Capitolo 2
La gassificazione come tecnologia alternativa di
smaltimento dei fanghi
2.1
Gestione del servizio idrico in Toscana
La legge n. 36 del 5 Gennaio 1994, nota come legge “Galli”, ha previsto una riorganizzazione dei servizi idrici suddividendo i territori delle singole Regioni in raggruppamenti di Comuni, denominati Ambiti Territoriali Ottimali.
Questa legge ha introdotto rilevanti novità nel campo della tutela della risorsa e della gestione dei servizi idrici, tra le quali:
- il concetto di uso e salvaguardia delle acque pubbliche per le generazioni future; - il concetto di risparmio e rinnovo della risorsa nel rispetto del patrimonio idrico e
dell’ambiente;
- il concetto di utilizzo prioritario della risorsa acqua per il consumo umano;
- l’individuazione di una nuova organizzazione per ambiti ottimali dei servizi idrici basata su criteri idrografici e amministrativi;
- la definizione di obiettivi connessi alla efficienza ed economicità nei servizi, di equilibrio economico nei costi e ricavi.
Per realizzare questi obiettivi la legge ha stabilito la costituzione del Servizio Idrico Integrato su base di Ambito dei servizi di acquedotto, fognatura e depurazione. La legge ha anche previsto di attribuire alla Regione la responsabilità nella delimitazione e nella organizzazione degli ambiti e, soprattutto, della creazione di questi nuovi soggetti, le Autorità di Ambito Territoriale Ottimale (A.T.O.).
Sulla scorta di tali indicazioni la Regione Toscana, con la legge n.81/95, ha provveduto a:
- suddividere il territorio regionale in 6 Ambiti Ottimali; - scegliere per ogni ATO la forma giuridica;
Il processo di riorganizzazione istituzionale e industriale nell’assetto dei servizi di acquedotto, fognatura e depurazione prevede alcuni passaggi fondamentali:
1. i comuni trasferiscono l’esercizio della titolarità del servizio all’Ambito Territoriale Ottimale (ATO);
2. l’Ambito definisce il piano e la tariffa del nuovo servizio e provvede all’affidamento della gestione del servizio idrico integrato;
3. l’Ambito controlla che il gestore realizzi il piano e verifica l’applicazione della tariffa.
L’obiettivo di tale processo è pervenire il più rapidamente possibile all’accorpamento delle gestioni esistenti largamente frammentate e, contemporaneamente, alla loro trasformazione in senso industriale e imprenditoriale della gestione. Tutto questo deve consentire all’Ambito di affidare la gestione ad un’impresa che per dimensioni, organizzazione e capacità imprenditoriale sia capace di finanziare e realizzare il piano degli investimenti necessario al miglioramento dei servizi idrici.
La legge 36/94 introduce inoltre un nuovo schema di regolazione dei servizi che sostituisce la precedente organizzazione sia dal punto di vista istituzionale che tariffario (Figura 2.1).
Figura 2.1: Schema di regolazione dei servizi
Il nuovo schema prevede che vi sia una netta distinzione di ruoli fra l’Ambito, che definisce gli obiettivi e controlla la realizzazione del piano, e il Gestore che organizza il servizio e realizza il piano.
L’Ambito deve svolgere la sua attività di regolatore in ragione dell’assenza di concorrenza nel mercato di questi servizi con l’obiettivo di assicurare la tutela del consumatore nei confronti del gestore monopolista.
Questo compito di regolazione deve essere svolto dall’Ambito attraverso la definizione del piano, l’applicazione della tariffa e il successivo controllo sulla realizzazione, da parte del Gestore, degli obiettivi contenuti nel piano. Piano, tariffa e controllo sono definiti dal contratto sulla base del quale sarà affidata la gestione. Il controllo si eserciterà in primo luogo attraverso la verifica del raggiungimento degli obiettivi del piano. Il controllo sull’applicazione della tariffa consentirà all’Ambito di regolare il comportamento del Gestore in relazione all’attuazione del piano con la possibilità addirittura di revocare l’affidamento nel caso che il Gestore sia gravemente inadempiente. Il Gestore è tuttavia sottoposto anche ad altre attività di regolazione fra cui quella svolta dall’Agenzia Regionale Per l’Ambiente della Toscana (ARPAT), in particolare, sulla qualità delle acque potabili e sulle caratteristiche degli scarichi idrici. Il Gestore con l’affidamento del servizio diventa infatti il responsabile dell’intero servizio idrico integrato che comprende appunto la gestione dell’acquedotto, le fognature e la depurazione delle acque.
Un’ulteriore regolazione è svolta dall’autorità della Regione che in base alla L.R. 81/95 si attribuisce compiti di indirizzo, programmazione e controllo sia sugli Ambiti sia sul Gestore. Queste funzioni attengono:
1. alla verifica della compatibilità dei piani di Ambito con gli obiettivi e le priorità stabilite dalla Regione;
2. alla verifica dello stato di attuazione degli strumenti di pianificazione (PRGA e PRAA);
3. al controllo delle prestazioni del Gestore nei vari ambiti per quanto riguarda i livelli qualitativi e quantitativi dei servizi, il costo dei servizi e la spesa per gli investimenti.
L’Ambito è chiamato a valutare nel proprio Piano il fabbisogno di risorse idriche e, conseguentemente, la necessità di tutte quelle opere che permettano lo sviluppo e l’adeguamento della risorsa rispetto a tale fabbisogno. Quest’attività, che investe direttamente la gestione della risorsa idrica, non può prescindere dalle competenze dell’Autorità di bacino del Fiume Arno su cui ricade gran parte del proprio territorio. A conclusione si hanno quindi oltre all’attività di regolazione dell’Ambito anche altre
all’Autorità di Bacino. I sei Ambiti Territoriali Ottimali, e i rispettivi Gestori, individuati nella regione Toscana sono:
• ATO 1 (Toscana Nord) - Gestori Gaia SpA, GEAL SpA; • ATO 2 (Basso Valdarno) - Gestore Acque SpA;
• ATO 3 (Medio Valdarno) - Gestore Publiacqua SpA; • ATO 4 (Alto Valdarno) - Gestore Nuove Acque SpA; • ATO 5 (Toscana Costa) - Gestore ASA SpA;
• ATO 6 (Ombrone) - Gestore Acquedotto del Fiora SpA.
Tale situazione è visibile sul territorio regionale come riportato in Figura 2.2.
Figura 2.2: ATO Regione Toscana
I Gestori toscani dei servizi di pubblica utilità, in partecipazione con Enti Locali o privati, aderiscono a Cispel Confservizi Toscana.
Cispel Confservizi Toscana è l'associazione regionale delle imprese di servizio pubblico che operano nel territorio toscano e che gestiscono servizi a rilevanza economica come il gas, il trasporto pubblico su gomma e altri servizi come le farmacie comunali, l'edilizia pubblica, la cultura, gli istituti di assistenza alla persona, le aziende sanitarie e ospedaliere nonché il servizio idrico e quello di igiene ambientale. L’ associazione promuove tutte le iniziative utili al raggiungimento degli scopi sociali, partecipa alla redazione delle leggi e degli atti regionali sulle materie in cui operano i propri associati, assiste e supporta i Comuni nei processi formativi di società e consorzi di gestione e gli associati nella loro ricerca di miglioramento e consolidamento.
2.2
La scelta della gassificazione
Lo smaltimento dei fanghi costituisce oggi uno dei maggiori costi fissi di gestione dei depuratori. E’ perciò necessario individuare sistemi alternativi di smaltimento efficaci ed economici.
Le soluzioni finora adottate sono state principalmente il riutilizzo in agricoltura, il compostaggio e la posa in discarica. Infatti dalla Tabella 2.1 si evince che le percentuali sul totale, riferito ai sette Gestori della regione Toscana, privilegiano in ordine decrescente le tre soluzioni suddette.
Tabella 2.1: Smaltimento fanghi anno 2008 (ton./anno)
Gestore TOTALI % Agricoltura % Compost % Discarica ACQUE 16.416 72,8 20,8 6,5
ACQUEDOTTO DEL FIORA 18.516 21,6 77,9 0,6
ASA 12.797 38,5 36,7 24,8 GAIA 21835 83,0 17,0 - GEAL 1.060 87,4 12,6 - NUOVE ACQUE 6.326 52,2 3,9 43,8 PUBLIACQUA 18.341 66,8 14,3 18,9 TOTALE 95.290 58,1 34,0 7,9
In seguito all’introduzione di nuove normative, negli ultimi anni i criteri da seguire per tali forme di smaltimento sono diventati più restrittivi, ed hanno indotto i Gestori a
cercare soluzioni alternative. Tra i metodi innovativi per lo smaltimento dei fanghi sono stati presi in considerazione i processi termochimici, quali gassificazione e pirolisi. Il continuo incremento del costo dell’energia rende, infatti, necessario individuare fonti alternative di energia rinnovabile, la qual cosa spinge i ricercatori a continue sperimentazioni.
La possibilità di ottenere energia da biomasse è sempre più interessante sia perché questa fonte è sicuramente rinnovabile e compatibile con il protocollo di Kyoto, sia perché questa è destinata a diventare competitiva anche a livello economico.
L’impiego delle biomasse su larga scala per la produzione di energia richiede, però, processi adeguati, per evitare che l’impatto ambientale della combustione dei combustibili solidi tradizionali possa essere ulteriormente aggravato dall’eterogeneità dei rifiuti che spesso caratterizza le biomasse. In questo processo di smaltimento risulta interessante la possibilità di migliorare il combustibile solido, utilizzandolo come sorgente di combustibile gassoso; tale processo può consentire inoltre la produzione di energia elettrica mediante motori termici ad alto rendimento e ad un basso impatto sull’ambiente.
Una via promettente nel panorama energetico complessivo appare la produzione del syngas (gas di sintesi) attraverso processi termochimici di gassificazione, in cui si utilizzano come alimentazione dei processi un’ampia gamma di biomasse di scarto provenienti da differenti settori, quali quello della lavorazione del legno, dell’industria agro-alimentare, o dai processi di depurazione delle acque reflue [7].
Nella gassificazione, non verificandosi la totale combustione o ossidazione delle biomasse, si producono minori emissioni inquinanti rispetto a quanto avviene invece con l’incenerimento. In questo processo all’interno del gassificatore vengono mantenute le condizioni ideali per la produzione del syngas e, essendo le temperature operative generalmente più basse rispetto a quelle dell’incenerimento, la maggior parte degli agenti inquinanti è trattenuta dalle ceneri.
A differenza di quanto avviene nel processo di incenerimento, dove si devono necessariamente impiegare leghe speciali (ferro-nikel-cromo) particolarmente costose, il reattore utilizzato per il processo di gassificazione è in acciaio ed è capace di resistere a temperature elevate. La gassificazione dei fanghi da depurazione presenta, quindi, diversi vantaggi che si possono così riassumere:
• riduzione di volume dei prodotti di scarto; • distruzione di batteri patogeni presenti nei fanghi;
• controllo delle emissioni inquinanti nell’atmosfera; • recupero energetico;
• migliore efficienza rispetto all’incenerimento dal momento che il gas prodotto può essere usato direttamente nella produzione di energia;
• riduzione dei costi, in particolare quelli d’investimento, dato che il processo di gassificazione può essere realizzato anche su scala ridotta rispetto all’incenerimento.
Il principale vantaggio rimane comunque la produzione di un gas di sintesi (syngas) di composizione chimica e potere calorifico costanti, costituito principalmente da monossido di carbonio e idrogeno. Inoltre, utilizzando il syngas come combustibile, si ottiene, a parità di energia prodotta, una notevole diminuzione della produzione di CO2
rispetto alla quantità generata dalla combustione di combustibili fossili.
Il processo di gassificazione dei fanghi può presentare alcuni inconvenienti strettamente legati alla configurazione impiantistica, relativi all’elevato contenuto di tar e di polveri presenti nel gas di sintesi prodotto [8].
La pirolisi dei fanghi da depurazione presenta gli stessi aspetti positivi riscontrati nella gassificazione, ma porta alla formazione di prodotti di scarsa qualità e di difficile utilizzo.
Queste considerazioni, unitamente alle difficoltà di reperire in letteratura scientifica studi particolarmente interessanti o che comunque descrivano impianti di pirolisi di fanghi da depurazione realizzati su scala di laboratorio, inducono a rivolgere necessariamente l’attenzione verso una ricerca più approfondita del processo di gassificazione.
2.3
Caratteristiche dei fanghi prodotti dalle ATO toscane
In accordo alle nuove norme, più restrittive, esposte nel Capitolo 1, i vari Gestori delle ATO toscane, ricercando metodi alternativi di smaltimento, si sono rivolti all’Università di Pisa, con cui hanno stipulato una convenzione per sostenere la ricerca “Sviluppo di processi e tecnologie per la conversione termochimica dei fanghi da depurazione civile ai fini del recupero energetico”, all’interno della quale si inserisce il presente lavoro di tesi. All’Università sono pervenute le analisi dei fanghi prodotti nei singoli impianti, effettuate a carico dei Gestori.
La scelta dei campioni da utilizzare nelle preliminari prove di caratterizzazione su scala di laboratorio è stata fatta in modo da avere fanghi con contenuto di carbonio organico e ceneri su base secca variabile tra 30 e 42 % e tra 3 e 40 %, rispettivamente (Figura 2.3).
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 10 20 30 40 50 60 C en er i (% s u s ec co )
Carbonio organico (% su secco) ACQUE ACQUEDOTTO DEL FIORA ASA GAIA GEAL NUOVE ACQUE PUBLIACQUA
Figura 2.3: Contenuto di carbonio organico e ceneri su base secca dei fanghi forniti dai Gestori
Le caratteristiche dei principali impianti di trattamento fanghi gestiti dalle aziende coinvolte, quali potenzialità, tipologie di trattamento delle acque, produzione dei fanghi e relativi trattamenti, in relazione ai fanghi selezionati, sono riassunte nella Tabella 2.2. Da questa si evince come gli impianti presi in esame presentano portate di acqua in ingresso e conseguente quantità di fanghi prodotti diverse tra loro.
I trattamenti destinati alle acque e quelli subiti dai fanghi risultano pressoché identici così come la provenienza dei fanghi, nello specifico dalla sedimentazione secondaria.
T a b el la 2 .2 : C a ra tt er is ti ch e d ei p ri n ci p a li i m p ia n ti d i tr a tt a m en to f a n g h i
I campioni presi in considerazione per la sperimentazione presentano le caratteristiche riportate nella Tabella 2.3.
Tabella 2.3: Caratteristiche degli otto fanghi selezionati
Sostanza secca (%w/w) Carbonio organico (% w/w SS) Ceneri (% w/w SS) Fango 1 20 43.6 25.2 Fango 2 12.3 34.94 - Fango 3 ~80 29.5 40.17 Fango 4 24.6 36 3.4 Fango 5 24.7 35.3 35.8 Fango 6 13.5 41.2 15.0 Fango 7A 17 29.95 26.75 Fango 7B 19.8 36.3 10.6
Tra i campioni di fango forniti non sono state riscontrate rilevanti differenze per cui si è deciso di alimentare all’impianto pilota di gassificazione il Fango 3, essendo l’unico ad essere sottoposto ad un processo di essiccamento termico (Tabella 2.2).
