Environmental and Economic Performance of Enhanced Landfill Mining

Abstract

Enhanced Landfill Mining (ELFM) is an innovative concept developed to reintroduce historic waste streams present in the landfills to the material cycle either as energy or as materials. Besides, ELFM contributes to minimise the environmental and social impacts of landfills and to regain the large areas of land. The objective of this work was to investigate the environmental and economic performance of this ELFM concept. The research consisted of three parts. In the first part, the general process flow diagram and a model to assess the environmental and economic performances of ELFM were developed. Traditional landfill mining case studies were considered in order to decide the major components to be in the process flow diagram of ELFM. The model was based on life cycle assessment and life cycle costing tools. The model allowed the assessment of the overall impact of the entire ELFM system, individual processes, and also of the trade-off between environmental and economic performances. In the second part, the model was applied to the first ELFM case study to assess its environmental and economic feasibility. The study showed clear environmental benefits of ELFM against the landfill’s existing situation. The study revealed that the thermal treatment process is the most important process both environmentally and economically. A cluster of environmental and economic drivers (recovery efficiencies of refuse derived fuel and metals, net electrical efficiency and investment cost of thermal treatment process, calorific value of refuse derived fuel, and price of electricity) that should be cautiously controlled in future ELFM studies, were identified. A separate analysis was conducted to identify the impact of use of thermal treatment residues to produce building materials such as aggregates and alternatives for products based on Portland cement. The study revealed that the quality of the products determines the net environmental and economic impacts of valorisation routes of thermal treatment residues. In addition, the study showed that the higher value applications of thermal treatment residues (alternatives for products based on Portland cement) are necessary to acquire the higher environmental benefits and economic profits. Furthermore, a detailed analysis was performed to identify the impact of plasma gasification in the context of ELFM. The study concluded that plasma gasification is a viable candidate in ELFM due to its combined energy and material valorisation capacity, which shows an overall better environmental and economic performance than a conventional incineration process. The analysis further confirmed that the environmental and economic performance of plasma gasification can be improved by using thermal treatment residues to produce building materials instead of landfilling. In the last part, the ELFM concept was applied to reduce the environmental and socio-economic impacts due to open waste dumps in a developing country. It was found that the open waste dump mining largely eliminates the global warming potential caused by the emission from uncontrolled dumps. However, the study confirmed the need for the government’s involvement in order to achieve the economic profits of open waste dump mining in a developing country.

Stortplaatsontginning, beter bekend onder de Engelse term Enhanced Landfill Mining (ELFM), is een innovatief concept waarbij afval dat in stortplaatsen opgeborgen ligt terug in de materiaalkringloop gebracht wordt, hetzij als nieuwe grondstof, hetzij als energie. Daarnaast draagt ELFM ook bij tot het verkleinen van de ecologische en sociale impact van stortplaatsen en tot het herwinnen van land. De doelstelling van deze thesis is de ecologische en economische verdiensten van dit ELFM concept te onderzoeken. Het onderzoek bevat 3 onderdelen: In het eerste gedeelte worden het algemeen stroomdiagram en het ontwikkelde model voor de beoordeling van de ecologische en economische impact van ELFM besproken. Praktijkvoorbeelden van voorlopers van stortplaatsontginning zijn bestudeerd om na te gaan wat de voornaamste onderdelen van een ELFM stroomdiagram zouden moeten zijn. Het opgebouwde model voor het beoordelen van de ecologische en economische impact is gebaseerd op levenscyclusanalyse en op life cycle costing. Het model laat ons toe de totale impact van het ELFM project, alsook de impact van de individuele processtappen, en de balans tussen de ecologische en economische verdiensten van ELFM te beoordelen. In het tweede gedeelte is het model toegepast op de eerste ELFM implementatie in de praktijk, en werd daarmee de ecologische en economische haalbaarheid van het project beoordeeld. Deze studie toont een duidelijk ecologisch voordeel van ELFM aan in vergelijking met het continueren van de huidige stortplaats uitbating. De studie bracht verder aan het licht dat de thermische verwerkingsprocesstap de belangrijkste is zowel wat de economische als de ecologische impact van ELFM betreft. Er werd tevens een groep van ecologische en economische parameters geïdentificeerd, die beslissend zijn en nauwlettend gecontroleerd dienen te worden in toekomstige ELFM project, met name de efficiëntie van de nuttige toepassing van refuse derived fuel (brandstof uit afval) en metalen, het netto elektriciteitsrendement en de investeringskost van de thermische verwerking, de calorische waarde van refuse-derived fuel, en de marktprijs van elektriciteit. Een bijkomend onderzoek is gevoerd naar de impact van het valoriseren van thermische residuen in bouwmaterialen, zoals aggregaat en alternatieven voor de productie van Portland cement. Deze studie maakte duidelijk dat bovenal de kwaliteit van de bekomen producten de netto ecologische en economische impact van de valorisatieroutes voor thermische residuen bepaalt. Daarbij werd aangetoond dat toepassingen van thermische residuen met hogere toegevoegde waarde (zoals de alternatieven voor producten op basis van Portland cement) noodzakelijk is om meer ecologisch voordeel en economische winst te verkrijgen. Verder is er een gedetailleerde analyse van de impact van plasma vergassing als proces binnen ELFM uitgevoerd. De conclusie van deze analyse is dat plasma vergassing een haalbaar proces is in ELFM, omwille van de mogelijkheid tot gecombineerde energie- en materiaalvalorisatie en dat dit een globaal beter ecologisch en economisch profiel biedt dan conventionele afvalverbrandingsprocessen. De analyse bevestigt voorts dat het ecologisch en economisch profiel van plasma vergassing nog verder verbeterd kan worden door de thermische residuen te gebruiken voor de productie van bouwmaterialen in plaats van ze te storten. In het laatste gedeelte van de thesis is het ELFM concept vertaald naar de ontginning van open stortplaatsen in een ontwikkelingsland om de milieu en socio-economische impact van deze open storten te verkleinen. Er is vastgesteld dat ontginning van open stortplaatsen vooral de uitstoot van broeikasgassen grotendeels elimineert. Deze studie toont echter ook de nood van beleidsondersteuning om ontginning van open stortplaatsen in een ontwikkelingsland economische rendabel te maken.