Veronafiere ottobre 2015

Transcript

1 Veronafiere ottobre 2015 Gli atti dei convegni e più di contenuti su

2 Veronafiere 27 Ottobre 2015 Trattamenti biologici di acque reflue dell industria agroalimentare Bolzonella D., Frison N., Fatone F., Cecchi F. Dipartimento di Biotecnologie LabICAB e InnovEn Università degli Studi di Verona 1

3 Importanza del settore agro-alimentare Il settore agro-alimentare italiano vale oltre 250 miliardi di euro 15% del PIL nazionale L Italia è il più grande esportatore mondiale di prodotti DOP (pur risultando spesso «seconda» alla Francia per il vino, alla Germania per i formaggi, alla Spagna per l olio d oliva..) Il settore agro-alimentare produce ricchezza, ma, come ogni attività industriale, impatta sull ambiente. 2

4 Trends nella produzione mondiale di vino: produzione stabile a 270 milioni di hl all anno negli ultimi 15 anni 3

5 Produzione 2014 per Paese 4

6 Produzione 2014 per Paese: l Europa domina 5

7 Produzione di reflui e rifiuti (sottoprodotti) nell industria enologica 6

8 Acque reflue (poi fanghi) 7

9 Acque reflue (poi fanghi) Pressato (marco) 8

10 Acque reflue (poi fanghi) Pressato (marco) Raspi 9

11 Acque reflue (poi fanghi) Marco-frutta Raspi Fecce 10

12 Reflui & Rifiuti Reflui l/hl di vino prodotto Residui organici kg/hl di vino prodotto Stalks 12% Lees 14% Wastewater sludge 12% Grape pomace 62% Vintage period Ruggieri et al.,

13 Variabilità di carichi e portate Carico organico di 10 kg COD per m 3 di vino o 7 kg per ton di uva trattata 50-60% del carico concentrato in 3-4 mesi 0,2 6 litri per litro di vino prodotto 12

14 Media settimanale (base 2,500 kg/d COD) 13

15 Normalmente trattati in sistemi a fanghi attivi convenzionali Rimozione del COD del 90-95%. Quindi COD effluente anche a livelli di 500-1,000 mg/l COD Alte richieste di ossigeno Reflui sbilanciati (C:N > 30) e variabili: cattiva sedimentazione e fuga di solidi 14

16 Nei sistemi a fanghi attivi convenzionali le caratteristiche di sedimentazione determinano il risultato del processo Direttamente Solidi nell effluente, quindi scarsa qualità! Indirettamente Ridotta elasticità di processo in relazione al vincolo della salvaguardia delle prestazioni dei sedimentatori 15

17 Bioreattore a membrana (MBR) Bioreattore Sedimentatore PERMEATO 16

18 Membrane utilizzate in MBR MICROFILTRAZIONE Solidi sospesi Batteri Emulsioni ULTRAFILTRAZIONE Macromolecole Colloidi NANOFILTRAZIONE Virus Fango attivo OSMOSI INVERSAPermeato da MF/UF Proteine Composti basso P.M. ioni Effluente da sedimentatore convenzionale 17

19 Un caso di studio: trattamento di reflui di cantina in MBR per il riutilizzo della risorsa idrica I numeri dell azienda produzione di vini e spumanti + imbottigliamento in conto terzi 400,000 hl venduti nel % da uve proprie e 70% da imbottigliamento di vino prodotto da terzi 60% per esportazione in 30 Paesi, Germania e Scandinavia in primis 18

20 Wastewater, 100 m 3 /d Impianto MBR Drum siever, 1 mm holes Mix tank Bioreactor, 80 m m 3 Membranes Recycle Sludge thickening Permeate to reuse (washing) Disposal 19

21 Parametri di progettazione Parametro um valore Portata media, Qmn m 3 /d 100 Portata di punta, Qp m 3 /h 20 ph 6,5 8,5 COD load kg/d 300 BOD load kg/d 250 BOD (OLR) Kg/m 3 d 0,77 Carico sul fango (F/M) Kg/kgMLVSSd 0,06 N total kg/d 8,5 P total kg/d 0,3 20

22 Caratteristiche del modulo filtrante Parametro Marca Kubota Membrana Plate and frame Intervallo di filtrazione MF (0,4 µm) Flusso LMH Numero di moduli 400 Superficie filtrante 276 m 2 Densità d aria sulla membrana 1 m 3 /m 2 per ora Cleaning NaClO 21

23 Performances dell MBR nel periodo Picchi di carico non solo in vendemmia! 22

24 Zoom: COD nell estate autunno g/l influent COD 8 g/l influent COD 23

25 Zoom: azoto estate-autunno

26 Parametri di processo dell MBR nel periodo di osservazione Parametro Valore Refluo trattato 110 m 3 /d Carico organico (OLR) 1,5 2,0 kgcod/m 3 day Fango attivo (MLSS) 9 12 kg/m 3 Carico sul fango (F:M) 0,15 kgcod/kgmlvssday Età del fango (SRT or MCRT) 60 days Crescita del fango (resa) 0,11 kgmlvss/kgcod rimosso 25

27 Bilanci di materia il bilancio di materia sul COD mostra che il 68% è rimosso per respirazione, il 26% da nuova biomassa e solo il 6% è rinvenuto nel permeato il bilancio di materia per l azoto mostra che il 50% è assimilato per la crescita cellulare, il 10% nel permato, mentre il rimanente è denitrificato nelle zone anossiche che si determinano in vasca a causa di elevate concentrazioni di carico organico e biomassa 26

28 Caratteristiche dell effluente per il riutilizzo interno (dopo osmosi) < 2 Eventuali criticità: - SAR (Na/ (Ca+Mg/2) - Rame - Solfiti - Pesticidi (clorurati, fosforati, altri) 27

29 I consumi energetici effettivi Utility Potenza installata, kw Griglia a tamburo 0,55 Equalizzazione (mixer) 1,1 Sollevamento 2 x 1,1 Aerazione 22 Membrane scouring 7,5 Pompaggio permeato 2 x 0,5 Ricircolo fanghi 1,1 28

30 I consumi energetici effettivi Utility Potenza installata, kw Griglia a tamburo 0,55 Equalizzazione (mixer) 1,1 Sollevamento 2 x 1,1 Aerazione 22 Membrane scouring 7,5 Pompaggio permeato 2 x 0,5 Ricircolo fanghi 1,1 29

31 Distribuzione delle Potenze 30

32 Consumi specifici: 3kWh/m 3 o 1 kwh/kgcod Letteratura: 2,15 3,75 kwh/m 3 di refluo trattato nell industria alimentare (Judd, 2006, The MBR Book) 31

33 Caratteristiche evidenziate dal sistema studiato il reattore MBR è in grado di fronteggiare forti variazioni di carico idraulico ed organico mantenendo ottime prestazioni: si è osservata rimozione del COD al 95% anche per un carico di 2 kgcod/m 3 day con produzione di 0,15 kgss per kgcod rimosso; l effluente prodotto presenta caratteristiche sostanzialmente idonee al riutilizzo in-house per la pulizia di pavimenti e macchine. L eventuale implementazione della RO consentirebbe riutilizzo in imbottigliamento; i consumi specifici di energia sono (ad oggi, col solo MBR) nell intervallo 2,0 3,6 kwh/m 3 e mediamente pari a 3 kwh/m 3 o 1 kwh per kg COD rimosso, valori del tutto in linea con quanto riscontrato nelle applicazioni di MBR nell industria alimentare 32

34 Processi Aerobici vs Processi Anaerobici N impianti per trattamento anaerobico di acque reflue domestiche ed industriali 33

35 Processi Aerobici vs Processi Anaerobici Basse richieste di energia e contestuale produzione di energia Bassa produzione di fanghi Rapido re start up e capacità di far fronte a cambi di carico N impianti per trattamento anaerobico di acque reflue domestiche ed industriali Ma anche. Biogas prodotto (ATEX) 34

36 Processi anaerobici per la depurazione di acque reflue da industria alimentare con recupero di biogas Reattore pilota «Expanded Granule Sludge Blanket» (EGSB) Granuli di biomassa anaerobica da reattore EGSB 35

37 36

38 Performance del processo Parametro Unità Valore Carico organico testato kgcod/m3 d Fino a 15 HRT h 4-8 Temperatura C Parametro Unità Valore COD influente mgcod/l COD effluente mgcod/l Rimozione COD % Resa in biogas dal processo anaerobico = 650 litri/m 3 refluo trattato Fanghi prodotti < 0,1 kgss per kg COD rimosso Equivalente CO 2 emessa con processo aerobico = 180 gco 2 /m 3 refluo trattato 37

39 Co-trattamento anaerobico di rifiuti / residui VINASSES (AFTER DISTILLATION) 38

40 Co-trattamento anaerobico di rifiuti / residui Potenziale metanigeno (BMP) di diversi residui organici di cantina 39

41 Sperimentazione a scala pilota Reattori in parallelo Volume di lavoro 230 L Carico organico 3.2 kgcod/m 3 d Tempo di ritenzione medio 23 d Temperatura 37 C & 55 C 40

42 Comparison of operational conditions Parameter Unit 37 C Stability parameters 55 C RUN0 RUN1 RUN2 RUN3 RUN4 ph TA mg CaCO 3 /l N-NH 4 + mg N-NH 4+ /l Digestate characteristics TS gts/kg ww VS gvs/kg ww VS/TS % COD mg COD/gTS scod mg COD/l Parametri di stabilità sempre ottimali Rimozione dei polifenoli TKN mg N-NH 4+ /gts P tot 3- mg P-PO 4 /gts Polyphenols mg HGal/l Yields SGP m 3 /kgcod COD removal % 79% Acqua - e Aria 88% Verona 73% % 65% Highest dosage of metals improved biogas prodcution in comparison with mesophilic process 41

43 Take home messages L agroindustria produce elevate quantità di reflui / residui che, per le loro caratteristiche, risultano compatibili con i processi di trattamento biologici Per variabilità di carichi e portate i processi biologici posso «soffrire» le diverse situazioni I processi aerobici (fanghi attivi) richiedono forti input energetici e producono fanghi di supero I processi anaerobici appaiono una validissima e preferibile alternativa sia per i reflui che per tutti i residui prodotti dai processi produttivi 42