II SISTEMI DI TRATTAMENTO BIOLOGICO: BILANCI DI MASSA ED ENERGIA E ANALISI DI IMPATTO

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1 II-96 - SISTEMI DI TRATTAMENTO BIOLOGICO: BILANCI DI MASSA ED ENERGIA E ANALISI DI IMPATTO Giuseppe Genon (1) Professore associato in Ingegneria Sanitaria Ambientale presso il Dipartimento di Georisorse e Territorio del Politecnico di Torino, docente di Ingegneria Sanitaria Ambientale II, Dinamica degli Inquinanti, Processi Biologici Industriali. Mariachiara Zanetti Ricercatrice in Ingegneria Sanitaria Ambientale presso il Dipartimento di Georisorse e Territorio del Politecnico di Torino, docente di Fondamenti di Ingegneria Sanitaria Ambientale. Indirizzo (1) : Dipartimento di Georisorse e Territorio, Politecnico di Torino, C.so Duca degli Abruzzi 24 Torino 1129 Italia Tel. ( ) Fax ( ) . genon@polito.it RIASSUNTO La compatibilità ambientale di sistemi di trattamento biologico di acque, fanghi e residui (come peraltro di analoghi sistemi di tipo fisico o chimico) è un aspetto fondamentale che deve essere valutato sia in una definizione preliminare di programmazione, sia in una analisi comparativa di scelte di alternative tecnologiche. Ai fini di accertare tale compatibilità, punto di partenza è l accertamento dei parametri di impatto (flussi secondari emessi, bilancio energetico, influenza sull ambiente di scala locale o globale); tale accertamento nel presente lavoro è svolto, per alcuni casi significativi, sulla base di bilanci di materia e di energia, e porta alla individuazione di indicazioni, da utilizzarsi sia nel loro specifico contesto, sia con riferimento a casi di tipo più generale. PAROLE CHIAVE: Depurazione, Impatto, Compatibilità, Impatto, Bilanci. INTRODUZIONE All inizio del nuovo millennio, i processi e le soluzioni impiantistiche relative al trattamento delle acque di scarico, dei fanghi e dei rifiuti solidi urbani saranno valutati dal punto di vista della sostenibilità ambientale piuttosto che con riferimento alle prestazioni del processo di purificazione. Infatti occorrerà tenere conto dei connessi aspetti ambientali anche considerando le ripercussioni delle emissioni dell impianto sugli ottenuti obiettivi di qualità. Le tematiche di interesse sono perciò le seguenti: Emissioni di sostanze tossiche, pericolose o nocive; Bilancio dell anidride carbonica prodotta e di altri gas serra (ad esempio il metano); Consumo e /o produzione di energia; Impiego di sostanze chimiche e destinazione finale; Produzione e smaltimento di fanghi e residui; Occupazione di spazi e necessità di trasporti; Rischi derivanti da specifiche attività. Questi aspetti sono stati presi in considerazione per alcuni impianti, in particolare un impianto per il trattamento delle acque reflue urbane, un impianto per la digestione anaerobica di frazioni selezionate ed una discarica per lo smaltimento finale dei rifiuti. In base ad una analisi relativa alla compatibilità ambientale delle diverse soluzioni è stato possibile definire alcuni criteri generali di scelta. IMPIANTO DI TRATTAMENTO DI ACQUE REFLUE L impianto esaminato opera nell area della città di Torino (Italia) e adotta trattamenti di tipo fisico e biologico prima dello scarico in un fiume: i dati principali dell impianto sono riportati in Tabella I. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 Bilanci di massa e prestazioni Tenendo in considerazione l attività dell impianto, le prestazioni attuali sono le seguenti: Tabella I: Caratteristiche dell Impianto Flusso in ingresso: m 3 /anno Acque reflue civili m 3 /anno Acque reflue industriali pretrattate m 3 /anno Acque di ruscellamento m 3 /anno Carico organico: BOD 8% acque civili 2% acque industriali COD 6% acque civili 4 % acque industriali Ntot 9% acque civili 1% acque industriali Rimozione degli inquinanti L efficienza di rimozione degli inquinanti in relazione a solidi sospesi, BOD, COD, ammoniaca, tensioattivi può essere valutata mediante la Figura 1; le prestazioni dell impianto sono molto elevate per quanto riguarda il carico organico, ma poiché al momento la sezione di denitrificazione non è attiva, la ridotta rimozione dell azoto comporta un elevato carico di nitrati in uscita. L utilizzo dei fanghi attivi comporta l abbattimento del 5% del fosforo in ingresso e alcuni risultati sono ottenuti anche per l azoto totale % Rimozione MBAS SSV TKAS SST EE BOD5 COD Cu tot Cr tot NH4 N Org Ptot Ntot Gen Feb Mar Apr Mag Giu Inquinante Vitto Benzina Hotel Figura 1: Efficienza dell Impianto Produzione di fango L eliminazione del carico organico comporta una notevole produzione di fango; la quantità totale prodotta è di 115. t/anno, in paragone all eliminazione di 4. t/anno di solidi sospesi e di 6. t/anno di COD organico. La qualità del fango consegue dai dati di processo di Tabella II ed è riportata in Tabella III. Tabella II: Bilancio di Massa per la Produzione di Fango Solidi sospesi in ingresso: Solidi volatili Solidi minerali Rimozione solidi volatili nella digestione: Sostanze chimiche per il condizionamento dei fanghi nella filtrazione: Calce Cloruro ferrico Solidi sospesi finali 32. t/anno 23. t/anno 9. t/anno 1.5 t/anno 18.3 t/anno 2.7 t/anno t/anno ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 Tabella III: Caratteristiche del Fango PARAMETRI Sostanza secca 37 % Ceneri 55,5 % (sostanza secca) Potere calorifico 161 kcal/kg di sostanza secca Ctot 19,3 % (sostanza secca) Ntot 2,3 % (sostanza secca) Cr 422 mg/kg (sostanza secca) Ni 63 mg/kg (sostanza secca) Pb 92 mg/kg (sostanza secca) Cu 247 mg/kg (sostanza secca) Zn 1378 mg/kg (sostanza secca) CaO 12,5 % (sostanza umida) Fe 1,26 % (sostanza umida) Emissioni in atmosfera Dall impianto di trattamento si originano tre flussi principali in atmosfera: - emissioni volatili dai trattamenti primari; - emissioni aerosol dal trattamento biologico; - emissioni di anidride carbonica dalla vasca di ossidazione. L emissione di sostanza volatile corrisponde ad un flusso di circa 1. m 3 /h ed è costituita principalmente da azoto ammoniacale (2-3 mg/ Nm 3 ) e solfuro di idrogeno (5 mg/ Nm 3 ). Le emissioni batteriche dalla vasca di ossidazione possono essere praticamente trascurate, tenendo in considerazione il raggio vicino di caduta (pochi metri dal punto di emissione). L ossidazione biologica del refluo comporta, in base al computo stechiometrico della rimozione della sostanza organica, la formazione di 7 t/giorno di anidride carbonica (vedi Figura 2); questo gas in parte è direttamente emesso dalla zona di ossidazione, in parte confluisce nella vasche di sedimentazione secondaria e successivamente è immesso in atmosfera. Le 7 t/giorno di anidride carbonica costituiscono la massima emissione di gas serra dell impianto. 12 Quantità (t/giorno) Formazione CO2 O2 richiesto Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre Figura 2: Richiesta di Ossigeno e Formazione di Anidride Carbonica Produzione di energia e utilizzo energetico ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 L impianto utilizza energia come riportato in Tabella IV; di questo consumo il 39 % deriva dalla digestione anaerobica del biogas ed il rimanente da fonte esterna; la combustione del biogas produce abbastanza energia termica da soddisfare completamente le necessità dell impianto. E anche importante sapere che, prendendo in considerazione il potere calorifico del gas, la relativa portata e l energia realmente trasferita (come calore o elettricità), può essere ottenuto un valore di efficienza globale (in termini di capacità di utilizzazione dell energia del biogas) del 42% (vedi Tabella V). Tabella IV: Utilizzo di Energia ENERGIA TERMICA ELETTRICITA Servizi generali: Deodorizzazione 2.5 Mwh/anno Uffici e manutenzione 3.3 Mwh/anno 1.6 Mwh/anno Trattamento acque Trattamento primario 2.7 Mwh/anno Ossidazione 34.8 Mwh/anno Filtrazione finale 1.9 Mwh/anno Trattamento fanghi Riscaldamento digestore 18.1 Mwh/anno Condizionamento fanghi e filtrazione 5. Mwh/anno 2.8 Mwh/anno Pompaggio fanghi 3.6 Mwh/anno Compressione gas 1.9 Mwh/anno TOTALE 26.4 Mwh/anno 51.6 Mwh/anno Tabella V: Bilancio di Energia dell Impianto ENERGIA TERMICA ELETTRICITA TOTALE Utilizzo di energia 26.4 Mwh/anno 51.6 Mwh/anno 78. Mwh/anno Produzione di energia 26.4 Mwh/anno 2.1 Mwh/anno 46.5 Mwh/anno Energia da biogas 19. Mwh/anno Emissioni di energia da torcia 8.4 Mwh/anno Recupero di energia 54.5 Mwh/anno Efficienza globale 42 % ANALISI CRITICA DEI PARAMETRI OPERATIVI I parametri operativi e i valori del bilancio di massa portano a delle considerazioni in relazione all adeguatezza dell impianto per la conservazione della qualità ambientale dell area circostante: - L efficienza di rimozione degli inquinanti è la migliore che al giorno di oggi può essere ottenuta mediante questa tipologia di impianto; la rimozione dei nutrienti che deriva dalla produzione di fango è sostanziale e permette una notevole riduzione del contenuto di fosforo, con un esigenza residua di rimozione mediante la precipitazione chimica; la rimozione dell azoto al contrario non è sufficiente, e quindi risulta assolutamente necessario uno stadio di denitrificazione (attualmente in progresso). - La produzione di fango, in parallelo alla rimozione di inquinanti, è molto elevata; in essa la concentrazione di metalli sembra essere sostanzialmente bassa, poiché è unicamente connessa ai fenomeni di bioadsorbimento; al contrario la concentrazione di sostanza organica e di nutrienti residua è elevata; perciò occorre un attento esame della destinazione finale dei fanghi e una valutazione del potenziale utilizzo agricolo. - La produzione energetica dell impianto corrisponde alla migliore tecnologia disponibile, e così può essere ottenuta una minima dipendenza da fonti energetiche esterne; la produzione di energia dalla combustione del biogas e l ossidazione biologica sono responsabili di una notevole emissione di anidride carbonica. SISTEMI DI TRATTAMENTO PER LA DIGESTIONE DI FRAZIONI SELEZIONATE Nell ambito del trattamento di frazioni da RSU, un primo sistema tecnologico considerato è quello anaerobico; in base alle indicazioni di letteratura a alle applicazioni di mercato a piena scala si utilizza come base per i calcoli lo schema di Figura 3. Il materiale in ingresso al trattamento è un rifiuto solido urbano ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 convenzionale con un contenuto di acqua pari al 65% e un contenuto di inerti del 24%. La conversione del COD in ingresso (biogassificazione) è del 5%. La combustione del biogas è effettuata mediante un motore a gas con un rendimento energetico pari al 55%. In alternativa è stato considerato un sistema di trattamento aerobico (vedi Figura 4), con la stessa composizione in ingresso di rifiuto e una conversione totale del COD pari al 5%. A questo sistema, per ottenere un paragone corretto con il caso precedente, si è aggiunto un sistema di produzione di energia da fonti tradizionali. Alimentazione (1 kg) Metalli (3.7 kg) Org. (5 kg) SCHEMA DI DIGESTIONE ANAEROBICA Inerti (3.1 kg) Vaglio RDF (58.5 kg) Separazione Acqua (2 kg) Pesanti (1368 kg) Leggeri (73.6 kg) Digestione 697 kg Totale (1833 kg) Acqua(1136 kg) Filtrazione Biogas (94 Nm3) 555 kg Totale (1691 kg) Prodotto finale (35 kg) Stabilizzazione Aerobica Figura 3: Schema di Digestione Anerobica ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 SCHEMA DI COMPOSTAGGIO AEROBICO Organico MSW (97 kg, 56% acqua) Inerti (18 kg) Perdita di vapore (267 kg) Separazione Ferrmentazione Legno (3 kg. 1% acqua) 7 kg di riciclo inoculo 36-1 Nm3 aria 49 kg Stabilizzazione Perdita (133 kg) Perdita (44 kg) Finissaggio Nm3 aria Compost finale (376 kg. 37% acqua) Figura 4: Schema di Compostaggio Aerobico ANALISI DEI RISULTATI ENERGETICI ED AMBIENTALI Per quanto concerne il paragone energetico si è considerato il fattore di richiesta energetico (GER), che deriva da diversi contributi: l energia diretta, direttamente consumata dal processo considerato; l energia di feed-stock, il contenuto energetico del materiale grezzo non combustibile; l energia di trasporto, impiegata per le necessità di trasporto; l energia indiretta, utilizzata per produrre l energia direttamente consumata dai processi e dall alimentazione. Tenendo in considerazione questi aspetti, i risultati energetici dei due sistemi sono riportati in Figura 5 ed è possibile notare che la richiesta di energia del sistema anaerobico è più bassa a causa del recupero energetico. Questo risultato dipende dal mix energetico utilizzato per il paragone. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 MJ/ kg RSU Trattamento anaerobico Trattamento aerobico Figura 5: Richiesta Energetica per il Trattamento di 1 kg di Rifiuto E anche importante paragonare i due sistemi dal punto di vista delle emissioni di anidride carbonica e più in dettaglio della quota di queste emissioni relativa alle fonti rinnovabili (vedi Figura 6). Anche da questo punto di vista la digestione anaerobica sembra essere la soluzione migliore a causa del basso livello di emissioni totalmente rinnovabili. Si deve osservare che il più basso livello di emissioni di anidride carbonica da fonte rinnovabile per la digestione anerobica corrisponde a una più elevata energia di alimentazione ed è così possibile verificare l ottimizzazione del processo per quanto riguarda il ciclo del carbonio. Da un punto di vista energetico il processo anaerobico deve essere preferito al compostaggio aerobico poiché permette un recupero energetico che evita l utilizzo di combustibile fossile; inoltre la produzione energetica è ottenuta mediante l utilizzo del biogas, con un elevato rendimento energetico. Il compostaggio aerobico comporta l utilizzo di energia da combustibile fossile, in tal modo la produzione di anidride carbonica di tipo non rinnovabile è all origine di un più elevato effetto serra. In base a questi dati, questa analisi dimostra che la digestione anaerobica deve essere preferita da un punto di vista ambientale, anche se la realizzazione impiantistica è più complicata. La produzione di materiali di scarto, in base agli schemi di Figura 3 e 4 è sostanzialmente simile nei due casi; infatti la frazione volatile del materiale in ingresso è la stessa ed anche il suo destino. Le diverse caratteristiche del compost aerobico rispetto a quelle del sistema di trattamento anaerobico possono costituire un importante fattore di scelta. SMALTIMENTO IN DISCARICA Le necessità di spazio, la produzione di energia, il drenaggio e lo smaltimento del percolato e il contributo all effetto serra sono le principali problematiche strettamente connesse allo smaltimento dei rifiuti in discarica. Questa prospettiva, anche se l attuale legislazione italiana privilegia altre tipologie di soluzioni, sarà tuttavia ancora presente per diversi anni e deve essere quindi attentamente valutata. Alcune considerazioni specifiche sono state effettuate in relazione alla discarica per rifiuti solidi urbani della città di Torino, il cui diretto utilizzo terminerà indicativamente nell anno 23. Necessità di spazio La discarica è divisa in diverse aree, utilizzate successivamente per lo smaltimento. In Tabella VI è riportato l andamento nel tempo della costruzione e dell utilizzo delle diverse aree e dei volumi di smaltimento. L area totale della discarica è circa pari a 6. m 2 (trascurando le aree per i servizi, la movimentazione degli automezzi etc.). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7

8 Tabella VI: Utilizzo di aree e volumi in discarica INIZIO - FINE VOLUME (m 3 ) SUPERFICIE (m 2 ) Lotto 1A Lotto 2A Lotto 2B Lotto 2C Lotto 1B Lotto 1C Lotto 2A* Totale g/kg RSU Trattamento anaerobico CO2 rinnovabile Trattamento aerobico CO2 non rinnovabile Figura 6: Emissioni di anidride carbonica Produzione energetica Dalla stabilizzazione del rifiuto biodegradabile smaltito in discarica (vedi Figura 7) deriva una notevole produzione di biogas. La qualità del biogas ottenuto, definita in base ad un valore medio di composizione e di età di stabilizzazione è riportata in Tabella VII. Per quanto concerne la quantità si devono effettuare due diverse considerazioni, e cioè la produzione di biogas che deriva da reazioni biochimiche all interno dei rifiuti e l ottimizzazione della raccolta del biogas prodotto ed il corretto utilizzo e destinazione. In Figura 8 è riportata la produzione annua di biogas per la discarica precedentemente citata in base alla quantità di rifiuto smaltita e alle cinetiche di gassificazione: si può notare il picco di produzione corrispondente al termine del periodo di coltivazione e la durata dei fenomeni di produzione residua (molti anni). Relativamente all anno 21, in Tabella VIII sono riportate le diverse destinazioni del biogas prodotto: come è possibile osservare, solo un terzo della produzione è correttamente bruciata ed utilizzata, un terzo (principalmente nella fase iniziale della coltivazione) è ossidata in torcia ed un terzo è dispersa attraverso alla superficie della discarica e contribuisce all inquinamento locale e generale. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 8

9 Tabella VII: Composizione media del biogas della discarica di Torino COMPONENTE UNITA DI MISURA RANGE DI VALORI Metano %vol 5-6 Anidride carbonica %vol 3-4 Ossigeno %vol,9 1,6 Azoto %vol 2 3,5 Idrogeno %vol,1 Acido solfidrico Mg/Nm Tabella VIII: Anno 21 destino del biogas prodotto Produzione di biogas: 95 Nm 3 Raccolto ed utilizzato Nm 3 Bruciato in torcia Nm 3 Disperso dalla superficie Nm 3 tonnellate RSU Rifiuti industriali Fanghi Figura 7: Flusso annuo di Diverse Tipologie di Rifiuto Immesse in Discarica q (Nm3/anno) (anni) Figura 8: Produzione di biogas dalla discarica Effetto serra ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 9

10 Come visto al punto precedente (Tabella VIII) vi è un cospicua emissione residua di biogas; tenendo conto di questo e della emissione di anidride carbonica dalla combustione del biogas captato, si perviene ad un contributo di emissione di gas serra dallo smaltimento di rifiuti in discarica pari a: Formazione di percolato 32 Nm 3 /t CO Nm 3 /t CH 4 Il passaggio di acqua meteorica attraverso l ammasso di rifiuti provoca la formazione di percolato, ad elevato contenuto di sostanze inquinanti; in Tabella IX è riportata una composizione media del percolato, ed in Figura 9 l andamento annuale della produzione. Come risulta evidente da tali informazioni, il carico ambientale che il percolato apporta è notevole: soluzioni di trattamento congiunto con acque reflue urbane, o di trattamento dedicato devono essere attentamente valutate per evitare che da tale carico derivi un notevole effetto di impatto su possibili corpi idrici recettori m (anni) Figura 9: Produzione annua di percolato della discarica di Torino CONCLUSIONI Gli esempi numerici riportati evidenziano l importanza dell interazione con l ambiente che soluzioni di corretto smaltimento di flussi diversi di residui possono presentare. La definizione di tale aspetto appare una necessità sempre più pressante nella definizione e scelta di differenti tecnologie: da un lato la localizzazione territoriale non può prescindere da una verifica di compatibilità, che sull uso di tale fattore di impatto si imposta; d altro lato la verifica dell idoneità di soluzioni impiantistiche, al di là di aspetti di efficienza, economicità, gestibilità, deve essere basato su comparazioni concernenti l impatto ambientale residuo o derivato, che costituisce un sempre più importante parametro di riferimento. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

11 Tabella IX: Media di più analisi eseguite sul percolato della discarica di Torino PARAMETRI UNITA DI MISURA MEDIA ph 8,24 Conducibilità a 2 C MicroS/cm Solidi sedimentabili ml/l,2 Alcalinità mg/l CaCO COD mg/l O BOD mg/l O 2 29 Azoto ammoniacale mg/l Alluminio mg/l 1,21 Arsenico microg/l 19,32 Cadmio microg/l 1,78 Cromo totale microg/l 464,94 Ferro mg/l 6,5 Manganese mg/l,5125 Nichel mg/l,425 Piombo microg/l 57,1 Rame microg/l 34 Zinco mg/l,5188 Cloruri mg/l Solfati mg/l 23,18 Nitrati mg/l 1,7 BIBLIOGRAFIA 1. GENON, G. Ecobalance for a biological municipal wastewater treatment plant. In BIOTECHNOLOGY 2, 2, Berlino. Proceedings, Settembre 2. p335 p AZIENDA PO SANGONE Descrizione delle attività e dei processi DE BAERE Anaerobic digestion of solid waste: state of the art. In ANAEROBIC DIGESTION OF SOLID WASTE II, IWA, Water Science and Technology, Marzo GENON, G., MARINO, M. Composting and anaerobic treatment carbon and energy balances. In ANAEROBIC DIGESTION 21, 21, Autwerpen (B). Proceedings, Settembre 21. p413 p TCHBANOGLOUS, G. Integrated solid waste management. 1993, Mc Graw Hill. 6. CAMINITI, F. Produzione di biogas da una discarica di rifiuti solidi urbani. In TESI POLITECNICO DI TORINO, Dicembre VERSTRAETE, W. How much waste management is needed in the future? In BIOTECHNOLOGY 2, 2, Berlino. Proceedings, Settembre 2. p.384. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 11