Gestione del digestato: pratiche e tecnologie sostenibili per la soluzione del problema azoto

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1 Gestione del digestato: pratiche e tecnologie sostenibili per la soluzione del problema azoto Ing. Francesco Fatone Dipartimento di Biotecnologie Università di Verona Master Ingegneria Chimica della Depurazione delle Acque e delle Risorse Rinnovabili

2 Contenuti della presentazione Gestione ottimale degli effluenti anaerobici: un problema aperto Le tecniche disponibili: lo scenario e i costi Processi biologici innovativi per la rimozione dell azoto Considerazioni conclusive

3 BRef: a che punto siamo?

4 Ammonificazione in digestione anaerobica Strippaggio ed emissione Azoto IN = /40 sospeso 60/75 liquido 40/60 ammoniaca di NH3 con il biogas dipendente da ph e temperatura di lavoro Precipitazione come STRUVITE: MgNH4PO4 6H2O dipendente da ph e dal contenuto di P e Mg Azoto OUT ~ /15 sospeso 85/90 liquido > 80 ammoniaca Adattato da Malpei 2008

5 Distribuzione tipica dell azoto influente ed effluente da digestori anaerobici agrozootecnici italiani 100 PIGS 90 TYPICAL EC N irge ln ta T n o,% 40 CHICKEN PIGS 30 COWS COWS + 4 H N Feed Digestate (liquid phase)

6 Tipici range di concentrazione di N-NH4 nel digestato anaerobico di impianti agro-zootecnici italiani

7 Ammonificazione in DA di fanghi di depurazione

8 Feed-back di azoto in impianti di trattamento delle acque reflue

9 Possibile soluzione per il feedback di azoto in impianti di trattamento delle acque reflue

10 Destino finale del digestato Spandimento (settore agro) Recupero nutrienti Rimozione nutrienti

11 Spandimento? Max kgn/ha*anno in ZVN

12 Trattamento del digestato: alternative tecnologiche From Fuchs and Drosg, ADSW&EC, 2011

13 I range di costo: dati austro-tedeschi N bio-removal Struvite Stripping Evaporation Membrane processes Drying beds Solid/Liquid separation /m3 digestate Bakx, IBBK, 2010

14 Trattamenti possibili e stima (per eccesso) dei costi

15 Conclusioni generali- Economics I costi di queste tecnologie sono riportati in range molto ampi perchè: Mancano esperienze di lungo termine Ø Ø Molte delle installazioni sono casi pilota o dimostrativi Alcune tecnologie sono ben consolidate in altri settori (i.e. trattamento di percolati di discarica), ma non per il digestato anaerobico Ø

16 Processi biologici - SBR convenzionale su liquami suinicoli tal quali: cosa sapevamo Fonte: Workshop, Wageningen (NL), November 2010 Managing livestock manure for sustainable agriculture Liquame tal quale m3/d 150 TKN g/l 2 Nin kgn/d 300 Volume reattore m Nitrogen Loading Rate kgn/m3*d 0,12 Tempo di ritenzione idraulica comlpessivo d 17

17 Processi innovativi via-nitrito? <25% richiesta di ossigeno <40% fonte di carbonio <40% produzione di fango <60% richiesta di ossigeno <100% fonte di carbonio <85% produzione di fango Soluzione ideale per Elevate concentrazioni di azoto > 100 mgn/l COD/N < 5 Elevati ph (7-9) e T(>20-25 C) digestato anaerobico!

18 Metodi di rimozione dell'azoto e stima dei costi specifici per kgn-nh4 rimosso Tecnologia N/D convenzionale senza uso di C esterno N/D convenzionale con uso di C esterno N/D via-nitrito senza uso di C esterno N/D via nitrito con uso di C esterno Nitritazione parziale/anammox (1 o 2 steps) O2 Elettricità kg kwh Fonte di carbonio (ipotesi di uso di metanolo) Fango kg MeOH kg Costo totale (incluso smaltimento fango) (Fernandez et al., 2010)

19 SBR dimostrativo: dove? Area sperimentale

20 SBR dimostrativo PLC INFLUENT MIXER PA Accumulation tank V = 10 m3 EFFLUENT PE DO External Carbon ph N-NH4 Blower 1 PDA ORP Cond N-NOx Blower 2 SBR Vreaction = 2.8 m3 NaOH 30% PDB Blower 3

21 Rushton turbine 1500 rpm Measures useful for real-time control Programable Logic Control and plant s synoptic ph, DO, ORP, Conductivity, NH4-N, NOx-N A B Pumps for soda and external carbon: Filtratax A: NaOH 30% 3 blowers automatically controlled B: Acetic Acid 80%, glycerol, pre-fermented OFMSW Nitratax

22 Avviamento in due step 70 Denitritation Nitritation 60 NOB wash-out in 3 settimane Incremento delle velocità di ossidazione del NH4-N fino a gn/kgvss*h 50 1st step NOB wash-out by FA 40 e d n o itra N ) h * S V / N g m ( 30 2nd step Standard SBR operation, dosage of external acetic acid (2.2 gcod/gn) Days %NO2-N/NOx-N La rimozione corto-circuitata dell azoto è stabile e affidabile

23 Avviamento in due step e trend di MLVSSe aerazione a microbolle causa Eccesso di polielettrolita nel surtnatante schiuma e fuga di solidi 3, , , ) L M g l/ m ( I V S S/ LV gm , Days Yobs = gmlvss/gbodremoved

24 SBR 100% via-nitrito: start-up e prestazioni ottenibili CICLO NLR = 0, Tempo (min) NH3 Massima capacità di trattamento: 0.8 kgn/m3*d, per completa rimozione dell azoto 1.1 kgn/m3*d processo via nitrito ancora stabile 400 NO2 500 mgnox/l mgnh3/l 250

25 La proposta impiantistica Letame Liquame bovino Insilato di mais Scarti agroindustriali Digestione anaerobica Frazione solida + Frazione liquida Frazione solida al campo Screw press Letame Insilato di mais Acqua (per diluizione) Separatore solido liquido (+ setacciatura) Fermentazione acidogenica Frazione liquida (fino a COD:N = 2.2) SBR via nitrito Fango di supero al campo N-NH4 fino a < 10 mgn/l TKN fino a < 200 mgn/l A filtrazione su membrana (per scarico in CIS) o al campo

26 Conclusioni START-UP: wash-out di NOB stabile e robusto in 3 settimane trattando surnatanti anaerobici di: (a) fanghi e FORSU; (b) liquami zootecnici e colture energetiche VALIDAZIONE DI LUNGO TERMINE: la rimozione corto-circuitata è stata stabile anche in condizioni streaordinarie MASSIMO POTENZIALE DI TRATTAMENTO: il processo via nitrito è stabile fino a 1,1 kgn/m3*d, avendo totale rimozione di N fino a 0,8 kgn/m3*d CONTROLLO REAL-TIME: è affidabile fino a 0.8 kgn/m3*d, sulla base di parametri indiretti STIMA DEI COSTI: /kgn, di cui 40-50% è legato al carbonio esterno sintetico.

27 Grazie per l attenzione Ing. Francesco Fatone Dipartimento di Biotecnologie Università di Verona Master Ingegneria Chimica della Depurazione delle Acque e delle Risorse Rinnovabili