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© IPCM F. Stucchi A WASTE WATER TREATMENT SYSTEM TO MEET CATERPILLAR'S ENVIRONMENTAL IMPACT REQUIREMENTS Impianto di depurazione delle acque funzionale per soddisfare i requisiti di impatto ambientale presso l’impianto Caterpillar Francesco Stucchi ipcm ® Opening photo: The cylinders produced by this company are intended for the Caterpillar earthmoving machines: the picture shows a backhoe loader1. 1 For a machine of this type, 10/12 cylinders are used. Foto d’apertura: i cilindri prodotti nello stabilimento marchigiano sono destinati alle macchine movimento terra Caterpillar: in figura una terna1. 1 Per una macchina di questo tipo vengono impiegati 10/12 cilindri. C aterpillar Hydraulics Italia, based in Jesi (AN), produces oil-hydraulic cylinders in various sizes, shapes and diameters for earthmoving machinery. In September 2012, it installed at its premises, occupying an area of 150,000 m2 of which 19,000 are covered (Fig. 1), a chemical-physical system provided by Simpec, a company based in Carate Brianza (MB), Italy, to treat the waste water produced by the chemical pre-treatment processes of components, in order to meet the environmental standards required at the regional and local level. “The history of our company,” Giovanni Bolognini, the Plant Manager, explains, “began in 1926 with the production of agricultural machines. In 1967, however, it started focusing on hydraulic and oil-hydraulic components. In 1971, the company was transferred to the current seat and, in 1996, it was acquired by Caterpillar, a world leader in the construction of earthmoving machinery, diesel engines, propellers and generators. At the moment, we are the leading manufacturer of cylinders in the Caterpillar Group at the European level, with a production volume of 250,000 units per year, that is, about 1,000 cylinders of about 200 different types per day (Fig. 2).” 52 N. 25 - 2014 JANUARY/FEBRUARY - international PAINT&COATING magazine L a Caterpillar Hydraulics Italia, con sede a Jesi (AN), produce cilindri oleodinamici di varie dimensioni, forme e diametri per macchine movimento terra. All’interno dello stabilimento, che occupa una superficie pari a 150.000 m2 di cui 19.000 coperti (fig. 1), ha installato nel settembre 2012 un impianto chimico-fisico fornito da Simpec di Carate Brianza (MB) per il trattamento degli scarichi derivanti dai processi di pretrattamento chimico dei componenti, allo scopo di rispondere ai requisiti ambientali richiesti dagli enti regionali e locali. «La storia della nostra società – ci spiega Giovanni Bolognini, Plant Manager – iniziò nel 1926 con la produzione di macchine agricole. Nel 1967 cambiò il settore di appartenenza dedicandosi alla realizzazione di componenti idraulici e oleodinamici. Nel 1971 la sede dell’azienda fu trasferita nello stabilimento in cui ci troviamo oggi e, nel 1996, la nostra società è stata acquisita da Caterpillar, leader mondiale nella costruzione di macchine movimento terra, motori diesel, propulsori e generatori elettrici. Oggi siamo il principale produttore di cilindri del gruppo Caterpillar a livello europeo con un volume produttivo pari a 250.000 unità l’anno, circa 1.000 cilindri al giorno di circa 200 tipi diversi (fig. 2)». FOCUS ON TECHNOLOGY La verniciatura dei cilindri The coating system operates in a continuous mode on three shifts, finishing approximately 1,200 parts per day. “Its design process started in 2004 and ended in 2007 with its installation,” Roberto Pierandrei, the Manufacturing Engineer Manager, says, “following the implementation of our lean transformation program, conceived to rationalise the production and organise it on a production line basis. The previous system was outdated and was no longer able to support the productive needs of the company. Therefore, it has been replaced and adapted to the new configuration of the production lines, so as to increase our production capacity and reduce its environmental impact. 1 Currently, our production is organised in lines, each of which handles a particular type of component. At the end of the line, we obtain a complete cylinder, which is hung directly to a load frame for the coating stage. This is one of the most innovative elements of our lean transformation process, which has doubled our production capacity: the absence of an intermediate handling stage between the various manufacturing operations, including the coating one, enables us not to stockpile material and ensures the continuity of production. At the end of each of the six production lines, there is a loading area where the components are hung directly into the system. The coating line is constantly evolving, too: we can say that the current one is not its final version, because, based on the ever changing production requirements, we have made and we are still making changes and improvements.” L’impianto di verniciatura è attivo a ciclo continuo su tre turni lavorativi per la finitura di circa 1.200 pezzi al giorno. «Il progetto per l’impianto di verniciatura è nato nel 2004 per concludersi nel 2007, anno della sua installazione – precisa Roberto Pierandrei Manufacturing Engineer Manager – in seguito all’implementazione di un programma di lean transformation, messo in atto per razionalizzare il più possibile la produzione e organizzarla per linee produttive. L’impianto precedente era infatti datato e non era più in grado di sostenere la trasformazione produttiva d e l l ’a z i e n d a . È stato quindi sostituito per aumentare la capacità produttiva, adattandolo alla nuova configurazione delle linee produttive, e migliorare l’impatto ambientale. Attualmente la produzione è organizzata in linee ognuna delle quali produce un determinata tipologia di prodotto. Alla fine della linea otteniamo il cilindro completo, che viene appeso direttamente al telaio di carico per la verniciatura. Questo è uno degli elementi più innovativi della lean transformation, che ha raddoppiato la capacità produttiva: l’assenza di una fase intermedia di movimentazione tra le varie operazioni di produzione del pezzo, verniciatura compresa, che ci permette di non accumulare materiale e garantisce una continuità produttiva. Al termine di ognuna delle sei linee produttive vi è una baia di carico per l’appensione diretta del pezzo sull’impianto. La linea di verniciatura è anch’essa in continua evoluzione: possiamo dire che ancora oggi non è nella sua versione definitiva, nel senso che, in base alle sempre nuove esigenze produttive, abbiamo provveduto e provvediamo ancora oggi ad apportare modifiche e miglioramenti». © IPCM F. Stucchi Coating the cylinders 1 A bird's eye view of the Caterpillar plant in Jesi, in the province of Ancona. Panoramica dello stabilimento Caterpillar di Jesi, in provincia di Ancona. international PAINT&COATING magazine - JANUARY/FEBRUARY 2014 - N. 25 53 A Waste Water Treatment System to Meet Caterpillar's Environmental Impact Requirements © IPCM F. Stucchi 3 The water coating stage inside the booth. Caterpillar's products are divided into categories according to the type of outdoor exposure. Obviously, the components coated by Caterpillar Hydraulics fall into the highest exposure categories. The quality of the products is verified by an American laboratory, called Tech Center, which has the task of responding to all technical requirements of the Group's subsidiaries worldwide. 2 2 An example of the cylinders produced by Caterpillar Hydraulics Italia. Un esempio dei cilindri prodotti da Caterpillar Hydraulics Italia. 3 © IPCM F. Stucchi La verniciatura ad acqua dei pezzi all’interno della cabina. Tutti i prodotti Caterpillar sono suddivisi in categorie in base al tipo di esposizione che hanno all’esterno. Ovviamente i componenti verniciati in Caterpillar Hydraulics rientrano nelle categorie ad esposizione più elevata. La qualità del prodotto è verificata da un laboratorio americano, chiamato Tech Center, che si occupa di rispondere a tutte le esigenze tecniche provenienti dalle divisioni della multinazionale distribuite in tutto il mondo. Coating system Il ciclo di verniciatura The coating line consists of the three usual parts: nanotechnology pre-treatment tunnel, coating and curing stations. “The nanotechnology pre-treatment process includes five stages: degreasing, two rinsing steps, the second of which with demineralised water, phosphation, further rinsing with demineralised water and drying,” Pierandrei continues. “Subsequently, the part reaches the coating application area, where there are two parallel lines: on each line, we have installed two water veil booths, because the system provides for the application of a primer and an enamel layer. Having two lines gives us the ability to be flexible as regards the colour and the type of component to be treated. One line is fully automatic by means of reciprocators, the other one is a semi-automatic, with a manual station for the products with such a particularly complex shape that they cannot be coated in the automatic line (Fig. 3 and 4). La linea di verniciatura è costituita dalle classiche tre parti: tunnel di pretrattamento nanotecnologico, verniciatura e polimerizzazione. «Il pretrattamento nanotecnologico è a cinque stadi, cioè sgrassaggio, due stadi di risciacquo, di cui il secondo con acqua demineralizzata, fosfatazione, ulteriore risciacquo con acqua demineralizzata e asciugatura» – continua Pierandrei. «Successivamente il pezzo arriva nell’area di applicazione della vernice dove ci sono due linee in parallelo: su ciascuna linea abbiamo installato due cabine a velo d’acqua, perché il ciclo prevede applicazione del primer e dello smalto. Avere due linee ci dà la possibilità di essere flessibili per quanto riguarda il colore e per la tipologia del pezzo. Infatti, una linea è completamente automatica a mezzo di reciprocatori, l’altra è semi-automatica con una postazione manuale per quei prodotti di forma più complessa che sulla linea automatica non possono essere verniciati (figg. 3 e 4). 54 N. 25 - 2014 JANUARY/FEBRUARY - international PAINT&COATING magazine FOCUS ON TECHNOLOGY The third stage is that of polymerisation in an oven at 80-90°C and final cooling. This enables us to unload the cylinders from the line “in real time”, without having to wait for the natural cooling of the parts (Fig. 5).” La terza fase è quella della polimerizzazione in forno di cottura a 80-90 °C e raffreddamento finale: questo ci consente di poter scaricare dalla linea i cilindri in tempo reale, senza dover aspettare il raffreddamento naturale dei pezzi (fig. 5). Focus on the environment: reduction of emissions and waste Focus sull’ambiente: riduzione delle emissioni e degli scarichi “We use only water-based paints and we have greatly reduced emissions,” so Fabio Vitali, the Safety and Environment Coordinator of Caterpillar Hydraulics. “Thanks to the new coating plant as well as the adoption of the electrostatic technology and of water-based products, we are definitely below the limits imposed. The excellent result of a lower environmental impact has been completed with the installation of a new chemical-physical plant for the waste water produced in the pretreatment stage.” “Utilizziamo solo vernici all’acqua e abbiamo ridotto di molto le emissioni» – interviene Fabio Vitali, Safety and Environment Coordinator di Caterpillar Hydraulics – Grazie al nuovo impianto di verniciatura, all’introduzione dell’elettrostatica e delle vernici all’acqua siamo nettamente scesi sotto i limiti imposti. L’ottimo risultato del minor impatto ambientale si è completato grazie all’installazione di un nuovo impianto chimico-fisico per il trattamento delle acque reflue di pretrattamento». 4 4 A detail of the coated cylinders. The colours used are those of the brand: yellow and black. Un dettaglio dei cilindri verniciati. I colori utilizzati sono quelli del brand: il giallo e il nero. © IPCM F. Stucchi A Waste Water Treatment System to Meet Caterpillar's Environmental Impact Requirements 5 Components just outside the drying oven. I componenti appena fuoriusciti dal forno di asciugatura. 6 The two tanks placed between the pretreatment tunnel and the coating plant, where the concentrate from the nanotechnology pre-treatment process is stored. L’impianto di trattamento delle acque “We had an old chemical, physical and biological purifier built in the 1970s, with buried concrete tanks,” Vitali continues. “With the new regulations, we would have been no longer able to meet the parameters required. Therefore, we have decided to replace it. We have met Simpec at a trade fair and we have decided to opt for a chemical-physical treatment plant. We have dismantled the old biological system that treated the waste water from the cafeteria and the bathrooms, installing a grease separator and an Imhoff tank. We have also designed alternative solutions for the cooling water from the mechanical processing: at the end of the production line, the cylinders are subjected to a hydraulic test and the oil of the test bench is treated with a cooling water system. Initially, this water passed through heat exchangers and then, through the sewer, it reached the old chemicalphysical treatment plant. However, we have soon decided not to use the new system to treat this cooling water, but to create a closed-loop system to reuse it. We have started by installing the closed-loop system for the cooling water, and then we have dismantled the biological plant and began to build the chemical-physical one.” «Avevamo un vecchio depuratore chimico-fisico-biologico degli anni Settanta con vasche in cemento interrate» - continua Vitali. «Con le nuove normative, non saremmo più riusciti a rispettare i parametri indicati e abbiamo deciso di provare a valutare dei nuovi impianti di depurazione. Abbiamo conosciuto la società Simpec ad una fiera e abbiamo deciso di procedere con un impianto di trattamento chimico-fisico. Abbiamo smantellato il vecchio impianto biologico su cui conferivamo gli scarichi della mensa e dei bagni, installando un degrassatore e una fossa Imhoff. Abbiamo anche studiato soluzioni alternative per le acque di raffreddamento delle lavorazioni meccaniche. Infatti, alla fine della linea di produzione il cilindro viene collaudato con un test idraulico e l’olio del banco di collaudo è trattato con un sistema di raffreddamento ad acqua che prima era a perdere, cioè l’acqua passava attraverso gli scambiatori di calore e poi, tramite la fognatura, raggiungeva il vecchio impianto di depurazione chimico-fisico. Quando abbiamo valutato la necessità di costruire il nuovo impianto, abbiamo deciso da subito di non far confluire queste acque all’impianto, ma di creare un sistema a circuito chiuso per riutilizzare le acque. Abbiamo iniziato installando questo impianto per le acque di raffreddamento a circuito chiuso, poi abbiamo smantellato l’impianto biologico e iniziato a costruire al suo posto il nuovo impianto chimico-fisico». © IPCM F. Stucchi I due serbatoi collocati tra il tunnel di pretrattamento e l’impianto di verniciatura, dove viene stoccato il concentrato risultante dai processi di pretrattamento neotecnologico. Waste water treatment system 5 6 56 N. 25 - 2014 JANUARY/FEBRUARY - international PAINT&COATING magazine © IPCM F. Stucchi FOCUS ON TECHNOLOGY © IPCM F. Stucchi © IPCM F. Stucchi L’impianto installato da Simpec raccoglie i reflui della The plant installed by Simpec collects the waste fase di pretrattamento in questo modo: le tre vasche water from the pre-treatment stage as follows. di risciacquo hanno lo scarico in continuo. Al depuraThe three rinse tanks have a continuous drain 3 tore confluisce circa 1 m3 di acqua di risciacquo all’ora. function; about 1 m of rinsing water per hour flows to the purifier. The two process tanks Le due vasche di processo, invece, dove si raccolgono collecting the waste water from the washing i concentrati del lavaggio e della passivazione nanoand nanotechnology passivation stages, on the tecnologica, vengono svuotate e pulite 2 volte l’anno. other hand, are emptied and cleaned 2 times a Prima dell’installazione del nuovo impianto, la pulizia year. Prior to the installation of the new plant, di queste vasche doveva essere affidata ad una ditta the cleaning of these tanks had to be entrusted to esterna. another firm. Il concentrato deriThe concentrate vante dalle vasche from the process di processo è stocbaths is stored in cato in due serbatwo tanks located toi posizionati nei near the coating pressi all’impianto di plant (Fig. 6), and verniciatura (fig. 6), then, during the per poi essere trattaworking hours, it to durante l’orario di is treated with the lavoro insieme alle rinsing water. acque di risciacquo. 7 From inside Dall’interno dello the building, stabilimento, conunderground dutture sotterranee pipelines reach the proseguono fino site where the waste al sito dove è stawater treatment to posizionato l’implant is located pianto di depura(Fig. 7, 8 and 9). zione (figg. 7, 8 e 9). Here, there is a Qui si trova un primo first 16 m3 large serbatoio di equalizzazione di 16 m3, equalisation tank, where the dove il liquido sosta 8 liquid dwells per avere un’omogeto be correctly neizzazione ideale. 7 8 homogenised. Nel caso ci fosse un Interior and exterior of the building where the waste water treatment plant is located. In case there is problema sull’ima problem in the pianto di verniciaVeduta esterna e interna del capannone dove è situato l’impianto di depurazione. coating plant tura o nella parte or at the end of finale del depuratothe purifier, its capacity allows not to stop the re, questo serbatoio consente di avere una riserva production for several hours. Two pumps, which, per diverse ore, senza dover fermare la produzione. for safety reasons, operate alternately, are linked Da questo equalizzatore si diramano 2 pompe che, to the equalisation tank. Here, the purification per motivi di sicurezza, funzionano in modo alterstage begins, which includes an acidification nato. Qui inizia la fase di depurazione vera e propria (from 1½ m3), a coagulation (from 2 m3) and a che comprende l’acidificazione (da 1 ½ m3), la coaneutralisation step. The maximum level that gulazione (da 2 m3) e la neutralizzazione. Il target 3 can be reached by the plant is 5 m /h, but it is massimo dell’impianto è di 5 m3/h, ad oggi è setta3 currently set at approximately 3 m /h. to su circa 3 m3/h. © Simpec A Waste Water Treatment System to Meet Caterpillar's Environmental Impact Requirements 9 9 The layout of the waste water treatment plant designed by Simpec. In the upper part, useful chemicals for this process are listed Il layout dell’impianto per lo scarico delle acque, progettato da Simpec. Nella parte superiore dello schema sono elencati i prodotti chimici utili per l’operazione di depurazione degli scarichi reflui. “Simpec has also suggested us the best products for our purification plant,” Vitali says, “that is, sulphuric acid, coagulant (ferric chloride), caustic soda, pulverised coal and lime slurry. All these products flow in the appropriate tanks through the different pumps and feeders.” «Simpec ci ha indicato anche i prodotti da utilizzare per l’impianto di depurazione – racconta Vitali - l’acido solforico, il coagulante (cloruro ferrico), la soda caustica, il carbone in polvere e il latte in calce. Tutti questi prodotti attraverso le varie pompe e i dosatori confluiscono nelle rispettive vasche». Acidification, neutralisation and coagulation Acidificazione, coagulazione e neutralizzazione The waste water reaches the coagulation tank, where ferric chloride (FeCl3), which has a coagulating effect, is dosed. Subsequently, if necessary, sulphuric acid is added, in order to maintain the pH at an optimal value to allow the dosage of the neutralising agent in the following stage (Fig. 10). At this point, lime slurry is dosed, in order to increase the pH value. Lime slurry has the function of providing ions for the precipitation of polluting metals. I reflui pervengono alla vasca di coagulazione, dove viene dosato il cloruro ferrico (FeCl3), che opera un effetto coagulante e successivamente, se necessario, viene dosato anche l’acido solforico, al fine di mantenere il pH ad un valore ottimale per consentire il dosaggio del reattivo neutralizzante nella successiva apposita sezione di neutralizzazione (fig. 10). In questa sezione viene dosata la sospensione di latte di calce allo scopo di incrementare il pH. Il latte di calce ha la funzione di fornire ioni per la precipitazione dei metalli inquinanti. 58 N. 25 - 2014 JANUARY/FEBRUARY - international PAINT&COATING magazine Flocculation and sedimentation © IPCM F. Stucchi After neutralisation, the flocculation stage begins. The flocculant has the task of making the mud flakes (formed during the neutralisation process) bigger, aggregating them to each other. “The flocculant creates heavier flakes, which converge to the lamellar settling tank,” Vitali explains, “which has the function of separating the liquid part from the sludgy one. The liquid part is collected in a pumping tank and then sent through two pumps to the filter unit, with a quartz filter and a carbon one. The sludge is extracted from the settling tank and sent to the thickener. Through a pump, then, it converges in a filter press that produces solid sludge to be managed as waste. 10 10 The coagulation and neutralisation tanks. Le due vasche di coagulazione e di neutralizzazione. Flocculazione e decantazione Dopo la neutralizzazione, la fase successiva è quella della flocculazione. Il flocculante ha il compito di rendere più grossi i fiocchi di fango, formati durante la precedente neutralizzazione, aggregandoli tra loro. «Il flocculante crea un fiocco più pesante che converge al decantatore lamellare» - continua Vitali. «Il decantatore ha la funzione di separare la parte liquida dalla parte fangosa. La parte liquida viene raccolta in una vasca di pompaggio e, successivamente, inviata, tramite 2 pompe, alla batteria di filtri: il primo filtro è al quarzo, il secondo filtro al carbone. I fanghi, invece, dopo essere stati estratti dal decantatore, sono inviati all’ispessitore e, tramite una pompa, convergono in un filtro pressa da cui fuoriesce il fango solido, che viene gestito come rifiuto. © IPCM F. Stucchi © IPCM F. Stucchi A Waste Water Treatment System to Meet Caterpillar's Environmental Impact Requirements 11 11 The last stage of the sludge treatment process occurs in the filter press, which dehydrates it and turns it into solid waste to be disposed of by a specialist company. L’ultimo passaggio del trattamento dei fanghi è il filtro pressa che li disidratata e li trasforma quindi in rifiuto solido, da smaltire con una ditta specializzata. 12 The tank containing 475 litres of selective chelating resin, whose function is to complete the process of abatement of any heavy metals. La colonna contenente 475 litri di resina selettiva chelante, la cui funzione è quella di rifinire il processo di abbattimento di eventuali metalli pesanti. The clarified water, collected downstream of the filtration process, is treated in a pH correction bath before it is conveyed to the final treatment stage with selective resins, whose function is to complete the process of abatement of any heavy metals traces (Fig. 11). Afterwards, the water that comes out of the purifier becomes surface waste water.” 12 Le acque chiarificate, raccolte a valle della filtrazione, sono trattate nella vasca di correzione pH allo scopo di correggerlo prima dell’invio delle stesse alla successiva sezione di trattamento finale con resine selettive, la cui funzione è quella di rifinire il processo di abbattimento di eventuali tracce di metalli pesanti (fig. 11). Dopo di che l’acqua che fuoriesce dal depuratore diventa acqua superficiale di scarico». Conclusions “The collaboration with the Simpec engineers has been essential also with regard to the building works. Together with them, we have designed the most suitable concrete foundation pit as well as a movable cover, which was absent in the previous system and which has been conceived taking into consideration the winter and summer temperatures in our area,” Vitali concludes. “Thanks to the new system, we have reduced the consumption of both the used and the discharged water, we comply with the new environmental regulatory parameters and we have been able to replace an outdated system with a latest generation one, at the highest levels of technology and design – those that a company from the Caterpillar Group cannot but reach.” 60 N. 25 - 2014 JANUARY/FEBRUARY - international PAINT&COATING magazine Conclusioni «La collaborazione con i tecnici Simpec è stata indispensabile anche per quanto riguarda la progettazione delle opere murarie. Con loro abbiamo infatti studiato la costruzione della platea in cemento che ritenevamo più idonea per questa struttura e la copertura mobile, che nel precedente impianto non era prevista, valutata in base alle temperature invernali ed estive del nostro territorio – conclude Vitali – Grazie al nuovo impianto abbiamo ridotto il consumo delle acque in prelievo ed in scarico, ci siamo uniformati ai parametri ambientali normativi indicati e abbiamo sostituito un impianto datato con uno di ultima generazione ai massimi livelli tecnologici e progettuali: quelli che una società del gruppo Caterpillar non può non raggiungere».