I residui derivanti dalla combustione dei rifiuti non pericolosi. Lidia Lombardi Università Niccolò Cusano - Roma

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1 Giornata di studio Gestione dei rifiuti urbani nell ambito territoriale ottimale ATO Toscana Sud Giovedì 17 Novembre 2016 ore Sala Polivalente Impianto AISA Impianti Loc. Dei Mori San Zeno (AR) I residui derivanti dalla combustione dei rifiuti non pericolosi Lidia Lombardi Università Niccolò Cusano - Roma 1

2 Incenerimento di rifiuti in Europa 62 milioni di tonnellate di rifiuti urbani (RU) avviati ad incenerimento nel 2013 in EU (Mton) 10 6 Mton 5 0 Belgio Bulgaria R. Ceca Danimarca Germania Estonia Irlanda Grecia Spagna Francia Croazia Italia Cipro I dati evidenziano una situazione molto eterogenea tra gli Stati membri: circa il 50% del totale sono inceneriti nelle sole Germania e Francia, mentre altri stati (es. Grecia e Cipro) non ricorrono affatto a questa opzione di trattamento. Lettonia Lituania Lussemburgo Ungheria Malta Paesi Bassi Austria Polonia Portogallo Romania Slovenia Slovacchia Finlandia Svezia (ISPRA, 2015) Regno Unito 2

3 Incenerimento di rifiuti in Italia In Italia la situazione è molto diversificata sia per quanto riguarda il quantitativo di rifiuti inceneriti (il Nord rappresenta i 2/3 del totale), sia per la tipologia di rifiuti trattati Toscana 2014: t a incenerimento (Mton) %: t 25%: t 1 0 Italia Nord Centro Sud RU: Rifiuti Urbani RU FS CSS (ISPRA, 2015) FS: Frazione secca CSS: Combustibile Solido Secondario (include CDR combustibile da Rifiuto) 3

4 Incenerimento di rifiuti residui solidi Reagenti Carboni attivi Rifiuti Waste-to-Energy Fumi FGT 15-25% in peso Bottom Ash Fly Ash CA esausti Eccesso reagenti Prodotti reazione EC, 2016 APC residues kg/t wet FGT (stoichiometric) - Calce semi-wet o dry >> - Bicarbonato dry < AISA: gen-giu 2016 APC 39 kg/t 4% D9 BA 286 kg/t 29% D1 4

5 Incenerimento di rifiuti residui solidi Estrazione a umido Il sistema di scarico delle scorie e di raffreddamento delle stesse ha funzione di rendere le temperature delle scorie tali da essere manipolabili. Il sistema di spegnimento delle scorie in acqua con canale di scarico immerso ha funzione di guardia idraulica che permette di mantenere l intero forno di combustione in leggera depressione per evitare fuoriuscite di fumi inquinati all interno dell area di lavoro. In Italia il 100% degli impianti a griglia adotta questa tecnologia Estrazione a secco Lo spegnimento delle scorie avviene con raffreddamento ad aria. 6 impianti in Giappone in Svizzera sono stati convertiti a secco gli impianti del Cantone di Zurigo 5

6 Incenerimento di rifiuti residui solidi Estrazione a umido Tecnologia consolidata Evita rischio derivanti da fiamme improvvise Rimozione di sali e cloruri No diffusione delle polveri Reazioni chimiche irreversibili (idrolisi, corrosione) Le ceneri tendono ad agglomerarsi Difficoltà operative e gestionali dovute al contenuto di acqua Estrazione a secco Combustione prolungata che permette la completa ossidazione del materiale organico Nessuna reazione chimica irreversibile Nessun fenomeno di addensamento Miglior separazione della frazione fine (elevato contenuto di metalli pesanti) Incremento del recupero di metalli ferrosi (fino a +45%) Incremento del recupero di metalli non ferrosi (fino a +50%) Diffusione delle polveri 6

7 Produzione di BA in Europa e Italia L incenerimento di RU dà origine a diversi flussi di residui solidi, tra cui le scorie di fondo o Bottom Ash (BA), che rappresentano il quantitativo più abbondante, ovvero circa il 15-25% in peso dei rifiuti trattati. 18 Mton di BA da incenerimento rifiuti prodotte in Europa nel 2014 (CEWEP, 2016) Paese REPUBBLICA CECA 1.2 Mton 0.16 DANIMARCA 0.63 FINLANDIA 0.05 FRANCIA 2.7 GERMANIA 5.0 ITALIA 1.3 PAESI BASSI 1.6 SPAGNA 0.42 SVEZIA 0.74 SVIZZERA 0.64 Produzione di scorie (Mt/a) AUSTRIA 0.23 BELGIO t/a da incenerimento di RU t/a da incenerimento di FS t/a da incenerimento di CSS/CDR (Report CEWEP, 2010 e 2012) 7

8 Caratteristiche principali delle BA Materiale granulare che contiene una miscela eterogena di materiali inerti quali vetro, sabbia, porcellana, metalli, minerali e frazione organica incombusta Costituite principalmente da silicoalluminati di calcio, magnesio e ferro, presentano una matrice simile a quella delle rocce come i basalti e i graniti ma sono caratterizzati da concentrazioni decisamente superiori di metalli In particolare (CEWEP, 2016): o Frazione minerale: 80-85% o Metalli: 10-12% (ferro e metalli non ferrosi) o Metalli non ferrosi: 2-5% (2/3 di cui Al) 8

9 BA: recupero/smaltimento in EU Mater, Ecomondo,

10 BA: recupero/smaltimento in IT Smaltimento Recupero Nord Centro Sud Totale ( t) Dati 2013, Fonte: ISPRA 10

11 Gestione di BA in Italia Negli ultimi anni in linea con altri Paesi Europei negli impianti di incenerimento stessi o in impianti dedicati viene effettuato un trattamento di recupero di metalli come ferro e alluminio (ad es. valori riportati per impianti Danesi 4-10% in peso di Fe e % di Al) Per quanto concerne la frazione minerale, la strategia di gestione ancora più adottata in Italia è il conferimento in discariche per rifiuti non pericolosi. L'unica opzione di riutilizzo prevista per BA da incenerimento rifiuti dal D.M 186/2006 che disciplina il recupero in procedura semplificata è come materiale secondario per la produzione di cemento. Metallo DM 186/2006. Unità Per utilizzo come aggregato in costruzione (sottofondi stradali) in base alle autorizzazioni ordinarie, sono utilizzati come riferimento i limiti relativi alla lisciviazione a ph naturale per un valore del L/S = 10 l/kg (test EN ) stabiliti dal DM 186/2006. Lead 50 μg/l Barium 1 mg/l Zinc 3 mg/l Nickel 10 μg/l Vanadium 250 μg/l Molybdenum - mg/l Chromium 50 μg/l Copper 0.05 mg/l Antimony - mg/l Beryllium 10 μg/l Cobalt 250 μg/l Arsenic 50 μg/l Cadmium 5 μg/l Selenium 10 μg/l

12 Gestione di BA in Italia - Recupero Ageing/carbonatazione accelerata 75% 7,8% 1,3% 8,7% CiAl,

13 Gestione di BA in Italia Benefici ambientali del recupero 29,6 kg CO 2 eq./tru 0,67 kg CO 2 eq./tru 13

14 BA per upgrading del biogas Innovative process: CO 2 removal from biogas based on chemical adsorption on BA: from the direct CO 2 -rich biogas/solid BA contact the calcium carbonate in the bottom ash is formed Separation and capture of CO 2 (no release to atmosphere) Accelerated carbonation of BA from MSWI Biogas/ landfill gas BA carbonation Alkaline bottom ash from MSWI Carbonation technique of CO 2 sequestration process: one stage process, BA solid phase, fixed bed, atmospheric pressure Gas with high CH 4 content, without H 2 S Stabilized phneutral bottom ash 14

15 BA per upgrading del biogas BA requirement is proportional to the entering biogas flow rate Assumed specific flow rate 4 Nm 3 /(h t BA ). BA duration 6 hours. BA 20% w/w of entering waste to incineration, the production from 2-3 plants in the typical size range of Italian ones (Waste: t/year BA: t/year) Biogas Nm 3 /h BA t/day Gestione BA dei t/year rifiuti urbani AISA Impianti /11/

16 BA per upgrading del biogas CARBONATED BOTTOM ASH BIOMETHANE GAS DRYER COMPRESSOR REACTOR 2 BIOMETHANE STORAGE TANK REACTOR 1 BOTTOM ASH COMPRESSOR NITROGEN LIQUID NITROGEN STORAGE TANK BOTTOM ASH STORAGE AREA COMPRESSOR BIOGAS RAW BIOGAS STORAGE TANK 16

17 Residui APC Rifiuti pericolosi in tutte le legislazioni Discariche per rifiuti pericolosi / Miniere di sale (Germania) Potenziale rilascio di contaminanti nell ambiente leaching (in discarica o nella destinazione finale): - Sali facilmente solubilizzabili: Cl e Na. Alterazione ecosistemi/risorse idriche - Metalli pesanti: Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, e Zn. Potenzialmente presenti in concentrazioni tossiche per l uomo e l ecosistema - Diossine: anche se non sono facilmente lisciviabili. 17

18 Residui APC 2013 Nord Centro Sud Totale 10 3 t ISPRA- Federambiente,

19 Residui APC Per minimizzare gli impatti sull ambiente è necessario minimizzare il potenziale rilascio: legati nella matrice residua o rimossi. - riduzione della cessione - distruzione nel caso delle diossine Estrazione e separazione:processes involving extraction and removal of specific components in the residues. Stabilizzazione chimica: Processes involving binding and immobilization of contaminants by chemical reactions Solidificazione: Processes involving physical binding and encapsulation of residues, and in some cases also chemical stabilization. Trattamento termico: Processes involving heating of the residues, and changes of the physical and chemical characteristics. Utilizzazione come aggregato Recupero di materiali Discarica 19

20 Processo di recupero Solval Residui APC 20

21 AwR - Layout Based on the results of labscale regeneration experiments LIQUID/SOLID SEPARATION (FILTRATION) Baciocchi et al. (2012), Chemical Engineering Journal 179;

22 AwR - Pilot plants SOL-IN=60 l/h NaOH < 13-14% Vacuum filtration pump Washing and regeneration reactor (V= 42 l) Liquid collection tank (V= 50 l) GAS-IN=20 Nm 3 /h Filtering system (φ =14 µm) 22

23 Residui APC Processi di stabilizzazione e solidificazione (Inertizzazione) Hanno lo scopo di ridurre sensibilmente il rilascio delle sostanze inquinanti presenti nel residuo solido migliorandone anche le caratteristiche fisiche e la manipolabilità Sono suddivisi principalmente in processi a base di reagenti inorganici (cemento, calce, argilla), a base di reagenti organici (sostanze termoplastiche, polimeri organici, composti macroincapsulanti) e processi di vetrificazione. 23

24 Residui APC Processi a base di cemento: sfruttano il normale fenomeno di presa e indurimento del legante idraulico per intrappolare il rifiuto nella matrice cementizia. Vantaggi: Compatibilità nei confronti dei materiali umidi Mantenimento delle capacità leganti anche in presenza di quantità elevate di aggregati minerali Reazione alcalina in seguito al contatto con acqua con conseguente immediata riduzione della solubilità di molte specie chimiche inorganiche e rallentamento della velocità di reazione delle specie organiche Formazione di Sali insolubili con molti cationi e anioni potenzialmente tossici grazie alla disponibilità di Ca, Al, Si nei leganti cementizi Continua evoluzione nel tempo della struttura interna con potenziale incremento delle capacità di immobilizzo Controllo delle proprietà meccaniche Possibilità di applicazioni pratiche in alcuni casi Basso costo e ampia disponibilità di materie prime 24

25 Residui APC I trattamenti a base di cemento consistono nel miscelare i residui con cemento, acqua e altri additivi sfruttando le complesse reazioni che avvengono tra i vari componenti dell impasto. I meccanismi di fissazione dei metalli sono sia di tipo chimico che fisico e si possono classificare in: Precipitazione precipitazione chimica sotto forma di specie a bassa solubilità. I metalli sono principalmente precipitati come idrossidi, silicati o solfuri e meno frequentemente come carbonati, fosfati o vari complessi. I prodotti che si ottengono sono per lo più complessi inorganici poco solubili. Adsorbimento sfrutta il fenomeno dell incremento della superficie specifica prodotto dall idratazione dei leganti cementizi. Questo permette la fissazione di certe molecole organiche e rende possibile il verificarsi di reazioni di adsobimento che portano alla formazione di composti a bassa solubilità Scambio ionico coinvolge tutti i meccanismi di fissazione dei metalli. Nella maggior parte dei casi è un processo reversibile e il metallo può essere di nuovo liberato. Un meccanismo di questo tipo è quello che lega i metalli pesanti alla matrice silicea della struttura cementizia Incapsulamento meccanismo di tipo fisico perché non modifica la struttura chimica del rifiuto realizzando ugualmente una forma meno mobile. Il grado di protezione ambientale dipende dalla matrice e dalla sua capacità di isolare il rifiuto, funzione soprattutto della permeabilità della matrice stessa 25

26 Residui APC Processi a base di reagenti organici: A base di sostanze termoplastiche. Sostanze capaci di indurire o rammollire reversibilmente con la variazione della temperatura. I materiali più utilizzati sono asfalto e bitume. Il trattamento avviene mescolando ad alta temperatura ( C) le scorie preventivamente essiccate con gli additivi termoplastici. La miscela viene poi lasciata raffreddare. Questa tecnica è molto resistente all attacco da parte di soluzioni acquose liscivianti e alla degradazione microbica. Svantaggi: -Non applicabile in presenza di sostanze chimiche organiche, che fungono da solventi nei confronti dei leganti, e di forti ossidanti, che reagiscono con la matrice organica causando deterioramenti e possibili reazioni di combustione o esplosione in presenza di solfuri o idrocarburi solidi alle elevate temperature -Compatibilità solo con contaminanti che non volatilizzano a basse temperature -Necessità di essiccare le scorie 26

27 Residui APC A base di polimeri organici. Questi processi consistono nel miscelare alle scorie un monomero (urea formaldeide, poliestere, resine fenoliche ) che, in presenza di un catalizzatore, polimerizza incapsulando nella struttura le sostanze contenute. Si ottiene un prodotto non infiammabile, necessita di una piccola quantità di additivi riducendo il volume del materiale prodotto rispetto ai trattamenti a base di cemento. Può essere applicato per un vasto range di PH. Svantaggi: -Viscosità del materiale che rende difficile la miscelazione -Generazione di fumi potenzialmente tossici -Facilmente biodegradabile se esposto all ambiente -Possibile formazione di percolato qualora non tutta l acqua venga intrappolata A base di composti macroincapsulanti. Formazione di un prodotto finale costituito da una struttura composita di resine organiche. Le particelle inquinanti vengono agglomerate da resine termoindurenti e incapsulate in resine termoplastiche. Vengono usate ad esempio resine polibutadieniche fuse che formano con il rifiuto una miscela che dopo raffreddamento viene ricoperta con polietilene ad alta densità fuso in modo da creare un involucro esterno di notevole resistenza. 27

28 Residui APC Vetrificazione: processo adatto a rifiuti altamente pericolosi, vengono miscelati con silice e fatti fondere a temperature superiori ai 1200 C. La fusione e successiva solidificazione della massa del materiale comportano la formazione di un materiale vetroso altamente inocuizzato. Questa tecnologia permette inoltre la separazione dei metalli per volatilizzazione. Processi ad arco plasma: il processo realizza una pirolisi senza combustione a temperature elevatissime ( C) utilizzando come fonte di energia l arco elettrico. Tale processo porta alla formazione di un materiale praticamente inerte che presenta un ottimo comportamento secondo il test di eluizione. 28

29 Conclusioni Da un punto di vista quantitativo e delle proprietà fisiche le scorie da incenerimento rifiuti rappresentano un materiale di interesse per il recupero come materiale da costruzione in sostituzione di materie prime Il contenuto e il rilascio di metalli ed altri potenziali contaminanti inorganici rappresentano un limite al riutilizzo senza restrizioni di questo materiale. Un singolo trattamento non è sufficiente a soddisfare i requisiti. Combinazioni di diversi trattamenti. Residui del trattamento fumi: rifiuti speciali pericolosi trattamento smaltimento (raramente recupero) Possibili utilizzi/trattamenti in combinazione con sottrazione CO 2. 29