Prof. Ing. Maria Laura Mastellone, docente in Impianti Chimici e Biochimici Dipartimento di Scienze e Tecnologie Ambientali, Biologiche e Farmaceutiche, SUN

L’uso delle torce al plasmanegli interventi di bonifica: aspetti tecnologici, ambientali ed economici

WORKSHOP: La Gassificazione al Plasma

Senato della Repubblica – Sala degli Atti Parlamentari Biblioteca Giovanni Spadolini

Roma, 14 novembre 2013

Il principio di conservazione della massa applicato al

pianeta

?

Accumulo=ingresso (bilancio totale)

L’immissione continua di sostanze solide, liquide o aeriformi in ambiente determina un accumulo che porta i livelli di tossicità al di sopra di quelli che la

natura può sostenere

Sostenibilità … ?

La sostenibilità ambientale dei processi si può dimostrare con metodi rigorosi, strumenti di analisi complessi e lunghi calcoli ma, al di là della correttezza procedurale del processo, si può asserire che un processo non è sostenibile se:

1. genera sostanze il cui recupero a fine vita non è previsto/possibile e i cui effetti sull’ambiente e la salute sono negativi e di difficile ripristino

2. aumenta l’indice di rischio individuale/sociale al di sopra del valore di tollerabilità

3. sposta dal presente al futuro la soluzione delle problematiche che non si sa (o non si vuole) risolvere (not after care-free process)

1. protocolli di verifica preventiva alla messa in commercio relativamente alla gestione del fine vita di un bene di consumo

2. riduzione del valore del rischio attraverso misure di prevenzione e/o mitigazione

3. gestire piuttosto che pianificare a oltranza e tornare ad una amministrazione non emergenziale

Perchè siamo costretti a parlare di bonifiche?

Gestione non sostenibile (non after-care free) dei processi di produzione/trasformazione (industriali, edili,

agro-zootecnici,…)

Gestione scorretta e/o illecita di rifiuti di varia origine e pericolosità

Bonifica: ovvero il rimedio a gestioni non sostenibili

A.caratterizzare il sito e definire quali sorgenti possono generare rischio

B.calcolare il rischio con riferimento ai percorsi di esposizione

C.definire quali tecniche di bonifica utilizzare e quale è il rischio residuo accettabile per progettare opportunamente il sistema di bonifica

D.attuazione del progetto di bonifica, consapevoli che durante il quale, spesso se di siti oggetto di sversamenti illeciti pluriennali e non riconducibili ad una specifica attività industriale, si possono incontrare rifiuti non codificati in fase di caratterizzazione

E.ripristino del sito, sua rifunzionalizzazione e monitoraggio dell’area vasta per un periodo di tempo sufficientemente lungo dal garantire dati statisticamente validi

Il termine bonifica identifica un’attività complessa che, attraverso diverse

tecniche, ha l’obiettivo di riportare i livelli di concentrazione dei

contaminanti mobili presenti nel suolo, nell’acqua superficiale e/o nelle

falde al di sotto dei valori di fondo naturale. Gli stadi sono:

L’indice di rischio

I rischi per la salute umana e l'ambiente variano considerevolmente a

seconda del contaminante specifico, delle condizioni specifiche del sito e

dell'esposizione dei recettori. Infatti, i rischi sono determinati dalle proprietà

fisico-chimiche dei contaminanti (solubilità, mobilità, volatilità, capacità di

assorbimento, persistenza), i percorsi di esposizione verso i potenziali

recettori così come la tipologia di esposizione dei recettori (ad esempio gli

esseri umani o animali).

Bonifica: obiettivi

La bonifica di un sito ha l’obiettivo di portare l’indice di rischio

residuale all’intervento al di sotto del livello di tollerabilità, ovvero:

Indice di rischio=Probabilità dell’evento × Magnitudo del danno < soglia

tollerabile

Il progetto di bonifica deve quindi essere basato su scelte gestionali

e tecnologiche giustificate da un’analisi di rischio poichè non è raro

che scelte scorrette comportino un aumento della probabilità di

insorgenza dell’evento pericoloso (P) oppure una maggiore

esposizione alla sorgente di rischio con incremento del danno (M).

Nel caso di sversamenti di sostanze pericolose la P è 1

Va valutato in base all’esposizione, la vulnerabilità

ed il valore esposto

Sorgenti di contaminazione e di rischio

Settore Tipici rifiuti pericolosi prodotti

Agricoltura e produzione di cibo Acidi e basi, fertilizzanti e pesticidi

Chimico e farmaceuticoAcidi e basi, cianuri, metalli pesanti, rifiuti infettati e di

laboratorio, residui organici, PCB, solventi

Concerie per il cuoio Sostanze inorganiche, solventi

DomesticoAcidi e basi, batterie esaurite, metalli pesanti, insetticidi,

solventi

Estrazione e lavorazione dei minerali Rifiuti in grande quantità ma poco pericolosi, fanghi

Industria petrolchimica e stazioni per il rifornimento

Benzo--pirene, idrocarburi, rifiuti petroliferi, piombo, fenoli, catalizzatori esauriti

Lavorazioni tessiliColoranti, metalli e composti pesanti, solventi alogenati,

acidi minerali, PBC

Materiali plastici e sintetici Metalli pesanti, solventi organici

Produzione di carta e stampaAcidi e basi, coloranti, metalli pesanti, inchiostri, vernici

e resine, solventi

Produzione di vernici Metalli pesanti, PCB, solventi, pigmenti tossici

Scuole ed istituti di ricerca Acidi e basi, rifiuti infiammabili, reattivi, solventi

Servizi medici e sanitari Rifiuti infettivi, radionuclidi, solventi

Trasformatori elettrici PCB

Trattamento e lavorazione dei metalli

Acidi e basi, cianuri, metalli pesanti, solventi, rifiuti infiammabili, reattivi

I processi e le tecnologie di bonifica L ’eliminazione o l’inertizzazione di una sorgente di rischio

può essere realizzata attraverso idonei processi che, in linea generale, possono essere fisici, chimici o biologici.

In caso di sorgenti di composizione nota ed omogenea è quindi possibile individuare il trattamento più idoneo e decidere se effettuarlo in situ o ex situ.

In caso di sorgenti sconosciute o eterogenee (discariche abusive, discariche antecedenti al D.Lgs 36/2003) occorre provvedere ad una caratterizzazione analitica e alla scelta di un processo che consenta un trattamento unitario, se possibile!.

I processi e le tecnologie di bonifica

Si possono individuare:

processi fisici: estrazione, solidificazione, soil washing, desorbimento, processi termochimici in situ e ex situ

processi chimici: ossidazione/riduzione chimica, estrazione chimica

processi biologici: ossidazione biologica, fitodepurazione

Questi processi si differenziano per il tipo di matrice che possono trattare, il tempo necessario a realizzare l ’intervento, il costo e la capacità di trattare rifiuti monocomponente o eterogenei.

Sostenibilità di una bonifica

Un processo di bonifica è sostenibile quando abbassa l ’indice di rischio al di sotto di quello accettabile, non trasferisce il rischio nello spazio o nel tempo, non ne genera altri. Quindi:

deve trattare rifiuti di composizione eterogenea contenenti matrici organiche e inorganiche

utilizzare tecnologie compatte, modulari, trasportabili, affidabili

minimizzare la pericolosità del rifiuto di partenza e bloccare mobilità e/o reattività

non comportare rischi aggiuntivi sull’ambiente circostante

L’applicazione del plasma per la vetrificazione in situ e ex situ Il processo di bonifica della vetrificazione ha come obiettivo

la distruzione termica dei contaminanti organici e l ’annullamento della mobilità di quelli inorganici. La vetrificazione consente di:

trattare rifiuti di composizione eterogenea contenenti matrici organiche e inorganiche

utilizzare tecnologie compatte, modulari, trasportabili, affidabili

annullare la pericolosità del rifiuto di partenza bloccandone mobilità e/o reattività

non aggiungere rischi ulteriori

L’applicazione del plasma per la vetrificazione in situ e ex situ

Biogas --> effetto serraBioaerosols --> effetti sulla salutePercolato --> inquinamentoPost-mortem --> costi e perdita di valore del territorio

Non lisciviaNon bruciaNon emetteNon reagisceSi ricicla

La vetrificazione in situ

Il processo di vetrificazione ha l’obiettivo di trasformare il materiale inorganico in una matrice inerte “minerale” incapace di promuovere effetti nocivi sulla salute umana

Il processo si esplica accrescendo la temperatura di una porzione limitata di suolo contaminato fino a 1600-2000°C provocando la distruzione di composti organici refrattari (quali diossine, furani, BTX, idrocarburi, …) e la fusione dei contaminanti inorganici.

La vetrificazione si ottiene grazie a torce al plasma utilizzate in batteria e inserite in perforazioni verticali che arrivano al di sotto della zona contaminata o dei rifiuti smaltiti.

La frazione volatile costituita da molecole derivanti dalla pirolisi della componente organica e dai metalli volatili (mercurio) vengono captati da una struttura superficiale mobile e trattati medianti processi idonei.

La vetrificazione in situ

Vantaggi: elevate rese di distruzione dei contaminanti

organici, immobilizzazione degli inorganici in matrici di

durata geologica, minimizzazione dei residui, assenza di

escavazione, trasporti, utilizzo di discariche, minimizzazione

del rischio per gli operatori.

Svantaggi: elevati consumi di energia elettrica, necessità di

suoli con contenuto di ossidi di silice, destinazione finale del

l ’area, difficoltà di applicazione in caso di falda affiorante.

La vetrificazione in situ: con elettrodi

La vetrificazione in situ: con torce al plasma

Bonifica in situ di discariche esperienze

Bonifica in situ di discariche: un piano di bonifica concettuale

Costi della vetrificazione in situ

Trattamento suolo contaminatoda sostanze prevalentemente organiche

Trattamento suolo contaminatoda sostanze prevalentemente inorganiche

Se l’energia elettrica venisse fornita a prezzo detassato o fosse ottenuta gratuitamente (tassando impianti con CIP6, certificati verdi, …) il costo delle bonifiche sarebbe economicamente sostenibile.

135€/t 810€/t

Costi della vetrificazione in situ esempio

Trattamento suolo contaminatoda rifiuti misti organici + inorganici

Trattamento suolo contaminatoda sostanze prevalentemente inorganiche

Da 210€/t 130€/t 70€/tDa EE=14c€/kWh 7c€/kWh 0c€/kWh

Da 810€/t 460€/t 111€/tDa EE=14c€/kWh 7c€/kWh 0c€/kWh

Per bonificare 20ha di suolo per una profondità di 20m occorrerebbero 6.4TWh

(si consideri che i soli impianti con CIP6 nel 2012 hanno prodotto 21TWh)ovvero:

900.000.000€ a prezzo pieno (?)550.000.000€ a prezzo detassato

100.000.000€ con energia a costo zero

La vetrificazione ex situ

La vetrificazione per via termica in impianti dedicati, eventualmente mobili, realizza contemporaneamente due processi: una gassificazione della frazione organica del rifiuto; una stabilizzazione della frazione inorganica.

I vantaggi della vetrificazione in impianti al plasma sono:

lo slag vetrificato incorpora elementi chimici anche radioattivi annullandone la mobilità

il volume del rifiuto si riduce

lo slag può essere riciclato perchè inerte

Test dell’eluato da ceneri da impianto per rifiuti ospedalieri

Impianto trasportabile

Quattro moduli:

a)Preparazione

rifiuto

b)Vetrificazion

e

c)Trattamento

emissioni

d)Controllo di

processo

La vetrificazione ex situ

Vetrificazione di rifiuti inorganici(radioattivi, amianto, suoli

contaminati…)

Vetrificazione di rifiuti organici(rifiuti urbani, speciali,

ospedalieri, …)

L’applicazione del plasma per la vetrificazione di rifiuti radioattivia) Il più grande impianto di trattamento di rifiuti nucleari è stato ultimato ad Hanford (Washington) nel 2013.

L’impianto per il trattamento dei rifiuti e di immobilizzazione ha richiesto 65 ettari con quattro impianti di

pretrattamento, vetrificazione dei rifiuti ad alta ed a bassa attività radioattività. E’ destinato a condizionare

oltre 200.000m3 di liquidi radioattivi e 64t di plutonio.

b) Il processo di trattamento dei rifiuti prevede la separazione in solidi con elevato livello radioattivo e liquidi a

bassa attività. I liquidi a bassa attività vengono miscelati con silice e altri materiali idonei a formare una

miscela vetrificabile. La miscela è poi alimentata in due reattori ad arco trasferito e fusa; essa è poi versata in

contenitori di acciaio inox di 4 metri di diametro, 7 metri di altezza e 7 tonnellate di peso e depositata in

apposite aree sotto-suolo ricoperte da terreno come previsto dalla legislazione per rifiuti condizionati (anche

in Italia).

c) Nel giugno 2013 il Governo Britannico ha emesso un bando per l’installazione di un impianto prototipo per il

trattamento dei rifiuti radioattivi; il finanziamento pari a 18M£ è stato assegnato ad un progetto di un impianto

al plasma.

L’impianto VIT ad Hanford della

Bechtel National

Conclusioni

A. La tecnologia del plasma, nelle sue diverse realizzazioni tecnologiche, è la più flessibile tra quelle di tipo termico prescindendo dalle caratteristiche dei rifiuti e dal loro contenuto energetico intrinseco.

B. Applicata alle bonifiche garantisce un ampio campo di applicazione sia in situ che ex situ.

C. E ’ after care-free poichè l’immobilizzazione ha durata dell’ordine di centinaia di anni ed annulla il rischio di mobilità e quindi di esposizione a sostanze pericolose.

D. Ha un costo economico che può essere ridotto in caso di rifiuti combustibili grazie alla produzione di gas di sintesi, idrogeno o energia.