Esercitazioni sul processo a fanghi attivi

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1 Esercitazioni sul processo a fanghi attivi Corso di Ingegneria Sanitaria-Ambientale/ Tecnologie di risanamento ambientale Riccardo Gori

2 Reattore CSTR senza ricircolo della biomassa In un reattore CFSTR a flusso continuo senza ricircolo della biomassa, viene alimentata una portata Q, con concentrazione di COD biodegradabile pari a 100, 200 o 300 mgcod/l. Determinare la concentrazione del substrato in uscita e della biomassa nel reattore ed in uscita dallo stesso. Si analizzi l effetto del tempo di residenza idraulica sulle concentrazioni del substrato in uscita e della biomassa nel reattore ed in uscita. Si assuma una temperatura di 20 C.

3 Coefficienti cinetici della biomassa a 20 C Coefficiente Unità di misura Range μ max tasso di crescita massimo d -1 2 K s Costante semisaturazione mgbod 5 /L mgcod/l 40 Y Fattore di resa k d Decadimento endogeno mgssv/mgbod 0.6 d

4 Andamento della biomassa e del substrato in funzione di S in e H calcolate H (d) S (mg/l ) (Sin = 300 mg/l) (Sin = 200 mg/l) (Sin = 100 mg/l)

5 Andamento della biomassa e del substrato in funzione di S in e H H (d) S (mg/l) (Sin = 300 mg/l) (Sin = 200 mg/l) (Sin = 100 mg/l) washout washout Washout washout Washout washout

6 S, (mg/l) Andamento della biomassa e del substrato in funzione di S in e H se Sin = 300 mg/l se Sin = 200 mg/l se Sin = 100 mg/l Sout TetaH (d)

7 TetaHmin (d) - 1/TetaHmin (1/d) Andamento del H min in funzione di S in /TetaHmin (1/d) TetaHmin (d) Sin (mg/l)

8 Reattore CSTR senza ricircolo della biomassa Cosa accade se la temperatura di funzionamento del reattore si discosta dal valore di 20 C? Si devono correggere i parametri cinetici con formule di tipo Arrhenius. Parametro (T) = C (T-20) Per il parametro μ max il parametro assume tipicamente il valore di 1.07 Per il parametro k d il parametro assume tipicamente il valore di 1.04

9 Reattore CSTR senza ricircolo della biomassa S (mg/l) T ( C) max (d -1 ) k d (d -1 ) T = 10 C T = 15 C T = 20 C T = 25 C T = 30 C teta H (d)

10 Reattore CSTR senza ricircolo della biomassa Riprendiamo l esercizio del reattore CFSTR a flusso continuo senza ricircolo della biomassa, alimentato con una portata Q, con concentrazione di COD biodegradabile pari a 100, 200 o 300 mgcod/l. Nell ipotesi che l alimentazione al reattore contenga esclusivamente COD solubile e biodegradabile, determiniamo la concentrazione dei solidi totali nel reattore ed in uscita dallo stesso. Si assuma una temperatura di 20 C.

11 Reattore CSTR senza ricircolo della biomassa Quella che abbiamo visto in precedenza è la produzione di biomassa. Nella realtà la produzione di fanghi non è solamente quella derivante dalla crescita della biomassa. Ci sono altre sorgenti : Solidi volatili derivanti dal decadimento cellulare (1 - f d ) k d k d f d

12 Reattore CSTR con ricircolo della biomassa I solidi sospesi volatili (SSV) all interno del reattore, quindi, non saranno costituiti esclusivamente da biomassa ma anche dai residui del decadimento cellulare (che sono anch essi SSV) e che possiamo considerare non biodegradabili per cui tendono ad accumularsi nel reattore. Per calcolare la concentrazione di questa frazione effettuiamo un bilancio di massa tenendo conto che la concentrazione nell influente è ovviamente nulla. d p V Q p0 Q p rpv dt Il rateo di produzione di p sarà legato al decadimento della biomassa: rxp fd kd

13 La produzione di fanghi e solidi Ed in condizioni di stato stazionario si ha: d p V Q p0 Q p rpv dt 0 0 p fd kd H Per cui la concentrazione di solidi volatili sarà data da: Y( S S) f k 0 SSV p d d H 1kd H P, bio

14 La produzione di fanghi e solidi S, (mg/l) Assumendo gli stessi valori per i parametri cinetici e stechiometrici già visti e aggiungendo il valore di f d = 0.2 possiamo calcolare P e SSV. p fd kd H Sout SSV = +p p (su asse dx) TetaH (d)

15 Reattore CSTR con ricircolo della biomassa Ai solidi sospesi all interno del reattore possono contribuire anche: - SSV non biodegradabili (nbssv) che quindi non saranno rimossi e contribuiranno ad incrementare la concentrazione dei SSV; - altri SS non volatili (isst) cioè composti minerali che non saranno interessati dai processi biologici. Questi non daranno alcun contributo ai SSV ma contribuiranno ad incrementare la concentrazione dei SST all interno del reattore. Scriviamo un bilancio di massa per queste due frazioni: 0 d i V Qi,0 iq riv dt d( isst ) V Q isst0 i isst Q risst V dt 0

16 Reattore CSTR con ricircolo della biomassa In condizioni stazionarie avremo: 0 d i V Qi,0 iq dt 0 d( isst ) V Q isst0 i isst Q dt i,0 isst isst 0 i Per cui avremo che: SSV = + P + I Tiene conto del fatto che la biomassa utilizza anche sostanze minerali per crescere. SST = (1/0.85) + (1/0.85) P + I + isst

17 Reattore CSTR con ricircolo della biomassa S, (mg/l) Ad esempio, mantenendo invariati tutti gli altri dati ed assumendo: nbssv = 50 mg/l isst = 30 mg/l Avremo: Sout p nbssv isst SSV SST TetaH (d)

18 Reattore CSTR senza ricircolo della biomassa Restiamo ancora sul medesimo esercizio ed andiamo a calcolare la quantità di biomassa prodotta all interno e facendone un confronto con il valore calcolato in base al fattore di resa. Calcolo della biomassa prodotta e della produzione teorica in base al fattore di resa. Teta H Sout con S0 1 Q Px Yobs

19 Reattore batch In un reattore batch vengono immessi: - sostanza organica biodegradabile in concentrazione iniziale pari a 2000 mgcod/l - biomassa in concentrazione iniziale pari a 10 SSV/l Calcolare l andamento del substrato e della biomassa nel tempo, conoscendo i seguenti parametri: - Massimo tasso di crescita: 0.5 d-1 - Tasso di decadimento endogeno: 0.05 d-1 - Fattore di resa: 0.5 mgssv/mgcod - Costante semisaturazione: 100 mgcod/l

20 S (mg/l) Reattore batch S TetaH (d)

21 Reattore batch In un reattore batch vengono immessi: - sostanza organica biodegradabile in concentrazione iniziale pari a 2000 mgcod/l - biomassa in concentrazione iniziale pari a 10 mgssv/l Tenendo conto della concentrazione di ossigeno disciolto pari a 1 mg/l, calcolare l andamento del substrato e della biomassa nel tempo, conoscendo i seguenti parametri: - Massimo tasso di crescita: 0.5 d-1 - Tasso di decadimento endogeno: 0.05 d-1 - Fattore di resa: 0.5 mgssv/mgcod - Costante semisaturazione: 100 mgcod/l

22 S (mg/l) Reattore batch S S con DO limitante con DO limitante TetaH (d) 0

23 Schema di processo a miscelazione completa Q w, Con estrazione fango dal reattore Q, S 0 Q e, S, e, V, S Q r, r, S Volume di controllo Con estrazione fango dalla linea di ricircolo Q, S 0, V, S Q r, r, S Q e, S, e Q W, r

24 Bilancio di massa: biomassa Impostiamo i bilanci di massa per biomassa e substrato Ricordiamo cosa significa bilancio di massa: Accumulo = Ingresso Uscita + Crescita netta Sostituendo: d/dt V = Q 0 [Q w + Q e e ] + V r g 0 0 ; r g = Yr su k d ; d/dt = 0 (condizione stazionarie) E dividendo tutti i membri per V, si ha: (Q w + Q e e )/V = Y r su / k d 1 c Y rsu kd '

25 Bilancio di massa: substrato In analogia, sviluppando un bilancio del substrato si ha: ds/dt V = QS 0 [Q w S + Q e S] - r su V In condizioni stazionarie ds/dt = 0 ed osservando che Q e = Q-Q w si ha: r su = Q (S 0 -S) / V = (S 0 -S)/ H Dall equazione di bilancio della biomassa abbiamo visto che: 1/ c = Y r su / k d (1) c Y( S0 S) ( 1 k ) H d c

26 Equazioni di progetto Sostituendo nell equazione 1/ c = Y r su / k d l espressione di Monod (che lega il rateo di utilizzo del substrato con la concentrazione del substrato stesso, il tasso di crescita della biomassa e il fattore di resa della biomassa) cioè: r su max Y S K S S ks K S S ed esplicitando in funzione di S si ottiene: (2) S KS (1 ckd ) ( k ) 1 c Le due equazioni esplicitate in ed S rappresentano le equazioni di progetto, in analogia con quanto visto nel caso dello schema senza ricircolo. max d

27 Reattore CSTR senza ricircolo della biomassa Ad un reattore CFSTR a flusso continuo con ricircolo della biomassa, viene alimentata una portata Q, con concentrazione di COD biodegradabile pari a 300 mgcod/l. Determinare la concentrazione del substrato e di biomassa nel reattore ed in uscita dallo stesso. Si analizzi l effetto del tempo di residenza cellulare ( c ) e del tempo di ritenzione idraulica ( H ) sulle concentrazioni del substrato e di biomassa nel reattore ed in uscita dallo stesso. Si assuma che la temperatura nel reattore si pari a 12 C.

28 Reattore CSTR con ricircolo della biomassa Valori C Coeff Tipical Value Unit Range Projet Value μ H,max 6,00 d -1 3,0-13,2 6,00 Tasso max di crescita K S 20,00 gbcod/m 3 5,0-40,0 20,00 Velocità di dimezzamento Y H 0,40 gvss/gbcod 0,3-0,5 0,40 Coefficiente di resa k dh 0,2 d -1 0,06-0,5 0,2 Tasso di decadimento endogeno f d 0,15 adim 0,08-0,20 0,15 Residuo endogeno da lisi cellulare Correggo i parametri cinetici in funzione della temperatura (12 C) tramite : parametro (@ T ) parametro (@ 20) ( T 20) Coefficiente θ Tipical Value Unit Range Valore scelto Valore per μ H,max 1,07 adim 1,03-1,08 1,07 Valore per k d 1,04 adim 1,03-1,08 1,04 μ H,max (T) 3,49 d -1 K d (T) 0,146 d -1

29 Reattore CSTR con ricircolo della biomassa Nel caso di reattore con ricircolo della biomassa, le due equazioni esplicitate in ed S che rappresentano le equazioni di progetto sono: (1) c H Y( S 0 S) 1 k d c (2) S KS (1 ckd ) ( k ) 1 c max d Calcoliamo il valore di S e in funzione del tempo di residenza cellulare ( c ) e del tempo di ritenzione idraulica ( H )

30 Reattore CSTR con ricircolo della biomassa S (mg/l) Vediamo per prima cosa l andamento del substrato in funzione del c. Calcoliamoci quanto vale S per i seguenti valori di c : 0,2 0,3 0,35 0, d Teta C Sout Sout Teta c (d)

31 Reattore CSTR con ricircolo della biomassa (mg/l) Il valore di dipende ANCHE da H. Vediamo l andamento di in funzione di H per fissato valore di c (ad es. 1 d). Teta H (d) (mgssv/l) Teta H (d)

32 Reattore CSTR con ricircolo della biomassa S,, Yobs, Px Andamenti di in funzione di c per diversi valori di H S [mgbod5/l] (0,1d)/10 [mgvss/l] (0,2d)/10 [mgvss/l] (0,3d)/10 [mgvss/l] So=500 [mg/l], Ks=20 [mg/l], kd=0,06 [1/d], Y=0,4, k=2 [1/d] Età del fango [d] (0,4d)/10 [mgvss/l] Px/10 [kgvss/d]

33 La produzione di fanghi e solidi In analogia a quanto abbiamo visto nel caso del reattore CSTR senza ricircolo della biomassa, quella che abbiamo visto in precedenza è l andamento della concentrazione di biomassa. Nella realtà, oltre alla biomassa, i solidi che sono presenti nel reattore, saranno costituiti anche da altre frazioni oltre la biomassa: Solidi volatili derivanti dal decadimento cellulare; Solidi volatili non biodegradabili presenti nell influente (nbssv) Solidi non volatili presenti nell influente (solidi fissi) (isst). Scriviamo i bilanci di massa di tali frazioni. dp P V Solidi derivanti dal decadimento cellulare Q P, 0 rp V dt P fd kd c c

34 La produzione di fanghi e solidi Solidi volatili non biodegradabili nbssv: d V i i V Q i,0 ri V dt c Ed in condizioni di stato stazionario si ha: i i,0 c H Solidi non volatili nell influente (isst): d( isst ) isst V V Q isst0 risst V dt c Ed in condizioni di stato stazionario si ha: c isst isst 0 H

35 La produzione di fanghi e solidi Per cui la concentrazione di solidi volatili ( SSV ) sarà data da: Y ( S S) f k c 0 c SSV P i d d c i 0 H 1kd c H La concentrazione di solidi totali ( SST ) sarà data da: 1 c Y( S0 S) c c SST P i fd kd c i 0 isst H 1 kdsrt H H

36 La produzione di fanghi e solidi Per mantenere il processo in condizioni di stato stazionario, DOBBIAMO rimuovere una determinata quantità di solidi (che chiameremo fango) dal reattore. In mancanza di tale rimozione il sistema non sarà in stato stazionari e le condizioni di processo (concentrazioni nel reattore ed in uscita da questo) varieranno nel tempo. La quantità di solidi che dobbiamo rimuovere determina la PRODUZIONE DI FANGO. Per calcolare la produzione di fango dobbiamo ricordarci della seguente relazione: P x V c

37 La produzione di fanghi e solidi La produzione di solidi volatili sarà data da: Y Q ( S S) Y Q ( S S) P f k Q 0 0, SSV d d c i 0 1 kd c ( 1 kd c ) Oppure in modo equivalente: P x,bio Y Q ( S0 S) P, SSV fd kd V i 0 Q Q ( SST0 SSV0 ) 1 kdc La produzione di solidi totali sarà data da: P x,bio P 1 Y Q ( S0 S), SST fd kd V i0 Q Q ( SST0 SSV k dc 0 )

38 La produzione di fanghi e solidi Le frazioni di biomassa attiva e SSV rispetto ai solidi totali dipendono dall età del fango ed in particolare si riducono all aumentare di tale parametro. La frazione biomassa/sst e SSV/SST possono essere valutate dal rapporto tra le rispettive produzioni P, biomassa P, SST biomassa SRT V SRT V SST biomassa SST P P, SSV, SST SSV V SRT SRT V SST SSV SST

39 La produzione di fanghi e solidi Per cui la frazione di biomassa rispetto ai solidi totali si riduce all aumentare dell età del fango.

40 Esercizio di dimensionamento di un reattore biologico a fanghi attivi Dimensionamento di un rettore a fanghi attivi. Caratteristiche cinetiche e stechiometriche sono quelle già viste in precedenza. bcod 240 mg/l BOD mg/l T min 12 C nbssv 9.4 mg/l isst 12 mg/l Q m 3 /d

41 Esercizio di dimensionamento di un reattore biologico a fanghi attivi Impongo il valore finale di substrato che desidero in uscita (COD biodegradabile o bcod) S 1 SRT K SRT S 1 kd H SRT kd 1 H, max H Da tale formula di progetto possiamo ricavare l età del fango che permette di ottenere il valore desiderato in uscita HS Ks S Fissiamo il valore del substrato in uscita (supponiamo pari a 87mgbCOD/L) e sostituendo le costanti cinetiche riferite alla temperatura di 12 C si ottiene: kd H ' SRT H 2.69d

42 Esercizio di dimensionamento di un reattore biologico a fanghi attivi Si ricava dunque un età del fango pari a : SRT 0. 37d Posso calcolare il valore di età del fango minima: da cui S / SRT k d H,max 0 1 min dh, Ks S SRTmin 0. 33d

43 Esercizio di dimensionamento di un reattore biologico a fanghi attivi Calcolo della produzione di fango P x, bio Q YH ( S0 S) fd kd Q Y H ( S0 S) c 1 1 k k d c d c A: contributo della biomassa eterotrofa B: contributo dei residui cellulari (f d : frazione di biomassa che si ritrova sottoforma di residui cellulari e che deriva dal processo di decadimento endogeno) Calcolo P x,bio

44 Esercizio di dimensionamento di un reattore biologico a fanghi attivi Calcolo della produzione di fango Y Q ( S S) Y Q ( S S) P f k Q 0 0, SSV d d c i 0 1 kd c ( 1 kd c ) 1 Y Q ( S0 S) P, SST fd kd V i 0 Q Q ( SST0 SSV0 ) kdc Calcolo P xssv e P xsst

45 Esercizio di dimensionamento di un reattore biologico a fanghi attivi Fissata l età del fango (0.37 d) abbiamo ricavato i diversi contributi della produzione di solidi (fango). Da questo ultimo dato è possibile, calcolare la massa di TSS che devo tenere dentro i reattori biologici (massa di MLTSS = mixed liquor total suspended solids): Massa di MLTSS = c (d) P xsst (KgTSS/d) Quindi possiamo ricavare il volume del reattore biologico definendo una concentrazione di solidi. Impongo MLTSS e ricavo V e H

46 Esercizio di dimensionamento di un reattore biologico a fanghi attivi Determinare il rapporto tra le frazioni bio, SSV, e SST. P, biomassa P, SSV biomassa SSV P, biomassa P, SST biomassa SRT V SRT V SST biomassa SST P P, SSV, SST SSV V SRT SRT V SST SSV SST

47 Esercizio di dimensionamento di un reattore biologico a fanghi attivi - 2 Dimensionamento di un rettore biologico con ricircolo della biomassa, per il trattamento di acque reflue con due biomasse caratterizzate da caratteristiche cinetiche differenti. Supponiamo che oltre alla sostanza organica, il reattore debba rimuovere anche un altro tipo di substrato (ad es. azoto ammoniacale). Chiameremo questo secondo substrato S A e la biomassa che è in grado di rimuovere tale substrato A. L influente al reattore ha le caratteristiche indicate in tabella. bcod 240 mg/l IMPORTANTE: solo la biomassa può utilizzare il substrato sostanza organica e solo la biomassa A può utilizzare il substrato S A. BOD mg/l S A 40 mg/l T min 12 C nbssv 9.4 mg/l isst 12 mg/l Q m 3 /d

48 Reattore CSTR con ricircolo della biomassa Valori C della biomassa Coeff Tipical Value Unit Range Projet Value μ H,max 6,00 d -1 3,0-13,2 6,00 Tasso max di crescita K S 20,00 gbcod/m 3 5,0-40,0 20,00 Velocità di dimezzamento Y H 0,40 gvss/gbcod 0,3-0,5 0,40 Coefficiente di resa k dh 0,2 d -1 0,06-0,5 0,2 Tasso di decadimento endogeno f d 0,15 adim 0,08-0,20 0,15 Residuo endogeno da lisi cellulare Correggo i parametri cinetici in funzione della temperatura (12 C) tramite : parametro (@ T ) parametro (@ 20) ( T 20) Coefficiente θ Tipical Value Unit Range Valore scelto Valore per μ H,max 1,07 adim 1,03-1,08 1,07 Valore per k d 1,04 adim 1,03-1,08 1,04 μ H,max (T) 3,49 d -1 K d (T) 0,146 d -1

49 Esercizio di dimensionamento di un reattore biologico a fanghi attivi - 2 Caratteristiche biomassa A Coeff Tipical Value Unit Range Project Value μ A,max 0,75 d -1 0,20-0,90 0,75 K A 0,74 gn-nh 4+ /m 3 0,5-1,0 0,74 Y A 0,17 gvss/gs A 0,17 0,17 k d,a 0,08 d -1 0,05-0,15 0,08 Massimo tasso di crescita Costante di mezza velocità Resa Tasso decadimento end. K O, A 0,50 mgo 2 /L 0,40-0,60 0,50 Per la correzione dovuta alla temperatura utilizzo valori di letteratura: Coeff Tipical Value Unit Range Project Value valori θ (μ A,max ) 1,07 adim 1,06-1,123 1,07 valori θ (K A ) 1,053 adim 1,03-1,123 1,053 valori θ (k d,a ) 1,04 adim 1,03-1,08 1,04 μ A,max (T) 0,44 d -1 K N (T) 0,49 gnh 4 -N/m 3 K d,a (T) 0,06 d -1 μ A 0,12 d -1

50 Esercizio di dimensionamento di un reattore biologico a fanghi attivi - 2 Per prima cosa vediamo cosa accade se fissiamo c a 3 d. Fissato il valore di c posso andare a determinare la concentrazione di stato stazionario. Come possiamo capire se il valore di c pari a 3 d è sufficiente per permettere una certa rimozione del substrato? Dobbiamo calcolarci il valore di c min per le due biomasse e confrontarlo con il valore di c scelto. Calcoliamoci il valore di c min per le due biomassa e A.e facciamolo in condizioni di ossigeno disciolto (DO) non limitante e con DO pari a 1,5 mg/l.

51 Esercizio di dimensionamento di un reattore biologico a fanghi attivi Vediamo adesso il valore atteso della sostanza organica e di S A in condizioni di SS con il valore di c selezionato (3 d). Devo applicare direttamente l espressione: S K SRT S 1 kd H SRT kd 1 H, max H separatamente per i due substrati e considerando le caratteristiche della biomassa in grado di utilizzare il rispettivo substrato. S (c 3d) = 3,18 mg/l S A, (c 3d) = 6,4 mg/l c, min = 0,32 d c, min A = 2,7 d

52 Esercizio di dimensionamento di un reattore biologico a fanghi attivi Supponiamo, adesso che il substrato S debba uscire ad una concentrazione di 20 mg/l ed il substrato S A debba uscire ad una concentrazione di 4 mg/l. Quale valore di c devo scegliere per il mio reattore? Devo utilizzare la relazione che mi permette di ricavare l età del fango in funzione del valore del substrato in uscita: 1 SRT HS Ks S kd H ' H SRT = 0,63 d SRT A = 3,23 d

53 Esercizio di dimensionamento di un reattore biologico a fanghi attivi Quale valore di c devo scegliere tra i due calcolati? Devo scegliere quello maggiore! Quale sarà la concentrazione di S e SA in uscita? Nel caso del substrato consumato dalla biomassa che richiede il c più alto, la concentrazione è quella già calcolata in precedenza. Per l altro substrato devo applicare la relazione: con il valore di c selezionato. S K SRT S 1 kd H SRT kd 1 H, max H

54 Esercizio di dimensionamento di un reattore biologico a fanghi attivi Calcolo della produzione di fango P x, bio Q YH ( S0 S) fd kd Q Y H ( S0 S) c 1 1 k k d c d c Questa espressione va applicata per entrambe le biomasse. Pxbio () (kg/d) Pxbio ( A ) (kg/d) Totale (kg/d)

55 Esercizio di dimensionamento di un reattore biologico a fanghi attivi Calcolo della produzione di fango Y Q ( S S) Y Q ( S S) P f k Q 0 0, SSV d d c i 0 1 kd c ( 1 kd c ) i0 Q (kg/d) 100 Y Q ( S0 S) P, SST fd kd V i 0 Q Q ( SST0 SSV0 ) 1 kdc i0 Q (kg/d) 125 P SSV (kgssv/d) 920 P SST (kgsst/d) 1045 Qual è la percentuale della biomassa e A sui SSV e SST?

56 Esercizio di dimensionamento di un reattore biologico a fanghi attivi Fissata l età del fango abbiamo ricavato i diversi contributi della produzione di solidi (fango). Da questo ultimo dato è possibile, calcolare la massa di TSS che devo tenere dentro i reattori biologici (massa di MLTSS = mixed liquor total suspended solids): Massa di MLTSS = c (d) P xsst (KgTSS/d) Massa di MLTSS = 3.23 (d) 1020 (KgSST/d) = 3292 kgsst

57 Esercizio di dimensionamento di un reattore biologico a fanghi attivi Quindi possiamo ricavare il volume del reattore biologico definendo una concentrazione di solidi. Impongo MLTSS (range tipico mgsst/l) Fissiamo ad esempio MLTSS = 3000 mgsst/l = 3 kgsst/m 3 e ricavo V = 3292 / 3 = 1100 m 3 H = V/Q = 1100/10400 = 2.53 h

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