risorsa e non un rifiuto

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1 Istituto di Ricerca Sulle Acque (Water Research Institute) Consiglio Nazionale delle Ricerche (National Research Council) M I L A N O R O M A Le acque reflue sono una risorsa e non un rifiuto Antonio Lopez <antonio.lopez@ba.irsa.cnr.it> ARPA Puglia Bari - 19/10/2010 B A R I

2 PREMESSA Per controllare l inquinamento idrico, le principali opzioni implementabili sono: Contenere l impiego di prodotti chimici e/o sostituirli con sostanze meno inquinanti Modificare i processi produttivi implementando procedure di risparmio idrico e riciclo di acqua e materie prime Rinunciare all acqua come veicolo di smaltimento di rifiuti vari Depurare le acque reflue, ossia rimuovere gli inquinanti dai reflui Ad oggi, la rimozione degli inquinanti dai reflui civili e/o industriali mediante trattamenti di depurazione end of pipe si conferma come l opzione tecnologica prevalente.

3 Pricipali inquinanti (effetti): INQUINANTI DI ORIGINE NATURALE: Sostanze biodegradabili (riduzione O 2 nei corpi idrici recettori) Nutrienti (N,P,K) (eutrofizzazione) Microrganismi patogeni (malattie infettive) NaCl e *Acidi Umici e Fulvici (!) *(prodotti della decomposizione chimica e biologica di biomasse provenienti dalle spoglie e dalle emissioni di organismi vegetali ed animali) INQUINANTI CHIMICI: inorganici (es. Metalli), organici (PPCPs, APIs, POPs) (tossicità) INQUINANTI FISICI: (es. Temperatura) (variazione termiche negli ecosistemi interessati)

4 Schema di un impianto convenzionale per il trattamento di reflui civili SP Reattore Biologico aria SS Problemi: - elevati consumi energetici - notevole produzione di fanghi - dimensioni elevate - produzione ed emissione di odori sgradevoli - necessità di aumentare la potenzialità a parità di superficie E la loro soluzione che detta le research needs nel settore - Presenza di nuovi inquinanti recalcitranti - Emissioni di gas serra

5 SISTEMI PERIODICI (flessibilità, compattezza, risparmio energetico) es. Reattori SBR (Sequencing Batch Reactors) influente La flessibilità del sistema consente di variare agevolmente i parametri operativi per ottimizzarne l efficienza 5. SPURGO fanghi STASI effluente ALIMENTAZIONE statica ALIMENTAZIONE 1. miscelata influente aria Risentono di fenomeni di tossicità da elevate concentrazioni di substrato che limitano i carichi applicabili SCARICO dell effluente SEDIMENTAZIONE REAZIONE miscelata ed aerata ALIMENTAZIONE miscelata ed aerata REAZIONE miscelata influent SED COD + Nitrogen removal SED effluent

6 Reattori TPPB (Two Phase Partitioning Bioreactors) Nel reattore sono presenti due fasi, una acquosa in cui sono dispersi i microrganismi, e una organica (solvente). Fase organica Microrganismi Xenobiotico Tossico Fase acquosa La frazione maggiore del composto si trasferisce all interno della fase organica alla quale è più affine, lasciando la biomassa a contatto con una ridotta concentrazione di xenobiotico Al procedere della degradazione in fase acquosa, il ripristino del l equilibrio termodinamico causa il trasferimento di substrato dalla fase organica, fino a completa rimozione

7 GRANULAZIONE AEROBICA Reattori SBBGR Sequential Batch Biofilter Granular Reactor aria manostato ricircolo Fango (dal lavaggio) R&D needs: Problematiche scale-up Meccanismo granulazione Effetto parametri vari aria (lavaggio) influente effluente 5/20

8 REATTORI A MEMBRANA (MBR) cccccccccccccccccc cccccccccccccccccc cc

9 Schema del sistema AS Diffusion per l abbattimento degli odori

10 GHG Emissions from Wastewater Systems Carbon Dioxide Indirect source: energy derived from fossil fuels CO 2 Generation from organics oxidation considered as renewable CO 2 (no net increase in GHG) Methane Impact about 20 times as strong as CO 2 CH 4 Generated from anaerobic processes Direct (Fugitive) Emissions Nitrous Oxide N 2 O Impact about 300 times as strong as CO 2 Generation mainly from nitrogen removal wastewater treatment processes and incineration

11 Wastewater GHG Emissions in Japan Total: 5.5M ton CO 2 eq/year About 3 5% of national emission

12 WW Treatment: The paradigm shift Recently, the sharp price increase in raw materials and natural resources, jointly with the growing concern on resource depletion, has changed the perception of waste concepts. The question if wastes indeed are wastes? needs to be asked at any location of productive activities. In the case of wastewater treatments facilities, this has caused a progressive paradigm shift from pollutants removal to resources recovery. In other words, wastewaters are not considered anymore as wastes but as a source of valuable substances/materials, energy and water itself, e.g.: Reuse and recycle of wastewater Recovery of Nutrients (i.e., Phosphorous and Nitrogen) Production of Methane Production of Electricity and Hydrogen Production of Bio-plastics

13 Spain Italy Bulgaria Turkey Germany France Portugal Greece Poland Belgium Romania UK Cyprus Crete Malta Netherlands Hungary Denmark Lithuania Czech Republic Austria Sweden Switzerland Norway Estonia Finland Slovenia Slovak Republic Ireland Latvia Luxembourg Growth forecast in water reuse up to year 2025 ( Status year 2000 Scenario II - water availability invariant Reused wastewater [Mm³/a]

14 DIRECT POTABLE REUSE It means adding treated wastewater directly into the normal drinking water distribution systems. Although the idea of such a wastewater reuse may be repugnant to many, from the technological stand point, direct potable reuse of treated wastewater has been feasible for many years. Goreangab reclamation plant at Windhoek-Namibia-South Africa (since 1968) Singapore: NEWater Project - Bottled Reverse Osmosis Drinking Water (since 2001)

15 Andamento della fissazione di azoto per via antropogenica rispetto a quella per via naturale

16 Depauperamento dei depositi naturali di fosforo nei prossimi anni assumendo un incremento della popolazione mondiale del 2, 2,5 e 3%

17 NH 4 + PO 4-3 Na + PO 4-3 Na + Cl - NH 4 + PO 4-3 Na + Cl - Processo RIM-NUT per la Na + PO 4-3 Na + Cl - Rimozione Recupero di Nutrienti NH 4+ Cl - Mg +2 Na + PO 4-3 Na + Cl - MgNH 4 PO 4

18 Produzione di Metano (CH4) PROCESSI AEROBICI vs PROCESSI ANAEROBICI AER.) COD + O 2 CO 2 (50% COD) + Fango (50% del COD) + H 2 O AN.) COD CH 4 (60% COD) + CO 2 (30% COD) + Fango (10% COD) + H 2 Per Ton COD rimosso AEROBICO ANAEROBICO Produzione di fango kg kg Consumo di energia Consumo di nutrienti Azoto Fosforo 1100 kwh kg 1, kwh (si produce CH 4 ) 1 5 kg 0,5 1

19 GRANULAZIONE ANAEROBICA REATTORI ANAEROBICI A LETTO GRANULARE UASB (upflow anaerobic sludge blanket) 40 kg COD/m 3 d (an.) vs 1kg COD/m 3 d (aer.) R&D needs: Semplificare ottenimento biomassa Abbassare il limite attuale di conc. dei reflui trattabili che determina l economicità del trattamento

20 MICROBIAL FUEL CELLS (MFC) for Electricity production

21 MFC: impianto pilota Biocathode Qeensland/Australia

22 Schematic diagram of a MCF in which hydrogen production is also possible.

23 Urine Source Separation as a new element in WW management Rationale of NOVAQUATIS project : Most of the nutrients in wastewater about 80 % of the nitrogen and 50 % of the phosphorus derive from urine, which itself accounts for less than 1 % of the total volume of wastewater. Picture of the special toilet used in NoMix technology

24 Alcune applicazioni di plastiche biodegradabili

25 Produzione di poli-idrossialcanoati (PHAs) tramite fanghi attivi da prodotti di risulta per la produzione di plastiche biodegradabili La produzione di plastiche è oggi prevalentemente effettuata da prodotti petroliferi. Il recupero ed il riciclaggio della plastica interessa però al momento solo una frazione minore di quella prodotta, circa il 20%; per tale motivo da tempo si sta proponendo l impiego di plastiche biodegradabili, dalle proprietà simili a quelle del polipropilene, prodotte da substrati organici non derivati dal petrolio. Queste plastiche sono prodotte mediante sofisticati fermentatori utilizzando colture pure di batteri ad alta proprietà di stoccaggio a partire da substrati carboniosi pregiati (fatty acids). IL batterio (di origine naturale o ingegnerizzato biomolecolarmente) in particolari condizioni (Feast and Famine process) accumula all interno della cellula elevate quantità di PHA che viene poi estratto e recuperato. Attualmente il costo delle bioplastiche è circa quattro volte superiore a quelle derivate dal petrolio. Tale costo può decisamente abbattersi, effettuando la produzione con biomasse miste, quali i fanghi attivi, ed utilizzando come substrati prodotti di risulta, quali scarichi concentrati e/o correnti carboniose ad elevata concentrazione prodotte per fermentazione di fanghi biologici primari o secondari. I costi si presentano decisamente più contenuti e per la disponibilità delle materie di base e per la possibilità di non dover operare in condizioni di stretta sterilità. 5 µm III II Inclusioni di PHA all interno di batteri evidenziate con colorazione e microscopia in epifluorescenza) I

26 CONCLUSIONS Sustainable water management calls for 1 holistic is better than sectoral 2 openness for innovation is required 3 recovery & reuse is better than throw-away