Campi applicativi delle pompe chimiche

Realizzazione di uno "Scarico Zero Liquidi"

1. Introduzione
Uno stabilimento di trattamenti di superficie che lavora con "scarico zero liquidi" è una fabbrica che non scarica alcun effluente liquido né nel sistema fognario pubblico né in corsi d'acqua superficiali. L'eliminazione di qualsiasi scarico liquido non significa, tuttavia, che lo stabilimento non produce rifiuti liquidi. Significa, invece, che i suoi rifiuti liquidi devono essere trattati come rifiuti industriali speciali o che devono essere stoccati per essere conferiti ad aziende specializzate nel trattamento di rifiuti industriali speciali. La realizzazione dello "scarico zero liquidi" implica il superamento di numerosi vincoli tecnici e costi elevati. Si giustifica, tuttavia, da un lato per il fatto che lo scarico zero liquidi permette di ridurre efficacemente l'impatto ambientale degli stabilimenti di trattamento delle superfici, e dall'altro perché l'imprenditore è soggetto a crescenti difficoltà per rispettare le norme sempre più onerose introdotte dalle istituzioni governative:

• valori limite di concentrazione e di portata degli effluenti da non superare
• autorizzazione allo scarico in acque superficiali o in circuiti fognari collegati a impianti consortili di depurazione
• aumento del numero di parametri da tenere sotto osservazione e della frequenza dei controlli sugli effluenti trattati negli impianti di detossicazione, complessità e costo del trattamento classico in termini sia di investimento sia di gestione
• difficoltà o insufficienza del metodo di trattamento classico per il rispetto delle norme sul contenuto

Fig. 1 - Sequenza di trattamento


2. Sequenza di trattamento classica dei reflui di processi di trattamento di superficie
La sequenza di trattamento classica per le acque reflue dei processi di trattamento delle superfici è riassunta nel diagramma in figura 1. Il processo richiede la disponibilità di una complessa attrezzatura impiantistica, costituita da:

• numerose vasche o serbatoi di stoccaggio per effluenti, reattivi e fanghi, reattori opportunamente dimensionati per la miscelazione di effluenti e reagenti e la realizzazione delle reazioni necessarie per gli effluenti sia dei trattamenti sia dei pre/post-trattamenti
• un decantatore di grande volume
• un filtro pressa
• numerose pompe dosatrici
• sistemi di controllo e regolazione di importanti parametri, quali pH e potenziale Redox

Il controllo degli effluenti richiede numerosi strumenti di misura e analisi diverse e frequenti. Il trattamento, se condotto in modo corretto, consente il rispetto delle norme in vigore. Tuttavia il contenuto di materiali organici, determinato come COD - Domanda Chimica di Ossigeno -, nell'effluente risulta spesso molto più alto del limite massimo previsto dalle norme, e anche la salinità dell'effluente è elevata.


3. Scelta delle tecniche per la realizzazione dello "scarico zero liquidi"
La scelta dipende dalla portata delle acque di lavaggio e dalla loro concentrazione salina.

Quando il carico salino è basso, le acque di lavaggio possono essere riciclate su colonne mobili(1) a resine di scambio ionico. Gli effluenti concentrati, costituiti da bagni esausti e lavaggi statici, saranno invece conferiti a centri autorizzati per il loro trattamento (figura 2).


Fig. 2 - Sequenza di trattamento delle acque di lavaggio con carico salino basso.

Quando il carico salino dell'effluente è elevato, l'impiego di colonne mobili di scambio ionico è sostituito con una installazione fissa di scambio ionico, con rigenerazione delle colonne all'interno dello stabilimento di trattamento delle superfici. I bagni esausti sono conferititi a un centro autorizzato per il loro smaltimento. I concentrati costituiti da lavaggi statici e eluati di rigenerazione resine, raggiungono sovente volumi elevati, tanto da richiedere la loro concentrazione, generalmente per evaporazione, per ridurre il costo di trasporto e conferimento a centri di smaltimento autorizzati. Il distillato ottenuto con l'operazione di concentrazione viene riciclato e riutilizzato nel processo produttivo (figura 3).


Fig. 3 - Sequenza di trattamento delle acque di lavaggio con carico salino elevato

Sequenza di trattamento delle acque di lavaggio con carico salino elevato
A questo proposito è necessario notare che la rigenerazione delle resine di scambio ionico diventa un'operazione frequente e un impegno pesante per la gestione dell'impresa.
Quando portata e carico salino sono molto elevati si rende necessario considerare l'opportunità di fare ricorso a trattamenti specifici per ogni funzione o stazione di lavaggio.
Consideriamo il caso di una situazione intermedia, nella quale il trattamento di scambio ionico diventa troppo impegnativo ma le portate di lavaggio non sono ancora tanto importanti da giustificare un trattamento individuale per funzione.


4. Studio della situazione intermedia (né scambio ionico né trattamento per funzione)
Il principio del trattamento è riportato in figura 4.


Fig. 4 - Trattamento di effluenti in situazione intermedia.

La concentrazione può essere eseguita sia per evaporazione sia mediante trattamento su membrane di osmosi inversa. I problemi da affrontare e risolvere sono tuttavia molteplici:

• dimensione (importante) di volumi da trattare
• compatibilità degli effluenti di cui è prevista la mi-scelazione,
• pre-trattamenti necessari prima dell'operazione di concentrazione
• post-trattamenti necessari e indispensabili prima del riutilizzo dell'acqua depurata
• scelta dei materiali in funzione e in rapporto alla tecnica utilizzata

Riduzione delle portate delle acque di lavaggio
Indipendentemente dalla tecnica impiegata, evaporazione o osmosi inversa, il fattore di concentrazione, in termini di volume, non supererà mai il valore di 20. Per una fabbrica con una portata di effluenti dell'ordine di 20 m3/giorno, è quindi necessario stoccare non meno di 1 m3/giorno, se non si interviene per ridurre la portata dei lavaggi. E in un anno di lavoro sono molte le centinaia di m3 che sarà necessario stoccare e trasportare con autocisterne verso centri di smaltimento autorizzati. Diventa quindi indispensabile intervenire per ridurre sensibilmente le portate delle acque di lavaggio, già per legge limitate a 8 l/m2 di superficie trattata e per stazione o unità di lavaggio (Decreto del 26 settembre 1985). Il responsabile di produzione, per realizzare una portata di lavaggio ragionevole, può intervenire su tre parametri (figura 5):

• volume scodellamenti/trascinamenti,
• numero di lavaggi statici
• numero di vasche di lavaggio in controcorrente

Fig. 5 - Sequenze di lavaggio


La portata Q di acqua di lavaggio da utilizzare può essere calcolata con la formula:



dove:
n= numero delle vasche di lavaggio con acqua corrente
C0 = concentrazione nel bagno di trattamento
C'0,= concentrazione nel bagno statico che precede la sequenza di vasche di lavaggio in controcorrente
Cn= concentrazione nell'ultima vasca di lavaggio

La concentrazione Cn è imposta dalle esigenze di qualità del lavaggio (C0 / Cn =10.000). Per esempio, se C'0 = C0/5, la portata Q per la prima sequenza sopra riportata è pari a 6,7 m3 e per la seconda sequenza a 1,l m3. La portata, passando dalla prima alla seconda sequenza, si riduce pertanto di ben 6 volte.

Realizzazione di miscele di effluenti
In un classico stabilimento di trattamento delle superfici i singoli flussi degli effluenti sono molto diversi tra loro. Ci sono effluenti provenienti da:

• sgrossature
• decapaggi
• bagni di deposizione elettrolitica o chimica
• post-trattamenti

Questi effluenti possono essere acidi, neutri o alcalini, possono contenere specie chimiche che possono reagire tra loro e formare composti pericolosi (acido cianidrico per esempio) o materiali solidi che ne modificano la concentrazione(precipitati....). Per evitare questi problemi generalmente vengono suddivisi in due flussi separati,uno acido e l'altro alcalino.


5. Concentrazione per evaporazione


Fig. 6 - Schema di processo per il trattamento di acque di lavaggio mediante evaporazione

In figura 6 è riportato lo schema di processo per il trattamento di acque di lavaggio mediante evaporazione. Il costo dell'evaporatore, dovendo soddisfare numerosi requisiti,è generalmente elevato:

• Gli effluenti acidi contengono sostanze aggressive (cloruri, fluoruri, ...) verso l'acciaio inossidabile, che diventa un materiale non idoneo con l'aumentare della concentrazione. Lo scambiatore deve pertanto essere costruito con leghe speciali molto costose. L'aggressività del mezzo inoltre va tenuta presente anche nella scelta dei materiali di altre attrezzature del concentratore, quali pompe e tubazioni.
• La presenza di tensioattivi negli effluenti può provocare la formazione di schiume talvolta abbondanti, che possono essere trascinate dal vapore d'acqua, contaminando i condensati. L'evaporatore deve essere provvisto di deflettore per ridurre il pericolo di trascinamenti. Inoltre, se necessario, si deve anche provvedere a iniettare additivi antischiuma nell'evaporatore.
• L'evaporazione, per l'elevato valore dell'entalpia di evaporazione dell'acqua, richiede molta energia. L'evaporazione deve quindi effettuarsi sotto vuoto parziale e gli evaporatori devono essere a multiplo effetto o provvisti di sistemi che consentono di recuperare energia.

Nonostante sia una tecnica semplice, L'evaporazione può creare diversi problemi:

• Formazione, per precipitazione e cristallizzazione, di prodotti che possono aderire alla superficie dello scambiatore di calore e di rendere problematiche le operazioni di pulizia, accentuando i problemi di corrosione e di incrostazione.
• Sviluppo di gas corrosivi (acido cloridrico e fluoridrico in ambiente acido, ammoniaca e acido cianidrico in ambiente alcalino) e di materiali volatili, ciò che impone il post-trattamento dei condensati, prima del loro riutilizzo.

6. Concentrazione per osmosi inversa

Fig. 7 - Schema di processo per il trattamento di acque di lavaggio mediante osmosi inversa

In figura 7 è riportato lo schema di processo per il trattamento di acque di lavaggio mediante osmosi inversa. L'osmosi inversa è una tecnica che utilizza delle membrane organiche speciali, in grado di trattenere le sostanze ioniche e piccole molecole organiche, con tassi di reiezione, Tr, che possono raggiungere il 95% (Tr = 1 - Cp/Co dove Cp: concentrazione nel permeato e Co: concentrazione iniziale).
Le membrane sono polimeri organici. In funzione della loro natura chimica possono lavorare a temperature elevate (70 "C), a pressioni interessanti (per alcuni tipi di membrane anche superiori a 50 bar) e a pH compresi tra 2 e 11. Sono però sensibili agli agenti ossidanti. Le portate di permeato, per acqua pura, sono proporzionali alla differenza di pressione sui due lati del- la parete e alla superficie della membrana:

Q = KS (Δp)

Per una soluzione che contiene elettroliti, l'equazione sopra riportata è ovviamente modificata per tener conto delle pressioni osmotiche sui due lati del- la membrana:

Q = KS (Δp -Δpi)

I problemi da affrontare con l'osmosi inversa sono numerosi. E' necessario operare con:

• membrane di grande superficie, dato che le portate specifiche di permeato sono piuttosto basse (da 10 a 20 1 m-2). I moduli, nella maggioranza dei casi, sono a spirale, una soluzione che offre il vantaggio di elevata compattezza.
• pressioni di lavoro elevate (20 bar sopra la pressione osmotica).
• il raffreddamento continuo delle soluzioni.

L'intasamento delle membrane, dovuto a solidi sospesi, a precipitati o a prodotti che cristallizzano nel corso del trattamento, deve essere assolutamente evitato. È quindi necessario:

• Un pre-trattamento, generalmente l'ultrafiltrazione dell'effluente, per eliminare i materiali solidi in sospensione.
• Disporre della possibilità di correggere il pH, quando necessario per evitare fenomeni di precipitazione.
• Conoscere il rapporto massimo di concentrazione in volume per prevenire qualsiasi fenomeno di cristallizzazione.

Poiché i tassi di reiezione sono compresi tra 0,95 e 0,97 la depurazione non è mai totale e l'impianto di osmosi inversa deve essere almeno a due stadi (figura 8). Sono poi indispensabili altri interventi di purificazione finale per garantire che il permeato abbia caratteristiche di qualità sufficienti per essere riutilizzato.


Fig. 8 - Schema di un trattamento a due stadi di osmosi.


Conclusioni
Lo scarico zero liquidi è tecnicamente realizzabile per concentrazione mediante evaporazione o osmo-si inversa, purché queste due tecniche siano accoppiate con idonei pre e post-trattamenti. L'utilizzo di queste tecniche evita l'applicazione del costoso e impegnativo trattamento classico e libera l'imprenditore da numerosi obblighi normativi.
Tuttavia lo scarico zero liquidi comporta la produzione di rilevanti volumi di rifiuti difficilmente valorizzabili e il cui trattamento, certamente da eseguirsi all'esterno e lontano dall'azienda ad opera di società specializzate e autorizzate, ha costi molto elevati. La progettazione di fabbriche, impianti e metodi di lavoro deve essere ripensata al fine di ridurre quanto più possibile le portate di lavaggio, mantenendone tuttavia il livello delle qualità. E inoltre necessario studiare:

• Tutte le possibilità di riciclare i trascinamenti ai bagni di trattamento, senza comprometterne durata e qualità delle prestazioni.
• Tutte le tecniche che permettano di depurare i bagni per aumentare la loro durata di vita e di utilizzo.
• Tutte le possibilità di valorizzazione dei diversi rifiuti prodotti.

La fattibilità economica dello scarico zero liquidi è di difficile realizzazione, dato che implica costi di investimento e di gestione molto elevati.