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

Pyrolyse blir i økende grad ansett som et miljøvennlig alternativ for håndtering av organisk avfall. Dette skyldes at pyrolyse, som innebærer forbrenning uten oksygen, har flere fordeler sammenlignet med tradisjonell avfallsforbrenning. Disse fordelene er i stor grad knyttet til egenskapene til det porøse og karbonrike faststoffet som produseres i prosessen, ofte kalt biokull. Det er imidlertid ubesvarte spørsmål knyttet til hva som skjer med miljøgiftene i avfallet under pyrolyseprosessen og hvilke røykgassutslipp som kan forventes. Disse spørsmålene burde besvares før fullskalaimplementering av pyrolyse til avfallsbehandling kan gjennomføres. Nyttige bruksområder for biokull, innebærer blant annet applikasjon i jord som kan gi agronomiske fordeler og karbonlagring, men nyere forskning viser også at biokull kan benyttes som sorbenter til å binde organiske miljøgifter, som for eksempel per og polyfluorerte alkylstoffer (PFAS), sannsynligvis den fremste miljøbekymringen for tiden. Det er imidlertid ikke kjent om biokull produsert fra forurenset organisk avfall kan ha god nok evne til å binde PFAS. Den overordnede målsetningen med dette prosjektet var verdiskapning gjennom forvandling av forurenset avfallsbiomasse gjennom pyrolyse til rene, bærekraftige biokullsorbenter med egenskaper egnet til rensing av forurenset luft, vann og jord. Organiske miljøgifter ble påvist i alle de utvalgte avfallsfraksjonene. Spesielt PFAS var å finne i samtlige avfall, mens polyklorerte dibenzodioksiner og -furaner (PCDD/Fs) og polyklorerte bifenyler (PCB) ble påvist i de fem slambaserte råvarene i tillegg til matavfallsrejektet. De høyeste konsentrasjonene av tungmetaller (As, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb og Zn) ble funnet i resttrevirket, etterfulgt av matavfallsrejektet og de slambaserte fraksjonene. Når det gjelder hvorvidt pyrolyse er egnethet til å bryte ned/volatilisere miljøgifter, viste det seg at pyrolysetemperaturer =600 °C resulterte i at =96,9 % av PFAS og >99 % av PCB og PCDD/F ble fjernet fra avfallet under omdanning til biokull. Cd fordampet nesten fullstendig ved temperaturer over 500 °C. De fleste av de resterende tungmetallene, inkludert As, Cu, Pb og Zn, ble i økende grad immobilisert i biokullet med økende pyrolysetemperatur, særlig i biokull laget av avløpsslam. For å teste avfallskullenes egnethet som PFAS-sorbenter, ble det gjort forsøk med modifisert WT-biokull, i tillegg til biokull av treflis (CWC) og to ulike typer avløpsslam (DSS-1 og DWSS). WT-biokull ble produsert ved høye temperaturer (>850 °C) og ved forskjellige grader av aktivering med damp eller CO2. Disse biokullene hadde betydelig potensiale som sorbenter for PFAS, og reduserte utlekking fra forurenset jord med opptil 99,98 %, med kun en dose på 0,5-1 %. Effektiviteten til sorbenten økte med aktiveringsgrad og aktiveringstemperatur. Både en økning i mengden aromatisk karbon og porevolumet til porer større enn 1,5 nm ble observert som funksjon av økende temperatur og aktiveringsgrad. Disse parameterne ble identifisert som nøkkelegenskaper for effektive PFAS-sorbenter. Ikke-aktivert biokull fra avløpsslam produsert ved 700 °C viste stort potensial som sorbenter for PFAS. Her var effekten bedre enn for trebasert biokull produsert ved samme temperatur, og like god som kommersielt produsert aktivt kull. Dette var kontraintuitivt ettersom trebaserte biokull har større porevolum og intern overflate. Det viste seg imidlertid at avløpsslamkullene var mer mesoporøse enn trekullene (porer >1,5 nm) og var dermed mer egnet til å ta opp og binde store PFAS molekyler, med andre ord, porene i slambasert biokull er perfekt størrelse for å binde farlig PFAS. Dette eksepsjonelle funnet åpner muligheter for sirkulære verdikjeder for renseanlegg hvor avløpsslam behandles med pyrolyse for å bryte ned miljøgifter og det resulterende biokullet brukes direkte i vannrensing ved samme anlegg.

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.