Bestimmung des biogenen und fossilen Anteils in Abfällen, Ersatzbrennstoffen und anderen Gemengen mit Kunststoffanteilen – Potentiale und Einschränkungen

Brennbare Abfälle und daraus produzierte Ersatzbrennstoffe (EBS) stellen zumeist ein Gemisch aus biogenen und fossilen Materialien dar. Um daher bei ihrer thermischen Verwertung die fossilen CO2-Emissionen bzw. den Anteil erneuerbarer Energie auszuweisen, ist eine Unterscheidung zwischen fossilen und biogenen Abfallbestandteilen nötig. Zu diesem Zweck wurden verschiedene Bestimmungsmethoden entwickelt. Bereits standardisierte Methoden sind: Manuelle Sortierung (MS), die Selektive Lösemethode (SLM), die Radiokarbonmethode (14C-Methode) und die Bilanzenmethode (BM). Die BM beruht auf der Auswertung von Betriebsdaten von Müllverbrennungsanlagen (MVA). Eine Weiterentwicklung der BM stellt die adaptierte Bilanzenmethode (aBM) dar. Diese basiert auf der Analyse der Elementarzusammensetzung von Abfallproben. Die praktische Anwendbarkeit der aBM wurde bisher noch nicht geprüft. Das Ziel der Arbeit ist daher, die BM und die aBM in Bezug auf ihre Anwendbarkeit, Zuverlässigkeit und Flexibilität zu untersuchen, wobei zwei wesentliche Verwendungsbereiche unterschieden werden: (A) Anwendung der BM auf nationaler Ebene um ihre Eignung im großen Maßstab und weiterführende Verwertungsmöglichkeiten der generierten Daten zu untersuchen. Betriebsdaten von 10 Österreichischen MVAn werden über ein Jahr gemäß BM ausgewertet und verschiedene Parameter generiert: u.a. fossile CO2- Emissionsfaktoren (EF), biogene Heizwertanteile (qB) und Kunststoffanteile. (B) Charakterisierung von definierten Abfallgemischen und realen EBS Proben anhand der aBM. Leistungsmerkale der aBM werden generiert, die die Gültigkeit der Methode beschreiben und die als Basis für eine zukünftige Standardisierung dienen. Ergebnisse betreffend (A) zeigen, dass fast 90 % des jährlich in österreichischen MVAn verwerteten Abfalls mittels BM charakterisiert werden konnte. Ein derart großer „Probenumfang“ ist mit keiner der anderen Bestimmungsmethoden möglich. Für alle betrachteten Parameter weisen die generierten Daten ausgeprägte Streubreiten auf, sowohl zwischen den einzelnen Anlagen als auch im Jahresverlauf. Dies weißt auf eine starke Variabilität der Abfallzusammensetzung hin, die unter anderem durch saisonabhängigen EBS Bedarf der Industrie, Stillstandszeiten anderer MVAn oder regionale Unterschiede im Abfallsammelsystem zu erklären ist. Die Beobachtungen zeigen somit, dass die Verwendung von allgemeinen Werten zu EF oder qB zu wesentlichen Fehleinschätzungen führen kann. Ebenso können nur sporadisch durchführbare Sortieranalysen den Kunststoffgehalt in Abfällen falsch beziffern. Detaillierte Informationen zu Kunststoffanteilen im Abfallinput von MVAn sind mittels BM einfach generierbar und stellen wesentliche Daten zur Erhebung der gesamten Kunststoffabfallmengen dar. Zusätzlich zeigen die Ergebnisse, dass mithilfe der BM durch zeitlich hoch aufgelöste Daten über die Abfallzusammensetzung, Perioden unzureichender Abfalldurchmischung detektiert werden können. Ein weiterer Zusatznutzen der BM besteht darin, dass durch die routinemäßig durchgeführten Plausibilitätstests Messbzw. Aufzeichnungsfehler der Anlagenbetriebsdaten aufgedeckt werden. Die durchgeführten Arbeiten gemäß (B) stellen die ersten umfassenden Untersuchungen zur Anwendbarkeit der aBM dar. Es konnte dabei die Korrektheit der Methode nachgewiesen werden; beispielsweise lag die absolute Abweichung des fossilen Kohlenstoffanteils (xTC F) vom Referenzwert unter 3:6 %. Ein Vergleich der aBMErgebnisse mit jenen von MS und SLM zeigt, dass einzig die aBM für alle betrachteten EBS eine zufriedenstellende Übereinstimmung mit der 14C-Methode liefert. Die Probenaufbereitung für die aBM ist verglichen mit MS und SLM als aufwändiger einzustufen, da die notwendige Elementaranalytik sehr geringe Probenmengen (wenige Zentrigramm) erfordert. Eine Varianzkomponentenanalyse zeigt, dass die Einwaage der Analyseprobe ein wesentlicher Faktor für die Streuung der Messwerte ist. Eine Anwendung unterschiedlicher Mahlprinzipien ist daher zu empfehlen um ausreichend homogene Analysenproben zu erhalten. Ein weiterer wichtiger Punkt für die Anwendung der aBM stellt die Wahl der Eingangswerte zur elementaren Zusammensetzung der fossilen und biogenen Materialien dar (TOXF und TOXB). Die Untersuchungen ergeben, dass EBS-spezifisch erhobene Daten zu TOXF und TOXB anhand von Sortierungen und Analysen zu hoher Genauigkeit der aBM-Ergebnisse führen. Gleichzeitig zeigt sich jedoch auch, dass die in der Arbeit erhobenen Werte zu TOXF und TOXB für 6 verschiedene EBS in einem engen Wertebereich liegen. Sobald eine geeignete Datenbasis verfügbar ist, kann daher Arbeitsaufwand eingespart werden. Die Untersuchungen zur Praktikabilität zeigen, dass die aBM durchaus eine Alternative zu bisher üblichen Methoden ist. Sowohl der Arbeitsaufwand als auch die Kosten sind mit denen der SLM vergleichbar. Die Arbeit zeigt, dass die BM und die aBM praktikable Bestimmungsmethoden darstellen um den fossilen und biogen Anteil in Abfällen und EBS zu bestimmen. Beide Methoden sind konkurrenzfähig mit standardisierten Methoden. Die BM zeichnet sich im Speziellen durch die Bereitstellung von Daten mit hoher zeitliche Auflösung aus; Daten, die zukünftig auch für andere Zwecke verwertet werden könnten. Die präsentierten Ergebnisse zeigen, dass die aBM in der Praxis angewandt werden kann und ermöglichen die Ausarbeitung einer eigenen Norm. Eine Übertragbarkeit der Methodik auf Umweltproben (z.B. Mikroplastik in Gewässerproben) kann abgeleitet werden und wird Thema zukünftiger Untersuchungen sein. Weitere Forschungsaktivitäten sollten zudem die Reproduzierbarkeit der aBM bei Anwendung in unterschiedlichen Laboren behandeln und auf die Sammlung von Daten zur Elementarzusammensetzung von fossilen und biogenen Materialien in unterschiedlichen EBS abzielen.Mixed combustible wastes and refuse-derived fuels (RDF) usually consist of both biogenic and fossil materials. To report climate-relevant CO2-emissions or declare the share of renewable energy recovered in Waste-to-Energy (WtE) plants or in industrial processes, it is necessary to distinguish between the biogenic and fossil origins of the utilized waste components. In recent years different methods have been developed for this purpose. Standardized methods are: Manual Sorting (MS), the Selective Dissolution Method (SDM), the Radiocarbon Method (14C-Method), and the Balance Method (BM). The BM is based on the evaluation of WtE plant operating data and is already applied in several WtE plants in Europe. The BM was further developed into the adapted Balance Method (aBM), which is applicable to waste samples and evaluates data on the elemental composition of the samples. The feasibility of the aBM in practice has, however, not been demonstrated yet. The objective of the present thesis is to assess the BM and the aBM in terms of their feasibility, versatility, and reliability with respect to two major fields of application: (A) Large-scale application of the BM to examine the eligibility of the method and to exploit further applications of BM-generated data. Operating data of 10 Austrian WtE plants are evaluated over a period of one year. Different parameters are derived: i.a. fossil CO2-emission factors (EF), the ratio of biogenic energy from waste (qB) or the plastic content (xplastic). (B) Characterization of artificially prepared RDF model mixtures as well as real RDF samples by means of the aBM. Performance data of the aBM are generated, indicating the validity of the method and providing the basis for standardization. The results related to (A) show that with the aid of the BM, almost 90 % of the waste utilized in Austrian WtE plants annually could be characterized in terms of its composition. This represents a “sample size” which can hardly be achieved by any other method. Generated annual means for the WtE plants as well as monthly mean values at plant-level cover a wide range for all parameters considered. This indicates a strong variability of the waste composition, which is believed to be influenced by varying RDF demand of the cement industry, downtime periods of other WtE plants, or regional differences in waste collection. The observations clearly illustrate that the usage of an empirical value for EF or qB for WtE plants is problematic and can easily lead to significant misestimations of relevant data (by up to 40 % at plant-level). Similarly, it can be assumed that data on the plastic content in mixed waste, generated by sorting campaigns, leads to distorted estimates. Detailed information on the share of plastics in the feed of WtE plants, easily derived by applying the BM, represents valuable information when overall waste plastics generation and its utilization paths have to be assessed. Furthermore, the results reveal that temporally high-resolution data of the waste composition could be used to trace back insufficient mixing of the waste feed. In addition, the mandatory plausibility checks of the BM can support error detection in the operating data of WtE plants. The investigations related to (B) represent the first in-depth assessment on the performance of the aBM. Based on the aBM-determined share of fossil carbon (xTC F ), an absolute deviation from the reference value of below 3:6 % can be asserted. The comparison of aBM-generated values to results of MS and the SDM reveals that the aBM is the only method for which, independently of the RDF, low deviations and good correlations with the 14C-Method are observed. A more extensive sample preparation is expected for the aBM compared to MS and the SDM. This is due to the aBM relying on elemental analysis where only a few centrigrams of sample can be measured. By means of a variance component analysis, it is shown that the drawing of test specimens from the analysis sample considerably affects the total variation of aBM-results. A usage of different grinding mechanisms can be recommended for the sample preparation to ensure a low heterogeneity of the test specimens. A further crucial factor for the application of the aBM is the choice of the necessary input values the elemental composition of the water-and ash-free fossil and biogenic matter present in the RDF (TOXF and TOXB). These values are ideally generated specifically for an RDF by means of initial manual sorting and analyses. Thereby the highest accuracy of the aBM-results can be expected. However, the thesis shows that TOXF and TOXB values derived for 6 different RDFs are in a close range. This indicates that in future workload could be saved once a suitable data base about TOXF and TOXB values present in different types of RDFs is available. Finally, to conclude on the practicability of the aBM in comparison to standardized methods, the aBM presents itself as competitive with MS, the 14C-method and also to the commonly applied SDM in terms of workload and costs. The thesis shows that both the BM and the aBM are practicable methods to determine the fossil and biogenic fraction in mixed waste and RDFs. Both methods are competitive with other standardized determination methods such as the 14C-method, MS, or the SDM. The BM stands out by virtue of its unique capability to deliver data at a high temporal resolution, data which can in future also be exploited for other purposes. The investigations into the performance of the aBM presented clearly illustrate that this method is fit for practical application and can support the formulation of a standard procedure. A transferability of the principle to environmental samples (e.g. mircoplastics content in water samples) is demonstrated and will be the subject of future investigations. Forthcoming research activities should further address the reproducibility of the aBM when applied by different laboratories and should push for a collection of data on the elemental composition of fossil and biogenic matter present in different RDF types.17

Plastics and other extraneous matter in municipal solid waste compost: A systematic review of sources, occurrence, implications, and fate in amended soils

Municipal solid waste (MSW) composting is rapidly growing globally as a sustainable approach to valorize the organic fraction of municipal solid waste (OFMSW) into compost for agricultural use. However, MSW compost use in agriculture is threatened by physical contaminants, mainly plastics, glass, metals, and stones in the compost, exceeding the legal thresholds in some cases. This study comprehensively reviews the literature on various physical contaminants in MSW compost, focusing on sources, occurrence, environmental implications, and fate in amended soils. The review shows that physical contaminants in MSW compost are highly heterogeneous depending on waste origin, source separation, and sorting and sieving practices before and after composting. Plastics are the most widely occurring and abundant physical contaminant in MSW compost, reaching up to 15,300 mg/kg in compost, capable of inputting up to 536 kg plastics/ha/year in amended soils. Glass, stones, and metals also regularly occur in MSW compost, reaching up to 17.2%, 18.2%, and 1.5% of the compost mass respectively. Repeated application of contaminated compost increases physical contaminant accumulation in amended soils, severely impacting the soil's physical, chemical, and biological performance. Synthetic plastics in compost-amended soils tend to have a long residence time, slowly degrading and releasing small-sized plastic particles and their metabolites. Further, they may be transported from the point of application by biotic or abiotic agents, posing secondary pollution effects. Microplastics (MPs) are the most significant emerging physical contaminant in MSW compost, and present detection challenges and regulatory laxity in compost marketing. The strategies to mitigate physical contaminants in MSW compost include proper biowaste source separation, improved biowaste separation and screening before and after composting, regulatory adherence and monitoring of contaminants in compost, and the adoption of compostable biodegradable plastics in MSW biowaste collection

An alternative method to determine the share of fossil carbon in solid refuse-derived fuels – Validation and comparison with three standardized methods

Today different types of wastes are used as refuse-derived fuels (RDF) either in waste-to-energy plants or as fuel substitutes in energy-intensive industrial processes. In order to quantify their greenhouse-gas relevance (fossil carbon content), reliable and practical analytical methods are required, which allow differentiation between biogenic and fossil organic carbon. In the present paper, an alternative method to determine the fossil share in RDFs is examined and validated. The so-called “adapted Balance Method” (aBM) is applied to three different RDFs and the results are compared to three standardized methods, namely the Radiocarbon Method (14CMethod), the Selective Dissolution Method (SDM), and the Manual Sorting Method (MS). The aBM is based on the distinctly different elemental composition of water-and-ash-free biogenic and of fossil matter (TOXBIO and TOXFOS). Within the study, these compositional data are derived by manual sorting of the RDFs. The results show that the values obtained by the aBM are in excellent agreement with the results of the 14C-Method (considered as reference method). Mean deviations between the two methods of −0.9 to +1.9% absolute for the share of fossil carbon are found which are statistically insignificant. High trueness and reliability of the aBM can be expected, independent of the RDF type. In contrast, the reliability of the other standardized methods (SDM and MS) appears to strongly depend on the type and composition of the RDF. The results further indicate that the generation of RDF-specific data on TOXFOS is important for the aBM if significant shares of polymers with comparably high oxygen content might be present in the RDF and if low uncertainties of the results (<3% relative) are required. The findings demonstrate that the alternative method has advantages compared to standardized methods with respect to reliability and/or costs

Klimarelevanz von Ersatzbrennstoffen – Anwendung und Vergleich verschiedener Bestimmungsmethoden

Der Einsatz von alternativen Brennstoffen – wie aus Abfall hergestellte Ersatzbrennstoffe (EBS) – kann in industriellen thermischen Verwertungsanlagen (beispielsweise in Zementwerken) neben der Einsparung von Primärrohstoffen auch zu einer Reduzierung der klimarelevanten CO2-Emissionen führen. Um diese CO2-Einsparungen nachzuweisen, bedarf es einer Methode, die der Heterogenität der Abfallgemische gerecht wird und den fossilen Kohlenstoffanteil bzw. den fossilen CO2-Emissionsfaktor der EBS zuverlässig bestimmen lässt. Die Studie befasst sich mit der Erprobung einer alternativen Bestimmungsmethode, der sogenannten adaptierten Bilanzenmethode (aBM), die auf der Bestimmung der Elementarzusammensetzung des EBS beruht. Insgesamt wurden sechs verschiedene EBS auf ihre Klimarelevanz mittels aBM untersucht und mit Ergebnissen standardisierter Verfahren verglichen. Dabei zeigte sich eine sehr gute Übereinstimmung der aBM-Werte mit denen der Radiokarbonmethode (14C-Methode), die als Vergleichsmethode herangezogen werden kann. Die mittlere Abweichung von der 14C-Methode lag bei 0,6 ± 1,4 %absolut bezogen auf den mittleren fossilen Kohlenstoffanteil. Für die zwei weiteren standardisierten Methoden (Selektive Lösemethode und Manuelle Sortierung) zeigten sich beim Vergleich der Ergebnisse deutliche methodische Einschränkungen in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der EBS. Die aBM ist damit neben der analytisch aufwendigen 14C-Methode das einzige Bestimmungsverfahren, das unabhängig vom EBS-Typ zuverlässige Werte zur Klimarelevanz generiert. Zudem weist die Praktikabilität (Zeit- und Kostenaufwand) der aBM, insbesondere bei Routineanwendungen, Vorteile gegenüber standardisierten Verfahren auf. Einzig bei erstmaliger Anwendung ist eine Ermittlung von EBS-spezifischen Eingangswerten zur Elementarzusammensetzung der enthaltenen biogenen und fossilen Materialien notwendig, welche mit erhöhtem Aufwand verbunden sein kann.Refuse-derived fuels (RDF) are utilized in industrial processes (e. g. cement plants) to reduce costs for primary energy carriers, to lessen natural resource consumption, but also to lower the amount of climate-relevant CO2 emissions associated with the production process. In order to account for the CO2 savings, a practical method is required which accounts for the heterogeneity of RDF and allows the share of fossil carbon and fossil CO2 emissions to be reliably determined. The study examines an alternative method, the so-called adapted Balance Method (aBM), which relies on the determination of the elementary composition of the RDF. Six different RDFs were investigated by means of aBM and the results were compared to three standardized methods. The results of aBM are in excellent agreement with the ones of 14C-Method which is regarded as reference method (mean deviation of 0.6 ± 1.4%absolute based on the share of fossil carbon). Both other standardized methods, the Selective Dissolution Method and the method of Manual Sorting show methodological limitations leading to allegedly false estimates for single RDFs. Thus, the aBM is—besides the 14C-Method, which requires highly specialist equipment and personnel—the only determination method which delivers reliable data on the climate-relevant CO2 emissions independently of the type of RDF. Further benefits of the aBM in comparison to the standardized methods include its practicability for routine application (expenditure of time and money). Only during initial application of the aBM the determination of RDF-specific input parameters (elemental composition of biogenic and fossil materials in the RDF) may lead to increased efforts.Austrian Science Fund (FWF

An alternative method to determine the share of fossil carbon in solid refuse-derived fuels – Validation and comparison with three standardized methods

Today different types of wastes are used as refuse-derived fuels (RDF) either in waste-to-energy plants or as fuel substitutes in energy-intensive industrial processes. In order to quantify their greenhouse-gas relevance (fossil carbon content), reliable and practical analytical methods are required, which allow differentiation between biogenic and fossil organic carbon. In the present paper, an alternative method to determine the fossil share in RDFs is examined and validated. The so-called “adapted Balance Method” (aBM) is applied to three different RDFs and the results are compared to three standardized methods, namely the Radiocarbon Method (14CMethod), the Selective Dissolution Method (SDM), and the Manual Sorting Method (MS). The aBM is based on the distinctly different elemental composition of water-and-ash-free biogenic and of fossil matter (TOXBIO and TOXFOS). Within the study, these compositional data are derived by manual sorting of the RDFs. The results show that the values obtained by the aBM are in excellent agreement with the results of the 14C-Method (considered as reference method). Mean deviations between the two methods of −0.9 to +1.9% absolute for the share of fossil carbon are found which are statistically insignificant. High trueness and reliability of the aBM can be expected, independent of the RDF type. In contrast, the reliability of the other standardized methods (SDM and MS) appears to strongly depend on the type and composition of the RDF. The results further indicate that the generation of RDF-specific data on TOXFOS is important for the aBM if significant shares of polymers with comparably high oxygen content might be present in the RDF and if low uncertainties of the results (<3% relative) are required. The findings demonstrate that the alternative method has advantages compared to standardized methods with respect to reliability and/or costs

Anteil erneuerbarer Energien und klimarelevante CO2-Emissionen aus der thermischen Verwertung von Abfällen in Österreich

The final publication is available at Springer via https://doi.org/10.1007/s00506-016-0332-5.Da brennbare Abfälle zumeist ein Gemisch aus biogenen (z. B. Papier, Holz, Küchenabfälle) und fossilen Materialien (Kunststoffe) darstellen, entstehen bei ihrer thermischen Verwertung sowohl klimaneutrale als auch klimarelevante CO2-Emissionen. Analog verhält es sich auch bei der erzeugten Energie (Strom), die entsprechend dem jeweiligen Biomassegehalt des Abfalls zum Teil als erneuerbar eingestuft wird und als solche auch auszuweisen ist. Im Zuge der vorliegenden Studie wurden erstmals auf nationaler Basis die fossilen und biogenen Anteile in thermisch verwerteten Abfällen bestimmt. Die methodische Grundlage dabei bildet die von der Technischen Universität Wien auf europäischer Ebene patentierte Bilanzenmethode. Das Verfahren beruht auf einem mathematischen Abgleich von Materialdaten (z. B. mittlere stoffliche Zusammensetzung biogener und fossiler Materialen) mit messbaren Betriebsgrößen der Verbrennungsanlage (z. B. Reingasmenge, O2- und CO2-Konzentration im Reingas, Dampfmenge). Aufgrund einer Anlagenertüchtigung und teils fehlender CO2-Messungen konnten 10 von 13 Abfallverbrennungsanlagen und damit rund 88 % des in österreichischen Müllverbrennungsanlagen verwerteten Abfalls für die Auswertung berücksichtigt werden (rund 2,3 Mio. Tonnen). Die Ergebnisse zeigen eine große Streuung der biogenen Heizwertanteile der Anlagen (im Jahresmittel stammen zwischen 35,7 ± 2,4 % und 61,2 ± 2,7 % der eingesetzten Energie aus biogenen Quellen). Auch eine starke zeitliche Variation der Abfallzusammensetzung auf Basis von Monatsmittelwerten ist deutlich erkennbar. Folglich lässt sich für Abfallverbrennungsanlagen kein allgemein gültiger Heizwertanteil oder Emissionsfaktor ableiten und eine anlagenspezifische Auswertung über einen längeren Zeitraum (wie es mit der Bilanzenmethode relativ einfach möglich ist) erscheint zielführend für eine zuverlässige Ausweisung des erneuerbaren Energieanteils oder der fossilen CO2-Emissionen. Die eingesetzten Energien aus fossilen und biogenen Abfallbestandteilen (für die 10 betrachteten Anlagen) liegen im Jahr 2014 bei rund 11.450 ± 120 TJ und 10.730 ± 110 TJ. Es ergeben sich gesamt rund 1060 ± 24 kt klimarelevantes CO2, das aus den thermischen Abfallverwertungsanlagen in Österreich im Jahr 2014 emittiert wurde (mit Hochrechnung auf alle 13 Anlagen).Since combustible wastes usually consist of biogenic (e.g. paper, wood, food waste) and fossil organic matter (plastics), their thermal recovery results in climate neutral and climate relevant CO2 emissions. Moreover, the fraction of biogenic materials in the waste feed is relevant for the amount of renewable energy produced. The latter has to be reported and might be subsidized according to national laws (e.g. based on European directive 2009/28/EG). The present study represents the first comprehensive evaluation of the share of biogenic and fossil materials in the waste feed of waste-to-energy (WTE) plants on a national basis. The Balance Method, which is patented on a European level by TU Wien, was applied to 10 out of 13 Austrian WTE plants (around 2.3 Mio tons of waste corresponding to around 88 % of the overall waste feed in Austrian WTE plants). The method is based on the mathematical reconciliation of the material properties (e.g. mean chemical composition of biogenic and fossil materials) and routinely recorded operating data of WTE plants (e.g. flue gas volume, CO2 and O2-content in the dry flue gas, steam production). The results demonstrate large variations for the share of energy from biogenic sources in the different WTE plants, ranging from 35.7 ± 2.4 % to 61.2 ± 2.7 % (based on annual averages). Additionally, for several WTE plants large temporal variations can be observed based on monthly mean values. Thus, a plant-specific and continuous evaluation of the waste composition in WTE plants (which the Balance Method allows to do at reasonable efforts) can be recommended for a reliable reporting of the renewable share of energy or fossil CO2 emissions from waste incineration. The energy input which stems from fossil and biogenic sources can be estimated to 11,450 ± 120 TJ and 10,730 ± 110 TJ, respectively for the year 2014 (for the 10 WTE plants). In total 1060 ± 24 kt fossil CO2 emissions from the thermal recovery of waste in Austria’s WTE plants in 2014 could be determined (estimation for all 13 WTE plants).4154271