II-101 PRE-DENITRIFICAZIONE IN SEQUENCING BATCH REACTOR ALIMENTATO CON CHIARIFLOCCULATO

Transcript

1 II101 PREDENITRIFICAZIONE IN SEQUENCING BATCH REACTOR ALIMENTATO CON CHIARIFLOCCULATO Rolle E. (1) Professore ordinario presso l Università di Roma La Sapienza, DITS, Dipartimento di Idraulica, Trasporti e Strade Farabegoli G. Dottoranda di ricerca presso l Università di Roma La Sapienza, DITS, Dipartimento di Idraulica, Trasporti e Strade Di Pinto A. IRSACNR di Roma Turrisi S. Ingegnere ambientale Indirizzo (1) : Via Eudossiana 18, Roma, Italia, tel: ( ), fax: ( ), enrico.rolle@uniroma1.it RIASSUNTO Il presente articolo mostra i risultati ottenuti in un lavoro sperimentale presso l impianto di depurazione acque reflue di Roma Nord, gestito dall ACEA S.p.A., relativi ad un processo di predenitrificazione su reattore sequenziale discontinuo SBR Sequencing Batch Reactor. In una precedente campagna il reattore SBR era stato alimentato con liquame effluente dal sedimentatore primario dell impianto; nella presente campagna l effluente primario in ingresso all SBR è stato sostituito con liquame chiariflocculato con calce e polielettroliti, dei quali sono stati precedentemente determinati il dosaggio e le condizioni operative ottimali. L SBR è stato sottoposto a due strategie di predenitrificazione: la prima operante con 3 cicli giornalieri ognuno di 8 ore e la seconda operante con 4 cicli giornalieri ognuno di 6 ore. Per la prima strategia il carbonio organico interno si è dimostrato insufficiente per ottenere i livelli voluti di denitrificazione ed è stato successivamente integrato con una fonte di carbonio esterna, quale il metanolo. Per la seconda strategia, in base ai risultati ottenuti dalla prima, nell alimentazione è stato sin dall inizio aggiunto del metanolo ed è stata cambiata la gestione del ciclo, la durata delle fasi ed il rapporto tra il volume residuo e quello totale. Durante ogni campagna è stata effettuata la caratterizzazione dell influente e dell effluente, sia in fase aerobica che anossica, in termini delle diverse frazioni di COD e azoto; inoltre sono state determinate la biomassa attiva e le costanti cinetiche attraverso lo studio delle singole fasi. E attualmente in corso una sperimentazione di postdenitrificazione sull SBR nella quale la fase anossica è stata inserita dopo la fase di nitrificazione, al fine di aumentare l efficienza del processo di rimozione dell azoto e ottimizzare l utilizzo del metanolo. PAROLE CHIAVE: Chiariflocculato, denitrificazione, polielettroliti, Sequencing Batch Reactors. INTRODUZIONE In Italia, con l entrata in vigore del decreto legislativo 152/99, sono stati introdotti nuovi limiti allo scarico degli effluenti dagli impianti di depurazione delle acque reflue urbane più restrittivi dei precedenti limiti della cosiddetta legge Merli 319/76. Ciò ha provocato un maggiore interesse verso la ricerca di nuovi processi di depurazione più efficienti che permettessero di raggiungere gli standards prefissati per legge. In genere i sistemi di trattamento delle acque reflue si suddividono in due grandi categorie impiantistiche: i trattamenti biologici per l abbattimento degli inquinanti organici solubili e quelli chimicofisici per l abbattimento di sostanze quali metalli, solidi sospesi, oli e tensioattivi. Fino ad oggi raramente è stato previsto l impiego congiunto delle due tipologie di impianto preferendo per i processi depurativi quasi sempre il trattamento biologico. Una precedente ricerca [Barrella C., 2000], condotta presso l impianto di depurazione ACEA di Roma Nord su un reattore SBR in scala pilota, ha consentito di quantificare la maggiore efficienza di rimozione di COD e solidi sospesi con l introduzione, a monte della sedimentazione primaria, di una fase di coagulazione e flocculazione con calce e polielettroliti. I risultati hanno mostrato nella sedimentazione assistita abbattimenti anche doppi rispetti a quelli ottenuti in ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 sedimentazione semplice, rilevando un elevata efficacia di rimozione della frazione inquinante sospesa e in parte colloidale con conseguenti notevoli vantaggi in termini energetici dovuti alla maggiore produzione di biogas. Il presente lavoro ha riguardato lo studio, su un reattore di tipo sequenziale discontinuo (SBR, Sequencing Batch Reactor), del processo di denitrificazione, necessario per rispettare i limiti dell azoto, in un liquame che ha subito un pretrattamento di chiariflocculazione con calce e polielettroliti. Si è scelto di usare un reattore di tipo discontinuo come l SBR in quanto esso riesce a rispondere meglio dei reattori di tipo continuo alle esigenze di efficacia, economicità ed efficienza data la sua maggiore flessibilità, compattezza e migliore risposta alle diverse condizioni di carico. MATERIALI E METODI Il reattore è costituito da un cilindro in plexiglas del volume di 5 litri, mantenuto alla temperatura desiderata (20 C) attraverso un bagno termostatico; il coperchio è di supporto per l agitatore (30 rpm) ed è forato per consentire i prelievi di campione e l introduzione di sonde di misura, tubi di alimentazione e scarico ed il sistema di ossigenazione. Il reattore viene alimentato tramite un tubo collegato ad una pompa peristaltica che aspira il liquame da una tanica di 32 L conservata in frigo e mantenuta in agitazione. Il tubo per l allontanamento del chiarificato è posizionato in corrispondenza del volume residuo nel reattore; anch esso è ovviamente collegato ad una pompa peristaltica, che scarica in una tanica di 30L. L ossigeno, che si diffonde attraverso una pietra porosa collegata ad un compressore esterno, viene mantenuto ad una concentrazione di circa 2 mg/l. Compressore, agitatore e pompe sono collegati ad un PC su cui è installato un software di gestione del ciclo. ph e ORP sono monitorati durante il processo. Il reattore durante il primo periodo di predenitrificazione esegue ogni giorno 3 cicli di 8 ore, mentre nel secondo periodo opera con 4 cicli giornalieri ognuno di 6 ore; la distribuzione e la durata di ogni fase di un ciclo, sia del primo che del secondo periodo di predenitrificazione, sono riportati rispettivamente nelle tabelle 1 e 2. Durante il primo periodo della ricerca l alimentazione (3 litri) è stata fornita all inizio di ogni ciclo, mentre lo stesso volume di supernatante è stato estratto pochi minuti prima della fine di ogni ciclo. Il volume residuo risulta quindi pari a 2 litri. Il fango in eccesso è stato spurgato prima della fine della fase aerobica in modo tale da assicurare un età del fango pari a 15 giorni. Il tempo di ritenzione idraulica è stato di 13.3 h. Assumendo un COD in ingresso di circa 200 mg/l e una concentrazione di biomassa pari a 1800 mg(mlvss)/l, si è ottenuto un carico organico di 0.2 mg(cod)/mg(mlvss)/d. Durante il secondo periodo della ricerca il reattore è stato alimentato con 2 litri per ciclo eseguendo ogni giorno 4 cicli di 6 ore ed ha un tempo di ritenzione idraulica di 15 h. Il volume residuo risulta quindi pari a 3 litri. Il fango in eccesso è stato spurgato prima della fine della fase aerobica in modo tale da assicurare un età del fango pari a 20 giorni. Il COD in ingresso è pari a 224 mg/l (di cui 90 mg/l dovuti al metanolo), la concentrazione di biomassa è pari a 1113 mg(mlvss)/l ed il carico organico in ingresso è di 0.2 mg (COD)/mg MLVSS/d. In ciascun periodo della sperimentazione è stata condotta una campagna di misure sul liquame in ingresso ed in uscita dal reattore, oltre che al termine della fase di denitrificazione; inoltre sono state eseguite delle prove durante le fasi anossica e aerobica. L attività è stata volta alla caratterizzazione del refluo in ingresso nelle diverse frazioni di COD e azoto, alla determinazione delle frazioni attive di biomassa e dei parametri cinetici di rimozione del substrato carbonioso e azotato. Per questi propositi sono stati determinati gli andamenti nel tempo del COD, dell ammoniaca e dei nitrati, del ph e dell OUR (Oxygen Uptake Rate), quest ultimo ovviamente solo nella fase aerobica, seguendo le procedure dei Metodi analitici per le acque, [I.R.S.A.C.N.R., 1984]. I campioni sono stati analizzati dopo una filtrazione su filtri GF/C. L influente e la biomassa sono stati caratterizzati seguendo l ASM N.1 [Henze et al., 2000]. La tabella 3 mostra i parametri misurati per la caratterizzazione della biomassa e dell influente ed i metodi usati. ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 RISULTATI SPERIMENTALI DEL PRIMO PERIODO DI PREDENITRIFICAZIONE Nel primo periodo di sperimentazione il reattore SBR, alimentato con il chiariflocculato prodotto in scala pilota, ha subito un ciclo di predenitrificazione, nitrificazione e rimozione aerobica del carbonio. Riscontrata la carenza di substrato carbonioso, che ha comportato scarse prestazioni della fase di denitrificazione, è stata considerata l aggiunta di metanolo per migliorare l efficienza del processo. Alimentazione con chiariflocculato In tabella 4 sono rappresentati i valori medi del liquame in ingresso ed in uscita al reattore. Si può notare come il chiariflocculato presenti una ridotta concentrazione di solidi ed un basso rapporto COD/NTOT, dovuto alla scarsa influenza del trattamento di chiariflocculazione sull azoto solubile. Dalla tabella 4 si può notare il valore non nullo dei nitrati al termine della denitrificazione ed il valore dei nitrati nel volume residuo pari al valore nell uscita. Sembra che i batteri abbiano una bassa capacità di denitrificazione; ciò è confermato anche dall andamento del COD e dei nitrati all interno di un tipico ciclo (figure 1 e 2). La denitrificazione sembra davvero trascurabile, mentre la nitrificazione è rapida e completa; la rimozione del COD in fase aerobica è di difficile valutazione, anche perché sembra che già all inizio di questa fase il COD solubile abbia raggiunto una condizione di plateau. I parametri cinetici relativi a questo periodo sono rappresentati nella tabella 5. In base ai risultati ottenuti sembra che la strategia di predenitrificazione, nel periodo di alimentazione con chiariflocculato, non sia risultata vincente, a causa della poca biomassa attiva e soprattutto per il basso carico carbonioso in ingresso; al contrario la concentrazione di nitrati residui è molto alta (20.7 mg/l). Aggiunta di metanolo al chiariflocculato Dai dati ottenuti dalla precedente campagna si è visto che la denitrificazione sembra essere trascurabile, sebbene il COD sia consumato quasi del tutto in fase anossica, tant è che la nitrificazione sembra essere rapida e completa avendo i batteri autotrofi meno concorrenza nell approvvigionamento di ossigeno. Sembra quindi probabile che il processo di denitrificazione sia fortemente limitato dalla carenza di COD. Per questo motivo è stato aggiunto metanolo all alimentazione supponendo una richiesta di 3.5 mg(ch 3 OH)/mg(NNO 3 ) [Beccari et al., 1993] che comporta un incremento di COD nell influente di circa 70 mg(cod)/l [Grady, 1999]. Nei grafici relativi ad una prova eseguita con la fase di reazione completamente anossica che facilita il più possibile il processo di denitrificazione (figure 3 e 4), si può notare come, anche in questo caso, la maggior parte del COD sia stato consumato nella prima ora, mentre la rimozione dei nitrati sia del tutto trascurabile all inizio e più veloce al termine della prova. I risultati dimostrano che l aggiunta di metanolo ha riattivato il processo di denitrificazione con una velocità di rimozione di 1.5 mg(n)/l, che però potrebbe risultare maggiore a seguito di un adeguato periodo di adattamento; parallelamente sembra diminuire la concentrazione di nitrati residui (15.4 mg/l). Gli altri parametri cinetici relativi a questo periodo sono difficilmente ottenibili in quanto non si dispone della frazione di biomassa attiva. I risultati ottenuti indicano chiaramente la necessità di modificare la durata delle singole fasi costituenti il ciclo di trattamento. RISULTATI SPERIMENTALI DEL SECONDO PERIODO DI PREDENITRIFICAZIONE Nel secondo periodo di sperimentazione il ciclo del reattore, in base ai risultati riscontrati nelle prove precedenti, è stato ridotto di 2 ore, in particolare: la fase di riempimento è passata da 1 ora a 40 minuti per mantenere pressoché inalterato il rapporto t fill /t ciclo ; la fase di denitrificazione è stata aumentata di 10 minuti per favorire il processo rivelatosi particolarmente critico nel precedente periodo; la fase di nitrificazione è passata da 3 ore e 15 minuti a 2 ore e 20 minuti in quanto è diminuita la quantità di azoto ammoniacale immesso nel reattore ed è stata rilevata un alta velocità di nitrificazione; ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 la fase di sedimentazione è passata da 1 ora a 30 minuti, in quanto si è riscontrata un ottima sedimentabilità del fango già nella prima mezz ora di sedimentazione; la fase di scarico è stata ridotta da 1 ora a 30 minuti in quanto il volume scaricato è diminuito da 3 a 2 litri e non si sono mai verificati problemi di risollevamento del fango. Il volume residuo è passato da 2 a 3 litri garantendo una concentrazione di nitrati in uscita inferiore a 10 mg/l, data la concentrazione di ammonio in ingresso pari a 24 mg/l. In tabella 6 sono rappresentati i valori medi del liquame in ingresso ed in uscita al reattore relativi al secondo periodo di predenitrificazione. Si può notare come l RBCOD in ingresso sia notevolmente aumentato poiché il metanolo aggiunto rappresenta una fonte di COD solubile rapidamente biodegradabile. Inoltre le frazioni non biodegradabili del COD sono praticamente uguali a quelle relative al primo periodo, mentre la frazione biodegradabile del COD (RBCOD + SBCOD) è complessivamente aumentata. L ammonio in ingresso è rimasto invariato rispetto a quello relativo al primo periodo. Nelle figure 5, 6, 7 e 8 sono riportati gli andamenti temporali del COD e dei nitrati durante due prove effettuate nel secondo periodo di predenitrificazione. Si può notare come la nitrificazione sia rapida e completa, come riscontrato anche nel primo periodo di sperimentazione. Inoltre si può osservare una buona efficienza di denitrificazione e la presenza di nitrati in uscita con concentrazioni inferiori ai limiti di legge. I parametri cinetici relativi a questo periodo sono rappresentati nella tabella 7. Si può notare come i tassi riscontrati (sia nel processo di nitrificazione che di denitrificazione) siano paragonabili o addirittura superiori a quelli di letteratura. Il dosaggio di metanolo, che nel primo periodo era stato mantenuto pari al valore stechiometrico di 3.5 mg(ch 3 OH)/mg(NNO 3 ), si è rivelato invece non sufficiente per il processo di denitrificazione per cui si è preferito dosare metanolo in quantità pari a 5 mg(ch 3 OH)/mg(NNO 3 ). In questa situazione si è riscontrata una buona efficienza di denitrificazione (figure 6 e 8). La correttezza del dosaggio è stata confermata anche dalle successive fasi aerobiche durante le quali non è stata riscontrata la presenza di metanolo e non si è dimostrata rallentata la nitrificazione. CONCLUSIONI Il presente articolo mostra i risultati ottenuti con due strategie di predenitrificazione su un reattore SBR alimentato con liquame chiariflocculato. Nel primo periodo, il cui l SBR opera con 3 cicli giornalieri ognuno di 8 ore in assenza di una fonte esterna di carbonio, la denitrificazione sembra davvero trascurabile, mentre la nitrificazione è rapida e completa. Il carbonio organico derivante dal liquame in ingresso è stato successivamente integrato con metanolo. I risultati dimostrano che l aggiunta di metanolo ha riattivato il processo di denitrificazione con una velocità di rimozione di 1.5 mg(n)/l, che però potrebbe risultare maggiore a seguito di un adeguato periodo di adattamento; parallelamente sembra diminuire la concentrazione di nitrati residui (15.4 mg/l). Per la seconda strategia, operante con 4 cicli giornalieri ognuno di 6 ore, in base ai risultati ottenuti dalla prima, all alimentazione è stato sin dall inizio aggiunto metanolo ed è stata cambiata la gestione del ciclo, la durata delle fasi ed il rapporto tra il volume residuo e quello totale, ottenendo risultati soddisfacenti. A fronte di una nitrificazione rapida e completa, si è riscontrata una buona efficienza di denitrificazione con velocità e tassi elevati e una presenza di nitrati in uscita con concentrazioni inferiori ai limiti di legge. ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 Il dosaggio di metanolo, che nel primo periodo era stato mantenuto al valore stechiometrico di 3.5 mg(ch 3 OH)/mg(NNO 3 ), si è rivelato invece non sufficiente per il processo di denitrificazione, per cui si è dosato metanolo in quantità pari a 5 mg(ch 3 OH)/mg(NNO 3 ); in questa situazione si è riscontrata una buona efficienza di denitrificazione, senza conseguenze sulle altre fasi del processo. E attualmente in corso una sperimentazione di postdenitrificazione sull SBR nella quale la fase anossica è inserita dopo la fase di nitrificazione, al fine di aumentare l efficienza del processo di rimozione dell azoto; ciò comporterà una migliore strategia di utilizzo del metanolo, con evidenti riscontri economici. BIBLIOGRAFIA 1. BARRELLA C., Studio della sedimentazione assistita con calce e polielettroliti di liquami urbani Roma, Tesi di laurea Università di Roma La Sapienza, Beccari, Passino, Ramadori, Vismara, Rimozione di azoto e fosforo dai liquami, Grady, Daigger, Lim, Biological Wastewater Treatment, Henze, Gujer, Matsuo, Marais, Grady, Activated Sludge Model no.1, IWA Task Group on mathematical modelling for design and operation of biological wastewater treatment, Scientific and Technical Report no.9, (437), I.R.S.A.C.N.R., Metodi analitici per le acque, Istituto di ricerca sulle acque, Roma, ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 Tabella 1: Descrizione del ciclo durante il primo periodo di predenitrificazione FASE DESCRIZIONE FASE DURATA Q POMPA [L/H] Anossica Aerobica Sedimentazione Fill riempimento miscelato 1h 3.00 reazione miscelata 1.5 h React reazione aerata 3h 15' Settlesedimentazione 1h Draw allontanamento chiarificato 1h 3.00 Idle riposo 15' Tabella 2: Descrizione del ciclo durante il secondo periodo di predenitrificazione FASE DESCRIZIONE FASE DURATA Q POMPA [L/H] Anossica Aerobica Sedimentazione Fill riempimento miscelato reazione miscelata 2 h React reazione aerata 2h 20' Settlesedimentazione 30 Draw allontanamento chiarificato Idle riposo 0 Tabella 3: Parametri misurati per la caratterizzazione della biomassa e dell influente e metodi usati. PARAMETRI METODI USATI UPCOD, SBCOD, USCOD, RBCOD, X BH, X BA Ekama, Dold, Marais (1986) RBCOD, µ H Ekama, Dold, Marais (1986) µ A Ekama, Marais (1984) RBCOD, µ HD Ekama, Dold, Marais (1986) USCOD, RBCOD Mamais, Jenkis, Pitt (1993) Tabella 4: Valori medi del liquame chiariflocculato in ingresso ed in uscita al reattore nel primo periodo senza aggiunta di metanolo Parametro u.d.m. IN Residuo (2L) Fine DEN. OUT ph SST mg/l SSV mg/l (%) CODTOT mg/l CODSOL mg/l (%) USCOD mg/l RBCOD mg/l UPCOD mg/l SBCOD mg/l NNH 4 mg/l NNO 3 mg/l NNO 2 mg/l ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 Tabella 5: Parametri cinetici relativi al primo periodo senza aggiunta di metanolo PARAMETR U.D.M. VALOR O r HD mg(n)/l/h 0.6 U HD mg(n)/mgmlbhvss/d 0.18 µ HD d r A mg(n)/l/h 7.65 U A mg(n)/mgmlbavss/d 6.49 µ A d E Tabella 6: Valori medi del liquame chiariflocculato in ingresso ed in uscita nel secondo periodo Parametro u.d.m. IN Residuo (2L) Fine DEN. OUT ph SST mg/l SSV mg/l (%) CODTOT mg/l CODSOL mg/l (%) USCOD mg/l RBCOD mg/l UPCOD mg/l SBCOD mg/l NNH 4 mg/l NNO 3 mg/l NNO 2 mg/l Tabella 7: Parametri cinetici relativi alle due prove del secondo periodo Parametro u.d.m. 1 a prova 2 a prova r HD mg(n)/l/h U HD mg(n)/mgmlbhvss/d µ HD d r A mg(n)/l/h U A mg(n)/mgmlbavss/d µ A d ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7

8 COD [mg/l] COD TOT COD SOLUBILE COD SOL.: teorico IN OUT ALIMENTAZIONE ANOX. REAZIONE ANOX. REAZIONE AEROBICA Figura 1: Andamento del COD nel primo periodo di denitrificazione senza aggiunta di metanolo 25,0 20,0 NO3 NO3: teorico [mg/l] 15,0 NNO 3 10,0 5,0 0,0 IN OUT ALIMENTAZIONE ANOX. REAZIONE ANOX. REAZIONE AEROBICA Figura 2: Andamento dei nitrati nel primo periodo di denitrificazione senza aggiunta di metanolo ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 8

9 COD [mg/l] COD TOT COD SOLUBILE metanolo COD SOL.: teorico metanolo: teorico IN OUT ALIMENTAZIONE ANOX. REAZIONE ANOX. Figura 3: Andamento del COD nel primo periodo di denitrificazione con aggiunta di metanolo (solo fase anossica) 20,0 18,0 16,0 14,0 [mg/l] NNO 3 12,0 10,0 8,0 NO3 NO3: teorico 6,0 4,0 2,0 0,0 IN OUT ALIMENTAZIONE ANOX. REAZIONE ANOX. Figura 4: Andamento dei nitrati nel primo periodo di denitrificazione con aggiunta di metanolo (solo fase anossica) ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 9

10 COD [mg/l] COD TOT COD SOLUBILE COD SOL.: teorico IN OUT ALIMENTAZIONE ANOX REAZIONE ANOX REAZIONE AEROBICA Figura 5: Andamento del COD nella prima prova del secondo periodo di denitrificazione 9,0 8,0 7,0 6,0 [mg/l] NNO 3 5,0 4,0 3,0 NO3 NO3: teorico 2,0 1,0 0,0 IN OUT ALIMENTAZIONE ANOX. REAZIONE ANOX. REAZIONE AEROBICA Figura 6: Andamento dei nitrati nella prima prova del secondo periodo di denitrificazione ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 10

11 COD [mg/l] COD TOT COD SOLUBILE COD SOL.: teorico 50 0 IN OUT ALIMENTAZIONE ANOX. REAZIONE ANOX. REAZIONE AEROBICA Figura 7: Andamento del COD nella seconda prova del secondo periodo di denitrificazione 6,0 5,0 NNO 3 [mg/l] 4,0 3,0 2,0 NO3 NO3: teorico 1,0 0,0 IN OUT ALIMENTAZIONE ANOX. REAZIONE ANOX. REAZIONE AEROBICA Figura 8: Andamento dei nitrati nella seconda prova del secondo periodo di denitrificazione ABES Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 11