Tecnologie innovative per il trattamento biologico delle acque reflue

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1 Ordine degli Ingegneri di Cagliari Incontro sul tema: Tecnologie innovative per la movimentazione e il trattamento dei fluidi Giovedì 7 maggio 2009 Tecnologie innovative per il trattamento biologico delle acque reflue Alessandra Carucci UNIVERSITA DEGLI STUDI DI CAGLIARI Dipartimento di Geoingegneria e Tecnologie Ambientali

2 Principali tecnologie per il trattamento biologico delle acque reflue Sistemi a Biomassa Sospesa: Sistemi a fanghi attivi convenzionali; SBR (Sequencing Batch Reactors). Sistemi a Biomassa Adesa: Biofiltri; Letti percolatori; Biodischi. Tecnologie Innovative: Bioreattori a Membrana (MBR, Membrane BioReactors); Bioreattori a letto mobile (MBBR, Moving Bed Biofilm Reactors) Fanghi Aerobici Granulari (GSBR, Granulated Sequencing Batch Reactors).

3 Sistemi a Fanghi Attivi convenzionali la biomassa si sviluppa nei reattori sottoforma di fiocchi in sospensione nella massa liquida; il fango è caratterizzato da una scarsa sedimentabilità; la concentrazione di biomassa ottenibile nelle vasche di ossidazione è bassa (3-5 g SSV /l); occorrono ampie superfici a disposizione per la realizzazione delle vasche di ossidazione e delle vasche di chiarificazione secondaria; notevole produzione di fanghi di supero biologici da trattare e smaltire (aumento costi di gestione); problemi operativi dovuti a microrganismi indesiderati; estremamente sensibili alla presenza di sostanze tossiche o inibenti, anche a basse concentrazioni.

4 Sistemi a Fanghi Attivi convenzionali

5 Sistemi a biomassa adesa (Biofiltri) VANTAGGI: maggiore compattezza rispetto ai sistemi a fanghi attivi; sistemi capaci di garantire un elevata qualità dell effluente; effluente; elevata concentrazione di biomassa ottenibile nei reattori (il sistema di ricircolo dei fanghi è superfluo). SVANTAGGI: maggiore complessità dell intero sistema, dovuta alla contemporanea presenza di fenomeni biologici e diffusivi; difficoltà di mantenere i principali parametri operativi su valori ottimali.

6 Alcune tecnologie innovative Bioreattori a Membrana; MBBR (Bioreattori a letto mobile); Fanghi aerobici granulari.

7 I BIOREATTORI A MEMBRANA I Bioreattori a Membrana (MBR, Membrane Bio- Reactors) accoppiano l utilizzo di processi biologici con la tecnologia delle membrane per trattare i liquami. All interno di una sola unità di processo vengono raggiunte efficienze elevate, sostituendo il sistema di trattamento che produce un effluente terziario (ossidazione + sedimentazione II e filtrazione).

8 I BIOREATTORI A MEMBRANA

9 I BIOREATTORI A MEMBRANA Le molecole dell acqua e le sostanze disciolte attraversano liberamente i pori delle membrane Membrana semipermeabile con pori microscopici Contaminanti quali solidi sospesi, batteri e virus non riescono ad attraversare i pori delle membrana

10 Classificazione membrane Bacteria Filter Micro-filtration (MF) Ultra-filtration (UF) Reverse Osmosis (RO) 1A 10A 100A 1000A 1μ 10μ 100μ 1mm

11 Membrane: fibre cave (hollow fiber) Concentrato Permeato Fascio di membrane Alloggiamento delle membrane Ingresso

12 Membrane: fibre cave Support Braid

13 Intasamento della membrana (membrane fouling) Accumulo di sostanze sulla superficie della membrana e/o all interno dei pori della membrana Diminuisce il flusso Aumenta la pressione Aumentano le spese di energia Diminuisce l efficienza del processo

14 Fouling Formazione di un film Intasamento Intasamento interno

15 Fouling Natura chimica Incrostazioni di carbonato di calcio Incrostazioni di solfato di calcio Ossidi di metalli Silice Natura organica Natura biologica

16 Fouling: possibili soluzioni Pretrattamento dell alimentazione alimentazione; Controlavaggio con acqua o aria; Pulizia di tipo chimico; Turbolenza per limitare lo spessore.

17 I BIOREATTORI A MEMBRANA VANTAGGI: Spazi ridotti; Rimozione completa dei solidi dall effluente; Rimozione COD, N e SS e disinfezione in un unica unità; Alte età del fango; Bassa produzione di fango; Nessun problema di bulking; Rapido avviamento; Modulare. SVANTAGGI: Limitazioni nell aerazione; Problemi di intasamento; Costo della membrana.

18 MBR per la separazione di biomassa Reattore a biomassa sospesa + Membrana Sistema esterno Sistema sommerso

19 MBR per la separazione di biomassa Reattore a biomassa sospesa + Membrana Sistema con membrana sommersa in in un un reattore esterno

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22 BIOREATTORI A LETTO MOBILE (MBBR) Sistema ibrido che accoppia biomassa sospesa e biomassa adesa. Elementi plastici vengono immessi nella vasca e su essi cresce un biofilm.

23 Vantaggi aumento dell efficienza per l effetto sinergico delle due biomasse, rispetto al convenzionale fango attivo; volumi molto inferiori; possibilità di potenziamento di strutture esistenti, con possibilità di innescare anche processi di nitrificazione e denitrificazione, senza necessità di ulteriori volumi e spazi; ulteriore flessibilità di ampliamento per un MBBR esistente, rappresentata dalla possibilità di aumentare ulteriormente il tasso di riempimento senza alcuna modifica strutturale o di apparecchiature; sistema più resistente ad eventuali variazioni di carico grazie alla presenza di biomassa adesa, notoriamente più resistente di quella sospesa a questi eventi; caratteristiche di separabilità biomassa/liquido più favorevoli, con conseguente miglioramento delle caratteristiche qualitative dell effluente finale dopo sedimentazione; età del fango più elevate a parità di volumi, e quindi fango di supero più stabilizzato e facilmente disidratabile.

24 La biomassa adesa si specializza Es. Schema NITRO/DENITRO Denitrificazione Rimozione COD Nitrificazione

25 Caratteristiche generali MBBR Elementi plastici Sistema di aerazione Griglia contenimento Ricircolo del fango

26 ELEMENTI PLASTICI: Modelli

27 ELEMENTI PLASTICI: Caratteristiche Struttura e forma Superficie specifica: m 2 /m 3 Dimensione Peso specifico: ~ 1 g/cm 3 (dopo colonizzazione) Grado di riempimento del reattore: (espresso in m 3 /m 3, in percentuale) è il rapporto tra il volume apparente (pieni + vuoti) occupato dal mezzo di supporto in vasca vuota ed il volume della vasca stessa (intorno al 70 %).

28 DISTRIBUZIONE ARIA: bolle grosse

29 DISTRIBUZIONE ARIA: bolle fini Rendimenti trasferimento ossigeno più alti Agitazione meno intensa Necessità estrazione a vasca piena

30 Distribuzione aria

31 Griglia di contenimento griglia

32 Griglie Spaziatura Pulizia periodica: sistemi fissi sistemi mobili

33 I FANGHI AEROBICI GRANULARI sistemi operanti in discontinuo (GSBR, Granulated Sequencing Batch Reactors); la biomassa si sviluppa sottoforma di granuli; non occorre alcun materiale di supporto; struttura compatta e stratificata dei granuli, dotati di elevata densità; elevate concentrazioni di biomassa ottenibili nei reattori; ottime caratteristiche di sedimentabilità del fango; alte età del fango raggiungibili, con bassa produzione di fango di supero; ridotta occupazione di superficie libera.

34 I FANGHI AEROBICI GRANULARI buona capacità di rimozione di RBCOD (100%), N (94%), P (94%); prevalenza dei fenomeni diffusivi, rispetto ai sistemi convenzionali a fanghi attivi. Autotrofi Nitrificanti Eterotrofi Anossici Eterotrofi Anaerobici Zona Aerobica Eterotrofi Aerobi Obbligati Zona Anaerobica - Anossica

35 I FANGHI AEROBICI GRANULARI Principali parametri operativi: modalità e durata della fase di alimentazione; concentrazione dell ossigeno disciolto (OD) nel reattore; velocità specifica di crescita della biomassa; intensità delle forze di taglio; selezione di una biomassa avente elevata velocità di sedimentazione; tempo di residenza idraulico; struttura del ciclo di funzionamento del GSBR (alimentazione, reazione aerobica con insufflazione d aria, sedimentazione, scarico effluente); caratteristiche dell influente.

36 I FANGHI AEROBICI GRANULARI i fanghi aerobici granulari possono essere considerati dei particolari sistemi a biofilm; essendo la respirazione biologica nei granuli limitata dai processi diffusivi, si hanno dei profili di concentrazione del substrato attraverso il biofilm; i fenomeni diffusivi costituiscono una valida difesa nei confronti di sostanze tossiche o inibenti: i microrganismi presenti all interno dei granuli sono esposti ad una concentrazione inferiore a quella realmente presente nel bulk liquido e per questo subiscono un azione inibente minore.

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