SERRE SOLARI DI ESSICCAMENTO DEI FANGHI DI DEPURAZIONE – Copparo (FE), Novembre 2021
AGquadro Srl per il Comune di Copparo
1. PREMESSE
Una delle principali problematiche nella gestione degli impianti di depurazione riguarda lo smaltimento dei fanghi legato a diverse cause di seguito sommariamente elencate:
• Incertezza normativa sul destino finale dei fanghi in base alla loro caratterizzazione.
• Mancanza, a livello nazionale, di un adeguato numero di siti di recupero o di discariche in grado di soddisfare sufficientemente la necessità di conferimento finale dei fanghi disidratati provenienti dagli impianti di depurazione.
• Importante variabilità stagionale dell’accettazione del fango da parte dei siti di compostaggio/recupero.
Un possibile approccio per il contenimento dei costi di smaltimento è l’aumento della percentuale di sostanza secca da allontanare mediante la diminuzione dei contenuti di acqua presenti nel fango.
Un investimento consiste nella riduzione dei volumi dei fanghi attraverso la realizzazione di serre solari di essiccamento. Tale approccio al fango è di grande interesse per due aspetti. In primo luogo, perché l’essiccazione dei fanghi di depurazione è una tecnica ad oggi comprovata che permette di ottenere fanghi granulari a partire da fanghi disidratati con una riduzione del peso a circa un quarto: in tal modo, il fango essiccato risulta facilmente stoccabile e movimentabile. In secondo luogo, perché il fango essiccato ha un potere calorifico paragonabile a quello del carbone per cui il fango ottenuto a fine processo di essiccamento può essere riutilizzato per la produzione di energia. A tal proposito, infatti, sempre più gestori di impianti industriali sono interessati a realizzare investimenti per implementare presso i propri impianti nuove tecnologie in grado di essiccare i fanghi utilizzando o il calore residuo presente nel processo e/o nelle acque reflue o l’energia solare al fine di produrre un fango essiccato che, grazie al suo elevato potere calorifico, possa rappresentare una preziosa fonte di combustibile.
Cosa sono i Fanghi?
I fanghi sono il risultato finale di scarto della depurazione delle acque reflue.
Quanto ne produciamo?
Come ordine di grandezza si producono circa 1000 t/anno ogni 15.000 abitanti, con un tenore di secco (sostanza secca contenuta nella miscela) di circa il 22-25%.
Pertanto il depuratore di una cittadina come quella di Copparo produce una quantità di fanghi pari ad oltre 30 “bilici” (1.000 ton/anno) per la quale vi è il problema di trovare una corretta allocazione.
2. QUANTA ACQUA È CONTENUTA NEI FANGHI?
Per quanto sopra evidenziato e cercando di garantire il migliore funzionamento degli impianti e di ottimizzare i costi di trasporto e successivo smaltimento dei fanghi prodotti, l’unica soluzione al momento percorribile è quella di aumentare la percentuale di sostanza secca da allontanare mediante la diminuzione dei contenuti di acqua presenti nel fango.
Ma effettivamente quanta acqua è contenuta nei fanghi?
Come abbiamo già visto, un sistema di disidratazione dei fanghi tradizionale riesce a ridurre notevolmente la quantità di acqua: partendo da valori pari a circa il 2% di secco caratteristici dei fanghi ispessiti, si arriva a valori pari a circa il 20-25% e oltre, per i fanghi disidratati, con una riduzione di peso/volume di circa 10 volte.
Ma in questa miscela permane ancora oltre ¾ di acqua!
Capiamo bene che in termini di costi di smaltimento è DAVVERO TROPPA!
Per quale motivo, infatti, dobbiamo trasportare questa quantità e occupare spazi al destino finale con un contenuto d’acqua che può essere preventivamente eliminato e rimesso nel circolo liquido?
Ecco perché, oramai da anni, si è pensato di far evaporare questa acqua superflua, essiccando il fango palabile che proviene dai sistemi di “semplice” disidratazione
Come si essiccano i fanghi?
Principalmente con il calore, ma vi sono diversi modi per produrlo.
Difatti, mentre in passato gli essiccatori erano alimentati semplicemente con calore prodotto da idrocarburi o metano, da qualche tempo a questa parte, tutto il trattamento può essere eseguito con la migliore fonte rinnovabile:
Il SOLE!
L’entrata in esercizio delle opere serre solari di essiccamento permette infatti una notevole riduzione dell’attuale produzione di fango, proprio grazie alla diminuzione della percentuale di acqua presente nello stesso
3. COS’È UNA SERRA SOLARE PER L’ESSICCAMENTO DEI FANGHI?
Essenzialmente, è proprio l’azione del Sole (in realtà dell’irraggiamento solare), unita al movimento dell’aria, che genera l’evaporazione dell’acqua dalla massa fangosa.
La struttura, del tutto simile ad una serra per la coltivazione floreale, contribuisce a “forzare” un’azione completamente naturale. Anche la ventilazione viene forzata sempre per agevolare la velocità di trasferimento dell’umidità all’aria. La stessa, in determinate condizioni sempre monitorate, viene trasportata all’esterno della serra con o senza trattamento di deodorizzazione a seconda delle sue qualità.
Impianti pilota e condizioni reali di serre in funzione in più parti del mondo come ad esempio in Germania, dimostrano che il trattamento si rende necessario per circa il 30% delle giornate di utilizzo della serra.
Ovviamente, viste le condizioni climatiche maggiormente favorevoli dell’Italia, ci si aspettano risultati ancora migliori
4. COME FUNZIONA UNA SERRA SOLARE PER L’ESSICCAMENTO DEI FANGHI?
Il sistema di essiccamento solare si basa sull’effetto serra, i fanghi una volta disidratati e portati ad una certa percentuale di secco, vengono distribuiti all’interno della serra e miscelati periodicamente con un dispositivo meccanico in maniera completamente automatica.
Il dimensionamento del trattamento di essiccamento solare necessita chiaramente dei dati climatici del sito di interesse (temperature medie e radiazione solare) da cui dipende la capacità di evaporazione dell’acqua all’interno della serra e quindi l’efficienza di essiccamento e le performance del trattamento.
Essenzialmente un impianto di essiccamento solare è costituito dalle seguenti macro componenti:
– Base impermeabile in calcestruzzo con una serra in acciaio e coperture in policarbonato,
– Sistema di movimentazione del fango (mediante coclee distributrici e carroponti rivangatori),
– Sistema di movimentazione dell’aria,
– Sistema di trattamento dell’aria (eventuale).
5. EMISSIONI ODORIGENE
Ad oggi, un problema che limita l’implementazione di tali nuove tecnologie di essiccamento dei fanghi è legato alle emissioni odorigene. Tali sistemi, infatti, potrebbero determinare emissioni rilevanti di odore legate alla movimentazione, al trattamento e allo stoccaggio dei fanghi che si sommerebbero a quelle normalmente presenti nell’impianto.
Il trattamento ed abbattimento delle emissioni odorigene non possono prescindere dalla conoscenza dei processi e delle specifiche fasi di lavorazione dalle quali tali emissioni vengono generate. La conoscenza di questi elementi consente di individuare le modalità più adeguate di controllo, inibizione e/o mitigazione dell’emissione e che consistono in:
1. Metodi palliativi (ad esempio l’utilizzo di sostanze dotate di odore gradevole o coperture delle sorgenti);
2. Metodi preventivi (riduzione preventiva delle emissioni alla fonte per eliminazione delle sostanze maleodoranti o limitazione delle condizioni che ne favoriscono la formazione ed il rilascio delle stesse in atmosfera);
3. Metodi curativi (captazione e successivo trattamento di depurazione delle emissioni).
I primi due metodi richiedono alcuni accorgimenti di carattere progettuale e gestionale che possono, talvolta, risultare o economicamente troppo onerosi o non sufficienti per la soluzione del problema.
Il terzo metodo invece, prevede l’utilizzo di opportune tecnologie di trattamento che, rimuovendo l’inquinante dall’aria captata, operano quando l’emissione si è già formata. Le principali tecnologie per il trattamento delle emissioni odorigene ad oggi conosciute possono essere classificate in considerazione del principio di azione: fisico (adsorbimento), chimico (assorbimento, ossidazione termica, ossidazione catalitica, nebulizzazione, ionizzazione, foto-ossidazione e incenerimento) e biologico (scrubber, biotrickling, biofiltrazione).
È di fondamentale importanza dunque installare, a corredo, un sistema per il controllo delle emissioni odorigene mediante una sonda di rilevamento perimetrale e dotare il sistema di un modello diffusionale che tramite software consenta la rappresentazione su mappa dell’effettivo “pennacchio” diffusionale.
Il software TOM (Total Odour Management) è una suite per la gestione e il monitoraggio delle emissioni odorigene di un impianto. Esso riceve i dati meteoclimatici dalla centralina e dagli analizzatori installati sull’impianto e calcola l’impatto olfattivo rappresentato dal pennacchio di dispersione dell’odore espresso in unità olfatto-metriche per metro cubo, utilizzando il modello matematico di ricaduta dell’odore denominato “AERMOD”, tipicamente con aggiornamento ogni 5 minuti.
Il programma TOM risiede su cloud e non necessita di un computer dedicato; tutte le elaborazioni sono disponibili in tempo reale accedendo con le proprie credenziali al sito web dedicato. La rappresentazione del pennacchio di odore, visualizzabile su PC, tablet e smartphone; raffigurare l’impatto olfattivo attuale oppure qualunque situazione antecedente.
Il calcolo dell’impatto olfattivo avviene in modalità reverse modelling: il software calcola il valore della portata di odore delle sorgenti in base alla concentrazione di odore rilevata dall’analizzatore posizionato sottovento, dopodiché assegna il valore di portata di odore calcolato alle sorgenti e ne calcola il pennacchio di odore emesso.
Per la calibrazione del Software TOM, sono previsti dei sopralluoghi in campo mediante Odour Field Inspection secondo norma UNI EN 16841:2017. L’Odour Field Inspection è utilizzata per la convalida dei modelli di dispersione degli odori: la UNI EN 16841-2:2017 descrive la procedura di indagine in campo per la valutazione del pennacchio di odore, in cui i valutatori si dispongono a valle a distanze diverse dalla sorgente e forniscono una risposta sensoriale che è messa in confronto con la predizione del modello matematico per le condizioni emissive e meteoclimatiche registrate al momento della prova.
Al fine di valutare l’impatto osmogeno prodotto dalle emissioni convogliate dal sistema di essiccamento solare dei fanghi, è opportuno sviluppare un disegno volto a campionare, in più cicli, l’aria esausta in corrispondenza della condotta di espulsione dell’impianto di essiccazione.
Nello specifico, per ogni ciclo di lavoro dell’impianto, i campioni di aria verranno raccolti giornalmente per i primi tre giorni e con frequenza temporale maggiore nei giorni successivi, fino al completamento della procedura di essiccazione del fango.
I campioni di aria così raccolti verranno analizzati al fine di determinare:
1. la concentrazione totale di odore mediante olfattometria dinamica secondo UNI EN 13725:2004;
2. le concentrazioni di Composti Organici Volatili (COV) mediante desorbimento termico e analisi gas-cromatografica accoppiata alla spettrometria di massa (TDGC/MS);
3. la determinazione quali-quantitativa delle concentrazioni di H2S e NH3 nelle emissioni con sensori Cairpol.
I campioni così raccolti saranno trasportati nel minor tempo possibile in contenitori isotermici in assenza di luce presso un laboratorio di fiducia per le successive analisi olfattometriche e chimiche.
6. QUALI VANTAGGI HA UN SISTEMA DI ESSICCAMENTO NATURALE DEI FANGHI?
La tecnologia dell’essiccamento solare del fango ha il vantaggio di avere bassi consumi energetici e bassi costi di gestione e manutenzione, a fronte della necessità di superfici di notevole estensione.
Il sistema si differenzia sostanzialmente dalle altre tecniche di essiccamento fanghi per il bassissimo impatto ambientale. Difatti, la scelta di tale sistema di trattamento è stata individuata anche alla luce della migliore percezione da parte della popolazione di un sistema di trattamento naturale con un basso impatto visivo.
Notevoli sono, ovviamente, i vantaggi sia dal punto di vista dei costi gestionali che del risparmio economico per lo smaltimento dei fanghi, come di seguito riportato.
Ipotizziamo infatti di voler realizzare una serra di essiccamento solare che possa asservire una popolazione di circa 150.000 – 180.000 AE e che quindi produca all’incirca 10.000 ton/anno di fanghi, dunque una produzione pari a 10 volte quella di Copparo.
Come si evince dalla tabella, il fango da “sversare” nella serra si presume abbia un quantitativo di sostanza secca media paria al 22%. Il risultato che si vuole ottenere sarà pari al 76%.
Ciò si traduce in un risparmio, in termini di acqua evaporata, pari a 6.945,1 ton.
Dal punto di vista economico, siamo a conoscenza che il prezzo attuale per lo smaltimento del fango prodotto dall’impianto di depurazione, a netto di trasporto, è pari a 180 euro/ton.
Dunque, è possibile effettuare un confronto tra il costo di smaltimento del fango prodotto ad oggi e quello prodotto a seguito del trattamento dei fanghi all’interno di serre solari di essiccamento, tenendo conto sia del costo di smaltimento che di quello del trattamento:
Come si evince dalla tabella, il risparmio economico che si otterrebbe in termini di smaltimento dei fanghi, realizzando una serra di essiccamento solare, è pari a 1.152.367,46 euro all’anno.
7. COME È POSSIBILE RIUTILIZZARE I FANGHI ESSICCATI?
In un futuro, speriamo vicino, il problema legato alla riconversione di un residuo in bene economico di elevato valore commerciale, sarà quasi del tutto azzerato attraverso con l’adozione di buone pratiche di progettazione e costrizione che, rispettando le catene di valore sostenibili, porteranno alla produzione di beni facilmente riciclabili e riutilizzabili. Fino ad allora, l’impegno più grande sarà quello di considerare tutti i nostri scarti, non più come rifiuti, ma come materiali da reimpiegare in nuove applicazioni.
Una volta essiccati mediante serra solare, i fanghi possono essere utilizzati per molteplici scopi nell’ottica di un’economia circolare totalmente green, tra i quali:
– Uso in agricoltura,
– Uso in industria,
– Recupero energetico.
Un’applicazione particolare è quella di produrre mattoni ecologici per l’edilizia a partire dai biosolidi generati dai fanghi di depurazione. I biosolidi sono un sottoprodotto del processo di depurazione e si stima che nella sola Unione Europea ne vengano prodotte oltre 9 milioni di tonnellate annue. In quanto materiali di difficile riutilizzo la maggior parte di questi finisce accumulata in discarica ma, ora, è stata trovata una soluzione che ben si sposa con i principi dell’economia circolare e della sostenibilità.
I risultati hanno evidenziato che l’aggiunta di biosolidi ad argilla per la produzione di mattoni rappresenta un promettente approccio ecologico utile a ridurre le emissioni di gas serra e la domanda di suolo. Una produzione di questo tipo permetterebbe infatti di ridurre fortemente la richiesta di argilla e di conseguenza di limitare gli scavi finalizzati a reperirla da suoli vergini.
Inoltre, grazie al maggior contenuto di sostanza organica presente nei biosolidi è necessaria una minor quantità di energia da impiegare nelle fornaci.
In particolare, i ricercatori hanno dimostrato che in questo modo è possibile risparmiare fino al 50% di energia con ovvi vantaggi in termini di impatto ambientale da parte delle industrie produttrici di laterizi. L’analisi del ciclo di vita (Life Cycle Assesment, LCA) ha dimostrato che incorporare biosolidi nella produzione di mattoni porterebbe ad una significativa riduzione di tutti gli impatti ambientali negativi rispetto ai mattoni di controllo, ad eccezione del consumo idrico.
Non solo, ci sarebbero vantaggi anche da un punto di vista strettamente edilizio poiché la produzione di mattoni così concepiti, oltre ad essere meno costosa, porta ad una conduttività termica inferiore conferendo agli edifici delle prestazioni ambientali potenzialmente superiori.
Gli innumerevoli vantaggi vengono di seguito elencati:
– Diminuzione delle emissioni CO2, dovute alla riduzione dei tempi di trasporto;
– Certezza che tutto il materiale (fango) arrivi agli impianti di trasformazione;
– Punti certi di lavorazione;
– Sviluppo economico del territorio;
– Sviluppo sociale, attraverso la creazione di occupazione specializzata.
8. PROGETTI IN CORSO
Alla luce delle problematiche sopra evidenziate legate allo smaltimento dei fanghi di depurazione e con lo scopo principale di garantire il migliore funzionamento degli impianti e di ottimizzare i costi di trasporto e successivo smaltimento dei fanghi prodotti, Acquedotto Pugliese SpA nella sua qualità di Gestore del Servizio Idrico Integrato della Regione Puglia, sta perseguendo la soluzione di aumentare appunto la percentuale di sostanza secca da allontanare diminuendo i contenuti di acqua presenti nel fango attraverso la realizzazione di serre solari di essiccamento in tre diverse città pugliesi: Brindisi, Copertino e Casarano.
Lo scopo è quello di realizzare una filiera completa di trattamento dei fanghi prodotti dall’impianto di depurazione estratti dalle serre solari con un tenore di acqua compreso tra il 20% ed il 30% (ossia con un secco compreso tra il 70% e 80%) a differenza dell’attuale disidratato che origina fanghi disidratati meccanicamente con tenore di acqua di circa l’80%.
Le serre di essiccamento solari, nella loro configurazione futura, saranno composte da una struttura di questo tipo:
Il processo seguirà il seguente schema a blocchi.
Le strutture che ospiteranno l’intero processo si presentano come delle semplici serre con struttura portante in acciaio, rivestimento e coperture in policarbonato su una platea in cls.
I fanghi in ingresso vengono scaricati al suolo tramite l’utilizzo di n. 4 bocchettoni posti in punti strategici e, successivamente, tramite l’utilizzo di carroponti mobili rinvangatori, vengono distribuiti per tutta la superficie in pianta delle serre.
Inoltre, all’interno di ciascuna serra è prevista l’installazione di ventole di ricircolo aria e per l’ingresso dell’aria. Il flusso dell’aria è opposto al flusso del fango.
Terminata la fase di disidratazione, il fango esce dal lato opposto rispetto a dove si trova l’ingresso; in particolare, il fango disidratato viene condotto in una tramoggia dalla quale ha origine una coclea che lo conduce all’interno di un cassone, dal quale verrà prelevato utilizzando automezzi pesanti che lo condurranno allo smaltimento.
L’aria esausta sarà trattata per mezzo di scrubber del tipo orizzontale a doppio stadio prima di essere rilasciata in atmosfera.
Si riportano di seguito alcune immagini render rappresentative del progetto di Copertino:
9. CONCLUSIONI
Il sistema di essiccazione proposto si contraddistingue per il suo bassissimo impatto ambientale, nonché per l’assenza di emissioni odorigene e quindi per il buon inserimento dell’opera all’interno del contesto urbano di riferimento.
Con il processo di essicazione solare, il fango che viene ottenuto è abbastanza secco per evitare processi biologici che generano odori, ma è ancora sufficientemente umido per evitare la produzione di polvere. Grazie alla struttura porosa, si raggiungono elevate velocità di evaporazione e di efficienza di essiccamento. I fanghi essiccati prodotti sono stabili, con granuli tondi, separati tra loro, e facili da movimentare grazie all’elevato grado di secco.
