Asse 1 Azione 1.1.4

Impianto pilota per il monitoraggio geoelettrico e la fitodepurazione del percolato di discarica


Progetto POR

Scopo del lavoro

Il progetto è stato concepito allo scopo di sviluppare un processo innovativo nel settore del trattamento e smaltimento dei rifiuti, in particolare è stato orientato alla messa a punto di un processo di depurazione del percolato di discarica che ne permetta la riqualificazione e potenziale riutilizzo come refluo pulito.
Si tratta di un approccio innovativo che riguarda il trattamento in situ di un percolato particolarmente salino, che normalmente viene conferito presso Piattaforme di Trattamento Reflui specializzati, impiegando in questo caso tecniche di fitodepurazione che utilizzano piante alofile, che vivono in ambienti salini e hanno la capacità di estrarre e accumulare i sali. È stato, inoltre, utilizzato un innovativo sistema di controllo e monitoraggio del percolato oggetto del trattamento costituito da un array di elettrodi che, attraverso l’interpretazione di un segnale geoelettrico (in altre applicazioni già ampiamente utilizzato in campo ambientali) consente di seguire in tempo reale la formazione e la maturazione del percolato.
Il progetto è stato ideato coerentemente con quanto auspicato per l’ambito di specializzazione smart manifacturing (cfr. RIS3 agosto 2015), nel quale ricade la traiettoria di sviluppo perseguita da questo progetto, che in particolare si riferisce al settore “PROCESSI INNOVATIVI DI TRATTAMENTO E/O RIUTILIZZO DI RIFIUTI INDUSTRIALI”. L’approccio scelto prevede una interdisciplinarità di competenze derivanti da diversi settori.
All’interno del gruppo di lavoro, le competenze ingegneristiche e di progettazione, di gestione dei rifiuti e dei cascami di filiera e l’esperienza di ricerca nelle interazioni biochimiche dei processi fitodepurativi hanno consentito di elaborare un processo innovativo di trattamento e riutilizzo di un rifiuto industriale. L’interazione tra il comparto scientifico di ricerca (rappresentato dal gruppo di ricerca del Prof. Ordinario Emanuele Argese) e la rete di imprese coinvolte (Progeco Ambiente spa, Geotila srl e DESAM srl) sta portando a sviluppare una intensa collaborazione potenzialmente capace di proseguire in questa traiettoria e trainare un settore tradizionale verso un reale processo di trasferimento tecnologico.

Questo progetto intercetta ampiamente il driver d’innovazione SOSTENIBILITÀ AMBIENTALE poiché permette di ridurre notevolmente l’impatto ambientale prodotto di un refluo carico di inquinanti organici ed inorganici destinato a una filiera di trattamento che non rientra pienamente nelle logiche della circular economy poiché di per se’ porta alla produzione di ulteriori fanghi da dover smaltire. L’impianto in fase di test pilota invece, produce un impatto ben inferiore, in quanto prevede l’utilizzo di consorzi vegetali ed essendo integrato all’interno del sito della discarica non comporta il trasporto su gomma di rifiuti. La tecnologia abilitante che viene applicata in tutto il progetto e che rappresenta il fulcro stesso di questo processo innovativo, è una BIOTECNOLOGIA INDUSTRIALE: la fitodepurazione.


Figura 1
L’impianto pilota è stato posto in opera presso la sede di Progeco Ambiente spa di San Martino Buon Albergo (VR) ed è stato progettato e installato come descritto in sede di richiesta di autorizzazione formulata da parte di Progeco Ambiente in data: 19/04/2017 (prot. U0078/17-GB). Si tratta di due vasche della capacità di circa 3 m3 l’una in polietilene ad alta densità che si trovano al di sopra dell’area di discarica e, pertanto, già opportunamente isolate dal terreno sottostante grazie ai presidi già presenti a tale scopo sul fondo della discarica (in figura 1 è rappresentata l’ubicazione esatta delle vasche come riportato in tavola 1 allegata alla precedente comunicazione).
In ciascuna delle due vasche è alloggiata una quota di rifiuti solidi palabili:
  • CER 190206 fanghi prodotti da trattamenti chimico-fisici, diversi da quelli di cui alla voce 190205;
  • CER 190304 rifiuti contrassegnati come pericolosi, parzialmente stabilizzati;
  • CER 190305 rifiuti stabilizzati, diversi da quelli di cui alla voce 190304;
  • CER 190814 fanghi prodotti da altri trattamenti delle acque reflue industriali, diversi da quelli di cui alla voce 190813.

Figura 2


Figura 3
Mediante un sistema idrico opportunamente dimensionato, una quota di acqua piovana è sottoposta ad un flusso idrico in continuo ricircolo allo scopo di coadiuvare la produzione e la maturazione del percolato così che la sperimentazione in corso possa ottenere dei risultati assimilabili ad una situazione del tutto verosimile. Le acque vengono distribuite sulla prima vasca dall’alto, tramite un impianto a goccia, per poi percolare attraverso i rifiuti. Una volta portato a maturazione (con concentrazioni che sono in via di ottimizzazione, funzionali all’efficienza della seconda parte dell’impianto), il fluido viene inviato alla seconda vasca in cui viene ricircolato.
La prima vasca (vasca “test geoelettrici”) è stata adibita alla sperimentazione del monitoraggio elettrico in remoto e ospita, oltre ai rifiuti, un array di 48 elettrodi (2,40 m x 0,60 m) posti sul fondo adibiti al controllo della resistività e dei potenziali spontanei (cfr. figura 2) misurati automaticamente quattro volte al giorno (ore 24, 6, 12, 18). Dagli elettrodi vengono acquisiti valori di potenziale spontaneo a frequenza di 256 Hz per 5 minuti contemporaneamente su tutti i 48 elettrodi, di seguito viene iniettata corrente per rilevare la differenza di potenziale indotta secondo la disposizione Wenner con passo progressivo da 0,20 m. Attraverso l’irrigazione continua ottenuta, si ha la formazione e maturazione del percolato che viene così convogliato verso la seconda vasca. La seconda vasca (vasca “test fitodepurazione”) è stata allestita seguendo uno schema progettato per ottenere una condizione di buona permeabilità dei fluidi e un opportuno tempo di contatto tra l’apparato radicale delle specie vegetali scelte e il percolato stesso. A tal fine nell’ordine (dal basso verso l’alto) sono stati posati: uno strato di ghiaia media dello spessore di 0,20 m, uno strato di sabbia grossa dello spessore di 0,20 m, uno strato di sabbia media dello spessore di 0,25 m e uno strato di sabbia fine dello spessore di 0,30 m al di sopra del quale si trova uno strato di 5 cm di ghiaia fine in cui sono alloggiati i tubi forati parte dell’impianto di irrigazione che veicola il percolato formatosi all’interno della vasca per i test geoelettrici. (cfr. fig. 2).
I tubi microforati di irrigazione del percolato sono stati ricoperti da uno strato di ghiaia per evitare la risalita di effluvi maleodoranti inevitabilmente presenti nel percolato. L’irrigazione di questa vasca viene effettuata con l’aiuto di una pompa sommersa nel percolato proveniente dalla vasca rifiuti e stabilizzato all’interno di una vasca di equalizzazione posta di fronte alle due più grandi. Post equalizzazione, il percolato viene inviato nella vasca di fitodepurazione realizzando un flusso intermittente sommerso distribuito omogeneamente dai tubi microforati su tutta la superficie della vasca (cfr. fig. 3). Tale vasca è stata piantumata da piante alofile accumulatrici (Sarcocornia fruticosa, Salsola soda, Suaeda marittima) e da Phragmites australis per l’ossigenazione del percolato.
La scelta delle piante è stata fatta sulla base della loro alta tolleranza alla salinità e della loro capacità di accumulare l’eccesso di sali presenti nel percolato sulla loro componente epigea. Essendo il percolato di derivazione da fanghi industriali inertizzati, la ricerca si concentra sul miglioramento delle performance di crescita delle piante alofile attraverso l’ottimizzazione dei rapporti dei macro e micro nutrienti mediante aggiunta di opportuni sali minerali carenti nel percolato originale. Una volta ottimizzata la crescita delle piante la ricerca proseguirà con lo studio delle cinetiche di assorbimento dei vari sali con l’obbiettivo di individuare i tempi ed i costi necessari a raggiungere i livelli di salinità consentiti dalla legge per l’immissione del percolato nei corpi d’acqua superficiali.

Le attività di ricerca inerenti il monitoraggio in continuo e in remoto delle attività di produzione di percolato da parte dei rifiuti tramite elettrodi posti sul fondo della vasca “test geoelettrici” sta consentendo di rilevare risposte del sistema coerenti e ben interpretabili. Vengono dimostrate la versatilità della tecnologia e la sua potenzialità come sistema di monitoraggio nell’ambito di sistemi dinamici e delicati come le discariche.
In particolare, si osserva con chiarezza la formazione e l’evolversi delle caratteristiche del percolato in termini di salinità che aumenta nel tempo, ma si riduce in corrispondenza delle piogge che diluiscono il liquido risultando in valori di maggiore resistività.
Il controllo dei parametri elettrici come potenziale spontaneo e resistività, misurati automaticamente quattro volte al giorno (ore 24, 6, 12, 18) secondo un array di 48 elettrodi (4 file da 12) posti a 0,20 m di distanza l’uno dall’altro, sembrano ben caratterizzare le dinamiche di mineralizzazione dei fanghi. Nelle mappe di resistività apparente si possono notare leggeri ma graduali passaggi verso valori di resistività sempre più alti (cfr. figura 4).

Figura 4


Figura 5
Analoga considerazione si può fare con le mappe di potenziali spontanei medi mensili presenti in figura 5, che nel tempo mostrano valori via via sempre più positivi. Si può ipotizzare che il materiale, lisciviato dall’acqua, perda salinità e aumenti quindi la sua resistività apparente. L’evoluzione nel tempo di alcune grandezze elettriche, misurate in continuo e controllate in remoto, sembrano presentare tutte le potenzialità per proporre la realizzazione di sistemi automatici che controllano le fasi dell’evoluzione temporale della discarica, quelle della produzione di biogas e percolato.
La seconda parte della sperimentazione dedicata alla fitodepurazione ha risentito di alcune problematiche iniziali rispetto alla gestione dell’impianto, che sono state utili per comprendere gli aspetti critici del metodo e porvi rimedio. La fase test, in questo caso, è stata di fondamentale importanza per poter passare da sperimentazione in vitro (a scala laboratorio) e passare alla scala pilota. Inizialmente sono state scelte le essenze target considerate potenzialmente efficienti per l’accumulo di composti salini quali Sarcocornia fruticosa L., Suaeda maritima L., Salsola soda L., e Phragmites australis L. Nei primi tre casi trattasi di piante alofile deputate all’accumulo di composti salini e di pianta graminacea efficace ai fini dell’ossigenazione del mezzo di crescita. Nel dettaglio, l’apporto di percolato è stato ottimizzato sul piano idraulico grazie al posizionamento di ghiaia al di sotto delle condutture irrigue e consente ora una distribuzione più omogenea riducendo la presenza di vie di scolo preferenziali. L’aumento di salinità registrato durante il periodo di assenza di pioggia e contestuale alla maturazione repentina del percolato ha portato a valori troppo elevati di cloruri da marzo a giugno. Questo ha comportato la progressiva perdita di fitness delle specie vegetali piantumate. Attualmente si provvede a diluizione del percolato che consente di attestarsi su livelli inferiori di salinità pari a 9.300 mg/kg (26 giugno), 10.000 mg/kg (9 luglio).

Durante il corso della sperimentazione si è scelto di procedere all’installazione di una copertura in plexiglass (cfr. fig. 6) che potesse ridurre al minimo l’apporto di piogge meteoriche all’interno delle vasche per poter condurre un monitoraggio il più possibile in condizioni al contorno costanti e/o strettamente condizionabili.

Per evitare un’oscillazione troppo ampia nei valori di salinità del percolato e consentire una maggiore efficacia della sperimentazione si prevede (nell’ordine):
  • un monitoraggio periodico maggiormente cadenzato delle caratteristiche chimiche più rilevanti del percolato al fine di provvedere a tempestiva sua diluizione con acqua dolce per evitare eccessivo stress osmotico per le piante (l’obiettivo è mantenere una concentrazione di 10.000 mg/kg di cloruri);
  • l’acquisto e la piantumazione delle specie vegetali scelte per avviare una seconda fase test.
In particolare, si è stilato anche un protocollo di campionamento e analisi da adottare in futuro, esso prevede il prelievo di percolato 2 volte a settimana e analisi dei parametri indicati in calce, se tali parametri mostrano di essere costanti, il campionamento può essere programmato 1 volta a settimana, se nuovamente si dovesse riscontrare uniformità di risposta, si potrà passare a una frequenza ancora minore (1 volta al mese). Tale valutazione spetterà ai componenti del gruppo di lavoro e in particolare al coordinatore scientifico Prof. Emanuele Argese che darà progressivamente le indicazioni in merito. Gli analiti sui quali concentrare le analisi sono:
  • pH
  • densità
  • conducibilità
  • TOD
  • N-ammoniacale
  • N-nitrico
  • N-nitroso
  • Solfati
  • Solfuri
  • Cloruri
  • Fluoruri
  • Bromuri
  • P-totale
  • Ca
  • Na
  • K
  • B
  • Mg
  • Mo
 

Figura 6


 

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