Stabilization of MSW combustion residues by accelerated carbonation treatment and their potential carbon dioxide sequestration

The material residues produced during the waste to energy (WtE) process are represented by bottom ash (BA), fly ash (FA) and flue gas cleaning ash. FA and flue gas cleaning are collected together in electrostatic precipitators or fabric filter devices and it is normally called air pollution control (APC). MSW combustion BA and APC residues potentially release metals and salts into the environment, thus landfilling or recycling options require a pre-treatment. Among the different treatment options, the carbonation process and the water washing treatment have been recently introduced. The carbonation process stabilises the material by changing its mineralogical and chemical characteristics and, it has shown a general reduction of the metal mobility. Carbonation treatment combines the clearly positive effect caused on reduction of metal mobility with the effect of CO₂ emission reduction. The water washing treatment seems to be the best option in order to remove soluble salts from APC ash. The main objectives of this doctoral thesis were to: (i) investigate the effects of the direct aqueous accelerated carbonation process, applied on BA, its particle size fractions and APC ash residues, (ii) evaluate the effect of a combined treatment “carbonation + washing”, applied on APC ash, (iii) evaluate the CO₂ sequestration capacity of BA and APC ash. As for the effects of accelerated carbonation on the metal leaching behaviour, significant results were obtained for both BA and APC residues. In the case of combined treatment, the Sb and Cr mobility is strongly influenced by the extent of carbonation. The carbonation treatment can be considered as a potentially viable option in order to improve the environmental behaviour of combustion residues and reduce CO₂ emissions from WtE plants. ---------------------------------------------------------- Il materiale residuo prodotto dalla termovalorizzazione dei rifiuti urbani è costituito dalle scorie di fondo, dalle ceneri leggere e dalle polveri provenienti dal trattamento dei gas acidi. Le ultime due componenti del residuo sono raccolte insieme nei sistemi di filtrazione e cosituiscono le ceneri APC. Le scorie di fondo e le ceneri APC rilasciano metalli e sali nell’ambiente, così è necessario pre-trattare i residui prima dello smaltimento in discarica o di un riutilizzo. Tra i diversi trattamenti, il processo di carbonatazione e il lavaggio con acqua sono i più recenti. La carbonatazione stabilizza il residuo attraverso la variazione delle caratteristiche mineralogiche e chimiche che causano una riduzione della mobilità dei metalli. La carbonatazione combina gli effetti positive sulla mobilità dei metalli con l’effetto della riduzione della CO₂ atmosferica. Il lavaggio con acqua permette la rimozione dei sali solubili dalle ceneri APC. I principali obiettivi di questa tesi di dottorato sono stati: (i) valutare gli effetti della carbonatazione accelerate in fase acquosa applicata alle scorie di fondo, le sue frazioni granulometriche e le ceneri APC, (ii) valutare l’effetto causato dall’applicazione del trattamento combinato “ carbonatazione + lavaggio” sulle ceneri APC, (iii) valutare la capacità di sequestro della CO₂ da parte dei suddetti residui. Per quanto riguarda gli effetti prodotti della carbonatazione accelerata sul comportamento dei metalli alla lisciviazione, sono stati ottenuti globalmente risultati positivi, sia per le scorie che per le ceneri APC. Nel caso del trattamento combinato, la mobilità di Cr e Sb sembra essere fortemente influenzata dal grado di carbonatazione. La carbonatazione consente di migliorare il comportamento ambientale dei residui e ridurre le emissioni di CO₂ prodotte dallo stesso termovalorizzatore.