Veronafiere! 29 ottobre 2014! Gli atti dei convegni e più di contenuti su

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1 Veronafiere! 29 ottobre 2014! Gli atti dei convegni e più di contenuti su

2 Dip. Ing. Civile ed Ambientale (DICA) Sezione Ambientale Nuovi processi biologici per la rimozione dell'azoto: processo di Nitritazione ParzialeANAMMOX Tommaso Lotti

3 Il ciclo dell' azoto 1880: Winogradski Zurigo Batteri Nitrificanti ± 1900: Beijerinck Delft Batteri Denitrifacanti Batteri Azotofissatori Sergei Winogradski Martinus Willem Beijerinck

4 Il ciclo convenzionale dell' azoto Azoto fissazione NH 4 + Nitrificazione N 2 0 N 2 O NO 2 NO 2 +3 Denitrificazione +4 NO 3 +5

5 Il ciclo dell' azoto e' diventata una rete Marc Strous Bremen a cura di Tommaso Lotti

6 Il nuovo ciclo dell' azoto Fissazione azoto N 2 OrgN Mineralizzazione N 2 O Denitritazione Assimilazione NH 3 Ossidazione ammonio (Nitritazione) anammox: anaerobico 0.5 NH NO 2 =N 2 + H 2 O Denitratazione a cura di Tommaso Lotti HNO 2 HNO 3 Ossidazione nitrito (Nitratazione)

7 Storia del processo anammox Scoperta del processo anammox ante 1990 Inaspettata rimozione di ammonio ripetutamente riportata in letteratura e nella pratica ingegneristica Buswell 1932: Illinois Water Report Chick 1906: Proc. Roy. Soc. Throughout the history of these filters there was a considerable loss of total nitrogen from the sewage while filtering through, but it was specially noticeable during the period when the diluted urine was being treated, when in some cases not much more than half the original nitrogen was present in the filtrate (Table II, analyses 33 to 36). This loss is doubtless due to an escape of free nitrogen, set free possibly by decomposition of ammonium nitrite, a very probable intermediate product in the nitrification of ammonia (NH4NO2 = 2H2O + N2).

8 Storia del processo anammox Anni 60s 80s "Rimozioni inattese di azoto" spesso riportate Interpretate come: rimozione dell'azoto da parte di batteri nitrificanti e aerobici deammonificanti Molto probabilmente dovuto a limitazioni alla diffusione e batteri anammox 80s Pilota alla Gist brocades (oggi DSM) a Delft nuovamente con "Rimozioni inattese di azoto" Arnold Mulder/Gijs Kuenen: deve essere un nuovo microrganismo 90s Il riconoscimento dei batteri anammox e del loro metabolismo rende possibile la progettazione e l'implementazione di reattori biologici

9 Stechiometria di reazione del processo anammox Catabolismo: NH NO 2 N H 2 O Anabolismo: CO NO 2 Biomassa + 2 NO 3 NH NO HCO H + 1 N NO H 2 O CH 2 O 0,5 N 0,15 l'ossidazione del nitrito a nitrato e' accoppiata con la fissazione del carbonio Produzione di Nitrato indica crescita cellulare a cura di Tommaso Lotti

10 Confronto convenzionale vs innovativo RIMOZIONE CONVENZIONALE DELL'AMMONIO Nitrificazione: 2 NH 3 + (3+1) O 2 2 NO H H 2 O Denitrificazione: 2 NO 3 + 8g COD + 2 H + N 2 + 3g FANGO 2 NH O COD N 2 + 3g FANGO RIMOZIONE AUTOTROFA DELL'AMMONIO Nitritation: NH O 2 NO 2 + H + + H 2 O Anammox: NO 2 + NH 3 + H + N H 2 O 2 NH O 2 N 2

11 Costi RIMOZIONE CONVENZIONALE DELL'AMMONIO Nitrificazione: 2 NH 3 + (3+1) O 2 2 NO H H 2 O Denitrificazione: 2 NO 3 + 8g COD + 2 H + N 2 + 3g FANGO 2 NH O COD N 2 + 3g FANGO RIMOZIONE AUTOTROFA DELL'AMMONIO Nitritation: NH O 2 NO 2 + H + + H 2 O Anammox: NO 2 + NH 3 + H + N H 2 O 2 NH O 2 N 2

12 Confronto convenzionale vs innovativo PROs: Meno Ossigeno meno energia No consumo BOD piu' Biogas Autotrofo meno fango di supero CONs: Necessita' di fermare la nitrificazione a nitrito (NO 2 ) Batteri a crescita lenta (circa 10 volte minore degli eterotrofi) Necessita' di sistemi efficienti di ritenzione della biomassa

13 Confronto convenzionale vs innovativo NH 4 + Nitrificazione/ Denitrificazione aerazione (2.8 kwh/kg N) NH 4 + Nitritazione/ Anammox aerazione (1 kwh/kg N) N 2 NO 3 metanolo (3 kg/kg N) = fango N 2 NH 4 + NO 2 metanolo (0 kg/kg N) = no fango 35 /kg N 13 /kg N >4.7 ton CO 2 /ton N 0.7 ton CO 2 /ton N

14 Anammox vs sitemi convenzionali Conventional treatment ANAMMOX Consumi energetici kwh/kg N Metanolo 3 0 kg/kg N Fango di supero kg VSS/kg N CO 2 emissioni > kg/kg N Costi Totali /kg N 1 I costi totali includono sia i costi di gestione che i capex

15 WWTP convenzionale BOD NH 4 + DENITRO BOD NH 4 + Nitrificazione+ ossidazione BOD NO 3 NO 3 S/L air NO 3 CH 4 NH 4 + S/L Digestore a cura di Tommaso Lotti Gestione supero

16 Upgrade del WWTP convenzionale APPLICATIONE DEL PROCESSO ANAMMOX NELLA LINEA FANGHI BOD NH 3 DENITRO NH 3 ossidazione BOD BOD Nitrificazione+ NO 3 NO 3 S/L NO 3 NO 3 air N 2 CH 4 PN Anammox NH 4 + S/L Digestore air a cura di Tommaso Lotti Gestione supero

17 STATO DELL'ARTE CRITICITA' DIFFUSA: Inquinamento delle acque superficiali eutrofizzazione Standard sempre piu' stringenti per la rimozione nutrienti POTENZIALE SOLUZIONE: Rimozione dei NUTRIENTI nella linea fanghi (side stream) 1030% del carico di N in un flusso ridotto (~1%) e concentrato (~ 3050 volte)

18 STATO DELL'ARTE RIMOZIONE DELL'AZOTO NELLA LINEA FANGHI (SIDE STREAM) CARATTERISTICHE: ALTE concentrazioni ALTE temperature Reattori COMPATTI BREVI SRT Assenza di obbligazioni stringenti sulla qulita' dell'effluente POTENZIALITA': a cura di Tommaso Lotti Rimuovere Azoto in sistemi compatti riducendo il carico della linea acque e migliorare la qualita' dell'effluente finale

19 Primo impianto ANAMMOX in piena scala Impianto di SluisjesdijkDokhaven, Rotterdam NITRITAZIONE PARZIALE ANAMMOX Rimozione stabile dal kgn/m 3 /day 800 kg/day a cura di Tommaso Lotti Efficienza di rimozione del 90%

20 The SHARONanammox process in Rotterdam Reattore SHARON N2 O 2 O 2 100% NH 4 + (digestato) a cura di Tommaso Lotti Reattore anammox

21 Integrazione PN/Anammox in un unico sistema O 2 NH 4 + NO 2 N 2 NH 4 + NH 4 + NO 3 2 NH O NO NH N NO 3 a cura di Tommaso Lotti

22 Sistemi Anammox monostadio Nitrificanti e anammox convivono nello stesso aggragato batterico (granuli o normali biofilm) Nato come modifica della tecnologia UASB: Aerazione a bolle fini Separatore a pacchi lamellari (TPS) Ma senza la distribuzione del refluo Controllo del processo basato: Misurazione dell' Ammonio Controllo del OD tramite aerazione variabile

23 2 differenti configurazioni applicate in pratica Doppiostadio PN/anammox e.g. SHARON Anammox Monostadio PN/anammox e.g. CANON, DEMON, AnitaMOX, etc..

24 Quale scegliere??? Doppiostadio (2 reattori distinti): la PN e il processo anammox possono essere ottimizzati separatamente, facilitando la soppressione della nitratazione nel primo stadio minor rischio di eccessiva competizione eterotrofa con dilavamento anammox minor inoculo necessario non c'e' il rischio di inibizione da ossigeno per anammox Monostadio (1 reattore unico): costi di investimento significativamente minori controllo del processo piu' semplice minor rischio di inbizione da nitrito ridotte emissioni di N 2 O (e di NO): vs % del carico di Azoto

25 Diverse tecnologie per l'implementazione in piena scala Biomassa mista Fiocchi/minigranuli (Austria, Bernard Wett) SBR con biomassa fioccosa(svizzera, EAWAG) MBBR (Sweden, AnoxKaldness; AnitaMOX, Veolia; DeAmmon, Purac) Granulari (Netherlands, Paques).

26 NOTA: l'autosufficienza Energetica dipende dalla separazione del COD, non dal processo anammox nella linea fanghi Linea fanghi tratta in media 1020 % del carico di azoto Nitritazione/Anammox fa risparmiare il 60 % di energia di aerazione Nitrificazione consuma circa il 50 % di energia di aerazione Risparmio: 36 % di energia di aerazione totale Energia spesa in aerazione e' circa il 60 % nei moderni impianti Produzione di energia dovuta ad una buona separazione primaria e' piu' importante!!

27 Numero impianti in piena scala

28 Tipologie e carichi trattati impianti in piena scala a cura di Tommaso Lotti

29 Tutto qui cio' che il processo anammox puo' fare??

30 Futuro prossimo: Nuovi campi di applicazione Linea acque di impianti di depurazione civili TUDelft (Paesi Bassi), DCWater (USA), KIT (Germania), etc.. Digestati da FORSU Politecnico Milano (Italia) Digestati di origine agrozootecnica Politecnico Milano (Italia) Percolato di discarica Universita' di Girona (LEQUIAUdG, Spagna) Reflui industriali con elevata salinita' Universita' di Santiago di Compostela (Spagna)

31 Messaggio da portare a casa.. I sistemi anammox sono una Tecnologia matura (stato dell'arte) Diversi fornitori Diverse Tecnologie Applicato su un' ampia gamma di reflui civili e industriali Nuovi campi di applicazione attualmente in fase di sperimentazione avanzata/applicazione a scala pilota

32 C'era una volta il processo di nitrificazione/denitrificazione

33 Tommaso Lotti Dip. Ing. Civile ed Ambientale (DICA) Sezione Ambientale Per approfondimenti: Articolo: Lotti T., Scaglione D., Teli A., Canziani R., Ficara E., Malpei F. Rimozione completamente autotrofa dell azoto con batteri anammox: passato, presente e futuro. Ingegneria dell'ambiente, prossima pubblicazione Videoseminario:

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