Contenimento dei costi di smaltimento mediante la riduzione delle quantità di fanghi prodotti con l utilizzo di ozono

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1 Risparmio energetico ed efficienza gestionale negli impianti di sollevamento e trattamento delle acque Roma, 31 Maggio 2012 Contenimento dei costi di smaltimento mediante la riduzione delle quantità di fanghi prodotti con l utilizzo di ozono Riccardo Gori Claudio Lubello Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale - Università di Firenze

2 Introduzione Depurazione delle acque reflue mediante processi biologici: L obiettivo dei trattamenti biologici delle acque è quello di rimuovere i solidi non sedimentabili e di stabilizzare la materia organica ed i nutrienti presenti (azoto e fosforo). Accettori di elettroni H2O + CO 2 O2,NO3 Refluo influente Composti organici biodegradabili Composti inerti Energia Crescita biomassa Funzioni di mantenimento Fanghi di supero

3 Introduzione Gestione e smaltimento dei fanghi provenienti dagli impianti di depurazione delle acque reflue 1. Aumento quantità di fanghi di supero prodotta 2. Limitazioni alle alternative di smaltimento Innalzamento dei limiti di qualità dei fanghi per il loro spandimento sul suolo; Limiti più restrittivi sulle caratteristiche dei rifiuti conferiti in discarica; Necessità di limitare al massimo l uso della discarica come soluzione di smaltimento; Limitato numero di impianti di termovalorizzazione Incremento dei costi di gestione e smaltimento

4 Tecniche di minimizzazione della produzione dei fanghi biologici Meccanismo Tecniche Metabolismo disaccoppiato Metabolismo endogeno Predazione di batteri Ossidazione ad alta temperatura Lisi cellulare e crescita criptica Aggiunta di prodotti chimici disaccoppianti (A) Aggiunta reattore anaerobico side-stream (A) Bioreattori a Membrana (MBR) (A) Digestione aerobica (F) Riduzione Digestione della anaerobica produzione (F) di Impiego di protozoi e metazoi (A) fanghi Ossidazione da supercritica smaltire (F) Ossidazione ad umido (F) Idrolisi enzimatica (A, F) Trattamento meccanico (A, F) Trattamento fisico con ultrasuoni (A, F) Trattamento termico (A, F) Idrolisi chimica e termochimica (A, F) Ossidazione con O 3, H 2 O 2, (A, F) Trattamento elettrico (A, F) Combinazione trattamenti precedenti (A, F) N.B. A : applicazione in linea acque; - F : applicazione in linea fanghi

5 Ozonizzazione dei fanghi biologici Il processo di ozonolisi prevede il trattamento con ozono del fango attivo presente nell impianto, finalizzato alla riduzione dei solidi sospesi. L ozonizzazione interviene direttamente sulla riduzione dei solidi sospesi mediante: solubilizzazione, ed eventuale mineralizzazione, del residuo endogeno e delle sostanze organiche non biodegradabili; disintegrazione dei fiocchi, con successiva lisi cellulare e conseguente rilascio di sostanza organica in forma colloidale e solubile; solubilizzazione e mineralizzazione di substrati biodegradabili. Il fango trattato viene poi reinviato ad un reattore biologico della linea acque o linea fanghi, dove le frazioni biodegradabili prodotte durante l ozonizzazione, sono utilizzate come substrato dai microrganismi presenti.

6 Ozonizzazione dei fanghi biologici

7 Ozonizzazione dei fanghi biologici nella Linea Acque Obiettivo: Accelerare la lisi cellulare, con il rilascio di sostanza organica nella soluzione liquida, che viene in parte ossidata dall ozono. Il fango ozonizzato viene poi reinviato al reattore biologico della linea acque. Effetti positivi: riduzione produzione di fango biologico (dal 30 al 70% in media); miglioramento delle caratteristiche di sedimentabilità del fango (riduzione problemi di bulking e foaming); aumento di substrato per la denitrificazione Possibili effetti negativi: riduzione di efficienza della nitrificazione; aumento di COD inerte e di nutrienti nell effluente; incremento dei costi.

8 Ozonizzazione dei fanghi biologici nella Linea Fanghi Obiettivo: Accelerare la lisi cellulare, con il rilascio di sostanza organica nella soluzione liquida, che viene in parte ossidata dall ozono. Effetti positivi: aumento dell efficienza di abbattimento dei SSV; aumento della produzione di biogas nei digestori anaerobici; miglioramento delle caratteristiche di sedimentabilità del fango. Possibili effetti negativi: rilascio di COD inerte e di nutrienti; accumulo di materiale inerte nel fango; incremento dei costi.

9 Ottimizzazione del processo di ozonizzazione dei fanghi L ozono può dare luogo ad effetti diversi che dipendono da numerosi fattori quali: - le caratteristiche del fango - la composizione delle acque reflue in ingresso - le condizioni di processo - la filiera di trattamento ed i volumi a disposizione E sempre opportuno procedere con studi pilota che permettano: - di ottimizzare il dosaggio dell ozono in relazione agli obiettivi del trattamento - indagare sui potenziali effetti negativi indotti dal processo ed individuare le possibili soluzioni di eliminazione o contenimento di tali effetti

10 L impianto di depurazione di Sabaudia (LT) Capacità di trattamento tot: A.E. Linea 1 : A.E. Linea 2 : A.E. Depuratore (Bel sito) Q min (invernale) = m 3 /d Q max (estiva) = m 3 /d scarico LINEA ACQUE Sollevamento di testa Grigliatura media Dissabbiatura Denitrificazione (V tot =715 m 3 ) Ossidazione-nitrificazione biologica a fanghi attivi (V tot =2044 m 3 ) Sedimentazione secondaria (S tot =494 m 2, V u,tot =1736 m 3, L stramazzo =212 m) SABAUDIA (LT) LINEA FANGHI Ricircolo fanghi Digestione aerobica (V tot =1313 m 3 ) Ispessimento (V tot =177 m 3 ) Disidratazione meccanica e su letti di essiccamento

11 Applicazioni del processo di Ozonolisi all impianto di Belsito

12 Indicazioni di processo: Portata di ricircolo trattata Q O3 = 70 m 3 /h Serbatoio criogenico di ossigeno (1500 litri di O 2 ) Dosaggi O 3 : Specifiche impianto ozonizzazione O 3 prodotto per ora: KgO / 3 h O 3 per unità di SST ozonizzati: KgO d 3 ( Q dig C SST 1 ) ozonizzato serbatoio per l'ossigeno liquido O 3 per unità di SST nel digestore: KgO d 3 V dig 1 C dig SST Stima dei consumi (da Rivoira): 10 kwh per ogni kg di O 3 prodotto 10 kg di O 2 per kg di O 3 prodotto 10 kw la potenza della pompa di ricircolo 1 m 3 /h di acqua di raffreddamento per kg di O 3 prodotto vista dello skid di oznolisi

13 Programma attività di analisi

14 Cronoprogramma attività sperimentale Fase A: Applicazione Ozono in Vasca di Digestione Funzionamento in continuo (1) Durata = 22/02-31/ KgO 3 h = 0.16 go3 KgSST ( ozonizzati) = go3 KgSST ( digestore) (2) Durata = 01/04-24/06 KgO h = go Kg = SST ( ozonizzati) SST ( digestore) go Kg (3) Durata = 25/06-23/ KgO 3 h = 1.23 go3 KgSST ( ozonizzati) = go3 KgSST ( digestore) Fase B: Applicazione Ozono sulla linea acque

15 Risultati FASE A: sedimentabilità fango e qualità effluente C SST = mg/l DSVI ml/g kg O 3 /h 0.50 kg O 3 /h 0.67 kg O 3 /h DSVI A.E. 40 SST Surnatante A.E d SST mg/l h mar 23-mar 13-apr 04-mag 25-mag 24-giu 13-lug 20-lug 0.06 kg O 3 /h 0.50 kg O 3 /h 0.67 kg O 3 /h min 30 45

16 Risultati FASE A: COD totale e solubile mg/l COD IN COD OUT 0.06 kg O 3 /h 0.50 kg O 3 /h 0.67 kg O 3 /h 0 d COD solubile IN COD solubile OUT 0.06 kg O 3 /h 0.50 kg O 3 /h 0.67 kg O 3 /h mg/l d

17 Risultati FASE A: Frazionamento COD Senza O kg O 3 /h 0.67 kg O 3 /h Influente digestore Influente digestore Si Si Ss 0% Ss 0% 0% 0% Influente digestore Influente digestore Si Si0% Ss Ss 0% 0% 0% Influente Influente digestore digestore Si 1% Si 0% Ss 0% Ss 0% Xs 48% Ss Xs Xi Xs 34% Xs 34% Ss Ss Xs Xs Xi Xi Xs 47% Ss Ss Xs Xs Xi Xi Xi 52% Xs 48% Si Si Si Xi 53% Xs 47% Si Si Xi 52% Xi 66% Xi 66% Xi 52% Effluente Effluente digestore digestore Si Ss 0% 0% Ss 0% 0% Effluente Effluente digestore digestore Si Si 1% 1% Ss 0% Ss 0% Effluente digestore Si Si 1% Ss Ss 1% 0% 0% Xs 28% Xs 28% Ss Xs Xs 18% Xs 28% Ss Ss Xs Xs Xs 25% 25% Ss Ss Xs Xs Xi Xi Xi Xi Xi Si Si Si Si Si Xi Xi 72% 72% Xi 71% Xi 81% Xi Xi 74% 74%

18 1000 Risultati FASE A: Azoto e Fosforo 800 TKN IN TKN OUT TKN solubile IN TKN solubile OUT mg/l kg O 3 /h 0.50 kg O 3 /h 0.67 kg O 3 /h 0 d mg/l P IN P OUT P solubile IN P solubile OUT 0.06 kg O 3 /h 0.50 kg O 3 /h 0.67 kg O 3 /h d

19 Risultati FASE A: SST e SSV SST IN SST OUT 8000 mg/l kg O 3 /h 0.50 kg O 3 /h 0.67 kg O 3 /h d SSV IN SSV OUT 8000 mg/l kg O 3 /h 0.50 kg O 3 /h 0.67 kg O 3 /h d

20 Efficienze di abbattimento per SST e SSV Linea A.E. SST SSV IN OUT IN OUT Valori medi mensili [mg/l] [mg/l] % [mg/l] [mg/l] % marzo % % aprile % % maggio % % giugno % % luglio % % Linea A.E. SST SSV IN OUT IN OUT Valori medi mensili [mg/l] [mg/l] % [mg/l] [mg/l] % marzo % % aprile % % maggio % % giugno % % luglio % %

21 Efficienze di abbattimento per SST e SSV: Linea X i Qi V, X u X u Qu V dx dt Bilancio digestore aerobico u = Q i X i Q u X u k d X u V Q i = Q u V = cos t k d = Q ( X X ) X i u V u 0,10 0,08 0, kg O 3 /h 0.50 kg O 3 /h 0.67 kg O 3 /h k d = 0.01 d -1 k d = 0.03 d -1 k d = 0.02 d -1 d -1 0,04 0,02 0,00-0, d

22 Produzione fanghi impianto Belsito (LT) ton gen f eb mar apr mag giu lug ago % -77% 120 ton/mese % 2008/ giu lug ago

23 Stima economica : dosaggio 0.50 kg O3/h maggio 2010 Concentrazione Uscita Ispessitore mg/l Portata da ispessitore m 3 /d Portata SST da ispessitore kg SST/d Concentrazione Uscite Ispessitore mg/l Portata Fanghi Uscita Ispessitore con ozono 8 m 3 /d Portata SST da ispessitore kg SST/d Portata SST da ispessitore senza ozono (ipotizzata da linea ) 494 kg SST/d Abbattimento produzione fanghi 64% Costo Smaltimento Quantità Fango Secco prodotto su Quantità Fango Smaltita dopo Nastropressa su Costo Smaltimento con Ozonolisi Dosaggio Ozono Costo EE Costo O2 Costo Ozono ora Costo Ozono Giorno Costi EE Accessori (Pompa Etc) Costi Complessivi Con Ozonolisi Quantità Fango Secco prodotto su Quantità Fango Smaltita dopo Nastropressa su Stima Costi Smaltimento senza Ozonolisi 140 /Ton 177 Kg/d 1109 Kg/d 1,109 Ton/d 155 /Giorno 0,5 kg/h 0,12 /Kwh 0,145 /Kg 1,33 /h 31,8 /Giorno 14,4 /Giorno 201 /Giorno 494 Kg/d 3085 Kg/d 3,085 Ton/d 432 /Giorno Risparmio giornaliero 231 Risparmio mensile 7.147

24 Stima economica : dosaggio 0.50 kg O3/h giugno 2010 Concentrazione Uscita Ispessitore mg/l Portata da ispessitore m 3 /d Portata SST da ispessitore kg SST/d Concentrazione Uscite Ispessitore mg/l Portata Fanghi Uscita Ispessitore con ozono 7 m 3 /d Portata SST da ispessitore kg SST/d Portata SST da ispessitore senza ozono (ipotizzata da linea ) 934 kg SST/d Abbattimento produzione fanghi 85% Costo Smaltimento Quantità Fango Secco prodotto su Quantità Fango Smaltita dopo Nastropressa su Costo Smaltimento con Ozonolisi Dosaggio Ozono Costo EE Costo O2 Costo Ozono ora Costo Ozono Giorno Costi EE Accessori (Pompa Etc) Costi Complessivi Con Ozonolisi Quantità Fango Secco prodotto su Quantità Fango Smaltita dopo Nastropressa su Stima Costi Smaltimento senza Ozonolisi 140 /Ton 140 Kg/d 875 Kg/d 0,875 Ton/d 122 /Giorno 0,5 kg/h 0,12 /Kwh 0,145 /Kg 1,325 /h 31,8 /Giorno 14,4 /Giorno 169 /Giorno 934 Kg/d 5835 Kg/d 5,835 Ton/d 817 /Giorno 24 Risparmio giornaliero 648 Risparmio mensile

25 Stima economica : dosaggio 0.67 kg O3/h luglio 2010 Concentrazione Uscita Ispessitore mg/l Portata da ispessitore m 3 /d Portata SST da ispessitore kg SST/d Concentrazione Uscite Ispessitore mg/l Portata Fanghi Uscita Ispessitore con ozono 17 m 3 /d Portata SST da ispessitore kg SST/d Portata SST da ispessitore senza ozono (ipotizzata da linea ) 1029 kg SST/d Abbattimento produzione fanghi 64% Costo Smaltimento Quantità Fango Secco prodotto su Quantità Fango Smaltita dopo Nastropressa su Costo Smaltimento con Ozonolisi Dosaggio Ozono Costo EE Costo O2 Costo Ozono ora Costo Ozono Giorno Costi EE Accessori (Pompa Etc) Costi Complessivi Con Ozonolisi Quantità Fango Secco prodotto su Quantità Fango Smaltita dopo Nastropressa su Stima Costi Smaltimento senza Ozonolisi 140 /Ton 366 Kg/d 2285 Kg/d 2,285 Ton/d 320 /Giorno 0,67 kg/h 0,12 /Kwh 0,145 /Kg 1,78 /h 42,6 /Giorno 14,4 /Giorno 377 /Giorno 1029 Kg/d 6432 Kg/d 6,432 Ton/d 900 /Giorno Risparmio giornaliero 524 Risparmio mensile

26 Stima economica Ipotesi: Abbattimento produzione fanghi (media: mag-giu-lug) = 71% Produzione annuale fanghi di riferimento = media 2008/2009 Costo produzione ozono (0.67 Kg/h) = 57 /d Costo impianto ozono = Rata mensile ammortamento (durata 10 anni, valore residuo nullo, tasso 4%) Costo smaltimento fanghi annuo Costo senza Ozono Costo con Ozono /anno /ton

27 Il trattamento di ozonizzazione dei fanghi di supero è stato applicato in piena scala sulla linea fanghi in di un impianto di depurazione a fanghi attivi convenzionale. Principali risultati ottenuti: CONCLUSIONI 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 (valore medio di 0,002 go 3 /gsst): risparmio netto di circa Sviluppi futuri Valutazione dell applicabilità dell ozonizzazione nella linea acque e confronti con i risultati ottenuti nella linea fanghi.