Optimisation of municipal solid waste collection to enhance materials recovery

Abstract

La gestió dels residus sòlids urbans (RSU) té un paper clau en l’assoliment dels objectius d’economia circular i neutralitat climàtica a la Unió Europea. En aquest context, la recollida no és només una operació logística, sinó un element estratègic per millorar la recuperació de materials i reduir els impactes ambientals. Tot i això, sovint es tracta com un servei rutinari, amb escassa integració en la planificació i les polítiques públiques. Aquesta tesi doctoral aborda aquesta mancança, investigant com l’optimització de la recollida de RSU pot millorar el rendiment del sistema, centrant-se en tres dimensions: captació de materials, eficiència operativa i sostenibilitat ambiental. El Capítol 1 presenta el marc normatiu i conceptual, amb un enfocament comparatiu dels sistemes de RSU a Itàlia i Espanya, especialment a la Toscana i Catalunya. S’hi defineixen els objectius de la recerca i es descriu l’enfocament metodològic, que combina dades empíriques, anàlisis estadístiques, modelització ambiental i econòmica, i eines d’avaluació com l’anàlisi de fluxos de materials (MFA) i del cicle de vida (LCA). El Capítol 2 analitza la composició dels RSU i el rendiment de la recollida selectiva (RS) a la Toscana, a partir de més de 1.100 mostres que inclouen totes les fraccions, inclosa la fracció resta. Es va adoptar una classificació harmonitzada que reflecteix categories rellevants per a les polítiques (p. ex. envasos, tèxtils, residus higiènics). La matèria orgànica biodegradable representava la proporció més gran (27,2%), seguida del paper/cartró (21,3%) i els plàstics (16,3%). Més del 50% de la fracció resta era formada per materials reciclables, cosa que indica marge de millora. Tot i una taxa de RS del 67%, persisteixen ineficiències en la captació, especialment de plàstics i metalls, i els nivells d’impropis als envasos lleugers continuen elevats. Els models de recollida porta a porta (PaP) van superar els de contenidors en via pública (CVP) en qualitat, donant suport a millores com contenidors intel·ligents, tarifes per generació (PAYT) i campanyes informatives. El Capítol 3 explora les implicacions ambientals i econòmiques de la logística de recollida. Una campanya a la Toscana central va registrar 233 observacions reals de consum de combustible. Els resultats mostraren emissions de CO₂ superiors a les estimacions nacionals, entre 2,3 i 3,7 kg CO₂/km. Es va desenvolupar un model predictiu per simular el rendiment de PaP i CVP en diferents densitats urbanes. Els sistemes CVP van ser més eficients en zones d’alta densitat, mentre que PaP generava menys emissions en zones de baixa densitat. Considerant la qualitat de la RS, PaP superava CVP en totes les densitats en emissions, tot i que CVP era més rendible. Això revela un desajust entre rendiment ambiental i econòmic, i suggereix millors incentius (taxes d’abocador, primes per qualitat, tecnologies intel·ligents). El Capítol 4 aplica un enfocament integrat MFA–LCA a la gestió de RSU a Catalunya, comparant el sistema actual (45% RS, 11% cobertura PaP) amb un escenari avançat (65% RS, 72% PaP). L’MFA mostrà millores en el reciclatge (del 37,7% al 53,3%), però es mantenia una elevada taxa d’abocament (29,5%) deguda als rebuigs. Això subratlla la necessitat de derivar aquests residus a plantes de valorització energètica (WtE) i reduir els materials no reciclables a l’origen. El LCA va confirmar beneficis ambientals importants, com una reducció del 23% en l’impacte climàtic net. No obstant, van augmentar emissions locals, com partícules en suspensió (+181%) i ozó fotoquímic (+146%), destacant la necessitat de millorar logística i disseny de flotes. El Capítol 5 proposa cinc accions clau: • Impulsar campanyes harmonitzades de caracterització de residus. • Millorar la RS amb enfocament en la qualitat. • Utilitzar dades empíriques per a avaluacions sòlides. • Replantejar la recollida com a funció estratègica. • Prioritzar valorització energètica i ecodisseny.

La gestión de los residuos sólidos urbanos (RSU) desempeña un papel clave en la consecución de los objetivos de economía circular y neutralidad climática en la Unión Europea. En este contexto, la recogida no es solo una operación logística, sino un elemento estratégico para mejorar la recuperación de materiales y reducir los impactos ambientales. Sin embargo, a menudo sigue tratándose como un servicio rutinario, con una integración limitada en la planificación y las políticas públicas. Esta tesis doctoral aborda esta laguna, investigando cómo la optimización de la recogida de RSU puede mejorar el rendimiento del sistema, centrándose en tres dimensiones: la captación de materiales, la eficiencia operativa y la sostenibilidad ambiental. El Capítulo 1 presenta el marco normativo y conceptual, con un enfoque comparativo sobre los sistemas de RSU en Italia y España, en particular en Toscana y Cataluña. Se definen los objetivos de la investigación y se describe el enfoque metodológico, que combina datos empíricos, análisis estadísticos, modelización ambiental-económica y herramientas de evaluación como el análisis de flujos de materiales (MFA) y el análisis del ciclo de vida (LCA). El Capítulo 2 analiza la composición de los RSU y el rendimiento de la recogida separada (RS) en Toscana, a partir de más de 1.100 muestras que incluyen todas las fracciones, incluso el rechazo. Se adoptó una clasificación armonizada que refleja categorías relevantes para las políticas (e.g. envases, textiles, residuos higiénicos). La materia orgánica biodegradable representó la mayor proporción (27,2%), seguida del papel/cartón (21,3%) y los plásticos (16,3%). Más del 50% del rechazo estaba compuesto por materiales reciclables, lo que indica un margen de mejora. A pesar de una tasa de RS del 67%, persisten ineficiencias en la captación, especialmente para plásticos y metales, y los niveles de impropios en los envases ligeros siguen siendo altos. Los modelos puerta a puerta (PaP) superaron a los de contenedores en vía pública (CVP) en calidad, apoyando mejoras como contenedores inteligentes, tarifas por generación (PAYT) y campañas informativas. El Capítulo 3 explora las implicaciones ambientales y económicas de la logística de recogida. Una campaña de campo en Toscana central registró 233 observaciones reales de consumo de combustible. Los resultados mostraron emisiones de CO₂ superiores a las estimaciones nacionales, entre 2,3 y 3,7 kg CO₂/km. Se desarrolló un modelo predictivo para simular el rendimiento de PaP y CVP en distintas densidades urbanas. Los sistemas CVP fueron más eficientes en zonas densas, mientras que PaP mostró menores emisiones en zonas de baja densidad. Al considerar la calidad de la RS, PaP superó a CVP en todas las densidades en términos de CO₂, aunque CVP resultó más rentable. Esto revela un desajuste entre rendimiento ambiental y económico, sugiriendo mejores incentivos (tasas de vertido, primas por calidad, tecnologías inteligentes). El Capítulo 4 aplica un enfoque integrado MFA–LCA a la gestión de RSU en Cataluña, comparando el sistema actual (45% RS, 11% cobertura PaP) con un escenario avanzado (65% RS, 72% PaP). La MFA mostró mejoras en reciclaje (del 37,7% al 53,3%), pero una alta tasa de vertido (29,5%) persistió, debida a los rechazos. Esto subraya la necesidad de derivar estos residuos hacia plantas de valorización energética (WtE) y reducir los no reciclables en origen. El LCA confirmó beneficios ambientales importantes, como una reducción del 23% en el impacto climático neto. No obstante, aumentaron emisiones locales, como partículas (+181%) y ozono fotoquímico (+146%), lo que resalta la necesidad de mejorar logística y flotas. El Capítulo 5 propone cinco acciones clave: • Impulsar campañas armonizadas de caracterización de residuos. • Mejorar la RS con enfoque en la calidad. • Utilizar datos empíricos para evaluaciones robustas. • Replantear la recogida como función estratégica. • Priorizar valorización energética y ecodiseño.

Municipal Solid Waste (MSW) management plays a key role in achieving circular economy and climate neutrality goals across the European Union. Within this framework, collection is not just a logistical operation, but a strategic element for improving material recovery, and reducing environmental impacts. However, collection is still often treated as a routine service, with limited integration into planning and policy frameworks. This doctoral research addresses this gap by investigating how MSW collection optimisation can enhance system performance, focusing on three dimensions: material capture, operational efficiency, and environmental sustainability. Chapter 1 introduces the regulatory and conceptual background, with a comparative focus on MSW systems in Italy and Spain, particularly in Tuscany and Catalonia. It outlines the research objectives and describes the methodological approach, which combines empirical data, statistical analysis, environmental-economic modelling, and system-based assessment tools—namely, material flow analysis (MFA) and life cycle assessment (LCA). Chapter 2 investigates MSW composition and separate collection (SC) performance in Tuscany, using over 1,100 samples across all fractions, including residual waste. A harmonised classification was adopted to reflect policy-relevant categories (e.g. packaging, textiles, sanitary waste). Biodegradable organics accounted for the largest share (27.2%), followed by paper/cardboard (21.3%) and plastics (16.3%). Over 50% of residual waste consisted of recyclable materials, suggesting room for improvement. Despite a high SC rate (67%), capture inefficiencies persist, particularly for plastics and metals, and impurity levels in light packaging remain high. Door-to-door (DtD) systems outperformed street-bin (SB) models in terms of quality, supporting the adoption of context-specific improvements such as smart containers, PAYT schemes, and targeted communication. Chapter 3 explores the environmental and economic implications of collection logistics. A field campaign in central Tuscany recorded 233 real-world fuel consumption observations across vehicles and configurations. Results showed higher CO₂ emissions than national estimates, ranging from 2.3 to 3.7 kg CO₂/km for heavy-duty vehicles. A predictive model was developed to simulate DtD and SB performance under varying urban densities. SB systems proved more efficient in high-density areas, while DtD showed lower emissions in low-density areas. When accounting for SC quality, DtD systems outperformed SB models across all densities in CO₂ terms, though SB remained more cost-effective. The analysis revealed a misalignment between environmental and economic performance, suggesting the need for better incentives (e.g. landfill fees, quality bonuses, and smart technologies to enhance SB quality). Chapter 4 applies an integrated MFA–LCA framework to MSW management in Catalonia, comparing the current system (45% SC rate, 11% DtD coverage) to a high-performance scenario (65% SC, 72% DtD). MFA showed improved recycling (from 37.7% to 53.3%) under the high-performance setup, but a high landfilling rate (29.5%) persisted, mainly due to residues from recycling processes. This underlines the importance of diverting residual and rejected waste to high-efficiency waste-to-energy (WtE) plants and reducing non-recyclable material at source. LCA results confirmed that the high-performance scenario brings substantial environmental benefits, including a 23% reduction in net climate change impacts, primarily driven by increased material recycling. However, greenhouse gas emissions from collection and treatment increased, as did local impacts like particulate matter (+181%) and photochemical ozone formation (+146%), highlighting trade-offs and the need for better logistics, fleet design, and treatment infrastructure. Chapter 5 identifies five key actions: • Promote harmonised, time-structured waste characterisation campaigns to support planning and policy. • Enhance SC systems by focusing on quality of collected materials. • Use empirical data for robust environmental and economic assessments. • Reframe the role of collection as a strategic function in circular economy transitions. • Prioritise WtE and eco-design alongside reuse and recycling to reduce residual waste. By integrating real-world data, modelling, and scenario-based analysis, this thesis reframes waste collection as a central pillar of sustainable MSW governance and provides guidance for both local and national decision-makers.