LCA comparativa di diversi sistemi di trattamento di fanghi da depurazione di reflui civili

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1 AQUASER LCA comparativa di diversi sistemi di trattamento di fanghi da depurazione di reflui civili Dott.ssa Grazia Barberio 1, Ing. Laura Cutaia 1, Ing. Vincenzo Librici 2 1 ENEA, Roma; 2 AQUASER (ACEA SpA), Roma

2 Fanghi di depurazione Info Produzione Europea di fanghi ~10*10 6 t ss (al 2007, rispetto a 8*10 6 t ss nel 1998), di cui il 40% è destinato allo spandimento sui suoli agricoli (EC, 2010); Produzione Italiana: ca 1,2*10 6 t ss OBIETTIVI Valutazione di tecnologie Confronto tra sistemi di trattamento Ottica di adeguamento normativo Problematiche impatto ambientale: ingenti quantità e impatti associati allo smaltimento in discarica con produzione di percolato ed emissioni di CO 2 eq. in atmosfera; costi economici: incidenza fino al 50% del costo totale di gestione dell intero trattamento delle acque; conformità normativa: l evoluzione normativa sia per la gestione dei fanghi sia per la tutela delle acque, pone vincoli stringenti per le soluzioni tradizionali di recupero in agricoltura e lo smaltimento in discarica. Soluzione: recupero e utilizzo come risorsa

3 Recupero/smaltimento Secondo quanto sviluppato dallo studio della Commissione Europea, in Italia la produzione dei fanghi di depurazione tra il 2010 e il 2020 rimarrà invariata per quanto riguarda i quantitativi prodotti, mentre cambieranno percentualmente le destinazioni di trattamento, in forza della normativa, con drastica riduzione dello smaltimento in discarica. Anno Fanghi totali Spandimento Incenerimento Discarica( Altri tratt. sost.secca (Mt/anno) al suolo (%) (%) %) (%) , , Tabella 1: Stime dei quantitativi di fango da trattamento di reflui civili prodotti negli anni 2010 e 2020 in Italia e scenari di trattamento (EC, 2010)

4 Life Cycle Assessement «Il Life Cycle Assessment èuno strumento che permette di valutare gli impatti ambientali associati al ciclo di vita di un prodotto, processo o attività, attraverso l identificazione e la quantificazione dei consumi di materia, energia ed emissioni nell ambiente e l identificazione delle opportunità per diminuire tali impatti» SETAC - Society of Environmental Toxicology and Chemistry, 1993 Ottica di sistema: -Consente di comprendere e gestire la complessitàdella filiera, a monte e a valle del processo di produzione; -Evita slittamenti dei problemi da uno stadio all altro del ciclo di vita, tra componenti, tra categorie di impatto. -Analizza gli impatti potenzialilungo tutta la vita di un sistema: utilizzo di risorse, salute dell uomo e conseguenze ecologiche a scala regionale e globale.

5 Procedura LCA Framework dell LCA, secondo ISO Definizione obiettivo e campo di applicazione Analisi dell inventario Interpretazione Valutazione dell impatto 1. Definizione dell obiettivo e del campo di applicazione: Descrizione del sistema in virtù di obiettivo e scopo dello studio (identificazione di funzione e unità funzionale, qualità dei dati, metodo di valutazione e confini del sistema) 2. Inventario (LCI): Modellizzazione del sistema prodotto, raccolta dati per quantificare flussi in entrata e in uscita 3. Valutazione d impatto (LCIA): i risultati LCI vengono correlati agli impatti 4. Interpretazione dei risultati

6 LCA. Definizione obiettivo e campo di applicazione Obiettivi e scopo: valutazione ambientale comparativa di cinque sistemi di trattamento di fanghi di depurazione: 1. smaltimento diretto in Discarica (chiamato Sistema D); 2. smaltimento in Discarica previo Trattamento di condizionamento (Sistema Dt); 3. Spandimento diretto in agricoltura (Sistema S); 4. Spandimento in agricoltura, previo Trattamento di condizionamento (Sistema St); 5. recupero mediante Compostaggio con successivo uso come ammendante compostato misto (Sistema C);

7 Aquaser AQUASER è un gruppo industriale, all interno del Gruppo ACEA, concentrato sulle attività connesse alla gestione dei servizi idrici ambientali nelle regioni Lazio, Umbria e Toscana. AQUASER, gestendo circa l 80% del fango prodotto dal Gruppo e il 20% del fango prodotto in Italia, è uno dei principali referenti sulla scena nazionale nella gestione dei fanghi civili.

8 LCA. Definizione dell obiettivo e del campo di applicazione Funzione del sistema: smaltimento/recupero di fanghi di depurazione secondo normativa vigente. Unità funzionale(fu): 1 t fanghi di depurazione Metodo di valutazione: IMPACT Software: SimaPro 7.3.2

9 Ciclo di vita dei sistemi D e S Soluzione tecnologica : SPANDIMENTO Soluzione tecnologica : DISCARICA Fanghi di depurazione Gasolio, En.El. T Discarica Emissioni Legenda T= Truck (trasporto e/o movimentazione) = processi, = flussi Depuratore (percolato)

10 Ciclo di vita dei sistemi St Soluzione tecnologica : PRE-CONDIZIONAMENTO + SPANDIMENTO Fanghi di depurazione Gasolio Energia elettrica H 2 O Additivi (H 2 SO 4, calce) T T Mescolamento con additivi Reazione T Depuratore (percolato) Discarica (scarti di processo) Emissioni T Distribuzione/ Spandimento Fango condizionato Evitato: Produzione fertilizzanti Legenda T= Truck (trasporto e/o movimentazione) = processi, = flussi

11 Ciclo di vita dei sistemi Dt Soluzione tecnologica : PRE-CONDIZIONAMENTO + DISCARICA Fanghi di depurazione T Gasolio Energia el. Mescolamento con additivi T Depuratore (percolato) H 2 O Additivi (H 2 SO 4, calce) T Reazione T Emissioni Discarica Legenda T= Truck (trasporto e/o movimentazione) = processi, = flussi

12 Ciclo di vita del sistema C Fanghi di depurazione T 1 Pesatura e lavaggio camion Macinazione (per ligneo) T 5 Stoccaggio T 6 Scarti ligneocellulosici FORSU Gasolio En.elettrica H 2 O T 2 T 3 2 Vagliatura (80mm) >80mm <80mm T 12 Deplastificazione Plastiche >10mm T 11 Frazione recuperata 1 Vagliatura (10mm) T 13 <10mm percolato T 9 T 8 Platee (12-14 gg) Biossidazione Biocelle (8-12 gg) T 7 Miscelazione Materie ausiliarie H 2 SO 4 T 4 Maturazione (fino a 90 gg) T 10 Compost Biofiltri percolato T 15 Discarica T 14 Distribuzione e spandimento Compost Emissioni T 16 Depuratore Evitato: Produzione fertilizzanti

13 Allocazione Procedure di attribuzione Fanghi di depurazione FORSU Scarti ligno-cellulosici Quantità ponderali [t/a] t/t(fango) 1,0 3,1 0,5 % 22% 67% 11%

14 LCA fase 2. Analisi di inventario Un inventario è una lista di tutti i flussi materiali in ingresso ed uscita dalle unità di processo di cui è composto il sistema (l energia è descritta in termini di fonte primaria ed è quindi anch essa un flusso materiale). I dati sono primari, ovvero raccolti in sito tramite questionari, di Database specifici o di letteratura. I dati devono essere rapportati sia all unità di processo (flusso di riferimento) che all unità funzionale

15 LCA: Analisi di inventario- Sistema D

16 LCA: Analisi di inventario- Sistema S Tipologia Fango di depurazione Trasporto fango Operazione di spandimento su terreno Processo Spandimento diretto su terreno Autocarro scarrabile da t, diesel Solid manure loading and spreading, by hydraulic loader and spreader/ch Distanza origine-destinazione / consumi Fonte 1 t UF Depuratore-terreni per spandimento: 91,5 km, carico 16 t Dato primario 1 t Dato DB

17 LCA: Analisi di inventario- Processi evitati Ipotesi: dimezzamento della quantitàdi fertilizzanti utilizzati su suoli agricoli grazie allo spandimento del fango stabilizzato. Ipotesi: piano medio di fertirrigazione di N di 170 kg/ha, in P 2 O 5 di 65 kg/ha, in K 2 O di 420 kg/ha, Calcolo della quantità di fertilizzanti utilizzata e quella che si evita di produrre. Tipologia Processo Quantità Fonte Fertilizzante, N «Ammonium nitrate, as N, at regional storehouse/rer U» 3,88 kg Dato stimato, processodb Fertilizzante, P 2 O 5 «Triple superphosphate, as P 2 O 5, at regional storehouse/rer U» 1,48 kg Dato stimato, processodb Fertilizzante, K 2 O «Potassium nitrate, as K 2 O, at regional storehouse/rer U» 9,58 kg Dato stimato, processodb

18 LCA: Analisi di inventario- Sistema Dt Tipologia Trasporto fango Elettricità Processo Autocarro scarrabile da t; diesel mescolatore per i palabili Distanza originedestinazione / consumi Depuratore-stabilimento condizionamento: 178,3 km. Carico di 16,5 t Consumo: kwh/a, ovvero 3 kwh/t fango Provenienza fonte Dato primario AQUASER Dato primario Calce Titolo 80% 75 kg/t fango Dato primario Acido solforico Titolo 50% 120 kg/t fango Dato primario Trasporto fango stabilizzato in discarica Carburante per movimentazione biomassa Discarica Autocarro scarrabile da t, diesel Pala gommata, benna, miscelatore, Macchina trituratrice, deplastificatore, Disposal, municipal solid waste, 22.9% water, to sanitary landfill/ch Stabilimento condizionamento-discarica: 50 km, carico di 16 t Dato primario AQUASER 1,16 litri/t fango Dato di letteratura 1 t Database

19 LCA: Analisi di inventario- Sistema St Tipologia Processo Distanza origine-destinazione / consumi Fonte Trasporto fango Elettricità Autocarro scarrabile EURO 4, da t; diesel mescolatore per i fanghi palabili Depuratore-stabilimento condizionamento: 578,7 km, carico di 25,4 t Consumo: kwh/a, ovvero 3 kwh/t fango Dato primario AQUASER Dato primario AQUASER Calce Titolo 80% 75 kg/t fango Dato primario Acido solforico Titolo 50% 120 kg/t fango Dato primario Trasporto ammendante prodotto Carburante per movimentazione biomassa Spandimento ammendante Autocarro scarrabile EURO 4, da t, diesel Pala gommata, benna, miscelatore, deplastificatore Solid manure loading and spreading, by hydraulic loader and spreader/ch Impianto condizionamentoutente: 50 km Dato primario AQUASER 1,16 litri/t fango Dato di letteratura 1 t Dato DB

20 LCA-Analisi di inventario Sistema C: Flussi in ingresso Fonte dati: AQUASER

21 Tipologia LCA-Analisi di inventario Sistema C: Flussi in uscita Valore Destinazione finale di trattamento/ smaltimento Distanza Commento Prodotto Emissioni gassose Reflui Compost [t] 0,917 utente 50 km Operazione spandimento compost [t] 0,917 utente Superficie di spandimento [ha] 0,0229 utente polveri [g] 43,65 Aria ammoniaca [g] 4,75 Aria TOC [g] 50,89 Aria Percolato [litri] 183 Trasporto esterno 350 km Depuratore da DB Treatment, Trattamento sewage, to percolato 183 wastewater [litri] treatment, class 2/CH U Autocarro scarrabile da t, diesel Solid manure loading and spreading, by hydraulic loader and spreader/ch Autocarro da t, diesel Processo di DB, in litri

22 LCA fase 3. Valutazione degli impatti confronto dei sistemi - ecopunti Risultati della valutazione dei cinque sistemi analizzati. Ecopunti con dettaglio delle categorie di danno, metodo IMPACT Il sistema di compostaggio, sebbene con differenze di orizzonte temporale rispetto alle altre opzioni, offre gli impatti più bassi, eccezion fatta per lo spandimento diretto dei fanghi.

23 LCA -Interpretazione degli impatti: Dettaglio Compostaggio La categoria di danno di consumo di risorse è quella con i maggiori impatti mentre quella dei danni alla qualitàdegli ecosistemi èla meno compromessa. Le fasi maggiormente impattanti risultano essere quelle dei consumi energetici e del trasporto dell erica/materiale biofiltrante e del compost in tutte le categorie di danno. La produzione di acido solforico impatta nella categoria di danno della salute umana così come le operazioni di spandimento al suolo. Nella categoria di qualitàdegli ecosistemi si avverte l impatto della produzione di erica/materiale biofiltrante per l occupazione del territorio. Notevole è il contributo degli impatti evitati associati alla mancata produzione di fertilizzanti sostituiti dal compost, soprattutto per quelli a base azotata.

24 Conclusioni (1) Non esiste la soluzione tecnologica universalmente migliore: occorre che una strategia di gestione dei fanghi consideri aspetti locali e di sostenibilità. Il ricorso allo smaltimento in discarica è destinato a ridursi progressivamente per effetto di norme specifiche sempre più stringenti. Eterogeneità di impatti: orizzonte temporale: gli impatti generati dal sistema di compostaggio sono elevati nel breve termine, mentre gli impatti derivanti dallo smaltimento in discarica e spandimento diretto al suolo, sono relativamente bassi nel breve terminee molto rilevanti sul lungo termine cumulato. Aspetti socio-economici: non sono considerati gli effetti sociali ed economici imputabili alla presenza di una discarica sul territorio. Aspetti sito-specifici: gli impatti ambientali e sociali derivanti dalle discariche sono altamente sito-specifici e maggiori di quelli derivanti unicamente dalla stima degli impatti diretti di trattamento, a breve/lungo termine.

25 Conclusioni (2) Necessità di ridurre gli impatti associati alla produzione di percolato: Trattamento in loco Valutazioni comparative con altre tipologie di opzione di valorizzazione del rifiuto: Digestione anaerobica Incenerimento Ottimizzazione di alcune modalità di trasporto (erica; fango stesso attraverso un compostaggio a km 0) Valutazione dei costi (LIFE CYCLE COSTING) Approfondimento metodologia per valutazione effetti associati al rilascio da utilizzo sul terreno

26 Prevenzione Conclusioni (3) dalla Green Economy Chiusura dei cicli Uso e gestione efficiente delle risorse Ricerca Green jobs, > occupazione Benessere, partecipazione Innovazione Investimenti Valore del fare impresa Competitività e qualità Riduzione costi Riduzione impatti ambientali e sociali implica riduzione del debito economico futuro

27 Grazie per l attenzione per ulteriori informazioni: grazia.barberio@enea.it

28 Assunzioni (1) Assunzioni comuni a tutti i sistemi: stessa composizione chimico-fisica dei fanghi di depurazione che vengono quindi inviati a recupero/smaltimento secondo le differenti opzioni analizzate. Assunzione comuni ai sistemi S, St, C in cui vi è spandimento di fango (precondizionato e non) e/o di compost: non sono stati considerati négli effetti negativi né i benefici apportati dal rilascio totale e immediato al suolo degli elementi in essi contenuti. Unica analisi di effetto positivo considerato la riduzione di fertilizzanti conseguente allo spandimento di fango (tal quale e/o stabilizzato) e di compost al suolo. È stato scelto il kiwi come coltura media che cresce nella zona dove avviene lo spandimento (altre colture potenziali sono: cavolo rapa, pomodori, broccoli, anguria) ed èstato valutato un dimezzamentodell utilizzo dei nutrienti utilizzati al posto del compost prodotto a partire dai fanghi di depurazione da reflui civili. Dettagli relativi all apporto di nutrienti e al piano di fertilizzazione del kiwi sono stati rinvenuti in letteratura ed è stato estratto un piano medio di fertirrigazione di N di 170 kg/ha, in P 2 O 5 di 65 kg/ha, in K 2 O di 420 kg/ha.

29 Assunzioni (2) Sistema D: occupazione del suolo di 1 m 2 ricavata da stime della superficie che potrebbe occupare 1t di fango (densitàdel fango sia pari a 1 t/m 3 ). Sistema Dt e St: i dati della calcitazione sono primari (azienda che opera nel settore, i consumi di carburante invece sono di letteratura). Si assume che per ogni tonnellata di fango in input si abbia 1t di fango stabilizzato. Non sono state incluse le quantità di reflui prodotti e il loro eventuale trasporto. Sistema C: Difficoltà nel definire in termini quantitativi gli effetti, sia positivi che negativi, dell utilizzo del compost senza ricorrere a dati sito specifici, anche per la difficoltà di identificare l equivalente merceologico che viene sostituito dal compost. Per completezza dello studio, sono stati modellati gli effetti positivi derivanti dalla riduzione dell utilizzo di fertilizzanti (come già indicato) Il percolato non è stato attribuito alle singole fasi del processo, ma è valutato complessivamente e allocato proporzionalmente ai fanghi. Rifiuti (scarto di produzione da inviare in discarica): allocati sul criterio della massa alla quantità di fanghi presenti nella composizione media della miscela per produrre compost. Le emissioni sono state valutate complessivamente avvalendosi di dati forniti dai gestori dell impianto di compostaggio (allocate alla quantità di fanghi).

30 Qualitàdei dati Dati primari: consumi di materie ausiliarie, energia, acqua associati ai processi di condizionamento dei fanghi e compostaggio; tipologia dei mezzi di trasporto e alle distanze percorse. Dati di letteratura e database (secondari): processi di produzione di materie ausiliarie impiegate nei trattamenti (es. calce, acido solforico, ); produzione e l uso dei mezzi di trasporto; spandimento su terreno, smaltimento in discarica e depurazione del percolato; produzione di energia elettrica mix Italiano, come da DB Ecoinvent (vedi Tabella, anno 2007). Tipo di produzione kwh Electricity, hard coal, at power plant/it U 0,14333 Electricity, oil, at power plant/it U 0,15237 Electricity, natural gas, at power plant/it U 0,43313 Electricity, industrial gas, at power plant/it U 0, Electricity, hydropower, at power plant/it U 0,15314 Electricity, hydropower, at pumped storage power plant/it U 0,03522 Electricity, production mix photovoltaic, at plant/it U 1,38E-05 Electricity, at wind power plant/rer U 0, Electricity, at cogen ORC 1400kWth, wood, allocation exergy/ch U 0, Electricity, at cogen with biogas engine, allocation exergy/ch U 0,004152

31 LCA fase 3. Valutazione degli impatti confronto dei sistemi - caratterizzazione Risultati della caratterizzazione dei sistemi di spandimento diretto, conferimento in discarica, con e senza pre-trattamento e compostaggio. Metodo IMPACT 2002+

32 LCA fase 3. Valutazione degli impatti confronto dei sistemi - normalizzazione Risultati della normalizzazione, per categorie di impatto, dei cinque sistemi analizzati. Metodo IMPACT 2002+

33 LCA fase 3. Valutazione degli impatti confronto dei sistemi - normalizzazione Risultati della normalizzazione, per categorie di danno, dei cinque sistemi analizzati. Metodo IMPACT

34 LCA fase 3. Valutazione degli impatti. Focus sul Sistema Dt Risultati della valutazione del sistema di smaltimento in Discarica previo trattamento (D t ), in ecopunti e rispetto alle categorie di danno, metodo IMPACT Si nota che i principali impatti sono da attribuire alla gestione discarica, sia in esercizio che in post-chiusura e alla produzione di acido solforico e calce utilizzatiper il trattamento chimico. Di minore rilevanza i consumi energetici e l impatto dovuto al trasporto verso l impianto di trattamento.

35 Focus sul Sistema Dt Diagramma di flusso del sistema di smaltimento in Discarica previo trattamento (D t ), con contributo % dei vari processi rispetto all ecopunto complessivo (metodo IMPACT 2002+).

36 Valutazione degli impatti (LCIA) dettaglio del sistema C Risultati della valutazione del sistema di Compostaggio. Ecopunti, per le diverse categorie di danno, metodo IMPACT

37 Valutazione degli impatti (LCIA) dettaglio del sistema C Risultati della caratterizzazione del sistema di Compostaggio, metodo IMPACT

38 Valutazione degli impatti (LCIA) dettaglio del sistema C Risultati della valutazione del sistema di Compostaggio. Normalizzazione, per le diverse categorie di impatto, metodo IMPACT

39 Valutazione degli impatti (LCIA) dettaglio del sistema C Risultati della valutazione del sistema di Compostaggio. Normalizzazione, per le diverse categorie di danno, metodo IMPACT

40 Dettaglio sistema C Diagramma di flusso del sistema di Compostaggio (C) con contributo % dei vari processi rispetto all ecopunto complessivo (metodo IMPACT 2002+).