IT201900006578A1 - Processo di trattamento idro-termico della FORSU e impianto per la realizzazione di detto processo - Google Patents
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Description
"Processo di trattamento idro-termico della FORSU e impianto per la realizzazione di detto processo"
DESCRIZIONE
Settore della Tecnica
La presente invenzione si riferisce a un processo di trattamento della FORSU. In particolare, l’invenzione si riferisce a un processo atto a migliorare l’efficacia del riciclo della FORSU, nell’ottica di realizzazione di un’economia circolare e sostenibile. Più in particolare, la presente invenzione si riferisce a un processo di trattamento idro-termico di FORSU per la produzione di materiale adatto alla produzione di biogas mediante digestione anaerobica.
Costituisce ulteriore oggetto della presente invenzione un impianto per realizzare il processo della presente invenzione.
Arte Nota
Nella legislazione italiana si designa con FORSU la Frazione Organica dei Rifiuti Solidi Urbani proveniente da raccolta differenziata. Lo smaltimento della FORSU costituisce un problema socio-ambientale molto sentito. L’interesse per la FORSU quale fonte di biocombustibili per lo sviluppo sostenibile nasce sia dalla necessità di gestire crescenti quantità di questo rifiuto differenziato, che dalla necessità di sostituire nella alimentazione degli impianti di produzione di biogas le colture destinate preferibilmente all’alimentazione animale, come per esempio cereali, fieno, insilato di mais.
Mentre la FORSU domestica contiene prevalentemente residui di cibo come per esempio avanzi di carne, pesce, pasta, pane ed alimenti utilizzati per la preparazione di pasti, erba, potature nonché resti di frutta e verdura, resti di liquidi come per esempio latte e succhi di frutta e viene raccolta in sacchetti biodegradabili, la FORSU proveniente dalla raccolta tramite cassonetti può contenere i materiali più svariati, come per esempio metalli, plastiche, vetro, inerti inorganici come per esempio ghiaia e materiale non biodegradabile come per esempio ossa, noccioli della frutta, gusci di frutta secca, gusci di crostacei e gusci di molluschi.
Sono noti dalla tecnica anteriore numerosi processi per il trattamento di rifiuti solidi urbani, sia basati sulla loro termovalorizzazione che sulla trasformazione in materia finale adatta allo smaltimento in discarica, oppure utilizzabile in altre applicazioni. Detti processi sono in continuo sviluppo allo scopo di ridurre costi, tempi, volumi, emissioni odorigene e altre emissioni inquinanti associate al processo di trattamento.
E’ noto che la FORSU comprende essenzialmente sostanze di natura organica, con elevata disponibilità di legami chimici carbonio-carbonio tale da renderla potenzialmente adatta a processi biologici di valorizzazione e recupero, come per esempio la fermentazione, per ricavare biogas, e un residuo solido stabilizzato che può essere utilizzato in agricoltura come ammendante o fertilizzante del suolo.
Attualmente, la FORSU viene avviata al trattamento in impianti di compostaggio di tipo aerobico per la produzione di compost o in impianti di digestione di tipo anaerobico con produzione di biogas. Detti impianti sollevano alcuni gravi problemi pratici in termini di valorizzazione e recupero, determinati dalla mancanza di uniformità qualitativa e scarsa capacità strutturante del rifiuto conferito.
La frazione organica della FORSU presenta un’elevata fermentescibilità che facilita l’insorgenza di fenomeni putrefattivi con forti emissioni odorigene. Gli impianti della tecnica anteriore che processano la FORSU generano impatti ambientali di varia natura derivanti dal rilascio e dalla percolazione naturale, particolarmente evidente nei mesi estivi, della frazione liquida di drenaggio che origina dalla materia organica, il percolato. Il percolato prodotto, per le sue caratteristiche intrinseche, è fonte di odori sgradevoli, notevoli costi di lavorazione e/o smaltimento. Gli impianti convenzionali di compostaggio o di biogassificazione, inoltre, occupano superfici molto ampie e sono poco compatti.
Pertanto, a fronte di un incremento della quantità di FORSU da trattare, la difficoltà principale nel realizzare nuovi impianti aerobici o anaerobici è legata a fattori di tipo ambientale e di impatto odorigeno, che ne pregiudicano l’accettazione da parte delle comunità limitrofe.
E’ altresì noto nella tecnica anteriore di separare meccanicamente o idraulicamente la frazione organica dalla parte non digeribile comprendente metalli, plastiche, vetro, inerti inorganici e materiale non biodegradabile, al fine di aumentare il potenziale biologico della FORSU. Tuttavia, la presenza di metalli, plastiche, vetro, inerti inorganici e materiali non digeribili nella massa da trattare può causare gravi inconvenienti e danni alle macchine di cernita e smistamento. In particolare, uno svantaggio è rappresentato dall’ abrasione in pompe e tubi, nonché intasamenti in serbatoi.
Inoltre, per l’alimentazione della FORSU nei digestori anaerobici per la produzione di biogas in impianti terzi, è utile, allo scopo di aumentare la velocità di reazione, ridurre a monte dell’impianto le dimensioni della frazione organica mediante triturazione o sminuzzamento e diluirla miscelandola con acqua di processo a sufficienza per creare un fango in cui possano diffondersi e agire i batteri responsabili della fermentazione anaerobica. Tuttavia, un inconveniente è che i materiali organici sminuzzati e triturati tendono a separarsi dall’acqua di diluzione, da un lato sedimentando sul fondo, dall’altro galleggiando in superficie sotto forma di strato fibroso, frenando l’evoluzione del processo di fermentazione anaerobica.
Oltre a questi inconvenienti, i processi noti, infine, non consentono di ottimizzare il recupero di materia ed energia, nell’ottica della realizzazione di un’economia circolare e sostenibile.
E’ pertanto ancora sentita l’esigenza di disporre di un processo che, in aggiunta al superamento degli svantaggi citati, sia in grado di massimizzare il recupero del rifiuto senza ulteriori pregiudizi per l’ambiente, trasformandolo in prodotti ulteriormente fruibili, come per esempio combustibili e materie prime secondarie.
Descrizione dell’Invenzione
Scopo principale della presente invenzione è di superare gli svantaggi tecnici sopra esposti, fornendo un processo atto a migliorare l’efficacia del riciclo della FORSU, nell’ottica di realizzazione di un’economia circolare e sostenibile.
Per raggiungere lo scopo, la presente invenzione fornisce un processo di trattamento idro-termico della FORSU per la produzione di un materiale pastoso movimentabile, uniforme, con volume e peso ridotti, sanitizzato, sterilizzato e con basso impatto odorigeno, che può essere vantaggiosamente usato, previo trattamento per l’eliminazione degli inerti inorganici e di sostanze non digeribili, per alimentare impianti terzi per la produzione di biogas.
Un ulteriore aspetto del processo della presente invenzione è costituito dal recupero termico effettuato dal vapore spillato dal trattamento idro-termico della FORSU. Inoltre, essendo tale vapore ricco in sostanze nutrienti micronizzate, può essere vantaggiosamente destinato, dopo il recupero termico, a un impianto di biodigestione accelerata per la produzione di energia necessaria all’economia del processo della presente invenzione.
Costituisce ulteriore aspetto del processo della presente invenzione la raccolta e l’invio del percolato, ottenibile dallo scarico e dalla movimentazione della FORSU, all’ impianto di biodigestione accelerata sopra citato, evitando il prolungato stazionamento del percolato con conseguente insorgenza di fenomeni putrefattivi e emissioni odorigene. Inoltre, un altro aspetto del processo della presente invenzione riguarda il tempo di trasformazione della FORSU in arrivo comprendente un ciclo di 8-10 ore, vantaggiosamente più basso dei tempi di permanenza della FORSU, tipicamente 20-30 giorni per ogni ciclo, come per esempio negli impianti convenzionali di digestione anaerobica.
Infine, la presente invenzione si riferisce a un impianto per realizzare il processo della presente invenzione, il cui schema sarà illustrato dal seguito della descrizione.
Alcuni termini della presente invenzione hanno il significato definito qui di seguito.
Il termine “FORSU” si riferisce al materiale organico putrescibile ad alto tasso di umidità proveniente dalla raccolta differenziata dei rifiuti urbani e costituito da residui alimentari, ovvero scarti di cucina. La raccolta avviene di norma presso le utenze domestiche e/o selezionate (come per esempio mense, ristoranti), mediante modelli di gestione riconducibili all’utilizzo di specifici contenitori stradali o alla raccolta presso il domicilio dell’utenza interessata (Riferimento normativo: DCR del 15 giugno 2006, n.76 e DGR del 25 febbraio 2005, n. 568).
I termini “impianto di biodigestione accelerata” si riferiscono a un’apparecchiatura dell’impianto della presente invenzione, destinata alla produzione in situ, secondo tecniche di per sé note, di biogas necessario all’economia del processo della presente invenzione.
Il termine “circa” include gli intervalli di condizioni operative e di parametri che possono essere normalmente impiegati nel processo della presente invenzione.
I termini “legami chimici carbonio-carbonio” si riferiscono a una caratteristica intrinseca della materia organica della FORSU e costituiscono fonte di alimentazione per i batteri metanigeni responsabili della produzione di biogas nella digestione anaerobica.
I termini “apparecchiatura CDS” (Camera di Separazione) si riferiscono alla macchina in cui avviene il trattamento idrotermico della FORSU del processo della presente invenzione. L’apparecchiatura CDS è una macchina derivata dal brevetto di invenzione IT-0001416920 e dal brevetto per modello di utilità IT-0000280277.
Tutti gli altri termini utilizzati nella descrizione della presente invenzione, ove non altrimenti specificato, devono essere interpretati secondo il loro significato ordinario noto all’Esperto della tecnica.
Descrizione Sintetica delle Figure
Una forma preferita di realizzazione dell’invenzione fornita a titolo esemplificativo e non limitativo sarà descritta con riferimento alla Figura annessa che rappresenta uno schema del processo della presente invenzione.
Descrizione di una Forma Preferita di Realizzazione
Con riferimento allo schema della figura annessa, il processo della presente invenzione comprende un primo aspetto in cui il materiale 1 sfuso o contenuto in sacchetti, dopo la pesata, viene scaricato a terra nell’opportuna area di ricevimento 2 per l’obbligatorio esame a vista. In questa fase di scarico si rovescia sul piazzale di ricevimento una grande quantità di liquido di drenaggio, il percolato 3, prodotto dalla FORSU nelle fasi di stazionamento nei cassonetti urbani, nella fase di carico sui mezzi, nelle fasi di costipazione e in tutte le fasi di movimentazione della FORSU.
Tramite le pendenze del piazzale di ricevimento 2 del materiale, il percolato viene raccolto ed avviato, con l’ausilio di apposite pompe, alla prevasca 5 che alimenta l’impianto di biodigestione accelerata 6. Il percolato può opzionalmente essere sottoposto a un trattamento fisico, come per esempio filtrazione attraverso griglia fine 4, allo scopo di trattenere particolato solido 7. Quest’ultimo può essere opzionalmente inviato al dosatore 8.
Il digestato 9 in uscita dall’impianto di biodigestione accelerata 6 viene separato in digestato solido 10 e digestato liquido 11. Parte del digestato liquido 12, dopo il trattamento di depurazione in 13 attraverso tecniche per sè note, fornisce acqua che può essere inviata alla vasca di accumulo 14 e usata per le necessità dell’impianto di trattamento della FORSU della presente invenzione.
In un secondo aspetto del processo della presente invenzione, parte dell’acqua depurata in 13 viene inviata, previo scambio termico nello scambiatore 15, alla caldaia 16 per la produzione di acqua calda pressurizzata 19 da destinare al trattamento idro-termico nelle apparecchiature CDS in 17.
In un terzo aspetto del processo della presente invenzione, parte dell’acqua depurata 13a viene utilizzata per il lavaggio del piazzale di ricevimento 2 della FORSU alla fine del turno giornaliero per eliminare le scorie di organico e di percolato. Il liquido risultante viene riciclato alla prevasca 5 che alimenta l’impianto di biodigestione accelerata 6.
Il biogas 35 prodotto nell’unità di biodigestione accelerata 6 viene utilizzato come gas combustibile per alimentare la caldaia 16 preposta alla produzione di acqua calda pressurizzata 19 necessaria al trattamento idro-termico della FORSU in 17.
In un quarto aspetto del processo della presente invenzione, il materiale dal piazzale di ricevimento 2 viene caricato su un sistema dosatore 8 che lo immette su nastro trasportatore destinandolo alle apparecchiature CDS in 17 in ragione di una quantità predefinita che ogni detta apparecchiatura CDS è in grado di ricevere. Questo impedisce di avere materiale putrescibile in stazionamento sul nastro trasportatore, impedendo, specie nei mesi estivi, emissioni odorigene a discapito del personale di reparto e della popolazione circostante. L’ulteriore percolato 18 proveniente dalla movimentazione della FORSU nel sistema dosatore e sul nastro trasportatore viene riciclato alla prevasca 5.
In un quinto aspetto del processo della presente invenzione, il materiale proveniente dal dosatore 8 viene sottoposto a un trattamento idro-termico con acqua pressurizzata 19 nelle apparecchiature CDS in 17 a temperature e con tempi opportuni.
Il trattamento idro-termico con acqua pressurizzata 19 nelle apparecchiature CDS, combinato con le forze di taglio idrauliche e meccaniche operanti nelle dette apparecchiature, oltre a separare dalla materia organica le frazioni inerti, produce un materiale pastoso movimentabile, uniforme, con volume e peso ridotti, sanitizzato, sterilizzato, con elevato potenziale di legami chimici carbonio-carbonio e con basso impatto odorigeno, che può essere vantaggiosamente usato, previo trattamento per l’eliminazione degli inerti inorganici e di sostanze non digeribili, per alimentare impianti terzi per la produzione di biogas mediante digestione anaerobica. Come descritto nell’ Esempio annesso, il potenziale metanigeno del materiale trattato secondo il processo idrotermico della presente invenzione è risultato significativamente superiore del potenziale metanigeno dello stesso materiale non trattato. Date le sue caratteristiche, questo materiale può sostituire colture alimentari per la produzione di biogas da solo o co-digerito con altre matrici, come per esempio liquami e deiezioni provenienti da allevamenti intensivi di animali.
Inoltre, il trattamento idro-termico della FORSU con acqua calda pressurizzata 19 produce vapore saturo che può essere estratto e condensato nello scambiatore 15, fornendo un liquido ricco in nutrienti come carboidrati, proteine, alcoli, grassi, acidi organici e altre sostanze organiche micronizzate, che può essere vantaggiosamente usato per alimentare l’impianto di biodigestione accelerata 6. Prove di laboratorio hanno dimostrato che detto liquido è eccellente per la resa e la qualità della fermentazione anaerobica: la produzione netta di biogas avviene in pochi giorni, preferibilmente in circa cinque giorni.
In una forma di realizzazione del processo della presente invenzione, il trattamento della FORSU nelle apparecchiature CDS in 17 avviene tramite i seguenti stadi:
a. carico, nel quale si trasferisce nell’apparecchiatura CDS dal nastro trasportatore una quantità in peso predefinita di FORSU;
b. chiusura, nella quale l’apparecchiatura CDS si chiude automaticamente, una volta completato il carico;
c. immissione di acqua calda pressurizzata, nella quale si introduce nell’apparecchiatura CDS acqua calda pressurizzata 19, preferibilmente a 250 °C e circa 40 bar proveniente dalla caldaia 16;
d. trattamento idro-termico, nel quale la massa viene trattata a una temperatura preferibilmente compresa tra 150 °C e 170 °C per circa 30 minuti; in queste condizioni si ottiene anche la sterilizzazione del materiale trattato e la sua stabilizzazione, non essendo più atto a subire fenomeni di putrefazione;
e. sfiato, nel quale la pressione viene riportata alla pressione atmosferica e la temperatura viene abbassata, preferibilmente al di sotto di 100 °C, permettendo la successiva apertura in sicurezza dell’apparecchiatura CDS; il vapore saturo estratto, ricco di sostanze nutrienti micronizzate, cede il calore nello scambiatore 15 e, condensato, viene inviato alla prevasca 5 che alimenta l’impianto di biodigestione accelerata 6;
f. apertura, nella quale l’apparecchiatura CDS viene aperta automaticamente;
g. scarico della massa trattata; a scarico completato, il ciclo riparte dallo stadio a.
In una forma di realizzazione preferita del processo della presente invenzione, il carico avviene in maniera automatica tramite i seguenti stadi:
1. carico della quantità in peso predefinita di FORSU nella prima apparecchiatura CDS in accordo con lo schema illustrato nella figura annessa;
2. una volta depositato il materiale nella prima apparecchiatura CDS, deviazione del nastro trasportatore per alimentare della stessa quantità la seconda apparecchiatura CDS;
3. prosecuzione della sequenza secondo gli insegnamenti mostrati negli stadi 1 e 2 fino al carico delle altre apparecchiature CDS;
Più particolarmente, in una forma di realizzazione preferita del processo della presente invenzione, nel tempo di circa un’ora che intercorre tra il carico e lo scarico della prima apparecchiatura CDS in 17, si provvede ad alimentare in sequenza sei apparecchiature CDS.
In una forma di realizzazione preferita del processo della presente invenzione, il carico e lo scarico delle apparecchiature CDS avvengono mantenendo le pale in leggera rotazione per agevolare lo spandimento e la movimentazione della massa. Opzionalmente, lo scarico delle camere CDS può essere facilitato tramite un piccolo getto di acqua di recupero proveniente dal serbatoio di accumulo 14.
In una forma di realizzazione preferita del processo della presente invenzione, la quantità in peso predefinita di FORSU trasferita in ogni apparecchiatura CDS è di una tonnellata. L’apparecchiatura CDS necessita solo di acqua di riciclo, che proviene dal trattamento acque in 13, che poi viene preriscaldata nello scambiatore 15 e trasformata in acqua calda pressurizzata tramite la caldaia 16.
In un sesto aspetto del processo della presente invenzione, il materiale scaricato dalle apparecchiature CDS viene inviato, tramite una piastra di convogliamento e di laminazione a un nastro trasportatore che lo porta al separatore solido-liquido 20, attraverso il quale il materiale trattato si scinde in una corrente liquido-pastosa 21 e una corrente solida 22.
In una forma preferita del processo della presente invenzione, la corrente liquido-pastosa 21, comprendente materiali organici misti e inerti fini, viene separata attraverso un sedimentatore 23 in solidi inerti fini 26, ad esempio vetro, destinati a raccolta successiva, e materiale pastoso organico 24, avente alto potenziale metanigeno in virtù del processo idro-termico subito, che viene raccolto tramite pompaggio, ad esempio tramite pompa a lobi, e inviato per mezzo di autobotti 25 a impianti terzi per la produzione di biogas. L’acqua di esubero 34 dal sedimentatore 23 viene inviata alla prevasca 5 e da qui destinata all’impianto di biodigestione accelerata 6.
In una forma preferita del processo della presente invenzione la corrente solida 22, comprendente materiale non biodegradabile, metalli, plastiche e inerti inorganici viene raccolta in 27 e separata nelle sue componenti merceologiche attraverso tecniche di per sé note. La corrente solida 22 viene avviata su nastro trasportatore e tramite il separatore per metalli ferrosi 28 e il separatore per metalli non ferrosi 29 si recuperano i metalli ferrosi e non ferrosi, che vengono inviati ai cassoni di abbancamento 30 e 31 per il riciclo. Il materiale restante 29a comprendente essenzialmente inerti inorganici e plastiche viene inviato ai materiali di scarto 32 e infine all’abbancamento 33.
Esempio
E’ stato composto un materiale organico eterogeneo mescolando 2,5 kg di pane, 2,5 kg di scarti di verdure e/o ortaggi, 2,5 kg di scarti di frutta e 2,5 kg di pasta alimentare cotta. La matrice così prodotta è stata opportunamente suddivisa in porzioni da 2 kg ciascuna confezionati in sacchetti ultraleggeri e compostabili, i quali sono state conservati a 28 - 30 °C e 60 – 80 % di umidità relativa, valori tipicamente raggiunti durante la stagione estiva, quindi utilizzati per le prove nell’arco delle 48 ore successive. I risultati delle prove di potenziale metanigeno, condotte in digestione anaerobica secondo la norma UNI EN ISO 11734/2004 sono riportati nella seguente Tabella, da dove si evince un potenziale metanigeno superiore nel materiale trattato secondo la presente invenzione.
In particolare, per trattamento idro-termico a 150 °C per 15 minuti senza separazione delle fasi ottenute (materiale liquido da materiale pastoso organico) è stato rilevato un aumento percentuale nella produzione di metano del 43%.
Applicabilità industriale
L’impianto per realizzare il processo della presente invenzione secondo la sua forma di realizzazione preferita ha una capacità di circa 30000 tonnellate/anno di FORSU trattata, pari a 100 tonnellate/giorno, sufficiente a servire un agglomerato urbano con circa 250000 abitanti, considerando una produzione di FORSU pro capite pari a circa 110 Kg/anno per abitante. L’impianto occupa circa 7000 metri quadri, un quinto circa di un impianto di compostaggio della tecnica anteriore.
Claims (13)
- RIVENDICAZIONI 1. Processo idro-termico per il trattamento e il riciclo di un rifiuto solido contenente una frazione organica umida e putrescibile, comprendente una fase iniziale in cui il percolato ottenibile dallo scarico e dalla movimentazione di detto rifiuto viene raccolto e inviato a un impianto di biodigestione accelerata suscettibile di generare biogas.
- 2. Processo secondo la rivendicazione 1, in cui detto rifiuto è preferibilmente FORSU.
- 3. Processo secondo la rivendicazione 1, in cui il trattamento idro-termico di detto rifiuto avviene preferibilmente tramite i seguenti stadi: a. carico, nel quale si trasferisce il rifiuto in un’apparecchiatura di trattamento; b. chiusura, nella quale l’apparecchiatura di trattamento si chiude automaticamente, una volta completato il carico; c. immissione di acqua calda pressurizzata, nella quale si introduce nell’apparecchiatura di trattamento acqua calda pressurizzata, preferibilmente a 250 °C e circa 40 bar. d. trattamento idro-termico, nel quale la massa di rifiuto presente nell’apparecchiatura viene trattata a una temperatura preferibilmente compresa tra 150 °C e 170 °C per circa 30 minuti. e. sfiato, nel quale la pressione viene riportata alla pressione atmosferica e la temperatura viene abbassata, preferibilmente al di sotto di 100 °C; f. apertura, nella quale l’apparecchiatura di trattamento viene aperta automaticamente; g. scarico della massa trattata.
- 4. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-3, in cui forze di taglio idrauliche e meccaniche operanti in combinazione con il trattamento idro-termico di detto rifiuto promuovono la separazione di materiale pastoso organico da materiale solido inerte.
- 5. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-3, in cui il vapore saturo che si genera nel trattamento idro-termico di detto rifiuto viene condensato e inviato all’ impianto di biodigestione accelerata.
- 6. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-3 e la rivendicazione 5, in cui il biogas prodotto dall’impianto di biodigestione accelerata viene utilizzato come fonte energetica per la produzione di acqua calda pressurizzata per il trattamento idro-termico di detto rifiuto.
- 7. Processo secondo la rivendicazione 6, in cui la produzione netta di biogas dall’impianto di biodigestione accelerata avviene in pochi giorni, preferibilmente in circa cinque giorni.
- 8. Processo secondo la rivendicazione 6, in cui l’acqua utilizzata per la produzione di acqua calda pressurizzata proviene dalla depurazione di digestato liquido in uscita dall’impianto di biodigestione accelerata.
- 9. Processo secondo la rivendicazione 8, in cui l’acqua utilizzata per la produzione di acqua calda pressurizzata viene pre-riscaldata, preferibilmente mediante scambio termico con il vapore saturo estratto dal trattamento idro-termico di detto rifiuto.
- 10. Processo secondo le rivendicazioni 1 o 4, caratterizzato dal fatto che il materiale in uscita dal trattamento idrotermico di detto rifiuto viene sottoposto a operazioni di trattamento e separazione con generazione di liquido di esubero, e dal fatto che detto liquido di esubero viene inviato all’impianto di biodigestione accelerata.
- 11. Processo secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che il materiale in uscita dal trattamento idrotermico di detto rifiuto viene sottoposto a operazioni di trattamento e separazione con generazione di detto materiale pastoso organico avente elevato potenziale metanigeno.
- 12. Processo secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che detto materiale pastoso organico viene raccolto e inviato a impianti terzi per la produzione di biogas.
- 13. Impianto per il trattamento idrotermico della FORSU.
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