Sistemi di trattamento biologico in condizioni anaerobiche. Generalità

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1 Sistemi di trattamento biologico in condizioni anaerobiche. Generalità

2 John Dalton ( ), collecting marsh gas with youngsters nearby Manchester, England

3 Nei sistemi anaerobici si sfrutta l azione di microrganismi in grado di sopravvivere in assenza di ossigeno disciolto. Le applicazioni riguardano il trattamento della sostanza organica, condotta da batteri eterotrofi. Nell ambito di tale processo, l idrogeno rimosso per via enzimatica viene a legarsi, soprattutto, con l ossigeno, il carbonio, l azoto e lo zolfo contenuti nelle molecole organiche. In linea di massima, il processo anaerobico è caratterizzato da una minore velocità di sviluppo della reazione di degradazione, nonché da una sua minore completezza, quindi non tutta la sostanza organica viene degradata.

4 I sistemi anaerobici ben si prestano ai casi in cui: le portate in gioco sono ridotte; la concentrazione della sostanza organica è elevata; le efficienze depurative richieste non sono elevate; Il materiale da trattare è caldo. Queste condizioni sono tipiche di alcuni reflui liquidi industriali; Il trattamento dei fanghi della depurazione costituisce la più usuale applicazione dei sistemi anaerobici; Altre applicazioni, oggi sempre più comuni, sono quelle ai liquami zootecnici, alla frazione organica umida (FORSU) dei rifiuti solidi urbani, alle biomasse.

5 Sistemi anaerobici: Tipi di trasformazioni Nei processi di degradazione anaerobica si distinguono stadi successivi, caratterizzati da trasformazioni condotte da distinti ceppi di microrganismi. Effettuando una prova discontinua, si osserva il succedersi di diverse trasformazioni: Suddivisione delle molecole più grandi, come ad esempio: carboidrati zuccheri semplici proteine amminoacidi grassi glicerolo Fermentazione acida, condotta da acido produttori, in cui i prodotti formatisi nella fase precedente sono trasformati in acidi grassi volatili (butirrico, propionico, acetico) ed in NH 3, H 2 S, CO 2 (nel corso di tale fase il ph si porta fino a 5). Tali acidi sono soggetti a degradazione da parte di batteri metanigeni, che utilizzano quale accettore di idrogeno unicamente il carbonio delle molecole organiche con formazione prevalente di CH 4 e CO 2.

6 Sistemi anaerobici: Trasformazioni della sostanza organica

7 Sistemi anaerobici: Valori delle costanti cinetiche µ Y K S K d (giorni -1 ) (mg/l) (giorni -1 ) Acido-produttori > Metano-produttori

8 Sistemi anaerobici:tipi di batteri Negli impianti reali è necessario che si stabilisca un equilibrio tra la fase acida e quella metanigena. È necessario, cioè, che la quantità di acidi volatili che si produce non superi la capacità di degradazione della massa batterica metanigena, che, essendo caratterizzata da una più ridotta velocità di degradazione, regola, di fatto, la velocità dell intero processo. Senza inoculo l avvio richiede 4-6 mesi. Il processo anaerobico, come tutti i processi biologici, è fortemente influenzato dalla temperatura, potendosi avere lo sviluppo di differenti ceppi batterici a seconda della temperatura di esercizio: batteri psicrofili (4-25 C; valori ottimali C); batteri mesofili (10-40 C; valori ottimali C); batteri termofili (45-70 C; valori ottimali C). La possibilità effettiva di poter regolare la temperatura di esercizio è legata, nel caso specifico, alla disponibilità del biogas.

9 Sistemi anaerobici: Tempi di digestione dei fanghi della depurazione e produzione di gas

10 Sistemi anaerobici: Biogas Attesa la specificità dei ceppi batterici che, in ciascuna condizione, si selezionano, ogni brusca variazione della temperatura di esercizio determina un rallentamento del processo (messo in luce dalla diminuzione della produzione di biogas). Si ritiene, in genere, che non possano essere tollerati sbalzi termici superiori a 3-5 C. In condizioni di regime il biogas prodotto è composto da: Metano, CH 4 (65-70 %) CO 2 (25-30 %) Azoto (2-5 %) H 2 S H 2 Il potere calorifico del biogas è pari a circa kcal Nm -3 (per il metano di rete in genere si hanno kcal m -3 ).

11 Trattamento anaerobico di acque reflue SVANTAGGI Scarsa efficienza (inferiore ai processi aerobici), sono soprattutto applicati come fase di pretrattamento oppure per la rimozione di specifici inquinanti (ad es., alogenati) non degradabili con sistemi aerobici; Le velocità di degradazione del processo di biologico, già di per sè ridotte, risultano per la D.A. poco idonee a trattare acque reflue con bassa concentrazione di sostanza organica, specie se le portate sono cospicue, per cui risulta troppo oneroso prevedere un innalzamento della temperatura di esercizio dell impianto e adeguati volumi di reazione; Con acque reflue poco cariche e molto diluite, la produzione di biogas è scarsa, anche in virtù delle rilevanti perdite (in percentuale) che si verificano per effetto della sua solubilità. VANTAGGI Consumi energetici alquanto contenuti recupero biogas Bassa produzione di fango.

12 Trattamento anaerobico di acque reflue L applicazione dei sistemi anaerobici è ipotizzabile solo con sistemi che operano con elevate concentrazioni di microrganismi. I sistemi utilizzati si distinguono in: Sistemi a colture adese; Sistemi a colture sospese (tipici per fanghi); Sistemi ibridi. Tra i primi si citano: Filtri a letto fisso; Filtri a letto espanso e fluidizzato. Caso particolare, assenza di supporti artificiali: Sistemi a letto di fango (UASB) colture conglomerate

13 Trattamento anaerobico di acque reflue: Filtri a letto fisso Carico applicato: Kg COD m -3 d -1 ; Rendimento: % Il materiale di supporto può essere sfuso oppure a superficie orientata; I filtri upflow si utilizzano soprattutto in presenza di basse concentrazioni di solidi sospesi; I filtri downflow (sperimentati particolarmente con l uso di superfici orientate) vengono utilizzati soprattutto con elevata presenza di solidi sospesi.

14 D.A. Filtri a letto fisso Materiale sintetico di riempimento moduli orientati

15 Trattamento anaerobico di acque reflue: Filtri espansi e fluidizzati Materiale di supporto: sabbia, vetro, antracite, carbone attivo, resina sintetica. La granulometria è di 60 µm-1 mm. Carico applicato: Kg COD m -3 d -1 ; Rendimento: 80 %. La differenza tra letti espansi e fluidizzati riguarda la velocità ascensionale del liquido e, conseguentemente, il grado di espansione del letto: per i letti espansi l espansione è compresa tra il 15 ed il 30 %, con rapporti di ricircolo pari a 10-50; per i letti fluidizzati l espansione arriva fino al 100%, con rapporti di ricircolo tra 60 e 100 (R =Q r / Q).

16 Trattamento anaerobico di acque reflue: Filtri espansi e fluidizzati

17 Trattamento anaerobico di acque reflue: Sistemi a letto di fango Sistema UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) Carico applicato:1-5 Kg COD m -3 d -1 ; Rendimento:50-60 %; Velocità di risalita: m h -1. L espansione del letto è causata sia da fenomeni idrodinamici sia, soprattutto, dal trascinamento determinato dalla risalita del biogas. L impianto presenta una considerevole semplicità di esercizio e costi di gestione contenuti. Lo svantaggio principale del sistema è legato al controllo della sedimentabilità dei fanghi, che qualora sfuggissero con l effluente lo arricchirebbero di solidi sospesi.

18 Trattamento anaerobico di acque reflue: Sistemi a letto di fango -granuli Figure Anaerobic sludge granules from a UASB reactor treating effluent from a recycle paper mill (Roermond, The Netherlands). The background is millimeter paper indicating the size of the granules. Red arrows point to gas vents in the granules, where biogas is released (

19 Trattamento anaerobico di acque reflue: Sistemi a letto di fango - UASB BIOPAQ

20 Digestione anaerobica del fango: Obiettivi del processo Diminuzione della percentuale di solidi volatili sul secco (con conseguente riduzione della putrescibilità); Miglioramento delle caratteristiche igieniche; Miglioramento delle caratteristiche di disidratabilità con processi di natura fisica, quale l ispessimento (ad esempio, per un fango digerito misto, composto da fanghi primari e secondari, è possibile raggiungere con l ispessimento valori dell umidità in uscita di circa %); Recupero di energia dal biogas

21 Digestione anaerobica dei fanghi: Schemi di processo Si distinguono tre tipi di digestione: Digestione convenzionale (o a basso carico); Digestione monostadio a medio carico; Digestione a doppio stadio.

22 Digestione anaerobica dei fanghi: Digestione convenzionale Non si prevedono dispositivi di miscelazione e riscaldamento del fango in digestione. Ne conseguono la stratificazione del fango nella vasca e prestazioni poco soddisfacenti in quanto: non c è miscelazione che assicura il contatto fango-batteri, per cui i carichi in ingresso devono essere bassi per non alterare l equilibrio tra i batteri stessi; il surnatante è ricco di Solidi Sospesi trascinati dalle bolle di gas che si liberano dal fango. Il dimensionamento dei digestori convenzionali viene condotto fissando un carico volumetrico di KgSSVm -3 d -1, oppure sulla base del tempo di digestione (t o ). Talvolta, in maniera più appropriata, si utilizza la formula: V = 2 q ( q q d ) t o 3 dove q e q d sono le portate di fango, rispettivamente, in ingresso e in uscita.

23 Digestione anaerobica dei fanghi: Digestione convenzionale

24 Digestione anaerobica dei fanghi: Digestione convenzionale

25 Digestione anaerobica: Digestione monostadio a medio carico Viene previsto il riscaldamento con temperature in campo mesofilo (30-35 C), realizzando altresì il mescolamento della massa di fango in digestione. Tuttavia, l agitazione del fango è discontinua al fine di consentirne l ispessimento, per cui possono aversi accumuli sul fondo (sabbie) o la formazione di un cappello in superficie (fibre) che riducono il volume Il dimensionamento viene condotto fissando i seguenti valori del carico organico volumetrico: 2 KgSVm -3 d -1 nel caso di soli fanghi primari; 1.5 KgSVm -3 d -1 per fanghi misti. È opportuno comunque che il tempo di digestione non scenda al di sotto di 15 giorni (valutati sulla portata influente). A causa dei processi convettivi, il surnatante si presenta ricco di solidi sospesi (tale caratteristica si manifesta già con temperature di C).

26 D.A. monostadio a medio carico: esempio

27 Alternative di struttura

28 Digestione anaerobica: Sistemi di miscelazione del fango La miscelazione del fango può ottenersi con: mezzi meccanici costituiti, in genere, da pompe elicoidali in agitazione in corrispondenza del pelo libero; ricircolazione del fango all esterno del digestore (applicabile nel caso di uno scambiatore esterno per il riscaldamento); ricircolazione del gas di digestione.

29 Sistemi di miscelazione

30 Sistemi di miscelazione

31 Digestione anaerobica: Sistemi di riscaldamento del fango Per il riscaldamento dei digestori si utilizzano i seguenti sistemi: introduzione sul fondo del digestore di acqua calda, da allontanare quindi con il sovranatante (sistema non più in uso); immissione di getti di vapore in prossimità dei punti di introduzione del fango (poco usato in quanto non è possibile un recupero dell acqua); uso di scambiatori interni alle vasche (trovano applicazione per impianti di piccole e medie dimensioni); uso di scambiatori esterni alle vasche.

32 Sistemi di riscaldamento del fango

33 Stoccaggio biogas Gasometro a campana rigida Gasometro membrane flessibili

34 Accessori di sicurezza gas Impianto elettrico a norma ATEX (atmosfere esplosive) Valvole sovrapressione / depressione Trappole di condensa Rompifiamma

35 Digestione anaerobica dei fanghi: Digestione a due stadi La digestione è condotta in due bacini separati: il digestore primario è mantenuto a circa 35 C ed è continuamente agitato; in esso si svolge la maggior parte delle trasformazioni biologiche, e, di conseguenza, si ottiene la produzione di biogas; il digestore secondario non è né riscaldato né miscelato, consentendo la separazione di un surnatante abbastanza chiarificato; in esso, inoltre, lo sviluppo di biogas è limitato. Per il dimensionamento si utilizzano i seguenti parametri (valutati in base al contenuto di secco nella portata influente): Digestore primario: KgSVm -3 d -1 ; Digestore secondario: KgSVm -3 d -1.

36 Digestione anaerobica dei fanghi: Digestione a due stadi Spesso si utilizza la seguente formula sperimentale (Popel): V = q 0, ,035T dove: q è la portata di fango in ingresso T è la temperatura di digestione ( C) V il volume, che viene suddiviso tra digestore primario (2/3) e digestore secondario (1/3). Tuttavia, spesso le due unità si realizzano identiche per poter avere intercambiabilità.

37 Digestione anaerobica dei fanghi: Digestione a due stadi

38 Digestione anaerobica dei fanghi: Stima della produzione di biogas La stima del biogas prodotto in un processo do digestione può essere effettuata a partire dalla considerazione che, in condizioni normali, una mole di un qualunque gas occupa litri. Dal momento che il biogas è costituito, pressoché esclusivamente, da metano ed anidride carbonica, può ritenersi che una mole di biogas sia costituita da una mole di CH 4 ed una mole di CO 2. Poiché le due molecole contengono ciascuna una mole di Carbonio (vale a dire 12 g), la produzione specifica di biogas vale g s = = l g di C o m 3 Kg di C

39 Digestione anaerobica dei fanghi: Stima della produzione di biogas Ovviamente, il Carbonio da considerare ai fini precedenti è solo quello che gassifica, che risulta pari a quello totale in ingresso sottratto delle due aliquote costituite dalla frazione utilizzata per la sintesi e dalla frazione che non viene interessata dalle reazioni biologiche. La frazione percentuale di carbonio utilizzato per la sintesi ( C 1 ) è fornito dalla seguente espressione (di origine sperimentale): dove T = temperatura [ C]; C1 = δt δ = coefficiente [ C -1 ] che dipende dal rapporto N/C nella corrente influente dato dall espressione sperimentale: δ = N C N C

40 Digestione anaerobica dei fanghi: Stima della produzione di biogas La frazione percentuale di carbonio non interessata da processi di trasformazione (perdite attraverso l acqua o il fango, C 2 ) dipende da come viene condotto il processo, potendosi assumere: C 2 = 0.30 per digestori monostadio non agitati; C 2 = 0.25 per digestori monostadio agitati; C 2 = 0.15 per digestori a doppio stadio. La produzione di biogas, pertanto, vale: ( )( ) gs = C 1 C 1 2 L andamento nel tempo di tale produzione può essere espresso attraverso la seguente legge esponenziale: ( yt ) ove: s = t K 1 = 0.70 per digestori monostadio non agitati K 1 = 0.75 per digestori monostadio agitati K 1 = 0.85 per digestori a doppio stadio g K g s

41 Digestione anaerobica dei fanghi: Stima della produzione di biogas mentre il coefficiente y dipende dalla temperatura (che incrementa la velocità delle reazioni biologiche) e dalla possibilità di contatto tra biomassa e substrato: y = a R = a T. T T nella quale a vale per digestori monostadio e per digestori a doppio stadio. Per diverse temperature, i valori di R sono riportati nella tabella seguente. VALORI DI R (in giorni -1 ) PER DIVERSE TEMPERATURE Temperatura R

42 Digestione anaerobica: Calcolo calore per riscaldamento del fango Il calore da fornire ad un digestore viene calcolato come somma di quello necessario per il riscaldamento del fango in ingresso fino alla temperatura di esercizio del digestore (G 1 ) e delle perdite attraverso le pareti della vasca (G 2 ). G 1 vale: G dove M f = massa del fango nel digestore; C s = calore specifico del fango. 1 = M f C s T A sua volta, G 2 vale: G2 = KS Td T ( ) e dove K = coefficiente di trasmissione; S = superficie del digestore; T d = temperatura del fango in digestione; T e = temperatura esterna.

43 Digestione anaerobica: Calcolo del calore per il riscaldamento del fango K tiene conto di: coefficienti di conduzione dei materiali (C i ) che costituiscono la parete Spessori dei vari materiali (S j ) coefficienti di convezione dei due fluidi (fango, h 1, aria, h 2 e terreno, saturo o meno, h i ) che la lambiscono: K = 1 h 1 S + C S C S C n n + 1 hi