Depurazione aria. I biofiltri

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1 I biofiltri Continuiamo la presentazione dello stato dell'arte delle diverse tecnologie di abbattimento di composti organici volatili (VOC) presenti nelle emissioni atmosferiche dei processi industriali.tutte le schede presentate sono state elaborate in ambito UNI durante i lavori della norma tecnica UNI 10996, a cui hanno partecipato i rappresentanti degli impiantisti, degli enti pubblici e degli utilizzatori. A cura della Redazione 22 Metal Cleaning & Finishing Anno XXII - n.87 - Luglio - Agosto - Settembre 2016

2 GENERALITA La biofiltrazione (o depurazione biologica) è una tecnica che utilizza microrganismi (batteri, funghi, muffe, lieviti, ecc.) opportunamente selezionati per operare la degradazione di composti organici volatili (VOC) presenti all interno di un effluente aeriforme. Il processo di degradazione è un processo aerobico esotermico costituito da una serie di reazioni biologiche (ossidazione, riduzione, idrolisi, ecc.) che operano la scomposizione e la metabolizzazione dei VOC da parte della popolazione microbica, in condizioni controllate di temperatura, umidità, ph ed altri parametri. I prodotti metabolici più importanti sono l acqua e l anidride carbonica; in funzione dei VOC di partenza si possono avere sottoprodotti quali composti azotati, composti solforati, ecc. Le reazioni biochimiche indotte dai microrganismi sono principalmente reazioni ossido-riduttive, nelle quali ha luogo un trasferimento di elettroni dalla sostanza che, cedendo idrogeno, si ossida a quella che, fungendo da accettore, si riduce. In seguito a varie sperimentazioni, i composti più facilmente biodegradabili sono risultati essere: alcoli, eteri, aldeidi, chetoni, composti azotati, ammoniaca ed alcuni composti aromatici monociclici; sono anche facilmente controllabili i composti solforati, mentre hanno dimostrato una ridotta degradazione i composti organici fortemente alogenati. Un impianto di biofiltrazione (biofiltro) è un dispositivo in grado di captare, per diffusione ed adsorbimento, le molecole di VOC presenti nell effluente aeriforme da trattare e di sottoporle alla decomposizione biologica mediante la popolazione microbica, che può essere composta da un largo spettro di specie (batteri, funghi, lieviti, muffe, ecc.), anche presenti contemporaneamente nel dispositivo stesso. Si sottolinea infatti che la biodegradazione degli inquinanti difficilmente avviene ad opera di una singola specie di microrganismi; nella maggior parte dei casi essa è opera simultanea di differenti specie diverse tra loro metabolicamente e numericamente, in equilibrio simbiotico. Il numero di specie differenti presenti in un biofiltro dipende dal numero e dalla qualità delle sostanze presenti nell effluente aeriforme ed è ad esse direttamente proporzionale: questo perché la degradazione di una molecola complessa avviene passando attraverso la formazione di sottoprodotti sempre meno complessi, fino a completa riduzione a molecole semplici ed ogni singola specie microbica partecipa alla decomposizione in atto, in funzione della propria specificità biologica. La difficoltà insita nel processo di depurazione biologica è proprio riuscire a raggiungere e mantenere l equilibrio simbiotico di cui sopra. DESCRIZIONE DI UN TIPICO IM- PIANTO DI BIOFILTRAZIONE Dal punto di vista impiantistico, un biofiltro chiuso è costituito essenzialmente da: uno o più corpi filtranti contenenti il materiale di supporto e la popolazione microbica; un sistema di captazione e convogliamento delle emissioni provenienti dalle utenze; un di- Anno XXII - n.87 - Luglio - Agosto - Settembre 2016 Metal Cleaning & Finishing 23

3 spositivo per il condizionamento dell effluente aeriforme ed uno per la rimozione del particolato, entrambi posti a monte dei corpi filtranti; un sistema per la gestione del nutrimento e del percolato; un apparecchiatura di comando e controllo del processo; un camino di scarico in atmosfera; un eventuale dispositivo, posto a valle del corpo filtrante, per il raffreddamento dell effluente aeriforme, la condensazione dell umidità in esso presente ed il riutilizzo di quest ultima come acqua di reintegro. L effluente aeriforme, captato da apposito ventilatore, viene convogliato verso l impianto di depurazione dove subisce una preliminare filtrazione dell eventuale particolato presente ed un successivo condizionamento per il raggiungimento delle condizioni ottimali per lo sviluppo delle reazioni biologiche; l effluente aeriforme attraversa quindi il corpo filtrante, dove subisce l azione metabolica della popolazione microbica, con moto dal basso verso l alto e ne fuoriesce, così trattato, per essere immesso direttamente in atmosfera (attraverso il camino di scarico) oppure, qualora contenesse ancora VOC non sufficientemente biodegradati, per essere inviato ad un successivo impianto di abbattimento (carboni attivi, scrubber, ecc.). Contemporaneamente al processo di abbattimento dei VOC, l impianto provvede anche alle operazioni di drenaggio e trattamento del percolato, di alimentazione del nutrimento per la popolazione microbica, di lavaggio del corpo filtrante. PARAMETRI DI PROCESSO TIPICI PER LA BIOFILTRAZIONE La cinetica globale del processo di rimozione e degradazione biologica degli inquinanti è complessa; il principio su cui si basa il funzionamento di un biofiltro è principalmente legato alla possibilità di creare, per i microrganismi in esso residenti, un ambiente adatto alla loro sopravvivenza e riproduzione. Ciò si attua ottimizzando il controllo di alcuni parametri fondamentali che sono: umidità, temperatura, ph, nutrimento. Di fondamentale importanza per assicurare il mantenimento dell efficienza di abbattimento è anche la scelta del materiale di supporto. Umidità L umidità è un parametro importante in quanto i microrganismi sono in grado di assorbire sostanze alimentari solo dalla fase acquosa. Un insufficiente contenuto di acqua determinerebbe l essiccazione del materiale di supporto e la perdita di attività biologica; al contrario, un eccesso d acqua promuoverebbe lo sviluppo di una condizione di anaerobiosi del corpo filtrante, a causa dell occlusione delle zone vuote della struttura e la formazione di prodotti metabolici volatili maleodoranti. L evaporazione dell acqua assorbita dal materiale di supporto è dovuta sia all attività esotermica dei microrganismi, sia all azione dell effluente aeriforme che attraversa il corpo filtrante. E importante dunque che sia mantenuto sotto controllo il valore di questo parametro e che l impianto sia in grado di operare il reintegro automatico del liquido. Temperatura Particolare importanza ha anche la temperatura che, attraverso l azione sui vari meccanismi metabolici, influenza notevolmente la riproduzione microbica; a seconda del tipo di microrganismi esistono intervalli di temperature ottimali per la loro riproduzione. Generalizzando, i microrganismi possono essere suddivisi in tre tipi, ciascuno dei quali ha il proprio campo ottimale 24 Metal Cleaning & Finishing Anno XXII - n.87 - Luglio - Agosto - Settembre 2016

4 di temperatura: psicrofili (da 15 C a 20 C), mesofili (da 25 C a 40 C), termofili (da 55 C a 65 C); quelli più comunemente utilizzati sono i mesofili. La diminuzione della temperatura al di sotto dei limiti inferiori riportati, porta alla graduale inibizione dell attività biologica della popolazione microbica. ph Il ph è un fattore determinante per le prestazioni funzionali dei microrganismi, in particolare per i fenomeni riproduttivi, ed ogni specie si accresce solo all interno di specifici intervalli di questo parametro. Generalmente il ph di lavoro di un biofiltro è compreso tra 7 e 8, ma la degradazione degli inquinanti può portare a valori di maggiore acidità nella parte inferiore del corpo filtrante, in prossimità dell ingresso dell effluente aeriforme. Per correggere l acidità formatasi e ripristinare la condizione di neutralità, si possono adottare principalmente due tecniche: mediante l aggiunta di acqua, che asporta gli acidi dal materiale di supporto e li trasferisce al percolato; mediante l aggiunta di opportuni tamponi, quali CaCO3 e K2HPO4. Nutrimento Il nutrimento, immesso (quando necessario) nel corpo filtrante assieme all acqua di reintegro, dovrebbe contenere gli elementi fondamentali per la proliferazione della popolazione microbica (carbonio, azoto, fosforo, potassio e zolfo) in quantità che non si discostino di molto dal rapporto ottimale qui riportato: C/N/P/K/ S=100/10/4/1/1. Materiale di supporto Il materiale di supporto, sul quale viene insediata la popolazione microbica, dovrebbe rispondere ai seguenti requisiti minimi: fornire le condizioni ambientali ottimali per la proliferazione della popolazione microbica residente; avere un alta percentuale di sostanza organica; disporre di una elevata superficie; avere una struttura porosa e scabra; avere un odore proprio ridotto. L elevata porosità della struttura è necessaria per fornire un ampia superficie reattiva con una perdita di carico sufficientemente bassa e per garantire una buona immissione di ossigeno. La scabrosità è necessaria per garantire l ancoraggio dei microrganismi alla superficie solida. L alta percentuale di sostanza organica permette di fornire ai microrganismi il necessario apporto di sostanze nutritive anche quando l impianto non è operativo in fase di abbattimento. Tale condizione però ha anche un aspetto negativo in quanto la decomposizione del materiale organico di cui è formato il materiale di supporto, porta ad un progressivo consumo dello stesso (produzione di fanghi) con conseguente perdita della porosità originale ed inevitabile intasamento con aumento delle perdite di carico; conseguenza ultima di tale decadimento è la sostituzione più o meno frequente del materiale di supporto. Per ovviare a questi inconvenienti, alcuni impiantisti realizzano materiali di supporto formati in parte da materiale inerte dotato però di un nucleo idrofilo e ricoperto di materiale organico (tra cui carbone attivo) che svolge la funzione di captazione dei VOC. La presenza di un materiale adsorbente nel corpo filtrante serve anche per migliorare le prestazioni del biofiltro in condizioni di carico inquinante variabile; infatti, i meccanismi di adsorbimento e desorbimento propri del materiale adsorbente permettono di livellare le eventuali fluttuazioni della concentrazione di VOC nella fase acquosa che serve da alimento ai microrganismi, assicurando una sua maggiore costanza. Anno XXII - n.87 - Luglio - Agosto - Settembre 2016 Metal Cleaning & Finishing 25

5 Tabella 1 Scheda biofiltri da DGR Lombardia 1 agosto 2003, n. 7/13943 Scheda BF.02 IMPIANTO A BIOFILTRAZIONE Tipo di abbattitore Biofiltro a tecnologia combinata Impiego Abbattimento odori, COV e CIV Provenienza degli inquinanti Industria chimica, petrolchimica e farmaceutica, industria del legno e della carta, processi di stampa, produzioni vernici, applicazioni vernici su metallo, legno, alluminio, industria delle materie plastiche, produzione estrusione e formatura, industrie di rendering, impianti trattamento acque, industrie alimentarie e casearie, ittiche, macelli e trattamento carni, allevamenti, concerie, trattamento di rifiuti urbani e operazioni e/o fasi che possano generare emissioni di COV o CIV a basso tenore INDICAZIONI IMPIANTISTICHE 1. Temperatura <= 55 C 2. Tipo di biofiltro Chiuso con substrato organico tipo compost o torba alleggerito con materiali inerti inorganici e/o organici (polistirolo) 4. Perdite di carico <= 0,15 kpa/m costanti nel tempo 5. Altezza del letto Compresa tra 0,5 e 2,5 m 6. Carico specifico volumetrico (Portata specifica) <= 400 m 3 /h*m 2 8. Acidità (ph) del letto 4 8,5 9. Percentuale del pieno Compresa tra 30 e 60% 10. Tempo di contatto Non inferiore a 35 s per substrati aventi una superficie specifica fino a 350 m 2 /g; Non inferiore a 23 s per substrati aventi una superficie specifica fino a 850 m 2 /g; Non inferiore a 5 s per substrati aventi una superficie specifica fino a 1350 m 2 /g; 11. Tipo di costruzione Costruzione in container chiusi in acciaio o altro materiale di qualsiasi dimensione, dotati di numerosi bocchelli di ispezione, manutenzione e caricoscarico del materiale di riempimento 12. Concentrazione massima in ingresso 13. Ulteriori apparecchi Sistema di umidificazione, tipo scrubber o equivalente, della corrente gassosa in ingresso obbligatorio; in quest apparecchiatura si dovrà correggere il ph in modo da renderlo compatibile col successivo trattamento biologico. Sistema di adsorbimento e rilascio dell inquinante da trattare per concentrazioni più elevate di quelle previste (facoltativo) 26 Metal Cleaning & Finishing Anno XXII - n.87 - Luglio - Agosto - Settembre 2016

6 14. Manutenzione Controllo degli organi in movimento, controllo e taratura degli strumenti di controllo e regolazione. Controllo con particolare riferimento all efficienza del sistema di abbattimento sussidiario statico a carboni attivi, controllo delle tenute degli assorbitori. Pulizia mensile del sistema di umidificazione a monte dei biofiltri. Controllo e registrazione del ph del sistema di umidificazione e del percolato del biofiltro. Controllo e registrazione delle temperature a monte e a valle del biofiltro quali indicatori di attività biologica depurativa. Sostituzione del materiale filtrante ogni due/cinque anni a seconda delle garanzie offerte dal costruttore e delle performance del sistema 15. Informazioni aggiuntive La presenza di un tubo camino facilmente accessibile, dotato di presa campione, rende il sistema facilmente monitorabile analiticamente. La presenza di una corrente satura d acqua deve tuttavia essere gestita con attenzione, sia con sistemi di misura tipo FID, sia con fiale di carbone attivo, sia con le metodiche olfattometriche Tabella 2 I parametri dei biofiltri secondo le BAT europee Parametri BAT Europee altezza letto 0,5-1,5 m carico specifico Nm 3 /h*m 2 umidità relativa effluente > 95% umidità relativa letto < 60% percentuale del pieno n.p. acidità (ph) del letto n.p. tempo residenza minimo s temperatura C concentrazione massima in ingresso n.p. concentrazione HC mg/m 3 concentrazione toluene mg/m 3 concentrazione stirene mg/m 3 perdite di carico 0,5-2 kpa Anno XXII - n.87 - Luglio - Agosto - Settembre 2016 Metal Cleaning & Finishing 27