Corso di "Bonifica dei siti contaminati" Dispensa n.10. TRATTAMENTI DI LAVAGGIO Soil flushing Bioflushing Soil washing

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1 Università degli Studi di Palermo Facoltà di Ingegneria Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali Corso di "" Dispensa n.10 TRATTAMENTI DI LAVAGGIO Soil flushing Bioflushing Soil washing Prof. Ing. Gaspare Viviani Dipartimento di Ingegneria Idraulica e Applicazioni Ambientali, Università di Palermo, viale delle Scienze, Palermo. gviv@idra.unipa.it Palermo, a.a

2 1. INTRODUZIONE Le tecniche di lavaggio sono finalizzate al trattamento di suoli contaminati, in condizioni sature o insature; esse sostanzialmente comprendono interventi di estrazione ed eventuale trattamento, a mezzo di un fluido di lavaggio (solitamente acqua). Nel caso degli interventi in-situ, il fluido attraversa la zona di suolo contaminata, determinando l estrazione degli inquinanti e la conseguente purificazione del terreno; nel caso in cui tale estrazione di basi solo su processi fisici e chimici, la tecnica è detta di soil flushing; in questo caso il fluido immesso deve essere recuperato, al fine di venire sottoposto a trattamento e successivo ricircolo. A tale scopo, il fluido può essere preventivamente additivato con agenti che favoriscano il trasferimento dei contaminanti dal suolo al fluido o che ne determinano il trattamento e la degradazione, mediante processi chimici e/o biologici. Nel caso in cui invece l intervento in-situ si basi principalmente su processi di natura biologica, l intervento è detto di bioflushing; in questo caso, il fluido immesso ha la principale funzione di vettore di ossigeno e nutrienti. Per completezza, si può osservare che possono essere ricompresi in tale categoria di interventi anche quelli di ossidazione chimica che fanno uso di reagenti in forma liquida e quelli mirati a favorire la biodegradazione accelerata a mezzo di introduzione di composti a lento rilascio di ossigeno (ORC: Oxygen Release Compound) o di idrogeno (HRC: Hydrogen Release Compound). Infine, nel caso in cui l intervento venga applicato ex-situ, quindi previa escavazione e pretrattamento del terreno contaminato, l intervento prende il nome di soil washing; in questo caso il terreno viene sottoposto a particolari trattamenti in serie, mirati all estrazione dei contaminanti con acqua (eventualmente additivata con agenti estraenti), con separazione finale di una frazione del suolo (quella fina del suolo) ricca di contaminanti, solitamente destinata a discarica, e di quella rimanente, che viene ricollocata in situ. 2. SOIL FLUSHING 2.1 Introduzione Il soil flushing (SF) è una tecnica di trattamento di suoli contaminati, che si trovino in condizioni sature o insature, ottenuta mediante lavaggio del suolo a mezzo di un fluido immesso nel sottosuolo, che determina l estrazione dei contaminanti. L intervento di bonifica si realizza pertanto mediante l immissione a monte dell area contaminata di un fluido di lavaggio, da recuperare poi a valle, con l obiettivo di trasferire i composti contaminati dalla matrice solida alla fase liquida (Fig.1). Solitamente il fluido di lavaggio è costituito da acqua, eventualmente riscaldata o additivata con composti, mirati a favorire il trasferimento dei contaminanti dalla fase solida a quella liquida (tensioattivi, alcool, acidi, basi, ossidanti, chelanti). Per l inserimento e il recupero del fluido di lavaggio si possono prevedere pozzi di iniezione ed estrazione o trincee drenanti. I meccanismi che consentono l estrazione del contaminante da parte del fluido di lavaggio sono sostanzialmente due: il passaggio in soluzione o sospensione dei contaminanti; il trascinamento della frazione fine (< 2 mm), in cui è contenuto normalmente il 90 % del contaminante (almeno per la maggior parte dei contaminanti). pag. 1

3 Trattamento o smaltimento contaminante Piano campagna Separatore liquido di lavaggio/contaminante Flusso di liquido di lavaggio+contaminanti Miscelazione Riciclo Agenti chimici Preparazione liquido di lavaggio Pompa Flusso del liquido di lavaggio Pozzo di estrazione Suolo contaminato Pompa sommersa Pozzo di immissione Figura 1 Schema di impianto di soil flushing L immissione del fluido comporta il rischio di mobilitare in modo incontrollato i contaminanti all interno del suolo, qualora il fluido stesso non venga intercettato dal sistema di estrazione. Pertanto, ove necessario, è bene predisporre, a valle dell area interessata dall intervento, un diaframma di contenimento verticale, preferibilmente immorsato in un substrato impermeabile profondo. In Tab.1 sono sintetizzati i principali vantaggi e svantaggi del soil flushing. VANTAGGI SVANTAGGI Efficace per estrarre i contaminanti disciolti, adesi o Rischio concreto di intasamento delle strutture di adsorbiti sul terreno iniezione ed estrazione Facilità di realizzazione, in quanto utilizza componenti Difficile da realizzare in suoli con bassa conducibilità strutturali molto comuni idraulica (< 10-4 cm/s) Rischio concreto di mobilitare il contaminante senza poi Minimo disturbo per le attività che si svolgono sul sito intercettarlo Limitato tempo di applicazione, se confrontato col Gli additivi usati in alcuni casi possono essere causa di pump and treat contaminazione della falda Costi competitivi Necessità di monitoraggio continuo Può essere facilmente combinato con altre tecnologie Necessità di eventuali sistemi di sicurezza per evitare le (bioventing, SVE) fughe del liquido di lavaggio Rischio di limitare la bonifica ai cammini preferenziali del liquido di lavaggio all interno del suolo Tabella 1 - Vantaggi e svantaggi del soil flushing 2.2 Gli elementi del progetto di un intervento di soil flushing Di seguito sono descritti i principali componenti di un impianto di soil flushing (Fig. 1): il sistema di immissione: può essere realizzato mediante pozzi muniti di tubi finestrati in PVC di grosso diametro, oppure trincee drenanti superficiali o infine gallerie filtranti; la seconda soluzione è più indicata nel caso in cui la profondità della falda sia molto pag. 2

4 limitata; la prima soluzione, invece, potendo rilasciare l acqua in pressione direttamente sotto falda, consente di incrementare il valore della portata di iniezione; la modalità di immissione: può essere a gravità, sfruttando il dislivello naturale tra i livelli idrici nei punti di immissione ed estrazione, o in pressione, con pompaggio del fluido all interno del sistema di iniezione; il sistema di estrazione: si realizza mediante pozzi emungenti sotto falda, rivestiti da uno strato molto permeabile (sabbia) collocato al fine di prevenire gli intasamenti generati dal terreno trascinato dall acqua estratta; anche in questo caso si può fare ricorso a drenaggi sotterranei, nel caso di falde poco profonde; il trattamento del fluido estratto: si realizza in due fasi successive; la prima consiste nell allontanamento della frazione fine di suolo trascinata dal liquido di lavaggio e dei contaminanti presenti: tale obbiettivo si raggiunge sottoponendo il liquido a trattamenti di filtrazione, sedimentazione o flottazione; nella seconda fase si prepara il fluido per il reinserimento nel sottosuolo, aggiungendo gli additivi e provvedendo all opportuna miscelazione. 2.3 Condizioni necessarie per l applicazione del soil flushing I parametri utilizzabili per definire il grado di efficacia di un intervento di soil flushing sono: la conducibilità idraulica: valori eccessivamente bassi limitano la portata d acqua che attraversa il suolo e quindi rallentano notevolmente il processo di bonifica: 10-4 cm/s può essere considerato un valore discriminante per l applicazione di questa tecnologia; la struttura e la stratificazione del suolo: la presenza nel terreno da bonificare di fratture, irregolarità, banchi argillosi, etc. può seriamente compromettere la riuscita dell intervento per la possibilità di formazione di vie preferenziali di deflusso del fluido di lavaggio, con la conseguente limitazione della bonifica alle sole zone ad alta permeabilità; il gradiente idraulico e lo sconfinamento della falda: sono due elementi che consentono di valutare il rischio di disperdere il liquido di lavaggio in falda. Infatti, intercettare completamente il flusso di lavaggio in falde ad elevato gradiente idraulico e poco confinate è impresa davvero ardua; il TOC, la superficie specifica e la capacità di scambio cationico del terreno: questi parametri sono indicatori dell attività superficiale delle particelle di terreno e quindi della loro capacità di intrappolare i contaminanti. Il contenuto di carbonio organico totale (TOC) fornisce una misura del contenuto di sostanza organica; la superficie specifica rappresenta la superficie esterna per unità di massa del terreno (la superficie utile reattiva); la capacità di scambio cationico (CSC) è un indicatore della predisposizione a formare legami superficiali. Valori elevati del TOC, della superficie specifica e della CSC sono indicatori di una matrice solida con una spiccata predisposizione a formare legami con i contaminanti e, quindi, sintomatici di una presumibile scarsa efficacia dell azione di lavaggio del soil flushing; la solubilità, la densità e la viscosità del contaminante: anche questi parametri si possono considerare degli indicatori della capacità del contaminante di legarsi e aderire alle particelle di terreno. I composti molto solubili passano in soluzione e non hanno modo di interagire con il suolo; i composti a bassa densità tendono a disperdersi in acqua e a non ad aderire al terreno; i composti poco viscosi presentano in genere una bassa attività superficiale; pag. 3

5 la durata dell intervento di bonifica: l orizzonte temporale entro cui raggiungere gli obiettivi di risanamento costituisce un parametro fondamentale, funzione principalmente della valutazione economica e del rischio associato alla contaminazione; la configurazione del sistema: il corretto posizionamento dei sistemi di iniezione ed estrazione dell acqua costituisce l aspetto più importante del progetto, in quanto da esso dipende il rischio di fughe del liquido di lavaggio contaminato. Il percorso del liquido nel sottosuolo è influenzato da numerosi fattori (stratigrafia, tessitura, gradienti idraulici della falda, precipitazioni, etc.), che, se mal valutati, possono compromettere l intercettazione della zona contaminata; grande importanza riveste in questa ottica la corretta modellazione del comportamento della falda. Le soluzioni correntemente utilizzate prevedono il posizionamento del sistema di iniezione a monte della fonte contaminante e quelli di estrazione a valle (Fig.2); in alternativa l iniezione e l estrazione si possono effettuare rispettivamente in corrispondenza dell asse e dei bordi del pennacchio contaminato; le caratteristiche del fluido di lavaggio: per aumentare la capacità di trascinamento del flusso di lavaggio si può riscaldare l acqua, prima dell immissione nel sottosuolo; a questa inoltre possono essere aggiunti alcuni additivi, mirati ad aumentare la solubilità dei contaminanti presenti nel suolo, come i tensioattivi o i cosolventi (metanolo o etanolo), oppure a favorirne il trattamento in situ, come alcuni agenti ossidanti o riducenti, nonchè acidi inorganici (cloridrico, solforico, nitrico), per la solubilizzazione dei metalli, o organici, che essendo biodegradabili non lasciano residui nel sottosuolo; in particolare, i tensioattivi possono essere adoperati per la rimozione di composti NAPL, che risultano fortemente idrofobici (PCB, IPA, TCE), grazie alla riduzione della tensione superficiale del composto che (se modesta) ne favorisce la solubilizzazione in acqua e quindi la successiva rimozione oppure (se elevata) la mobilizzazione come fase separata; l area di influenza dei pozzi: rappresentano l area entro cui il singolo elemento del sistema (trincea, pozzo) consente di attivare un flusso in grado di trascinare i contaminanti; la portata di iniezione: la portata d acqua va valutata principalmente sulla base del tipo e della entità delle interazioni tra terreno e contaminante: il suo valore è direttamente proporzionale all entità dei legami tra tali due componenti. In Tab.2 sono sintetizzati i criteri usualmente adoperabili per valutare l efficacia di un intervento di soil flushing. pag. 4

6 Non saturo contaminato Falda contaminata Direzione della falda Legenda Pozzo d iniezione Pozzo d estrazione Pozzo di monitoraggio Movimento del fluido di lavaggio Figura 2 - Configurazione planimetrica di un intervento di soil flushing Caratteristiche del sito efficacia bassa media alta Fase della contaminazione vapore liquido in soluzione Conducibilità idraulica (cm/s) < > 10-3 Superficie specifica del terreno (m 2 /kg) >1 0,1-1 < 0,1 TOC (%) > < 1 ph va tenuto in conto nella scelta degli additivi, con cui può interagire Capacità di scambio cationico alta media bassa Contenuto di argilla può influenzare la mobilità di alcuni contaminanti e la circolazione della soluzione di lavaggio Fratturazione della formazione geologica presenza assenza Caratteristiche del contaminante Solubilità in acqua < > Adsorbimento sul terreno (ml/kg) > < 100 Pressione di vapore (mm Hg) > < 10 Viscosità (cpoise) > < 2 Densità (g/cm 3 ) < > 2 Tabella 2 - Fattori critici per l efficacia del soil flushing 3. BIOFLUSHING 3.1 Introduzione Il bioflushing (BF) è una tecnologia di trattamento in situ di suoli contaminanti, che si trovino in condizioni sature o insature; la tecnologia a tale scopo adoperata è molto simile a quella del soil flushing, prima descritta, con la differenza sostanziale che in questo caso l immissione del fluido ha l obiettivo principale di attivare processi biologici di trattamento insitu dei contaminanti; invece nel soil flushing tali processi, qualora avvengano, hanno un ruolo marginale rispetto a quelli principali di natura fisica (lavaggio) o chimica (trattamento in-situ). pag. 5

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8 pulito. Gli scarti passano attraverso il magnete opposto alla rotazione con un incremento del recupero. La portata in alimentazione può variare tra 20 e 250 m 3 /min/m Cella di flottazione La flottazione è un'importante e versatile tecnica ad umido per la separazione di differenti fasi minerali; tuttavia è poco utilizzata nella tecnologia del SW, poiché è un processo complesso e costoso. Nel processo di flottazione la separazione delle particelle avviene per le loro differenti proprietà di superficie. Le particelle idrofobiche sono portate in superficie mediante la risalita di bolle d'aria opportunamente introdotte, mentre le particelle idrofile restano nella torbida, come mostrato. La Fig. 21 mostra una cella di flottazione. Essa consiste in un contenitore riempito di acqua dove viene disperso il materiale da flottare. Nella torbida viene versato il reagente che rapidamente si disperde e condiziona le superfici dei granuli. Attraverso l'asse dell'agitatore viene immessa dell'aria con una portata relativamente modesta e a bassa pressione. La rotazione dell'agitatore disperde le bolle d'aria attraverso la vasca e, nella loro risalita, trascinano il materiale idrofobo verso l'alto. Generalmente nella preparazione dei minerali la specie minerale che interessa recuperare viene fatta flottare, mentre lo sterile viene depresso al fondo della cella; nei processi di bonifica dei terreni mediante la tecnologia del SW si preferisce flottare le particelle cariche di sostanze contaminanti e recuperare la matrice decontaminata non flottato, si parla in questo caso di flottazione inversa. Fig Schema semplificato del processo di flottazione Nel soil washing, il campo di applicazione della flottazione è limitato dalle dimensioni delle particelle: in genere l'intervallo granulometrico va dai 5 ai 500 μm. Infatti, quei grani che superano una certa dimensione non possono essere sollevati dalle bolle d'aria e le particelle di dimensioni del micron, a causa della loro elevata superficie specifica, disturbano la flottazione attraverso un assorbimento incondizionato degli agenti flottanti. Per quanto detto tale processo di separazione deve essere preceduto da una slimatura del materiale ovvero dalla rimozione della frazione granulometrica inferiore a 20 μm. Anche il diametro delle bolle è molto importante, poiché determina la superficie utile per l'adesione dei contaminati idrofobici; tale superficie aumenta con il diminuire delle dimensioni delle bolle. pag. 29

9 Le applicazioni di questo processo per il risanamento di siti contaminati sono molteplici. Molti contaminati inorganici di natura metallica possono essere concentrati mediante flottazione. In aggiunta, i contaminati inorganici idrofobici come ad esempio gli idrocarburi della famiglia del petrolio (HC x ) e gli idrocarburi policiclici aromatici (IPA) vengono rimossi con altrettanta semplicità Separazione solido-liquido I processi di bonifica dei terreni mediante la tecnologia del soil washing operano in ambiente umido, ovvero in presenza di una fase liquida. Generalmente si tratta di acqua di processo che in molti casi risulta addizionata e/o inquinata da varie sostanze in soluzione. Motivi ambientali ed economici impongono l'esigenza di separare, a fine trattamento, la fase solida da quella liquida. Le ragioni ambientali sono dovute alla necessità di riciclare completamente l'acqua o l'acqua più estraente, utilizzata per il lavaggio, e di evitare qualsiasi scarico idrico ed emissione nell'ambiente circostante. Le ragioni economiche sono ovvie: i costi di trasporto e quelli di messa in discarica dei fini contaminati sono funzione del peso del materiale; l'opportunità di un completo recupero dell'acqua di lavaggio offre la possibilità di riciclare i possibili additivi aggiunti che possono nuovamente essere impiegati nel processo. I processi di separazione solido-liquido più impiegati nel soil washing sono la sedimentazione e la filtrazione La sedimentazione I processi per sedimentazione consistono nel rimuovere le particelle solide sospese nel liquido sfruttando la forza di gravità che fa sedimentare, in modo naturale, il materiale verso il fondo delle vasche di sedimentazione. Se le particelle sono molto piccole non solo la velocità di decantazione è molto piccola ma possono entrare in gioco altre forze, oltre a quella della gravità, che possono contrastare efficacemente la sedimentazione, causando movimenti delle particelle in tutte le direzioni. Per favorire la sedimentazione si cerca di aggregare le particelle più piccole in modo da formare degli agglomerati o flocculi di molte particelle che, avendo dimensioni maggiori, affondano più velocemente. I processi che favoriscono l'agglomerarsi di particelle si distinguono in: coagulazione, quando le particelle colloidali aderiscono direttamente tra loro; flocculazione, quando il processo di formazione degli aggregati avviene per effetto di reagenti chimici che agiscono da "ponti" tra le particelle. Nel processo di coagulazione si fa uso di additivi, quali sali inorganici, calce e acido solforico, mentre nel processo di flocculazione si possono utilizzare come reagenti dei polimeri organici a catena lunga come i grassi, la gelatina, la gomma arabica o prodotti sintetici anionici, non ionici o cationici. I processi per sedimentazione hanno alti costi iniziali per la realizzazione dell'impianto, ma bassi costi globali di esercizio. Offre buoni risultati se c'è una forte differenza di densità tra solido e liquido e se le particelle solide non sono troppo piccole. (I processo produce una torbida ispessita con un contenuto in solido variabile tra il 55 e il 65 % in peso. Per questo motivo il materiale trattato, generalmente, viene poi inviato ad un trattamento per filtrazione. Le unità di sedimentazione che vengono maggiormente utilizzate nei processi di soil washing sono gli ispessitori. pag. 30

10 Ispessitori L'ispessimento è il processo che ha per obiettivo la produzione di una torbida a più alta concentrazione in solido rispetto a quella alimentata nell'ispessitore. In commercio esistono due prinicipali tipologie d'ispessitori: le vasche di sedimentazione e gli ispessitori a lamelle. Le vasche di sedimentazione sono strutture circolari con diametri variabili da pochi metri a fino 200 metri e altezze che possono raggiungere 7 metri. L'alimentazione avviene al centro della vasca, poco sotto la superficie liquida. La fase liquida sborda dalla periferia della vasca e viene recuperata, mentre il materiale solido viene raccolto dal fondo della vasca. Dal centro si estendono due o più strutture radiali, dette braccia, con dei raschiatori opportunamente inclinati. Queste strutture, delle quali almeno due si estendono fino alla periferia della vasca, raschiano il fondo e costringono il materiale sedimentato a spostarsi verso il centro della stessa dove sono presenti i dispositivi di recupero della torbida ispessita. Per facilitare questo movimento, il fondo del sedimentatore può essere inclinato verso il centro oppure i raschiatori possono essere sollevati alla periferia della vasca per consentire la formazione sul fondo di un deposito permanente di materiale (Fig. 22). Fig Sezione verticale di un vasca di sedimentazione con raschiatori sollevati La velocità di rotazione delle braccia è bassa e raggiunge alla periferia 6-8 m/s. II consumo energetico è modesto; i costi di esercizio e di manutenzione sono contenuti. Tuttavia le ragguardevoli dimensioni delle strutture rendono elevati i costi di costruzione. Negli ispessitori a lamelle (Fig. 23) all'interno della vasca di decantazione vengono inseriti dei pacchi di lamine inclinate che riducendo lo spazio di sedimentazione aumentano l'efficienza di addensamento della torbida. La torbida alimentata, preventivamente omogeneizzata con un agitatore in una precamera, entra nella vasca con le lamelle dall'alto attraverso un tubo. II materiale solido tende a scivolare verso il basso e a comprimersi verso il basso, favorendo la separazione della fase liquida che tenderà invece a risalire verso la superficie dell'ispessitore, per poi venire scaricata dall'alto. Lo spazio necessario per l'installazione di un ispessitore a lamelle risulta essere il 20% di una normale vasca di sedimentazione. Per favorire la compressione del materiale solido e diminuire il tempo di ritenzione del materiale nella vasca, tutta I'ispessitore con le lamelle può essere fatto vibrare. pag. 31

11 Fig Sezione di un ispessitore a lamelle La filtrazione Nei processi per filtrazione si sfrutta l'energia meccanica per separare la fase liquida da quella solida, forzando il passaggio dell'acqua attraverso degli speciali filtri che trattengono la fase solida. II filtro è costituito da una tela porosa, in materiale sintetico o metallico, opportunamente rinforzata. La percolazione della fase liquida attraverso quella solida è garantita dalla forza di gravità, oppure è favorita dall'applicazione di una differenza di pressione o dall'utilizzo di un campo centrifugo. I processi per filtrazione hanno costi di esercizio maggiori rispetto ai processi per sedimentazione, ma permettono una separazione più spinta, che permette di ottenere una fase solida, con % in solido. Le unità utilizzate per il processo di filtrazione sono le filtropresse e le nastropresse Filtropresse Nelle filtropresse la torbida viene fatta passare su un filtro che trattiene la fase solida e permette il passaggio della fase liquida. Le filtropresse (Fig. 24) sono costituite da un insieme di pannelli di ghisa o di legno ricoperti da una tela porosa, in materiale sintetico o metallico, opportunamente rinforzata. La filtropressa viene alimentata dal centro e il materiale, trattenuto tra le tele filtranti poste in pressione, va a formare una torta ("cake"). Le torte vengono rimosse dopo l'estrazione dei pannelli. Pur essendo molto utilizzata, ha un funzionamento discontinuo per la continua rimozione del materiale solido dai pannelli; questo per evitare spessori eccessivi della torta che ridurrebbero l'efficienza del processo. pag. 32

12 Fig.24 - Una filtropressa Nastropresse I filtri continui permettono di trattare il materiale senza interrompere il processo di filtrazione. Nella nastropressa (Fig. 25), per esempio, il materiale, previa omogeneizzazione con polimeri addensanti in un mixer, viene alimentato, sulla parte alta della separatore, su un nastro che scorre in modo continuo. Una volta sul nastro, il materiale viene prima drenato per gravità; successivamente viene pressato attraverso il passaggio del solido tra dei rulli. Le forze di compressione e di taglio permettono al materiale di rilasciare la maggior parte dell'acqua presente. Infine, il materiale filtrato viene rilasciato e allontanato dalla nastropressa. L'acqua di filtraggio viene raccolta in una vasca posta al di sotto della nastropressa e può essere ricircolata nell'impianto. BIBLIOGRAFIA Fig Schema di funzionamento di una nastropressa AA.VV.: Linee guida per la bonifica dei siti contaminati. Università degli Studi di Salerno Provincia Regionale di Salerno, febbraio P. Bevilacqua : Realizzazione di prove pilota per il dimensionamento degli impianti di soil washing: il software T2000. Atti del Seminario di aggiornamento su Tecnologia di bonifica: la corretta esecuzione dei test pilota. CFA, 4/3/2004. G. Gremigni, C Fantozzi, F. Poviani: Soil washing: progettazione, realizzazione e messa a punto dell impianto TESECO S.p.A.. Atti del Seminario di aggiornamento su Tecnologie on-site di bonifica, CFA, 25/11/2004. pag. 33