Rapporti ottimali dei nutrienti per il trattamento delle acque reflue

Transcript

1 REPORT APPLICATIVO ANALISI DI LABORATORIO & ANALISI DA PROCESSO TRATTAMENTO DELLE ACQUE REFLUE NUTRIENTI Rapporti ottimali dei nutrienti per il trattamento delle acque reflue Per poter rispettare i requisiti di legge sulle acque reflue trattate, il gestore degli impianti di depurazione deve controllare accuratamente il processo di depurazione per contrastare tempestivamente gli eventuali superi dei valori limite. Accanto al procedimento fisico e chimico, il trattamento delle acque reflue si identifica sostanzialmente nel trattamento biologico attraverso i microrganismi del fango attivo. Pertanto, per un trattamento ottimale è di fondamentale importanza conoscere le concentrazioni dei nutrienti e la composizione del fango attivo. Nella presente relazione verranno illustrate cause, conseguenze e contromisure relative ai rapporti non bilanciati dei nutrienti. Autore: Dipl.-Ing. Michael Winkler - Direttore progetto Sviluppo prodotti e servizio clienti - BIOSERVE GmbH, Mainz

2 2 NUTRIENTI FANGO ATTIVO Nutrienti nel fango attivo L analisi di laboratorio e la tecnologia analitica da processo garantiscono il mantenimento dei valori limite. Un rapporto equilibrato dei nutrienti è il presupposto affinchè i microrganismi lavorino al massimo dell efficienza. In questo caso, i nutrienti più importanti sono il carbonio, l azoto e il fosforo. Carbonio Il carbonio è il componente principale delle sostanze organiche contenute nelle acque reflue. Esso viene biodegradato dai microrganismi nel fango attivo in condizioni anaerobiche (Bio-P), nell ambiente anossico (zona di denitrificazione) e nella parte aerata dello stadio biologico (zona di nitrificazione). I composti C vengono utilizzati dai microrganismi per la costruzione delle strutture cellulari specifiche e per la produzione di energia. ammoniacale (NH 4 -N). Durante la depurazione biologica delle acque reflue, l azoto organico (N) si trasforma in NH 4 -N tramite i batteri del fango attivo e, assieme all NH 4 -N proveniente dall ingresso, viene trasformato da nitrito a nitrato (nitrificazione). La parte dei composti di azoto che non viene biodegradata nel fango attivo viene trasformata in condizioni anossiche (assenza di O 2 disciolto) in azoto elementare (denitrificazione). L azoto passa all atmosfera sotto forma di N 2. I composti dell azoto vengono determinati come NH 4 -N, NO 2 -N, NO 3 -N e TN (azoto totale, importante per bilanciamenti e controllo degli scarichi). La postazione da lavoro per l analisi di laboratorio è costituita da fotometro, reagenti e, in base al parametro, un termostato. I composti del carbonio vengono determinati tramite COD, BOD 5 o TOC Azoto All ingresso dell impianto di depurazione è presente l azoto legato in forme organiche (N organico) e sotto forma di azoto Composti organici + O 2 + nutrienti Fosforo Il carico P nell ingresso di un impianto di depurazione è composto da fosforo ortofosfato (PO 4 -P), polifosfati e composti organici del fosforo. Tutti insieme producono il parametro cumulativo fosforo totale (P tot ). Microrganismi Nuova biomassa + CO 2 + H 2 O Tabella 1: Importanti parametri cumulativi nella depurazione delle acque reflue COD (richiesta chimica di ossigeno); determina la quantità di ossigeno per la completa ossidazione dei composti di carbonio; sono inclusi anche i composti inorganici ridotti. BOD 5 (richiesta biologica di ossigeno); fornisce informazioni su quanto ossigeno elementare viene consumato biodegradazione in condizioni standardizzate dopo cinque giorni. TOC (Carbonio Organico Totale) determina il carbonio combinato in modo organico; al contrario del BOD 5, con il TOC vengono rilevati anche i composti difficilmente biodegradabili. TKN (azoto Kjeldahl) misura l Azoto organico combinato (N org.) e l azoto ammoniacale (NH 4 -N). Azoto totale TN (LATON) rileva Azoto organico (N org.), azoto ammoniacale (NH 4 -N) come anche il nitrito (NO 2 -N) e il nitrato (NO 3 -N).

3 3 Nitrificazione Denitrificazione Composti N organici (urea, albumina, ecc.) Idrolisi e ammoniaca Azoto nitrico NO 3 -N Nitrato-riduttasi - ossigeno Azoto ammoniacale NH 4 -N Azoto nitroso NO 2 -N Azoto nitroso NO 2 -N Azoto nitrico NO 3 -N Nitrosomonas + ossigeno Nitrobacter + ossigeno NO, N 2 O Azoto elementare N 2 Nitrito-riduttasi - ossigeno NO, N 2 O riduttasi - ossigeno Ossigeno Composti C organici Biossido di carbonio CO 2 Fig. 1: Procedura di abbattimento per nitrificazione e denitrificazione Durante la depurazione biologica delle acque reflue, i polifosfati e il fosforo combinato in modo organico vengono trasformati in ortofosfato. Il fabbisogno di fosforo P da parte dei micro organismi è dovuto al particolare ruolo che il fosforo gioca nel loro metabolismo energetico. P è necessario per la struttura della membrana cellulare e del DNA. Una parte del fosforo nelle acque reflue viene eliminato biologicamente (Bio-P). Il residuo può essere eliminato tramite una precipitazione chimico-fisica del fosfato. I composti del fosforo vengono determinati come orto- PO 4 -P (controllo della precipitazione) e P tot (bilanciamento, controllo degli scarichi). Microelementi Altri microelementi necessari per la struttura cellulare, quali calcio, magnesio, manganese, ferro, rame, zinco, nichel nonché le vitamine sono quasi sempre presenti nelle acque reflue civili oppure vengono messi a disposizione anche dal fango attivo. Zolfo Acque di scarico civili, reflue o anche diverse acque di scarico industriali contengono composti di azoto ridotti (acido solfidrico, solfuro e tiosolfato). Lo zolfo è un componente indispensabile delle proteine. Negli impianti di depurazione, i composti dello zolfo non solo vengono ossidati a solfati, ma alcuni batteri li ossidano a solfuri e siccome questo processo genera energia,questi vengono conservati a livello cellulare come riserva. Tuttavia elevate concentrazioni di composti di zolfo ridotti nelle acque reflue possono causare diversi problemi (Tabella 2). Rapporto C:N:P (BOD 5 :TN:P tot ) Il contenuto dei singoli nutrienti nelle acque reflue dovrà soddisfare le necessità dei batteri dei fanghi attivi e presentare un rapporto equilibrato di C, N e P. Ciò è determinante per l efficacia delle procedure di abbattimento biologiche. Nella depurazione aerobica delle acque reflue, il rapporto C:N:P dovrà essere compreso tra 100:10:1 e 100:5:1. Per un controllo costante vengono impiegate delle sonde che non necessitano di reattivi Analizzatori moderni vengono installati direttamente a bordo vasca senza sistemi di protezione.

4 4 NUTRIENTI_MISURA Rapporti vantaggiosi e svantaggiosi dei nutrienti Controller SC 1000 utilizzabile fino ad un massimo di otto sensori, disponibile anche per collegamento in rete es. Profibus Attività industriali di ogni tipo, differen ze regionali nelle abitudini alimentari (smaltimento di diversi rifiuti domestici tramite fognature), condizioni del terreno e dell acqua potabile sono responsabili solfati, ma diversa composizione delle acque reflue. Nelle acque reflue comunali, il rapporto C:N:P, secondo l esperienza, è di circa 100:20:5. Grazie ai metodi odierni, è possibile eliminare dalle acque reflue i composti N e P in eccedenza per lo più senza grosse difficoltà. Se nelle acque reflue all ingresso dello stadio biologico manca uno dei nutrienti principali, possono presentarsi svariati problemi (Tabella 3). Per una denitrificazione efficace è assolutamente necessario che sia presente una parte specifica di composti C facilmente degradabili. Nelle acque reflue comunali precedentemente sedimentate il rapporto BOD 5 :N è di 100:25 (=4). Se non si supera un valore di 100:40 (=2,5), il processo di denitrificazione ha luogo solo in modo limitato e i valori di scarico dei nitrati risultano elevati. Se l esclusione dei pre trattamenti e l incremento del volume di denitrificazione non porta ad Sonda NITRATAX sc, una sonda per la determinazione on line del Nitrato (vista parzialmente immersa) Tabella 2: Cause ed effetto di elevate concentrazioni dello zolfo Cause/Provenienza acque reflue Conseguenze possibili Elevate concentrazioni di composti dello zolfo provenienti dall industria chimica e di trasformazione delle pro teine (lavorazione delle carni e del pollame) Processi anaerobici nella rete fognaria con riduzione dei composti dello zolfo in acido solfidrico Corrosione delle fognature e delle pareti delle vasche negli impianti di depurazione Odori sgradevoli per i residenti Incremento dello sviluppo dei batteri solfo ossidanti filamentosi (Tipo 021N) Contromisure Evitare ristagno di acque di scarico nella rete fognaria Dosaggio di sali di ferro nella rete fognaria (es. negli impianti di pompaggio) Tabella 3: Cause ed effetto della mancanza di nutrienti nello stadio biologico della depurazione delle acque reflue Mancanza di Cause/Provenienza acque reflue Conseguenze possibili Contromisure Carbonio Lunga permanenza nella rete fognaria, Trattamenti primari completi delle acque reflue, Acque reflue industriali con elevato contenuto di azoto, ad es. lavorazione del latte e della carne Forte sviluppo di batteri filamentosi (Bulking e foaming) Denitrificazione insufficiente, Azoto Fosforo Acque reflue povere di azoto provenienti da: Industria cartaria Lavorazione frutta e verdura Acque di lavaggio terreni acqua di scarico da lavorazione frutta e verdura Elevati valori COD/TOC all impianto di depurazione Batteri filamentosi Valori COB/TOC elevati all uscita Batteri filamentosi By pass dei trattamenti primari Incremento del volume di nitrificazione per garantire un volume sufficiente ( minima età del fango di 9 giorni). Compensazione del rapporto dei nutrienti: Dosaggio di composti N (prodotti tecnici economici, ad es. urea) Aggiunta di acque reflue civili, acqua torbida dal digestore Compensazione del rapporto di nutrienti tramite: Dosaggio di composti P (prodotti tecnici economici, come acido fosforico o fertilizzanti fosfatici per l agricoltura) Aggiunta di acque reflue civili

5 5 un miglioramento, si dovrà pensare ad un dosaggio di un substrato facilmente degradabile (sorgente C esterna). Le fonti di carbonio per la compensazione dei nutrienti sono: - C interno = Fango primario idrolizzato o acidificato - C esterno = materiali residui dall industria (fabbriche di birra, caseifici, zuccherifici) e prodotti tecnici (metanolo, etanolo, acido acetico). Esempio Un impianto di depurazione comunale con una notevole quantità di acque reflue industriali presenta all ingresso del trattamento biologico i seguenti parametri dei nutrienti (Tabella 5). Il rapporto BOD 5 :N di 2,45 è troppo basso per una denitrificazione sufficiente. Ciò significa che è necessario fornire dei composti di carbonio esterni. Pertanto sono necessari i seguenti calcoli: I pratici Test in Cuvetta HACH LANGE sono disponibili per tutti i parametri fondamentali Rapporto COD:BOD 5 Questi due parametri cumulativi messi in relazione rappresentano un valore di riferimento per la biodegradabilità del carico inquinante delle acque reflue. Un rapporto COD:BOD 5 di 2:1, rappresenta un buon livello di degradabilità. Valori più elevati indicano la presenza di sostanze difficilmente biodegrabili. 1. Quantità dell azoto da non sottoporre a denitrificazione (ΣN da non denit. ): vedere tabella 6 2. Calcolo dell azoto che può essere denitrificato con le acque reflue: Con una denitrificazione a monte e un rapporto V D :V AT pari a 0.5, la capacità di denitrificazione (vedere la tabella 7) è C Deni = 0,15 kg NO 3 -N D /kg BOD 5. S NO3-N, D = C Deni BOD 5 Ingr.fango att = 0, mg/l = 16,5 mg/l Ovvero 16,5 mg/l NO 3 -N possono essere denitrificati con il trattamento biologico esistente. In combinazione con la garanzia di qualità analitica (AQA), i risultati di misurazione sono ufficialmente approvati Tabella 4: Cause ed effetto di rapporti di COD:BOD 5 sfavorevoli Cause/Provenienza acque reflue Conseguenze possibili Acque reflue di discarica, acque reflue provenienti da compostaggio trattamento di rifiuti residui e industria chimica Forte abbattimento di BOD 5 nella lunga rete fognaria in estate Trattamenti primari intensivi delle acque reflue Denitrificazione insufficiente (elevati valori del nitrato allo scarico) Elevato COD in uscita all impianto di depurazione Peggioramento del Bio-P Contromisure Aggiunta di fonti di C per migliorare la denitrificazione In caso di materiali non biodegradabili o difficilmente biodegradabili, applicazione di procedimenti chimico/fisici (trattamento di ozono, filtri a carboni attivi, tecnologia a membrana) In caso di elevati volumi di campioni, l automazione da laboratorio rappresenta un valido supporto.

6 6 NUTRIENTI_DOSAGGIO Determinazione del dosaggio del substrato tramite misurazione NO 3 -N Tabella 5: Valori medi giornalieri di un impianto di depurazione civile Valori medi giornalieri Portata in ingresso [m 3 /d] BOD 5 Ingr. fango att [mg/l] 110 TN infl aer LATON [mg/l] 45 P tot. Ingr. fango att [mg/l] 3,5 BOD 5 Ingr. fango att. : TN Ingr. fango att = 110:45 = 2,45 Tabella 6: Esempio di calcolo per l azoto da non sottoporre a denitrificazione (ΣN da non denit. ) N incorporato nella biomassa (5 % di BOD 5 ingr. fango att. ) N org.e (e = valori target accettati all uscita) NH 4 -N e (e = valori target all uscita) NO 3 -N e (e = valori target all uscita) Somma 5,5 mg/l 2 mg/l 0 mg/l 8 mg/l 15,5 mg/l Tabella 7: Capacità di denitrificazione ai sensi delle norme ATV-A131 (valori indicativi per periodo secco e temperature comprese tra 10 e 12 C) V D /V BB Volume denitr./volume ossidazione C Denitr. (capacità di denitrificazione in kg NO 3 -N d /kg BOD 5 ) Predenitro Denitrificazione simultanea e intermittente 0,2 0,11 0,06 0,3 0,13 0,09 0,4 0,14 0,12 0,5 0,15 0,15 V D : volume utilizzato per la denitrificazione del bacino a fanghi attivi V BB : volume del bacino a fanghi attivi Tabella 8: Fonti di carbonio esterne per il calcolo del dosaggio necessario Acido acetico Metanolo Etanolo COD kg/kg 1,07 1,50 2,09 TOC kg/kg 0,40 0,38 0,52 BOD 5 kg/kg 0,70 0,96 1,35 Densità kg/m In questo esempio 1 kg di acido acetico corrisponde a 1,07 kg di COD. 3. Calcolo del fabbisogno di un substrato esterno Il contenuto N ancora da nitrificare si ottiene dalla differenza dell apporto di azoto totale meno la quantità di N da non denitrificare meno la quantità di N denitrificabile con l impianto: S NO3-N, D, Ext = TN ingresso - N da non denitr. - S NO3-N, D = 45 mg/l - 15,5 mg/l - 16,5 mg/l = 13 mg/l Per la denitrificazione dei 13 mg/l di azoto rimanente è necessario fornire agli organismi del fango attivo un ulteriore sorgente di carbonio. Con una quantità giornaliera di acque reflue di m 3 risulta un carico di azoto di 130 kg. Il fabbisogno di carbonio esterno, ai sensi delle specifiche DWA A131 è di 5 kg COD/1 kg NO 3 -N. Ovvero, sono necessari 650 kg di COD al giorno per una completa denitrificazione. Secondo la tabella 8, per l acido acetico sarebbero necessari 607 kg al giorno. Il dosaggio mirato è in funzione dei valori NO 3 -N. Conclusioni Rapporti sfavorevoli dei nutrienti ed elevate concentrazioni di singole sostanze compromettono l efficenza dei processi di biologici di depurazione delle acque reflue. Pertanto, il riconoscimento precoce e il controllo completo dei parametri critici è un presupposto necessario per poter adottare tempestivamente le contromisure. Solo in questo modo è possibile garantire il mantenimento sicuro dei valori di scarico di legge. I test in Cuvetta HACH LANGE ed i misuratori di processo costantemente attivi hanno dimostrato di essere degli strumenti di supporto irrinunciabili per il raggiungimento di una maggiore trasparenza e sicurezza nella gestione di un impianto di depurazione.

7 7 Punti di misurazione tipici per il controllo dei nutrienti negli impianti di depurazione Uscita trattamenti primari: concentrazione e controllo del carico impianto Ingresso fango attivo: ottimizzazione dell approvvigionamento di nutrienti Uscita fango attivo: controllo e ottimizzazione dell abbattimento C, nitrificazione/denitrificazione ed eliminazione P Uscita KA: controllo valore limite, controllo del KA I parametri nutrienti da analizzare (in funzione dei protocolli analitici interni) sono: COD (evtl. TOC) BOD 5 orto PO 4 -P P tot NH 4 -N TKN (azoto Kjeldahl: somma di NH 4 -N e N. organ.) N tot. inorganico.(n inorganico: somma di NH 4 -N, NO 3 -N e NO 2 -N) TN (azoto totale: somma di N organ. e inorgan.) Filtro Sedimentazione finale Areazione Ispessitore Sedimentazione primaria Grigliatura/Dissabbiatura Digestore Canale Vasca acque piovane Disidratazione fanghi Laboratorio/Centro di controllo Fig. 2: Rappresentazione schematica di un impianto di depurazione con punti di misurazione per il controllo dei nutrienti

8 NUTRIENTI_SOLUZIONI DI MISURA Rapporti ottimali dei nutrienti con tecniche innovative d analisi Postazione di misurazione per l analitica di laboratorio DR 3900 LT 200 Spettrofotometro compatto e potente ( nm) con tecnologia RFID che garantisce misurazioni affidabili e tracciabili per le analisi di routine e le applicazioni specifiche; lettore di codici a barre (IBR) per il riconoscimento automatico di Test in Cuvetta LANGE; display grafico touchscreen retroilluminato Termostato a secco per digestioni standard e speciali; preprogrammato per la digestione di COB, N totale, P totale, TOC, Org. acidi, metalli In alternativa HT 200S Test in Cuvetta Termostato ad alta temperatura per la rapida digestione di COD, N totale, P totale, metalli in soli 35 minuti; digestioni standard di TOC Reagenti pronti per l uso ad alta sicurezza per l operatore; procedimento particolarmente preciso ed approvato; più di 50 parametri e range di misura Sistemi per l analisi on line AMTAX sc PHOSPHAX sc AISE sc AN-ISE sc NISE sc NITRATAX sc SC 1000 Controller In alternativa SC 200 Controller Analizzatore da processo per la determinazione in continuo dell ammoniaca in acque reflue. La misurazione viene eseguita con elettrodo gas-sensibile. Analizzatore da processo per la determinazione del fosforo nelle acque reflue. La misurazione viene eseguita secondo il metodo Vanadato-Molibdato. Sonda ISE per la determinazione continua dell ammoniaca (AISE sc, AN-ISE sc) e dei nitrati (NISE sc, AN-ISE sc) direttamente nelle vasche. La misurazione viene eseguita con un elettrodo ionoselettivo (ISE) con compensazione automatica di potassio e cloruro. Estrema facilità di utilizzo grazie alla cartuccia sensore CARTRICAL plus. Sonda da processo per determinare il contenuto di nitrato, senza prelievo del campione, direttamente nell acqua, nelle acque reflue o nel fango attivo; autopulente, procedimento privo di reagenti, diversi range di misura Un sistema con Controller SC 1000 è costituito da un singolo modulo display e uno o più moduli sonda. Viene configurato in modo modulare secondo le indicazioni specifiche del cliente e può essere ampliato in qualunque momento con ulteriori punti di misura, sensori, ingressi e uscite ed interfacce bus. Ogni modulo controlla fino a otto sensori. Controlla fino a due sensori (non adatto per AMTAX sc e PHOSPHAX sc). Postazione di misurazione per l analitica di laboratorio con fotometro DR 3900, termostato LT 200 e Test in Cuvetta HACH LANGE Bibliografia 1. ATV-Handbuch: Biologische und weitergehende Abwasserreinigung, Ernst & Sohn- Verlag K. Hänel: Biologische Abwasserreinigung mit Belebtschlamm, VEB Gustav Fischer Verlag, K. Mudrack, S. Kunst: Biologie der Abwasserreinigung, Gustav Fischer Verlag, Specifiche DWA A S. Kunst, C. Helmer, S. Knoop: Betriebsprobleme auf Kläranlagen durch Blähschlamm, Schwimmschlamm, Schaum, Springer-Verlag D. Jenkins, M. G. Richard, G. T. Daigger: Manual on the causes and control of activated sludge bulking, foaming, and other solids separation problems, Lewis Publishers Poster Strumentazione HACH LANGE: massima affidabilitŕ e minimi costi di esercizio, DOC DOC Oct12