Back to search

BIA-Brukerstyrt innovasjonsarena

VOW: Valorization of Organic Wastes into Sustainable Products for Clean-up of Contaminated Water, Soil, and Air

Alternative title: VOW: Verdiskapning fra Organisk Avfall til Bærekraftige Produkter for Remediering av Forurenset Vann, Jord og Luft

Awarded: NOK 9.5 mill.

Pyrolysis is increasingly regarded as an environmentally friendly alternative for handling organic waste. This is because pyrolysis, which involves combustion without oxygen, has several advantages compared to traditional waste incineration. These benefits are largely linked to the properties of the porous and carbon-rich solid produced in the process, often called biochar. However, there are unanswered questions related to what happens to the environmental toxins in the waste during the pyrolysis process and what flue gas emissions can be expected. These questions should be answered before full-scale implementation of pyrolysis for waste treatment can be carried out. Useful areas of use for biochar include application in soil that can provide agronomic benefits and carbon storage, but recent research also shows that biochar can be used as sorbents to bind organic pollutants, such as per and polyfluorinated alkyl substances (PFAS), probably the foremost current environmental concern. However, it was not known whether biochar produced from contaminated organic waste can have a good enough ability to bind PFAS. Organic pollutants were detected in all the selected waste fractions. PFAS in particular were found in all waste, while polychlorinated dibenzodioxins and furans (PCDD/Fs) and polychlorinated biphenyls (PCBs) were detected in the five sludge-based raw materials in addition to the food waste reject. The highest concentrations of heavy metals (As, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb and Zn) were found in the waste timber, followed by the food waste reject and the sludge-based fractions. Regarding whether pyrolysis is suitable for breaking down/volatilizing pollutants, it was found that pyrolysis temperatures =600 °C resulted in =96.9% of PFAS and >99% of PCBs and PCDD/F being removed from the waste during conversion tobiochar. Cd evaporated almost completely at temperatures above 500 °C. Most of the remaining heavy metals, including As, Cu, Pb and Zn, were increasingly immobilized in the biochar with increasing pyrolysis temperature, especially in biochar made from sewage sludge. In order to test the waste charcoal's suitability as PFAS sorbents, experiments were carried out with modified WT biochar, in addition to wood chip biochar (CWC) and two different types of sewage sludge (DSS-1 and DWSS). WT biochar was produced at high temperatures (>850 °C) and at different degrees of activation with steam or CO2. These biochars had significant potential as sorbents for PFAS, reducing leaching from contaminated soil by up to 99.98%, with only a dose of 0.5-1%. The efficiency of the sorbent increased with degree of activation and activation temperature. Both an increase in the amount of aromatic carbon and the pore volume of pores larger than 1.5 nm was observed as a function of increasing temperature and degree of activation. These parameters were identified as key properties for effective PFAS sorbents. Non-activated biochar from sewage sludge produced at 700 °C showed great potential as sorbents for PFAS. Here the effect was better than for wood-based biochar produced at the same temperature, and as good as for commercially produced activated charcoal. This was counterintuitive as wood-based biochar has a larger pore volume and internal surface area. However, it turned out that the sewage sludge charcoals were more mesoporous than the charcoals (pores >1.5 nm) and were thus more suitable to take up and bind large PFAS molecules, in other words, the pores in sludge-based biochar are the perfect size to bind dangerous PFAS . This exceptional discovery opens up opportunities for circular value chains for treatment plants where sewage sludge is treated with pyrolysis to break down environmental toxins and the resulting biochar is used directly in water purification at the same plant.

Samlet sett har dette prosjektet demonstrert at pyrolyse kan være et avfallshåndterings-alternativ som omdanner forurenset organisk avfall til nyttige sorbenter til bruk i PFAS-remediering. I pyrolyseprosessen vil nemlig de fleste organiske forurensninger effektivt bli tatt ut av sirkulasjon i miljøet, dvs. >95 % av målte-PFAS og >99 % av PCDD/F-er og PCB-er, med den mulige ekstra fordelen av å redusere ytterligere PFAS-utslipp fra forurenset jord gjennom remediering med biokullet. Videre, sammenlignet med anaerob nedbrytning, biologisk nedbrytning, deponering eller forbrenning, er pyrolyse assosiert med lavere klimagassutslipp, og er i tillegg å regne som karbonlagring når biokullet brukes i jord, ettersom biokullkarbonet er så stabilt at det ikke slipper ut i atmosfæren igjen. Disse funnene har bidratt til å signifikant styrke den vitenskapelige litteraturen på feltet, samtidig som de har bidratt til en kompetanseutvikling i næringslivet som kan benyttes til å etablere løsninger som trygger samfunnet for øvrig gjennom å redusere forurensning og utslipp av klimagasser. Prosjektet har identifisert spesifikke måter å etablere verdikjeder tilknyttet avfallspyrolyse og sentrale utfordringer som burde løses før oppskalering kan skje. Dette har lagt til rette for videreutvikling av pyrolyse til avfallsbehandling som et kommersielt alternativ. Sentralt her er gjennombruddet knyttet til mulighetene å benytte pyrolyse til behandling av forurenset avløpsslam med resulterende produksjon av verdifulle biokullsorbenter som kan benyttes i rensing av avløpssvann. Utfordringene knyttet til lav energieffektivitet reduserer mulighetene for verdiskapning. Tross dette, har prosjektet identifisert et betydelig potensial for økonomisk gevinst for avløpsslampyrolyse dersom biokullsorbentene som produseres kan erstatte fossilt aktivt kull. Denne tilleggsverdien er høy, spesielt sammenlignet med anvendelse av biokull i jordbruk. Eksempelvis vil en prisøkning ved salg av slambiokull som sorbenter til 5000 kr/tonn i stedet for jordforbedring til 500 kr/tonn resultere i en ekstra avkastning på 10-15 MNOK for et selskap som produserer 3000 tonn biokull per år fra råslam eller digestat. På landsbasis produseres 135 000 tonn avløpsslam per år. Ved høy temperatur pyrolyse (=700 ºC) vil dette gi i ca. 50 000 tonn biokull. Dersom alt kan benyttes som sorbenter til erstatning av aktivt kull vil dette tilsvare en omsetning på 250 MNOK.

The main objective in this project is to create sustainable products for soil, air and wastewater treatment from organic waste, and in the process defuse toxins and plastics and collect released energy. The project will work with pyrolysis (combustion without oxygen) as a tool and develop "Designer" biochar with optimized binding properties as sorbents. The optimized biochar sorbents will be tested and used in real-world contamination scenarios. Norway generates 1.2 mill tonnes p.a. of various organic waste: waste timber, garden waste, forestry residues, food waste and sewage sludge. These waste fractions are often contaminated. Pyrolysis generates biochar, while destroying microplastics and organic pollutants. Biochar could carry high value as sorbent for soil remediation and purification of air and water. Contaminant leaching, emissions and environmental risk would be reduced. An important co-benefit of biochar is carbon storage, combatting climate change. The consortium consists of actively collaborating, socially responsible, strong partners experienced in industrial innovation projects: waste/sewage handling companies Lindum, Vesar and VEAS, technology provider Scanship (biowaste from cruise industry), and product users in treatment of soil (Lindum), water (Mivanor) and air (Clairs). NGI has novel techniques for testing waste fractions. SINTEF will optimize pyrolysis conditions for energy and biochar output. The consortium will set up three pyrolysis units: a large-scale microwave-based unit (100 kg/hour), a medium-scale BioGreen test unit (to test various temperatures and substrates; 5 kg/hour) and a small experimental oven (to test specific conditions). Pyrolysis conditions of the contaminated waste will be optimized to maximize economic and environmental benefits, analysed via cost-benefit and life-cycle analyses. Income will mainly be generated through clean, valuable, internationally saleable sorbents. Lower landfilling charges for contaminated soil will add to the rewards. In view of a circular economy, the world-wide societal value of sustainable, cost-effective sorbents could be enormous. Main SDGs addressed: 12.Responsible Production, 13.Climate change, 6.Clean Water and 15.Terrestrial ecosystems.

Publications from Cristin

No publications found

No publications found

No publications found

Funding scheme:

BIA-Brukerstyrt innovasjonsarena

Thematic Areas and Topics

MarinFNs BærekraftsmålMål 7 Ren energi for alleLTP3 Hav og kystLTP3 Marine bioressurser og havforvaltningFNs BærekraftsmålMål 6 Rent vann og gode sanitærforholdLTP3 Uttesting og kommersialisering av FoUNaturmangfold og miljøMarin forurensning inkl. miljøgifterMarinMarin forurensning inkl. miljøgifterVerifisering, pilotering, demonstrasjon (ny fra 2014)Avanserte produksjonsprosesserAvansert produksjonsteknologi som fag og teknologi (ny fra 2015)UtviklingsarbeidFNs BærekraftsmålMål 11 Bærekraftig byer og samfunnDelportefølje InternasjonaliseringNordområdeneInternasjonaliseringInternasjonalt prosjektsamarbeidFNs BærekraftsmålMål 15 Liv på landInternasjonaliseringLTP3 Miljøvennlig energi og lavutslippsløsningerBransjer og næringerAvanserte produksjonsprosesserBruk av avansert produksjonsteknologi (ny fra 2015)Portefølje ForskningssystemetLTP3 Muliggjørende og industrielle teknologierBransjer og næringerProsess- og foredlingsindustriAvanserte produksjonsprosesserPortefølje Energi og transportNaturmangfold og miljøTerrestrisk forurensning inkl. miljøgifterLTP3 Klima, miljø og energiLavutslippAnvendt forskningBransjer og næringerMiljø - NæringsområdeLTP3 Styrket konkurransekraft og innovasjonsevneLTP3 Nano-, bioteknologi og teknologikonvergensFNs BærekraftsmålLTP3 Et kunnskapsintensivt næringsliv i hele landetPortefølje Klima og miljøFNs BærekraftsmålMål 12 Ansvarlig forbruk og produksjonLTP3 Klima, polar og miljøKlimarelevant forskningNaturmangfold og miljøPortefølje InnovasjonPolitikk- og forvaltningsområderSirkulær økonomiPolitikk- og forvaltningsområderNæring og handelNordområdeneKunnskapsbasert næringsutviklingNaturmangfold og miljøSirkulær økonomi