Scarichi idrici e impianti biologici di nitro/denitro: Parametri di controllo impiantistico e stima dell efficienza

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1 Scarichi idrici e impianti biologici di nitro/denitro: Parametri di controllo impiantistico e stima dell efficienza Ing. Alessandro Malavasi ARPA LOMBARDIA DIPARTIMENTO MANTOVA

2 Inquadramento normativo Sistemi per l abbattimento dell azoto negli effluenti zootecnici Parametri operativi gestionali Casi di studio D.Lgs. 4 aprile 2014, n. 46 ( TITOLO III-bis) Sistemi di Separazione solido/liquido Temperatura Indice di volume fango - SVI Trattamento reflui suinicoli Trattamento digestato da biogas Novità Sanzioni - art. 29 quaterdecies Limiti di legge per scarichi in c.i.s. Trattamenti nitro denitro Potenziale Redox Ossigeno disciolto (OD) Carico del fango - Cf Trattamento acque reflue caseificio Modalità di effettuazione controlli Età del fango - (ϑc) 2

3 L'autorizzazione integrata ambientale (AIA) é il provvedimento che autorizza l'esercizio di una installazione a determinate condizioni, che devono garantire la conformità ai requisiti di cui alla parte seconda del D.Lgs. 3 aprile 2006, n. 152, come modificato da ultimo dal D.Lgs. 4 aprile 2014, n. 46, attuazione della direttiva 2010/75/UE relativa alle emissioni industriali (Titolo III-bis ). Il D.Lgs. 4 aprile 2014, n. 46, ha apportato modifiche particolarmente significative al regime dell Autorizzazione integrata ambientale, in particolare in riferimento agli aspetti sanzionatori. L AIA è rilasciata tenendo conto di quanto indicato all'allegato XI alla parte seconda e le relative condizioni sono definite avendo a riferimento le Conclusioni sulle BAT emanate il 27/01/

4 Titolo III-bis, D.Lgs. n. 152/2006: Sanzioni Ai sensi dell art. 29-quaterdecies, la mancata osservanza delle prescrizioni dell autorizzazione, che in precedenza il comma 2 considerava genericamente e in maniera unitaria sempre un illecito penale, è stata oggi scissa in tre diverse ipotesi di illecito. Il nuovo assetto sanzionatorio è costruito per esclusioni. La violazione delle prescrizioni costituisce illecito amministrativo (art. 29-quaterdecies, comma 2), sanzione amministrativa pecuniaria da a euro), a meno che ricorra una delle ipotesi previste nei commi successivi 3 e 4. Il comma 3 dell art. 29-quaterdecies prevede la sanzione penale dell ammenda da a euro (la stessa pena prevista dal testo ante riforma), qualora l inosservanza delle prescrizioni: sia costituita dalla violazione dei valori limite di emissione rilevata durante i controlli previsti nell autorizzazione o in occasione di ispezione, sempre che la violazione non sia contenuta in margini di tolleranza, in termini di frequenza ed entità fissati dall autorizzazione; sia relativa alla gestione di rifiuti; sia relativa a scarichi recapitanti nelle aree di salvaguardia delle risorse idriche destinate al consumo umano ovvero in corpi idrici posti nelle aree protette. Questi reati sono soggetti a oblazione ordinaria, ai sensi dell art. 162 codice penale. 4

5 Titolo III-bis, D.Lgs. n. 152/2006: Sanzioni Sono, invece, punite con pena congiunta (art. 29-quaterdecies, comma 4: ammenda da a euro e arresto fino a 2 anni) le inosservanze delle prescrizioni relative: alla gestione di rifiuti pericolosi non autorizzati; allo scarico di sostanze pericolose di cui alle tabelle 5 e 3/A dell Allegato 5 alla Parte III; a casi in cui il superamento dei valori limite di emissione determina anche il superamento dei valori limite di qualità dell aria previsti dalla vigente normativa; all utilizzo di combustibili non autorizzati. 5

6 MODALITÀ DI CONTROLLO Gli accertamenti finalizzati a verificare il rispetto dei valori limite di emissione previsti per gli scarichi di acque reflue industriali, ai sensi del D.Lgs. n. 152/2006, sono di norma eseguiti su campioni medi prelevati nell arco di 3 ore. La scelta della durata del campionamento, del numero dei prelievi e della loro frequenza sarà funzione della variabilità delle caratteristiche quali quantitative dell effluente. L autorità preposta al controllo può eseguire il campionamento su tempi diversi al fine di ottenere il campione più adatto a rappresentare le caratteristiche di variabilità qualitativa e quantitativa dello scarico. Le motivazioni che dovessero portare ad effettuare un controllo con modalità diverse devono sempre essere riportate nel verbale di campionamento. Qualora lo scarico si attivi in orari, in cui risulta difficile l attività di controllo, le operazioni di prelievo in automatico possono essere svolte con l ausilio di sistemi automatici. 6

7 LIMITI DI LEGGE Tabella 3. Allegato 5 alla parte terza (Valori limiti di emissione in acque superficiali e in fognatura) 7

8 LIMITI DI LEGGE 8

9 TRATTAMENTI CONSERVATIVI E RIDUTTIVI I trattamenti sull effluente d allevamento, sia che si tratti di materiale palabile che non palabile, si possono classificare in due categorie, conservativi e riduttivi nei confronti dei nutrienti contenuti, in primis azoto e fosforo. I trattamenti conservativi agiscono ripartendo i nutrienti in una frazione concentrata a volume ridotto. I trattamenti riduttivi, che per gli effluenti non palabili sono riconducibili ai processi di rimozione biologica dell azoto e per i palabili alla termovalorizzazione, riducono il tenore in azoto, trasformandolo prevalentemente in azoto molecolare gassoso, gas inerte in atmosfera.

10 SEPARAZIONE LIQUIDO/SOLIDO SISTEMI DI SEPARAZIONE SOLIDO/LIQUIDO

11 SEPARAZIONE LIQUIDO/SOLIDO La separazione liquido/solido rappresenta una tecnologia di semplice gestione, che consente, in generale, di operare una blanda separazione dell azoto; l efficienza di separazione varia notevolmente in base alla tipologia di attrezzatura e al tipo di prodotto trattato, tanto che una stessa attrezzatura può presentare prestazioni molto diverse con matrici differenti. Tra i sistemi di separazione liquido/solido più frequentemente in uso presso allevamenti zootecnici, i separatori a compressione elicoidale e a cilindro rotante a rulli di compressione hanno un efficienza di separazione analoga, ma con livelli di abbattimento contenuti, soprattutto per l azoto e con range di valori molto ampio. 11

12 SEPARAZIONE LIQUIDO/SOLIDO La sola separazione solido/liquido non può essere considerata processo risolutivo se non in limitati casi. Questa tecnologia è fondamentale come pre-trattamento in processi nei quali occorra operare con effluenti a basso contenuto di solidi sospesi. Una separazione solido/liquido ad alta efficienza appare essenziale a monte di processi biologici di nitrificazione/denitrificazione o di trattamenti a membrane nei quali, la presenza di materiale solido ridurrebbe sensibilmente l efficacia del trattamento.

13 TRATTAMENTO BIOLOGICO DI NITRO-DENITRIFICAZIONE Il trattamento biologico di nitro-denitrificazione è il processo maggiormente applicato al fine di ottenere la rimozione biologica dell azoto. Prima del trattamento degli effluenti di allevamento in un impianto biologico è fondamentale la presenza di un pretrattamento di separazione solido/liquido efficiente in quanto la presenza di sostanze solide, nel trattamento biologico, potrebbe comportare: Riduzione dell efficienza della apparecchiature elettromeccaniche Riduzione dei volumi utili efficaci delle vasche ; Ostruzione/intasamento condotte/valvole; Riduzione delle rese di abbattimento. Di seguito si riporta uno schema a blocchi del sistema di trattamento liquami. Allevamento TRATTAMENTO BIOLOGICO Ricircolo fanghi??? Scarico in cis Vasca arrivo liquami Separatore solido/liquido Equalizzazione pre denitro Vasca ossidazione nitrificazione Sed.2 Ricircolo fanghi Solido separato utilizzo agronomico Fanghi supero Stoccaggio 180 giorni

14 TRATTAMENTO BIOLOGICO DI NITRO-DENITRIFICAZIONE Il processo di nitro-denitro si realizza in due fasi. 1. processo aerobico di ossigenazione-nitrificazione, con il quale l azoto presente nei liquami, in buona parte in forma ammoniacale, viene convertito per effetto dell azione di batteri nitrificanti e per la presenza di ossigeno, prima in nitriti e poi in nitrati. 2. processo di denitrificazione (anossico) attraverso il quale l azoto nella forma di nitrati viene convertito per via biologica ad azoto gassoso inerte.

15 TRATTAMENTO BIOLOGICO DI NITRO-DENITRIFICAZIONE La denitrificazione biologica avviene in condizioni anossiche (ossia in assenza di ossigeno disciolto ma in presenza di ossigeno chimico) ad opera di organismi che utilizzano i nitrati come accettori di idrogeno. In condizioni anossiche, non è presente ossigeno disciolto, bensì legato sotto forma di nitrato o nitrito che funge da fonte di ossigeno per i batteri durante la depurazione biologica. La denitrificazione si sviluppa : in assenza di ossigeno disciolto ; in presenza di BOD (substrato organico biodegradabile) disponibile. Contestualmente alla denitrificazione avviene la rimozione di BOD nella misura di 4~4,5 g BOD per ogni grammo di azoto nitrico (N-NO 3 ) rimosso.

16 IMPIANTI A FANGHI ATTIVI A FLUSSO CONTINUO/DISCONTINUO L'impianto a flusso continuo è caratterizzato dall'utilizzo di vasche continuamente alimentate per lo svolgimento delle reazioni biologiche. La rimozione dell'azoto dai liquami è pari al 70-95%; quella del fosforo del 15-90% a seconda della destinazione del materiale palabile. Anche nei trattamenti biologici a flusso discontinuo (SBR) è necessaria una fase primaria di separazione solido-liquido. Il liquame chiarificato viene alimentato alla vasca di denitrificazione, da questa passa alla fase ossidativa per la nitrificazione. Questo schema prevede quindi un consistente ricircolo di miscela aerata contenente nitrati alla vasca di denitrificazione, ciò comporta un rilevante consumo energetico. Per valutare la portata di ricircolo si può fare riferimento ai dati relativi alla velocità di degradazione dei nitrati e alla concentrazione in vasca di aerazione. 16

17 IMPIANTI A FLUSSO CONTINUO LIQUAME GREZZO OX -NIT DEN SED. 2 EFFLUENTE RICIRCOLO DEL FANGO LIQUAME GREZZO EFFLUENTE DENITRIFICAZIONE NITRIFICAZIONE SED. 2 q r1 q r2 q ric = q r1 + q r2 17

18 IMPIANTI A FLUSSO CONTINUO si alternano le fasi anossiche alle fasi areate mediante temporizzatori LIQUAME GREZZO OX - NIT - DEN SED. 2 EFFLUENTE RICIRCOLO DEL FANGO si succedono zone aerobiche ed anossiche con nitro e denitro in simultanea LIQUAME GREZZO EFFLUENTE 18

19 SISTEMI SBR (Sequencing Batch Reactor) I sistemi SBR rappresentano dei sistemi di trattamento biologici a flusso discontinuo, costituiti da un bacino in cui si sviluppano processi di ossidazione biologica e di sedimentazione e dal quale si provvede altresì all estrazione sia dell effluente depurato che dei fanghi di supero. Tali processi vengono condotti in tempi diversi, variando ciclicamente le condizioni di funzionamento dell impianto; operando opportunamente sui tempi delle varie fasi, si ripropone, di fatto, un processo a fanghi attivi, nel quale, però, le diverse fasi di processo si susseguono in sequenza temporale piuttosto che spaziale come negli impianti tradizionali. 19

20 SISTEMI SBR (Sequencing Batch Reactor) 20

21 SISTEMI SBR (Sequencing Batch Reactor) In generale, il reattore discontinuo SBR (Sequencing Batch Reactor) ha i seguenti vantaggi: (a) rendimenti migliori rispetto agli impianti a fanghi attivi tradizionali e dunque volumi complessivamente più ridotti a parità di rendimenti; (b) maggiore flessibilità gestionale; (c) maggiore resistenza a shock di carico. Pertanto i reattori discontinui sono generalmente più adeguati al trattamento di effluenti di allevamento, grezzi o pre-digeriti, come dimostrato anche dal numero di applicazioni in piena scala. 21

22 VERIFICHE SU E Il deterioramento del processo biologico di depurazione è influenzato da molteplici fattori, come ad esempio: la scarsa ossigenazione, la presenza di inquinanti che possono inibire il processo biologico; le eccessive variazioni di carico organico, la carenza di nutrienti, le repentine variazioni di temperatura e ph, la presenza di solfuri. Al fine di valutare lo stato di efficienza dell impianto possono essere svolte verifiche su parametri operativi e gestionali che forniscono significative indicazioni sul funzionamento di un impianto a fanghi attivi quali ad esempio: Parametri routinari (Temperatura, BOD, COD, N, P, tensioattivi, metalli) Parametri particolari (Redox, SVI, etc) Ossigeno disciolto (OD) Carico del fango - Cf Età del fango - (ϑc)

23 PARAMETRI ROUTINARI: TEMPERATURA La velocità di reazione è funzione del tipo di batteri coinvolti nei vari stadi del processo, nonché delle condizioni in cui queste reazioni hanno luogo. I processi biologici vengono accelerati all aumentare della temperatura: in estate è sufficiente una minore quantità di biomassa, per ottenere la stessa rimozione, di quanto avvenga in inverno.

24 PARAMETRI PARTICOLARI: INDICE DI VOLUME DEL FANGO (SVI) I solidi sospesi totali del Mixed Liquor (MLSS) indicano la concentrazione di fango in vasca di ossidazione; di prassi tra 3-5 [KgSS m -3 ] ovvero [gss l -1 ] Il volume fango è un parametro gestionale di tipo semplificato che consente di valutare le caratteristiche di sedimentabilità del fango e la eventuale presenza di manifestazioni patologiche; in campo si misura in cilindro di plastica o in un cono imhoff (MS 30 ). L indice di volume del fango (SVI)* [ml g -1 ] esprime un giudizio sulla capacità del fango di sedimentare in modo adeguato e viene determinato come segue: Se ipotizziamo di misurare un volume fango pari a 750 [ml l -1 ] e di avere una concentrazione di fango in vasca di ossidazione pari a 5 [gss l -1 ] si ottiene un indice SVI pari a: 750 [ml l -1 ] = 150 [ml g -1 ] 5 [gss l -1 ] * Dal punto di vista operativo si ritiene gonfio un fango il cui SVI sia superiore a 150 ml/g, tuttavia ogni impianto di depurazione è caratterizzato da un proprio valore di valore di SVI, che può anche arrivare a 300 ml/g e dipende dalle specifiche capacità di quell impianto di trattenere fango all interno del sedimentatore finale.

25 PARAMETRI PARTICOLARI: POTENZIALE REDOX (ORP) Il potenziale Redox (ORP) misurato in fase di ossidazione, è indice delle condizioni ossidoriduttive presenti all interno del comparto. Nella fase di ossidazione nitrificazione è necessario operare in condizioni aerobiche, ovvero con ORP compreso tra +100 [mv] e +300 [mv]. Il processo di denitrificazione avviene in condizioni anossiche ovvero con ORP compreso tra +50 [mv] e -50 [mv]. Dal punto di vista operativo, sarebbe opportuno che il sistema di ossigenazione (compressori, turbine, etc.) venisse gestito (attraverso setting pre definiti che regolano la fornitura di ossigeno al sistema) in funzione del valore del potenziale Redox o, in alternativa, del valore di Ossigeno disciolto, misurati in vasca con apposite sonde. In sede di verifica ispettiva può essere utile valutare i dati registrati dal gestore dell impianto relativi all andamento del potenziale Redox, nei diversi periodi dell anno, al fine di una adeguata valutazione dell efficienza del comparto.

26 OSSIGENO DISCIOLTO (OD) L ossigeno disciolto è un parametro chiave per il buon funzionamento dell impianto biologico; la presenza di ossigeno è fondamentale per il buon svolgimento di qualsiasi processo aerobico. Valori bassi OD potrebbero indicare un aumento del carico in ingresso; valori più elevati potrebbero essere indicatori dell arrivo di un composto tossico o una forte diminuzione del carico.

27 CARICO DEL FANGO Rapporto tra carico di BOD 5 in ingresso vasca ox e quantità di biomassa nel reattore: Cf [kg BOD / kgss d] = Q [BOD5 in] X V [BOD5 in] = Concentrazione BOD 5 in ingresso vasca ossidazione [kg/m 3 ] Q = Portata in ingresso comparto [m 3 /d] V = Volume vasca ossidazione [m 3 ] X = concentrazione biomassa in vasca ossidazione [kgss/m 3 ] Se Cf > 0.5 situazione di alto carico elevata produzione di fanghi da smaltire l effluente finale è opalescente con BOD 5 residuo elevato, rimozione del 75-80% BOD 5. Se Cf 0, situazione di medio carico l'effluente è più pulito del precedente, minore produzione di fango e la concentrazione di SS è più elevata rispetto al caso precedente; rendimento depurativo raggiunge il 90% del BOD 5 Se Cf 0,05 0,15 situazione di basso carico rendimenti depurativi > 90%; effluente con un BOD 5 solubile molto basso, produzione di fango ridotta. Cf < 0,1 [Kg BOD 5 /Kg SS d] Cf > 0,3 [Kg BOD 5 /Kg SS d] Elevato rendimento abbattimento (BOD > 90%) Rendimento depurativo più ridotto (BOD 90%) Minor produzione di fango di supero Fango ben stabilizzato Nitrificazione Maggior produzione di fango di supero Fango non stabilizzato No Nitrificazione

28 ETÀ DEL FANGO L età del fango (ϑ C) è calcolata dal rapporto tra la quantità di fango presente in vasca ossidazione e la quantità di fango estratto giornalmente attraverso il supero secondo la seguente relazione: ϑ C [d] = quantità fango presente in vasca ossidazione = quantità fango estratto giornalmente Operativamente si considera: V: volume comparto ossidativo [m 3 ]; X: (conc. biomassa vasca ox) di prassi tra 3-5 [KgSS/m 3 ]; Xr:(conc. biomassa ricircolo) di prassi tra 8-12 [KgSS/m 3 ]; W: volume di fango estratto giornalmente [m 3 /d]; V X W Xr Il processo di nitrificazione avviene ad elevate età del fango (> giorni, a seconda della temperatura) per consentire la crescita dei batteri autotrofi nitrificanti

29 RELAZIONE TRA RESE, CARICO DEL FANGO, ETÀ DEL FANGO

30 CASO DI 1 TRATTAMENTO REFLUI SUINICOLI L azienda effettua un trattamento dei liquami finalizzato alla riduzione dei carichi degli inquinanti, in particolare per quel che concerne il carico azotato, al fine di poterlo utilizzare in agricoltura nel pieno rispetto della Direttiva Nitrati. I liquami affluiscono all impianto mediante due condotte separate provenienti rispettivamente dai settori dell allevamento dedicati a: ingrasso (7.000 capi - p.m. 100 kg ca.) scrofaia (6.000 capi, di cui scrofe, resto suini con p.m kg ca.) L impianto viene dimensionato con l obiettivo di trattare 60 [m 3 /d] (al netto della separazione solido/liquida), con l obiettivo di ridurre l azoto totale contenuto nel liquame di ~ 50% rispetto al quantitativo contenuto nel refluo tal quale complessivo, considerando anche il fatto che circa il 10% dell azoto rimane nel solido separato e può essere delocalizzato all esterno dell azienda agricola.

31 CASO DI 1 TRATTAMENTO REFLUI SUINICOLI

32 CASO DI 1 TRATTAMENTO REFLUI SUINICOLI Dati in ingresso impianto nitro/denitro che tratta reflui suinicoli Dati in uscita impianto nitro/denitro Dal confronto dei dati si rilevano le seguenti % di abbattimento: Parametro Valore ingresso [mg/l] Valore uscita [mg/l] Var % Azoto ammoniacale [NH4] 1677,60 ( 1304 come N) 30,33-98,2 % Azoto totale ,6 % BOD ,6 %

33 CASO DI 2 TRATTAMENTO DIGESTATO DA BIOGAS L impianto si propone di ridurre dell 80% la quantità di azoto totale (TKN) presente all interno del digestato mediante un particolare processo di Nitro-Denitro in alternanza in un unica vasca ad ossidazione forzata, la cui efficacia si basa su un alta capacità di respirazione della biomassa che viene a formarsi nella vasca di trattamento, grazie al sistema di ossigenazione utilizzato Il processo di abbattimento dell azoto è costituito dalle seguenti fasi di trattamento : 1. Preparazione della miscela digestato + liquame tal quale, 2. Separazione solido/liquido ; 3. Nitrificazione/denitrificazione.

34 CASO DI 2 TRATTAMENTO DIGESTATO DA BIOGAS 1. PREPARAZIONE DELLA MISCELA DIGESTATO/LIQUAME TAL QUALE. All impianto di abbattimento dell azoto è inviata una miscela di digestato e di liquame suino tal quale controllata in automatico tramite PLC, il quale regolerà le portate di digestato e liquame tal quale in funzione dei valori impostati. Il rapporto fra i due flussi è impostato in funzione delle esigenze di denitrificazione, delle analisi dei rispettivi apporti e del rendimento dell impianto di digestione anaerobica. 1

35 CASO DI 2 TRATTAMENTO DIGESTATO DA BIOGAS 2. SEPARAZIONE SOLIDO/LIQUIDO Nella prima fase di trattamento i liquami precedentemente miscelati, dopo equalizzazione e raffreddamento, vengono convogliati ad una vasca di pompaggio e inviati alla fase di trattamento di separazione solido/liquido. Nel separatore, avviene la separazione della parte solida, la quale è raccolta in una platea per lo stoccaggio ed il successivo utilizzo agronomico, mentre la parte liquida viene pompata alle vasche di trattamento ad aerazione forzata di Nitrificazione/denitrificazione. 2

36 CASO DI 2 TRATTAMENTO DIGESTATO DA BIOGAS 3. NITRIFICAZIONE/DENITRIFICAZIONE La seconda fase di trattamento avviene nelle vasche dove ha luogo il processo di Nitrificazione/denitrificazione. Il tempo di ritenzione idraulica totale è di circa 40 giorni. Il sistema di aerazione trasferisce una quantità di aria differente in funzione della pressione di lavoro della pompa centrifuga e viene comandato a mezzo di variatore di frequenza (inverter) collegato ad una sonda per la misura dell ossigeno. Il processo di Nitrificazione/denitrificazione, in una prima fase aerobia, metabolizza il carico organico (COD) e nitrifica l ammoniaca a nitriti e nitrati. 3

37 CASO DI 3 TRATTAMENTO ACQUE REFLUE CASEIFICIO Tra gli insediamenti produttivi assoggettati alla normativa AIA, spesso, gli allevamenti suinicoli presentano come attività connessa un caseificio, il quale, in occasione di verifica ispettiva sarà soggetto al controllo dello scarico. Di prassi, le acque di rifiuto del caseificio sono costituite principalmente da acque di lavaggio cisterne apparecchiature e locali utilizzati per la produzione del formaggio e dalle acque reflue domestiche prodotte dall abitazione e dagli uffici annessi al caseificio.

38 CASO DI 3 TRATTAMENTO ACQUE REFLUE CASEIFICIO Nel corso delle verifiche ispettive sono state riscontrate situazioni non conformi sugli scarichi dei caseifici recapitati in corso idrico superficiale relativamente ai seguenti parametri rilevati fuori limite : COD; BOD 5 ; Forme azotate (azoto nitrico, nitroso, ammoniacale); Tensioattivi; Zinco (???FeCl3); Rame; 38

39 Grazie per l attenzione 39