Thermische Immobilisatie

Bijdrage Nationaal Slibcongres 1 november 2000 Stichting Klasse 4 te Amersfoort


Dr. C.J.J. Schouten

CSO Adviesbureau voor Milieuonder-zoek
Regulierenring 20
3981 LB Bunnik
telefoon : 030-6594321
telefax : :030-6571792
1. Inleiding

Immobilisatietechnieken worden in het buitenland gebruikt voor de verwer-king van een groot aantal verschillende afvalstoffen, waaron-der op zuive-ringsslib en vliegassen van huisvuilverbranding. In Nederland worden deze technieken tot dusver nauwelijks toegepast, mede door een terughoudend over-heidsbeleid. Inmiddels is er een kentering waarneembaar. Door het stellen van uitloog-eisen als belang-rijkste criterium in het Bouwstoffenbesluit, wordt het mogelijk om afvalstoffen waarin de verontreinigingen zijn geïmmobiliseerd nuttig toe te passen. In het kader van verschillende onderzoeksprogramma's, zoals het "Programma Ontwikkeling Saneringsprocessen voor Waterbodems (POSW)" en het programma T2000-Immobilisatietechnieken wordt aan-dacht besteed aan de ontwikkeling van deze technieken. Inmiddels zijn een aantal technieken gereed voor toepassing op praktijkschaal.

Immobilisatietechnieken worden beschouwd als eindverwerking van residuen die bij verbranding, reiniging en scheidingstechnieken vrijkomen. Zo is bij huis-vuil-verwer-king een Immobilisatietechnieken met name relevant voor de verwer-king van residuen van huisvuilverbranding (vliegas). Hetzelfde geldt voor andere bulkaf-valstoffen zoals verontreinigde grond en baggerspecie, waarvoor is gebleken dat (thermische) immobilisatie een haalbare optie is voor de sterk verontrei-nigde residuen van fractiescheiding en reiniging.

Het storten van deze materi-alen zoals dat momenteel in de praktijk wordt gebracht, stuit op een aantal knelpunten:

ÿ De stijging in de stortkosten van ver-ontreinigde materi-alen leidt tot een toename in de totale verwerkingskosten;
ÿ De strenge milieuhygiënische eisen die gesteld worden aan het storten van afvalstoffen en het stortverbod voor organisch afval;
ÿ Het ruimtegebrek in Nederland en in veel gebieden in Europa in combina-tie met de grote weerstand die bij omwonenden bestaat tegen stort-plaat-sen, maakt de locatiekeuze voor permanente berging van sterk veront-rei-nigd afval problematisch.

Met name door de wens tot vermindering van de hoeveelheid te storten afvalstroom kan immobili-satie een vooraan-staande rol spelen. Hiermee wordt tevens het gebruik van de schaarse grondstoffen beperkt. Bij het terug-brengen van afval-stoffen in de keten door er producten van te maken, moet, net als bij primaire producten, ook het afval-stadium van deze producten in de afweging worden betrokken.
Daarnaast kan de wens tot het inrichten van veiliger stortplaatsen een motief vormen voor overheid en bedrijfsleven om in het kader van diverse onderzoeks-programma's Immobilisatietechnieken te ontwikkelen en uit te testen, ondanks de hogere kosten en vaak ook het grotere ruimtebeslag.
2. Immobilisatie.

Immobilisatie is een technologische ingreep waarbij de fysische en chemische eigenschappen van een afvalstof worden gewijzigd, met als doel de milieuverontreinigende componenten zodanig vast te leggen, dat deze op korte en lange termijn het milieu minder bedreigen.

Doel van immobilisatie

Het immobilisatieproces heeft tot doel de milieuverontreinigende compo-nen-ten van een afvalstof zodanig vast te leggen dat ze geen bedrei-ging op korte en langere termijn meer vormen voor het milieu. Hiermee onder-scheiden immobili-sa-tie-technieken zich van zuiverings-technieken en schei-dings-tech-nieken die een reststroom op kunnen leveren met sterk verhoogde concentra-ties aan milieuge-vaarlijke stoffen. Deze scheidslijn is echter niet scherp te trekken, zoals blijkt bij thermische immobilisatie. Hier is ook sprake van een partiele reiniging omdat organische verontreinigingen worden afgebro-ken en vluchtige metalen worden uitgedampt.

Binnen de algemene doelstellingen van een afvalstof-fenbeleid kunnen twee mogelijke doelstellin-gen van het immobiliseren in beschouwing worden geno-men:

ÿ milieuhygiënisch ver-ant-woorde ber-ging van afvalstof-fen;
Ber-ging van afvalstoffen vormt het sluitstuk van de afvalketen. Alleen die stoffen die op geen enkele wijze meer gereinigd of toegepast kunnen worden, zouden hiervoor in aanmerking mogen komen.
Door de ver-bete-ring van de fysische en chemi-sche eigen-schappen van de afval-stof kunnen immobilisatie-technieken de berging veiliger maken, vereen-voudigen en aldus kosten-besparend wer-ken. Om deze reden worden deze technieken in het buitenland (met name in de Verenigde Staten, Frankrijk en Duitsland) frequent toege-past. Het opvullen van mijngangen in Duitsland met de door UTR geproduceerde immobi-lisaten kan gezien worden als een tussenvorm van berging en nuttige toepas-sing.

ÿ milieuhygiënisch verant-woord nuttig gebruik door de vervaar-diging van een bouw-stof uit afvalstoffen, al dan niet ter vervan-ging van niet-ver-nieuwbare grond-stoffen.
Immobilisatietechnie-ken kunnen onder bepaal-de milieuhygiënische en mate-riaaltechni-sche voorwaarden het nuttig toepassen van afvalstoffen mogelijk maken. Voorbeelden van immobilisatietechnieken die in Nederland worden gehanteerd zijn, de toepas-sing van vlieg-as in cement en in kera-mische korrels (Lytag en Aardelite) en in binnen-muurstenen (Poriso-steen) en het vervaar-digen van bouwma-teria-len uit afval-gips.
Uit grootschalige experimenten is gebleken dat ook met veront-reinigde baggerspecie nuttig toepasbare bouwmaterialen gemaakt kunnen worden, zoals kunst-grind. In combinatie met diverse C2-afvalstoffen kan door smelten een waardevol kunstbasalt worden gemaakt, zoals door CSO in het kader van een aantal onderzoeken met grootschalige proeven is aangetoond.

Kenmerkend voor alle immobilisatietechnieken is de micro-inkapseling van afvalstoffen in een kristallijnen of organische matrix. Omdat de fysische immobi-lisatie door opname van de verontreinigingen in een nieuw gevorm-de matrix de rode draad vormt die zeer uiteenlopen-de immobilisa-tietech-nieken gemeen hebben kan voor een indeling gekozen worden op basis waarvan de verharding plaats-vindt. In grote lijnen is een indeling aan te geven tussen:

ÿ Koude immobilisatie : procédés waarbij de verhar-ding bij een lage tempe-ra-tuur plaatsvindt. Binnen de koude procédés is onder-scheid te ma-ken tussen de technieken waarbij een anorgani-sche matrix wordt gevormd en technie-ken waarbij een organische matrix wordt ge-vormd.

ÿ Thermi-sche immobilisatie : procédés waarbij de verharding bij een hoge temperatuur plaats-vindt. Binnen de ther-mische pro-cessen kan men onder-scheid maken tussen sinter- en smeltprocessen.



3. Stand van zaken onderzoek thermische immobilisa-tie

In het kader van het onderzoekprogramma van Rijkswaterstaat voor de verwer-king van veront-reinigde baggerspecie (POSW), is zowel aan kerami-sche verwer-king als aan de smelten/kristallisatietechniek ruim aandacht besteed. Daarnaast is veel onderzoek verricht in het kader van het T2000 programma Immobilisatie.


3.1 Sinteren

Gedurende de periode 1990-1996 heeft de Firma Ecotechniek een technologie verder ontwikkeld, gebaseerd op een onder-zoek van CSO adviesbureau uit de tachtiger jaren, om uit sterk verontreinigde baggerspe-cie een kera-misch kunstgrind te produceren. Met proefinstalla-ties zijn in 1990-'91 grootschalige experimenten uitgevoerd, waarna een ontwerp is gemaakt voor een installatie. Het betreft een integrale verwerking, waarbij eerst een deel van het zand wordt afgescheiden. Het residu van de scheiding wordt op een tempera-tuur van ca 1200 &Mac176;C gesinterd in draaitrommel ovens.

Uit de uitgevoerde experimenten is gebleken dat het keramische kunstgrind zowel milieuhygië-nisch als fysisch gunstige eigenschappen bezit (tabel 1 en 2) en toege-past kan worden als toeslag-materiaal in de wegenbouw. Door het materiaal op een relatief hoge temperatuur te sinteren ontstaat een weinig poreuze korrel met een hoge druksterkte. Zware metalen worden door het sinteringsproces opgenomen in nieuwgevormde kristalroosters van metaaloxiden.

Toepassing als grind-vervan-ger in asfaltbe-ton, waarbij de gehele grindfractie wordt vervangen, geeft geen overschrij-ding van de uitloognorm uit het ont-werp Bouw-stoffenbe-sluit, zodat het materiaal vrij toepasbaar is (categorie 1). Toepas-sing van het grind in ongebonden vorm zonder IBC-maatregelen is alleen mogelijk indien hiermee bij de selectie van de te verwerken bagger-specie en eventuele toeslagstoffen rekening wordt gehou-den.


Tabel 1. Fysische eigenschappen keramisch kunstgrind


Tabel 2. Samenstelling en emissie uit keramisch kunstgrind en asfaltproefstuk met kunstrind

1) vervaardigd uit baggerspecie uit de Malburgerhaven te Arnhem
2) Grind vervangen door keramisch kunstgrind van baggerspecie uit Malburgerhaven + 10% as van zuiverings-slib

In 1996 zijn door Ecotechniek hernieuwde sinterproeven uitgevoerd, waarbij in een praktijkin-stal-latie een forse partij kunstgrind is geprodu-ceerd. Deze proeven zijn ondersteund door het T2000 programma Immobilisatie en POSW.

Met deze proeven zijn de resultaten van het enkele jaren eerder uitgevoer-de onderzoek bevestigd. Het bij hoge temperatuur gesinterde grind had een lage water-opname en voldeed qua verbrijzeling aan de eisen voor grind in asfaltbeton.

Het kunstgrind is gebruikt voor de productie van marshalltabletten. Hierbij is gebleken dat de eigenschappen, bij 50% vervanging van het grind door kunstgrind, niet significant afwijken van het referentiemonster. Verder is een Retained marshallonderzoek uitgevoerd om een indruk te krijgen van de verouderingsge-voeligheid c.q. watergevoeligheid. Ook bij deze test wijkt het asfaltbeton met kunstgrind niet af van het referentiemonster.

Bij ongebonden keramisch grind blijkt, net als bij voorgaande experimenten, de uitlo-ging van arseen niet aan de grenswaarde voor een categorie I bouwstof te voldoen.
Het grindasfaltbeton waarin 50% van het grind door kunstgrind is vervangen voldoet ruim aan de uitloognorm voor categorie I bouwstoffen.



Recente ontwikkelingen

Momenteel is alleen het bedrijf Dusaltec actief op het gebied van keramische verwerking van baggerspecie op productieniveau.
De Firma Dusaltec baseert haar procédé voor het grootschalig verwerken van vervuilde baggerspecie en grondreiniging residuen op de kennis die in het kader van het CSO onderzoek en de diverse POSW onderzoeken uit de periode 1980-1995 is opgebouwd. Nieuwe technologieën die het mogelijk maken om energie te winnen uit organische afvalstoffen ten behoeve van de keramische verwerking worden in dit procédé meegenomen. Er is een MER gaande voor de bouw van een dergelijke verwerkingsinstallatie in Zeeland.


3.2 Smelten en kristalliseren

Eind tachtiger jaren onderzocht het PBI de mogelijkheden om vliegassen om te smelten tot steenachtige producten. CSO adviesbureau introduceerde in opdracht van de NSM in de begin jaren negentig de uit Japan afkomstige technologie om uit zuive-rings-slib een gesmolten product te maken. In 1992 is door CSO advies-bureau een onderzoek gestart naar de haalbaarheid van een smelt/kris-tallisatie pro-ces voor sterk verontreinigde bagger-specie uit de Malbur-ger-haven te Arnhem (in op-dracht van Rijkswaterstaat, Directie Oost-Nederland).


Bij het smelten/kristalliseren wordt kunststeen (basalt) geproduceerd door de gevormde smelt een gecontroleerde afkoeling te laten ondergaan. Bij de juiste samenstelling ontstaat een homo-geen, fijn kristallijn product dat als steenslag voor asfaltbeton of als vormge-geven bouwstof kan worden gebruikt. Om een optimaal toepasbaar product te vormen, kan het noodzakelijk zijn additie-ven zoals kalk toe te voegen.

Bij het smelten/kristalliseren van afvalstoffen kan als samenstel-ling het best de basaltsa-men-stelling gekozen wor-den. De redenen hiervoor zijn:

ÿ de producten die ontstaan hebben relatief goede eigen-schappen met betrek-king tot uitlooggedrag en krimpscheuren.
ÿ de kristallisatie verloopt relatief snel.
ÿ de vastlegging van zware metalen is relatief goed.

Bij de juiste samenstelling ontstaat een homo-geen, fijn kristallijn materiaal dat als steenslag voor asfaltbeton of als vormge-geven bouwstof kan worden gebruikt. De producten van de uitgevoerde proeven waren veelbelovend. De emissie van zware metalen uit deze producten was dermate laag dat toepassing in ongebon-den vorm mogelijk leek. Hierdoor kunnen vormgege-ven basaltblokken bijvoorbeeld als dijkbekle-ding worden ge-bruikt.
Naast de, in vergelijking met normale smeltslakken, sterke verbetering van de fy-sisch/me-chani-sche eigen-schappen kan door kristallisatie tevens de vastlegging van zware metalen verder worden verbe-terd. Tijdens de afkoeling worden zeer resisten-te mineralen gevormd waarin zware metalen onderdeel zijn van de kristal-structuur. De uitloging van zware metalen kan hierdoor verder worden gereduceerd.

In 1993/94 hebben CSO adviesbureau, Gemco Engineers en Heijmans Milieutech-niek een onderzoek verricht in opdracht van POSW naar het smelten van baggerspecie. Het granulaat voldoet aan de mechanische eisen voor toepassing in asfaltbeton (tabel 3). Er zijn echter geen asfaltproefstukken gemaakt.
De uitloging van het kunstbasalt voldoet aan de categorie I uitloogeisen voor ongebonden toepassing als vormgegeven product (tabel 4)…

Tabel 3. Fysische eigenschappen kunstbasalt




Tabel 4. Samenstelling en emissie uit kunstbasalt

1) vervaardigd uit baggerspecie uit de Malburgerhaven te Arnhem
<< = maximale beschikbaarheid lager dan detectielimiet
< = maximale beschikbaarheid lager dan grenswaarde voor categorie 1 bouw-stof



Recentere ontwikkelingen

Door CSO samen met de bedrijven Holter en Hollandia is in opdracht van de directie Oost Nederland van de Rijkswaterstaat is een haalbaarheidsonder-zoek uitgevoerd naar het toepassen van immobilisa-tietech-nieken op baggerspecie. Voorafgaand aan de immobilisatie is de baggerspecie voorbehandeld en verbrand, met als doel de organische bestand-de-len te verwijderen. Vervolgens zijn drie immobilisa-tietech-nie-ken uitgetest:


ÿ UTR®-procédé (koude immobilisatie).
ÿ Keramische verwerking.
ÿ Smelten.

Belangrijkste conclusies was dat het smelten en het toepassen in het UTR-proces beide mogelijk waren. De keramische verwerking tot bakstenen bleek, door de uitloging van arseen minder gunstig.

De producten van UTR en van het smeltproces zijn beide in ongebonden vorm vrij toepasbaar (catego-rie I bouwstof). Aangezien in Duitsland grote hoeveelheden van dit materiaal wordt toegepast in de mijnbouw. Ook UTR producten die worden gemaakt met Nederlandse afvalstoffen (zoals AVI-vliegas) kunnen op deze wijze worden toegepast, mits de productkwaliteit voldoet aan de in Duitsland geldende norm. De UTR producten met verbrandingsre-siduen van baggerspecie voldeden aan deze eisen.

Ten aanzien van de producten van het smeltproces is een vervolgonderzoek naar productoptimalisatie gestart, met ondersteuning van T2000 subsidie. De grondgedachte is dat deze techniek economisch haalbaar is als een groter gedeelte van de verwer-kingskosten wordt gedekt door de productopbrengst. Hierbij kan worden gedacht aan vloer of wandtegels en buizen.. Gebleken is dat het zeker mogelijk is om met mengsels van gevaarlijke afvalstoffen dergelijke hoogwaar-dige producten te maken. Per specifiek toepassingsgebied, zal echter een markt- en geschiktheidonderzoek uitgevoerd moeten.


4.0 Voor welk deel van de baggerspecie is thermische immobilisatie een duurzame oplossing ?

Geschat wordt dat in de periode tot - 2015 ca 1 miljard m3 baggerspecie gebaggerd zal moeten worden voor onderhouds- of saneringsdoelstellingen (ca 50 miljoen m3 per jaar). Het grootste deel van de vrijkomende baggerspecie is schoon, of licht verontreinigd. Deze baggerspecie kan worden verspreid (indien hiervoor de ruimte beschikbaar is), of direct worden hergebruikt. Naar schatting kan ca 75% van de baggerspecie op deze wijze worden verwijderd (38 miljoen m3/jaar), waarvan het merendeel door "verspreiden".
Het overige deel zal verwerkt of gestort moeten worden. Voor het verwerken van (sterk) zandige baggerspecie kan gebruik worden gemaakt van eenvoudige scheidingstechnieken, zoals deze o.a. bij de Slufter worden gebruikt (scheidingsbekkens). De restfactie van het scheidingsproces is zal gestort of verwerkt moeten worden. De baggerspecie die verontreinigd is met olie en/of lichte PAK's kan mogelijk door rijpen/landfarmen worden verwerkt tot een toepasbare (categorie I) bouwstof. Naar verwachting kan met deze eenvoudige en relatief goedkope technieken ca 5% van de vrijkomende baggerspecie worden verwerkt (3 miljoen m3).

De resterende baggerspecie (ca 9 miljoen m3 per jaar), bestaat deels uit licht tot matig verontreinigde baggerspecie die vanwege een hoog klei en/of humusgehalte niet verwerkt of toegepast kan worden. Deze hoeveelheid is geschat op 50% van het totaal (4,5 miljoen m3).

De overige, sterk verontreinigde (klasse 4) baggerspecie, kan mogelijk (ten dele) worden verwerkt met (intensieve) reinigings- en immobilisatietechnieken. Uitgaande van verwerking van alleen de zeer sterk verontreinigde baggerspecie (o.a. metaalgehaltes boven de signaleringswaarde), kan de hoeveelheid "reinigbare baggerspecie" worden geschat op 2 miljoen m3/jaar. Daarnaast kan ook een deel van de restfractie die bij sedimentatiebekkens vrijkomt (ca 400.000 m3/jaar) worden verwerkt.

Bij deze verwijderingketen wordt 7 miljoen m3 gestort in depots. Deze baggerspecie bevat geen extreem hoge gehaltes aan verontreinigingen, en bevat een hoog lutum- of organisch stofgehalte waardoor deze baggerspecie alleen tegen hogere kosten (> 100,-/m3) verwerkbaar is.
.
5. Literatuur.

1983 - M.C. Rang, C.J. Schouten en E.A. Schenk - Van last tot nut; de verwer-king van verontreinigde baggerspecie. Gemeente-werken Rotter-dam/Rijks-water-staat. Rapport nr. MKO R-83-18. CSO rapport 83-2, Rotterdam.
1985 - C.J. Schouten en M.C. Rang - Baggerspecie als keramische grondstof. Gemeen-te-werken Rotter-dam/Rijkswater-staat. Rap-port nr. MKO R-85-08, 84 pp. CSO rapport 85-1, Rotterdam.
1985 - M.C. Rang en C.J. Schouten - De keramische verwerking van bagger-spe-cie; samenvattende rapportage en conclusies. Gemeente-werken Rotter-dam/Rijks-wate-rstaat. Rapport nr. MKO R-85-07, 114 pp. CSO-rapport 85-4, Rotterdam.
1989 - Schouten, C.J. en Rang, M.C. Ceramic processing of polluted dredged mud. Hydrobiologia, 176/177: 419-430.
1992 - Karssemeijer, P.L. De keuze tussen sinteren, smelten en bindmiddelen. Land en Water nr 7, juli.
1995 - CUR; Handleiding voor het beoordelen van immobili-saten. Civieltech-nisch Centrum Uitvoering Research en Regelge-ving, Rapport 183, december, Gouda.
1995 - Karssemeijer, P.L., Bolk, H.J.N.A. en Withagen, P.J.J.; Ver-vaardigen van kunstbasalt uit verontreinigde baggerspecie, Deel 4: Samenvat-tende rappor-tage, POSW fase 2, RIZA nota 95.015, mei, Lely-stad.
1995 - Nederlands Normalisatie Instituut, NEN 7341, Delft.
1995 - Nederlands Normalisatie Instituut, NEN 7345, Delft.
1995 - Ministerie van VROM, Bouwstoffenbesluit, uittreksel, Den Haag.
1995 - Programmabureau POSW: Ecogrind: fact sheet nr 6. Lely-stad.
1995 - Versteeg, H.; Smelten van bulkafvalstoffen met toeslagstoffen tot hoog-waardige Materi-a-len. Rapportnummer CSO 95.485. Onderzoek uitgevoerd in het kader van het T2000 programma immobili-satie. Bunnik.
1996 - Karssemeijer, P.L. 1996. Milieu-effecten pilot-sanering Nieu-we Merwede. Onderzoek uitgevoerd in het kader van het POSW fase 2. Rapportnummer CSO 95.482. Bunnik.
2000 - Advies en kenniscentrum Waterbodems: Verwerking van baggerspecie. Basisdocument voor de besluitvorming. AKWA rapportnr 00.006 Utrecht september 2000.