Il processo di ozonizzazione per la riduzione della produzione dei fanghi

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1 Il processo di ozonizzazione per la riduzione della produzione dei fanghi workshop: il trattamento e la gestione dei fanghi di depurazione: stato dell arte, normativa ed innovazione Roma, Maggio 2014 Claudio Lubello

2 Processi di disintegrazione dei fanghi La disintegrazione dei fanghi implica la distruzione dei fiocchi e il danneggiamento delle cellule microbiche in modo da rilasciare materiale organico solubile, da aumentare la trattabilità aerobica o anaerobica dei composti lentamente biodegradabili e da ridurre la produzione dei fanghi di supero. La distruzione dei fiocchi e delle cellule microbiche si può ottenere mediante l applicazione di processi: 1. Fisico-meccanici (ultrasuoni) 2. Termici (idrolisi termica ad alta temperatura) 3. Chimici (ozono) 4. Enzimatici 5. Varie combinazioni dei precedenti. 2/25

3 Processi di disintegrazione dei fanghi Il processo di disintegrazione può essere inserito in vari punti all interno dei un impianto di trattamento biologico convenzionale. 3/25

4 Il processo di ozonizzazione dei fanghi attivi In letteratura è stato ampiamente dimostrato che il trattamento con ozono del fango attivo di ricircolo risulta essere una efficace tecnologia di riduzione della produzione di biomassa negli impianti di depurazione biologica (Stensel et al., 2004). Negli impianti pilota in ridotta o piena scala utilizzati in numerose sperimentazioni (Yasai et al., 1996; Sakai et al., 1997; Deleris et al., 2002; Huysmans et al., 2001) il grado di riduzione della produzione dei fanghi (36-99%) è stato controllato dal dosaggio di ozono applicato nel reattore di contatto espresso in termini di go 3_dosato /kgsst alimentato (20-200) e dalla portata di fango trattata. 4/25

5 Il processo di ozonizzazione dei fanghi attivi In esperimenti condotti in batch (Boehler and Siegrist, 2004) la riduzione percentuale dei fanghi cresce in modo lineare al crescere del dosaggio di ozono fino ad un valore ottimale di 50 go 3 /kgsst, per il quale si ottengono riduzioni di solidi sospesi del 25-35%. 1/

6 Il processo di ozonizzazione dei fanghi attivi I principali fenomeni che possono spiegare la riduzione della produzione dei fanghi tramite ozonizzazione sono i seguenti: Solubilizzazione semplice del COD particolato inerte. La frazione inerte X I che proviene dall influente o dal processo biologico stesso è solubilizzato e perso nell effluente finale; Solubilizzazione e biodegradazione del nuovo COD solubile biodegradabile (RBCOD). La crescita di biomassa su tale COD è criptica cioè avviene su composti di lisi e quindi con riduzione complessiva della biomassa attiva nel fango. Crescita nella biodegradabilità del COD solido inerte. La frazione di COD inerte particolata X I è convertita nella frazione particolata lentamente biodegradabile XS (SBCOD). Crescita nel rateo specifico di decadimento endogeno (bh) e delle richieste energetiche per metabolismo di mantenimento. 6/25

7 Il processo di ozonizzazione dei fanghi attivi La produzione totale di fango di supero dipende anche dalla frazione solida inorganica contenuta nel refluo che inevitabilmente si accumula in un sistema a ritenzione di biomassa come un impianto a fanghi attivi convenzionale. Sakai et al. (1997) riportano un inattesa riduzione del 99% dei solidi totali in un impianto municipale in piena scala con dosaggio di 40 go 3/kg SST distrutto. La frazione organica nei fanghi normalmente non supera il 70-80% dei solidi sospesi totali, e dunque un rendimento vicino al 100% è possibile solo se l ozonizzazione dei fanghi produce un effetto di solubilizzazione anche della frazione solida inorganica. In questo caso la massa di solidi inorganica è dilavata nello scarico finale sotto forma di solidi disciolti e/o solidi colloidali non sedimentabili. 7/25

8 Il processo di ozonizzazione dei fanghi attivi L impatto dell ozonizzazione sul processo a fanghi attivi non è limitato alla sola produzione netta di fango, ma interferisce anche sulla nitrificazione, sulla denitrificazione, sulla sedimentabilità e sulla disidratabilità dei fanghi trattati e sulla rimozione del fosforo. 8/25

9 Il processo di ozonizzazione dei fanghi attivi L analisi dei costi del processo di ozonizzazione del fango di ricircolo dipende dal grado di disintegrazione imposto e dal costo specifico di smaltimento dei fanghi disidratati. L ozonizzazione diventa competitiva quando il costo di smaltimento finale dei fanghi di supero è maggiore di /t. Nel caso di fanghi provenienti da impianti industriali o misti e non smaltibili in agricoltura, il processo di ozonizzazione diventa particolarmente interessante nell ottica di una significativa riduzione della produzione di rifiuti solidi. 9/25

10 workshop: il trattamento e la gestione dei fanghi di depurazione: stato dell arte, normativa ed innovazione Casi studio 10/25 Roma, Maggio 2014

11 L impianto di depurazione di Torre (Firenze) La sperimentazione è stata condotta in piena scala nell impianto di depurazione a fanghi attivi di via della Torre a Firenze. L ozono è stato utilizzato per trattare il fango del digestore aerobico. 11/25

12 L impianto di depurazione di Torre (Firenze) Potenzialità = ab.eq. Scarico nel torrente Mensola E costituito da vasca a fanghi attivi di ossidazione a miscelazione completa (650 m 3) senza sedimentazione primaria, con aerazione intermittente per la denitrificazione-nitrificazione. Le indagini sperimentali sono state effettuate per valutare: 1. La riduzione della produzione di fango. 2. Impatto dell ozono sulla rimozione e il rilascio dei nutrienti (azoto e fosforo). 3. Analisi dei costi 12/25

13 L impianto di depurazione di Torre (Firenze) Ingresso Trattamenti preliminari (Grigliatura, Dissabbiatura) Vasca di Ossidazione Digestore Aerobico Ispessimento Centrifuga Uscita Sedimentazione secondaria 13/25

14 L impianto di depurazione di Torre (Firenze) Il digestore aerobico 3) è un SBR con ciclo giornaliero costituito da 4 fasi: Il digestore aerobico (400 m 1. Carico Aerazione (con turbina superficiale). Sedimentazione (7 h/giorno). Estrazione del surnatante.. La fase anossica dura circa il 30% dell intero ciclo di processo.. L estrazione dei fanghi di supero, la disidratazione e lo smaltimento finale sono effettuati ogni 20 giorni circa. 1/

15 Q = 8,3 mc / h Impianto pilota di ozonizzazione Trattamento ozono residuo Generatori di ozono CFS2 CFS3 PLC Contact Tempo di reactor contatto = 20 minuti o 2 Pompa di ricircolo interno Digestore aerobico Fango di supero dalla vasca di ossidazione

16 L impianto di depurazione di Torre (Firenze) Risultati L efficienza di rimozione dei solidi varia dal 42% (assenza di ozono) all 89% (191 g/h O 3 ). Il trattamento con ozono migliora le caratteristiche di sedimentabilità del fango e consente di mantenere un alta concentrazione di solidi sospesi nel digestore aerobico (15 g/l) senza problemi di estrazione del surnatante alla fine della fase di ispessimento. Il dosaggio di ozono consente di incrementare l età del fango totale nel digestore aerobico e l efficienza di riduzione dei solidi. L aumento dell età del fango rende possibile la conversione del COD particolato inerte (XI) a SBCOD (X S ) e riduce così la produzione di fango dell impianto di depurazione. L incremento (di circa 3 volte) del COD solubile inerte residuo (SI) in vasca di digestione e ricircolato in linea acque è diretta conseguenza delle reazioni di idrolisi sviluppate dal trattamento combinato ozonodigestione aerobica. 16/25

17 L impianto di depurazione di Torre (Firenze) Risultati 3- La concentrazione media del fosforo solubile (P-PO 4 ) è cresciuta da 4.9 mg/l nel periodo di osservazione senza ozono a 14.5 mg/l durante la fase stabile di dosaggio di ozono. Il contenuto di secco medio nel fango disidratato in uscita dall impianto di Torre è salita dall 11% (no ozono) al 14% (sperimentazione con ozono). Test di tossicità acuta con Vibrio fisheri sono stati condotti per valutare la tossicità dei sottoprodotti dell ozonizzazione dei fanghi. I campioni di surnatante del digestore aerobico sono stati classificati come debolmente tossici in quanto l indice di inibizione è stato per entrambi inferiore al 30%. 17/25

18 L impianto di depurazione di Belsito (Sabaudia - Latina) Capacità di trattamento tot: A.E. Linea 1 : A.E. Linea 2 : A.E. Q min (invernale) = m 3 /d Q max (estiva) = m 3 /d V tot=715 m 3 V tot=2044 m 3 S tot=494 m 2, V u,tot=1736 m 3, L stramazzo=212 m V tot=1313 m 3 V tot=177 m 3 18/25

19 L impianto di depurazione di Belsito (Sabaudia - Latina) Risultati Rilascio di COD solubile e di nutrienti trascurabile: nessun effetto apprezzabile sull efficienza della linea acque. Miglioramento delle caratteristiche di sedimentabilità del fango: maggiore concentrazione del fango nell ispessimento. Riduzione della produzione di fango in uscita dall impianto di circa il 70%, con dosaggi di ozono relativamente bassi : risparmio netto di circa /anno. 19/25

20 L impianto di depurazione di Belsito (Sabaudia - Latina) Risultati Il processo di ozonizzazione per la riduzione della produzione dei fanghi Ipotizzando: 1. Abbattimento produzione fanghi (media) = 71% 2. Produzione annuale fanghi di riferimento = media senza ozono 3. Costo produzione ozono (0.67 Kg/h) = 57 /d 4. Costo impianto ozono = Rata mensile Ammortamento (durata 10 anni, valore residuo nullo, tasso 4%) 1/

21 L impianto di depurazione di Stagnoni (La Spezia) L obiettivo dello studio è di valutare l applicabilità del processo di ozonizzazione dei fanghi integrato con il trattamento dei reflui civili mediante bioreattore a membrana (MBR) Influente Dissabbiatura disoleatura Selettore anaerobico Predenitrificazione Ossidazionenitrificazione 1 (60000 A.E.) Sollevamento iniziale e grigliatura Selettore anaerobico Ossidazionenitrificazione 2 (30000 A.E.) Sedimentazione secondaria Dissabbiatura disoleatura Influente pilota Selettore anaerobico Predenitrificazione Predenitrificazione Ossidazionenitrificazione 3 (30000 A.E.) Scarico Impianto pilota MBR Effluente pilota Alla linea fanghi 21/25

22 L impianto di depurazione di Stagnoni (La Spezia) - Impianto pilota MBR+Ozono Parametri operativi MBR MBR+OZONO Q in media [l/h] SST media [g/l] SSV/SST Dose [go 3 /kgsst alimentati ] Dose [go 3 /kgsst ridotti ] Y obs [gsst/gcod] θ c [d] θ h [d] 8 8 J medio [l/m 2 h] P x,sst [Kg SST/d] /25

23 L impianto di depurazione di Stagnoni (La Spezia) - Risultati: Efficienza depurativa 23/25

24 L impianto di depurazione di Stagnoni (La Spezia) Risultati Il processo di ozonizzazione per la riduzione della produzione dei fanghi Riduzione della produzione di fango trattando giornalmente il 15% della massa di fango contenuta nel sistema con 3-5 go 3 /kgsst Limitato peggioramento della qualità del permeato (COD, NH 4+, PO 4 3- ) che tuttavia si mantiene complessivamente elevata Aumento del rateo iniziale di sporcamento delle membrane ma raggiungimento di buone caratteristiche di filtrazione a lungo termine 24/25

25 workshop: il trattamento e la gestione dei fanghi di depurazione: stato dell arte, normativa ed innovazione Grazie per l attenzione 25/25 Roma, Maggio 2014