di Benedetto De Vivo*
Dopo intervento di Sindaco Manfredi in merito alla decisione, finalmente, di andare nella direzione giusta con applicazione della tecnologia del desorbimento termico in-situ per il risanamento da composti Organici (in particolare IPA e PCB), presenti in alcune aree del sito di Bagnoli, preciso ulteriormente le differenze di desorbimento termico in-situ e ex-situ, e relativi impianti di trattamento. Il Sindaco non specifica cosa sarebbe il grande impianto industriale, da lui evocato, né ha menzionato il relativo costo. Mi prendo quindi la briga, senza fare scoperte innovative/rivoluzionarie, ma attingendo semplicemente alla ampia letteratura e casistica mondiale (Xu e Sun, 2021), di illustrare le differenze fra il desorbimento termico in-situ e ex-situ, esplicitando anche perché il desorbimento in-situ, per il caso Bagnoli, sia senza alcun dubbio, da preferirsi, sia per quanto riguarda i costi, sia anche per i rischi aggiuntivi che introdurrebbe un trattamento ex-situ, all’interno praticamente dell’area densamente abitata (Quartieri di Bagnoli, Cavalleggeri, Fuorigrotta).
Il desorbimento termico è una tecnica di bonifica ambientale in cui contaminanti come i composti organici (IPA, PCB, Idrocarburi Totali) e il mercurio metallico nel terreno vengono volatilizzati e separati tramite riscaldamento. Grazie alla sua versatilità e applicabilità in diversi tipi di terreno, è comunemente utilizzato nei progetti di bonifica ed è spesso selezionato negli USA per i siti superfund in cui viene rilevata un’elevata concentrazione di vari contaminanti (Baker e Kuhlman, 2002; Khan et al., 2004), fra i quali quelli che sono presenti in alcune aree del sito industriale dismesso (brownfield site) di Bagnoli.
Il desorbimento termico, diviso in desorbimento termico in-situ ed ex-situ, è generalmente un processo ad alta intensità energetica che richiede l’utilizzo di calore per volatilizzare l’umidità, la materia organica e il mercurio. L’umidità e gli inquinanti volatilizzati vengono inviati al sistema di trattamento dei gas di scarico tramite flusso d’aria o sistema sotto vuoto. Il terreno trattato può essere sottoposto a singola fase o a cicli di trattamento, considerandosi l’azione di bonifica completata quando le concentrazioni dei contaminanti organici hanno raggiunto i livelli di Legge (Zhao et al., 2019).
Caratteristiche del Desorbimento Termico
Il desorbimento termico richiede il riscaldamento del terreno a una temperatura sufficiente tramite scambio termico diretto o indiretto in condizioni di vuoto o attraverso l’introduzione di un gas vettore, in modo che gli inquinanti organici possano essere volatilizzati o separati dai suoli inquinati sotto forma di gas. Il desorbimento termico può convertire selettivamente gli inquinanti da una fase all’altra regolando la temperatura di riscaldamento e il tempo di residenza. Controllando la temperatura del sistema di desorbimento termico e il tempo di residenza del terreno contaminato, gli inquinanti possono essere volatilizzati selettivamente senza reazioni chimiche (quali ad esempio, ossidazione e decomposizione).
Il desorbimento termico può rimuovere efficacemente composti organici altamente volatili e, nelle condizioni appropriate, può anche rimuovere inquinanti organici semi-volatili o difficilmente volatili che hanno punti di ebollizione elevati e sono difficili da decomporre. Gli inquinanti organici con diversi punti di ebollizione, possono essere volatilizzati uno alla volta per ottenere i risultati correttivi desiderati.
Il desorbimento termico consiste principalmente in due processi di base: uno è il riscaldamento del terreno contaminato per volatilizzare l’inquinante target nella fase gassosa per la separazione; l’altro è la condensazione, raccolta o incenerimento del gas di scarico contenente inquinanti fino a quando non si raggiungono gli standard ambientali di Legge.
Principi e caratteristiche della tecnologia di desorbimento termico in situ
Il desorbimento termico in-situ (Figura 1) si riferisce al riscaldamento in-situ del terreno nell’area contaminata (quindi senza scavare/asportare un grammo di terreni inquinati) in modo che gli inquinanti in esso contenuti si trasformino in fase gassosa o liquida e vengano quindi catturati dal sistema di estrazione in-situ, per essere poi trattati in apposito impianto. Il sistema comune di desorbimento termico in-situ è composto principalmente da un sistema di riscaldamento del terreno, un sistema di estrazione in fase gassosa, un sistema di trattamento delle acque reflue e dei gas di scarico, un sistema di controllo e altre parti. Attualmente, la tecnologia di desorbimento termico in-situ può essere approssimativamente suddivisa nei seguenti tipi in base ai diversi metodi di riscaldamento: riscaldamento a resistenza elettrica (ERH), riscaldamento a conduzione termica (TCH), estrazione potenziata dal vapore (SEE), tecnologia a radiofrequenza (RF), tecniche ad aria calda e acqua calda. Il TCH può essere ulteriormente caratterizzato in riscaldatori elettrici o bonifica termica a gas (GTR), a seconda dell’elemento riscaldante utilizzato. Tra questi, ERH e TCH sono i più ampiamente utilizzati, con ERH dominante, che supera di un fattore 3 le altre tecnologie di desorbimento termico in-situ, secondo la Federal Remediation Technologies Roundtable (FRTR, 2021).
Principi e caratteristiche della tecnologia di desorbimento termico ex-situ
Con la tecnologia del desorbimento termico ex-situ si rimuove il terreno contaminato nell’area contaminata e lo si trasporta all’apparecchiatura di desorbimento termico ex-situ per il trattamento termico (Figura 2). I comuni sistemi di desorbimento termico ex-situ includono sistemi di alimentazione (come frantoi, schermi vibranti, trasportatori a catena, nastri trasportatori, deferrizzatori, ecc.), sistemi di desorbimento (apparecchiature di essiccazione rotativa, apparecchiature di propulsione a vite termica, apparecchiature a letto fluidizzato, ecc.), sistemi di trattamento dei gas di scarico (collettore di polvere a ciclone, seconda camera di combustione, torre di raffreddamento, condensatore, filtro a secco, torre di lisciviazione, apparecchiature di ultrafiltrazione, ecc.). I sistemi di desorbimento termico ex-situ possono essere suddivisi in desorbimento termico ad alta temperatura (HTTD) e a bassa temperatura (LTTD). LTTD può aumentare la temperatura del suolo a 90～320℃, ed è utilizzata principalmente per trattare composti organici volatili e solventi clorurati; HTTD è utilizzato per trattare composti organici semi-volatili e può essere utilizzato anche per PCB e mercurio.
Questa tecnologia può operare con la temperatura del suolo a 320～560℃, ma configurazioni specializzate possono raggiungere temperature ancora più elevate. I sistemi di desorbimento termico ex-situ possono anche essere suddivisi in desorbimento termico diretto e indiretto, a seconda che il gas di riscaldamento entri direttamente in contatto con il suolo contaminato (richiedendo quindi un trattamento).
Sintesi di case histories
La tecnologia di desorbimento termico ha ampie prospettive di applicazione ingegneristica. Negli USA, il suo utilizzo nel campo della bonifica ambientale è iniziato negli anni ’80, con un uso su larga scala a partire dagli anni ’90. Con varie implementazioni nei progetti Superfund e nei progetti di bonifica locali, esiste già una ampia casistica di progetti di desorbimento termico, che stanno rapidamente guadagnando terreno come tecnica di bonifica popolare anche in altri Paesi (Cina, Europa, altri).
Overview
La tecnica più comune utilizzata per il desorbimento termico ex-situ è la tecnologia di desorbimento termico con essiccatore rotante (forno). Per il desorbimento termico in-situ, le tecnologie ERH e TCH sono le più ampiamente implementate e utilizzate.
La temperatura di lavorazione della tecnologia in-situ è per lo più di 100°C e la media è di 161°C. La temperatura di lavorazione della tecnologia ex-situ può essere relativamente più elevata, variando da 150°C a 700°C, con una media di 403°C. Pertanto, il desorbimento termico ex-situ è più versatile, ma l’opzione del desorbimento termico in-situ ha costi molto più bassi.
Per l’approccio ex-situ, la capacità di elaborazione singola dell’attrezzatura di desorbimento termico rotativo è relativamente piccola, variando da 1 a 8 tonnellate/ora nei casi esaminati.In genere, le tecnologie di desorbimento termico non hanno limitazioni specifiche sul tipo di terreno. Nei casi esaminati, la classificazione del terreno varia da sabbia grossolana a limo e argille fini. Per i processi ex-situ, il terreno passa attraverso un processo di setacciatura per evitare che pezzi più grandi danneggino l’attrezzatura. I contaminanti possono anche legarsi a particelle di terreno più fini e polvere nei sistemi di essiccazione e scarico, con conseguente “concentrazione” di contaminanti organici e una diminuzione dell’efficienza del desorbimento termico. Tuttavia, questo in genere non è un problema significativo da superare. Il desorbimento termico in-situ pone condizioni leggermente più severe rispetto alla conoscenza dei terreni sui quali applicare la tecnologia, ma è certamente meno impegnativo rispetto al desorbimento termico ex-situ e altre tecniche di bonifica.
Il desorbimento termico ex-situ richiede un contenuto di umidità del terreno ottimale di circa il 15-20%. Se il terreno è troppo umido, l’efficienza del riscaldamento si riduce e la quantità di vapore acqueo contaminato aumenta. Se il terreno è troppo secco, si crea molta polvere. Per ridurre il contenuto di umidità, di solito si aggiunge calce al terreno. Il desorbimento termico in-situ è molto sensibile al contenuto di umidità e ai livelli delle falde acquifere. Come accennato in precedenza, influisce direttamente sulla temperatura di trattamento e i livelli di saturazione influiscono anche sul trasferimento di calore e sul flusso di gas.
Costi
I dati sui costi non sono sempre stati forniti nei casi esaminati. Indipendentemente dalla tecnologia di desorbimento termico in-situ o ex-situ, i costi di investimento del sistema sono alti e in genere rappresentano la maggior parte dei costi. L’investimento del sistema è di circa 1-4 milioni di dollari e il costo operativo è per lo più compreso tra 50 e 300 dollari/tonnellata.
Non vi è alcuna differenza visibile tra applicazioni in-situ ed ex-situ in termini di costo unitario e non esiste una chiara tendenza con il passare del tempo. Tuttavia, i costi unitari diminuiscono quando aumenta la quantità totale di terreno trattato (ad esempio, aumenta la scala di operazione). Per i casi con oltre 50.000 tonnellate di terreno trattato, il costo unitario è inferiore a 100 $/tonnellata. Per un caso esaminato con 389.000 tonnellate (unico caso che utilizzava SEE – estrazione potenziata del vapore), il costo unitario riportato era addirittura più basso, circa 20 $/tonnellata. Con l’aumentare della quantità di terreno trattato, i costi di investimento iniziali del sistema vengono distribuiti su una quantità maggiore di terreno. Pertanto, i costi unitari complessivi diminuiscono notevolmente.
Sintesi Conclusioni e altre osservazioni
Come accennato in precedenza, le applicazioni in-situ di desorbimento termico sono più sensibili alle caratteristiche del suolo, al contenuto di umidità e alle condizioni delle falde acquifere nell’area di trattamento target (TTA). L’efficienza e l’efficacia ottimali di questa tecnologia dipendono in gran parte dalla capacità di rilevare, modellare e prevedere le condizioni del sottosuolo, nonché il trasferimento di calore e contaminanti. I costi possono aumentare se le operazioni non possono procedere come previsto, rendendo, potenzialmente necessarie, tecniche di trattamento secondario, per raggiungere gli obiettivi di concentrazione dei contaminanti nei limiti di Legge.
ll desorbimento termico ex-situ si dimostra più versatile. Se il processo non riesce a soddisfare gli obiettivi di bonifica per (parte) del terreno trattato, la parte insoddisfacente può essere sottoposta a un trattamento secondario o essere inviata in discarica. In ogni caso con la tecnologia del desorbimento termico ex-situ, l’inquinamento secondario durante lo scavo e il trasporto può rappresentare una minaccia per i lavoratori e per i cittadini che vivono in aree prossime al sito.
Come tecnologia di bonifica, il desorbimento termico è più gradito al pubblico, in generale, e alle comunità locali. La tecnologia rimuove completamente i contaminanti organici, mentre altre tecnologie come la stabilizzazione “lasciano problemi per il futuro”. A differenza della vetrificazione, il desorbimento termico non “distrugge” completamente il terreno.
Confronto tra vantaggi e limiti di desorbimento termico in-situ e ex-situ
Sia il desorbimento termico in-situ che ex-situ impiegano lo stesso concetto: riscaldare i contaminanti fino a quando si volatilizzano e si separano dal terreno. Pertanto, queste due tecnologie hanno le seguenti somiglianze:
1. Capacità di rimuovere la maggior parte degli inquinanti organici in un tempo relativamente breve: il desorbimento degli inquinanti organici dal terreno può essere ottenuta efficacemente e i gas generati possono essere trattati mediante combustione secondaria o concentrazione, con conseguente rimozione o riciclo completo delle sostanze. Il processo di desorbimento termico, é più rapido rispetto ad altre tecnologie di bonifica, il che lo rende desiderabile per progetti sensibili al fattore tempo.
2. Elevato consumo energetico: poiché la tecnologia di desorbimento termico richiede la conversione di energia elettrica o la combustione di gas naturale e altri combustibili, il consumo energetico e il conseguente costo è più alto rispetto ad altre tecnologie come la solidificazione/stabilizzazione, l’ossidazione chimica in-situ e l’estrazione di vapore dal suolo.
3. Inquinamento secondario: la tecnologia di desorbimento termico ex-situ richiede lo scavo e il trasporto del terreno, durante i quali i contaminanti possono diffondersi. Allo stesso tempo, crea anche nuove fonti di inquinamento come rumore, contaminazione dell’acqua piovana e polvere.
4. Il sistema complessivo è ampio e complesso: oltre al sistema di desorbimento, l’impostazione ex-situ include anche un sistema di alimentazione, un sistema di trattamento dei gas di scarico, nonché un sistema di monitoraggio ausiliario e un sistema di pre-trattamento. Il sistema di trattamento termico in-situ richiede anche sistemi di gas di scarico/acque reflue e altri sistemi di follow-up.
5. Buona scalabilità: come accennato in precedenza, sia il desorbimento termico ex-situ che in-situ traggono vantaggio dall’aumento della scala in termini di costi unitari inferiori. In generale, il desorbimento termico è adatto per il trattamento di siti contaminati da materia organica (o elementi inorganici volatili, come il mercurio). È più conveniente per siti più grandi o siti con concentrazioni di contaminanti più elevate grazie alla sua eccellente efficacia ma a costi iniziali relativamente più elevati. Esistono anche molte differenze tra le tecnologie di desorbimento termico in-situ ed ex-situ, ciascuna con i propri vantaggi e svantaggi (discussi di seguito).
Vantaggi
In-Situ: 1) Il sistema di trattamento dei gas di scarico e il sistema di monitoraggio occupano una piccola area; 2) Il processo in-situ non comporta alcuna (o comunque molto limitata) contaminazione secondaria; 3) Non c’è bisogno di movimentare i terreni (scavo, trasporto e trattamento), il che consente di risparmiare sui costi; 4) La quantità di gas di scarico prodotta è piccola e la concentrazione di inquinanti nel gas di scarico è elevata; quindi viene utilizzato il metodo di raccolta e non vengono prodotti altri inquinanti; 5) Può essere utilizzato in prossimità e anche sotto edifici/strutture esistenti, senza effettuare scavi.
Ex-situ: 1) Processo sul terreno, facile da controllare; 2) Facile da determinare se il terreno è conforme agli standards; 3) Gamma più ampia di contaminanti idonei da trattare; 4) Temperature di riscaldamento più elevate e più facili da raggiungere.
Limitazioni
In-Situ: 1) I processi sotterranei sono difficili da prevedere e controllare; 2) Più vulnerabile alle condizioni specifiche del sito, previsioni imperfette; 3) Temperature di riscaldamento più difficili da raggiungere.
Ex-Situ: 1) Necessità di costruzione di un sito per lalavorazione che occupa una vasta area; 2) Il terreno contaminato deve essere scavato e trasportato. I contaminati possono diffondersi, causando quindi inquinamento secondario, in aggiunta a rumore e polveri; 3) Procedure di scavo, trasporto e riempimento di terreno, incrementano i costi; 4) Nella tecnologia di desorbimento termico diretto, la combustione dei gas di scarico può produrre inquinanti più dannosi per la salute umana, e un funzionamento improprio può persino produrre composti cancerogeni, quali le diossine (soprattutto in prossimità di area marina); 5) Non può essere utilizzato sotto edifici/strutture e/o in prossimità di aree con residenze civili.
Dal confronto sopra, il desorbimento termico ex-situ è più versatile rispetto alla sua controparte in-situ, poiché è meno dipendente dalle condizioni del sito, si applica a una gamma più ampia di contaminanti e si adatta meglio a progetti più grandi. Può eseguire rapidamente ed efficacemente una serie di processi come il pretrattamento, il desorbimento termico e il monitoraggio. D’altro canto, il desorbimento termico in-situ presenta maggiori vantaggi in termini di riduzione al minimo del disturbo del terreno e dell’inquinamento secondario. Consente inoltre di risparmiare sui costi di scavo e trasporto del terreno e richiede meno area per la lavorazione.
In conclusione, il desorbimento termico in-situ è più adatto nei siti, in cui le condizioni del terreno possono essere esaminate in modo completo e i modelli di trasferimento di calore e contaminanti possono essere stabiliti con sicurezza. È preferibile in contesti urbani e suburbani, soprattutto dove lo scavo non è fattibile a causa di strutture esistenti e presenza di comunità circostanti. Se le condizioni di cui sopra sono soddisfatte, il desorbimento termico in-situ ha un costo unitario inferiore rispetto al desorbimento termico ex-situ.
Analisi delle tendenze applicative della tecnologia di desorbimento termico
L’Agenzia per la protezione ambientale degli Stati Uniti (U.S. Environmental Protection Agency) ha pubblicato la quindicesima edizione del Superfund Site Summary Report nel luglio 2017, che elencava il numero di applicazioni di varie tecnologie di controllo dell’inquinamento del suolo nei siti di bonifica Superfund dal 1982. Nei 33 anni dal 1982 al 2014, il numero di casi di applicazione è stato di 93 per il desorbimento termico in-situ e 60 per il desorbimento termico ex-situ. La tecnologia di desorbimento termico in-situ è stata applicata più frequentemente negli anni dal 1989 al 2000 e dal 2005 al 2014. La tecnologia di desorbimento termico ex-situ è stata ampiamente utilizzata dal 1990 al 1999. Dopo il 2006, il desorbimento termico ex-situ è diventato sempre meno popolare, a favore del desorbimento termico in-situ.
Nel corso degli anni, il desorbimento termico in-situ è rimasto ampiamente utilizzato nei progetti Superfund, mentre il desorbimento termico ex-situ ha subito un declino. Negli anni ’90, il desorbimento termico in-situ ed ex-situ erano quasi ugualmente popolari. Ciò può essere attribuito al fatto che entrambe erano tecnologie di recente istituzione e che le azioni di bonifica sui siti contaminati erano appena iniziate negli USA. Quindi, entrambe le tecnologie possono essere applicate su numerosi siti contaminati purché siano soddisfatte le condizioni richieste per ciascuna tecnologia. Negli anni più recenti, gli sviluppi nei campi geotecnico e geoambientale hanno migliorato la capacità di comprendere le condizioni e i processi del sottosuolo. I progressi nelle tecnologie non invasive come le tecniche delle onde sismiche, la tomografia a resistenza elettrica e il radar a penetrazione del suolo hanno reso la modellazione delle condizioni sotterranee meno costosa e rischiosa.
Questo spiega perché il desorbimento termico in-situ è stato più popolare di recente, in particolare dopo il 2004. In futuro, è probabile che tecnologie più recenti come la caratterizzazione del sottosuolo di UAV completamente autonoma renderanno il desorbimento termico in-situ ancora più fattibile per progetti più grandi, aumentandone quindi ulteriormente l’utilizzo.
Sia il desorbimento termico in-situ che quello ex-situ sono tecnologie comprovate per la bonifica del suolo contaminato. Come per qualsiasi altra tecnica di bonifica del suolo, entrambe non sono perfette e richiedono determinate condizioni per ottenere la massima efficienza ed efficacia. Il desorbimento termico in-situ è attualmente più adatto e può ottenere eccellenti risultati di bonifica per determinati contaminanti, ma è più vulnerabile alle condizioni del terreno. Il desorbimento termico ex-situ è più versatile e può trattare contaminanti meno volatili, ma richiede scavi e trasporto del suolo e presenta un rischio maggiore di inquinamento secondario per i cittadini residenti nelle aree circostanti il sito contaminato. La pratica ingegneristica, in generale, richiede un’attenta pianificazione e giudizio, il che è particolarmente vero per la bonifica del suolo. Con i progressi nelle tecniche di caratterizzazione del sottosuolo, si prevede che il desorbimento termico in-situ diventi più popolare, anche se il desorbimento termico ex-situ può ancora essere considerato come un’alternativa ragionevole, in particolare situazioni (esempio in siti lontani da aree urbanizzate). Il desorbimento termico può raggiungere costi unitari relativamente bassi con l’aumento della scala operativa. È anche più efficace rispetto ad altre tecniche e porta alla rimozione di contaminanti dal terreno. Tuttavia, il suo costo di investimento di sistema più elevato significa che non può essere considerato una soluzione “go-to” per nessun progetto. Poiché la contaminazione del terreno rimane un problema grave in tutto il mondo, il desorbimento termico per la bonifica del terreno continuerà a vedere un’adozione diffusa negli anni a venire.
References
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Zhao C., Dong Y., Feng Y et al., 2019. Thermal desorption for remediation of contaminated soil: A review. Chemosphere, 221,841-855.
*Adjunct Prof: Virginia Tech, Blacksburg 24061, VA, USA; Nanjing University, Nanjing, Cina; Hubei Polytechnic University, Huangshi, Cina. Già Prof. Ordinario di Esplorazione Geochimica e Geochimica Ambientale presso Univ. di Napoli Federico II. 2019 Gold Medal Award dell’Association of Applied Geochemists. In Lista internazionale tra i Top Italian Scientists (nella Disciplina Natural & Environmental Sciences).
