Applicazione di nuove tecnologie di trattamento delle acque reflue e dei fanghi prodotti in Italia e nel mondo

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1 Applicazione di nuove tecnologie di trattamento delle acque reflue e dei fanghi prodotti in Italia e nel mondo Giuseppe Mininni Cnr Istituto di Ricerca Sulle Acque Pianeta Acqua Aquae VENEZIA 2015 Blue drop Water as key network for urban development Venezia, 9 Ottobre 2015

2 PRINCIPALI PROBLEMATICHE DELLE TECNOLOGIE CONVENZIONALI A FANGHI ATTIVI sediment. primar. unità biologica sediment. second. inf. eff. 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 2 di 29

3 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 3 di 29

4 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 A.E. Filtro sommerso aerato Tipo di flusso up-flow Corpi riempimento in plastica a galleggiamento neutro Applicazioni 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). 4 di 29

5 Biostyr Veolia BIOFOR Degremont 5 di 29

6 REATTORI A LETTO FISSO SOMMERSO (BAF BIOLOGICAL AERATED FILTERS) Impianto di Xiamen (Cina) Biofor PE; 2006 Impianto di Herford (Germania); Biostyr PE; 1997 Impianto di Davyhulme (UK) Biostyr PE; linea Depuratore di Peschiera Borromeo (MI) Biofor - II linea da 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 6 di 29

7 7 di 29 REATTORI A LETTO MOBILE (MBBR- Moving Bed BioReactors) 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%). inf Elementi plastici aria griglia griglie eff fanghi 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

8 Vantaggi REATTORI A LETTO MOBILE (MBBR- Moving Bed BioReactors) 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. 8 di 29

9 9 di 29 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: REATTORI A LETTO MOBILE (MBBR- Moving Bed BioReactors) Depuratore di Gardermoen, aeroporto di Oslo (Norvegia), potenzialità m 3 /d, processo Kaldnes (Veolia), in funzione dal Depuratore di Lillehammer (Norvegia), potenzialità m 3 /d, processo Kaldnes (Veolia), in funzione dal Depuratore di Malmo-Klagshamn (Norvegia), potenzialità m 3 /d, processo Kaldnes (Veolia). Alcune applicazioni in Italia su depuratori municipali di piccola taglia (< m 3 /d) [depuratori di Maserà (PD), Origiano (VI), Castelgomberto (VI), Villa Rendene (TN)] e su reflui industriali (birrifici e cartiere).

10 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 ). inf AN AX AE aria Sistemi tradizionali SBR inf SBR eff fango Sistemi SBR SS eff fango refluo 4 1 Il funzionamento dei sistemi SBR si basa sulla successione di cicli di trattamento della durata di 6/8/12 ore. effluente 3 2 Fasi del ciclo di trattamento 1. Alimentazione; 2. Aerazione e/o miscelazione 3. Sedimentazione; 4. Scarico 10 di 29

11 11 di 29 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.

12 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 < m 3 /d) anche se la scala sta aumentando nelle installazioni più recenti; Più di impianti costruiti in USA, Canada ed Europa negli ultimi 25 anni Depuratore di Dublino (Irlanda) L impianto ( m 3 /d) è costituito da 24 unità SBR disposte su due livelli. Depuratore di Bangkok (Tailandia) L impianto ( m 3 /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 < AE). 12 di 29

13 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) fango attivo granulo senza corpo di riempimento Granulated Sequencing Batch Reactor (GSBR) con corpo di riempimento Sequencing Batch Biofilter Granular Reactor (SBBGR) 13 di 29

14 REATTORI A BIOMASSA GRANULARE AEROBICA Vantaggi Elevate concentrazioni di biomassa (fino a 50 kg/m 3 ); 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. 14 di 29

15 15 di 29 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 AE; Anno di funzionamento: 2012 Impianti SBBGR in scala pilota

16 16 di 29 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): NO 2- + NH 4 + N 2 (g) + 2 H 2 O 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 CO 2 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.

17 DEAMMONIFICAZIONE AUTOTROFA Campo di applicazione Trattamento reflui caratterizzati da un basso rapporto COD/NH 4 (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: kg N/d In funzione dal 2009 Apeldoorn WWTP (Olanda) Processo Demon Potenzialità: m 3 /d (1.500 kg N/d) In funzione dal di 29

18 18 di 29 sedim. prim. INTEGRAZIONE DI PROCESSI BIOLOGICI E CHIMICI stadio biologico stadio biologico sedim. sec. inf. eff. Reflui completamente recalcitranti o contenenti composti tossici/inibenti per la biomassa Reflui contenenti una frazione del carico organico recalcitrante Reflui con microinquinanti bio-resistenti Processo di ossidazione chimica (O 3, UV/H 2 O 2, O 3 /H 2 O 2, UV/TiO 2 ) 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).

19 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 A.E.). Attualmente sono in esercizio circa impianti nel mondo. Le principali aziende produttrici di MBR sono Kubota (Giappone), Zenon (U.S.A.) e Siemens. 19 di 29

20 20 di 29 Schema tipico di trattamento fanghi per impianto di grande potenzialità con sedimentazione primaria Fanghi secondari 29,2 g/(a.e. d) 75% SV/ST 1,07% ST Surnatante 2,4 g/(per d) 75% SV/ST 0,19% ST Fanghi primari 48 g/(per d) 75% SV/ST 2% ST Centrato 2,9 g/(per d) 75% SV/ST 0,133% ST GT 4 DT Fanghi secondari 26,3 g/(a.e. d) 75% SV/ST 5% ST 3 Fanghi primari 45,6 g/(a.e. d) 75% SV/ST 4% ST Fanghi misti 71,9 g/(per x d) 75% SV/ST 4,3% ST Biogas 20,6 L/(A.E. d) Prod. specifica: 0,85 L/g SV abb. 11 MAD 20 d Fanghi digeriti 47,6 g/(a.e. d) 62,3% SV/ST 2,9% ST 1,93 W/A.E. 45% rimozione 5 SV 6 DEW 7 37 C 8 Fanghi disidratati 42,9 g/(a.e. d) 62,3% SV/ST 25% ST 25% Centrato 4,76 g/(a.e. d) 62,3% SV/ST 0,32 % ST N tot 1,8 g/(a.e. d)

21 Schema combinato recupero energia da biogas 21 di 29

22 Produzione energia elettrica nella digestione anaerobica a) Per un impianto da 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. 22 di 29

23 Processo Cambi 23 di 29

24 Processo Biothelys (Veolia) Processo Exelys (Veolia) Presentation by Andrew Gilbert (SludgeTech, 2015) 24 di 29

25 Nuove tecnologie di disidratazione dei fanghi Bucher press (Bucher, Degremont) Screw press (Huber) di 29

26 Forni d incenerimento fanghi in Europa Pesi europei Numero di impianti di Capacità incenerimento fanghi (t di secco/anno) Austria 1 Belgio Danimarca Germania Paesi bassi Regno unito Svizzera Totale 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 26 di 29

27 27 di 29 Thermolysis Degremont Pyrofluid Veolia

28 28 di 29 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 NO x )

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