IMPIANTI PER L’ABBATTIMENTO DEI VOC: BIOFILTRI

Continua la presentazione dello stato dell’arte delle diverse tecnologie di abbattimento dei solventi: in Italia i biofiltri finora hanno funzionato solo nell’abbattimento della formaldeide, mentre nel nostro settore l’efficienza non ha mai superato il 40-50%.

A CURA DI MASSIMO TORSELLO

Tutte le schede sono state elaborate in ambito UNI (l’Ente italiano di unificazione), durante i lavori della norma tecnica UNI 10996, a cui hanno partecipato i rappresentanti degli impiantisti, degli Enti pubblici e degli utilizzatori. Completano il quadro i requisiti minimi lombardi ed europei richiesti agli impianti di depurazione per raggiungere un’efficienza di abbattimento ottimale.

GENERALITA’

La biofiltrazione (o depurazione biologica) è una tecnica che utilizza microrganismi (batteri, funghi, muffe, lieviti, ecc.) opportunamente selezionati per operare la degradazione di composti organici volatili (VOC) presenti all’interno di un effluente aeriforme. Il processo di degradazione è un processo aerobico esotermico costituito da una serie di reazioni biologiche (ossidazione, riduzione, idrolisi, ecc.) che operano la scomposizione e la metabolizzazione dei VOC da parte della popolazione microbica, in condizioni controllate di temperatura, umidità, pH ed altri parametri. I prodotti metabolici più importanti sono l’acqua e l’anidride carbonica; in funzione dei VOC di partenza si possono avere sottoprodotti quali composti azotati, composti solforati, ecc.
Le reazioni biochimiche indotte dai microrganismi sono principalmente reazioni ossido-riduttive, nelle quali ha luogo un trasferimento di elettroni dalla sostanza che, cedendo idrogeno, si ossida a quella che, fungendo da accettore, si riduce. In seguito a varie sperimentazioni, i composti più facilmente biodegradabili sono risultati essere: alcoli, eteri, aldeidi, chetoni, composti azotati, ammoniaca ed alcuni composti aromatici monociclici; sono anche facilmente controllabili i composti solforati, mentre hanno dimostrato una ridotta degradazione i composti organici fortemente alogenati. Un impianto di biofiltrazione (biofiltro) è un dispositivo in grado di captare, per diffusione ed adsorbimento, le molecole di VOC presenti nell’effluente aeriforme da trattare e di sottoporle alla decomposizione biologica mediante la popolazione microbica, che può essere composta da un largo spettro di specie (batteri, funghi, lieviti, muffe, ecc.), anche presenti contemporaneamente nel dispositivo stesso. Si sottolinea infatti che la biodegradazione degli inquinanti difficilmente avviene ad opera di una singola specie di microrganismi; nella maggior parte dei casi essa è opera simultanea di differenti specie diverse tra loro metabolicamente e numericamente, in equilibrio simbiotico. Il numero di specie differenti presenti in un biofiltro dipende dal numero e dalla qualità delle sostanze presenti nell’effluente aeriforme ed è ad esse direttamente proporzionale: questo perché la degradazione di una molecola complessa avviene passando attraverso la formazione di sottoprodotti sempre meno complessi, fino a completa riduzione a molecole semplici ed ogni singola specie microbica partecipa alla decomposizione in atto, in funzione della propria specificità biologica. La difficoltà insita nel processo di depurazione biologica è proprio riuscire a raggiungere e mantenere l’equilibrio simbiotico di cui sopra.

DESCRIZIONE DI UN TIPICO IMPIANTO DI BIOFILTRAZIONE

Dal punto di vista impiantistico, un biofiltro chiuso è costituito essenzialmente da: uno o più corpi filtranti contenenti il materiale di supporto e la popolazione microbica; un sistema di captazione e convogliamento delle emissioni provenienti dalle utenze; un dispositivo per il condizionamento dell’effluente aeriforme ed uno per la rimozione del particolato, entrambi posti a monte dei corpi filtranti; un sistema per la gestione del nutrimento e del percolato; un’apparecchiatura di comando e controllo del processo; un camino di scarico in atmosfera; un eventuale dispositivo, posto a valle del corpo filtrante, per il raffreddamento dell’effluente aeriforme, la condensazione dell’umidità in esso presente ed il riutilizzo di quest’ultima come acqua di reintegro. L’effluente aeriforme, captato da apposito ventilatore, viene convogliato verso l’impianto di depurazione dove subisce una preliminare filtrazione dell’eventuale particolato presente ed un successivo condizionamento per il raggiungimento delle condizioni ottimali per lo sviluppo delle reazioni biologiche; l’effluente aeriforme attraversa quindi il corpo filtrante, dove subisce l’azione metabolica della popolazione microbica, con moto dal basso verso l’alto e ne fuoriesce, così trattato, per essere immesso direttamente in atmosfera (attraverso il camino di scarico) oppure, qualora contenesse ancora VOC non sufficientemente biodegradati, per essere inviato ad un successivo impianto di abbattimento (carboni attivi, scrubber, ecc.). Contemporaneamente al processo di abbattimento dei VOC, l’impianto provvede anche alle operazioni di drenaggio e trattamento del percolato, di alimentazione del nutrimento per la popolazione microbica, di lavaggio del corpo filtrante.

PARAMETRI DI PROCESSO TIPICI PER LA BIOFILTRAZIONE

La cinetica globale del processo di rimozione e degradazione biologica degli inquinanti è complessa; il principio su cui si basa il funzionamento di un biofiltro è principalmente legato alla possibilità di creare, per i microrganismi in esso residenti, un ambiente adatto alla loro sopravvivenza e riproduzione. Ciò si attua ottimizzando il controllo di alcuni parametri fondamentali che sono: umidità, temperatura, pH, nutrimento. Di fondamentale importanza per assicurare il mantenimento dell’efficienza di abbattimento è anche la scelta del materiale di supporto.

Umidità

L’umidità è un parametro importante in quanto i microrganismi sono in grado di assorbire sostanze alimentari solo dalla fase acquosa. Un insufficiente contenuto di acqua determinerebbe l’essiccazione del materiale di supporto e la perdita di attività biologica; al contrario, un eccesso d’acqua promuoverebbe lo sviluppo di una condizione di anaerobiosi del corpo filtrante, a causa dell’occlusione delle zone vuote della struttura e la formazione di prodotti metabolici volatili maleodoranti. L’evaporazione dell’acqua assorbita dal materiale di supporto è dovuta sia all’attività esotermica dei microrganismi, sia all’azione dell’effluente aeriforme che attraversa il corpo filtrante. E’ importante dunque che sia mantenuto sotto controllo il valore di questo parametro e che l’impianto sia in grado di operare il reintegro automatico del liquido.

Temperatura

Particolare importanza ha anche la temperatura che, attraverso l’azione sui vari meccanismi metabolici, influenza notevolmente la riproduzione microbica; a seconda del tipo di microrganismi esistono intervalli di temperature ottimali per la loro riproduzione. Generalizzando, i microrganismi possono essere suddivisi in tre tipi, ciascuno dei quali ha il proprio campo ottimale di temperatura: psicrofili (da 15°C a 20°C), mesofili (da 25°C a 40°C), termofili (da 55°C a 65°C); quelli più comunemente utilizzati sono i mesofili. La diminuzione della temperatura al di sotto dei limiti inferiori riportati, porta alla graduale inibizione dell’attività biologica della popolazione microbica.

pH

Il pH è un fattore determinante per le prestazioni funzionali dei microrganismi, in particolare per i fenomeni riproduttivi, ed ogni specie si accresce solo all’interno di specifici intervalli di questo parametro. Generalmente il pH di lavoro di un biofiltro è compreso tra 7 e 8, ma la degradazione degli inquinanti può portare a valori di maggiore acidità nella parte inferiore del corpo filtrante, in prossimità dell’ingresso dell’effluente aeriforme. Per correggere l’acidità formatasi e ripristinare la condizione di neutralità, si possono adottare principalmente due tecniche: mediante l’aggiunta di acqua, che asporta gli acidi dal materiale di supporto e li trasferisce al percolato; mediante l’aggiunta di opportuni tamponi, quali CaCO3 e K2HPO4.

Nutrimento

Il nutrimento, immesso (quando necessario) nel corpo filtrante assieme all’acqua di reintegro, dovrebbe contenere gli elementi fondamentali per la proliferazione della popolazione microbica (carbonio, azoto, fosforo, potassio e zolfo) in quantità che non si discostino di molto dal rapporto ottimale qui riportato: C/N/P/K/S=100/10/4/1/1.

Materiale di supporto

Il materiale di supporto, sul quale viene insediata la popolazione microbica, dovrebbe rispondere ai seguenti requisiti minimi: fornire le condizioni ambientali ottimali per la proliferazione della popolazione microbica residente; avere un’alta percentuale di sostanza organica; disporre di una elevata superficie; avere una struttura porosa e scabra; avere un odore proprio ridotto. L’elevata porosità della struttura è necessaria per fornire un’ampia superficie reattiva con una perdita di carico sufficientemente bassa e per garantire una buona immissione di ossigeno. La scabrosità è necessaria per garantire l’ancoraggio dei microrganismi alla superficie solida. L’alta percentuale di sostanza organica permette di fornire ai microrganismi il necessario apporto di sostanze nutritive anche quando l’impianto non è operativo in fase di abbattimento. Tale condizione però ha anche un aspetto negativo in quanto la decomposizione del materiale organico di cui è formato il materiale di supporto, porta ad un progressivo consumo dello stesso (produzione di fanghi) con conseguente perdita della porosità originale ed inevitabile intasamento con aumento delle perdite di carico; conseguenza ultima di tale decadimento è la sostituzione più o meno frequente del materiale di supporto. Per ovviare a questi inconvenienti, alcuni impiantisti realizzano materiali di supporto formati in parte da materiale inerte dotato però di un nucleo idrofilo e ricoperto di materiale organico (tra cui carbone attivo) che svolge la funzione di captazione dei VOC. La presenza di un materiale adsorbente nel corpo filtrante serve anche per migliorare le prestazioni del biofiltro in condizioni di carico inquinante variabile; infatti, i meccanismi di adsorbimento e desorbimento propri del materiale adsorbente permettono di livellare le eventuali fluttuazioni della concentrazione di VOC nella fase acquosa che serve da alimento ai microrganismi, assicurando una sua maggiore costanza.

 

TABELLA 1 – SCHEDA BIOFILTRI DA DGR LOMBARDIA 1 AGOSTO 2003, N. 7/13943
Scheda BF.02	IMPIANTO A BIOFILTRAZIONE
Tipo di abbattitore	Biofiltro a tecnologia combinata
Impiego	Abbattimento odori, COV e CIV
Provenienza degli inquinanti	Industria chimica, petrolchimica e farmaceutica, industria del legno e della carta, processi di stampa, produzioni vernici, applicazioni vernici su metallo, legno, alluminio, industria delle materie plastiche, produzione estrusione e formatura, industrie di rendering, impianti trattamento acque, industrie alimentarie e casearie, ittiche, macelli e trattamento carni, allevamenti, concerie, trattamento di rifiuti urbani e operazioni e/o fasi che possano generare emissioni di COV o CIV a basso tenore
INDICAZIONI IMPIANTISTICHE
1. Temperatura	<= 55°C
2. Tipo di biofiltro	Chiuso con substrato organico tipo compost o torba alleggerito con materiali inerti inorganici e/o organici (polistirolo)
3. Compartimentazione	Chiuso con substrato inerte e substrato attivo ad elevata superficie specifica ed alta permeabilità. Flusso dell’aria dall’alto verso il basso in equicorrente con acque di umidificazione. Presenza di più letti per singola apparecchiatura
4. Perdite di carico	<= 0,15 kPa/m costanti nel tempo
5. Altezza del letto	Compresa tra 0,5 e 2,5 m
6. Carico specifico volumetrico (Portata specifica)	<= 400 m3/h*m2
7. Umidità del letto	40-50% gr H2O / gr inerte
8. Acidità (pH) del letto	4 – 8,5
9. Percentuale del pieno	Compresa tra 30 e 60%
10. Tempo di contatto	Non inferiore a 35 s per substrati aventi una superficie specifica fino a 350 m2/g; Non inferiore a 23 s per substrati aventi una superficie specifica fino a 850 m2/g; Non inferiore a 5 s per substrati aventi una superficie specifica fino a 1350 m2/g;

11. Tipo di costruzione	Costruzione in container chiusi in acciaio o altro materiale di qualsiasi dimensione, dotati di numerosi bocchelli di ispezione, manutenzione e carico-scarico del materiale di riempimento
12. Concentrazione massima in ingresso
13. Ulteriori apparecchi	Sistema di umidificazione, tipo scrubber o equivalente, della corrente gassosa in ingresso obbligatorio; in quest’apparecchiatura si dovrà correggere il pH in modo da renderlo compatibile col successivo trattamento biologico. Sistema di adsorbimento e rilascio dell’inquinante da trattare per concentrazioni più elevate di quelle previste (facoltativo)
14. Manutenzione	Controllo degli organi in movimento, controllo e taratura degli strumenti di controllo e regolazione. Controllo con particolare riferimento all’efficienza del sistema di abbattimento sussidiario statico a carboni attivi, controllo delle tenute degli assorbitori. Pulizia mensile del sistema di umidificazione a monte dei biofiltri. Controllo e registrazione del pH del sistema di umidificazione e del percolato del biofiltro. Controllo e registrazione delle temperature a monte e a valle del biofiltro quali indicatori di attività biologica depurativa. Sostituzione del materiale filtrante ogni due/cinque anni a seconda delle garanzie offerte dal costruttore e delle performance del sistema
15. Informazioni aggiuntive	La presenza di un tubo camino facilmente accessibile, dotato di presa campione, rende il sistema facilmente monitorabile analiticamente. La presenza di una corrente satura d’acqua deve tuttavia essere gestita con attenzione, sia con sistemi di misura tipo FID, sia con fiale di carbone attivo, sia con le metodiche olfattometriche

 

TABELLA 2 – I PARAMETRI DEI BIOFILTRI SECONDO LE BAT EUROPEE
Parametri	BAT Europee
Altezza letto	0,5-1,5 m
Carico specifico	100-500 Nm3/h*m2
Umidità relativa effluente	> 95%
Umidità relativa letto	< 60%
Percentuale del pieno	n.p.
Acidità (pH) del letto	n.p.
Tempo residenza minimo	30-45 s
Temperatura	15-40°C
Concentrazione massima in ingresso	n.p.
Concentrazione HC	200-2000 mg/m3
Concentrazione toluene	20-500 mg/m3
Concentrazione stirene	50-500 mg/m3
Perdite di carico	0,5-2 kPa