Local and small scale treatment system for organic waste in the Copenhagen area

Detta examensarbete är en del av ett EU-LIFE projekt, ‘Short circuiting the carbon andnutrient cycle between urban and rural districts by establishing three new systems for sourceseparation, collection and composting of organic waste in the greater Copenhagen area’, ivilket KTH och KVL samarbetar tillsammans med kommersiella aktörer i Danmark. Denhuvudsakliga målsättningen med Short-Circuitprojektet är att optimera en strategi för hur näringsämnen och organiskt kol kan återvinnas ur organiskt avfall. KTH:s del i projektet är att med hjälp av datamodellen ORWARE beräkna miljöeffekter för tre komposteringssystem.ORWARE står för ORganic WAste REsearch och är en datasimuleringsmodell för att genomföra miljösystemanalyser på avfallshanteringssystem. I detta examensarbete utarbetas skräddarsydda simuleringsmodeller för två system för att kunna beräkna och jämföra miljöeffekter. Det ena systemet beskriver kompostering vid Krogerup Farm och det andra ett system där förbränning av samma typ av avfall beskrivs. När en systemanalys genomförs i ORWARE används både Substansflödesanalys (SFA) ochLivscykelanalys (LCA). Grundämnen och substanser följs, liksom i en SFA, genom systemet.Förändringar i mängd och sammansättning, samt emissioner till vatten och luft kontrolleras.Emissionerna från de olika aktiviteterna i systemen adderas och miljöeffekerna beräknas,denna del av systemanalysen motsvarar livscykelinventeringen i en LCA. De miljöeffekter som studeras är växthuseffekt, försurning, eutrofiering och bildandet avfotokemiska oxidanter. Mängderna tungmetaller (bly, kadmium, kvicksilver, koppar, krom,nickel och zink) i det komposterade materialet beräknas och presenteras. Återvunna mängder av näringsämnen (kväve, fosfor och kalium) och organiskt kol bestäms också. Tre simuleringar genomförs, en för varje studerat scenario. Scenario 1 beskriver företaget Årstidernas insamling av separerat frukt- och grönsaksavfall i Köpenhamn. Det insamladeavfallet transporteras till Krogerup Farm, där det komposteras i en öppen kompost. Det komposterade materialet sprids därefter på ett fält på Krogerup som gödningsmaterial.Scenario 2 baseras på samma system som Scenario 1, med skillnaden att insamlingen är på enkortare sträcka och mängden avfall är större för varje insamlingstur. Scenario 3 beskriver enalternativ behandlingsmetod, där avfallet inte sorteras ut, utan förbränns tillsammans med det övriga hushållsavfallet. Emissionerna till luft och vatten från de olika aktiviteterna presenteras i kilogram per 100 kilogram insamlat vått avfall. För att beräkna och jämföra miljöeffekterna för varje scenario,multipliceras mängden av emitterad substans med en viktningsfaktor. Beroende på miljöeffekt varierar det vilka substanser som är aktuella samt värdet på viktningsfaktorerna. Mängderna av de återvunna näringsämnena multipliceras med emissionsfaktorer för att beräkna sluppna emissioner för Scenario 1 och 2. På samma sätt värderas emissioner från produktionen avmängderna elektricitet, värme och diesel som används eller produceras i scenarierna. För de givna data bidrar Scenario 3 mest till alla de fyra studerade miljöeffekterna. Den största orsaken är det höga vatteninnehållet i avfallet som leder till en komsumtion av både elektricitet och värme under förbränningen. För att kunna avgöra hur mycket olika parametrar bidrar till resultatet genomförs ett antal känslighetsanalyser. • En förminskad vattenhalt, 84%, leder till att Scenario 3 förbättras vad gäller växthuseffekt, försurning och bildandet av fotokemiska oxidanter. Detta beror på att både elektricitet och värme nu produceras under förbränningen. • Försurning och eutrofiering i Scenario 1 och 2 påverkas i hög grad av kvävehalten i avfallet. En hög halt leder till högre emissioner av NH3/NH4 från kompostgasen och under spridningen av komposterat material. • Hur långt fordonen färdas under insamlingen av avfallet och vid transporter är direktrelaterade till storleken på emissionerna för scenarierna. Ju längre sträcka, desto högre emissioner. • I de ursprungliga simuleringarna används data för elektricitet producerad i östraDanmark, och i känslighetsnalysen byts dessa ut mot data för västra Danmark. FörScenario 3 leder detta till högre emissioner till försurning, eutrofiering och bildandetav fotokemiska oxidanter. • Om mängden återvunnen slagg varieras påverkas eutrofieringen för Scenario 3. En kontroll av fullständighet ger att en större del av de data och den information som användsi Scenario 1 och 2 är uppmätta och platsspecifika jämfört med Scenario 3. Vid en kontroll av överrensstämmelse fås att de data som rör avfallets sammansättning samt processer vid kompostering, jord och förbränning inte hamnar inom ramarna. Tanken var från början att använda uppmätta och platsspecifika data för dessa aktiviteter. Några av de aktiviteter som har satts utanför systemgränsen kan vara relavanta för det slutgiltiga resultatet. Produktionen och behandlingen av de plastpåsar, som består av majsstärkelse, som används för insamligen av avfallet ingår inte i systemet. Inte heller miljöpåverkan från den del av slaggen som används vid vägbyggen. Ursprungligen skulle mängden återvunnet organiskt kol inkluderats i studien och värderats som mängd produceratkol i torv. Då mängderna är så små blir det dock ingen effekt på den totala miljöpåverkan ochdetta exkluderads därför ur studien. Om värderingen istället beräknas som en kolsänka kanske resultatet ändras. När alla resultat vägs samman kan slutsatsen dras att det småskaliga systemet att hantera avfallet, Scenario 1 och 2, är konkurrenskraftigt gentemot det storskaliga, Scenario 3, ur miljösynpunkt.This master project is a part of a EU-LIFE project, called ‘Short circuiting the carbon and nutrient cycle between urban and rural districts by establishing three new systems for sourceseparation, collection and composting of organic waste in the greater Copenhagen area’,where KTH and KVL are co-operating with commercial participants in Denmark. The main purpose of the Short-Circuit project is to optimise the Community strategy for recycling nutrients and organic carbon from organic waste. KTH’s part of the project is to run the computer-based ORWARE model for three different composting systems in order todetermine the environmental impacts. ORWARE stands for ORganic WAste REsearch, and isa simulation model for environmental system analysis of waste management systems. In this master project, custom-made simulation models are developed for two systems in order to calculate and compare the environmental impacts. One of the systems describes composting at Krogerup Farm and the other incineration of the same waste.When performing a system analysis in ORWARE, both Substance Flow Analysis (SFA) andLife Cycle Assessment (LCA) are used. As in a SFA, chemical elements and substances aretraced through the systems, and the changes in amount and composition, as well as emissionsto water and air are monitored. The emissions from the different activities in the systems are summarised and the environmental impacts are calculated. This part of the system analysiscorresponds to the life cycle inventory in a LCA.The studied impacts on the environment are global warming potential, acidification potential,eutrophication potential and the formation of photochemical oxidants. The amounts of heavymetals in the composted material are calculated and presented. Recycled nutrients and organic carbon are determined as well.Three simulations are performed, one for each studied scenario. Scenario 1 describes thecollecting of separated vegetable and fruit waste by Aarstiderne Ltd. in Copenhagen. Thecollected waste is transported to Krogerup Farm, where it is composted in an open air compost, windrow compost. The composted material is spread on a field at Krogerup Farm asfertiliser. Scenario 2 is based on the same system as Scenario 1, but with a shorter distance travelled on the collection route and a higher amount of waste collected on each trip. Scenario 3 describes an alternative treatment method, where the waste ends up as household waste andincinerated.The emissions to air and to water from the different activities are presented in kilogram per100 kilograms collected waste. Depending on the studied environmental impact,characterisation factors are multiplied to emitted substances, in order to calculate and comparethe effects on the environment from each scenario. The recycled amounts of nutrients are multiplied to emission factors to receive avoided emissions from Scenario 1 and 2. Emissions from the production of electricity, heat and diesel used within the scenarios are also taken into account and valuated.For the given data, Scenario 3 becomes the less favourable from an environmental point of view considering all four studied impacts. The main reason is the high water content of thewaste, which leads to electricity and heat consumption in the incineration process. In order to conclude the importance of different parameters, a number of sensitivity analysis where conducted. • For a lower water content, 84%, Scenario 3 changes to the better considering the global warming potential, acidification potential and the formation of photochemicaloxidants, because both electricity and heat are produced during the incineration. • The acidification and eutrophication potential for Scenario 1 and 2 are influenced at ahigh degree when the nitrogen content is varied. A higher content leads to higheremissions of NH3/NH4 from the compost gas and during the spreading process. • The distances travelled on the collection route and the transportations are directly connected to the amounts of emissions from each Scenario. The longer the distances,the higher the emissions. • Originally, values for the emissions for production of electricity in eastern Denmarkare used. In the sensitivity analysis, values for western Denmark are used instead. This leads to higher emissions to the acidification and eutrophication potential and the formation of photochemical oxidants for Scenario3. • The amount of recycled slag affects the eutrophication potential of Scenario 3. The result of the completeness check gives that a larger part of the data and information usedin Scenario 1 and 2 are measured and site-specific compared to Scenario 3.The consistency check leads to that data concerning the waste fraction and the compost, soiland incineration process are inconsistent, since the purpose from the beginning was to use measured and site-specific data. Some of the activities that are excluded from the system might be relevant for the final results.The production and treatment of the plastic bags, composed of maize starch, used in thecollection are not accounted for in this study. Neither is the environmental impact from thepart of the slag from the incineration process that ends up in roads. At first, recycled organiccarbon was supposed to be evaluated as produced carbon in peat, but since the amount is toosmall to have an effect on the results, this activity is excluded. However, if the amount is evaluated as a carbon sink, the results might change.The sum of all results is that the small scale treatment systems, Scenario 1 and 2, are competitive from an environmental point of view compared to the large scale system,Scenario 3.www.ima.kth.seEU-LIFE projek