IL PROCESSO DEPURATIVO A LETTO MOBILE: RICERCA, APPLICAZIONI, GESTIONE

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1 IL PROCESSO DEPURATIVO A LETTO MOBILE: RICERCA, APPLICAZIONI, GESTIONE L. Falletti IRSA-CNR, Roma Novembre 2012

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3 Processi a letto mobile (MBBR) La biomassa aderisce in forma di pellicola (biofilm) a corpi di riempimento che si muovono liberamente in vasche analoghe a quelle dei fanghi attivi Nelle vasche aerate l aria stessa miscela il reattore, nelle vasche anossiche si utilizzano agitatori meccanici. Griglie di contenimento allo stramazzo Processi a biomassa adesa pura: i batteri sono presenti sono come biofilm (senza fango sospeso né ricircolo di fango) Processi ibridi: è presente sia fango attivo sospeso (quindi ricircolato) sia biofilm adeso ai corpi di riempimento Caratteristiche dei riempimenti: materiale, dimensioni, superficie specifica Tasso di riempimento del reattore, superficie disponibile

4 Vantaggi dei processi MBBR Elevata attività specifica della biomassa, età del fango indipendente dal tempo di ritenzione idraulico: si possono trattare gli stessi carichi inquinanti in reattori di volume minore delle equivalenti vasche a fanghi attivi E possibile realizzare impianti multistadio e favorire lo sviluppo di biomasse specializzate nei diversi reattori Il rischio di intasamenti è molto ridotto, non sono necessari controlavaggi per allontanare la biomassa in eccesso, la turbolenza del reattore provoca il distacco della parte esterna del biofilm, che può essere separata dall acqua in un sedimentatore o in un flottatore In fase di gestione si ha notevole flessibilità: nei processi a biomassa adesa pura è possibile variare il tasso di riempimento, nei processi ibridi si può variare anche la portata di ricircolo del fango.

5 Applicazioni dei processi MBBR Realizzazione di un reattore a letto mobile a biomassa adesa pura con funzioni di sgrossatura a monte del comparto biologico a fanghi attivi: è un applicazione indicata per i reflui molto concentrati in sostanza organica (migliaia di mg/l come COD) o impianti sovraccaricati in BOD

6 Applicazioni dei processi MBBR Trasformazione di una o più vasche a fanghi attivi in reattori a letto mobile ibrido, eventualmente compartimentando le vasche esistenti; applicazione indicata per impianti che ricevono un carico superiore a quello di progetto e/o devono rispettare limiti allo scarico più restrittivi

7 Applicazioni dei processi MBBR Realizzazione di reattori di affinazione a letto mobile a biomassa adesa pura (post-nitrificazione, post-denitrificazione) dopo il sedimentatore secondario: è un applicazione indicata se ci sono vasche dismesse che possono così essere riutilizzate con funzione diversa

8 Applicazioni dei processi MBBR Realizzazione di intere filiere di trattamento a biomassa adesa pura (predenitrificazione, ossidazione, nitrificazione e post-denitrificazione): in ogni reattore si ha una biomassa specializzata, è un applicazione per nuovi impianti o riconversioni di impianti esistenti ricircolo liquame nitrificato acetato VASCA 1 VASCA 2 V. 3 VASCA 4 in. ef. aria

9 Dalla scala pilota alla scala reale In Italia sono state eseguite significative sperimentazioni pilota del processo Anox-Kaldnes TM MBBR presso l Università di Padova, il Politecnico di Milano, l Università di Trento e la ditta SIAD di Bergamo. Le applicazioni e le condizioni operative testate sono molto numerose: processi a biomassa adesa pura e ibridi per il trattamento di reflui urbani (upgrading di impianti esistenti o realizzazione di nuove filiere), reattori MBBR a ossigeno puro, reattori MBBR sequenching-batch per la rimozione di azoto e fosforo, trattamento di reflui industriali (caseifici, industrie alimentari, cartiere, industrie farmaceutiche e chimiche), trattamento di reflui di allevamenti e piscicoltura I risultati sono riportati estesamente nel cap. 3 del volume Il processo depurativo a letto mobile (MBBR) di L. Falletti, R. Canziani, G. Andreottola, P. Foladori, edito da Tecniche Nuove e recentemente uscito in stampa.

10 Impianti italiani su scala reale Impianto di Maserà (PD): pozzetto di sollevamento, grigliatura a filtrococlea (5 mm), comparto biologico, ispessitore statico, letti di essiccamento fanghi. Comparto biologico: predenitrificazione fanghi attivi (150 m 3 ), ossidazionenitrificazione fanghi attivi (310 m 3 ), ossidazione-nitrificazione con MBBR ibrido (160 m 3 ) con 50% supporti AnoxKaldnes TM K1, sedimentazione con carroponte. L impianto ha trattato una portata media di 764 m 3 /d contenente 484 mg/l COD e 79 mg/l TKN, rimuovendo il COD con resa 90%, il TKN con resa 99% e l azoto totale con resa 86%. Impianto di Orgiano (VI): pozzetto di sollevamento, grigliatura a filtrococlea (5 mm), comparto biologico, fitodepurazione-lagunaggio, ispessitore statico. Comparto biologico: predenitrificazione fanghi attivi (20 m 3 ), ossidazionenitrificazione fanghi attivi (55 m 3 ), sedimentazione statica, nitrificazione terziaria MBBR a biomassa adesa pura (8 m 3 ) con 50% supporti Anox Kaldnes TM K3. L impianto ha trattato una portata media di 100 m 3 /d contenente 456 mg/l COD e 50 mg/l TKN, rimuovendo il COD con resa 79%, il TKN con resa 60% e l azoto totale con resa 56%.

11 Impianti italiani su scala reale Impianto di Castelgomberto (VI): pozzetto di sollevamento, grigliatura a filtrococlea (5 mm), comparto biologico, ispessitore statico. Comparto biologico: predenitrificazione fanghi attivi (20 m 3 ), l ossidazione-nitrificazione fanghi attivi (80 m 3 ), sedimentazione statica potenziata con pacchi lamellari, nitrificazione terziaria MBBR a biomassa adesa pura (18 m 3 ) con 50% supporti AnoxKaldnes TM K3. L impianto ha trattato una portata media di 244 m 3 /d contenente 278 mg/l COD e 40 mg/l TKN, rimuovendo il COD con resa 87%, il TKN con resa 87% e l azoto totale con resa 46%. Impianto di Villa Rendena (TN): pozzetto di sollevamento, grigliatura fine, dissabbiatura, disoleatura, stacciatura, comparto biologico, disinfezione e ispessitore statico. Comparto biologico con 2 linee, una con i dischi biologici e una con un reattore MBBR a biomassa adesa pura (79 m 3 ) con 53% supporti Flocor-RMP; segue un sedimentatore. L impianto ha trattato una portata media 912 m 3 /d (300 m 3 /d nella linea con MBBR); nell influente 167 mg/l COD, 56 mg/l BOD e 20 mg/l TKN, nella linea con MBBR sono state ottenute rese di rimozione del 73% sul COD, 83% sul BOD e 64% sul TKN.

12 Impianti italiani su scala reale Impianto di Mattarello (TN): pozzetto di sollevamento, grigliatura grossolana, rotostaccio, dissabbiatura, comparto biologico. Comparto biologico: 2 reattori MBBR a biomassa adesa pura in serie ( = 268 m 3 ) con 70% supporti Anox-Kaldnes TM K1; segue sedimentatore statico potenziato con i pacchi lamellari. L impianto ha trattato una portata media di 48 m 3 /d contenente 394 mg/l COD e 35 mg/l TKN, i due MBBR in serie hanno rimosso il COD con resa 88% e il TKN con resa 90%. Impianto del Rifugio Boè (TN): scarico fortemente variabile secondo le stagioni, in estate 12 m 3 /d. Comprende grigliatura, omogeneizzazione aerata da 2.4 m 3 e comparto biologico con 2 reattori MBBR a biomassa adesa pura in serie ( = 4.8 m 3 ) con 42% supporti AnoxKaldnes TM K1, sedimentatore statico, reattore a letto fisso e sedimentatore finale. L impianto ha trattato un refluo con 957 mg/l COD e 159 mg/l TKN, i due reattori MBBR in serie hanno rimosso il COD con resa 72%, non si è avuta nitrificazione per l elevato carico organico e le basse temperature.

13 Impianti italiani su scala reale Impianto del Birrificio A: equalizzazione, reattore MBBR a biomassa adesa pura di sgrossatura (1225 m 3 ) con 63% supporti AnoxKaldnes TM K1, due vasche di ossidazione a fanghi attivi da 1225 m 3 cadauna in serie e due sedimentatori con carroponte in parallelo. Sono a disposizione una vasca da 1225 m 3 e un sedimentatore, normalmente non utilizzati. Nei periodi di alto carico l impianto ha trattato una portata media di 2556 m 3 /d contenente 1958 mg/l COD, 1119 mg/l BOD e 52 mg/l TKN; esso ha rimosso il COD con resa 98%, il BOD con resa 99% e il TKN con resa 94%. Impianto del Birrificio B: grigliatura fine (1 mm), vasca di equalizzazione con correzione ph, comparto biologico, flottatore e nastropressa. Comparto biologico: due reattori MBBR a biomassa adesa pura in serie ( = 400 m 3 ) con 27% supporti AnoxKaldnes TM K1; nel flottatore si ha anche la precipitazione dei fosfati con cloruro ferrico. L impianto ha trattato una portata media di 142 m 3 /d contenente 1741 mg/l COD, 54 mg/l N e 21 mg/l P; esso ha rimosso il COD con resa 97%, l azoto con resa 65% e il fosforo con resa 80%.

14 Impianti italiani su scala reale Impianto della Cartiera A: vasca di equalizzazione, sedimentatore primario e comparto biologico con dosaggio di nutrienti (N e P); questo comprende un reattore MBBR a biomassa adesa pura (500 m 3 ) riempito per il 68% con supporti AnoxKaldnes TM K1, sedimentatore secondario e la vecchia linea a dischi biologici che può funzionare in serie/parallelo rispetto al MBBR. Più recentemente è stato installato un flottatore a valle del MBBR. L impianto ha trattato una portata media di 2880 m 3 /d contenente 950 mg/l COD, e ha rimosso il COD con resa 90%. Impianto della Cartiera B: flottatore primario, vasca di equalizzazione e comparto biologico con dosaggio di nutrienti (N e P); questo comprende un reattore MBBR a biomassa adesa pura (1400 m 3 ) riempito per il 70% con supporti AnoxKaldnes TM K3, un reattore a fanghi attivi e un sedimentatore secondario. L impianto ha trattato una portata media di 4320 m 3 /d con 2300 mg/l COD, e ha rimosso il COD con resa 75%.

15 Impianti italiani su scala reale Impianto al servizio di una località turistica (popolazione variabile da AE fino a AE): grigliatura fine, 3 linee biologiche parallele, un flottatore e uno stadio di chiariflocculazione finale. Ciascuna linea biologica è costituita da 3 reattori MBBR a biomassa adesa pura riempiti per il 67% con supporti AnoxKaldnes TM K1 e K3; il primo è normalmente anossico ma può essere aerato in caso di aumenti del carico, il secondo e il terzo sono sempre aerati; il volume totale delle 3 linee con i reattori MBBR è 3000 m 3. L impianto ha trattato una portata di m 3 /d con 260 mg/l COD e 30 mg/l TKN, e ha rimosso il COD con resa 90%, il TKN con resa 90% e l azoto totale con resa 75%.

16 Esempi di applicazioni estere L impianto di Oslo Gardermoen comprende: grigliatura (3 mm), dissabbiatura, 2 sedimentatori primari paralleli, comparto biologico, flocculazione con PAC, flottazione e disinfezione UV. Il comparto biologico ha 2 linee parallele di 7 reattori MBBR a biomassa adesa pura cad. per un volume totale di 5790 m 3 ; ogni linea ha una vasca da 420 m 3 anossica, una da 420 m 3 normalmente anossica, due vasche aerate da 695 m 3 cad., una vasca da 180 m 3 che può essere aerata o agitata, una vasca da 375 m 3 anossica con dosaggio di glicole etilenico e una vasca aerata da 110 m 3. Tutte le vasche sono riempite con supporti AnoxKaldnes TM K1 con tasso 67% nelle prime quattro, 42% nella quinta, 67% nella sesta, 51% nella settima. L impianto tratta una portata di m 3 /d con concentrazioni in ingresso 155 mg/l BOD, 45 mg/l TKN, 7 mg/l P; le rese sono 98% sul BOD, 83% sull azoto totale e il 98% sul fosforo.

17 Esempi di applicazioni estere L impianto di Klippan, in origine a fanghi attivi, è stato potenziato con il processo MBBR ibrido; esso comprende: grigliatura fine, dissabbiatura, sedimentazione primaria, correzione del ph con calce e quindi il comparto biologico con 2 linee parallele diverse. La linea 1 ha 4 vasche in serie da 200 m 3 cadauna, di cui le prime 2 anossiche e le ultime 2 aerate; tutte sono reattori a fanghi attivi, al termine si ha un sedimentatore secondario. La linea 2 ha 4 vasche in serie da 200 m 3 cadauna, di cui le prime 2 anossiche e le ultime 2 aerate; ma qui l ultima è un MBBR ibrido con supporti AnoxKaldnes TM BIOCHIP con tasso 40%; al termine si ha un sedimentatore secondario. L impianto tratta una portata di 3390 m 3 /d con in ingresso 433 mg/l COD, 124 mg/l BOD, 44 mg/l TKN e 7 mg/l P; le sono 94% sul COD, 98% sul BOD, 80% sull azoto totale e 97% sul fosforo totale.

18 Esempi di applicazioni estere L impianto di Malmö-Klagshamn è stato realizzato in più lotti; l ultimo potenziamento è stato l aggiunta di un reattore MBBR per la post-denitrificazione. L impianto comprende: grigliatura (3 mm), dissabbiatura, preaerazione con dosaggio di FeCl 3, sedimentazione primaria, comparto biologico a fanghi attivi (ossidazione e postdenitrificazione con etanolo, volume totale m 3 ), sedimentazione secondaria. Segue la post-denitrificazione con 2 linee di MBBR a biomassa adesa pura; ogni linea ha 2 MBBR in serie (il primo da 354 m 3, il secondo da 196 m 3 ), per volume complessivo di 1100 m 3, riempiti per il 36% con supporti AnoxKaldnes TM K1, e con dosaggio di etanolo. Segue una filtrazione che separa le pellicole di spoglio. L impianto tratta una portata di m 3 /d con concentrazioni in ingresso di 103 mg/l BOD, 32 mg/l TKN, 5 mg/l P; le rese sono 98% sul BOD, 82% sull azoto totale, 94% sul fosforo.

19 Aspetti gestionali I processi a letto mobile sono una tecnologia molto versatile che permette elevate rese depurative in reattori di volume minore rispetto ai fanghi attivi. La loro elevata efficienza deriva dall elevata attività specifica della biomassa adesa piuttosto che dalla sua concentrazione (normalmente inferiore ai valori tipici dei fanghi attivi in termini di kg SST /m 3 ), anche se è evidente che un reattore con maggiore superficie di biofilm può trattare carichi più elevati. La soluzione più adatta deve essere valutata caso per caso, se necessario anche sulla base di prove su scala pilota, come dimostra il notevole lavoro di ricerca (che continua) che ha preceduto le applicazioni su scala reale. Certamente per trasformare una vasca a fanghi attivi in un reattore a letto mobile funzionante non basta installare una qualsiasi griglia allo stramazzo e inserire un qualsiasi supporto in plastica. Non si può pensare di realizzare un reattore MBBR utilizzando un riempimento non dotato di una superficie protetta, in quanto i continui urti tra i supporti e con le pareti del reattore abraderebbero la biomassa non permettendone la crescita.

20 Aspetti gestionali I reattori MBBR devono essere miscelati in modo più uniforme possibile; per ogni tipo di supporto c è un massimo tasso di riempimento oltre il quale non si ha più un efficace miscelazione, e i migliori risultati si hanno per supporti con densità poco differente da quella dell acqua. Nei reattori aerobici l aerazione stessa provvede alla miscelazione, e i dispositivi più adatti sono gli aeratori a bolle medie; se in una vasca a fanghi attivi sono spesso preferite le bolle fini per la maggiore resa di trasferimento dell ossigeno, in un MBBR ciò è compensato dalla maggiore miscelazione operata dalle bolle medie che comunque vengono spezzate dai corpi di riempimento nella loro risalita verso la superficie della vasca. Nei reattori anaerobici e anossici la miscelazione è operata da mixer sommersi, la cui velocità deve garantire l integrità dei corpi di riempimento. Tutti i reattori a letto mobile richiedono trattamenti primari, grigliatura con luce di passaggio massima 5 mm, per evitare che i solidi grossolani presenti nel refluo intasino le griglie di contenimento dei MBBR.

21 Aspetti gestionali Nella realizzazione di un MBBR la fase più onerosa è l avviamento; introducendo i corpi di riempimento vergini si possono formare schiume per la secrezione di sostanze tensioattive da parte dei batteri che iniziano ad aderire ai supporti; le schiume scompaiono in qualche giorno. Dato che i supporti hanno densità poco inferiore a quella dell acqua è consigliabile introdurli nel reattore in almeno 2 fasi. L attecchimento della biomassa su supporti vergini richiede tempi dell ordine di 3 5 settimane, con tempi più lunghi durante l inverno. Una volta che il biofilm è attecchito, i reattori a letto mobile risentono meno degli effetti negativi delle basse temperature rispetto ai fanghi attivi. La diminuzione della temperatura influenza negativamente le velocità di rimozione degli inquinanti, però influenza positivamente la solubilità dell ossigeno in acqua; i due effetti si compensano in un intervallo di alcuni gradi centigradi. In un MBBR le cinetiche globali di rimozione degli inquinanti nei MBBR sono controllate prevalentemente dalla diffusione dell ossigeno piuttosto che dai soli metabolismi batterici.

22 Aspetti gestionali Le concentrazioni di ossigeno che si mantengono nei reattori MBBR per la nitrificazione (3 5 mg/l), più alte dei valori usuali dei processi a fanghi attivi, non devono far ritenere i costi di esercizio dei MBBR molto maggiori: queste concentrazioni di ossigeno sono mantenute in reattori di volume inferiore rispetto alle equivalenti vasche a fanghi attivi. Mediamente, trasformando un reattore a fanghi attivi in un MBBR per la nitrificazione si ha un aumento della richiesta di aria del 25-30%. Con semplici strumenti di regolazione, la portata di aria insufflata nei MBBR può essere variata (al di sopra del valore minimo per mantenere la miscelazione dei reattori) in base alle variazioni di concentrazione di inquinanti in ingresso. Quando l ammoniaca è molto bassa, la velocità del processo di nitrificazione è controllata dalla concentrazione di NH 4+ anziché da quella di O 2 e non servono le concentrazioni elevate di ossigeno che si mantengono nelle ore di maggiore carico.

23 Aspetti gestionali La produzione di fango di supero nei reattori MBBR ibridi non differisce significativamente da quella dei reattori a fanghi attivi; il biofilm in eccesso (pellicola di spoglio) si stacca dai supporti per effetto della turbolenza dei reattori, e viene separato dall acqua depurata in un sedimentatore o in un flottatore; nel caso della nitrificazione terziaria la produzione di pellicole di spoglio può essere così bassa da non richiedere ulteriori trattamenti a valle. Non è necessaria nessuna operazione di pulizia o lavaggio dei supporti. Attualmente vi sono nel mondo oltre 450 impianti MBBR, alcuni progettati sin dall inizio come tali, altri invece realizzati per il potenziamento di filiere esistenti attraverso la trasformazione di vasche che in precedenza avevano un altra funzione (reattori a fanghi attivi, stabilizzazione aerobica, trattamenti chimici ). E prevedibile che in futuro questa tecnologia sia destinata a maggiore sviluppo, soprattutto per la necessità di riadeguare impianti sovraccaricati alle nuove normative che stabiliscono limiti allo scarico più restrittivi, in particolare per la rimozione degli azotati in aree sensibili.

24 Grazie per l attenzione l!

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