Nuove tecnologie per il trattamento delle acque di scarico

La situazione delle tecnologie in
Italia e nel mondo
Giuseppe Mininni
Cnr – Istituto di Ricerca Sulle Acque
Il ruolo delle Utilities nella Ricerca e nell’Innovazione Tecnologica
“Investimenti nel servizio idrico: la depurazione è al primo posto”
Bologna, 22 Ottobre 2014
PRINCIPALI PROBLEMATICHE DELLE
TECNOLOGIE CONVENZIONALI A FANGHI ATTIVI
sediment. primar.
unità biologica
sediment. second.
eff.
inf.
fango
fango
 basse velocità di sedimentazione
 basse concentrazioni di biomassa
 basse capacità di trattamento
 elevata richiesta di superficie
 elevata produzione di fango
 bassa flessibilità operativa
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REATTORI A LETTO FISSO SOMMERSO
(BAF – BIOLOGICAL AERATED FILTERS)
 Vantaggi
 Assenza di sedimentazione secondaria;
 Elevata capacità di trattamento;
 Ridotta superficie di impianto (circa 1/3 di quella
dei sistemi a fanghi attivi;
 Ridotta produzione di odori e aerosol;
 Nessun problema di bulking.
Svantaggi
 Necessari trattamenti preliminari efficienti
(richiesta di refluo a basso contenuto di solidi
sospesi);
 Frequenti lavaggi del letto;
 Produzione di fango confrontabile/maggiore di
quella dei sistemi a fanghi attivi;
 Maggiore complessità in termini di strumentazione
e controllo di processo;
 Elevati costi di investimento e di funzionamento.
Up-flow
Down-flow
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REATTORI A LETTO FISSO SOMMERSO
(BAF – BIOLOGICAL AERATED FILTERS)
Diversi processi disponibili su scala industriale
Biofor® (Degremont, Francia)
Biostyr™ (Veolia, Francia)
BioSAF™ (Veolia, Francia)
Biopur® (Biopur, Svizzera)
Tipo di flusso: up-flow;
Materiale filtrante granulare (Biolite®)
150 impianti realizzati
Tipo di flusso up-flow
Materiale filtrante granulare flottante (Biostyrene®)
21 impianti realizzati con potenzialità 25.000-6.000.000 A.E.
Filtro sommerso aerato
Tipo di flusso up-flow
Corpi riempimento in plastica a galleggiamento neutro
Applicazioni 30-3.000 A.E.
Tipo di flusso: down-flow;
Materiale filtrante: a superficie orientata (fogli di plastica corrugata)
60 impianti progettati e realizzati (Meilen Svizzera, Baotou Cina)
Campo di applicazione
 Reflui civili e industriali;
 Particolarmente indicato per nuove installazioni o per up-grading di impianti soggetti a sovraccarico;
 Applicazioni su media e grande scala (in aree ad elevata densità abitativa);
 Più di 500 impianti nel mondo di cui 270 in Europa (più di 50 milioni di A.E) in funzione nel mondo: Nord America
(104), Giappone (100), Francia (80), UK (60), Germania (47), Svizzera (21), Cina (14), Spagna (8), Italia (10),
Austria (4),Finlandia (4), Belgio (3).
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Biostyr™
Veolia
BIOFOR®
Degremont
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REATTORI A LETTO FISSO SOMMERSO
(BAF – BIOLOGICAL AERATED FILTERS)
Impianto di Xiamen (Cina)
Biofor – 650.000 PE; 2006
Impianto di Herford (Germania);
Biostyr – 250.000 PE; 1997
2° linea
Impianto di Davyhulme (UK)
Biostyr – 1.500.000 PE; 1998
Depuratore di Peschiera Borromeo (MI)
Biofor - II linea da 250.000 PE; 2006
Nel 2016 sarà pronto l’impianto di Achères BIOSAV (France), il più grande impianto a
biofiltrazione del mondo ( 6,000,000 AE) – Processo Biostyr
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REATTORI A LETTO MOBILE
(MBBR- Moving Bed BioReactors)
griglia
I sistemi MBBR sono reattori biologici,
solitamente per nulla differenti dalle vasche a
fanghi attivi, parzialmente riempiti con
elementi plastici (tasso di riempimento max del
70%).
La principale differenza rispetto alle vasche a
fanghi attivi è costituta dalla presenza di una
griglia posizionata a valle della vasca al fine di
impedire la fuoriuscita degli elementi
I reattori MBBR sono sistemi ibridi con
presenza di biomassa sospesa e adesa sul
materiale di riempimento
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REATTORI A LETTO MOBILE
(MBBR- Moving Bed BioReactors)
Vantaggi
 Facilità di impiego per il potenziamento di impianti esistenti;
 Aumento della concentrazione della biomassa;
 Possibilità di innescare i processi di nitrificazione e denitrificazione senza alcuna
modifica strutturale dell’impianto;
 Maggiore resistenza alle variazioni di carico organico;
 Riduzione delle dimensioni del sedimentatore secondario;
 Età del fango più elevate e quindi fango più stabilizzato e facilmente disidratabile.
Svantaggi
 Aerazione con bolle medio-grandi;
 Controllo limitato del processo;
 Manutenzione specializzata.
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REATTORI A LETTO MOBILE
(MBBR- Moving Bed BioReactors)
Campo di applicazione
 Upgrading di impianti di trattamento a fanghi attivi esistenti sia civili sia industriali.
 Diversi processi a livello industriale che si differenziano principalmente per i corpi di
riempimento utilizzati che variano in materiale, forma, densità e superficie specifica
(processi Captor®, Linpor®, Flocor-RMP®, Natrix®, Kaldnes KMT®)
 Più di 500 impianti Kaldnes KMT® nel mondo per trattamento acque reflue civili
(192), industrie alimentari (110), cartiere (70), farmaceutiche (9), allevamenti ittici
(45).
 Diverse applicazioni importanti nel Nord Europa:
− Depuratore di Gardermoen, aeroporto di Oslo (Norvegia), potenzialità 22.000 m3/d, processo
Kaldnes (Veolia), in funzione dal 1998.
− Depuratore di Lillehammer (Norvegia), potenzialità 28.800 m3/d, processo Kaldnes (Veolia),
in funzione dal 1994.
− Depuratore di Malmo-Klagshamn (Norvegia), potenzialità 28.000 m3/d, processo Kaldnes
(Veolia).
 Alcune applicazioni in Italia su depuratori municipali di piccola taglia (< 1.000 m3/d)
[depuratori di Maserà (PD), Origiano (VI), Castelgomberto (VI), Villa Rendene (TN)] e
su reflui industriali (birrifici e cartiere).
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SISTEMI SBR (SEQUENCING BATCH REACTORS)
Sono sistemi “time oriented” nei quali le
diverse fasi del processo (rimozione del
carbonio,
azoto
e
fosforo,
e
sedimentazione) avvengono nella stessa
unità con sequenza temporale piuttosto
che spaziale (ossia contemporaneamente
in unità diverse) come negli impianti
tradizionali (sistemi “space oriented”).
Il funzionamento dei sistemi SBR si basa
sulla successione di cicli di trattamento
della durata di 6/8/12 ore.
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SISTEMI SBR (SEQUENCING BATCH REACTORS)
Vantaggi
Basso foot-print;
Minor costo di impianto con:
 Elevata flessibilità operativa;
 Maggiore robustezza;
 Miglior controllo del fenomeno del bulking;
 Assenza di ricircoli di fanghi e mixed liquor;
 Migliore efficienza di trasferimento dell’ossigeno;
 Minor costo energetico del trattamento;
Svantaggi
Richiesta di personale specializzato per la gestione;
Controllo più delicato del processo;
Richiesta di vasche di accumulo o di più unità SBR;
Maggiore sensibilità agli inquinanti tossici.
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SISTEMI SBR (SEQUENCING BATCH REACTORS)
Campo di applicazione
 Reflui civili e industriali (particolarmente indicato nei casi in cui lo scarico è
discontinuo);
 Applicazioni su piccola-media scala (generalmente <20.000 m3/d) anche se la scala sta
aumentando nelle installazioni più recenti;
 Più di 1.300 impianti costruiti in USA, Canada ed Europa negli ultimi 25 anni
Depuratore di Dublino (Irlanda)
L’impianto (320.000 m3/d) è costituito
da 24 unità SBR disposte su due livelli.
Depuratore di Bangkok (Tailandia)
L’impianto (200.000 m3/d) è costituito da
diverse unità SBR disposte su quattro livelli.
In Italia sono poco diffusi ma il loro utilizzo sta aumentando. Sono utilizzati su impianti
di piccola scala (residence, campeggi, villaggi turistici), cantine vinicole, caseifici,
macelli, salumifici, allevamenti ittici.
Sono presenti nella città di Venezia (Murano, Cannareggio, Giudecca, S. Croce, Castello;
potenzialità < 1.000 AE).
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REATTORI A BIOMASSA GRANULARE
Si tratta di sistemi di recente concezione nei
quali la biomassa cresce sotto forma di
granuli (anche di 1-2 cm) ad elevata densità.
Sono tutti sistemi a funzionamento
periodico (sequenziale)
senza corpo di
riempimento
Granulated
Sequencing
Batch Reactor (GSBR)
con corpo di
riempimento
Sequencing
Batch
Biofilter
Granular Reactor (SBBGR)
fango attivo
granulo
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REATTORI A BIOMASSA GRANULARE AEROBICA
Vantaggi






Elevate concentrazioni di biomassa (fino a 50 kg/m3);
Elevate età del fango raggiungibili con bassa produzione di fango;
Elevate velocità di sedimentazione della biomassa;
Possibilità di eseguire la rimozione di carbonio, azoto e fosforo nello stesso reattore;
Riduzione della superficie dell’impianto richiesta;
Elevata flessibilità operativa.
Svantaggi
 Tempi di avviamento dell’impianto piuttosto lunghi (alcuni mesi);
 Instabilità a lungo termine dei granuli;
 Richiesta di personale specializzato per la conduzione.
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SISTEMI A BIOMASSE GRANULARI
Campo di applicazione
 Trattamento reflui industriali e civili;
 Due processi disponibili su scala industriale: Nereda® (DHV, Olanda), a biomassa
granulare sospesa, e SBBGR (CNR-IRSA) a biomassa granulare adesa.
 Pochissime applicazioni in piena scala (un solo impianto in funzione e altri
quattro in fase di realizzazione)
Depuratore di Epe, Olanda
Processo Nereda, capacità 60.000 AE;
Anno di funzionamento: 2012
Impianti SBBGR in scala pilota
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DEAMMONIFICAZIONE AUTOTROFA
È un processo in grado di trasformare l’ammonio in azoto molecolare utilizzando
microorganismi autotrofi (cioè che non necessitano di una fonte di carbonio organico):
NO2- + NH4+
N2(g) + 2 H2O
È un processo a due stadi:
1° stadio (nitrosazione): converte metà del carico ammoniacale in nitrito;
2° stadio (ossidazione anaerobica - ANAMMOX): converte il nitrito e l’ammonio in azoto
gassoso e acqua.
Rispetto al processo convenzionale di nitrificazione/denitrificazione biologica
consente di ridurre:
 la richiesta di carbonio esterno a zero,
 il fabbisogno di ossigeno del 60%;
 la produzione di fanghi;
 l’emissione di CO2 di circa il 90%.
Gli svantaggi sono rappresentati dagli elevati tempi di avviamento dell’impianto,
dall’instabilità del processo e dalla necessità di personale specializzato per la
conduzione del processo.
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DEAMMONIFICAZIONE AUTOTROFA
Campo di applicazione
 Trattamento reflui caratterizzati da un basso rapporto COD/NH4 (surnatanti della
digestione anaerobica dei fanghi, liquami suinicoli, percolati di discarica stabilizzati,
effluenti industriali);
 Diversi processi a livello industriale (Sharon®, Canon®, Oland®, Demon®, Anita-Mox®)
che si differenziano per la configurazione impiantistica (singolo o a doppio stadio), il
tipo di reattore (biomassa sospesa o adesa, continuo o sequenziale) e per la strategia
operativa (pH o ossigeno controllato).
 Poche applicazioni nel mondo: USA, Germania, Svizzera, Svezia, Austria, Ungheria,
Serbia, Olanda, Cina.
Wards Island WWTP (New York)
Processo Sharon
Potenzialità: 5.000 kg N/d
In funzione dal 2009
Apeldoorn WWTP (Olanda)
Processo Demon
Potenzialità: 1.270 m3/d (1.500 kg N/d)
In funzione dal 2009
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INTEGRAZIONE DI PROCESSI
BIOLOGICI E CHIMICI
sedim. prim.
stadio biologico
stadio biologico
sedim. sec.
eff.
inf.
Reflui completamente Reflui contenenti una
frazione del carico
recalcitranti o
contenenti composti organico recalcitrante
tossici/inibenti per la
biomassa
Reflui con
microinquinanti
bio-resistenti
Processo di ossidazione chimica (O3, UV/H2O2, O3/H2O2, UV/TiO2)
Campo di applicazione
Trattamento reflui industriali (concerie, tintorie, lavorazione del petrolio, cartiere, industrie
farmaceutiche, percolato di discarica) ma ultimamente anche trattamento effluenti di
depuratori civili per la rimozione di microinquinanti (sregolatori endocrini, farmaci).
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Bioreattori a membrana
• I bioreattori a membrana (MBR) sono una tecnica efficiente per il
trattamento delle acque di scarico anche ai fini di un possibile riuso
delle acque trattate.
• Possono essere definiti come sistemi che integrano il trattamento
biologico con la filtrazione su membrana.
• Si sono dimostrati efficaci nella rimozione di contaminanti organici e
inorganici.
• Rispetto ai sistemi convenzionali a fanghi attivi gli MBR offrono
vantaggi di:
– un buon controllo del processo biologico;
– un’ottima qualità dell’effluente trattato anche dal punto di vista igienicosanitario;
– più elevati tempi di permanenza della biomassa nel reattore
indipendentemente dal tempo di residenza idraulico con conseguente
produzione inferiore di biomassa;
– rapidi tempi di avviamento del processo biologico.
• Il primo impianto risale al 1998 (Porlok UK 3.800 A.E.).
• Attualmente sono in esercizio circa 5.000 impianti nel mondo.
• Le principali aziende produttrici di MBR sono Kubota (Giappone),
Zenon (U.S.A.) e Siemens.
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Schema tipico di trattamento fanghi
per impianto di grande potenzialità
con sedimentazione primaria
Biogas
20,6 L/(A.E. × d)
Prod. specifica:
0,85 L/g SV abb.
Centrato
2,9 g/(per × d)
75% SV/ST
0,133% ST
10
Fanghi secondari
29,2 g/(A.E. × d)
75% SV/ST
1,07% ST
1
Surnatante
2,4 g/(per × d)
75% SV/ST
0,19% ST
Fanghi primari
48 g/(per × d)
75% SV/ST
2% ST
Fanghi secondari
26,3 g/(A.E. × d)
75% SV/ST
5% ST
DT
11
3
MAD
Fanghi misti
71,9 g/(per x d)
75% SV/ST
4,3% ST
9
GT
1,93 W/A.E.
5
20 d
45%
rimozione
SV
Fanghi disidratati
42,9 g/(A.E. × d)
62,3% SV/ST
25% ST
Fanghi digeriti
47,6 g/(A.E. × d)
62,3% SV/ST
2,9% ST
6
DEW
7
25%
37 C
2
4
Fanghi primari
45,6 g/(A.E. d)
75% SV/ST
4% ST
8
Centrato
4,76 g/(A.E. × d)
62,3% SV/ST
0,32 % ST
N tot 1,8 g/(A.E. × d)
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Schema
combinato recupero energia da biogas
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Produzione energia elettrica nella
digestione anaerobica
a) Per un impianto da 500.000 A.E. si può stimare una produzione
di E.E. di 0,97 MW dalla valorizzazione energetica del biogas
prodotto nella digestione anaerobica (1,93 W/ab);
b) L’assorbimento di E.E. può essere stimato in circa 1,7 MW
[consumo complessivo 30 kWh/(ab × anno)], cioè 3,42 W/ab.
c) La valorizzazione energetica del biogas può coprire, perciò,
quasi il 60% dei consumi di energia di tutto l’impianto di
depurazione.
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Forni d’incenerimento fanghi
in Europa
Pesi europei
Austria
Belgio
Danimarca
Germania
Paesi bassi
Regno unito
Svizzera
Totale
Numero di impianti di
incenerimento fanghi
1
1
5
23
2
11
14
57
Capacità
(t di secco/anno)
20.000
300.000
630.000
190.000
420.000
100.000
1.660.000
Media 80 t/d di secco (circa 320 t/d di fango disidrato al 25%)
Le tecnologie Degremont (Thermylis) e Veolia (Pyrofluid)
appaiono le più utilizzate
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Thermolysis
Degremont
Pyrofluid
Veolia
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Schema trattamento fumi
• Abbattimento polveri grossolane con ciclone
• Abbattimento polveri fini con filtro a maniche
• Iniezione di carbonato di sodio e carbone attivo
in polvere
• Abbattimento polveri chimiche con II filtro a
maniche
• DeNOx catalitico (per fanghi non digeriti
potrebbe non essere richiesta aggiunta di
reattivo per riduzione NOx)
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Inquadramento normativo per il
recupero/smaltimento dei fanghi
• D. Lgs. 99/92 (Utilizzazione dei fanghi in agricoltura)
– D.M. 5 febbraio 1998 e s.m.i. (procedure semplificate per il recupero di rifiuti non
pericolosi)
– D. Lgs. 75/2010 (disciplina in materia di fertilizzanti)
– D.M. 10 luglio 2013 di aggiornamento dell’allegato 2 del D. Lgs. 75/2010 con
l’introduzione dell’ammendante compostato con fanghi
• D. Lgs. 36/03 (Scarico controllato)
– D.M. 27 settembre 2010 (in revisione)
È previsto che il limite del DOC sull’eluato di 100 mg/L possa essere derogato
purché i fanghi siano stati trattati mediante processi idonei a ridurre in modo
consistente l’attività biologica, quali il compostaggio, la digestione anaerobica, i
trattamenti termici ovvero altri trattamenti individuati come BAT per i rifiuti a
matrice organica dal DM 27 gennaio 2007)
• D. Lgs. 133/06 (Incenerimento e coincenerimento)
Attenzione al nuovo limite su NH3 di 10 mg/Nm3 che potrebbe essere
introdotto con la revisione della Direttiva 2000/76 su incenerimento e
coincenerimento
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Utilizzazione dei fanghi in agricoltura
Fanghi: i residui derivanti dai processi di depurazione:
1) delle acque reflue provenienti esclusivamente da
insediamenti civili come definiti dalla lettera b), art. 1
quater, legge 8 ottobre 1976, n. 690 (3);
2) delle acque reflue provenienti da insediamenti civili e
produttivi: tali fanghi devono possedere caratteristiche
sostanzialmente non diverse da quelle possedute dai
fanghi di cui al punto 1);
3) delle acque reflue provenienti esclusivamente da
insediamenti produttivi, come definiti dalla legge 319/76
e successive modificazioni ed integrazioni; tali fanghi
devono essere assimilabili per qualità a quelli di cui al
punto 1) sulla base di quanto disposto nel successivo
articolo 3.1.
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Condizioni per l’utilizzazione
• I fanghi devono essere stati sottoposti a trattamento,
• I fanghi devono essere idonei a produrre un effetto
concimante e/o ammendante e correttivo del terreno,
• I fanghi non devono contenere sostanze tossiche, nocive
e/o persistenti e/o bioaccumulabili in concentrazioni
dannose per il terreno, per le colture, per gli animali, per
l’uomo e per l’ambiente in generale.
• Possono essere utilizzati i fanghi qualora:
– la concentrazione dei metalli nel suolo non superi i valori
limite riportati nell’allegato I ;
– quando i fanghi al momento dell’impiego siano conformi ai
limiti fissati per i metalli pesanti e gli altri parametri fissati
nell’allegato I B.
• Il quantitativo massimo utilizzabile non deve essere
superiore a 15 t/ha nel triennio.
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Stato di revisione della direttiva 86/278
• La Commissione Europea aveva affidato uno studio al pool di società
Milieu, WRc e RPA.
• A febbraio 2010 è stato pubblicato il rapporto «Environmental,
economic and social impacts of the use of sewage sludge on land»
facilmente scaricabile dalla rete.
• Questo studio ha consentito alla Commissione Europea di elaborare un
proprio documento «Working document on sludge and biowaste» che
rappresenta la più recente base di discussione sul tema.
• Le conclusioni di questo documento sono state le seguenti:
– Non esistono evidenze di rischi significativi per l’ambiente e la salute
dovuti all’utilizzazione dei fanghi in agricoltura.
– Non risulta, tuttavia, chiaro se questa evidenza deriva dalla sufficiente
cautela con cui era impostata la Direttiva 86/278 o se è invece il risultato
dell’adozione di norme più stringenti da parte di alcuni paesi membri.
– Nella successiva Tabella sono confrontati alcuni limiti di inquinanti in
funzione della tipologia di colture e di materiale/rifiuto da utilizzare.
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Tabella di confronto
concentrazioni di inquinanti
Contaminate
Cd (mg/kg secco)
Cr (totale) (mg/kg
secco)
Cu (mg/kg secco)
Hg (mg/kg secco)
Ni (mg/kg secco)
Pb (mg/kg secco)
Zn (mg/kg secco)
IPA (o benzo-a-pirene)
1
(mg/kg secco)
1
2
Impurità ≥2 mm
Compost da rifiuti
Marchio di qualità Documento Proposta Proposta
Direttiva
substrati
domestici da RD
bozza fine per fanghi per rifiuto 86/278/EEC
urbani
coltivazione
destinato a produzione
qualifica
organico
2
(Decisione
biologica
rifiuto
stabilizzato
2007/64)
(Regolamento 2092/91)
0,7
1
1,5
10
3
20 to 40
70 (totale)
100
100
1.000
300
0 (Cr VI)
70
500
100
1.000
500
1.000 - 1.750
0,4
25
45
200
1
1
50
100
50
120
-
-
300
0,50%
400
0,5
10
3
300
500
100
200
0,4-0,8
0,4-0,8
2.500
800
16 - 25
300 - 400
750 – 1.200
2.500 - 4.000
2%
valori limite e altri contaminanti organici (ad esempio PCB) soggetti a verifiche da parte del JRC (FATE)
valori risultanti dallo studio JRC IPTS. I valori sono dati a scopo illustrativo dato che il tema sulla fine della qualifica
di rifiuto per rifiuti organici sarà sottoposto a dibattito separato
30 di 31
[email protected]
31 di 31