I reattori a letto mobile per il trattamento delle acque reflue

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1 Laboratorio di Ingegneria Sanitaria Ambientale Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale Università degli Studi di Trento I reattori a letto mobile per il trattamento delle acque reflue Principi ed applicazioni G. Andreottola, P. Foladori, M. Ragazzi, G. Ziglio

2 INDICE SIMBOLOGIA...9 PRESENTAZIONE INTRODUZIONE PRINCIPI DEI SISTEMI A LETTO MOBILE INTRODUZIONE TIPI DI REATTORI PARAMETRI CARATTERISTICI DEI REATTORI CARATTERISTICHE DEI MATERIALI DI RIEMPIMENTO INTRODUZIONE CLASSIFICAZIONE DEI MEZZI DI RIEMPIMENTO ELEMENTI RIGIDI A CANALE APERTO Natrix Meteor Flocor KMT ELEMENTI IN MATERIALI POROSI Captor Linpor ASPETTI REALIZZATIVI DEI REATTORI...45

3 4.1. INTRODUZIONE PRETRATTAMENTO DELLE ACQUE REFLUE SISTEMI A LETTO MOBILE PURI O IBRIDI CONFIGURAZIONI DEGLI IMPIANTI A LETTO MOBILE PURI Configurazioni per la rimozione dei substrati carboniosi Configurazioni per la nitrificazione Configurazioni per la denitrificazione CONFIGURAZIONI IBRIDE DEGLI IMPIANTI A LETTO MOBILE INTERVENTI PER LA CONVERSIONE DEI REATTORI BIOLOGICI IN MBBR Installazione delle griglie Sistemi di insufflazione e trasferimento di ossigeno Adeguamento della separazione finale dei solidi INSERIMENTO DEL MATERIALE DI SUPPORTO NEL REATTORE SISTEMI MBBR AD ALIMENTAZIONE DISCONTINUA CENNI ALLA TEORIA DEI SISTEMI A BIOMASSA ADESA INTRODUZIONE MODELLI MATEMATICI MODELLO CINETICO DI STATO-STAZIONARIO PER I SISTEMI A BIOMASSA ADESA Cinetica limitata da 1 substrato solubile Cinetica limitata da 2 substrati Il caso della nitrificazione Cinetica limitata da 3 substrati Il caso della nitrificazione in presenza di sostanza organica Cinetica limitata da 3 substrati Il caso della denitrificazione CRITERI DI DIMENSIONAMENTO DEI REATTORI A LETTO MOBILE INTRODUZIONE MODELLI MATEMATICI PER IL DIMENSIONAMENTO DI SISTEMI MBBR METODI EMPIRICI PER IL DIMENSIONAMENTO DI SISTEMI MBBR DEFINIZIONE DEI PRINCIPALI PARAMETRI CARATTERIZZAZIONE DELLE ACQUE REFLUE PER IL DIMENSIONAMENTO DEI SISTEMI MBBR INTRODUZIONE IL FRAZIONAMENTO DEL COD CARATTERIZZAZIONE DELLE ACQUE REFLUE CIVILI RELAZIONE TRA COD BIODEGRADABILE, BOD 5 E BOD RIMOZIONE DEI SUBSTRATI CARBONIOSI INTRODUZIONE TRATTAMENTO SECONDARIO DI REFLUI CIVILI CON SUPPORTI RIGIDI A CANALE APERTO Trattamento secondario a basso carico Trattamento secondario ad alto carico Pre-trattamento ad alto carico di reflui civili TRATTAMENTO SECONDARIO DI REFLUI CIVILI CON SUPPORTI POROSI Processo Captor...110

4 Processo Linpor TRATTAMENTO DI REFLUI INDUSTRIALI NITRIFICAZIONE INTRODUZIONE INFLUENZA DELLA CONCENTRAZIONE DI NH 4 -N INFLUENZA DELL OSSIGENO DISCIOLTO INFLUENZA DEL RAPPORTO O 2 /NH 4 -N INFLUENZA DELLA CONCENTRAZIONE DEL SUBSTRATO ORGANICO INFLUENZA DELLA CONCENTRAZIONE DI SUBSTRATO ORGANICO E DELL OSSIGENO INFLUENZA DELLA TEMPERATURA INFLUENZA DELL ALCALINITÀ INFLUENZA DELLA CONCENTRAZIONE DI SOLFURI NITRIFICAZIONE IN TRATTAMENTI SECONDARI CON SUPPORTI RIGIDI A CANALE APERTO NITRIFICAZIONE IN TRATTAMENTI SECONDARI CON SUPPORTI POROSI Processo Captor Processo Linpor-CN NITRIFICAZIONE TERZIARIA CON SUPPORTI RIGIDI A CANALE APERTO NITRIFICAZIONE TERZIARIA CON SUPPORTI POROSI Processo Captor Processo Linpor-N DENITRIFICAZIONE INTRODUZIONE RAPPORTO CARBONIO/AZOTO PRE-DENITRIFICAZIONE POST-DENITRIFICAZIONE DENITRIFICAZIONE COMBINATA DENITRIFICAZIONE IN SIMULTANEA INDAGINI SULLA BIOMASSA ADESA E PRODUZIONE DI FANGHI ANALISI PER LA QUANTIFICAZIONE DELLA BIOMASSA ADESA CONCENTRAZIONE DI BIOMASSA ADESA NEI REATTORI MBBR CONCENTRAZIONE DI BIOMASSA SOSPESA PRODUZIONE DI FANGHI DI SUPERO BIBLIOGRAFIA...165

5 1. Introduzione La recente normativa sulle acque reflue urbane (D. Lgs. 152/99 e successive modifiche) in recepimento della Direttiva della Comunità Europea 91/271/CEE, stabilisce standard restrittivi per lo scarico in corpi d'acqua superficiali, in particolare se appartenenti ad aree identificate come sensibili. Nel prossimo futuro si renderà quindi necessaria la pianificazione di ampliamento e/o adeguamento degli impianti di depurazione tuttora esistenti. A fronte di questa nuova esigenza di upgrading degli impianti, possono presentarsi difficoltà per la localizzazione di un nuovo impianto di depurazione, o per l ampliamento di quelli esistenti, a causa della scarsa disponibilità di aree non urbanizzate e del loro crescente costo, che rende questo problema di grande attualità. I convenzionali processi a fanghi attivi richiedono una considerevole disponibilità di superficie, soprattutto quando sia necessario ottenere

6 un'elevata efficienza di rimozione degli inquinanti, in particolare dell'azoto o del fosforo. Ciò considerato, alcuni processi innovativi a biomassa adesa hanno suscitato recentemente un particolare interesse ed hanno mostrato, soprattutto nei paesi del Nord Europa, un crescente sviluppo. Gli innovativi sistemi a biomassa adesa, che risultano essere competitivi rispetto ai fanghi attivi, sono caratterizzati dai seguenti vantaggi: indipendenza del tempo di residenza cellulare da quello di ritenzione idraulica nei reattori biologici, senza operare ricircoli di biomassa; assenza del ricircolo dei fanghi dal sedimentatore secondario e quindi possibilità di migliorare le caratteristiche di sedimentabilità del fango sottoponendolo ad eventuali trattamenti aggiuntivi; specializzazione della biomassa adesa nella rimozione dei substrati, con conseguente incremento delle velocità di processo, che a loro volta favoriscono la riduzione dei volumi dei reattori e delle superfici occupate; possibilità di migliorare le prestazioni di impianti esistenti sottodimensionati o al fine di rispettare standard più restrittivi per lo scarico delle acque reflue depurate. I sistemi avanzati a biomassa adesa che permettono di ottenere questi vantaggi si differenziano dai tradizionali letti percolatori o biodischi e sono stati sviluppati e perfezionati negli ultimi anni. Tra essi si possono individuare le seguenti tipologie: reattori a letto mobile (MBBR, Moving Bed Biofilm Reactor); reattori a letto fisso sommerso; reattori di biofiltrazione; letti fluidizzati.

7 Le diverse configurazioni impiantistiche realizzabili con tali processi, di tipo aerobico, anossico o anaerobico, sono particolarmente indicate per ottenere elevati rendimenti di rimozione dei solidi sospesi, della sostanza organica, dell'azoto ed eventualmente del fosforo. Nel presente manuale verrà illustrata in particolare la prima tipologia di reattori, cioè quelli a letto mobile. Tale tecnologia conta ancora poche applicazioni in Italia, ma si è abbastanza diffusa negli ultimi anni soprattutto nel Nord Europa e risulta particolarmente indicata per l'adeguamento di impianti esistenti, grazie alla semplicità di realizzazione e gestione che la caratterizza. Nei prossimi capitoli verranno affrontati i diversi aspetti dei reattori a letto mobile. In particolare: le principali tipologie di materiali di supporto applicabili (capitolo 3), le configurazioni impiantistiche (capitolo 4), i parametri cinetici per la realizzazione della rimozione del carbonio (capitolo 8), della nitrificazione (capitolo 9) e della rimozione dell azoto (capitolo 10). Per un corretto dimensionamento di questi sistemi è necessario conoscere la qualità e la biodegrdabilità del refluo in ingresso; l approccio respirometrico per il frazionamento dei substrati organici è descritto nel capitolo 7, solo in modo sintetico, rimandando ad altri testi specifici 1 per ulteriori particolari. Brevi cenni verranno dati anche sulla teoria dei sistemi a letto mobile, con riferimento alle equazioni che regolano le cinetiche nei biofilm (capitolo 5) e ai modelli di dimensionamento (capitolo 6). Infine altri aspetti caratterizzanti i sistemi MBBR, come la quantità di biomassa adesa o sospesa nei 1 Respirometria applicata alla depurazione delle acque. Principi e metodi. G. Andreottola, P. Foladori, A. Gelmini, G. Ziglio. Collana scientifico-divulgativa

8 reattori e la produzione di fanghi di supero, sono riportati infine nel capitolo 11. Saranno descritte le applicazioni sia per il trattamento di reflui civili che per reflui industriali, limitatamente alle tipologie di questi scarichi che, per la loro composizione, sono compatibili con sistemi biologici di trattamento a letto mobile. Monographia, n.1, Laboratorio di Ingegneria Sanitaria Ambientale, Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale, Università degli Studi di Trento.