Report Tecnico2

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Report Tecnico2
REPORT TECNICO PRELIMINARE
“Progetto finalizzato al miglioramento del Monitoraggio ed
alla Riduzione delle Emissioni gassose rilasciate in Atmosfera
dalle diScariche per RSU (Rifiuti Solidi Urbani)”
“ERMAS”
“Tecnologie per la riduzione della pressione sull’ambiente”
- DOCUP Ob.2 Anni 2000-2006 – PRAA 2004-2006 Misura 1.7 -
31 Marzo 2005
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INDICE
1. Premessa ........................................................................................................................3
2. Introduzione ...................................................................................................................4
3. Metodo di misura..........................................................................................................6
3.1 Il metodo della camera di accumulo ............................................................................ 7
4. Risultati ottenuti durante il primo modulo di lavoro...........................................9
4.1. Scelta del miglior sensore adatto alla misura dei VOC effettuata con il metodo della
camera d’accumulo .................................................................................................... 9
4.2 Assemblaggio del prototipo del dispositivo di misura dei flussi di VOC ................. 10
4.3 Sviluppo del software di acquisizione. ...................................................................... 14
5. Conclusioni ..................................................................................................................15
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1. Premessa
Il presente rapporto preliminare mostra i risultati ottenuti durante la prima fase di studio
del Progetto finalizzato al miglioramento del Monitoraggio ed alla Riduzione delle
Emissioni gassose rilasciate in Atmosfera dalle diScariche per RSU (Rifiuti Solidi Urbani)
“ERMAS” finanziato con i fondi della Regione Toscana nell’ambito di “Tecnologie per la
riduzione della pressione sull’ambiente”- DOCUP Ob.2 Anni 2000-2006 – PRAA 20042006 Misura 1.7.
Lo scopo del Progetto ERMAS è quello di ridurre l’inquinamento da biogas nelle zone
interessate da discariche per RSU, attraverso la quantificazione del biogas disperso in
atmosfera mediante flussi del biogas stesso all’interfaccia aria-suolo.
Uno degli obiettivi principali del programma consiste nel fornire una procedura di misura
puntuale dei flussi di CO2 , CH4 e Composti Organici Volatili (VOC) e nel trattamento ed
interpretazione dei dati per la determinazione del flusso totale di biogas emesso in maniera
diffusa dal suolo delle discariche per RSU. Le misure dirette dei flussi di CO2 , CH4
verranno eseguite con strumentazione CNR, mentre le misure del flusso di VOC verranno
eseguite utilizzando un prototipo strumentale.
Lo scopo del progetto è perseguito attraverso 4 moduli di lavoro, in particolare questo
rapporto illustra i risultati del primo modulo di lavoro (gennaio-aprile 2005) che prevede lo
studio preliminare e prototipale dello strumento per la misura dei flussi diffusi dei VOC.
A questo progetto partecipano due PMI (Piccole e Medie Imprese), nello specifico, le
società West Systems srl e P&I srl e l’istituto di ricerca IGG del CNR di Pisa. Lo sviluppo
di questo primo modulo di lavoro è stato curato principalmente dalla West Systems srl e da
IGG-CNR.
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2. Introduzione
L’Agenzia di Protezione Ambientale Statunitense (USEPA) con il “Compendium of
methods for organic air pollutants” del gennaio 1997, con il metodo T015, relativo alla
determinazione dei composti organici volatili fornisce la definizione di VOC, e
precisamente “VOC sono definiti i composti organici aventi una pressione di vapore
maggiore di 10-1 Torr a 25°C e 760 mmHg”. Anche il DM 16 gennaio 2004 N°44, che ha
recepito la direttiva 1999/13/CE (nota come direttiva VOC) fornisce una definizione
simile.
Le emissioni di VOC sono regolate dalla normativa in quanto la comunità scientifica
internazionale ritiene che queste specie gassose contribuiscono alla formazione di ozono. Il
potenziale contributo che ogni VOC può dare alla formazione della fascia dell’ozono
dipende dalla sua reattività fotochimica: più elevata è la reattività fotochimica, più grande è
il contributo potenziale alla formazione dell’ozono.
Nella pratica molti composti organici rispondono alla definizione sopra citata, anche molto
diversi tra loro per proprietà chimiche e soprattutto con diversa reattività fotochimica.
USEPA ha da tempo riconosciuto che alcuni VOC hanno una reattività talmente bassa da
essere considerati trascurabili per ciò che concerne la formazione di ozono.
La fonte principale di VOC in atmosfera è il gas emesso dai motori delle macchine, ma
anche lo smaltimento dei rifiuti con la conseguente formazione di biogas partecipa, anche
se in misura minore, all’immissione di VOC in atmosfera. Il biogas, ad esclusione delle
fasi iniziali (acidofile) del processo di fermentazione dei rifiuti, è formato principalmente
da CH4 (circa il 55-60%) e CO2 (circa il 45-40%). In un rapporto del 1999 USEPA
stimava l’emissio ne globale di CH4 (importante gas serra), fino al 19% dell’emissione
globale antropogenica e valutava l’emissione di VOC (composti organici volatili) da
discariche RSU presenti sul suolo americano in circa 180000 tonnellate l’anno. Da studi
effettuati su numerose discariche risulta accertata la presenza nel biogas di numerosi
composti clorurati quali 1,1-Dicloroetene (0.20 ppmv), 1,1-Dicloroetano (2.25 ppmv),
l’Acrilonitrile (6.33 ppmv), il diclorometano (15.7 ppmv) ecc. E’ chiaro quindi che il
calcolo del flusso di tali sostanze possa Da quanto detto appare evidente la necessità di
misurare i flussi di gas che fuoriescono dalla discarica in modo tale da mettere in evidenza
le zone preferenziali di emissione e valutare se le azioni intraprese per la riduzio ne delle
emissioni stesse hanno avuto successo.
Appare evidente quindi che il controllo delle zone di emissione e la misura quantitativa del
flusso di biogas verso l'atmosfera, nonchè delle dimensioni delle aree emittenti
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all'atmosfera, sia necessario per ottenere il miglior recupero quantitativo possibile del
combustibile, per ridurre l’emissione di gas-serra e quella dei gas nocivi da esso trasportati;
questo al fine di garantirsi evidenti ricadute economiche oltre che per evitare un impatto
ambientale indesiderato e, cosa più importante, contrario alla legge.
Lo scopo di questo progetto è proprio quello di ridurre l’inquinamento atmosferico dovuto
al biogas disperso dal suolo delle discariche RSU, questo obiettivo prevede la messa a
punto una procedura per il monitoraggio delle emissioni gassose rilasciate in atmosfera
dalle discariche per rifiuti solidi urbani, basato su tecnologie non invasive e procedimenti
matematici ad hoc. Fra i traguardi intermedi vi è la progettazione e la costruzione di un
prototipo per la misura diretta di flussi di VOC all’interfaccia aria-suolo. Quest’ultimo
argomento è oggetto del presente rapporto preliminare.
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3. Metodo di misura
Le diverse tecniche di misura del flusso di gas dal suolo possono essere suddivise in tre
diverse categorie:
•
misure del gradiente di concentrazione
•
tecniche dinamiche
•
tecniche statiche
Le misure del gradiente di concentrazione soni eseguite su campioni di piccolo volume,
aspirati attraverso sonde inserite nel terreno a profondità variabile. I valori di flusso
vengono poi calcolati attraverso la legge di Fick, assegnando un valore al coefficiente di
diffusione del gas per ogni sito di misura. Questo è metodo più utilizzato per misurare
flussi di VOC dal suolo, conosciuto anche con il nome di Soil Gas Survey. La difficoltà
maggiore che si incontra utilizzando questo metodo e proprio quella di assegnare un valore
al coefficiente di diffusione in ogni sito di misura. Tale coefficiente infatti può presentare
una grande variabilità spaziale, essendo fortemente influenzato dalle caratteristiche del
suolo (porosità, permeabilità ecc..). Inoltre il valore misurato è corretto solo se il
meccanismo è solo diffusivo, fatto che quasi mai si verifica.
La tecnica dinamica consiste nella determinazione in continuo dell’incremento di
concentrazione di gas in un flusso d’aria, imposto dall’operatore, passante attraverso un
contenitore posto capovolto sul terreno. Il limite fondamentale di questa tecnica e che il
flusso di gas dipende dal flusso d’aria imposto dall’operatore attraverso la camera, in
quanto esso determina la direzione del bilancio di flusso tra suolo e la camera d’aria, infatti
si crea un disequilibrio di pressione con conseguente variazione del flusso naturale.
Infine la tecnica statica consiste sia nella determinazione dell’incremento di concentrazione
di gas nell’aria contenuta all’interno di un recipiente, posto capovolto sul terreno, sia nel
misurare la quantità di gas assorbita da una soluzione collocata all’interno di un recipiente
posto capovolto sul terreno. Le misure di concentrazione di gas vengono eseguite nel
momento in cui il recipiente viene posto sul terreno e dopo un determinato intervallo di
tempo.
Escludendo quindi le tecniche basate sul gradiente di concentrazione nel terreno, i diversi
metodi di misura dei flussi di gas emessi dal suolo possono essere suddivisi in stazionari e
non stazionari: nel primo caso un flusso di “bianco” viene fatto passare attraverso il
contenitore per misurare la concentrazione del componente nel gas in uscita; nel secondo
caso si misura invece la variazione temporale del valore di concentrazione del gas
all’interno del contenitore.
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Il metodo della camera di accumulo è un metodo di tipo statico che, essendo stato
utilizzato in questo progetto, sarà analizzato con grande dettaglio nel prossimo paragrafo.
3.1 Il metodo della camera di accumulo
Il metodo della camera di accumulo è basato sulla tecnica statica non stazionaria. Di fatto
si misura continuamente la concentrazione di un determinato gas all’interno di un
recipiente (camera di accumulo) permettendo in questo modo un’ immediata valutazione
del tasso di incremento di concentrazione del gas nel tempo.
Tale metodo è stato scelto rispetto ad altri tenendo conto delle seguenti considerazioni:
•
questa strumentazio ne è in grado di fornire misure di gas dai suoli a
prescindere dalla conoscenza delle caratteristiche dei suoli stessi e dalla
conoscenza del regime di flusso. Pertanto essa non necessita di alcun
coefficiente empirico che tenga conto delle caratteristiche del suolo, per
trasformare il gradiente di concentrazione misurato in flusso. Una volta
fissata l’altezza della camera di accumulo possiamo ottenere direttamente
l’efflusso di gas dal suolo, essendo quest’ultimo il prodotto della pendenza
della retta (per bassi valori di flusso) o della parte iniziale della curva (per
alti valori di flusso) di incremento della concentrazione di CO2 nel tempo
all’interno della camera;
•
è molto più veloce di altri metodi;
•
la strumentazione risulta abbastanza maneggevole e di facile utilizzo.
Il metodo della camera di accumulo è stato utilizzato per misurare il flusso di CO2 dal
suolo fin dagli inizi degli anni 70. Nelle scienze agrarie veniva utilizzato questo metodo
per misurare il tasso di respirazione del suolo (Witkamp, 1969; Kucera and Kirkham,
1971; Kanemasu et al., 1974; Parkinson, 1981). Negli anni 90 la camera di accumulo è
stata utilizzata per misurare flussi di N2 O (Kizing and Socolow, 1994) e per valutare
l’output totale di CO2 diffuso da aree geotermiche e vulcaniche (Tonani and Miele, 1991;
Chiodini et al., 1996; 1998).
In figura 1 è riportato lo schema concettuale dello strumento utilizzato per la misura.
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ϕPUMP
Capillare
Camera di
Accumulo
Ventola
ϕIN
PID
ϕOUT
Figura 1 Schematizzazione dello strumento per la misura dei flussi di gas con la camera di accumulo
Le ipotesi alla base di tale metodologia di misura sono le seguenti:
-
All’interno della camera di accumulo il mescolamento è completo;
-
La pressione all’interno della camera di accumulo non varia. Ciò è garantito dal
capillare posto nella parte superiore della camera;
-
Il gas, trasportato da una piccola pompa, circola tra la camera di accumulo e lo
strumento non dispersivo che consente la misura del gas;
-
Il sistema è isotermo.
Visto che la pressione all’interno della pentola resta costante, ciò significa che la quantità
di materia (numero totale di moli) è costante, mentre nel tempo cambia la composizione.
Ciò implica tra l’altro che il flusso di gas in ingresso (ϕIN) e quello in uscita (ϕOUT) siano
uguali.
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4. Risultati ottenuti durante il primo modulo di lavoro.
Il primo modulo del progetto ERMAS ha previsto:
1. La scelta del miglior sensore, per sensibilità, tipologia e rapporto qualità/prezzo,
adatto alla misura dei VOC effettuata con il metodo della camera d’accumulo
2. L’assemblaggio del prototipo del dispositivo di misura dei flussi di VOC.
3. Sviluppo di software di acquisizione specifici per l’interfacciamento tra sensore e
operatore.
4.1. Scelta del miglior sensore adatto alla misura dei VOC effettuata con il metodo della
camera d’accumulo
Per misurare il flusso di VOC dai suoli con il metodo della camera di accumulo è risultato
migliore l’uso di analizzatori portatili.
Le tecnologie su cui si basano questi analizzatori portatili per la misura delle
concentrazioni di VOC in aria sono principalmente:
-
i FID (Rivelatori a ionizzazione di fiamma- Flame Ionization Detector);
-
i PID (rivelatori a fotoionizzazione- Photo Ionization Detector),
-
i sensori a infrarosso
-
i sensori a combustione catalitica.
Queste tecniche per la misura dei VOC sono anche indicate nel Metodo 21 dell’USEPA
“Determination
of
volatile
organic
conpound
leaks”
riportato
integralmente
nell’ALLEGATO 1.
Generalmente gli analizzatori portatili commerciali forniscono misure in tempo reale,
senza prevedere una separazione di tipo cromatografico.
I vantaggi dei sensori portatili includono:
1. facilità di trasporto
2. facilità di utilizzo
3. esecuzione dell’analisi direttamente in linea in modo da minimizzare le incertezze e
le spese dovute al campionamento e al trasporto.
4. Disponibilità immediata dei risultati
Mentre tra gli svantaggi elenchiamo:
1. limitata sensibilità
2. limitata selettività
3. limitata accuratezza dovuta a problemi di calibrazione
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I vari analizzatori commerciali considerati, che si basano sulle diverse tecniche di misura
sopra elencate ha nno tutti i propri vantaggi e svantaggi. L’indagine di mercato ha quindi
selezionato 4 diversi sensori le cui caratteristiche tecniche sono riportati nell’ ALLEGATO
2, mentre quelle più significative sono mostrate in tabella 1.
Tabella 1. Caratteristiche tecniche di alcuni sensori analizzati.
Drager
Raesystems
Telegan
Wilks Enterprise
Modello
Multi-PID 2
ModuRAE
Autofim II
InfraRan
Tecnica
PID
PID
FID
Infrarosso
Precisione
± 10%
±2%
±15%
±20%
Accuratezza
-
± 10%
-
-
Tempo di
< 3 sec
< 3 sec
< 3 sec
n.r.
Peso
0.86 kg
0.5 kg
4.2 kg
8.2 kg
Range di misura
0.5-2000 ppm
0-1000 ppm
0-10000 ppm
0-1000 ppm
risposta
Il sensore migliore tra quelli considerati è risultato il ModuRAE, infatti come si evince
osservando i dati riportati in tabella 1 è tra quelli con maggiore precisione ed è il più
leggero. Inoltre il PID, come l’infrarosso, non modifica la composizione del gas e per
questo è compatibile con il metodo statico della camera di accumulo il cui funzionamento è
stato descritto
nei paragrafi precedenti. Infatti si ricorda che tale metodo prevede la
reiniezione del gas all’interno della camera di accumulo una volta che è stato analizzato.
Il sensore modello ModuRAE consiste in una sorgente UV, una camera di rilevazione, e
relativi circuiti di pilotaggio e misura. L’aria è pompata continuamente nella camera di
ionizzazione del sensore. La camera di ionizzazione è costruita come una piccola cavità
davanti alla lampada UV. L’elettrodo è costituito da asticelle metalliche, la luce della
lampada UV ad alta energia, riflessa sull’elettrodo, ionizza le molecole del gas quando
queste passano davanti
alla finestra UV. Un elettrometro misura gli ioni raccolti
dall’elettrodo.
4.2 Assemblaggio del prototipo del dispositivo di misura dei flussi di VOC
Utilizzando il sensore ModuRAE è stato quindi assemblato lo strumento per la misura dei
flussi di VOC diffusi dal suolo secondo l’architettura mostrata in figura 2.
Lo strumento (denominato VOC Fluxmeter) è costituito da:
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-
una camera di accumulo di forma cilindrica (Ø int 200 mm; altezza 100 mm)
equipaggiata con ventola (miscelatore);
-
sensore PID munito di pompa
-
batterie
-
camputer palmare
-
convertitore analogico digitale
-
filtri per polveri e umidità
-
tubi in silicone e cablaggi
-
ricetrasmettitore radio
-
collegamento RS232 opzionale
V1
WEST Systems
D
F
L A
D
P2
P2
A
F
P2
Systems
A
F
V2
V2
A
F
P
P
Sensore PID, batterie, elettronica e pompa
Camera di accumulo con
miscelatore
Computer palmare
LI CO R LI8 00
L
R el. 2 .0 0 Ju ly 2 0 0
1
D
OUT
1,2 In. 2
1 V.
3 Pump
4,5 Out 2
4 V.
6-9 Gnd
IN
L
Red L
E D
: On
Yello
w LED : Blink
D
WEST
V1
Trappola per l’acqua
L
P2
RS 245-6089
Figura 2. Schema dello strumento per la misura dei flussi diffusi di VOC
Nella foto di figura 3 è presentato l’interno della valigia dove sono alloggiati il sensore
PID, la batteria, il convertitore analogico-digitale; nella foto di figura 4 è indicato
l’alloggio del ricetrasmettitore radio. Infine nella foto di figura 5 sono mostrati l’ingresso e
l’uscita del gas, l’interruttore di accensione e il collegamento RS232 opzionale.
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Figura 3. Interno della valigia riportata schematicamente in figura 1.
Figura 4. Alloggio del ricetrasmettitore radio.
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Figura 5. Ubicazione dell’ Inlet e Outlet della linea del gas, dell’interruttore di
accensione e del cavo RS232 opzionale.
La camera di accumulo deve essere posta sul terreno, curandone la perfetta adesione del
bordo, in questo modo vengono ridotti al minimo gli scambi con l'atmosfera esterna che
provocherebbero errori sostanziali nella misura.
La camera di accumulo è equipaggiata con una ventola in modo da ottenere il perfetto
mescolamento dei gas all'interno della camera stessa.
La piccola pompa presente all’interno dell’ unita PID provvede ad aspirare i gas; il gas
viene fatto passare dall'interno della camera attraverso una trappola per togliere l'umidità e
successivamente attraverso la cella del PID (figura 2). Il gas in uscita dal PID è
convogliato di nuovo nella camera di accumulo.
I valori di concentrazione misurati dal PID vengono acquisiti dal convertitore analogicodigitale e quindi inviati al computer palmare che provvede ad una rappresentazione grafica
della concentrazione di VOC in funzione del tempo. Il software sviluppato “ad hoc”
permette di calcolare, direttamente sul terreno, il valore del flusso, che è direttamente
proporzionale al coefficiente angolare della retta di regressione che approssima i dati di
concentrazione registrati nelle fasi iniziali della misura. L’approssimazione viene eseguita
secondo il criterio dei minimi quadrati.
Per capire la relazione tra α (coefficiente angolare della retta di regressione che approssima
i dati di concentrazione) e, ad esempio, il flusso di CO2, (o flusso di CH4 e/o VOC)
bisogna considerare l’equazione di bilancio di massa della CO2 nel volume noto
considerato (Chiodini et al., 1998). La massa di CO2 nella camera al tempo t+dt è uguale
alla massa di CO2 presente al tempo t più la massa di CO2 che entra nella camera
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nell’intervallo di tempo dt, meno la massa di CO2 che lascia la camera nello stesso
intervallo di tempo. In termini matematici:
Vc CCO2,t+dt = Vc CCO2,t + ϕin Ac CCO2soil dt - ϕout Ac CCO2,t dt
dove Vc e Ac rappresentano rispettivamente il volume e l’area della camera; CCO2 è la
concentrazione di CO2 all’interno della camera, CCO2soil è la concentrazione di CO2 nel gas
del suolo, ϕin è il flusso specifico in entrata e ϕout quello in uscita. Poiché l’aria
all’interno della camera è continuamente omogeneizzata dalla ventola si può assumere che
CCO2,t+dt del gas in uscita sia uguale a CCO2,t . Per una camera cilindrica si ha che Vc/Ac =
Hc altezza della camera stessa, per cui:
d CCO2/( CCO2,t - CCO2soil) = - (ϕin /Hc)dt
Questa è una tipica equazione differenziale lineare del primo ordine non omogenea la cui
soluzione è:
CCO2,t = CCO2soil + (C CO2air - CCO2soil ) exp(-t ϕin Hc)
alle condizioni iniziali
ϕin (CCO2soil - CCO2air ) = (dCCO2/dt)t→0 Hc
se CCO2soil >> C CO2air
ϕCO2soil = α Hc
4.3 Sviluppo del software di acquisizione.
Il software d’interfacciamento tra il VOC Fluxmeter e l’operatore è stato, come sopra
accennato, sviluppato appositamente dalla West Systems srl. Tale software di acquisizione
ed elaborazione dati è stato scritto in linguaggio C++ ed è dotato di una interfaccia
operatore di tipo grafico. Durante la misura viene rappresentato, in tempo reale,
l’andamento della concentrazione dei VOC in funzione del tempo, uno speciale algoritmo
di calcolo permette all’operatore di decidere l’intervallo di tempo su cui calcolare la
regressione e quindi il flusso di VOC. Sul diagramma delle concentrazioni viene quindi
disegnata la retta di regressione che nell’intervallo stabilito, approssima i valori di
concentrazione nel senso dei minimi quadrati. Il coefficiente angolare dell’equazione
rappresentata dalla retta è direttamente proporzionale al flusso da misurare. Un coefficiente
di qualità dell’ approssimazione (R2 ) da indicazioni sull’ attendibilità della misura.
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5. Conclusioni
Lo strumento, assemblato ed il software ad esso abbinato rappresentano una prima
elaborazione architettonica e tecnica di quello che sarà lo strumento finale, infatti ulteriori
sviluppi e migliorie verranno apportate al VOC Fluxmeter una volta che tale
strumentazione verrà utilizzata sul campo.
La campagna di misure è prevista per il mese di aprile 2005, tale campagna sarà effettuata
alla discarica per RSU dell’Isola d’Elba ubicata in località Literno nel comune di Campo
dell’Elba. In tale occasione verrà quindi sperimentata l’efficienza di funzionamento del
prototipo realizzato inoltre sarà anche la prima prova sul campo del sensore, soprattutto per
quanto riguarda la sua sensibilità. Dai risultati ottenuti durante le misure trarremo idee per
gli sviluppi definitivi sia per l’architettura dello strumento sia per l’operatività del
software. Infatti non bisogna dimenticare che tra uno degli scopi del progetto è quello di
fornire uno strumento pratico per l’effettuazione di controlli efficaci, in tempi ragionevoli.
Inoltre è da sottolineare che campagne di misura di flussi di VOC emessi da suoli di
discariche per RSU non sono noti nella letteratura scientifica internazionale, quindi
informazioni sui flussi, che non sono mai stati misurati direttamente, sono state stimate
solo attraverso calcoli teorici basati sulle concentrazioni di VOC presenti sulle linee di
captazione del biogas.
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Progetto finalizzato al miglioramento del Monitoraggio ed alla Riduzione delle Emissioni
gassose rilasciate in Atmosfera dalle diScariche per RSU (Rifiuti Solidi Urbani)
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ALLEGATO 1: Metodo 21 dell’USEPA “Determination of volatile organic
conpound leaks”
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gassose rilasciate in Atmosfera dalle diScaric he per RSU (Rifiuti Solidi Urbani)
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ALLEGATO 2: Caratteristiche tecniche di 4 diversi sensori selezionati
dall’indagine di mercato.
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