibérica, obtendo-se dados das propriedades físico-químicas e práticas de gestão a partir da literatura e incineradoras. As motivações, desafios e perspetivas para a valorização de IBA foram discutidos. Constatou-se que os países ibéricos regulamentam a sua valorização, mas os sistemas de gestão diferem. Foram, ainda, usados dados da indústria para avaliar IBA em relação às 15 características de perigosidade de resíduos com base no conhecimento das suas propriedades, limites de concentração para substâncias perigosas e testes experimentais. Entre 6 amostras de IBA, 5 foram consideradas não perigosas, mas todas foram consideradas não ecotóxicas (teste de mobilidade de dafnídeos). Para a avaliação da HP 14 de resíduos, uma bateria de biotestes (aquáticos e terrestres) foi analisada com IBA frescas. A eficiência foi estudada em termos de seleção de testes, duração e recursos usados. Os resultados destacaram a necessidade de testar espécies distintas. Uma bateria de testes incluindo bactérias, microalgas (teste miniaturizado) e dafnídeos (duração reduzida para efeitos nocivos claros) ou artémias (toxkit) no compartimento aquático; e bactérias, plantas e minhocas (duração reduzida) no compartimento terrestre pareceu adequada para avaliar a HP 14 de IBA. Outra bateria de biotestes foi avaliada com 3 amostras de IBA sólidas (períodos de envelhecimento distintos) e os seus eluatos. Testes miniaturizados e convencionais de plantas foram comparados. A HP 14 foi avaliada com base na composição química dos resíduos. Os biotestes sugeriram que a ecotoxicidade pode ser sobrestimada com base na composição química. A bateria de testes incluindo bactérias, microalgas (teste miniaturizado) e dafnídeos para eluatos; e plantas (teste miniaturizado) e minhocas para IBA sólidas pareceu adequada para avaliar a HP 14 de IBA, com ajustes menores. Os resultados sugeriram que a ecotoxicidade diminuiu com o envelhecimento, levando a um material não ecotóxico. Quanto ao potencial das IBA para aplicações geotécnicas sustentáveis, as propriedades físicas e mecânicas de IBA envelhecidas, isoladamente e em mistura com areia de quartzo, foram avaliadas numa perspetiva geotécnica ampla. As IBA apresentaram maior compressibilidade unidimensional (1-D) do que a areia, mas a mistura aproximou-se mais da areia. Porém, IBA e a mistura apresentaram maior resistência ao corte. Outras 2 amostras de IBA envelhecidas e misturas com areia foram analisadas quanto às propriedades geotécnicas após compactação. Verificou-se que as IBA com areia apresentaram melhor compactação. Todos os materiais apresentaram reduzidos assentamentos 1-D e permeabilidade razoável após compactação. A rigidez e a resistência ao corte das IBA assemelharam-se a solos granulares densos. As caracterizações química e ecotoxicológica das 3 amostras revelaram baixo potencial de lixiviação e nenhum efeito ecotóxico relevante. Assim, IBA envelhecidas mostraram potencial para valorização em aplicações geotécnicas seguras. Este trabalho apresenta dados de diversos biotestes realizados com IBA, analisando opções para aumentar a praticabilidade e comparando os resultados com a abordagem química. Foram obtidas conclusões relevantes que contribuem para promover a avaliação da HP 14 através de biotestes. As sugestões dadas podem ser úteis para avaliar a HP 14 de outros tipos de resíduos, mas testar os biotestes recomendados com diferentes tipos de resíduos é essencial para validar a bateria de testes para a HP 14 e estabelecer um enquadramento de avaliação padrão. O presente estudo fornece dados sobre o potencial de IBA para aplicações geotécnicas sustentáveis, contribuindo para aumentar a confiança na sua valorização numa economia circular. Uma avaliação multidisciplinar é crucial neste âmbito. A valorização sustentável de IBA quanto à qualidade técnica e segurança ambiental contribui para reduzir a sua deposição em aterro sanitário e o consumo de recursos naturais.

The proper assessment of waste hazard property HP 14 (‘ecotoxic’) is crucial for environmental safety. European Union recommendations are based on waste chemical composition. However, biotests should be used for complex matrices. Municipal solid waste incineration bottom ash (IBA) management varies among countries, with environmental safety being a central concern. IBA has shown potential for valorisation, e.g., geotechnical applications. IBA characterisation, evaluation, and classification are relevant to define sustainable management measures. The main objectives of this thesis are to study the reliability and suitability of methodologies for waste HP 14 assessment, with IBA as the case study; analyse IBA ecotoxic potential; and assess IBA geotechnical properties, while analysing environmental safety, to evaluate the potential for technically and environmentally sustainable geotechnical applications. A review of IBA management using the Iberian Peninsula as the case study was performed. Information on IBA physicochemical properties and management practices was collected from the literature and provided by incineration plants. Motivations, challenges, and prospects for IBA valorisation were discussed. Iberian countries have been regulating IBA valorisation, but different requirements, criteria, applications permitted, and use rates were found. Data from the industry were also used to provide an assessment of IBA regarding the 15 hazard properties of waste based on knowledge of IBA properties, concentration limits for hazardous substances, and direct testing. Five out of 6 samples were considered non-hazardous, but all 6 were considered non-ecotoxic (based on daphnids mobility test with eluates). Regarding waste HP 14 assessment, a biotest battery was analysed using fresh IBA. Standardised aquatic and terrestrial tests were conducted. Battery efficiency was studied in terms of test selection, duration, and laboratory resources. Results highlighted the need to test distinct species. A biotest battery including bacteria, microalgae (miniaturised test), and daphnids (reduced duration if clear harmful effects are found) or fairy shrimp (toxkit) in the aquatic compartment; and bacteria, plants, and earthworms (reduced duration) in the terrestrial compartment seemed suitable for IBA HP 14 assessment. Afterwards, a biotest battery including tests with solid IBA and IBA eluates was evaluated using 3 samples with different weathering periods. Miniaturised and conventional plant tests were compared. Ecotoxicity assessment based on waste chemical composition was tackled. Biotests results suggested that ecotoxicity may be overestimated based on chemical composition. The biotest battery including bacteria, microalgae (miniaturised test), and daphnids for eluates; and miniaturised plant test and earthworms for solid IBA seemed suitable for IBA HP 14 assessment., with minor adjustments. Results suggested that ecotoxicity decreased with increasing weathering period and that weathering leads to a non-ecotoxic material. Concerning IBA potential for sustainable geotechnical applications, the physical and mechanical properties of weathered IBA, alone and mixed with quartz sand, were evaluated from a broad geotechnical perspective. IBA showed higher one-dimensional (1-D) compressibility than sand, but the mixture was closer to sand. However, IBA and the mixture showed higher shear strength. Afterwards, other two weathered IBA samples were analysed regarding geotechnical properties after compaction. Two mixtures with sand were analysed. Results showed better compaction for IBA mixture with sand. All materials showed small 1-D settlements, and also reasonable permeability after compaction. IBA stiffness and shear strength were within dense granular soils range. Chemical and ecotoxicological characterisation of all three samples were conducted. Low leaching potential and no relevant ecotoxic effects were found. Thus, weathered IBA showed potential for valorisation in environmentally and technically safe geotechnical applications.This work presents data on several biotests performed with IBA, analysing alternatives for increasing practicability and comparing results with the chemical approach. Relevant conclusions were drawn, contributing to promoting HP 14 assessment using biotests. Suggestions made herein may be useful for HP 14 assessment of other waste types, but testing the recommended biotests with different waste types is critical for the validation of the testing battery for HP 14 of waste in general and the establishment of a standard assessment framework. Data on IBA potential for sustainable geotechnical applications is provided, contributing to growing confidence in IBA valorisation in a circular economy framework. A multidisciplinary evaluation is crucial. Sustainable IBA valorisation regarding technical quality and environmental safety contributes to reducing waste landfilling and natural resources exploitation.