I risultati delle prove di un impianto pilota per la biofiltrazione delle Sostanze Organiche Volatili installato in un impianto di verniciatura di sedie
PAOLO GLEREAN TOP SEDIA (UD)
l seguente articolo ha il preciso scopo di “solleticare” la curiosità di tutti coloro sono coinvolti nel problema dell’abbattimento di Sostanze Organiche Volatili. In particolare vorrei trasmettere ai “colleghi” verniciatori la mia convinzione che i sistemi di abbattimento biologici sono una via percorribile, siadal punto di vista tecnico che da quello economico. Sicuramente c’è ancora della ricerca da fare per migliorare questa tecnologia, ma la velocità con cui questa ricerca potrà ottenere dei risultati dipende da quanto noi utilizzatori faremo pressione sugli impiantisti perché la portino avanti. Credo che pochi verniciatori sappiano dell’esistenza di tale tecnologia, per cui manca lo stimolo principale alleaziende produttrici di impianti per investire in questo senso: la richiesta di questa tipologia di impianto piuttosto di un’altra. Di seguito riporto una mia relazione tecnica relativa ad una “prova sul campo” di un biofiltro pilota fatta presso l’azienda in cui lavoro. Probabilmente sarebbe rimasta nel mio cassetto se non avessi incontrato il dott. Offredi ad un convegno da lui organizzato sui sistemi di abbattimento. Spero che l’averla tirata fuori aiuti chi sta iniziando a raccogliere informazioni sul sistema di abbattimento migliore daadottare nella propria azienda e lo spinga a richiedere agli impiantisti anche l’alternativa del biofiltro come soluzione possibile.
PREMESSA
Tra i requisiti ideali che un utilizzatore (di qualsiasi dimensione sia lasua azienda) di impianti di abbattimento chiede ad un sistema, sicuramente troviamo: efficienza di abbattimento, economicità di acquisto e di gestione, scarsa necessità di manutenzione. Questo diventa sempre più importante man mano che la dimensione dell’azienda si fa più piccola e l’imprenditore non ha tempo e risorse da distogliere alla produzione per dedicarle agli impianti di abbattimento.
IL BIOFILTRO
In settori che presentano in qualche modo delleaffinità con il settore della verniciatura, il settore cartotecnico in particolare, sono state adottate con successo le tecnologie cosiddette biologiche. Si tratta in sostanza di filtri composti dasostanza organica che funge da matrice (torbe, compost, vegetali), la quale viene colonizzata mediante opportune auto-selezioni o particolari inoculi di microrganismi che si cibano delle molecole di SOV, attraverso delle fasi di trasformazione e metabolizzazione dellesostanze organiche stesse. La matrice svolge la duplicefunzione di serbatoio temporaneo della sostanza organica che i microrganismi non riescono ad assimilare immediatamente e, nello stesso tempo, di supporto su cui i microrganismi stessi possono attecchire e svilupparsi. Nel settore cartotecnico si sono raggiunti dei livelli di abbattimento dichiarato prossimi al 90%, con una durata del letto filtrante di oltre tre anni. Allafine del ciclo divita del letto filtrante l’intero contenuto dei filtri può essere utilizzato come fertilizzante agricolo, non contenendo solventi organici, in quanto questi non sono stati solo trattenuti, ma anche scomposti e metabolizzati per diventare altre sostanze non più tossiche. Lo scopo di questa ricerca è quello di testare, partendo dall’esperienza del settore cartotecnico, questa tecnologia, per verificare il risultato che essa può dare nel settore della verniciatura industriale.
SOGGETTI COINVOLTI
La Top Sedia di Manzano (UD) fa parte del Gruppo Crabo, un gruppo industriale del settore mobile-arredo particolarmente orientato verso cicli di produzione sostenibili ecologicamente. Venuta a conoscenza della tecnologia biologica descritta poc’anzi, la proprietà dell’azienda ha promosso una collaborazione tra Top Sedia e altre aziende interessate allo sviluppo di tale tecnologia. MCE di Padova è l’azienda che ha installato e seguito uno dei principali impianti di biofiltrazione funzionanti in Italia (nel padovano) nel settore cartotecnico. Scopo della sua partecipazione è stato quello di capire se la tecnologia in suo possesso poteva essere efficacemente estesa al settore della verniciatura industriale. Sua funzione èstata quella di predisporre un biofiltro completo e di coordinare le varie fasi di messa a punto. CATAS di San Giovanni al Natisone, si é occupato dell’esecuzione delle analisi chimiche per determinare l’efficienza dell’impianto.
FASE I: INSTALLAZIONE E PRIME PROVE DEL BIOFILTRO PILOTA
Si è iniziato verificando con gascromatografia la tipologia di SOV contenuta all’interno della vernici utilizzate dalla Top Sedia per la verniciatura (vedi tabella I). Si è scelto di lavorare direttamente sulle emissioni della cabina automatica di verniciatura e non sulle emissioni delle fasi di appassimento, in quanto le prime presentano concentrazioni elevate e questo avrebbe permesso il duplice risultato di testare intensivamente il sistema e di operare direttamente sulla fonte maggiore di emissioni in senso assoluto. La metodologia di analisi è stata la seguente. Ad ogni analisi si è proceduto mantenendo costanti le condizioni di applicazione della vernice e quindi i parametri dell’impianto di verniciatura (portata, prodotto utilizzato, aspirazioni) e prelevando dei campioni col sistema della fiala di carboni attivi a monte e a valle del biofiltro. Successivamente si è proceduto in laboratorio allo strippaggio delle fiale e ad analisi del loro contenuto con gascromatografo. Si è utilizzato sempre lo stesso prodotto verniciante anche se le diluizioni risultavano via via diverse per ragioni applicative. Il risultato finale dell’analisi è stata un confronto tra la quantità assoluta di ogni singola sostanza emessa presente a monte del biofiltro e la quantità assoluta della stessa presente a valle del biofiltro. Il rapporto tra queste è la percentuale di abbattimento della sostanza stessa. Sommando le quantità assolute prelevate sia a monte che a valle del biofiltro e rapportandole si ottiene la percentuale di abbattimento totale dell’impianto. La prima analisi è stata fatta il giorno 28/4/2000 e ha dato i risultati in termini di abbattimento, presentati nella Tabella II. Il fatto che esistano percentuali positive (ad esempio per l’acetone e l’Nbutanolo, che invece di essere eliminati vengono prodotti in quantità maggiore!) è stato interpretato come un segnale del funzionamento del biofiltro: l’incremento di tali sostanze molto probabilmente significa che alcune SOV sonostate degradate formandone altre e quindi il processo biologico in qualche modo ha funzionato. Come primo dato è stato ritenuto buono, ma comunque lontano dalle percentuali di abbattimento del settore cartotecnico. Per migliorare questo risultato si è deciso di ridurre la portata dell’aria da convogliare al biofiltro, potendo così verificare la funzionalità di un diverso rapporto tra massa del filtro e quantità totale della massa di SOV da abbattere. Una volta atteso un periodo necessario ad effettuare le modifiche sull’impianto pilota e a verificare i dati di laboratorio si è atteso un tempo necessario per la messa in regime dell’impianto stesso esi è proceduto ad una nuova analisi in data 30 Giugno, il cui risultato è nella Tabella III. A questo punto si è avuta una delle prime grosse sorprese della ricerca, in quanto il valore atteso di abbattimento era almeno pari a quello ottenuto nella prima prova, avendo ridotto la portata e quindi avendo aumentato il rapporto tra massa filtrante e massa da filtrare. Si sono dovuti quindi rivedere tutti i parametri di funzionamento, sia della cabina di verniciatura e dei relativi flussi di aspirazione, sia del biofiltro, cercando di individuare le cause di questo comportamento anomalo. Una lunga disamina delle variabili ed un’analisi del letto filtrante ha fatto emergere che il sistema di umidificazione del letto stesso era insufficiente, in base alla temperatura dell’aria in ingresso, che avrebbe richiesto un apporto di acqua molto più elevato per poter mantenere la percentuale d’acqua corretta all’interno del biofiltro. Conseguenza di ciò è stato il progressivo asciugarsi della matrice di compost che ha causato una lenta necrosi del sistema.
FASE II: MODIFICHE ALL’IMPIANTO E PROVE SUCCESSIVE
Nel mese di Settembre si è proceduto ad una modifica sostanziale del sistema di umidificazione del biofiltro. Si è deciso di non procedere alla sostituzione del compost, in quanto si è ritenuto di poterlo recuperare con una operazione di reidratazione che è durata alcuni giorni. Dopo una fase necessaria di assestamento successiva al riavvio dell’impianto si è proceduto ad una nuova analisi in data 29 Ottobre che ha avuto l’esito riportato nella Tabella IV. In considerazione delle modifiche apportate, si è ritenuto il risultato decisamente insufficiente, il che ha richiesto una nuova analisi everifica dei parametri di funzionamento dell’impianto e una riverifica della composizione delle miscele vernicianti, la quale ha dato esito assolutamente ininfluente. Si è proceduto ad una successiva modifica sostanziale all’impianto: la sostituzione per intero del letto filtrante, unita ad un ulteriore sistema di umidificazione diretta del letto. Con la sostituzione del letto si è praticamente riportato alle condizioni di funzionamento iniziali il biofiltro, per cui si è proceduto a successive analisi, dopo il solito periodo di messa a regime del nuovo letto filtrante. La prima analisi è stata condotta interamente (campionamento ed analisi) da MCE in data 7 Dicembre ed ha dato i risultati riportati nella Tabella V. Questo è apparso come un risultato incoraggiante, visto anche che il biofiltro non era stato costruito con sistemi di coibentazione adeguati alle rigide temperature invernali della zona e la diminuzione della temperatura è un inibitore dell’attività biologica dei microrganismi. Il dato è stato poi verificato dal CATAS in un’analisi successiva (11 Gennaio) che ha evidenziato i risultati riportati nella Tabella VI. A questo punto, nonostante le attenuanti concesse dal fatto che la temperatura era decisamente rigida nel periodo ed il sistema di isolamento termico non eraadeguato, si è deciso di approfondire la ricerca sul piano teorico e non solo sperimentale. Si è affidato ad un consulente esterno l’incarico di ricercare lo stato della tecnica nei sistemi di abbattimento biologici di emissioni organiche esi è iniziato a collaborare con lui per verificare alcuni parametri prima trascurati, quali il pH della matrice compost e la sua composizione. In parallelo si sono cambiati dei parametri di funzionamento dell’impianto, in modo da renderlo più efficiente.
FASE 3: APPROFONDIMENTI A LIVELLO TEORICO E ANALISI DELLO STORICO DEI TEST
La composizione delle SOV reflue degli impianti cartotecnici si limita a pochi solventi di semplice assimilazione (ad esempio acetato di etile). L’auto-selezione, che avviene in ogni micro-sistema biologico, avviene in modo tale da semplificare la catena alimentare, ossia: una prima specie di batteri demolisce l’acetato di etile a favore di altri due microrganismi che metabolizzano i sottoprodotti della prima trasformazione. Come in qualsiasi catena alimentare (o trofica) vi sono anche i microrganismikiller, che si cibano dei microrganismi-abbattitori, in modo da regolare la vita all’interno dell’ecosistemabiofiltro. La semplicità della catena trofica è in funzione del numero di tipologie di SOV da abbattere (ciò è confermato anche dalla scarsa letteratura del settore). Tanto minore è il numero di tipologie di SOV da abbattere e tanto più semplici sono tali tipologie. Da questo punto di vista il caso delle SOV prodotte da un impianto di verniciatura industriale è obiettivamente più complesso di quello di un’industria cartotecnica. Le tipologie di SOV da abbattere sono più complessee più numerose in termini qualitativi. Questo significa che la catena di microrganismi che si occupano dell’abbattimento di una singola SOV diventa molto lunga; moltiplicando questo per il numero delle diverse SOV presenti ne discende la necessità di avere presenti all’interno del biofiltro una moltitudine di famiglie di microrganismi che debbono restare in equilibrio biologico. Se si pensa al fatto che in natura le diverse famiglie di microrganismi combattono tra di loro, ne deriva che maggiore è il numero delle famiglie in un ecosistema e maggiori sono i potenziali conflitti, a volte imprevedibili. Ne consegue che la ricerca relativa alla biofiltrazione applicata alla verniciatura industriale non può limitarsi ad una semplice sperimentazione con tecnologie prese da altri settori, ma deve proseguire a livello di laboratorio prima di poter tornare a sperimentare sul campo i risultati ottenuti.
| Componenti | % in peso sul totale |
| Acetone | 0,4 |
| MEK | 10,4 |
| Etilacetato | 0,4 |
| MIBK | 10,7 |
| Isobutil acetato | 2,5 |
| Toluene | 3,3 |
| n butil acetato | 14,1 |
| Xileni isomeri | 11,4 |
| Etossipropanolo acetato | 3,2 |
| Diaceton alcool | 4,0 |
| Butil cellosolve | 0,1 |
| Altri inferiori a 0,15% | 0,1 |
| Residuo secco | 39,4 |
| TOTALE | 100,0 |
TABELLA I – Solventi presenti nelle vernici utilizzate da Top Sedia
| Sostanza | % abbattimento |
| Acetone | + 67,11 |
| Mek | – 36,47 |
| Mibk | – 48,45 |
| Toluene | – 20,83 |
| Nbutanolo | + 383,33 |
| Nbutil acetato | – 38,01 |
| Xileni | – 22,43 |
| Etossipropanolo acetato | – 50,44 |
| TOTALE | – 27,47 |
TABELLA II – Efficienza di abbattimento con l’impianto a regime (il segno “meno” indica la percentuale di abbattimento delle singole sostanze e quindi l’efficienza del sistema nei confronti delle singole sostanze)
| Sostanza | % abbattimento |
| Acetone | + 1712,50 |
| Mek | – 17,69 |
| Mibk | – 13,85 |
| I-butanolo | + 46,15 |
| I-butilacetato | + 100,00 |
| Toluene | – 16,78 |
| Nbutanolo | + 1600,00 |
| Nbutilacetato | – 31,21 |
| Xileni isomeri | – 14,33 |
| Diacetonalcol | -93,64 |
| Etossipropanolo acetato | – 11,71 |
| Butil cellosolve | – 25,00 |
| TOTALE | – 17,37 |
TABELLA III – Efficienza di abbattimento dopo le modifiche dell’emissione (riduzione della portata)
CONCLUSIONI
La sperimentazione condottafinora ha portato ad un risultato che può dirsi parziale. I risultati ottenuti, che potremmo attestare attorno al 30-40% di abbattimento, ottimizzando il sistema esistente con adeguata coibentazione del filtro e monitoraggipiù frequenti ed accurati di pH, condizioni di temperatura e umidità del letto filtrante e sostanze nutrienti, permettono un passo avanti importante rispetto ai sistemi finora noti. Il biofiltro è infatti un sistema a costi di acquisto e di esercizio decisamente inferiori rispetto ad altri sistemi diabbattimento; ha il sostanziale vantaggio di essere dimensionabile in base alla quantità di emissioni da trattare e quindi è decisamente più sostenibile a livello di costi per le aziende di qualsiasi grandezza (il concetto di impianto resta identico, ma una grande industria che deve trattare enormi masse d’aria si doterà di un sistema di dimensioni importanti, mentre un piccolo artigiano verniciatore avrà praticamente lo stesso impianto in scala ridotta). Chiudendo il cerchio relativamente alle premesse fatte all’inizio possiamo dire che dall’esito del test condotto finora il biofiltro, pur avendo efficienze di abbattimento minori di altri impianti di abbattimento hacomunque dallasua alcuni vantaggi: economicità di acquisto/gestione; dimensionabilità in base alle diverse esigenze anche di piccolissime realtà; totale eco-compatibilità (il filtro esausto, dopo 23 anni di lavoro può essere utilizzato come compost agricolo) Se visto in ottica aggregata, l’adozione diffusa questo sistema permetterebbe di ridurre le emissioni dell’intero settore intervenendo sulle fonti inquinanti di qualsiasi dimensione, col risultato di un abbattimento drastico delle emissioni totali.
PROSPETTIVE
Per consentire di migliorare questi risultati la parte finale della ricerca è stata volta a cercare le competenze necessarie allo sviluppo della ricerca stessaverso obiettivi di abbattimento maggiori di quelli conseguiti con la sperimentazione di questo anno di ricerche e prove. Il risultato è stato la redazione di un progetto di ricerca condotto dalle università di Udine e Trieste, nei dipartimenti rispettivamente di Biologia (Scienza degli Alimenti) e di Biologia Molecolare, con partnership di diversi enti:
MCE di Padovae Geokarst dell’Area di Ricerca di Trieste per la parte impiantistica e di engineering
Top Sedia di Manzano (UD) per la parte di test sul campo
CATAS di San Giovanni al Natisone (UD) per le verifiche di laboratorio
Polistuc srl di S. Giovanni al Natisone, quale produttore di prodotti vernicianti, per ciò che riguarda conoscenza dei materiali e cicli di verniciatura ed eventuali modifiche di prodotto per ottimizzare il rendimento del biofiltro.
L’obiettivo di questo gruppo di lavoro è quello di arrivare a determinare i ceppi batterici migliori per l’abbattimento delle singole SOV maggiormente utilizzate nella verniciatura, testarle in laboratorio esul campo per poi costruirci attorno un impianto di biofiltrazione dimensionabile in base alle esigenze dei diversi operatori del settore, dai più piccoli ai più grandi. Ci si aspetta di migliorare sensibilmente i risultati di abbattimento ottenuti da questa prima prova campione. La ricerca ègià in corso ed inizia a dare dei risultati in termini di individuazione dei ceppi batterici idonei. bLa previsione relativamente al termine del lavoro completo (impianto pilota testato e funzionante) è prevista per la fine del 2001.
| Sostanza | % abbattimento |
| Acetone | + 1082,14 |
| Mek | – 45,64 |
| Mibk | – 28,95 |
| n-butanolo | + 2600,00 |
| Toluene | + 6,12 |
| Nbutil acetato | – 45,02 |
| Xileni | – 25,93 |
| Diacetonalcol | – 66,67 |
| Etossipropanolo acetato | – 50,00 |
| TOTALE | – 25,97 |
TABELLA IV – Efficienza di abbattimento dopo le modifiche del sistema di umidificazione
| Sostanza | % abbattimento |
| Acetone | – 8,33 |
| Mek | – 65,45 |
| Etileacetato | – 78,48 |
| c-butileacetato | – 8,33 |
| n-butileacetato | – 21,05 |
| Etilbenzene | + 172,73 |
| TOTALE | – 49,86 |
TABELLA V – Efficienza di abbattimento dopo la sostituzione del letto filtrante (analisi MCE)
| Sostanza | % abbattimento |
| Acetone | + 98,08 |
| Mek | – 35,93 |
| Mibk | + 38,71 |
| i-butac | + 342,42 |
| Toluene | + 140,21 |
| n-butanolo | + 15,22 |
| n-butac | + 50,87 |
| Xileni | + 28,31 |
| Etossipropanolo ac. | + 13,73 |
| Butil cellosolve | + 18,57 |
| Altri | + 31,47 |
| TOTALE | – 11,98 |
TABELLA VI – Efficienza di abbattimento dopo la sostituzione del letto filtrante (analisi CATAS)
