Emissioni di Polveri Fini e Ultrafini da impianti di combustione - Estensione dello studio

Transcript

1 Laboratorio Energia e Ambiente Piacenza Consorzio partecipato dal Politecnico di Milano Emissioni di Polveri Fini e Ultrafini da impianti di combustione - Estensione dello studio Sommario proff. Stefano Cernuschi e Michele Giugliano DIIAR del Politecnico di Milano ing. Senem Ozgen DIIAR del Politecnico di Milano ing. Giovanna Ripamonti Laboratorio Energia e Ambiente Piacenza prof. Stefano Consonni Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano Piacenza 01 Ottobre 2010

2 INDICE 1 PREMESSA ARTICOLAZIONE DELLO STUDIO LO STATO DELLE CONOSCENZE Generalità La presenza in atmosfera e le emissioni Il ruolo delle emissioni da traffico Gli effetti sulla salute LE INDAGINI SPERIMENTALI Le emissioni da processi di combustione in impianti fissi Efficienza di cattura di un depolveratore a tessuto Caratterizzazione chimica del particolato ultrafine emesso da un termovalorizzatore S. Cernuschi, M. Giugliano, S. Ozgen, G. Ripamonti e S. Consonni pag. 2

3 1 PREMESSA Questo documento sintetizza i risultati dello studio commissionato da Federambiente al laboratorio LEAP, un Consorzio promosso e partecipato dal Politecnico di Milano, sul tema delle Emissioni di polveri fini e ultrafini da impianti di combustione. Lo studio si propone di inquadrare e valutare criticamente la fenomenologia, la consistenza e le potenziali implicazioni delle emissioni di particolato fine ed ultrafine da impianti di combustione, per tutto lo spettro dimensionale delle polveri emesse: dal minimo rilevabile di alcuni nano metri (1 nanometro = 1 milionesimo di millimetro) fino al limite di 10 micron (1 micron = 1 millesimo di millimetro), oltre il quale le polveri perdono rilevanza igienico-sanitaria poiché, essendo grossolane e sedimentabili, sono in larga misura bloccate dalle vie aeree superiori. Il particolato ultrafine e le nanoparticelle per le loro microscopiche dimensioni e per il contributo trascurabile alla massa totale dell emissione non possono essere misurate con la strumentazione normalmente impiegata per le polveri fini. Una nanoparticella ha dimensioni simili a quelle di un virus, ed è migliaia di volte più piccola di un capello umano. Per poter rilevarne la presenza è stato necessario ricorrere a strumentazione e tecniche avanzate, messe in campo solo di recente in seguito allo sviluppo delle nanotecnologie. I risultati dello studio si propongono di offrire un contributo all avanzamento delle conoscenze su fenomeni e realtà ancora poco conosciute, sui quali nel nostro Paese si è recentemente speculato senza alcun riferimento a dati scientificamente attendibili. 2 ARTICOLAZIONE DELLO STUDIO Lo studio, che ha coinvolto studiosi di varie discipline del Politecnico di Milano, dell Università di Parma e dell Università di Brescia, ha comportato tre anni di lavoro ed ha affrontato gli aspetti più significativi dell argomento: 1. analisi critica delle conoscenze di letteratura sulla fenomenologia della formazione ed emissione di polveri fini e sul loro potenziale effetto sulla salute umana; S. Cernuschi, M. Giugliano, S. Ozgen, G. Ripamonti e S. Consonni pag. 3

4 2. indagine sperimentale per la valutazione delle emissioni da processi di combustione in impianti fissi (utenze civili per il riscaldamento ed impianti di termovalorizzazione di rifiuti); 3. indagine sperimentale per la valutazione dell efficienza di cattura della componente ultrafine da parte di filtri a tessuto; 4. indagine sperimentale per la caratterizzazione chimica del particolato ultrafine e nanoparticolato emesso dalla termovalorizzazione di rifiuti. 3 LO STATO DELLE CONOSCENZE 3.1 Generalità In sospensione nell atmosfera terrestre si apprezzano quote significative di particelle ultrafini provenienti da processi naturali e da attività umane. Sia le presenze naturali che quelle antropiche si avvalgono di contributi cosiddetti primari, vale a dire particolato emesso come tale dalla sorgente, e secondari, risultanti da processi di formazione in atmosfera che coinvolgono precursori emessi allo stato gassoso. L interesse per le frazioni ultrafini nasce dal fatto che quest ultime, per le loro ridottissime dimensioni, mostrano proprietà molto differenti da quelle della massa totale (costituita pressoché unicamente dalle granulometrie maggiori), soprattutto per il numero e la superficie specifica molto più elevati. E come questo particolare stato della materia si riflette in comportamenti del tutto peculiari sfruttati nel settore delle nanotecnologie, è presumibile che anche gli effetti sulla salute possano essere differenti da quelli ben noti associati alle polveri più grossolane. L epidemiologia del particolato sospeso, e gli attuali riferimenti normativi che ne derivano, sono tutti basati sulla presenza in atmosfera valutata in termini di concentrazione in massa che, viste le robuste relazioni tra livelli di concentrazione ed effetti sulla salute, costituisce indubbiamente un ragionevole indicatore della tossicità. Tuttavia, esiste il legittimo dubbio che la concentrazione in massa non sia il parametro adeguato per rappresentare gli effetti della componente ultrafine, che agirebbe non in proporzione alla massa, che è trascurabile, ma al numero e alla superficie specifica. Di qui l interesse della ricerca per questo argomento, focalizzato non tanto sui processi di combustione quanto sui potenziali rischi associati al tumultuoso sviluppo delle nanotecnologie, che fa presupporre la produzione, la manipolazione e la circolazione nell ambiente di grandi quantità di nanomateriali. S. Cernuschi, M. Giugliano, S. Ozgen, G. Ripamonti e S. Consonni pag. 4

5 3.2 La presenza in atmosfera e le emissioni Le innumerevoli campagne di misura condotte ormai nell atmosfera di varie località del mondo segnalano livelli di presenza di particelle per centimetro cubo di aria in aree remote rurali e marine, attorno a particelle in aree urbane e circa 1 milione di particelle ai bordi delle strade ad elevata densità di traffico. A questi livelli di presenza in atmosfera contribuiscono in varia misura innumerevoli sorgenti naturali (biogeniche da piante e batteri, vulcaniche, incendi boschivi, erosione terrestre) ed antropiche quali sorgenti in ambienti confinati di tipo non industriale (accensione di candele, utilizzo di spray, frittura di carni, fumo passivo), sorgenti industriali (saldature, siderurgia e trattamento in genere di materiali con alte energia e temperature), combustioni mobili (motori diesel, motori a benzina, motori a gas, motori a due tempi), combustioni fisse (produzione di energia elettrica e calore con carbone, olio, gas, rifiuti e biomasse). 3.3 Il ruolo delle emissioni da traffico In accordo con le caratteristiche della sorgente, le emissioni di nanoparticelle e particolato ultrafine da fonti mobili sono fortemente dipendenti dalla tipologia e configurazione del motore, dalle caratteristiche del combustibile utilizzato, dalle modalità di utilizzo del veicolo e dalla presenza e tipologia degli interventi motoristici e dei dispositivi di depurazione dei gas di scarico. Le principali indicazioni sui livelli emissivi attesi, ricavabili dalle informazioni disponibili e dalle numerose indagini e misure sperimentali condotte in particolare sui veicoli diesel, sono così sintetizzabili: nei motori a combustione interna la maggior parte delle polveri ultrafini e nanoparticelle sono costituite da specie volatili condensate, con lo zolfo e gli idrocarburi più pesanti che costituiscono i principali precursori nei processi di formazione dei nuclei di condensazione; in linea con tale caratteristica di ordine generale, i dispositivi di controllo delle emissioni di polveri adottati nei veicoli con motorizzazione diesel (filtri antiparticolato) risultano in grado di ridurre di oltre due ordini di grandezza le particelle ultrafini (Tabella 3.1) mentre non mostrano analoghe prestazioni nei confronti delle nano particelle. La filtrazione cattura infatti con elevatissima efficienza le particelle solide che agirebbero da superfici di condensazione degli S. Cernuschi, M. Giugliano, S. Ozgen, G. Ripamonti e S. Consonni pag. 5

6 elementi volatili più pesanti, contribuendo in tal modo alla formazione per nucleazione di nuove nanoparticelle e ad un loro conseguente incremento; durante la rigenerazione del filtro, si assiste ad un sensibile aumento delle emissioni di nanoparticelle. Il fenomeno è comunque limitato nel tempo, in quanto la rigenerazione avviene mediamente ogni 500 km circa; i motori a benzina ad iniezione diretta (GDI) emettono livelli di nanoparticelle superiori di quasi due ordini di grandezza sia rispetto a quelli tipici dei motori ad iniezione indiretta che di quelli emessi dai motori diesel con filtro antiparticolato (Tabella 3.1). Tabella 3.1: Intervallo delle emissioni di polveri ultrafini e nano particelle da veicoli con motorizzazione benzina e diesel in cicli di prova rappresentativi Tipologia veiocolo Emissioni (numero di particelle per cm 3 ) Diesel convenzionale senza filtro antiparticolato Diesel con filtro antiparticolato Benzina convenzionale catalizzato Benzina ad iniezione diretta Gli effetti sulla salute Le evidenze circa i possibili effetti sulla salute conseguenti od associati all esposizione di particolato ultrafine e nanoparticolato derivano principalmente da studi epidemiologici e tossicologici. I primi si concentrano sull associazione fra concentrazione di particelle in atmosfera (che non corrisponde necessariamente all esposizione personale) ed effetti critici: mortalità, morbilità, effetti acuti, effetti in categorie suscettibili (bambini, anziani), etc. I secondi, per lo più sperimentali, puntano alla comprensione dei meccanismi biologici attraverso i quali l esposizione a particelle può determinare effetti nocivi sull organismo. Per quanto riguarda l aspetto epidemiologico si può sostenere in ultima analisi che l assenza di misure di esposizione su popolazioni sufficientemente vaste e la difficoltà a ricostruire esposizioni personali (includendo le sorgenti indoor) attendibili, fanno concludere che le indicazioni emerse dagli studi esistenti sono in definitiva molto deboli e che le stime di rischio (che includono, senza superarlo, il valore unitario) hanno significatività statistica limitata. In ogni caso, in nessuno dei pochi studi dedicati alle polveri ultrafini si fanno riferimenti specifici all attività di combustione e di recupero di S. Cernuschi, M. Giugliano, S. Ozgen, G. Ripamonti e S. Consonni pag. 6

7 energia dei rifiuti, né se ne segnala il ruolo di particolare pericolosità rispetto alle altre combustioni o fonti di emissione in genere. Circa l aspetto tossicologico esistono ormai evidenze consolidate circa gli effetti prodotti da particelle generate da motori diesel, fumi di saldatura, nerofumo e nanoparticelle di ceneri volatili. Gli studi sperimentali condotti sugli animali e quelli clinico-sperimentali controllati sull uomo suggeriscono che la capacità delle particelle ultrafini di indurre effetti nocivi è maggiore di quella osservata a seguito dell esposizione a particelle di dimensioni maggiori. Occorre anche specificare che nella maggior parte degli studi l effetto delle polveri ultrafini è inscindibilmente legato a quello degli altri coinquinanti generati dal traffico (NO, NO 2, CO e polveri fini). In conclusione per quanto riguarda più specificatamente le sorgenti fisse, dall analisi delle implicazioni tossicologiche degli studi nel settore non emergono indicazioni di rischi particolari dovuti all emissione di particolato ultrafine, attribuibili alle attività di combustione dei rifiuti che recuperano energia, con impianti attrezzati con la migliore tecnologia del settore. 4 LE INDAGINI SPERIMENTALI 4.1 Le emissioni da processi di combustione in impianti fissi Le sperimentazioni hanno rilevato la presenza di particelle ultrafini e nano particolato, in termini di numero e dimensione per centimetro cubo di fumo, alle emissioni delle seguenti tipologie di combustioni fisse: caldaie per riscaldamento domestico a biomassa, a gasolio, a gas naturale; termoutilizzatori di grande taglia, nella fattispecie tre impianti realizzati nell ultimo decennio, con caratteristiche tecnologiche in linea con la migliore tecnologia disponibile. Le misure sono state progettate e realizzate per rilevare non solo il numero di particelle già formate nel processo di combustione ma anche le formazioni secondarie derivanti da sostanze semivolatili presenti nei fumi allo stato di vapore che diventano particelle in seguito al raffreddamento e diluizione dei fumi. Si sono così comprese nella valutazione anche le particelle di nuova formazione, simulando nell apparato di misura, i processi di raffreddamento e diluizione che subiscono i fumi una volta immessi in atmosfera. S. Cernuschi, M. Giugliano, S. Ozgen, G. Ripamonti e S. Consonni pag. 7

8 I risultati in sintesi delle valutazioni sono riportati in Figura 4.1, dove ciascuna tipologia di combustione esplorata è rappresentata da un rettangolo, la cui altezza individua l intervallo delle misure del numero di particelle per centimetro cubo di fumo, in diverse condizioni operative. Il numero totale di particelle è mediamente costituito per il 90-99% da ultrafine e per il 30-70% da nano particolato Concentrazione in numero (cm -3 ) aria ambiente gas naturale gasolio pellets legna (caminetto) termovalorizzatori Figura 4.1: Intervalli del numero di particelle emesse dalle diverse combustioni fisse valutate nella sperimentazione Come su può osservare, le concentrazioni di polveri ultrafini nei fumi emessi da caldaie per riscaldamento civile spaziano da valori simili a quelli riscontrabili per l aria ambiente, per le caldaie a gas naturale, fino a valori di oltre mille volte superiori, per le caldaie a legna e gasolio. L evoluzione del riscaldamento civile verso un più largo impiego di legna, se da una parte viene incontro alle esigenze di un maggior impiego di energia rinnovabile, dall altro pone seri problemi non solo di particolato fine ma anche di ultrafine. Le emissioni dai termovalorizzatori risultano generalmente collocate sugli stessi livelli, quando non addirittura inferiori, di quelli presenti nell aria ambiente dei siti in cui sono localizzati gli impianti. Nella Figura 4.2 si riporta il numero di particelle per centimetro cubo di gas, rilevato sperimentalmente in questa ricerca per caldaie e termovalorizzatori, in confronto con valori tipici emessi dai veicoli con motorizzazione diesel e benzina. S. Cernuschi, M. Giugliano, S. Ozgen, G. Ripamonti e S. Consonni pag. 8

9 Particelle cm -3 (scala logaritmica) Caldaie Motori Diesel Termovalorizzatori Motori benzina Aria ambiente Pellet Gasolio Gas naturale Milano Brescia Bologna Diesel senza DPF Diesel con DPF Benzina MPI Benzina GDI Figura 4.2: Numero di particelle per centimetro cubo di gas, rilevato sperimentalmente da caldaie e termovalorizzatori, in confronto con valori tipici emessi dai veicoli con motorizzazione diesel e benzina ( DPF: filtro antiparticolato; MPI: motore a benzina convenzionale; GDI: motore a benzina ad iniezione diretta) 4.2 Efficienza di cattura di un depolveratore a tessuto L indagine è stata condotta sulla linea di filtrazione sperimentale dell impianto di termodistruzione di rifiuti industriali della società EcoLombardia 4 di Filago (BG). Il filtro a maniche utilizzato per le misure è costituito da un apparato sperimentale alla scala pilota, alimentato con un flusso di fumo, derivato dalla linea principale a valle del dosaggio della sorbalite e prima dell ingresso nel filtro dell impianto. L acquisizione dei dati è stata realizzata in condizioni di esercizio nominale dell impianto con prelievi di fumo, sia a monte che a valle del filtro, raffreddati prima della conta delle particelle. L esecuzione delle misure a freddo ha consentito di valutare l efficienza di cattura del filtro non solo sulle particelle primarie già presenti nei fumi ma anche sul potenziale di formazione di particolato secondario, inteso come particolato di nuova formazione in seguito al raffreddamento ed alla diluizione che il fumo può subire in atmosfera. S. Cernuschi, M. Giugliano, S. Ozgen, G. Ripamonti e S. Consonni pag. 9

10 I risultati ottenuti mostrano una rimozione dell ultrafine e del nanoparticolato ( nm) con un efficienza media del 97% e delle submicroniche ( nm) con efficienza compresa nell intervallo 98-99,99% (Figura 4.3). Il filtro a manica si conferma quindi un potente strumento di depolverazione anche per le componenti ultrafini sia già presenti nel flusso gassoso sia derivanti da processi di nucleazione, condensazione e coagulazione per raffreddamento e diluizione del flusso stesso ,14% 97,21% 98,54% 98,85% 99,03% 99,00% 99,98% 100,00% 100,00% 97,33% 96,15% Efficienza di rimozione potenziale (%) ,21% 50 0,01 0,10 1,00 10,00 Diametro (µm) Figura 4.3: Efficienza di rimozione potenziale del filtro a maniche per classi dimensionali 4.3 Caratterizzazione chimica del particolato ultrafine emesso da un termovalorizzatore Le particelle sono state in primo luogo raccolte su opportuni supporti collocati nei diversi piatti di un impattore a più stadi che le separa classi di dimensioni. Sono stati utilizzati supporti in policarbonato per le analisi degli ioni e degli elementi, supporti in alluminio per l analisi del carbonio e la gravimetria. Per l'analisi degli anioni (cloruro, solfato, nitrato) si è utilizzata la cromatografia ionica ad alta prestazione (HPLC). L analisi degli elementi (Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Sb, Hg, Tl, Pb, Na, Mg) si è basata sulla spettroscopia di massa a plasma accoppiato induttivamente. Il carbonio totale è stato determinato tramite la tecnica EGA (Evolved Gas Analysis). I S. Cernuschi, M. Giugliano, S. Ozgen, G. Ripamonti e S. Consonni pag. 10

11 prelievi sono stati condotti alle emissioni dell impianto di termovalorizzazione Silla 2 di Milano. Nella Figura 4.4 si riporta la composizione della componente nanoparticolata ed ultrafine ottenuta nell indagine. Ogni spicchio della torta rappresenta il contributo percentuale del componente identificato, calcolato come media dei risultati ottenuti tramite i singoli prelievi eseguiti. La composizione riflette le caratteristiche del combustibile e le vicende del processo di combustione con una significativa presenza di cloruri e metalli, fra cui, in particolare, zinco, ferro e cromo, in linea con i contenuti relativamente significativi tipici del rifiuto alimentato. NP = 1.2 µg m -3 TERMOVALORIZZATORE Composizione della componente nanoparticolata Pb 0.3% Ti, V, Mn, Co 0.1% ND 20.3% Cl- 19.3% Zn 7.3% Ni 1.2% Fe 5.8% Cr 2.0% TC 23.3% NH4+ 8.2% NO3-12.1% ND :non determinato Cl- NO3- NH4+ TC Cr Fe Ni Zn Pb Ti, V, Mn, Co ND UFP = 3.0 µg m -3 Pb 0.1% Al, Ti, V, Mn, Co, Cu, Cd 0.7% Zn 5.5% Ni 1.9% Fe 10.3% TERMOVALORIZZATORE Composizione della componente ultrafine ND 18.8% Cr 3.1% TC 16.4% Cl- 25.6% NH4+ 7.9% NO3-9.8% ND :non determinato Cl- NO3- NH4+ TC Cr Fe Ni Zn Pb Al, Ti, V, Mn, Co, Cu, Cd ND S. Cernuschi, M. Giugliano, S. Ozgen, G. Ripamonti e S. Consonni pag. 11

12 Figura 4.4: Composizione media della componente nanoparticolata ed ultrafine emessa dall impianto Silla 2 Dal confronto con la composizione del particolato, campionato in questo caso dall aria ambiente di Milano (fondo urbano) (Figura 4.5), il complesso delle particelle ultrafini (> 100 nm ) emesse dal termovalorizzatore risulta più ricco nella componente metallica, in particolare ferro, zinco, cromo e nichel e nella presenza di cloro, mostra un minor contenuto di componente carboniosa e ammonio, una sostanziale assenza di solfati ed un contenuto piuttosto analogo di nitrati, rispetto all ultrafine dell aria ambiente. NP = 0.7 µg m -3 ARIA AMBIENTE Composizione della componente nanoparticolata ND 35.8% NO3-9.9% SO % NH4+ 4.6% Pb 1.1% TC 45.0% NO3- SO4-- NH4+ TC Pb ND ND : non determinato UFP = 9.1 µg m -3 ARIA AMBIENTE Composizione della componente ultrafine ND 42.1% Cl- 0.7% NO3-11.7% SO % NH4+ 4.6% Zn 0.2% Cu 0.2% Pb 0.1% TC 37.4% Cl- NO3- SO4-- NH4+ TC Cu Zn Pb ND ND : non determinato Figura 4.5: Composizione media della componente nanoparticolata ed ultrafine in aria ambiente S. Cernuschi, M. Giugliano, S. Ozgen, G. Ripamonti e S. Consonni pag. 12