di energia dalle acque di scarico M. C. Tomei, R. Ramadori IRSA CNR

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1 "Upgrading e gestione degli impianti di trattamento delle acque di scarico" - esperienze nazionali a confronto 16 Edizione Possibilità e opportunità di recupero r di energia dalle acque di scarico M. C. Tomei, R. Ramadori IRSA CNR

2 Recupero di energia Riciclo di biosolidi Recupero di acqua x Ricerca e sviluppo E necessario modificare il paradigma da ciò che deve essere rimosso a ciò che può essere recuperato Acqua Nutrienti Energia ACQUA, CIBO ed ENERGIA rappresentano i maggiori problemi del pianeta per il futuro

3 Energia e acqua di scarico Negli ultimi anni il consumo di energia* negli impianti di trattamento è aumentato notevolmente per : - l incremento dei volumi trattati - l applicazione di nuove tecnologie ad elevato consumo energetico necessarie per incrementare la qualità degli effluenti trattati così come richiesto da limiti sempre più stringenti per loscarico. *Il consumo di energia, riferito al volume di acqua trattata, varia da 0.4 a 0.6 kwh/m 3 in funzione della nazione, delle caratteristiche dell influente, delle tecnologie adottate, della qualità richiesta per l effluente e della dimesione dell impianto

4 Energia e acqua di scarico: costi L energia rappresenta la voce più rilevante dei costi gestionali dell impianto e negli anni recenti il costo dell energia è continuamente aumentato da /kwh nel 2005 a /kwh nel 2009 (valori medi europei)

5 Recupero di energia da reflui urbani Gli impianti di trattamento,, sino agli anni più recenti non hanno recuperato energia (o solo una minima parte dalla digestione anaerobica dei fanghi),,,

6 Recupero di energia da reflui urbani Il potenziale recupero energetico nei reflui urbani non è limitato alla digestione dei fanghi Fanghi Calore Energia idraulica Energia termica via pompe di calore Energia elettrica via turbine Biogas via digestione anaerobica Energia termica via incenerimento Energia termica via gassificazione e pirolisi

7 Contenuto di energia nei reflui urbani WERF - Energy Management - Exploratory Team Report, Version 6, 2011) Energia termica E determinata dal calore specifico dell acqua che è approssimativamente pari a 4.2 MJ/(m 3 ºC) [1.16kWh/(m 3 C)] Energia idraulica (Cinetica e Potenziale) -Energia potenziale è pari a 9.8 kj/m 3 = 2.72 Wh/m 3 per m di colonna d acqua -Energia cinetica = 0.18 kj/m 3 = 0.05 Wh/m 3 per una velocità di 0.6 m/s Energia chimica E l energia immagazzinata nei composti organici presenti nell acqua di scarico = MJ/kg COD = kwh/kg COD che è nell intervallo di 3-12 MJ/m 3 ( kwh/m 3 ) per valori di COD nell intervallo da 250 a 800 mg/l

8 FANGO Caratterizzazione chimica Principali componenti dei fanghi Composti organici non tossici (60-80 % sul secco) Composti inorganici quali alluminati, silicati,calcio, magnesio Inquinanti vari (PCBs, IPA, diossine, pesticidi, inquinanti emergenti, LAS, nonilfenoli, etc) Metalli pesanti quali Zn, Pb, Cu, Cr, Ni, Cd, Hg, As Patogeni e altri batteri Acqua (frazione variabile da poche unità al 95%).. xx

9 FANGO Caratterizzazione chimica Il fango urbano ha trovato interesse quale fonte di lipidi per la produzione di biodiesel: il fango primario contiene significative quantità di lipidi immagazzinate per adsorbimento diretto. Essi sono essenzialmente mono, di e tri-gliceridi, fosfolipidi e acidi volatili contenuti nella frazione di oli e grassi dei fanghi nei fanghi secondari la membrana cellulare è costituita essenzialmente da fosfolipidi. Principali componenti dei fanghi.. xx

10 FANGO Contenuto di energia Fango t.q % SST [65-85 % Solidi Volatili); % Solidi inerti] Fango disidratato Fango essiccato % Solidi Totali Contenuto medio di energia 18,000 kj/kg 4,300 kcal/kg 5.0 kwh/kg) Il contenuto di energia è pari a quello di un carbone di basso rango La produzione di fango è 80 g SS /(ab d) = 30 kg SS /(ab anno) Dati EPA: negli USA 16,500 impianti di trattamento a gestione pubblica producono circa t di fango/d (circa t/anno)

11 FANGO Caratterizzazione dei solidi Sebbene la composizione di fango possa variare da impianto a impianto o anche nello stesso impianto nei diversi periodi dell anno la composizione dei fanghi in termini di solidi è riconducibile a intervalli di valori caratteristici Il contenuto di energia dei fanghi è legato alla frazione di solidi volatili di cui si possono differenziare due componenti: una rapidamente biodegradabile e l altra lentamente biodegradabile 45% 25 % 30 % Fanghi primari 20 % 50 % 30 % Fanghi attivi Solidi volatili rapidamente biodegradabili Solidi volatili lentamente biodegradabili Inerti Renewable Energy Resources: Banking on Biosolids 2010 National Association of Clean Water Agencies

12 Tecnologie per il recupero di energia dai fanghi Le caratteristiche dei prodotti finali sono molto diverse Conversione biologica Energia prodotta : Biogas Residuo: Biosolidi Conversione termica Energia prodotta : Syngas, Bio-oil Residuo: Ceneri

13 Conversione Biologica: Digestione Anaerobica aaa Digestione Low-rate aaa Digestione aaa High-rate

14 Conversione Biologica: Digestione Anaerobica Ispessimento del fango alimentato Alimentazione omogenea Riscaldamento Efficiente mescolamento sono gli elementi essenziali che concorrono a realizzare un ambiente ottimale di reazione In tali condizioni si può operare a volumi inferiori con incremento della stabilità ed efficienza del processo aaa Digestione aaa High-rate

15 Conversione Biologica: Digestione Anaerobica Dati progettuali per digestori mesofili alimentati con fanghi misti Carico dei solidi kgvss/(m 3 d) Tempo di permanenza (SRT)^ d Volume m 3 /ab Concentrazione del fango 4-7 % Valori di carico dei solidi troppo bassi possono ridurre drasticamente l efficienza energetica dell impianto in quanto non sufficienti a garantire l energia per il riscaldamento del digestore ^ In condizioni efficienti di mescolamento e riscaldamento un valore di SRT di 15 d può essere adeguato a garantire efficienti prestazioni del sistema VS vs SRT

16 Conversione Biologica: Digestione Anaerobica Condizioni operative medie per la digestione mesofila Temperatura C ph d Acidi volatili (VFA) mg/l come acido acetico Alcalinità 2,000-3,500 mg/l come CaCO 3 Dati medi di efficienza Riduzione dei solidi volatili : % (è la frazione prontamente biodegradabile ad essere prevalentemente utilizzata con una frazione inferiore al 10% convertita in biomassa ) Produzione di biogas : 0,75-1 m 3 /kgvssrimosso

17 Conversione Biologica: Digestione Anaerobica Composizione del biogas (Percentages are by volume) Potere calorifico (superiore) 5,500 kcal/m 3 ; 22,500 kj/m 3 ; 6.2 kwh/m 3 Elevato contenuto di umidità; presenza di zolfo (principalmente H 2 S) Presenza di impurità (vari composti organici, CO, siloxani) Umidità, impurità, azione corrosiva richiedono un trattamento

18 Conversione Biologica: Digestione Anaerobica Potenziale impiego del biogas (Percentages are by volume) Possibili impieghi

19 Conversione Biologica: Digestione Anaerobica Stabilità del processo La stabilità cstituisce una criticità gestionale dei processi anaerobici ed è imputabile essenzialmente alla maggiore sensibilità dei batteri metanogeni alle caratteristiche dell ambiente di reazione. In particolare il ph esercita un effetto molto marcato con conseguente grave instabilità in presenza di variazione delle condizioni operative Principali cause di problemi gestionali Sovraccarico organico (shock loading) Rapida estrazione del fango digerito Incremento marcato della temperatura Accumulo di sostanze tossiche e/o inibitorie aaa aaa aaa aaa

20 Conversione Biologica: Digestione Anaerobica Percorsi metabolici ACIDOGENI ACETOCLASTI aaa aaa aaa CH 4 aaa aaa aaa ACETOGENI o OHPA CO 2 RIDUTTORI

21 Conversione Biologica: Digestione Anaerobica DIGESTIONE TERMOFILA(50-65 C) Il processo termofilo è caratterizzato da una più efficiente conversione di solidi volatili in biogas, una cinetica più elevata e un più efficiente abbattimento dei patogeni Svantaggi della digestione termofila a stadio singolo Maggiore richiesta di energia Ridotta stabilità Più intensa emissione di odori dovuta alla più efficiente produzione di acidi volatili per idrolisi di substrati complessi Le temperature più elevate causano maggiore deterioramento degli impianti High Performance Anaerobic Digestion, White Paper WEF aper-_high_performance_anaerobic_digestion.pdf

22 Biological Conversion: Anaerobic Digestion

23 Conversione Biologica : Digestione Anaerobica Attività di ricerca The American Water Works Association (AWWA) Research Foundation ha in corso progetti su: Reattori in continuo quale alternativa più economica rispetto ai reattori batch Sistemi plug flow capaci di generare biogas in condizioni di ridotto mescolamento con contenuto di solidi del 20-25% (i digestori convenzionali lavorano con il 4-7%) Tecnologie avanzate di pulizia del biogas basate sull ossidazione catalitica dei contaminanti Produzione di idrogeno mediante controllo delle condizioni operative dell ambiente di digestione tali da massimizzare la produzione di H 2 Pretrattamento del fango con metodi meccanici, termici, chimici e biologici al fine di idrolizzare (totalmente o parzialmente) il fango alimentato

24 COGENERAZIONE: Combined Heat and Power (CHP) Il processo di co-generazione prevede la produzione contemporanea di energia e calore... La peculiarità dei sistemi CHP è quella consentire il riutilizzo di calore che andrebbe perduto.

25 COGENERAZIONE: UTILIZZO DI BIOGAS Biosolids Digestate I processi di digestione anerobica forniscono biogas, quale combustibile per i processi di cogenerazione La configurazione più comune di un cogeneratore prevede l integrazione di un motore (1) (quello più usato è a combustione interna) connesso ad un generatore elettrico (2) e ad un sistema di recupero del calore (3)

26 Confronto CHP e sistemi convenzionali di produzione di energia Evaluation of combined heat and power technologies for wastewater treatment facilities EPA 832-R (2010)

27 COGENERAZIONE: UTILIZZO DI BIOGAS Valutazioni di massima per CHT in WWTP La validità della soluzione CHP è funzione della potenzialità dell impianto: realizzazioni in piena scala si hanno per potenzialità a partire da ab. eq. Lo sviluppo di motori e turbine di ridotta potenzialità fa prevedere la fattibilità anche per impianti di potenzialità inferiore. La convenienza e la fattibilità tecnico economica sono funzione della possibilità di completo ed effettivo riutilizzo del calore e dell energia prodotta. Allo stato attuale a livello nazionale uno dei maggiori ostacoli alla diffusione della cogenerazione è dato dalle procedure autorizzative e dalle lungaggini burocratiche più che da problemi tecnici. From Opportunities for and Benefits of Combined Heat and Power at Wastewater Treatment Facilities WWTF (EPA-430R07003; 2007)

28 CHP: ESEMPIO APPLICATIVO Rochester Wastewater Treatment Plant Potenzialità abitanti

29 Processi termici I processi termici di conversione richiedono per essere convenientemente applicati una soglia di 50 t/d di secco. Possono essere realizzati on site e off site.

30 Processi di conversione termica : Incenerimento Evaluation of Energy Conservation Measures for Wastewater Treatment Facilities EPA 832-R

31 Processi di conversione termica: Gassificazione 800 C

32 Processi di conversione termica: Pirolisi

33 Anaerobico: valida alternativa all aerobico aerobico? Contenuto di energia nell acqua di scarico Costituente Concentrazione tipica (mg/l) Energia (kwh/m 3 ) COD Total * COD Suspended COD Dissolved Digestione anaerobica Produzione di energia Trattamento aerobico Consumo di energia *calcolato assumendo un valore teorico di 3.86 kwh/kg COD [Perry L. McCarty et al.; Envir. Science & Tech. 2011, 45, ]

34 (Anaerobic) Uno schema completamente anaerobico per il trattamento delle acque di scarico [Perry L. McCarty et al.; Envir. Science & Tech. 2011, 45, ]

35 Stime comparative di CH 4, fango e produzione di energia per m 3 di acqua trattata in un impianto completamente anaerobico e in un impianto convenzionale con digestione anaerobica del fango (a) Produzione di CH 4 derivante dalla digestione del fango primario (blu) e dal trattamento secondario (rosso). (b) Volume di fango digerito risultante dal fango primario (blu) e dal trattamento secondario (rosso). (c) Energia prodotta con il biogas (blu) ed energia utilizzata nell impianto (rosso). [Perry L. McCarty et al.; Envir. Science & Tech. 2011, 45, ]

36 Energia termica via Pompe di calore L energia termica contenuta nelle acque di scarico può essere recuperata e utilizzata. Il processo avviene mediante utilizzo di pompe di calore. La tecnologia è più efficace per climi freddi Large-scale heat transfer from wastewater to city heating and cooling systems Tommi Fred Helsinki Wastewater ; IWA WWC 2008 Water and Energy Vienna

37 Energia idraulica E legata alla quota dell impianto. La conversione in energia elettrica avviene mediante utilizzo di turbine. Recentemente sono state proposte piccole turbine (mini micro small hydro) applicabili anche a piccole installazioni Classificazione delle turbine Micro hydro fino a 100 kw Mini hydro da 100 a 2000 kw Small hydro da 2000 a 25,000 kw

38 IN CONCLUSIONE Esistono molteplici alternative per il recupero energetico negli impianti di depurazione molte delle quali promettenti e ancora scarsamente considerate La loro applicabilità è sicuramente caso specifica ossia dipendente da fattori caratteristici dell impianto quali la potenzialità, la localizzazione, la natura dell influente L orientamento attuale della ricerca nel settore è quello di rendere competitive le tecnologie di recupero energetico anche per impianti di ridotta potenzialità Il dato importante da cui partire è che: L energia contenuta nelle acque reflue domestiche è circa un ordine di grandezza superiore all'energia utilizzata per il trattamento depurativo e potenzialmente in grado di soddisfare fino al 10% della domanda elettrica nazionale.

39 COST ACTION Water 2020 ( ) The Action will tackle current challenges of urban WWTP, which apart from generating high quality water and sludge, must incorporate issues as resource recovery, energy, odours, greenhouse gases, emerging contaminants, economical efficiency and social acceptance. Thus, the conception of sustainable wastewater treatment plants by 2020 (Water_2020) has to be based on a holistic approach, in which a plant-wide (i.e. including all the inputs and outputs), multi-disciplinary (i.e. with technical, environmental, social and economical considerations) and flexible (i.e. depending on the geographical and socio-economic situation) perspective is included Contattare: tomei@irsa.cnr.it

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