RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

PROCESSI AVANZATI PER IL RISANAMENTO DI ACQUE SOTTERRANEE CONTAMINATE

Università di riferimento

Università degli Studi de L'AQUILA - CHIMICA, INGEGNERIA CHIMICA E MATERIALI - L'AQUILA(AQ)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Gabriele DI GIACOMO

Descrizione

Premessa Per quanto riguarda il trattamento dei metalli pesanti con PBR i casi che hanno ricevuto maggiore attenzione in questi ultimi 10-20 anni sono stati quelli relativi al trattamento delle acque acide di miniera (Acid Mine Drainage o AMD): pirite e altri minerali solfuri, esposti ad un ambiente acquoso in presenza di ossigeno ed in presenza di batteri ossidanti come il Thiobacillus ferroxidans, producono soluzioni acquose fortemente acide contenenti metalli disciolti e solfati (Gazea et al., 1996 ). Le AMD costituiscono pertanto un problema ambientale persistente e caratteristico di molte miniere sia attive che chiuse, costituite sia da minerali solfuri che da giacimenti di carbone. In ogni caso fenomeni di AMD, che hanno un effetto cosi' drammatico sull'ambiente, sono stati studiati principalmente negli Stati Uniti (Colorado, Utah etc.) ed in Canada, dove sono stati numerosi gli studi finanziati anche dagli enti governativi preposti alla salvaguardia ambientale (U.S. Bureau of Mines, CANMET etc.). Esistono comunque anche molte realtà legate alle contaminazioni di acque di falda da parte di metalli pesanti ed anche in questo caso si possono pensare trattamenti simili a quelli in corso di studio per le AMD. La notevole produzione bibliografica - in parte riportata nella bibliografia annessa precedentemente riportata dimostra come risultano attuali gli studi legati al trattamento di acque di falda contaminate da metalli pesanti. Ad esempio, esistono una serie di metodi per il trattamento di AMD, la cui applicabilità dipende molto dalle portate da trattare, il tipo e la concentrazione di metalli pesanti e di altri contaminanti.: l'obiettivo di tali processi e' quello di neutralizzare il refluo ed abbassare il livello di solfati e di metalli nella soluzione acquosa, tenendo conto che la fuoriuscita di queste acque può durare molti decenni. Tra i trattamenti non convenzionali, e che in molti casi sono stati applicati in larga scala sono da menzionare i trattamenti biologici con microrganismi solfato-riduttori (in situ, in reattore o in barriere reattive PBR). Gazea et al. (1996) hanno riportato uno studio in cui si analizza lo stato più recente dello sviluppo dei trattamenti passivi delle acque acide di miniera (AMD) considerando i processi chimici e biologici coinvolti nell'abbattimento dei metalli e della neutralizzazione della acidità. L'analisi della letteratura (Cocos et al., 2002; Küsel et al., 2001) mette in evidenza come sono da preferire trattamenti in-situ, di tipo biologico e possibilmente passivi (come quelli realizzati con barriere reattive). In particolare nei processi PBR l'AMD percola in terreni contenenti materiale organico (torbe, compost etc); in queste barriere si viene a formare una microflora di tipo anerobico che favorisce la formazione di microrganismi solfato-riduttori. La produzione di H2S (García et al., 2001) che si viene a formare dalla riduzione degli ione solfato (SO42-) produce l'abbattimento dei metalli pesanti presenti in soluzione come solfuri (generalmente molto insolubili). In altri casi in processi di trattamento sempre in situ, con aggiunta all'interno del sito minerario dismesso di sostanze organiche (tipo acetati), si cerca di favorire la crescita di microrganismi anaerobici che stimolano la formazione, come nel caso sopra citato, di H2S che di conseguenza immobilizza i metalli in situ precipitandoli come solfuri. In conclusione i processi biologici sembrano essere comunque da preferire perche' realizzano l'abbattimento contemporaneo di solfati e metalli abbattendone anche l'acidità. E' chiaro che in questi casi occorre utilizzare delle fonti organiche di carbonio per il sostentamento della crescita microbica: queste fonti comunque possono essere prese anche da reflui agro-industriali. Obiettivo dello studio Obiettivo della presente UO e' quello di studiare processi, materiali e procedure innovative per un miglioramento ed allargamento delle possibilità di applicazione delle PRB come sistema di bonifica in situ di falde contaminate da metalli pesanti in genere con un particolare riguardo alle AMD. Quella delle PRB è una tecnologia innovativa di recentissima introduzione che appare molto promettente per la sua versatilità nella rimozione di un ampio ventaglio di contaminanti, per la possibiltà di realizzazione in situ e per i bassi costi relativamente alle tecnologie di pump and treat, generalmente adottate nella bonifica di falde contaminate. Il presente progetto ha la finalità di studiare alcuni aspetti innovativi nell'ambito delle PRB sia sul piano dei meccanismi di funzionamento (processi e materiali) che delle procedure operative (studio e modellizzazione del trasporto nel mezzo reattivo nonché procedure di monitoraggio). Per quanto riguarda il primo aspetto, l'innovazione riguarderà essenzialmente l'utilizzo della degradazione biologica (in particolare anaerobica) e l'uso di materiali reattivi di origine naturale, applicati al trattamento di acque di falda contaminate da metalli pesanti. A titolo di esempio e come precedentemente menzionato e' sotto i riflettori della politica nazionale la nota vicenda della miniera di Campiano, della società Nuova Solmine spa del gruppo ENI, e sul conseguente inquinamento del fiume Merse (Toscana), dove per ridurre il suo inquinamento ogni anno alla collettività spende per il funzionamento di un impianto provvisorio di abbattimento degli inquinanti che escono dalla relativa miniera, circa 1.3 milioni di € all'anno. E' chiaro che in questo scenario lo sviluppo di processi passivi per risolvere problematiche di inquinamento di questa tipologia, che potrebbero durare per centinaia di anni, risultano di prioritario interesse. Per queste ragioni un successiva parte dello studio riguarderà preliminarmente le problematiche connesse con il trasferimento di scala, lo sviluppo delle soluzioni tecnologiche più appropriate e la valutazione tecnico-economica delle soluzioni proposte. Attività Per quanto riguarda le acque acide contaminate da solfati e metalli pesanti, verrà preso in considerazione il loro processo di rimozione-abbattimento, impiegando microrganismi solfato-riduttori che realizzano il contemporaneo abbattimento della frazione organica (eventualmente additivata con acetati etc.) e la precipitazione dei metalli pesanti stessi come solfuri notoriamente insolubili. Accanto a questi studi verrà analizzato anche il contributo dato ai processi di adsorbimento sulla biomassa che si verrà a formare durante il processo all'interno delle PRB e sul suolo stesso. Verrà svolto anche uno studio eventuale di finissaggio per adsorbimento su materiali adsorbenti di varia natura (reflui agro-industriali, biomasse di scarto etc.) Le fasi del lavoro (tre fasi - vedi modello A) di ricerca che verranno effettuate per il raggiungimento dell'obiettivo saranno articolate nelle seguenti fasi: 1a. Fase a. Generazione e caratterizzazione di acque contaminate da metalli pesanti in scala laboratorio (prove in colonna); caratterizzazione delle colture microbiche responsabili della generazione delle acque acide; b. Valutazione dell'impiego di microrganismi solfo-ossidanti come pretrattamento di acque contaminate da metalli pesanti (soluzioni reali e sintetiche); c. Coltivazione e caratterizzazione di microrganismi solfato-riduttori in colture sommerse (soluzioni reali e sintetiche); d. Studio del bioassorbimento di metalli pesanti con vari materiali organici ed inorganici (anche di scarto) e. Definizione delle condizioni idrodinamiche per il deflusso in colonne impaccate (simulazione del processo attraversamento di acque di falda in una PRB): test con traccianti per la valutazione della dispersione longitudinale e porosità efficace in funzione delle condizioni di flusso previste; 2a Fase f. Prove sperimentali in scala laboratorio (test in colonna) con vari sistemi passivi per studialre: · Effetto di un pretrattamento bio-ossidativo delle acque contaminate da metalli pesanti ; · L'aggiunta di agenti basificanti (calce, CaCO3 etc.); · La presenza di microrganismi solfato-riduttori alimentati mediante fonti organiche sintetiche; · microrganismi solfato-riduttori alimentati mediante fonti organiche reali (torbe, compost etc.); · effetto della presenza di ferro "zero-valente" sulla crescita sull'azione di microrganismi solfato riduttori; g. Valutazione della combinazione di varie PRB in serie per l'ottimizzazione dei vari processi chimici e biologici (ossidazione ione Ferroso; neutralizzazione del pH; fase di riduzione dei solfati etc.): definizione di PRB multiple. h. Modellizzazione matematica dei processi di remediation e bioremediation in colonna; i. Studio dei parametri di scale-up ed analisi tecnico-economica preliminare 3a Fase l. Interazione dei processi di rimozione di metalli pesanti con altri inquinanti (studiati dalle altre UO). In particolare verrà analizzata anche la possibilità di utilizzo dell'ozonizzazione in collaborazione con le altre UO. La simulazione dell'efficacia dei processi e materiali così studiati verrà realizzata mediante una sperimentazione anche ponendo i sistemi sperimentali "modello" simulanti le PRB in serie. I reattori (colonne) saranno dotati di un sistema di alimentazione tale da poter simulare le diverse condizioni idrodinamiche possibili in una PRB in funzione delle caratteristiche della falda e verranno in alcuni casi direttamente alimentati con le acque della falda contaminata (i.e. prelievi di acque dalla miniera di Campiano – Toscana). Ciò servirà a simulare il comportamento dei processi e materiali in condizioni tipiche di funzionamento di una PRB consentendo al contempo una sufficiente flessibilità (analoga a quella ottenibile tipicamente in laboratori) per lo studio dei differenti processi in differenti condizioni operative. I reattori potranno essere interconnessi per consentire lo studio dei diversi processi/materiali in parallelo o in serie. Modalità con cui sarà verificabile l'esito dell'intera ricerca · Verifica che i processi e/o materiali oggetto di studio consentano la rimozione di contaminanti fino ai livelli richiesti con la normativa attualmente vigente; · Verifica dell'intervallo di condizioni operative in cui tale obiettivo è conseguibile e della compatibilità di tali condizioni con una successiva applicazione come PRB; · Definizione delle esigenze ulteriori di ricerca e di scaling-up per un successivo sviluppo dell'applicazione dei processi e materiali oggetto di studio nell'ambito delle PRB; · Analisi economicità e confronto con le tecnologie "pump-and-treat";