TECNOLOGIE PER L OTTIMIZZAZIONE DEL CICLO DEPURATIVO: RIMOZIONE AZOTO, RISPARMIO ENERGETICO E RIDUZIONE FANGHI

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1 TECNOLOGIE PER L OTTIMIZZAZIONE DEL CICLO DEPURATIVO: RIMOZIONE AZOTO, RISPARMIO ENERGETICO E RIDUZIONE FANGHI IL RIUTILIZZO DELLE ACQUE DI SCARICO INDUSTRIALI E CIVILI: LE OPPORTUNITA E LE TECNOLOGIE PIU RECENTI G. Guglielmi, G. Andreottola Prato, 14 giugno 01

2 OUTLINE Driver: ottimizzazione di infrastrutture esistenti Tecnologie per rimozione N Tecnologie per riduzione consumi EE Tecnologie per riduzione fanghi di supero Conclusioni

3 TRATTAMENTI BIOLOGICI CONVENZIONALI 1.Ossidazione dell ammoniaca a nitriti (richiede ossigeno) by AOBs.Ossidazione dei nitriti a nitrati (richiede ossigeno) by NOBs 3.Riduzione dei nitrati a nitriti (richiede fonte di carbonio) 4.Riduzione di nitriti a azoto gassoso (richiede fonte di carbonio) NH NH 4 + NITRIFICAZIONE NITRITAZIONE + NITRATAZIONE 1.5O 0.5O NO - NO AOB NOB Batteri autotrofi Processo aerobico NO 3 - (1+). (3+4). DENITRIFICAZIONE.86/(1-Y H ) mgcod/mgn NO - 3 NO - N Batteri eterotrofi Processo anossico Soluzione ideale per reflui con: Basse concentrazioni di azoto (N tot <100mg/l); COD/N>5-6,5 AOB = Ammonio ossidanti (Ammonia - oxidizing bacteria) NOB = Nitrito ossidanti (Nitrite - oxidizing bacteria) 3 Nitrificazione AOB + NOB + autotrophic Bacteria NH O HCO NO HO CO Denitrificazione 5C + 4NO + HO CO + HCO + N hetotrotrophic Bacteria 3 3 4NH + 8O + 5C + 4 HCO N + 10 H O+ 9CO Elevato fabbisogno energetico per la Nitrificazione (aerazione); DO =,0 mg/l Fornitura di una fonte esterna di carbonio per la fase di denitrificazione; Eventuale fornitura di alcalinità.

4 AERAZIONE INTERMITTENTE - Cos è - Predenitrificazione Aerazione intermittente

5 AERAZIONE INTERMITTENTE - Predenitrificazione e aerazione intermittente - Vantaggi aerazione intermittente Più efficiente dal punto di vista energetico Gestione soffianti ottimale Assenza ricircolo miscela aerata Riduzione EE: 10-50% Più flessibile Modifica automaticamente la proporzione fra nitrificazione e denitrificazione in funzione di carichi e condizioni al contorno Cicli ON/OFF: 10-0/d Migliore qualità dell effluente Rimozione N: > 80%

6 AERAZIONE INTERMITTENTE - Approccio classico - Ci sono diversi approcci, alcuni brevettati Un approccio prevede il monitoraggio in tempo reale dei parametri indiretti (ossigeno, ph, ORP) per scegliere quando aerare Si smette di aerare quando l ossigeno aumenta bruscamente Si riprende ad aerare al flesso della curva dell ORP

7 AERAZIONE INTERMITTENTE - Limiti dell approccio classico - I punti di variazione ottimale non sono sempre facili da identificare Il punto di nitrificazione ottimale può essere difficile da dedurre se l ossigeno cresce molto rapidamente I problemi a determinare i punti di variazione ottimale sono più gravi quando il sistema è aerato eccessivamente, sovraccaricato o sottocaricato La concentrazione delle forme azotate non è controllata direttamente, quindi è più complesso il rispetto dei limiti di legge sull ammoniaca È sempre utilizzabile?

8 AERAZIONE INTERMITTENTE - Controller OSCAR - Optimal Solutions for Cost Abatement in nutrients Removal Controllo diretto della concentrazione di ammoniaca e dei nitrati: Conoscenza diretta dei parametri oggetto di limiti normativi Riduzione delle interferenze da parte di ioni non azotati Possibilità di scegliere i parametri in funzione degli obiettivi gestionali Doppio controllo in feed-back e in feed-forward: Protezione da incrementi rapidi del carico di azoto da trattare Maggiore sicurezza ed efficienza

9 ANALISI DELLA GIORNATA TIPICA - Ossigeno - Si notano i cicli di aerazione intermittente Le due misure mostrano andamenti simili, ma valori diversi I valori di set point sono raggiunti

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11 Trattamenti biologici non convenzionali - (Parziale) nitrificazione - AOB + autotrophic Bacteria 4 + 1, NH O HCO NO HO CO Minore richiesta di ossigeno Strategie per ottenere la Nitritazione NH NH 4 + NITRITATION 1.5O 0.5O NO - NO AOB NOB Bacteria Autotrophic NO 3 - operare con temperature > 5 C in modo da favorire la crescita dei microrganismi che ossidano l ammoniaca a nitriti (AOB) rispetto ai microrganismi che ossidano i nitriti a nitrati (NOB). In questo modo è possibile regolare l HRT per il washout degli NOB; Strategia alla base del processo SHARON (Single reactor High activity Ammonia Removal Over Nitrite) (T=35 C e HRT=SRT=1 - d) diminuire la concentrazione dell ossigeno disciolto facendo leva sulla minore affinità degli NOB con l O (DO <,0 mg/l); aumentare la concentrazione di ammoniaca (NH 3 ), agente inibente per gli NOB limitandone di conseguenza la crescita

12 Trattamenti biologici non convenzionali - ANAMMOX - Anammox Source: autotrophic Bacteria 4 + 1,3 + 0, ,13 1,0 + 0,6 3 +,03 + 0,066 1,5 0,15 NH NO HCO H N NO H O CHO O Fattori inibitori: DO (inibizione reversibile) ph< 6,5 ph>9,5 T<10 C Alcuni tipi di sostanza organica (es. metanolo) Planctomiceti (Candidatus Brocadia anammoxidans e Kuenenia stuttgartiensis) Scoperto negli anni 90; Processo anaerobico; Ossidazione dell ammoniaca utilizzando l NO - come accettore di e -. - Nessuna richiesta di carbonio - Lenti tassi di crescita (tempi di duplicazione 11 d) e quindi bassa produzione di fango CRITICITA Reattori con un efficiente sistema di ritenzione della biomassa Lunghi periodi di start-up Influenza negativa sul processo Anammox di alti valori di DO, C e NO - Jetten, M S M, Wagner, M, Fuerst, J, van Loosdrecht, Mark C M, Kuenen, J G, Strous, Marc (001). Microbiology and application of the anaerobic ammonium oxidation ('anammox') process. Current opinion in biotechnology.

13 Shortcuts per la rimozione di N Processo di Nitritazione Denitrificazione via nitrito Nitritazione AOB + autotrophic Bacteria 4 1,5 3 3 Denitrificazione hetotrotrophic Bacteria NH + O + HCO NO + HO+ CO 3C 4NO + + HO CO + 4HCO 3 + N Processo Parziale Nitritazione - Anammox Parziale Nitritazione * 4 NH + 1,5 O + HCO NO + 3HO + CO % NH NO + Anammox Anammox + autotrophic Bacteria 4 + 1,3 + 0,6 3 + NH NO N NO HO * Ossidazione di solo il 50-60% di N-NHN NH + 4 valori tipici del digestato HCO - 3 / N-NHNH + ~ 4 1

14 Trattamenti biologici non convenzionali - (Parziale) nitrificazione - (PARZIALE) NITRITAZIONE NH NH O 0.5O NO - NO AOB NOB Batteri autotrofi NO 3 - DENITRIFICAZIONE Risparmio di ossigeno nel processo di nitrificazione (<5%) Riduzione della richiesta di fonte esterna NO - N di carbonio per la denitrificazione (<40%) Batteri eterotrofi Riduzione della produzione di fanghi 1,71/(1-Y H ) mgcod/mgn Soluzioni ideali per reflui con: ANAMMOX NH + 4 NO - N Batteri autotrofi Risparmio di ossigeno nel processo di nitrificazione (<40-60%) Eliminazione della fonte esterna di carbonio Riduzione della produzione di fanghi Alte concentrazioni di azoto > mg/l COD/N < 5 Elevati ph (7-9) e T(>0-5 5 C)

15 -stages processes Doppio stadio Parziale Nitritazione Anammox NO 3 1. Tipiche temperature: o C. Riduzione del 40% della richiesta di ossigeno rispetto al processo convenzionale nitro-denitro 3. Eliminazione della fonte di carbonio esterna 4. Soluzione appropriata in caso di alimentazione con sostanze tossiche o elevate concentrazioni di sostanza organica biodegradabile. Il primo reattore Anammox (75 m 3 ) è stato realizzato a Rotterdam (Olanda) e prevedeva la combinazione con un processo di parziale Nitritazione (SHARON process). 15

16 Single-stage processes Singolo stadio NO 3 Parziale Nitritazione + Anammox 1. Tipiche temperature: o C. Configurazione impiantistica compatta 3. Minori costi di investimento 4. Condizioni microaerobiche ( DO < 1mg/l) 5. Riduzione del 60% della richiesta di ossigeno rispetto al processo convenzionale nitro-denitro 6. Eliminazione della fonte di carbonio esterna 7. Configurazione più stabile e flessibile alle variazioni di carico. A questo processo sono stati dati nomi diversi: CANON, OLAND, DEMON, SNAP. In condizioni microaerobiche gli AOB ossidano l ammonio in nitriti consumando l ossigeno disciolto (DO) e creando un ambiente anossico dove i batteri Anammox possono esistere e convertire l ammoniaca e i nitriti in N gas e produrre una piccola quantità di nitrati. 16

17 Sintesi comparativa Proce sso Configurazione impiantistica Alime ntazio ne T ( C) DO ( mg / l) ANR* ( kg N/ m 3 d) Fattori di controllo Rif. SBR 30 <0,1 0,06 Sliekers et al. (00) CANON - Completely Autotrophic nitrogen removal over nitrite Air pulsing SBR Sludge liquor 1 0,5 0,36 Padìn et al. (009) Airlift Syntetic - 0,5 1,5 DO, ammonia, Sliekers et al. (003) UASB Sludge liquor 30 External 0,06 AOB population Ahn & Choi (006) aeration 0,6 MBBR Sludge liquor 30 1,8 0,36 Cema et al. (006) MABR Syntetic 35 0,5 0,77 Gong et al. (007) DEMON - DEamMONification SBR Sludge liquor 8 0,3 0,70 Time, ph, DO Wett (007) OLAND - Oxygen limited autotrophic nitrification and denitrification RBC Sludge liquor 14 1,0 0,4 - Pynaert et al. (004) SBR Syntetic 33 low 0,05 Time, ph, Kuai et al. (1998) SBR, high rate - - 1,058 Time, ph Pynaert et al. (003) Aerobic Deammonification RBC Leachate - - 0,6 - Hippen et al (1997) SNAP Single Stage Nitrogen Removal + biomass carrier Leachate 35 0,5,5 0,31-0,45 HRT, aeration rate, T, ph Lieu et al. (005) * ANR = Nitrogen Removal rate by Anammox bacteria Fattori di controllo DO, T, NO -, ph, tempi, modalità di aerazione, Sistemi di ritenzione della biomassa, tipo di biomassa (biomassa sospesa, sistemi granulari, biofilm). 17

18 accettori di elettroni O, NO 3 ossidazione H O + CO Composti organici biodegradabili energia SCHEMA SEMPLIFICATO DELLA PRODUZIONE DI FANGHI refluo influente composti inerti morte cellulare Crescita biomassa Funzioni di mantenimento Fanghi di supero 1) sostanza biodegradabile ossidazione crescita di biomassa e mantenimento ) composti particolati inerti accumulo nei fanghi per bioflocc./sedim. 3) morte cellulare rilascio di sostanza organica nuova biomassa cellulare (crescita criptica) residuo endogeno inerte (0%)

19 Meccanismi di riduzione fanghi I meccanismi su cui si basano le tecniche di riduzione sono: lisi cellulare e crescita criptica: rappresenta il meccanismo su cui si basa la gran parte delle tecniche sviluppate metabolismo disaccoppiato metabolismo endogeno: comunemente sviluppato nella digestione aerobica e anaerobica predazione di batteri ossidazione ad alta temperatura incremento della biodegradabilità dei composti inerti: non esiste una tecnologia esclusivamente dedicata, ma si verifica in concomitanza con altri meccanismi

20 Tecniche di riduzione fanghi - Linea acque - TECNOLOGIE MECCANISMI LISI CELLULARE E CRESCITA CRIPTICA idrolisi enzimatica trattamento meccanico trattamento fisico con ultrasuoni trattamento termico idrolisi chimica e termo-chimica METABOLISMO DISACCOPPIATO aggiunta di composti chimici disaccoppianti aggiunta reattore anaerobico side-stream METABOLISMO ENDOGENO tecnologia Membrane Biological Reactor (MBR) PREDAZIONE DEI BATTERI impiego di protozoi e metazoi ossidazione con O 3, H O,... trattamento elettrico combinazione dei precedenti trattamenti

21 Tecniche di riduzione fanghi - Linea fanghi - TECNOLOGIE MECCANISMI LISI CELLULARE E CRESCITA CRIPTICA idrolisi enzimatica trattamento meccanico trattamento fisico con ultrasuoni trattamento termico METABOLISMO ENDOGENO digestione aerobica digestione anaerobica OSSIDAZIONE AD ALTA TEMPERATURA ossidazione a umido ossidazione supercritica idrolisi chimica e termo-chimica ossidazione con O 3, H O,... trattamento elettrico combinazione dei precedenti trattamenti

22 1 LISI CELLULARE E CRESCITA CRIPTICA Trattamenti che causano la morte cellulare lisi cellulare rilascio del contenuto cellulare substrato biodegradabile conseguente crescita di altra biomassa (crescita criptica) complessivo calo della produzione di fango COD sint /COD rimosso Y H = 0.67 (aerobico) accettori di elettroni O, NO 3 ossidazione H O + CO 0.43 (crescita criptica) refluo influente Composti organici biodegradabili energia Funzioni di mantenimento composti inerti morte cellulare TRATTAMENTO ESTERNO DI LISI CELLULARE Crescita biomassa Fanghi di supero

23 Come promuovere la lisi cellulare idrolisi enzimatica con/senza aggiunta di enzimi: idrolisi in reattori aerobici termofili trattamento meccanico (disintegrazione con mulini, omogeneizzatori, ) trattamento fisico con ultrasuoni trattamento termico ( C) idrolisi chimica e termo-chimica (composti acidi/alcalini + temperatura) ossidazione con ozono, H O o clorazione trattamento elettrico combinazione dei precedenti trattamenti

24 INTEGRAZIONE CON LA LINEA ACQUE TRATTAMENTO CHIMICO Ossidazione con ozono La tecnica dell ozonizzazione conta già applicazioni a scala reale ad esempio il sistema Biolysis O, (Ondeo-Degrémont), OEI, Prolysis Prominent stoccaggio ossigeno puro generatore di ozono vasche a fanghi attivi reattore di contatto sedimentatore secondario ricircolo fanghi il fango viene in parte ossidato ed in parte solubilizzato; il lisato viene inviato alla vasca a fanghi attivi ove avviene al crescita criptica pregi Tecnologia applicata a scala reale Miglioramento della sedimentabilità del fango limiti Alti costi di gestione per ozono Incremento del COD solubile inerte e di P nell effluente Consumo aggiuntivo di ossidante per la degradazione di composti solubili e colloidali

25 INTEGRAZIONE CON LA LINEA FANGHI TRATTAMENTO FISICO-MECCANICO Trattamento con ultrasuoni Il sistema consiste di un generatore di ultrasuoni a frequenza da 0 a 40 khz associato ad un sonotrodo immerso in un reattore di contatto (in continuo o in batch) La cavitazione ultrasonica causa la disintegrazione del fango e la solubilizzazione di parte del COD particolato. migliora il contatto tra sostanza organica, enzimi e batteri con incremento della biodegradazione del fango e della produzione di biogas. vasche a fanghi attivi sedimentatore secondario pregi limiti fanghi di supero pre-ispessitore generatore di ultrasuoni ricircolo fanghi sonotrodo reattore di contatto digestore anaerobico disidratazione Tecnologia applicata a scala reale Affidabilità di funzionamento (alto grado di ricerca e di sviluppo) Sistema compatto Migliore disidratabilità del fango Nessuna generazione di odori Abrasione del sonotrodo Elevato consumo di energia

26 INTEGRAZIONE CON LA LINEA ACQUE TRATTAMENTO FISICO-MECCANICO Trattamento con ultrasuoni Il sistema consiste in un generatore di ultrasuoni (frequenza 0-40 khz) e in un sonotrodo Cavitazione ultrasonica bolle che implodono e generano alte temperature e pressioni disgregazione fango e rottura delle cellule L azione chimica-fisica di lisi degli ultrasuoni favorisce la solubilizzazione e la biodegradabilità del fango vasche a fanghi attivi sedimentatore secondario pregi limiti generatore di ultrasuoni ricircolo fanghi sonotrodo reattore di contatto Tecnologia applicata a scala reale Affidabilità di funzionamento (alto grado di ricerca e di sviluppo) Sistema compatto Abrasione del sonotrodo Elevato consumo di energia

27 METABOLISMO DISACCOPPIATO Disaccoppiamento tra catabolismo e anabolismo priva i batteri dell energia per la sintesi di nuove cellule cala il rendimento di crescita della biomassa riduzione della produzione di fango accettori di elettroni O, NO 3 AZIONE DI DISACCOPPIAMENTO METABOLICO ossidazione H O + CO Composti organici biodegradabili energia refluo influente Funzioni di mantenimento composti inerti morte cellulare Crescita biomassa Fanghi di supero

28 Come promuovere il disaccoppiamento metabolico composti chimici disaccoppianti,4-dinitrofenolo (dnp) para-nitrofenolo (pnp) pentaclorofenolo (PCP) 3,3,4,5-tetraclorosalicilanilide (TCS) sottoporre il fango attivo a condizioni cicliche aerobiche ed anaerobiche attraverso l inserimento di un digestore anaerobico side-stream - processo OSA (Oxic-Settling-Anaerobic), ossidazione sedimentazione anaerobiosi

29 INTEGRAZIONE CON LA LINEA ACQUE TRATTAMENTO BIOLOGICO Trattamento con reattore anaerobico side-stream a temperatura ambiente processo Oxic-Settling-Anaerobic (processo OSA) processo Cannibal alternanza di condizioni aerobiche/anaerobiche sludge fasting/feasting, cioè alternanza di fame/abbondanza il meccanismo di base è il disaccoppiamento metabolico è necessario garantire assenza di substrato e bassi valori di ORP refluo in ingresso con apporto di substrato ossidazione substrato (FEASTING) ricircolo fanghi sedimentatore secondario pregi Tecnologia applicata a scala reale Facilità di inserimento del reattore anaerobico in un impianto esistente Costi contenuti di realizzazione e gestione limiti Aumento del P nell effluente Sono necessari ulteriori approfondimenti per stabilire le condizioni operative ottimali reattore anaerobico side - stream (FASTING) Miglioramento della sedimentabilità del fango Controllo della crescita degli organismi filamentosi

30 INTEGRAZIONE CON LA LINEA FANGHI TRATTAMENTO BIOLOGICO Digestione con fasi alternate aerobiche/anossiche fasi aerobiche ed anossiche sequenziali nel tempo e regolate con temporizzatori o con controllo on-line di parametri quali ORP e ph vasche a fanghi attivi sedimentatore secondario Teoricamente sussistono le basi per una riduzione dei fanghi: Y anossico = 0.30 mgssv/mgcod Y aerobico = 0.45 mgssv/mgcod Le esperienze indicano che la riduzione dei SST è trascurabile Sistema molto efficiente per: - ridurre carico di azoto inviato in testa - risparmio economico per la minore durata dell aerazione pregi limiti ricircolo fanghi ph pre-ispessitore ORP digestione aerobica/anossica controllo aerazione ON/OFF disidratazione Tecnologia applicata a scala reale Facilità di implementazione nel digestore aerobico Bassi costi di realizzazione e gestione Riduzione del carico di N inviato nella linea acque Riduzione della produzione di fanghi poco significativa aria compressore

31 3 METABOLISMO ENDOGENO Metabolismo endogeno = assenza di substrati esterni. I microrganismi consumano l energia: - prima per il mantenimento - dopo sintetizzano nuova biomassa Se si massimizza l energia impiegata nelle funzioni di mantenimento, diminuisce l energia utilizzata per la sintesi cellulare Infatti è noto che: La produzione di fanghi è minore negli impianti con lunga età del fango e basso carico applicato o basso F/M refluo influente accettori di elettroni O, NO 3 Composti organici biodegradabili composti inerti ossidazione morte cellulare H O + CO energia Crescita biomassa AZIONE DEL METABOLISMO ENDOGENO Funzioni di mantenimento Fanghi di supero

32 Come promuovere il disaccoppiamento endogeno digestione convenzionale aerobica o anaerobica impianti a fanghi attivi a basso carico, ovvero ad aerazione estesa reattori MBR operanti con elevate concentrazioni di biomassa lunghe età del fango e basso carico del fango Sistemi a biomassa granulare In questi sistemi è teoricamente possibile che: Energia fornita dalla biodegradazione dei substrati = Richiesta di energia per il solo mantenimento La produzione di nuova biomassa tenderebbe a zero

33 Conclusioni Ottimizzazione dei processi convenzionali è possibile con controller avanzati per rimozione N e risparmio energetico, con bassi CAPEX Trattamento dei surnatanti da DA e reflui con bassi C/N: particolarmente interessante l implementazione del processo di parziale nitritazione + Anammox, in quanto non richiede fonti esterne di carbonio Riduzione fanghi: molte alternative affidabili per crescita criptica e disaccoppiamento metabolico è possibile identificare la soluzione tailor-made

34 GRAZIE PER L ATTENZIONE Ing. Giuseppe Guglielmi, PhD giuseppe.guglielmi@etc-eng.it T/F + 39 (0) M