Andrea Atzori http://www.novambiente.it/ 21/10/2013

SOLWA (SOLAR WATER): METODO PER LA DISIDRATAZIONE DEL PERCOLATO DI

DISCARICA ATTRAVERSO L'ENERGIA SOLARE – LA SPERIMENTAZIONE NELLA DISCARICA DI

PONTE SAN NICOLÒ (PADOVA)

P. FRANCESCHETTI*, A. MORETTO**, A. ATZORI**

* CA’ FOSCARI, Department of Environmental Science, University of Venice - Dorsoduro 3246 - 30123 Venezia, Italy

**Ente per lo smaltimento dei rifiuti solidi urbani Bacino Padova 2, Via Niccolò Tommaseo, 60 - 35131 Padova, Italia

SOMMARIO: Lo scopo di questo progetto è la sperimentazione della serra solare SOLWA per la disidratazione del percolato di discarica, attraverso l’asportazione della parte acquosa e il trattamento del percolato concentrato. Nell’area di discarica di Ponte San Nicolò (PD) accanto alle serre in progetto è già presente un impianto fotovoltaico da 1 MWp su circa 2 ettari della copertura della discarica di rifiuti urbani in gestione post-operativa con interessanti vantaggi tecnici ed economici sulla gestione del post-esercizio dell’impianto, in sinergia con il recupero energetico da biogas. In questo articolo si illustra lo studio per un sistema più sostenibile di gestione del percolato da discarica, attraverso metodi con bassi impatti ambientali, gestionali e di costo, per mezzo di particolari serre solari. I primi risultati mostrano come sia possibile separare la parte acquosa del percolato da discarica, al fine scaricarla in corsi d’acqua superficiali ed ottenere un rifiuto concentrato di più facile gestione per il suo trattamento con fitodepurazione.

1. INTRODUZIONELa gestione del percolato di discarica è un problema di primaria importanza a livello europeo e globale. Ogni anno solo in Europa si registra una produzione di oltre 1 miliardo di tonnellate di rifiuti solidi destinati alle discariche (Rocha, 2011), con conseguente produzione di percolato sia in fase di coltivazione che di post mortem della discarica stessa. Il percolato risulta avere un elevato potere inquinante derivante dalla sua composizione chimica di acidi umici, fulvici, metalli pesanti, azoto ammoniacale e sali (Calace, 2001; Christensen, 2001). Ogni discarica ha percolati con specifiche concentrazioni di inquinanti che dipendono dal materiale in essa stoccato, dall’età della discarica stessa, dalle condizioni climatiche e da altri fattori specifici (Christensen, 2001). La composizione chimica del percolato necessita di metodi spinti di depurazione per il suo trattamento e stoccaggio, in quanto i composti organici complessi non risultano facilmente degradabili con i metodi tradizionali di trattamento. Il metodo biologico di nitrificazione/denitrificazione è probabilmente il processo più efficiente ed economico per eliminare azoto dal percolato, anche se necessita di un input esterno di carbonio per bilanciare il rapporto C/N tipico del metabolismo batterico. Tuttavia, il trattamento biologico è ostacolato dalle sostanze tossiche specifiche (come gli IPA-idrocarburi policiclici aromatici, PCB-bifenili policlorurati, ecc.) e/o dalla presenza di composti bio-organici refrattari, quali acidi umici o tensioattivi (Wiszniowski, 2006).

Altri metodi di trattamento chimico/fisico, quali ultrafiltrazione od osmosi inversa, risultano essere molto più onerosi da parte del gestore e a volte non molto efficaci. Quindi al fine di soddisfare la qualità per lo scarico diretto di percolato nelle acque superficiali, è necessario lo sviluppo di metodi integrati di trattamento, con una combinazione di reazioni chimiche, fisiche e biologiche.Il principale costo gestionale del percolato è derivato dai costi di gestione, stoccaggio e trasporto agli impianti di depurazione preposti al suo trattamento. Solo nella Regione Veneto, Italia, il 50% dei rifiuti conferiti agli impianti di depurazione sono catalogati con codice CER 190703 (percolato di discarica), per un ammontare di circa 400.000 t/anno, dato 2010. La Regione Veneto con il Piano Regionale di Gestione dei Rifiuti Urbani e Speciali, D.G.R. n. 264/2013, introduce nella normativa di piano, salvo eventuali impedimenti tecnici, l’obbligo di trattamento in loco del percolato e reimmissione dello stesso nella discarica. Da questa prescrizione deriva quindi la necessità di elaborare sistemi più efficaci di gestione del percolato di discarica da realizzarsi direttamente in sito, che rispondano a: · * limitati costi di gestione/manutenzione; * semplicità di trattamento e manutenzione;· * impianti autonomi da collocare presso le discariche;· * apparecchiature durevoli per gestione operativa e post operativa della discarica;· * elevata protezione ambientale;· * utilizzo di energie rinnovabili.

La discarica di Ponte San Nicolò, risulta essere di particolare interesse per sperimentare sistemi innovativi di trattamento del percolato.

Tale sito è già una buona pratica europea (progetto M2RES) per l’installazione di un impianto fotovoltaico da 1 MWp su circa 2 ettari della copertura della discarica in gestione post-operativa. L’impianto fotovoltaico si integra con la gestione della discarica e in particolare con la captazione e recupero energetico del biogas prodotto dai rifiuti e con le serre SOLWA per la disidratazione del percolato da discarica, puntando all’integrazione e alla sinergia della gestione sostenibile del sito con il territorio.

2. DESCRIZIONE DELLA TECNOLOGIA UTILIZZATA 2.1 Descrizione della discarica di Ponte San NicolòIl sito di Ponte San Nicolò è complessivamente costituito dai lotti A, B e C, ma lo studio si occupa esclusivamente dei lotti B e C della discarica, di proprietà dell’Ente di Bacino Padova 2. L’esercizio della discarica è stato svolto a partire dal 1989, i lotti si sono esauriti nel 1999 e da allora è in gestione post-operativa. Le principali operazioni di gestione post-operativa che interessano l’area dei lotti B e C consistono nella manutenzione degli impianti e attrezzature; manutenzione sponde e copertura; captazione e recupero energetico del biogas; raccolta e trattamento del percolato e monitoraggio ambientale.

Periodo conferimento rifiuti volume superficie

spessore rifiuti rifiuti

m3 m2 m tonPRIMA FASE

Lotto BPRIMA FASE

Lotti C+C1SECONDA FASE

lotti B+Ctotali 791.000 812.247

325.702Dic.1996-Nov.1999 342.000 103.000 3,5

191.418

Giu.1991-Giu.1993 254.000 71.000 4 295.127

Giu.1989-Nov.1990 195.000 63.000 3,6

Tabella 1. I dati storici principali della discarica.

Nel 2012 l'energia prodotta dall'impianto di recupero biogas è risultata di 1.263.800 kWh, in calo del 20% rispetto ai 1.586.000 dell’anno 2011. Nella figura 1 si riporta l’andamento della produzione energetica da biogas degli ultimi dieci anni.

Produzione di energia da biogasdiscarica di Ponte San Nicolò, lotti B e C

0

1.000.000

2.000.000

3.000.000

4.000.000

2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

kWh

Figura 1. Produzione di energia da biogas, KWh prodotti 2003-2012.

La raccolta del percolato avviene tramite un sistema di trincee di drenaggio collegate ad una rete di pozzi di raccolta da cui viene estratto attraverso un sistema di aspirazione automatico e inviato a dei serbatoi di accumulo. Successivamente il percolato viene prelevato con delle autobotti ed inviato a depurazione. Nel corso del 2012 per i soli lotti B e C sono state estratti 2.050 m3 di percolato, in drastico calo rispetto ai 8.778 m3 dell’anno 2011 in gran parte dovuto alle minori precipitazioni verificatesi, andamento riportato in figura 2

PRODUZIONE DI PERCOLATOdiscarica di PONTE SAN NICOLO', lotti B e C

-2.0004.0006.0008.000

10.00012.000

1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011anno

mc

Figura 2. Produzione di percolato, m3 prodotti 1997-2012

L’impianto fotovoltaico, posizionato direttamente a terra sulla copertura della discarica consiste in 4160 pannelli fotovoltaici policristallini di potenza specifica 240 Wp e relativi contenitori zavorrati in plastica riciclata. Il sistema si compone di 13 moduli per stringa e 16 stringhe per quadro di campo, 20 quadri di campo e 2 sistemi di conversione - inverter.La produzione energetica è iniziata a maggio 2011, l’energia prodotta nel 2012 è stata di 1.163.000 kwh pari al 20% dell’energia consumata dalla linea del tram di Padova in un anno, con i suoi 14 veicoli da 180 passeggeri l’uno.Figura 3. Localizzazione dell’impianto FV sulla discarica e particolare della copertura discarica.

N

Scolo Roncajette

Scolo Corriva

Canale Maestro

Fiume Bacchiglione

2. Le serre solari Il principio di base di una tipica serra solare è lo sfruttamento della radiazione solare diretta al fine di forzare l’"effetto serra" e i processi termodinamici legati ai passaggi di stato. All’interno di una serra di piccole dimensioni, appositamente progettata, la radiazione solare diretta riscalda una superficie nera, sopra la quale viene fatto scorrere il percolato da trattare. L’acqua contenuta nel percolato surriscaldato inizia ad evaporare e successivamente condensa sulla superficie trasparente della struttura della serra stessa. Il condensato viene asportato dal sistema, mentre sul fondo si depositano i soluti presenti nella soluzione iniziale e non volatilizzati nel processo evaporativo. L'efficienza delle serre solari dipende da tre fattori:•struttura del collettore;•conservazione del calore;•struttura e progettazione della serra solare (Kennedy, 1976).Uno dei parametri più importanti che determina l'efficienza nelle serre solari è la differenza di temperatura tra il solvente della soluzione, che in questo caso è l’acqua, e la superficie trasparente, su cui si forma la condensa (Tiwari, 2009). La tecnologia delle serre solari presenta una serie di vantaggi nel trattamento delle soluzioni contenenti acqua, tra cui principalmente (Franceschetti et al., 2012):•assenza di fonti esterne di alimentazione;•manutenzione ridottissima;•facilità di gestione, senza la necessità di personale addestrato;•costo ridotto e limitato all'investimento iniziale. L’innovazione di SOLWA consiste in un disegno del sistema che porta l’energia solare a fare evaporare l’acqua a temperature più basse di quelle normalmente necessarie, ottimizzando il rendimento in termini di estrazione della frazione acquosa dalla matrice da trattare, minimizzando i costi e la manutenzione.Di seguito veranno esposti gli aspetti innovativi introdotti nella presente sperimentazione al fine di aumentare l’efficienza delle serre solari, con l’applicazione della tecnologia SOLWA (Brevetto PD2011A000271).

2.1.1 Flusso continuo

Normalmente le serre solari si presentano come un bacino di soluzione stagnante e, nella maggior parte delle pubblicazioni internazionali (Kumar et al., 2011; Kwatra, 1996; Khalifa, 2011), sono state studiate come impianti statici, in cui si versa un certo quantitativo di soluzione da trattare e si analizza l’andamento giornaliero di evaporazione.

La serra solare SOLWA, invece, presenta un flusso continuo d’ingresso del percolato durante le fasi di attività del processo. Questo aspetto permette di eliminare una serie di problematiche legate principalmente alla deposizione dei precipitati all’interno della serra. Infatti, sfruttando dei modelli termodinamici appositamente elaborati per questa tecnologia si è in grado di stabilire il tempo di residenza all’interno del sistema della soluzione, prima che si raggiunga il punto di saturazione dei soluti, con conseguente eliminazione della precipitazione.

2.1.2 Ricircolo dell’ariaLa serra solare SOLWA presenta una ventola (active solar still) che permette la movimentazione dell’aria. Partendo dal principio

che l’evaporazione di una sostanza è legato alla somministrazione di un ammontare di energia in grado di coprire l’energia di evaporazione, o calore latente di evaporazione, e alla capacità del sistema di accettare tale sostanza nell’aria. Secondo il principio di Le Chatelier, un sistema in equilibrio chimico e fisico, che subisce un’alterazione esterna che perturba tale equilibrio, tenderà a cercare un nuovo equilibrio, ammortizzando l’influenza esterna.

Trasferendo tale concetto al nostro scopo, cioè l’evaporazione, possiamo affermare che in un sistema in quiete formato da acqua e aria, la soluzione tende a formare un equilibrio con un determinato quantitativo di vapore che si trasferisce dalla fase liquida all’aeriforme. L’aria è in grado di accettare nuovo vapore d’acqua se e solo se l’aria stessa che sovrasta la componente acquosa non è a saturazione di vapore (Khalifa, 1985).

L’agente limitante nelle tradizionali serre solari risulta quindi essere la saturazione dell’aria stessa. Questa saturazione inibisce l’evaporazione di nuova acqua e necessita di un elevato innalzamento della temperatura per poter effettivamente avere una minima differenza di temperatura con la lastra trasparente (Kumar et al., 1996).

La particolarità di questa serra è quella di aspirare, tramite una ventola, il vapore e farlo passare attraverso uno scambiatore di calore al fine di avere una condensazione del vapore stesso. Così facendo si ha un insieme di vantaggi:

•non vi è più una diminuzione di trasmissività della copertura trasparente data dal suo appannamento dovuto alla condensa che in essa avviene;

•recupero del calore latente, andando a surriscaldare il percolato prima del suo ingresso all’interno del sistema,•creazione di un deficit di vapore all’interno della serra, forzando l’evaporazione della soluzione da trattare. Figura 4. Foto della serra SOLWA utilizzata per l’essiccazione del percolato da discarica

2.2 Applicazione della tecnologia SOLWA al percolato di discaricaLo scopo di questo progetto consiste nel valutare la possibilità di applicare la tecnologia delle

serre solari per attuare una concentrazione del percolato di discarica, riducendo il volume e quindi gli oneri di gestione di tale rifiuto.

Per fare ciò si realizzerà un impianto da collocare presso la discarica di Ponte San Nicolò. Tale impianto pilota sarà costituito da 3 serre SOLWA delle dimensione di 2,5 m x 1 m ciascuna, interconnesse per quanto riguarda il sistema di ricircolo dell’aria. Al loro interno verrà versato automaticamente il percolato derivante dai serbatoi di stoccaggio, già presenti in loco.

Il percolato subirà un processo di evaporazione, puntando a far evaporare circa il 50% dell’acqua in esso contenuta. Tale limite è stato stabilito dalle analisi chimiche e prestazionali, descritte successivamente, al fine di evitare i depositi all’interno del sistema.

Il percolato concentrato verrà stoccato in un serbatoio dedicato, in attesa di un suo successivo trattamento presso la discarica, conformemente al Piano Regionale di Gestione dei Rifiuti Urbani e Speciali della Regione Veneto.

Il sistema di serre solari studiato adotta un ricircolo dell’aria all’interno delle serre stesse. Tali serre sono completamente isolate con l’esterno impedendo la diffusione di odori o emissione di qualsivoglia composto volatile. Il ricircolo dell’aria comprende una serie di scambiatori di calore a pacco alettato che deumidificano l’aria satura di vapor acqueo, asportando quindi l’acqua dal percolato.

Negli scambiatori di calore la fonte di assorbimento dell’energia termica del vapore verrà svolta da un circuito idrico, che prende acqua da un corpo idrico superficiale sito nei pressi della discarica. L’acqua del fiume viene pescata, fatta passare all’interno dello scambiatore di calore e poi riversata nel fiume stesso, senza venire a contatto diretto con il percolato o eventuali vapori, evitando qualsiasi contaminazione chimica.

Il condensato che si viene a creare verrà allontanato dal sistema SOLWA e avviato a un post trattamento prima di essere riversato nel corpo idrico superficiale, al fine di essere pienamente conforme ai parametri di legge del D.Lgs. 152/06 e s.m.i.

Infatti il processo di evaporazione/condensazione del sistema sperimentato, comporta la presenza nell’acqua di condensa di eventuali composti volatili evaporati insieme all’acqua. Nel caso in esame del percolato da discarica si trova l’ammoniaca, presente in concentrazioni elevate nel percolato e dovuta perlopiù alla degradazione delle sostanze organiche e proteiche.

RADIAZIONE

SOLAREPERCOLATO

ACQUADEPURATA

PERCOLATOCONCENTRATO

FINISSAGGIO

DEPURATAFITO

DEPURAZIONE

Figura 5. Rendering del sistema SOLWA utilizzato per l’essiccazione del percolato da discarica e lagunaggio del percolato post solwa con fitodepurazione.

Stoccaggio percolato/ equalizzazione

impianto SOLWA

finissaggio

Scarico in acque superficiali

Scarico in acque superficiali

fitodepurazione

condensato

concentrato

Re-immissione nel corpo discarica

Figura 6. Schema dell’impianto che verrà realizzato presso la discarica di Ponte San Nicolò.

3. RISULTATI E DISCUSSIONE

Per la verifica dell’efficacia del sistema di trattamento del percolato con l’applicazione delle serre solari Solwa, che si prevede di realizzare in sito nella seconda metà del 2013, si è provveduto a svolgere una serie di analisi qualitative preventive per verificare come tale tecnologia possa essere applicata al trattamento del percolato di discarica.

Allo scopo si è proceduto al prelievo del percolato prodotto dalla discarica di Ponte San Nicolò. Il percolato è stato analizzato chimicamente prima e dopo il trattamento con un prototipo di serra solare appositamente realizzato e testato a febbraio 2013. Il test si è svolto presso il Dipartimento di Scienze dei Materiali dell’Università Ca’ Foscari di Venezia.

Nel caso di studio si è imposto che il sistema effettuasse un’estrazione del 50% in peso di acqua dalla soluzione di percolato iniziale. Questo valore è stato determinato poiché per valori superiori si è osservata la formazione di precipitati all’interno della vasca di evaporazione, con conseguente sporcamento e necessità di manutenzione del sistema stesso

Come riportato in Tabella 2, l’acqua che viene estratta dal trattamento con le serre solari risulta depurata dalla quasi totalità dei composti chimici. Solo il valore dell’azoto ammoniacale (come NH4) risulta particolarmente elevato e non conforme ai sensi del D. Lgs 152/06 e s.m.i. (Parte terza, Allegato 5, Tabella 3). Questo comporta che l’acqua in uscita dal sistema di serre solari SOLWA non possa essere riversata nel corpo idrico superficiale, ma necessiti di un preventivo abbattimento di tale composto. Lo scostamento dal limite di legge, 15 mg/l, nel caso esaminato risulta pari a 838 mg/l. In questo caso, in presenza di una soluzioni a pH leggermente basico, il sistema più efficace per la rimozione dell’azoto in forma ammoniacale (NH3) è il suo strippaggio con aria e l’assorbimento del gas in una soluzione di acido solforico. Attraverso la concentrazione della soluzione ottengo come sale il solfato d’ammonio. Il sale che si forma è un fertilizzante normalmente utilizzato in agricoltura che, qualora non trovasse sbocco nel settore, può sempre essere reimmesso in discarica, come previsto dal Piano Regionale Rifiuti adottato. Rispetto a sistemi convenzionali di pretrattamento chimico-fisico di abbattimento dell’ammoniaca nei classici impianti di depurazione biologica, il passaggio nel sistema SOLWA consente di:•dimezzare il volume da trattare, concentrando l’ammoniaca nel 50% del volume iniziale di percolato;•evitare la basificazione del percolato per spostare il pH a valori utili a volatilizzare l’ammoniaca, evitando di dover provvedesedimentare idrossidi di metalli che tendono a precipitare a pH basico; •allontanare il carico di inquinanti che potrebbero contaminare il sale di ammonio, garantendone la qualità per un utilizzo agronomico.Pur contemplando un minimo di impianto tecnologico (scrubber) e additivi chimici (acido solforico) il sistema di rimozione si presenta come la risposta più semplice mirata a rimuovere l’unica sostanza che non rispetta i limiti allo scarico in acque superficiali.Il condensato prodotto (circa 50% del volume iniziale), depauperato in buona parte del contenuto di azoto ammoniacale, presenta un rapporto C/N pari a ca. 10, quindi più bilanciato rispetto ai processi biologici. Il concentrato può essere trattato in un impianto di fitodepurazione. Le esperienze circa il trattamento del percolato tramite fitodepurazione hanno uno storico consolidato (Robinson et al., 1991). La scelta di impianti a flusso superficiale piuttosto che sub superficiale orizzontale o verticale dipende dalle peculiarità climatiche e dalla compatibilità territoriale del sito di trattamento. L’efficacia del sistema utilizzato è stata confermata dall’elevata estrazione di acqua da condensa, rispetto ad altri sistemi a serre solari. È da rilevare che tale tecnologia, a conoscenza degli autori, non è mai stata applicata prima per il trattamento del percolato di discarica. Normalmente le serre solari sono utilizzate per la depurazione dell’acqua di mare con efficienze dell’ordine del 30-50% e produzione di circa 1-5 l/m2 al giorno (Tiwari et al., 2009; Torchia et al., 2008). La serra solare con tecnologia SOLWA ha dimostrato di aumentare tale efficienza fino al 56% e con produzione stimata fra 5-10 l/m2 al giorno (Franceschetti et al., 2012).

4. CONCLUSIONIDalle analisi chimiche preliminari svolte sia sul percolato della discarica di Ponte San Nicolò (Padova) sia sui prodotti post trattamento con le serre, si è dimostrato come l’applicazione della tecnologia delle serre solari sia efficacemente applicabile all’essiccazione del percolato da discarica. L’estrazione di acqua dalla soluzione di percolato iniziale è risultata agevole e l’acqua estratta risulta priva di inquinanti, con l’eccezione dell’azoto in forma ammoniacale. Per l’eliminazione di questa sostanza viene proposto un abbattimento per salificazione mediante lavaggio in scrubber, soluzione mirata ed efficace che porta alla formazione di un sale (solfato d’ammonio) utilizzabile ai fini agronomici.Il sistema di disidratazione del percolato con le serre solari appare tra i trattamenti con i minori impatti ambientali (Tiwari et al., 2011), non impiegando composti chimici o fonti di energia non rinnovabili. Inoltre si è visto come le serre solari considerate siano in grado di aumentare le prestazioni in termini quantitativi di concentrazione del rifiuto, con un conseguente aumento dell’efficienza dell’intero sistema

Le serre SOLWA hanno dimostrato, per la prima volta, come la tecnologia delle serre solari sia applicabile al trattamento del percolato di discarica, con i seguenti vantaggi riscontrati:•mancata emissione di odori o altri composti volatili in atmosfera;•buona capacità di asportazione di acqua dal percolato;•utilizzo di fonti energetiche rinnovabili;•possibilità di applicazione del sistema direttamente in loco (discarica);•bassa manutenzione e specializzazione operativa;•riduzione del costo di gestione, trasporto e smaltimento del percolato;•progetto altamente eco-sostenibile

Indipendentemente dagli studi in corso che puntano a trattare completamente in sito questo rifiuto, anche la sola riduzione volumetrica del percolato è molto interessante nei frequenti casi, come quello studiato, in cui il percolato viene trasportato per tratte più o meno lunghe, a impianti di depurazione.Dati tali risultati e vantaggi nei prossimi mesi si procederà alla realizzazione presso la discarica di Ponte San Nicolò di un impianto sperimentale costituito da serre solari per circa 6 m2 e da un bacino di lagunaggio fitodepurativo, con lo scopo di verificare sia gli aspetti tecnici qui descritti che la valenza ambientale ed economica dell’intero sistema.

RINGRAZIAMENTI

Si ringrazia l’Ente di Bacino Padova 2 per il sostegno all’innovazione tecnologica in campo ambientale e per aumentare la sostenibilità della gestione integrata dei rifiuti urbani. Si ringraziano inoltre i diversi soggetti che con osservazioni e suggerimenti hanno contribuito al presente studio, in particolare il dott. Stefano Pagnin di Nestambiente gruppo Hera AcegasAps spa e il dott. Devis Casetta

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