Gestione dei rifiuti urbani - nell'ambito territoriale ottimale ATO Toscana Sud - Zero Spreco Arezzo

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Gestione dei rifiuti urbani - nell'ambito territoriale ottimale ATO Toscana Sud - Zero Spreco Arezzo
Giornata di studio
                                      Gestione dei rifiuti urbani
                                  nell’ambito territoriale ottimale ATO Toscana Sud

                            Giovedì 17 Novembre 2016 – ore 10.00-17.00
               Sala Polivalente – Impianto AISA Impianti – Loc. Dei Mori San Zeno (AR)

                   I residui derivanti dalla combustione
                           dei rifiuti non pericolosi

                                                  Lidia Lombardi
                                         Università Niccolò Cusano - Roma

                                                                                         1
Gestione dei rifiuti urbani . AISA Impianti. 17/11/2016
Gestione dei rifiuti urbani - nell'ambito territoriale ottimale ATO Toscana Sud - Zero Spreco Arezzo
Incenerimento di rifiuti in Europa
   62 milioni di tonnellate di rifiuti urbani (RU) avviati ad incenerimento nel 2013 in EU28
                    20

                    15

                                                                                                                                                  6 Mton
           (Mton)

                    10

                     5

                     0
                                                                                                                              Croazia
                                                       Danimarca

                                                                                                  Grecia

                                                                                                                                                                    Lituania

                                                                                                                                                                                             Ungheria
                                                                                                                                                                                                        Malta

                                                                                                                                                                                                                                                               Romania

                                                                                                                                                                                                                                                                                    Slovacchia
                                                                                                                                                                                                                                                                                                 Finlandia
                                                                                                                                                                                                                                                                                                             Svezia
                                             R. Ceca

                                                                   Germania

                                                                                        Irlanda

                                                                                                           Spagna
                                                                                                                    Francia

                                                                                                                                        Italia

                                                                                                                                                         Lettonia

                                                                                                                                                                               Lussemburgo

                                                                                                                                                                                                                              Austria
                         Belgio

                                                                                                                                                                                                                                                  Portogallo

                                                                                                                                                                                                                                                                         Slovenia
                                  Bulgaria

                                                                              Estonia

                                                                                                                                                 Cipro

                                                                                                                                                                                                                Paesi Bassi

                                                                                                                                                                                                                                        Polonia

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      Regno Unito
                                                                   2011                           2012                    2013                                                                                                                                   (ISPRA, 2015)
   I dati evidenziano una situazione molto eterogenea tra gli Stati membri: circa il
   50% del totale sono inceneriti nelle sole Germania e Francia, mentre altri stati (es.
   Grecia e Cipro) non ricorrono affatto a questa opzione di trattamento.
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    2
Gestione dei rifiuti urbani . AISA Impianti. 17/11/2016
Gestione dei rifiuti urbani - nell'ambito territoriale ottimale ATO Toscana Sud - Zero Spreco Arezzo
Incenerimento di rifiuti in Italia
     In Italia la situazione è molto diversificata sia per quanto riguarda il quantitativo
     di rifiuti inceneriti (il Nord rappresenta i 2/3 del totale), sia per la tipologia di
     rifiuti trattati
              7

                                                                           Toscana 2014:
              6
                                                                           274.740 t
              5                                                            a incenerimento
              4
                                                                            20%: 55.000 t
     (Mton)

              3                                                             25%: 68700 t
              2

              1

              0

                     Italia                 Nord          Centro   Sud
       RU: Rifiuti Urbani    RU FS CSS
                                                                   (ISPRA, 2015)
       FS: Frazione secca
       CSS: Combustibile Solido Secondario (include CDR combustibile da Rifiuto)
                                                                                         3
Gestione dei rifiuti urbani . AISA Impianti. 17/11/2016
Gestione dei rifiuti urbani - nell'ambito territoriale ottimale ATO Toscana Sud - Zero Spreco Arezzo
Incenerimento di rifiuti – residui solidi
                                                                       Carboni attivi

                                                                  Reagenti

         Rifiuti
                                                          Fumi
                                  Waste-to-Energy                       FGT

                                              Bottom             Fly   CA               Eccesso
                                              Ash                      esausti          reagenti
                                                                 Ash
                                                                                        Prodotti
                       15-25% in peso                                                   reazione

EC, 2016                                                               APC residues
                                                                                    -     10-12 kg/t wet FGT
                                                                                          (stoichiometric)
                                                                                    -     Calce semi-wet o dry >>
                                                                                    -     Bicarbonato dry <

                                                                             AISA: gen-giu 2016
                                                                             APC   39        kg/t    4%        D9
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                                                                             BA    286       kg/t    29%       D1   4
Gestione dei rifiuti urbani - nell'ambito territoriale ottimale ATO Toscana Sud - Zero Spreco Arezzo
Incenerimento di rifiuti – residui solidi
  Estrazione a umido

   Il sistema di scarico delle scorie e di raffreddamento
    delle stesse ha funzione di rendere le temperature
    delle scorie tali da essere manipolabili.

   Il sistema di spegnimento delle scorie in acqua con
  canale di scarico immerso ha funzione di guardia
  idraulica che permette di mantenere l’intero forno di
  combustione in leggera depressione per evitare
  fuoriuscite di fumi inquinati all’interno dell’area di lavoro.

        In Italia il 100% degli impianti a
        griglia adotta questa tecnologia

                                                                   Estrazione a secco

                                                                   Lo spegnimento delle scorie avviene con
                                                                   raffreddamento ad aria.

                                                                    6 impianti in Giappone

                                                                    in Svizzera sono stati convertiti a secco gli
                                                                     impianti del Cantone di Zurigo

                                                                                                             5
Gestione dei rifiuti urbani . AISA Impianti. 17/11/2016
Gestione dei rifiuti urbani - nell'ambito territoriale ottimale ATO Toscana Sud - Zero Spreco Arezzo
Incenerimento di rifiuti – residui solidi
            Estrazione a umido                            Estrazione a secco
                                                          Combustione prolungata che permette la
            Tecnologia consolidata                        completa ossidazione del materiale
                                                          organico
            Evita rischio derivanti da fiamme             Nessuna reazione chimica irreversibile
            improvvise
            Rimozione di sali e cloruri                   Nessun fenomeno di addensamento
            No diffusione delle polveri                   Miglior separazione della frazione fine
                                                          (elevato contenuto di metalli pesanti)
            Reazioni chimiche irreversibili               Incremento del recupero di metalli ferrosi
            (idrolisi, corrosione)                        (fino a +45%)
            Le ceneri tendono ad agglomerarsi             Incremento del recupero di metalli non
                                                          ferrosi (fino a +50%)
            Difficoltà operative e gestionali dovute al   Diffusione delle polveri
            contenuto di acqua

                                                                                                       6
Gestione dei rifiuti urbani . AISA Impianti. 17/11/2016
Gestione dei rifiuti urbani - nell'ambito territoriale ottimale ATO Toscana Sud - Zero Spreco Arezzo
Produzione di BA in Europa e Italia
  L’incenerimento di RU dà origine a diversi flussi di residui solidi, tra cui le scorie di
  fondo o Bottom Ash (BA), che rappresentano il quantitativo più abbondante, ovvero
  circa il 15-25% in peso dei rifiuti trattati.
  18 Mton di BA da incenerimento rifiuti prodotte in Europa nel 2014 (CEWEP, 2016)
                                   Paese                  Produzione di scorie (Mt/a)
                        AUSTRIA                                      0.23
                        BELGIO                                       0.51
                        REPUBBLICA CECA                     1.2 Mton 0.16
                        DANIMARCA                                    0.63
                        FINLANDIA                                    0.05
                        FRANCIA                                      2.7
                        GERMANIA                                     5.0
                        ITALIA                                       1.3
                        PAESI BASSI                                  1.6
                        SPAGNA                                       0.42
                        SVEZIA                                       0.74
                        SVIZZERA                                     0.64
                                                                    (Report CEWEP, 2010 e 2012)
             600.000 t/a da incenerimento di RU
             450.000 t/a da incenerimento di FS
             250.000 t/a da incenerimento di CSS/CDR
                                                                                                  7
Gestione dei rifiuti urbani . AISA Impianti. 17/11/2016
Gestione dei rifiuti urbani - nell'ambito territoriale ottimale ATO Toscana Sud - Zero Spreco Arezzo
Caratteristiche principali delle BA
 Materiale granulare che contiene una miscela eterogena di materiali inerti quali
 vetro, sabbia, porcellana, metalli, minerali e frazione organica incombusta

 Costituite principalmente da silicoalluminati di calcio, magnesio e ferro, presentano
 una matrice simile a quella delle rocce come i basalti e i graniti ma sono
 caratterizzati da concentrazioni decisamente superiori di metalli
  In particolare (CEWEP, 2016):
      o Frazione minerale: 80-85%
      o Metalli: 10-12% (ferro e metalli non ferrosi)
      o Metalli non ferrosi: 2-5% (2/3 di cui Al)

                                                                                    8
Gestione dei rifiuti urbani . AISA Impianti. 17/11/2016
Gestione dei rifiuti urbani - nell'ambito territoriale ottimale ATO Toscana Sud - Zero Spreco Arezzo
BA: recupero/smaltimento in EU
Mater, Ecomondo, 2016

                                                          9
Gestione dei rifiuti urbani . AISA Impianti. 17/11/2016
Gestione dei rifiuti urbani - nell'ambito territoriale ottimale ATO Toscana Sud - Zero Spreco Arezzo
BA: recupero/smaltimento in IT
                                   Smaltimento            Recupero
      Nord                              105.600              615.200
      Centro                             30.600               68.600
      Sud                                44.900              129.600
      Totale                            181.100              813.400
                                                          (994.500 t) Dati 2013, Fonte: ISPRA

                                                                                                10
Gestione dei rifiuti urbani . AISA Impianti. 17/11/2016
Gestione di BA in Italia
   Negli ultimi anni in linea con altri Paesi Europei negli impianti di
   incenerimento stessi o in impianti dedicati viene effettuato un trattamento di
   recupero di metalli come ferro e alluminio (ad es. valori riportati per impianti
   Danesi 4-10% in peso di Fe e 0.2-0.5% di Al)
   Per quanto concerne la frazione minerale, la strategia di gestione ancora più
   adottata in Italia è il conferimento in discariche per rifiuti non pericolosi.

   L'unica opzione di riutilizzo prevista per BA da incenerimento rifiuti dal D.M
   186/2006 che disciplina il recupero in procedura semplificata è come materiale
   secondario per la produzione di cemento.     Metallo     DM 186/2006. Unità

     Per utilizzo come aggregato in                       Lead         50      μg/l
                                                          Barium       1       mg/l
     costruzione (sottofondi stradali) in                 Zinc         3       mg/l
     base alle autorizzazioni ordinarie,                  Nickel       10      μg/l
     sono utilizzati come riferimento i                   Vanadium     250     μg/l
                                                          Molybdenum   -       mg/l
     limiti relativi alla lisciviazione a pH              Chromium     50      μg/l
     naturale per un valore del L/S = 10 l/kg             Copper       0.05    mg/l
     (test EN 12457-2) stabiliti dal DM                   Antimony     -       mg/l
                                                          Beryllium    10      μg/l
     186/2006.
                                                          Cobalt       250     μg/l
                                                          Arsenic      50      μg/l
                                                          Cadmium      5       μg/l
Gestione dei rifiuti urbani . AISA Impianti. 17/11/2016   Selenium     10      μg/l
Gestione di BA in Italia - Recupero
                                                                 Ageing/carbonatazione accelerata

                                                          75%

                                                          7,8%

                                                          1,3%

                                                          8,7%
                                                                                  CiAl, 2010

                                                                                               12
Gestione dei rifiuti urbani . AISA Impianti. 17/11/2016
Gestione di BA in Italia
   Benefici ambientali del recupero

                       29,6 kg CO2 eq./tRU                0,67 kg CO2 eq./tRU

                                                                                13
Gestione dei rifiuti urbani . AISA Impianti. 17/11/2016
BA per upgrading del biogas
 Innovative process:
                                                                                        Alkaline
                                                                 Biogas/              bottom ash
      CO2 removal from biogas based on chemical
      adsorption on BA: from the direct CO2-rich             landfill gas             from MSWI
      biogas/solid BA contact the calcium carbonate in the
      bottom ash is formed
      Separation and capture of CO2 (no release to
      atmosphere)
      Accelerated carbonation of BA from MSWI
                                                                            BA carbonation

   Carbonation technique of CO2 sequestration process:
   one stage process, BA solid phase, fixed bed,                Gas with high       Stabilized pH-
   atmospheric pressure                                         CH4 content,           neutral
                                                                 without H2S         bottom ash

                                                                                             14
Gestione dei rifiuti urbani . AISA Impianti. 17/11/2016
BA per upgrading del biogas

 BA requirement is proportional to the entering biogas flow rate
 Assumed specific flow rate 4 Nm3/(h·tBA). BA duration 6 hours.
 BA ≈ 20% w/w of entering waste to incineration, the production
 from 2-3 plants in the typical size range of Italian ones (Waste:
 70.000-140.000 t/year  BA: 14.000-28.000 t/year)

Biogas Nm3/h 50                 100 150 200               250     300     350     400     450     500    1.000
  BA      t/day        60       120 180 244               304     364     424     484     544     608    1212
                                                                                                         15
  BA dei
Gestione t/year      19.800
            rifiuti urbani     39.600
                           . AISA      59.400
                                  Impianti.      80.520 100.320 120.120 139.920 159.720 179.520 200.640 399.960
                                            17/11/2016
BA per upgrading del biogas
                                                                         COMPRESSOR
                                                     BIOMETHANE
     CARBONATED BOTTOM ASH
                                                                    GAS DRYER

                                                                       REACTOR 2        BIOMETHANE STORAGE TANK

                     REACTOR 1                                                      BOTTOM ASH

                COMPRESSOR                                        NITROGEN

                                                                                           BOTTOM ASH STORAGE AREA
                                                          LIQUID NITROGEN STORAGE
                                                                    TANK

                                                                                        BIOGAS
                                                                      COMPRESSOR

                           RAW BIOGAS STORAGE TANK

                                                                                                                     16
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Residui APC
      Rifiuti pericolosi in tutte le legislazioni

      Discariche per rifiuti pericolosi / Miniere di sale (Germania)

      Potenziale rilascio di contaminanti nell’ambiente 
       leaching (in discarica o nella destinazione finale):

      - Sali facilmente solubilizzabili: Cl e Na. Alterazione ecosistemi/risorse
        idriche

      - Metalli pesanti: Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, e Zn. Potenzialmente presenti in
        concentrazioni tossiche per l’uomo e l’ecosistema

      - Diossine: anche se non sono facilmente lisciviabili.

                                                                                17
Gestione dei rifiuti urbani . AISA Impianti. 17/11/2016
Residui APC
                                                               2013

           Nord
           Centro
           Sud
           Totale
           103 t

    ISPRA- Federambiente, 2014

                                                                      18
Gestione dei rifiuti urbani . AISA Impianti. 17/11/2016
Residui APC
      Per minimizzare gli impatti sull’ambiente è necessario minimizzare il
      potenziale rilascio: legati nella matrice residua o rimossi.

      - riduzione della cessione
      - distruzione nel caso delle diossine

      •     Estrazione e separazione:Processes involving extraction and removal of specific components in
            the residues.
      •     Stabilizzazione chimica:                      Processes involving binding and immobilization of contaminants by
            chemical reactions
      •     Solidificazione:               Processes involving physical binding and encapsulation of residues, and in some cases
            also chemical stabilization.
      •     Trattamento termico:                     Processes involving heating of the residues, and changes of the physical and
            chemical characteristics.

      •     Utilizzazione come aggregato
      •     Recupero di materiali
      •     Discarica

                                                                                                                             19
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Residui APC
    Processo di recupero Solval

                                                               20
Gestione dei rifiuti urbani . AISA Impianti. 17/11/2016
AwR - Layout

  Based on the results of lab-
  scale regeneration
  experiments
                                                                             LIQUID/SOLID SEPARATION (FILTRATION)

                                                      Baciocchi et al. (2012), Chemical Engineering Journal 179; 63– 71

                                                                                                                          21
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AwR - Pilot plants
               SOL-IN=60 l/h
              NaOH < 13-14%
                                                                        Vacuum filtration
                                                                        pump

                                                                      Washing and
                                                                      regeneration reactor
                                                                      (V= 42 l)

                                                                        Liquid collection tank
                                                                        (V= 50 l)

                       GAS-IN=20                   Filtering system
                        Nm3/h                      (φ =14 µm)

                                                                                       22
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Residui APC
      Processi di stabilizzazione e solidificazione (Inertizzazione)

     Hanno lo scopo di ridurre sensibilmente il rilascio delle sostanze inquinanti presenti nel
     residuo solido migliorandone anche le caratteristiche fisiche e la manipolabilità
     Sono suddivisi principalmente in processi a base di reagenti inorganici (cemento,
     calce, argilla), a base di reagenti organici (sostanze termoplastiche, polimeri organici,
     composti macroincapsulanti) e processi di vetrificazione.

                                                                                                  23
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Residui APC
  Processi a base di cemento: sfruttano il normale fenomeno di presa e indurimento del
  legante idraulico per intrappolare il rifiuto nella matrice cementizia.

  Vantaggi:
   Compatibilità nei confronti dei materiali umidi
   Mantenimento delle capacità leganti anche in presenza di quantità elevate di aggregati
  minerali
   Reazione alcalina in seguito al contatto con acqua con conseguente immediata riduzione
  della solubilità di molte specie chimiche inorganiche e rallentamento della velocità di reazione
  delle specie organiche
   Formazione di Sali insolubili con molti cationi e anioni potenzialmente tossici grazie alla
  disponibilità di Ca, Al, Si nei leganti cementizi
   Continua evoluzione nel tempo della struttura interna con potenziale incremento delle
  capacità di immobilizzo
   Controllo delle proprietà meccaniche
   Possibilità di applicazioni pratiche in alcuni casi
   Basso costo e ampia disponibilità di materie prime

                                                                                              24
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Residui APC
  I trattamenti a base di cemento consistono nel miscelare i residui con cemento, acqua e altri
  additivi sfruttando le complesse reazioni che avvengono tra i vari componenti dell’impasto. I
  meccanismi di fissazione dei metalli sono sia di tipo chimico che fisico e si possono
  classificare in:
   Precipitazione – precipitazione chimica sotto forma di specie a bassa solubilità. I metalli
  sono principalmente precipitati come idrossidi, silicati o solfuri e meno frequentemente come
  carbonati, fosfati o vari complessi. I prodotti che si ottengono sono per lo più complessi
  inorganici poco solubili.
   Adsorbimento – sfrutta il fenomeno dell’incremento della superficie specifica prodotto
  dall’idratazione dei leganti cementizi. Questo permette la fissazione di certe molecole
  organiche e rende possibile il verificarsi di reazioni di adsobimento che portano alla
  formazione di composti a bassa solubilità
   Scambio ionico – coinvolge tutti i meccanismi di fissazione dei metalli. Nella maggior parte
  dei casi è un processo reversibile e il metallo può essere di nuovo liberato. Un meccanismo di
  questo tipo è quello che lega i metalli pesanti alla matrice silicea della struttura cementizia
   Incapsulamento – meccanismo di tipo fisico perché non modifica la struttura chimica del
  rifiuto realizzando ugualmente una forma meno mobile. Il grado di protezione ambientale
  dipende dalla matrice e dalla sua capacità di isolare il rifiuto, funzione soprattutto della
  permeabilità della matrice stessa

                                                                                             25
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Residui APC
Processi a base di reagenti organici:

 A base di sostanze termoplastiche. Sostanze capaci di indurire o rammollire reversibilmente
 con la variazione della temperatura. I materiali più utilizzati sono asfalto e bitume. Il trattamento
 avviene mescolando ad alta temperatura (130-230°C) le scorie preventivamente essiccate con
 gli additivi termoplastici. La miscela viene poi lasciata raffreddare . Questa tecnica è molto
 resistente all’attacco da parte di soluzioni acquose liscivianti e alla degradazione microbica.
 Svantaggi:
 -Non applicabile in presenza di sostanze chimiche organiche, che fungono da solventi nei
 confronti dei leganti, e di forti ossidanti, che reagiscono con la matrice organica causando
 deterioramenti e possibili reazioni di combustione o esplosione in presenza di solfuri o
 idrocarburi solidi alle elevate temperature
 -Compatibilità solo con contaminanti che non volatilizzano a basse temperature
 -Necessità di essiccare le scorie

                                                                                                 26
Gestione dei rifiuti urbani . AISA Impianti. 17/11/2016
Residui APC
     A base di polimeri organici. Questi processi consistono nel miscelare alle scorie un
     monomero (urea formaldeide, poliestere, resine fenoliche…) che, in presenza di un
     catalizzatore, polimerizza incapsulando nella struttura le sostanze contenute. Si ottiene un
     prodotto non infiammabile, necessita di una piccola quantità di additivi riducendo il volume
     del materiale prodotto rispetto ai trattamenti a base di cemento. Può essere applicato per un
     vasto range di PH.

     Svantaggi:
     -Viscosità del materiale che rende difficile la miscelazione
     -Generazione di fumi potenzialmente tossici
     -Facilmente biodegradabile se esposto all’ambiente
     -Possibile formazione di percolato qualora non tutta l’acqua venga intrappolata

     A base di composti macroincapsulanti. Formazione di un prodotto finale costituito da una
     struttura composita di resine organiche. Le particelle inquinanti vengono agglomerate da
     resine termoindurenti e incapsulate in resine termoplastiche. Vengono usate ad esempio
     resine polibutadieniche fuse che formano con il rifiuto una miscela che dopo raffreddamento
     viene ricoperta con polietilene ad alta densità fuso in modo da creare un involucro esterno di
     notevole resistenza.

                                                                                               27
Gestione dei rifiuti urbani . AISA Impianti. 17/11/2016
Residui APC
     Vetrificazione: processo adatto a rifiuti altamente pericolosi, vengono miscelati con silice
     e fatti fondere a temperature superiori ai 1200°C. La fusione e successiva solidificazione
     della massa del materiale comportano la formazione di un materiale vetroso altamente
     inocuizzato. Questa tecnologia permette inoltre la separazione dei metalli per
     volatilizzazione.

     Processi ad arco plasma: il processo realizza una pirolisi senza combustione a
     temperature elevatissime (10000-20000°C) utilizzando come fonte di energia l’arco
     elettrico. Tale processo porta alla formazione di un materiale praticamente inerte che
     presenta un ottimo comportamento secondo il test di eluizione.

                                                                                                28
Gestione dei rifiuti urbani . AISA Impianti. 17/11/2016
Conclusioni
     Da un punto di vista quantitativo e delle proprietà fisiche le scorie da
     incenerimento rifiuti rappresentano un materiale di interesse per il recupero
     come materiale da costruzione in sostituzione di materie prime

     Il contenuto e il rilascio di metalli ed altri potenziali contaminanti inorganici
     rappresentano un limite al riutilizzo senza restrizioni di questo materiale.

     Un singolo trattamento non è                         sufficiente   a   soddisfare   i   requisiti.
     Combinazioni di diversi trattamenti.

     Residui del trattamento fumi: rifiuti speciali pericolosi  trattamento 
     smaltimento (raramente recupero)

     Possibili utilizzi/trattamenti in combinazione con sottrazione CO2.

                                                                                                     29
Gestione dei rifiuti urbani . AISA Impianti. 17/11/2016
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