Industrial symbiosis scenarios in the Brescia district: recovery and valorization of residues from production processes

The responsible resource consumption and production is recognized as a Sustainable Development Goal by the United Nations’ 2030 Agenda. Industrial symbiosis (IS), as a specific type of collective decision making, is one of the principal strategies to achieve this goal. Moreover, the exponential growth in demand for new resources have brought more attention to the necessity of scaling-up IS practices at regional level to have more effective results. However, only few studies were conducted to systematically assess potentials of application of IS at regional level and its integration in regional policies. The objective of this research is to assess the potentials of the province of Brescia, in Italy, for applying IS strategies in the valorization of waste produced in the manufacturing sector. To achieve this objective, the thesis aims to answer six research questions about the theoretical backgrounds of IS (Q1), main aspects of regional IS (RIS) (Q2), the measurement of the contribution of RIS to the waste management (WM) performance of a region (Q3), the influence of the industrial context of the province of Brescia on IS implementation (Q4), the current state of IS in the province of Brescia (Q5) and the evaluation of improvements to develop new pathways for IS (Q6). Following a literature review of definitions and key-elements of IS (Q1), social network analysis (SNA) of keywords’ co-occurrences was applied for identifying subtopics of RIS (Q2). Raw data from records of WM activities in the province of Brescia (MUD) were analyzed to develop a material flow analysis (MFA) model (Q3). A program was developed in RStudio for removing the double counting in the data and calculating the mass balance for the waste inputs and outputs. Companies’ data were georeferenced using QGIS and Tmap software for measuring waste transportation distances. The characterization of the industrial context of the province of Brescia was accomplished using two criteria: diversity and environmental performance of the industrial activities (Q4). The current state of application of IS in the province of Brescia for the valorization of industrial wastes was studied by SNA using Gephi software (Q5). The MFA model was used for assessing recovery activities in the IS network (ISN). To assess new pathways for IS in the manufacturing sector of the province of Brescia, databases collected within two locally implemented IS projects were used (Q6). The potential contribution of the identified IS scenarios was evaluated using the MFA model. Definitions of IS evolved during the last two decades, and, since 2015, an increasing number of case studies was observed internationally. IS inside the same facility or the same industrial sector, showed a high potential of development in the province of Brescia. The MFA model demonstrated the relation between the efficiency of the current ISN and the WM performance of the province. The main contextual factor affecting the structure of the network of Brescia was the low industrial diversity of the territory, resulting in the high centrality of metal sector firms in the network. Therefore, the role of other sectors in the network depended on their affinity to the metal sector. The current ISN is focused on the reduction of waste transportation; however, the network can be enlarged by creating new synergies which were identified in collaboration with local companies, to achieve up to 52.3% reduction in waste disposal (t) and 52.8% reduction of waste transportation (t.km). However, the exploitation of these benefits may be affected by drivers and barriers identified, i.e., as: limited number of WM authorization among manufacturing companies (2%), lack of tendency for participating in information exchange for IS initiatives among small companies, and the need for developing of transformation processes.

Il consumo e la produzione responsabile delle risorse sono tra gli obiettivi di sviluppo sostenibile dell'Agenda 2030 delle Nazioni Unite. La simbiosi industriale (SI) è una delle strategie principali per raggiungere tali obiettivi. Inoltre, la crescita esponenziale della domanda di nuove risorse ha evidenziato la necessità di scalare le pratiche di SI a livello territoriale per avere risultati più efficaci. Tuttavia, pochi studi hanno valutato sistematicamente le potenzialità di applicazione della SI a livello territoriale (SIR) e la sua integrazione nelle politiche regionali. Questa ricerca ha l’obiettivo di valutare le potenzialità della provincia di Brescia, in Italia, nell’applicazione della SI alla valorizzazione dei rifiuti nel settore manifatturiero. Per raggiungere questo obiettivo, la tesi si propone di rispondere a sei domande di ricerca sulla definizione di SI (D1), gli aspetti principali di SIR (D2), la misurazione del contributo della SI alle performance di gestione dei rifiuti (WM) di un’area (D3), l'influenza del contesto industriale della provincia di Brescia sull'implementazione della SI (D4), lo stato attuale della SI (D5) e la valutazione dei miglioramenti per sviluppare nuove opportunità di SI (D6). Dopo una revisione della letteratura sulle definizioni e elementi chiave della SI (D1), è stata applicata la social network analysis (SNA) delle co-occorrenze delle parole chiave per identificare i sottotemi di SIR (D2). I dati grezzi delle attività di WM in provincia di Brescia (MUD) sono stati analizzati per sviluppare un modello MFA (D3). È stato sviluppato un programma in RStudio per rimuovere i doppi conteggi e calcolare il bilancio di massa dei rifiuti in entrata e uscita. I dati delle aziende sono stati georeferenziati con QGIS e Tmap per misurare le distanze di trasporto dei rifiuti. La caratterizzazione del contesto industriale della provincia è stata effettuata utilizzando due criteri: la diversità e la performance ambientale delle attività industriali (D4). Lo stato attuale di applicazione della SI in provincia di Brescia per la valorizzazione dei rifiuti industriali è stato studiato tramite SNA utilizzando il software Gephi (D5). Il modello MFA è stato utilizzato per valutare l'impatto delle attività di recupero nel network di SI (ISN). Per valutare nuove opportunità di SI nel settore manifatturiero provinciale, si sono utilizzati i database raccolti nell'ambito di due progetti in corso (Q6). Il contributo potenziale degli scenari di SI identificati è stato valutato usando il modello MFA. Le definizioni di SI si sono evolute negli ultimi due decenni e, dal 2015, è stato osservato un numero crescente di casi studio a livello internazionale. Si è osservato che la SI all'interno dello stesso stabilimento o allo stesso settore industriale, ha mostrato un alto potenziale di sviluppo nel territorio. Il modello MFA ha dimostrato il legame tra l'efficienza dell'ISN e la performance del territorio nella WM. Il principale fattore contestuale che influenza la struttura della rete di Brescia è la bassa diversità industriale del territorio, con conseguente alta centralità delle imprese del settore metallurgico. Pertanto, i ruoli degli altri settori nella rete dipendono dalla loro affinità con il settore metallurgico. L'attuale ISN si concentra sulla riduzione del trasporto dei rifiuti, ma la rete può essere ampliata creando nuove sinergie, identificate in collaborazione con le aziende locali, per ottenere fino al 52,3% di riduzione dello smaltimento dei rifiuti (t) e al 52,8% di riduzione del trasporto dei rifiuti (t.km). Tuttavia, il raggiungimento di tali obiettivi può essere facilitato o ostacolato da fattori quali, ad esempio, il numero limitato di autorizzazioni WM tra le aziende manifatturiere (2%), la scarsa di tendenza a partecipare allo scambio di informazioni per le iniziative di SI tra le piccole aziende, e la necessità di sviluppare processi di trasformazione.