Abstract. The ever-increasing amount of municipal solid waste has become a problem around the world and in Finland, where the recycling rate of municipal solid waste has remained the same for the last decade. The disposal of municipal solid waste has instead been done mostly by incineration into energy, with 56 % of all municipal waste being incinerated by Finland in 2019. There are multiple reasons why disposing of municipal waste by incineration is the popular method. Municipal waste is mixed organic and inorganic waste, causing problems in separation for recycling and landfilling, while incineration reduces waste mass by 70 % and volume by up to 90 %, which is important with the huge amount of waste in modern society. Also, a legislation in 2016 forbade landfilling of organic waste in Finland. The resulting municipal solid waste incineration (MSWI) residues, bottom ash and fly ash contain various pollutants such as heavy metals, which means they need to be treated and stabilized before landfilling or using as a material to avoid leaching of hazardous components.
The objective of this study was to form granules by means of tumbling granulation from municipal solid waste incineration (MSWI) residues, mainly bottom ash, by using an alkali-activator as a binding liquid to geopolymerize and solidify the granule structure. The primary focus of the thesis was to study how different co-binders such as MSWI fly ash, ground-granulated blast furnace slag, coal fly ash and curing techniques affect the leaching and physical properties of granules for the use as lightweight aggregates in construction.
The first part of the study focused on the effects of different co-binders in longer and simple curing conditions such as room temperature- and oven curing for up to 28 days. The main material used was MSWI bottom ash, while 10 % of the material was substituted with co-binders, MSWI fly ash and ground-granulated blast furnace slag (GGBFS). The second part of the study used the same residues for granulation apart from substituting coal fly ash instead of GGBFS as a co-binder. The curing with sintering and microwaving was done after 24 hours of oven-curing, and possible degradation of sintered or microwaved samples over longer periods of time was not studied. The alkali-activator used in both studies was liquid sodium silicate. The residues used for samples were evaluated with thermogravimetric analysis, x-ray fluorescence, x-ray diffraction and particle size analysis along with a leaching test while the granules were tested for compressive strength, bulk density, water absorption and leaching.
The granulation was easily done by mixing MSWI bottom ash and a liquid alkali-activator in a pelletizing disk to form spherical granules. The results of the study showed that alkali-activated granules formed from MSWI residues such as bottom ash using a sodium silicate solution were classified as lightweight aggregates based on their bulk density. The compressive strength of most granules was close to a weaker commercial LECA-aggregate, but sintered samples had less strength than expected. The highest strength was obtained by substituting 10 % of GGBFS into the MSWI BA with room temperature or oven curing. Water absorption was higher in sintered samples than in other similar studies while milder curing conditions resulted in absorption properties found in other studies on alkali-activated granules. The environmental impact assessment done by leaching analysis found varying results dependent on the hazardous components and what type of curing and co-binders were used. Some hazardous components were stabilized well by milder curing conditions, while some were immobilized completely only by sintering. However, this sintering especially at 800 °C also caused some previously stabile components such as chromium to be highly leachable.Jätteenpolton pohjatuhkien alkaliaktivointi ja granulointi. Tiivistelmä. Kiinteän yhdyskuntajätteen jatkuvasti kasvavasta määrästä on tullut ongelma ympäri maailmaa ja Suomessa, jossa kiinteän yhdyskuntajätteen kierrätysaste on pysynyt samana viimeisen vuosikymmenen ajan. Kiinteän yhdyskuntajätteen loppusijoitus on sen sijaan tapahtunut enimmäkseen polttamalla energiaksi, ja 56 prosenttia kaikista yhdyskuntajätteistä poltettiin Suomessa vuonna 2019. On useita syitä, miksi yhdyskuntajätteet hävitetään polttamalla. Yhdyskuntajäte on sekoitettua orgaanista ja epäorgaanista jätettä, mikä aiheuttaa ongelmia kierrätyksessä ja kaatopaikalle sijoittamisessa, kun taas polttaminen vähentää jätemassaa 70 % ja määrää jopa 90 %, mikä on tärkeää nykyaikaisessa yhteiskunnassa syntyvän valtavan jätemäärän vuoksi. Lisäksi vuonna 2016 laadittu lainsäädäntö kielsi orgaanisen jätteen sijoittamisen kaatopaikalle Suomessa. Kiinteän yhdyskuntajätteen polttamisjätteet, pohjatuhka ja lentotuhka sisältävät erilaisia epäpuhtauksia, kuten raskasmetalleja, mikä tarkoittaa, että ne on käsiteltävä ja stabiloitava ennen kaatopaikalle sijoittamista tai materiaalina käyttöä haitallisten aineiden huuhtoutumisen välttämiseksi.
Tämän tutkimuksen tavoitteena oli muodostaa rakeita kiinteän yhdyskuntajätteen polttamisen tähteistä, pääasiassa pohjatuhkasta, käyttämällä alkaliaktivaattoria sitovana nesteenä rakeiden rakenteen geopolymeroimiseksi ja kiinteyttämiseksi. Opinnäytetyön ensisijaisena tavoitteena oli tutkia, kuinka erilaiset sideaineet, kuten lentotuhka, jauhettu rakeinen masuunikuona, kivihiilen lentotuhka ja eri kovettamistekniikat, vaikuttavat rakeiden raskasmetallien huuhtoutumiseen ja fysikaalisiin ominaisuuksiin käytettäväksi kevyinä aggregaatteina rakentamisessa.
Tutkimuksen ensimmäinen osa keskittyi sideaineiden vaikutuksiin pidemmissä ja yksinkertaisissa kovetusolosuhteissa, kuten huoneenlämmössä ja uunissa kovettamalla jopa 28 päivän ajan. Pääasiallinen materiaali oli pohjatuhka, kun taas 10 % materiaalista korvattiin sideaineilla, lentotuhkalla ja jauhetulla masuunikuonalla. Tutkimuksen toisessa osassa käytettiin samoja tähteitä rakeistamiseen lukuun ottamatta masuunikuonan korvaamista hiilenpolton lentotuhkalla. Sintraus ja mikroaallotus tehtiin 24 tunnin uunissa kovettamisen jälkeen, eikä sintraus- ja mikroaaltonäytteiden mahdollista hajoamista pitkällä aikavälillä tutkittu. Molemmissa tutkimuksissa käytetty alkaliaktivaattori oli natriumsilikaatin vesiliuos. Rakeissa käytetyt materiaalit analysoitiin termogravimetrisellä analyysillä, röntgenfluoresenssilla, röntgendiffraktiolla ja hiukkaskokoanalyysillä sekä uuttotestillä. Rakeista testattiin puristuslujuutta, irtotiheyttä, veden imeytymistä ja uuttoa.
Rakeistus tehtiin onnistuneesti pelletointilevyssä sekoittamalla tuhkaa ja alkaliaktivaattoria kunnes saatiin pallomaisia rakeita. Tuloksena saadut rakeet luokiteltiin kevyiksi aggregaateiksi niiden tiheyden perusteella. Useimpien rakeiden puristuslujuus oli lähellä testattua LECA-aggregaattia, mutta sintrattujen näytteiden lujuus oli odotettua pienempi. Suurin lujuus saatiin sekoittamalla 10 % masuunikuonaa ja kovettamalla huoneenlämmössä tai uunissa. Veden imeytyminen oli korkeampi sintratuissa näytteissä kuin muissa vastaavissa tutkimuksissa, ja lievemmät kovetusolosuhteet johtivat samankaltaisiin ominaisuuksiin kuin muiden alkaliaktivoitujen rakeiden tutkimuksissa. Raskasmetallien huuhtoutumisanalyysi osoitti, että tulokset riippuivat ainekohtaisesti riippuen käytetystä kovetusmenetelmästä ja sideaineista. Jotkin haitalliset aineet stabiloituivat jo alkaliaktivaatiolla lievemmissä olosuhteissa, ja toiset eivät huuhtoutuneet lainkaan sintrauksen jälkeen. Alkaliaktivaatio kaikissa näytteissä aiheutti kuitenkin joidenkin aineiden huuhtoutumisen lisääntymistä, ja varsinkin 800 °C sintrauksen jälkeen aiemmin stabiilit aineet kuten kromi pystyikin huuhtoutumaan todella vapaasti
