Trattamento degli effluenti generati nell’industria metalmeccanica

Effluenti del settore metalmeccanico

Il settore metalmeccanico comprende un gran numero di attività economiche, molto diverse tra loro, che condividono sia i materiali utilizzati, sia i rifiuti ed effluenti generati. Le attività più importanti di questo settore sono le strutture metalliche e la carpenteria.

La prima include ogni tipo di costruzione metallica realizzata con tubi, profili e lamiere, avvitate, rivettate o saldate.

La carpenteria raggruppa un vasto assortimento di pezzi e attrezzature fabbricati con lamiera e che includono giunti stagna; i prodotti possono andare dal tipico serbatoio, agli scambiatori di calore o evaporatori, passando per tubi e condotti, serpentine, ecc.

Altre attività incluse in questo settore sono quelle di trasformazione dei metalli senza asportazione di truciolo (per stampaggio, estrazione, trafilatura, imbutitura), quelle di lavorazione meccanica con asportazione di truciolo (fresatura, tornitura, rettifica, taglio, ecc.) e quelle di finitura basate su trattamenti termici e superficiali. Pertanto, la varietà di attività è davvero ampia.

Tutte queste attività hanno in comune l’utilizzo come materia prima degli stessi materiali: acciaio, ferro, acciaio inox, alluminio, ecc., oltre a produrre impatti ambientali simili.

Fondamentalmente, gli aspetti che causano maggiori impatti sull’ambiente sono le emissioni di gas nocivi e inquinanti nell’atmosfera, la generazione di effluenti liquidi che devono essere opportunamente trattati prima dello scarico e la produzione di rifiuti solidi.

Per il tipo di attività, questo tipo di industria è un grande consumatore di oli lubrificanti, utilizzati frequentemente per facilitare la lubrificazione e il raffreddamento nelle diverse modalità di taglio, formatura e trattamento meccanico di pezzi metallici.

Questi oli lubrificanti, una volta utilizzati, diventano un rifiuto liquido inquinante che deve essere gestito correttamente.

Tra tutti i prodotti utilizzati, quelli di maggiore rilevanza sono le emulsioni da taglio, utilizzate principalmente nell’industria della lavorazione meccanica dei metalli per le loro proprietà:

• Lubrificanti, proteggendo gli utensili riducendo l’attrito.
• Di raffreddamento, evitando il surriscaldamento di pezzi e utensili, che provocherebbe microsaldature con conseguente cattiva finitura superficiale.
• Di evacuazione dei trucioli, evitando l’effetto abrasivo degli stessi.
• Di prevenzione della corrosione su macchine e pezzi.

Pertanto, l’uso delle emulsioni da taglio è necessario nei processi in cui si verifica un contatto diretto tra il pezzo metallico lavorato e l’utensile utilizzato, per le loro proprietà lubrificanti, refrigeranti, di evacuazione dei trucioli e limature prodotte, oltre che per la prevenzione della formazione di ossido.

Caratteristiche delle emulsioni da taglio come inquinanti

Man mano che le emulsioni da taglio vengono utilizzate, le loro proprietà si riducono, decadendo le prestazioni e contaminandosi con agenti esterni quali oli e grassi, particelle metalliche, polvere ambientale, microrganismi che degradano la materia organica, ecc.

Arrivati a questo punto, le emulsioni da taglio diventano rifiuti altamente inquinanti, sia per l’ambiente che per l’ambiente di lavoro, per cui sono considerate rifiuti pericolosi dalla normativa europea.

Al loro potenziale inquinante si aggiunge il fatto che la loro corretta gestione è molto costosa, a causa dell’elevata proporzione di acqua contenuta, che aumenta il volume del rifiuto originale oltre a produrre una forte emulsione, che rende successivamente difficili i processi di separazione e depurazione.

Per migliorare la capacità lubrificante, nella formulazione delle emulsioni da taglio si include olio e, per aumentarne la capacità refrigerante, si aggiunge acqua.

Questo fa sì che a livello industriale esistano molti tipi diversi di emulsioni da taglio, che in realtà sono un’emulsione olio-acqua, a seconda delle proprietà che si desidera potenziare.

Essendo acqua e olio i componenti principali delle emulsioni da taglio, esse incorporano anche una lunga lista di additivi, tra cui si evidenziano i seguenti:

• Tensioattivi: solfonati di sodio e glicoli
• Inibitori della corrosione: ammine, ammidi, borati, nitriti, ecc.
• Umettanti: alcoli, fosfati, ecc.
• Antischiuma: esteri, siliconi, derivati etossilati, ecc.
• Biocidi: formaldeide, fenoli, boro, poliglicoli, ecc.
• Additivi per operazioni ad alta pressione

Il consumo delle emulsioni da taglio è continuo e periodico, a causa della perdita delle loro proprietà e del consumo netto prodotto da fuoriuscite e trascinamenti con i pezzi.

L’uso continuato delle emulsioni da taglio fa sì che le loro proprietà diminuiscano a causa delle alte temperature raggiunte durante la lavorazione dei metalli, evaporando i componenti più volatili.

Le perdite di emulsioni da taglio prodotte da fuoriuscite, trascinamenti con i pezzi, ecc. si uniscono alle acque reflue generate nell’impianto e formano l’effluente noto come “acque oleose”.

D’altra parte, i bagni di emulsioni da taglio si contaminano man mano che aumenta il loro utilizzo (con impurità metalliche) e sono anche soggetti a processi di degradazione microbiologica; per tutto ciò, è necessaria la loro sostituzione periodica e si generano rifiuti liquidi chiamati “emulsioni da taglio esauste”.

Nelle aziende con un grande consumo di emulsioni da taglio, esistono unità di recupero delle emulsioni che, dopo un processo di separazione di limature e trucioli metallici, consentono di prolungare un po’ la vita utile del bagno di emulsioni.

Così, i processi che utilizzano emulsioni da taglio generano effluenti tossici e irritanti che contengono metalli pesanti, biocidi, prodotti di decomposizione di natura tossica, ecc., che fanno sì che la normativa europea li classifichi come rifiuti pericolosi e che non possano essere scaricati nella rete pubblica fognaria a causa dei gravi problemi che causerebbero negli impianti di depurazione.

La maggior parte dei processi convenzionali utilizzati nel trattamento delle emulsioni da taglio deve essere rivista e aggiornata principalmente per due fattori.

Da un lato, la legislazione in materia di scarichi è sempre più severa e restrittiva. Dall’altro lato, si manifestano sempre più difficoltà per un trattamento efficace.

Queste difficoltà hanno origine nel recente cambiamento della formulazione delle emulsioni da taglio, che, a discapito delle emulsioni di olio, sono diventate di natura sintetica, rendendo più difficile la rottura dell’emulsione e quindi anche la separazione della frazione oleosa dell’emulsione.

Oltre alle emulsioni da taglio, le acque reflue generate nelle attività del settore metalmeccanico presentano anche solidi sospesi, vari metalli, elevata conducibilità, fosfati e tensioattivi.

Trattamenti delle emulsioni da taglio

Esistono diversi metodi di trattamento di questi effluenti, che possono essere classificati in distruttivi o non distruttivi.

Tra i metodi non distruttivi vi sono il trattamento chimico, il trattamento mediante membrane e l’evaporazione. Tra i metodi distruttivi vi sono il trattamento biologico, l’incenerimento e i processi di ossidazione avanzata (ossidazione umida e ossidazione con acqua supercritica, OASC).

Di seguito si analizzano separatamente le diverse alternative di trattamento:

Processo chimico

È uno dei trattamenti più utilizzati nel secolo scorso poiché la base è molto conosciuta ed è facilmente scalabile in un ampio intervallo di portate da trattare.

La filosofia del trattamento si basa sulla neutralizzazione delle cariche superficiali al fine di rompere l’emulsione.

Tradizionalmente, ciò si otteneva mediante l’aggiunta di acidi inorganici come solforico o cloridrico e sali quali cloruro di sodio, cloruro di calcio, solfato ferrico, cloruro di ferro e di magnesio e solfato di alluminio. L’aggiunta di una quantità sufficiente di cationi dà luogo al processo di disemulsificazione.

Tuttavia, nella formulazione delle emulsioni da taglio si è cercato di ottenere prodotti più stabili per resistere all’attacco dei cationi liberati nei processi di taglio e lavorazione dei metalli che tendono a rompere l’emulsione.

Ciò è stato ottenuto mediante la dosatura di agenti emulsionanti e disperdenti, il che ha reso più difficile il trattamento delle emulsioni da taglio con questo metodo.

Una variante all’aggiunta di sali inorganici per la rottura dell’emulsione è l’utilizzo di polimeri. Il principio è lo stesso: i polimeri con cationi ad alta carica hanno l’obiettivo di destabilizzare le cariche negative delle gocce di olio.

Gli altri contaminanti presenti nelle acque reflue che accompagnano le emulsioni da taglio possono anch’essi essere eliminati in questo processo, anche se in base alla composizione esatta dell’effluente il processo fisico-chimico deve essere adattato.

Trattamento mediante membrane

Le membrane utilizzate sono quelle di ultrafiltrazione, poiché quelle di microfiltrazione non presentano una capacità di ritenzione adeguata e quelle di nanofiltrazione e osmosi inversa si sporcano facilmente con i composti organici di elevato peso molecolare.

Con l’ultrafiltrazione si sono ottenuti buoni risultati lavorando a bassa pressione, anche se ci sono alcune condizioni operative che le membrane non tollerano, come nel caso di temperature moderate-alte (superiori a 60 ºC), valori di pH estremi, elevata quantità di solidi, grandi quantità di oli non emulsionati, presenza di solventi, ecc.

Inoltre, non si deve perdere di vista che le molecole a basso peso molecolare possono attraversare facilmente la membrana di ultrafiltrazione.

Evaporazione sotto vuoto

L’evaporazione sotto vuoto consente un trattamento efficace di quegli effluenti per i quali i metodi convenzionali non sono una soluzione.

Si tratta di una tecnologia semplice, robusta e matura che permette il trattamento delle acque oleose con grande efficacia e che si adatta facilmente a variazioni sia nel volume che nella concentrazione dell’effluente da trattare.

La tecnologia è evoluta negli ultimi decenni fino al punto che il consumo energetico è moderato e si presenta come una delle alternative di trattamento più competitive.

A ciò contribuiscono sia la qualità dell’acqua separata sia il piccolo volume di rifiuti generati. In questo senso, è l’unica alternativa di trattamento che da sola è in grado di ridurre il volume dell’effluente fino a quantità molto ridotte senza la necessità di processi complementari.

Trattamento biologico

A causa dell’inclusione nella formulazione delle emulsioni da taglio di agenti antimicrobici che impediscono che il prodotto venga degradato dall’azione microbiologica, come nel caso di derivati del boro, fenoli, formaldeide e poliglicoli, il trattamento biologico come unico trattamento di queste acque reflue non è altamente efficace.

Per ottenere rendimenti accettabili di depurazione è necessario combinare il trattamento biologico con un processo fisico-chimico preliminare e, talvolta, è necessario affinare l’effluente trattato mediante trattamenti terziari.

Incenerimento

Sebbene l’incenerimento di oli e grassi sia fattibile grazie all’energia liberata dalla loro combustione diretta, nel caso delle acque reflue generate in questo tipo di industrie, che presentano un’elevata proporzione di acqua, l’incenerimento di questo effluente non è un processo praticabile per il suo trattamento, a meno che non sia preceduto da un processo di evaporazione.

Processi di ossidazione avanzata (ossidazione umida e ossidazione con acqua supercritica (OASC))

L’ossidazione umida consiste in un processo di ossidazione in fase acquosa a pressioni e temperature moderate-alte (50-200 bar e 100-300 ºC). In queste condizioni è possibile il trattamento di effluenti con cariche elevate o che contengano composti tossici che rendono impraticabili i trattamenti convenzionali.

L’ossidazione in acqua supercritica si differenzia dall’ossidazione umida perché le condizioni di pressione e temperatura superano il punto critico dell’acqua (221 bar e 374 ºC).

In condizioni supercritiche l’efficacia di distruzione degli inquinanti è molto elevata anche con tempi di reazione ridotti.

Entrambe le tecnologie presentano un’elevata capacità di distruzione di composti refrattari, l’OASC maggiore dell’ossidazione umida, ma l’elevato costo di investimento, funzionamento e manutenzione ne rende la tecnologia non competitiva.

Inoltre, una volta ossidati tutti gli inquinanti organici, sarebbe necessario un processo complementare per trattare il resto degli inquinanti come i metalli, ecc.

Nella tabella seguente si confrontano tra loro le diverse alternative di trattamento delle emulsioni da taglio rispetto alle variabili più rilevanti nella selezione del processo di trattamento di un effluente:

Conclusioni

Pertanto, il settore metalmeccanico comprende un ampio gruppo di attività economiche che hanno in comune, tra le altre caratteristiche, l’utilizzo di emulsioni da taglio per facilitare il lavoro quando si verifica un contatto diretto tra il pezzo lavorato e l’utensile utilizzato.

Le emulsioni da taglio, che sono un’emulsione di acqua e olio con una lunga lista di additivi, perdono le loro caratteristiche man mano che vengono utilizzate e devono essere reintegrate.

A seguito del loro utilizzo, si producono fuoriuscite e trascinamenti che finiscono nelle acque reflue e di pulizia.

Per il trattamento di questi effluenti liquidi, che oltre alle emulsioni da taglio contengono anche altri inquinanti come solidi sospesi, vari metalli, elevata conducibilità, fosfati, tensioattivi, ecc., non tutti i processi sono praticabili.

Tra i più competitivi vi sono il trattamento mediante membrane di ultrafiltrazione e l’evaporazione sotto vuoto, sebbene quest’ultimo sia l’unico processo in grado di trattare l’effluente generando una quantità minima di rifiuti da gestire.