(a cura di Simone Cavallaro, Responsabile sede Bologna – Referente tecnico Sludge)

INTRODUZIONE: PFAS, NUOVA DIRETTIVA ACQUE REFLUE E IL FUTURO AUMENTO DELLA CONCENTRAZIONE NEI FANGHI

I Per- e Poli-fluoroalchiliche (PFAS) rappresentano una sfida ambientale globale a causa della loro estrema stabilità chimica. Questa stabilità è dovuta al forte legame C-F, il più robusto in chimica organica, che ha valso loro l’appellativo di ‘forever chemicals’. Il ciclo idrico gioca un ruolo chiave nella loro dispersione, poiché gli impianti di trattamento delle acque reflue (WWTP) non sono progettati per la loro mineralizzazione.

L’Impatto della Nuova Direttiva Acque Reflue

La recente adozione della Direttiva (UE) 2024/3019 (riforma della UWWTD) introduce misure stringenti per la protezione dell’ambiente e della salute umana. In particolare, essa spinge verso l’implementazione di trattamenti quaternari negli agglomerati di maggiori dimensioni per la rimozione dei microinquinanti, inclusi i PFAS.

Le tecnologie di trattamento avanzato applicate nella linea acque (es. Carbone Attivo Granulare, GAC, o membrane) rimuovono efficacemente i PFAS dal refluo liquido. Tuttavia, questo successo comporta un trasferimento del carico inquinante dalla fase liquida alla fase solida (fanghi concentrati, GAC esaurito, ecc.). Aumentando l’efficienza di rimozione dalla linea acque, si prevede pertanto un significativo incremento delle concentrazioni di PFAS nei fanghi di depurazione. Questo fenomeno intensificherà la pressione normativa sull’uso agronomico dei fanghi, che è la principale destinazione in molti paesi, Italia inclusa, e renderà indispensabili trattamenti di distruzione end-of-pipe.

Comportamento dei PFAS nella linea fanghi: la persistenza del Legame C-F

Il destino dei PFAS all’interno della linea fanghi evidenzia la loro natura recalcitrante:

• Affinità per la fase solida: i PFAS, soprattutto le specie a catena lunga, mostrano una spiccata idrofobicità e una forte affinità per la materia organica e la matrice solida del fango. La loro costante di ripartizione (solido/liquido) è elevata, portando a una concentrazione significativa nel fango prodotto;
• Inefficacia dei trattamenti biologici: la stabilizzazione biologica dei fanghi, sia tramite digestione aerobica che anaerobica, è in gran parte inefficace per la distruzione dei PFAS. Questi processi possono degradare i precursori dei PFAS (molecole che si decompongono in PFAS persistenti), ma la mineralizzazione delle molecole PFAS a catena stabile (rottura del legame C-F) non avviene in condizioni biologiche ordinarie;
• Concentrazione finale: I processi fisici successivi, come la disidratazione e l’essiccamento termico, si limitano a rimuovere l’acqua. Di conseguenza, la massa di PFAS presente nel fango non viene ridotta ma semplicemente concentrata nel prodotto finale solido, confermando che l’inquinante persistente viene trasferito integralmente nel residuo destinato allo smaltimento o a eventuali forme di riutilizzo.

 

TECNOLOGIE TERMICHE PER LA DISTRUZIONE DEI PFAS E LA VALORIZZAZIONE SOSTENIBILE DEL FANGO

La necessità di distruggere attivamente il legame C-F ha portato l’attenzione sulle tecnologie termiche ad alta temperatura. L’efficacia di un processo termico nel trattare i PFAS è valutata su due fronti complementari:

• rimozione/distruzione dalla fase solida (fango, biochar, ceneri): misura quanto il composto viene rimosso dal residuo finale solido.
• mineralizzazione totale e destino dei prodotti di decomposizione (emissioni gassose): misura se il composto è stato completamente distrutto e mineralizzato o se è stato semplicemente trasferito in un altro flusso (gas di scarico) come composto intatto o come un prodotto di decomposizione potenzialmente pericoloso.

I principali processi termici applicabili a fanghi di depurazione sono il mono-incenerimento, la pirolisi e la gassificazione.

Tecnologia	Processo Termico	Temperatura tipica	Prodotti Principali	Efficacia rimozione PFAS (sulla fase solida)
Mono-Incenerimento	Ossidazione completa (eccesso di O2)	850-1000°C	Ceneri, energia (vapore/elettricità)	Distruzione quasi totale (100%) grazie alle alte temperature in gioco (>850°C)
Pirolisi	Decomposizione (assenza di O2)	500-850°C	Biochar, Syngas (pyrogas), Bio-olio	Estremamente efficace (fino a 100%) a temperature elevate (>700°C)
Gassificazione	Reazione con limitazione di O2	700-1000°C	Syngas ad alto potere calorifico	Efficacia simile al mono-incenerimento (100%) grazie alle temperature molto elevate

 

Mono-incenerimento

Il mono-incenerimento è il processo termico più aggressivo, ed è considerato, se eseguito correttamente, uno dei metodi più efficaci per la distruzione completa dei PFAS.

• Meccanismo di distruzione: l’alta temperatura (850 – 1000°C) e l’eccesso di ossigeno favoriscono l’ossidazione totale. Il calore rompe il legame C-F (che richiede molta energia), e l’ossigeno garantisce che il carbonio sia convertito in CO₂.
• Efficacia sulla fase solida (ceneri): è generalmente estremamente alta (quasi 100%). A temperature standard di incenerimento, i PFAS sono completamente volatili e vengono distrutti o trasferiti nel flusso gassoso. Le ceneri residue sono considerate prive di PFAS, rendendole adatte al recupero del fosforo.
• Efficacia sulle emissioni: i PFAS non mineralizzati (o i prodotti di incompleta combustione) possono uscire dal forno. I prodotti di decomposizione primari sono i gas acidi fluoruro di idrogeno (HF) e, potenzialmente, composti fluorurati come l’acido trifluoroacetico (TFA). L’efficacia è misurata dalla capacità del sistema di depurazione dei fumi (scrubber) di catturare l’HF e altri gas fluorurati, prevenendo la loro emissione in atmosfera.
• Requisiti tecnici: richiede una temperatura elevata costante e un tempo di residenza sufficientemente lungo nella camera di post-combustione per distruggere i PFAS a catena più corta e i precursori più reattivi che si formano in fase gassosa.

Dal punto di vista del recupero energetico, l’incenerimento ossida la sostanza organica presente nel fango, trasformandola in calore. Questo calore viene recuperato per produrre vapore e/o, energia elettrica, contribuendo all’autosufficienza energetica o alla cessione di energia alla rete.

Un vantaggio piuttosto significativo associato al mono-incenerimento è inoltre che tutti i nutrienti inorganici, in particolare il fosforo (P), si concentrano nelle ceneri. Data la direttiva europea che mira al recupero del fosforo (materia prima critica), queste ceneri diventano una risorsa. Mediante processi successivi come la lisciviazione acida (estrazione del fosfato) o la termoconversione assistita, è possibile recuperare il P per la produzione di fertilizzanti.

Pirolisi ad Alta Temperatura (HTP)

La pirolisi è un processo di decomposizione in assenza di ossigeno che opera in un range di temperature più basso rispetto all’incenerimento e che si concentra sulla decontaminazione del prodotto solido, il biochar, oltre che sulla conversione energetica.

• Meccanismo di distruzione: la decomposizione termica in assenza di ossigeno induce la volatilità dei PFAS. Le molecole si staccano dal solido e vengono trasportate nel flusso di syngas. La distruzione avviene in parte nel reattore e in parte nella post-combustione del syngas;
• Efficacia sulla fase solida (ceneri): molto alta se si opera a temperature elevate (es. 700°C superiori). L’efficacia è misurata dal tasso di riduzione dei PFAS nel biochar rispetto al fango iniziale (es. 97-100% per le specie target). Questo è il principale metro di valutazione per l’idoneità del biochar al riutilizzo;
• Efficacia sulle emissioni: poiché la pirolisi non mira alla combustione, i PFAS volatili vengono trasferiti nel syngas. Se il syngas non viene trattato termicamente in modo adeguato, questi composti (intatti o decomposti) possono essere presenti. L’efficacia complessiva del sistema dipende quindi dalla distruzione termica del syngas in una post-combustione o in una caldaia dedicata, seguita da un efficiente sistema di trattamento dei fumi per catturare l’HF generato.
• Requisiti tecnici: la valutazione di efficacia deve includere l’analisi del biochar, del syngas e dei gas di scarico dopo il trattamento, per garantire che i PFAS non vengano semplicemente trasferiti da un medium all’altro.

La pirolisi produce un syngas (o gas di pirolisi) con un elevato potere calorifico che può essere valorizzato come combustibile per generare energia elettrica e termica (cogenerazione), contribuendo alla neutralità energetica dell’impianto.

Il fosforo presente nel fango non è volatile e rimane integralmente concentrato nel biochar. Poiché il biochar è decontaminato dai PFAS, diventa un materiale secondario attraente per il recupero di fosforo. Sebbene il P nel biochar sia meno solubile rispetto a quello contenuto nelle ceneri di incenerimento, esistono processi di estrazione (es. acidificazione controllata) per renderlo disponibile per l’utilizzo come fertilizzante.

Gassificazione

La Gassificazione è un processo termochimico che avviene in presenza di un agente gassificante limitato (aria, ossigeno, o vapore). Opera a temperature elevate (700-1000°C) e il suo obiettivo primario è massimizzare la produzione di syngas (un combustibile gassoso di alta qualità), ma con una fase di ossidazione parziale.

• Meccanismo di distruzione: le elevate temperature e l’ambiente reattivo favoriscono la rottura del legame C–F e la volatilizzazione dei PFAS dalla matrice solida. A differenza della pirolisi, la presenza controllata di ossigeno e/o vapore consente reazioni di ossidazione parziale e riforming che contribuiscono alla degradazione termochimica delle molecole fluorurate. La distruzione completa dei PFAS avviene principalmente nella zona ad alta temperatura del reattore e, in modo determinante, nelle successive fasi di ossidazione termica del syngas.
• Efficacia sulla fase solida (ceneri): molto elevata (fino al 100%), comparabile a quella del mono-incenerimento, se il processo opera a temperature sufficientemente alte e con un’adeguata permanenza del solido nel reattore. I PFAS risultano completamente rimossi dalla fase solida e trasferiti alla fase gassosa, rendendo le ceneri o scorie finali sostanzialmente prive di contaminazione organica fluorurata e idonee ai successivi processi di recupero del fosforo.
• Efficacia sulle emissioni: i PFAS e i loro prodotti di decomposizione vengono convogliati nel syngas. In assenza di un trattamento adeguato, possono essere presenti come specie fluorurate intatte o parzialmente degradate. L’efficacia complessiva del processo dipende quindi dalla gestione del syngas: la sua combustione ad alta temperatura (in caldaia, post-combustore o turbina) consente la completa distruzione dei composti organici fluorurati. Il controllo ambientale è affidato ai sistemi di trattamento dei fumi (scrubber alcalini, reattori a secco o semi-secco), indispensabili per l’abbattimento dell’HF e di altri gas acidi.
• Requisiti tecnici: per garantire un’effettiva distruzione dei PFAS, la gassificazione richiede temperature elevate e ben controllate nella zona di reazione, un’adeguata gestione del tempo di residenza sia del solido che della fase gassosa, una sezione di ossidazione termica del syngas dimensionata per la completa distruzione dei microinquinanti e sistemi di depurazione dei fumi specificamente progettati per la neutralizzazione dell’HF. Risulta inoltre strategico adottare un approccio di monitoraggio inegrato al fine di evitare il semplice trasferimento dei PFAS tra le diverse matrici.

Il syngas prodotto dalla gassificazione può essere depurato e valorizzato in motori a gas o turbine per la produzione di energia elettrica ad alta efficienza, oltre a fornire calore di processo.

Analogamente al mono-incenerimento, il fosforo si concentra nella fase solida residua, che risulta decontaminata dai PFAS e idonea ai processi di recupero del P tramite lisciviazione o trattamenti idrometallurgici, in linea con gli obiettivi europei di economia circolare.

 

CONCLUSIONI E SCENARI FUTURI PER LA GESTIONE SOSTENIBILE DEI PFAS

Il panorama impiantistico italiano, spinto dalla Direttiva Europea, deve evolvere verso un modello di Bioraffineria Circolare. Questo non significa solo depurare l’acqua, ma anche gestire il fango come risorsa in forme sostenibili.

In termini di sostenibilità ambientale (distruzione PFAS), l’utilizzo di trattamenti termici ad alta temperatura (mono-incenerimento, pirolisi, gassificazione) è l’unica via tecnologicamente provata per garantire la distruzione dei PFAS e prevenirne il rilascio in matrice ambientale.

In termini di sostenibilità economica, il fattore chiave è il recupero di risorse:

• Energia: tutti e tre i processi termici permettono un elevato recupero energetico (tramite cogenerazione, vapore o syngas), rendendo l’impianto meno dipendente dai combustibili fossili;
• Materie prime critiche: sia l’incenerimento / gassificazione (ceneri) che la pirolisi (biochar) concentrano il fosforo, rendendo i residui finali non più “rifiuti contaminati”, ma materiali secondari da cui estrarre il P per l’industria dei fertilizzanti, in linea con le priorità di sicurezza delle forniture europee.

Lo scenario italiano futuro vedrà probabilmente l’adozione di soluzioni termiche ibride e decentralizzate, in cui la scelta tra mono-incenerimento (per impianti più grandi, focalizzati sul recupero P/Energia) e pirolisi/gassificazione (per impianti di media-piccola scala, focalizzati sul biochar e il syngas) sarà dettata dall’analisi del bilancio economico-ambientale complessivo dell’area di riferimento.

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