Methodology for evaluation of hazards from solid waste and landfill generated leachate

Abstract

A methodology based on an analytical protocol for evaluation of hazards from landfill leachate and solid waste is described. A dynamic analytical protocol, the LAQUA protocol, including measurements of inorganic and water-quality parameters, polar and non-polar organic marker compounds, and toxicity, was constructed. An acute toxicity test, using the brackish water crustacean Artemia salina as test organism, was developed. The methodology was applied to authentic problems such as investigation of different treatment techniques for landfill leachate, evaluation of leaching tests and characterization of solid wastes, and an investigation of a filter material aimed for leachate treatment. Investigated treatment methods comprised in all cases pre-treatment by aeration combined with sedimentation, followed by one of: bioremediation, ozonation, chemical oxidation by Fenton’s reagent, or geo-bed filters. Evaluated filter materials were mixtures of natural or residual waste products. A combination of pre-treatment followed by a geo-bed filter containing a mixture of peat and carbon-containing ash gave an efficient simultaneous removal of metals and organic pollutants.

The performance of two leaching tests for characterization of solid waste, the up-flow percolation test (SIS-CEN/TS 14405:2004) and the batch test (SS-EN 12457 -3), was investigated. Solid waste materials (sludge from street gutters and fragmented metallic waste) were characterized using leaching tests and the hazards of the materials were evaluated in the eluate, obtained at specific liquid-to-solid ratios (L/S). The L/S 2 and L/S 10 values were compared with limit values included in the waste acceptance criteria (WAC). The analyses were extended towards specific organic compounds, such as individual phenolic compounds and polychlorinated biphenyls (PCB). Organic compounds were found in eluates from both types of tests, showing the possibility to use these methods to evaluate the leaching of such compounds from waste materials. The use of authentic leachate as leachant, leads to increased concentrations of heavy metals in the eluate, compared to the prescribed use of demineralised water as leachant. Generally good agreement was found between the results of the two leaching methods. A strategy based on batch tests is described for investigation of a filter material for leachate treatment. Batch tests gave suitable information about the leaching from new and used material, and showed high removal efficiencies of metals and non-polar organic compounds. However, for investigation of removal of polar organic markers (e.g. phenolic compounds) a batch test is not sufficient and should be supplemented by a column test.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Avfall har alltid uppkommit i alla samhällen i alla tider. Det vanligaste sättet att hand om det har varit att samla avfallet i soptippar (deponier) på mark som ansetts obrukbar, t.ex. i sankmarker utanför bebyggelsen. I takt med ökad konsumtion och produktion har också mängderna avfall ökat. Anledningen till att avfall och avfallshantering kommit alltmer i fokus i miljödebatter under de senaste decennierna, är inte bara de stora mängderna avfall på de många och stora sopbergen runt om i världen. Deponierna släpper också ifrån sig miljöfarliga ämnen från de alltmer komplexa produkter som blivit lagda i deponin. Dessa kommer att fortsätta att läcka ut länge efter det att deponeringen på soptippen slutat, och skapa problem för människor och miljö i flera generationer.



Som en konsekvens av internationella beslut bl.a. Agenda 21 (FNs miljökonferens i Rio) och EUs lagstiftning om avfallshantering som Sverige har tagit in i sin lagstiftning, kommer bl.a. antalet soptippar att minska. Efter den 31 december 2008 beräknas endast ett 90-tal deponier för kommunalt avfall att vara i drift i Sverige. Lagstiftningen beskriver en avfalls hierarki där deponering är den sämsta och absolut sista åtgärden som får göras bara när inget av de andra alternativen kan uppfyllas. Det ställs stora krav på de soptippar som är godkända enligt den nuvarande lagstiftningen. Olika typer av deponier ska finnas för olika slag av avfall. En deponi för farligt avfall har bättre skydd mot läckage både under och över tippen än en tipp för icke-farligt avfall. För att ha kontroll på vilket avfall som läggs på deponin och därmed kunna behandla det på korrekt sätt, måste avfallet beskrivas och klassas innan det skickas för deponering. Karakteriseringen görs bl.a. med hjälp av lakningstester.



Syftet med denna avhandling har varit att utarbeta en metodik för at utvärdera miljöfarliga ämnen som kommer från avfall och lakvatten från soptippar. Den inledande forskningen utgjordes av ett projekt kallat Laqua, finansierat av EU-kommissionens program för samarbete inom Östersjöregionen, SweBaltcop. Projektets uppgift var att främja utveckling av ekologiskt och ekonomiskt hållbara reningsmetoder för lakvatten.



Lakvattnet bildas främst av nederbörd som faller över deponin. Det vatten som kommer in i soptippen tar med sig många av de ämnen som finns i tippen när det rinner ut. Dessa ämnen kan komma från sådant som har deponerats eller bildas när avfallet bryts ner. Lakvattnet samlas upp och renas på något sätt innan det släpps ut till ett naturligt vattendrag. En vanlig metod att behandla lakvatten är att pumpa det till det kommunala avloppsreningsverket och rena det tillsammans med avloppsvatten. Men detta är ingen optimal lösning eftersom lakvatten innehåller andra föroreningar än avloppsvatten, t ex salter, tungmetaller och svårnedbrytbara organiska föreningar. Avloppsreningsverken är konstruerade för att rena avloppsvatten och lakvattnets föroreningar kan störa reningsprocessen. Framför allt kan de känsliga mikroorganismerna i det biologiska reningssteget påverkas negativt. Slammet som bildas vid reningsprocessen kommer att koncentrera många av de oönskade föroreningarna som härstammar från deponin. Slammet är egentligen ett utmärkt gödselmedel för jordbruket, men på grund av att slammet är förorenat av tungmetaller och svårnedbrytbara organiska ämnen kan inte slammet användas. Slammet blir då ett avfall som kommunen inte kan bli av med utan stora kostnader. Många kommuner har därför valt en separat rening av lakvattnet. Val av reningsteknik är beroende av flera faktorer, som volymerna lakvatten som uppkommer, innehållet av de olika miljöfarliga ämnena, vart det renande vattnet ska släppas ut och utrymme för att bygga en reningsanläggning.



För att utvärdera olika tekniker för rening av lakvatten, byggdes en försöksanläggning på soptippen i Kristianstad. För att kunna utvärdera en reningsmetod måste bestämningar av koncentrationer av olika ämnen (analyser) göras. På grund av den ökande oron för organiska miljögifter som PCB och fenoler, skulle reningsteknikerna utvärderas med fokus sådana eller liknande ämnen. Analyser av organiska ämnen är komplicerade och tidskrävande, och det är inte möjligt att analysera alla ämnen. I många undersökningar används endast generella parametrar för att uppskatta innehållet av organiska ämnen, men dessa metoder ger ofta inte tillräcklig information om det egentliga innehållet i lakvattnet. Därför utarbetades ett utvärderings protokoll, LAQUA protokollet (artikel I) för bestämning av organiska miljögifter i olika förorenade vatten. Detta protokoll innehåller förutom analyser för organiska miljögifter som PCB och fenoler och en akut toxicitetstest, även standardiserade rutinanalyser av metaller och vattenkemiska parametrar. Eftersom separat analys av alla organiska ämnen inte nödvändig för att bedöma olika reningsmetoder för lakvatten, innehåller protokollet ett antal markörer för polära, respektive opolära organiska föreningar.



Den biologiska giftighetstesten som utvecklades (artikel III) och ingår i protokollet är ett s.k. akut toxicitetstest, dvs. organismen påverkas direkt av höga halter av föroreningar. I testen används det lilla saltvattentåliga kräftdjuret Artemia salina, som säljs som föda åt akvariefiskar. En bestämd volym med ett antal Artemia larver läggs i små brunnar med olika koncentrationer av lakvatten under 24 timmar. Sedan jämförs vid vilken inblandning av lakvatten som hälften av kräftdjuren har fått rörelsestörningar. Resultaten på tester med obehandlat lakvatten, respektive behandlat med olika reningstekniker jämförs, och på det viset kan effektiviteten på reningsmetoder bedömas gentemot en vattenlevande organism.



Utvärderingen av försöksanläggningen (artikel II) visade att vid förbehandlingen, bestående av luftning och sedimentering, togs mycket av föroreningarna bort, och det rekommenderas att ett sådan reningssteg alltid bör finnas vid en reningsanläggning för lakvatten. De kemiska behandlingsmetoderna med ozon och Fentons reagens (tvåvärt järn och väteperoxid) var effektiva på att ta bort de organiska miljögifterna, men även de mer kostnadseffektiva filterbäddarna visade sig fungera bra.



Den goda erfarenheten från försöksanläggningen av filterbäddar ledde till att effektiviteten hos fler filter material undersöktes. I artikel VI beskrivs ett försök, gjord i laboratorium, där lakvatten från en soptipp som tar hand om industri avfall (metallavfall från bl.a. bilar och kylskåp) fick rinna genom kolonner med olika filtermaterial. Mixen av torv och aska med kolinnehåll visade sig vara bra på att ta bort både metaller och organiska ämnen från lakvattnet. Kunskapen från bl.a. dessa undersökningar har bidragit till att en fullskaleanläggning för lokal rening av lakvatten har kunnat byggas i anslutning till Stena metalls soptipp i Halmstad.



Den andra delen i avhandlingsarbetet riktade in sig mot lakningstester. För att undersöka vilka ämnen som kan lakas ut från ett avfall rekommenderas två olika standardiserade lakningstests metoder. Vid den ena metoden pumpas en vätska genom en kolonn med en uppvägd mängd avfall tills ett visst vätske/fast fas förhållande (L/S halt) har uppnåtts. Vid den andra snabbare metoden, skakas en bestämd mängd avfall tillsammans med en bestämd volym vätska under 24 timmar. Den vätska som man får efter testerna kan jämföras med ett lakvatten och ska simulera den urlakning som avfallet ger ifrån sig under sin tid på deponin. Denna urlakningsvätska analyseras och de uppmätta halterna av olika ämnen jämförs med en gränsvärdes tabell och avfallet kan hänföras till en avfalls klass.



De två lakningstesterna användes för att karakterisera olika avfallsslag, sönderdelat metall skrot (artikel IV) och slam från gatubrunnar (artikel V). För att få mer kunskap om metoderna och kunna vidareutveckla dem, utökades undersökningarna och analyserna. De urlakade vätskorna analyserades därför enligt Laqua protokollet, dvs med markörer för organiska miljögifter. Dessutom gjordes undersökningar där lakvatten användes som lakningsvätska istället för avjonat vatten som testmetoderna föreskriver. Dessa visade att den mer jonstarka vätskan (lakvattnet) ökade urlakningen av metaller från avfallet. En jämförelse av de två metoderna visade att den snabbare skaktesten oftast gav likvärdiga eller högre halter av de analyserade ämnena i urlakningsvätskan, och därmed kan den i många fall användas i första hand.



För att bedöma ett filtermaterial ur ett livstidsperspektiv, utvecklades en strategi baserad på skaktester (artikel VII). Ett filtermaterial, en mix av torv och aska med kolinnehåll, undersökes före och efter att det använts i en filterbädd för rening av lakvatten. För att vara säker på att filtermaterialet i sig själv inte släppte ifrån sig några föroreningar gjordes en lakningstest. För att se hur effektivt materialet var på att ta bort metaller, PCB och fenolföreningar, gjordes skaktester med vätskor med kända halter av dessa föroreningar. När filtermaterialet är förbrukat och skall bytas ut anses det som ett avfall, och det karakteriserades med lakningstest för att hur det skulle tas om hand. Metodiken med skaktester ger bra information om utlakning från ett material, och skaktester är också bra instrument för att utvärdera ett filtermaterials effektivitet på att ta hand om metaller och opolära organiska ämnen som PCB. Men för att utvärdera effektiviteten av borttagandet av polära organiska ämnen (t ex. fenoler), är inte en korttids skak test något bra instrument. Reduceringen av dessa ämnen sker genom nedbrytning med hjälp av mikroorganismer, och för att undersöka detta behövs tester som varar en så lång tid att en mikrobiologisk miljö hinner etablera sig, t ex. kolonn tester.



Utvärderingen av detta avhandlingsarbete visar på några ytterligare slutsatser och förslag till fortsatt arbete.

Toxicitetstesten med Artemia bör kompletteras med tester på t ex. bakterier och växter, eftersom det inte räcker med en test på bara en organism för att bedöma giftigheten av en förorening ett naturligt ekosystem. Vidare behövs en biologisk test för att påvisa kroniska effekter, så som skador på fortplantning eller tumörsjukdomar. Dessa skador kan uppkomma genom att organismer påverkas under en lång tid av de låga, men därmed inte ofarliga halter av organiska miljögifter som ofta förekommer i lakvatten.



Den presenterade metodiken kan användas för att utvärdera miljöfarliga ämnen från olika förorenade områden. Avhandlingen har visat att LAQUA protokollets sammansättning och dess analyser är ett bra instrument för att utvärdera reningstekniker för lakvatten och för att ge ytterligare information om organiska ämnen i fast avfall. Bedömning av luft kvalitet och karakterisering av dagvatten är andra exempel där metodiken kan användas.



Avslutningsvis är det förstås lättare att utvärdera farligheten från avfall när det är mindre volymer avfall att utvärdera. Detta kan uppnås genom att konsumera mindre, återanvända produkter, återvinna material, utvinna energi ur avfallet och välja miljövänliga produkter när man köper nytt.

• author: Svensson, Britt-Marie
• supervisor: Lennart Mathiasson; Lennart Mårtensson; Ann-Sofi Rehnstam-Holm
• opponent: Prof Persson, Kenneth M, Avd för Vattenresurslära, Lunds Tekniska Högskola, Lunds Universitet
• organization: Centre for Analysis and Synthesis
• publishing date: 2008
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Analytical Chemistry
• keywords: leaching test, waste acceptance criteria., leachate treatment, landfill leachate, toxicity test, Analytical protocol, organic pollutants
• defense location: Högskolan Kristianstad, Elmetorpsvägen 15, Kristianstad, hörsal 20-425
• defense date: 2008-10-31 13:15:00
• ISBN: 978-91-7422-207-4
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Analytical Chemistry (S/LTH) (011001004)
• id: 864b422d-6306-4262-a567-1ea983843f36 (old id 1243727)
• date added to LUP: 2016-04-04 13:54:15
• date last changed: 2018-11-21 21:17:03