La cinetica delle biomasse nei reattori a membrane

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1 Università degli Studi di Napoli Federico II Università degli Studi di Palermo Università degli Studi di Salerno Corso di Aggiornamento Bioreattori a Membrane (MBR) per la depurazione delle Acque La cinetica delle biomasse nei reattori a membrane Vanni Esposito, Università di Cassino e del Lazio Meridionale Palermo, 4-5 Luglio, 2013

2 Sommario Introduzione Cinetiche biologiche Modellazione delle fasi biologiche Modelli tradizionali Modelli per impianti MBR Impianto pilota Descrizione dell impianto Illustrazione dei risultati Calibrazione del modello Determinazione dei parametri Verifica dei valori con prove respirometriche Conclusioni

3 Cinetiche biologiche (crescita della biomassa) dove: dx dt dx dx = growth decay= µ * x b* x = ( µ b)x dt dt x = concentrazione di biomassa (M L -3 ); µ = velocità di crescita specifica della biomassa (T -1 ); b = velocità di decadimento specifica della biomassa (T -1 ). se la velocità di crescita specifica della biomassa è limitata solo dalla disponibilità del substrato: S µ = ˆ µ K s + S (Monod) where: µˆ = velocità massima specifica di crescita della biomassa (T -1 ); S = concentrazione di substrato (M L -3 ); K s = costante di semi-saturazione = conc. di substrato per cui: µˆ = ˆµ / 2 (M L -3 ).

4 Cinetiche biologiche (degradazione del substrato) dove: ds dt = 1 Y dx dt growth Y = coefficiente di resa cellulare e quindi: ds dt where: νˆ ˆ µ S = x = ˆ ν Y K S + S K S S + x S (Michaelis-Menten) = massima velocità specifica di rimozione del substrato (T -1 ) in altri termini: con: ds dt = νx ν = ˆ ν K S S + S

5 Modellazione delle fasi biologiche obiettivi Modello di verifica! Volume!? Influente Effluente Bioreattore Modello di dimensionamento Volume?!! Influente Effluente Bioreattore

6 Modellazione delle fasi biologiche CAS 0 influent 0 e SEDIMENTATION effluent OXIDATION sludge recycle e sludge waste Equazioni di bilancio di massa: QS ν VX = o S QS e RQ ( X ) + ( ν Y b) VX = ( R 1)QX r S +

7 Modellazione delle fasi biologiche CAS Risultati: Dimensionamento Verifica V = ( S ) Q S ν S o X e S e = K s RT ( R + 1 R α + b RT ) ( Y ˆ ν b) ( R + 1) + R α S R 1 = ν α 1 [ 1 ( Y b ) RT ] S X = ( S ) Q S ν o S V e where: α = ( ) X X r

8 Modellazione delle fasi biologiche pre-denitrificazione 0 influent 1 0 DENITRIFICATION (D) 1 mixed liquor recycle NITRIFICATION (N) e SEDIMENTATION effluent e sludge recycle sludge waste QS ( X ) + P VD ( X ) = ( R1 + R ( ων ν QS o R1 + R2 ) QSe DVD + ) D D o 1 [( X ) ( X ) ] Pe + R2QPe PVD ( X ) = ( R1 + R2 1) QP1 QP + R Q ν + r N ( N 4 ) o + ( R1 + R2 )Q( N 4 ) e εωνdvd ( X ) D = ( R1 + R2 1)Q( N 4 ) 1 Q + ( NO3 ) e νdvd ( X ) D = ( R1 + R2 1)Q( 3 ) 1 ( R1 + R2 )Q + NO D ( X ) + PVN ( X ) = ( R1 + R 1 QSe R + ν ν ) ( 1 R2 + 1) QS1 SVN N N 2 + ( X ) = ( R 1 + R 1 QP e ( 1 R 2 + 1) QP 1 P V N N 2 + R + ν ) 12 equazioni in 12 incognite ( N 4 ) 1 νnvn ( X AUT ) N ενsvn ( X ) N = ( R1 + R2 1)Q( 4 ) e ( R1 + R2 + 1)Q + N ( NO3 ) 1 + νnvn ( X AUT ) N = ( R1 + R2 1)Q( 3 ) e ( R1 + R2 + 1)Q + NO ( X ) r + R2Q( X ) N + ( ν D Y D b ) V D ( X ) D = ( R1 + R2 1 Q( X ) D R Q ) D 1 + ( X ) D + ( S Y b ) V N ( X ) N = ( R1 + R 1 Q( X ) N ( R + R + 1) Q ν ) N [( X ) r ( X ) N ]( X AUT ) N + R2Q( X AUT ) N = ( R1 + R2 1 Q( X AUT ) D R Q ) 1 + ( X AUT ) D + ( NYAUT baut ) VN ( X AUT ) N = ( R1 + R 1 Q( X AUT ) N ( R + R + 1) Q ν )

9 Modellazione delle fasi biologiche ASM1 S S N 2 decadimento X S idrolisi influente S S X X ND Crescita anossica S O Crescita aerobica X P effluente S NO decadimento X S idrolisi influente S Crescita N aerobica X A X ND ammonificazione S ND X P idrolisi effluente

10 Modellazione delle fasi biologiche ASM3 influente influente X S S S iidrolisi Stoccaggio Aerobico/Anossico Crescita anossica N 2 X STO S O X Respirazione endogena aerobica Respirazione endogena anossica X I X SS S N idrolisi S I effluente effluente S NO Crescita aerobica influente Crescita aerobica X A Respirazione endogena aerobica S N X I idrolisi S I Respirazione endogena anossica X X SS S N effluente effluente

11 Modellazione delle fasi biologiche SMP S SMP N 2 S UAP S I effluente influente S S Crescita anossica X S O Crescita aerobica decadimento S ND S BAP X I idrolisi X ND X S idrolisi S ND S BAP effluente S NO S UAP S I S ND effluente influente S N Crescita aerobica X A decadimento S BAP X I idrolisi X ND S ND effluente ammonificazione X S idrolisi S BAP

12 Modellazione delle fasi biologiche MBR S SMP N 2 S I effluente S UAP S I influente Stoccaggio S S Aerobico/Anossico Crescita anossica X STO X Crescita aerobica S O decadimento S BAP X I X S S N idrolisi SBAP effluente S NO S UAP S N S I effluente influente S N X A decadimento S BAP effluente Crescita aerobica X I X S idrolisi S BAP

13 Impianto pilota Descrizione termocriostato Scambiatore di calore R 1 R 2 r i c i r c o l o R 3 Fango di supero R 4 Effluente depurato Acqua di rete Aria Condotta del fluido scambiatore di calore Agitatore Rubinetto Elettrovalvola Pompa peristaltica Sensore di livello Sensore di p Sensore di ossigeno disciolto Sensore di pressione Compressore Flussimetro Troppopieno

14 Impianto pilota Funzionamento Caratteristiche principali del refluo COD (g m -3 ) 420 COD solubile (g m -3 ) 176,5 N-NO 2 (g m -3 ) 0 N-NO 3 (g m -3 ) 1,87 N-N 4 (g m -3 ) 4,6 TN (g m -3 ) 54,96 P-PO 4 (g m -3 ) 7,76 SO -- 4 (g m -3 ) 34 Carboidrati (g m -3 ) 36,88 Proteine (g m -3 ) 11,73 p 7,2 Condizioni di funzionamento Portata influente (l d -1 ) 105 Portata di ricircolo (l d -1 ) 315 Portata di supero (l d -1 ) 0,8 Volume fase anossica (l) 13,6 Volume fase aerobica (l) 30,8 Età del fango (d) 55,5

15 Impianto pilota Risultati COD OUT (mg/l) N-N 4 OUT (mg/l) N tot OUT (mg/l) /9 29/9 24/10 24/10 18/11 18/11 13/12 13/12 7/1 7/1 1/2 1/2 26/2 26/2 23/3 23/3 17/4 17/4 12/5 12/5 6/6 6/6 1/7 1/7 29/9 24/10 18/11 13/12 7/1 1/2 data campionamento 26/2 23/3 17/4 12/5 6/6 1/7 data campionamento data campionamento

16 Impianto pilota Effluente fase anossica REATTORE ANOSSICO COD solubile (gcod m -3 ) 72 N-NO 3 (gn-no 3 m -3 ) 12 N-N 4 (gn-n 4 m -3 ) 13 SSV (gcod m -3 ) 7.000

17 Impianto pilota Effluente fase aerobica REATTORE AEROBICO SMP (gcod m -3 ) 33 COD solubile (gcod m -3 ) 54 N-NO 3 (gn-no 3 m -3 ) 36 N-N 4 (gn-n 4 m -3 ) 0,3 SSV (gcod m -3 ) 9.000

18 Calibrazione del modello Coefficienti stechiometrici COEFFICIENTI STECIOMETRICI Coefficiente di rendimento per la biomassa eterotrofa in fase aerobica Coefficiente di rendimento per la biomassa eterotrofa in fase anossica CAL. VALORE LETT. Y,O 0,55 0,67 Y,NO 0,58 0,54 Coefficiente di rendimento per la biomassa autotrofa Y A 0,24 0,24 Coefficiente di rendimento dello stoccaggio aerobico Y STO,O 0,95 0,85 Coefficiente di rendimento dello stoccaggio anossico Y STO,NO 0,85 0,8 Coefficiente di formazione di UAP ad opera della biomassa eterotrofa Coefficiente di formazione di UAP ad opera della biomassa autotrofa γ UAP, 0,65 0,38 γ UAP,A 1,25 1,6

19 Calibrazione del modello Costanti cinetiche COSTANTI CINETICE VALORE CAL Velocità di stoccaggio k STO 4,2 5 Velocità di idrolisi k h 3 3 Velocità massima di crescita della biomassa eterotrofa µ,max 6 6 Velocità massima di crescita della biomassa autotrofa µ A,max 0,85 0,8 Costante di semisaturazione per il prodotti microbici K SMP 106 / Costante di semisaturazione per l N 4 K N 0,95 1 Tasso decadimento biomassa eterotrofa con formazione di sostanze sospese Tasso decadimento biomassa eterotrofa con formazione di sostanze solubili Tasso decadimento biomassa autotrofa con formazione di sostanze sospese Tasso decadimento biomassa autotrofa con formazione di sostanze solubili LET b 0,15 0,22 b BAP, 0,28 0,4 b A 0,03 0,05 b BAP,A 0,1 0,1 Perdita di X STO per decadimento della biomassa b STO 0,13 0,2

20 Calibrazione del modello Confronto dei risultati Parametro Mis Sim Componente modello REATTORE AEROBICO SMP (gcod m -3 ) S SMP COD solubile (gcod m -3 ) S S + S SMP + S I N-NO 3 (gn-no 3 m -3 ) S NO N-N 4 (gn-n 4 m -3 ) 0,3 0,3 S N SSV (gcod m -3 ) X +X A REATTORE ANOSSICO COD solubile (gcod m -3 ) S S + S SMP + S I N-NO 3 (gn-no 3 m -3 ) S NO N-N 4 (gn-n 4 m -3 ) S N SSV (gcod m -3 ) X +X A

21 Calibrazione del modello Analisi respirometriche Componenti: Reattori in vetro; Supporti sonde; Stirrer non riscaldato (completa miscelazione); Compressore per l ossigenazione; Sonde (ossigeno disciolto, p, T, potenziale redox); Elettrovalvole (controllo p con rilascio di acido o base); Unità di controllo (MARTINA).

22 Calibrazione del modello Analisi respirometriche Con aerazione discontinua il tasso di respirazione della biomassa (OUR) si ricava dalla pendenza di un tratto decrescente di ossigeno disciolto (DO) ad aerazione spenta; Parametri da impostare: tolleranza superiore ed inferiore (up toll e low toll), il numero di punti su cui calcolare l OUR, il mse (mean square error); Steps per la determinazione dell OUR: Aereazione fino ad un valore di DO superiore ad up toll; Raccolta dati fino ad un OUR calcolato sufficientemente preciso (mse < mseimposto); Nuova aereazione fino all up toll se DO è inferiore a low toll o se si ottiene il valore di OUR

23 Calibrazione del modello Analisi respirometriche: Y Coefficiente di resa cellulare (Y): Durata prova ore (funzione del tempo impiegato per raggiungere la fase endogena); Tre iniezioni di substrato sintetico (la seconda dopo l acclimatazione della biomassa al substrato); Determinazione dell area sottesa al diagramma di OUR tramite Metodo dei trapezi : AREA = ( OUR + OUR ) 1 2 t 2 Determinazione di Y tramite il consumo di ossigeno, al netto dell endogeno: Y = 1 O COD 2 deg radato

24 Calibrazione del modello Analisi respirometriche: Y 35 OUR (mgo2l -1 d -1 ) Y = 1 O COD 2 deg radato Tempo (h) Y = 0,53 Calibrato : Y = 0,55

25 Calibrazione del modello Analisi respirometriche: b Velocità di decadimento cellulare (b): Durata prova 72 ore (Raggiungimento della fase endogena); Iniezione iniziale di substrato sintetico; Interpolazione dei punti di OUR appartenenti alla sola fase endogena e determinazione di b: OUR end (t ) = b X,0 e b t

26 Calibrazione del modello Analisi respirometriche: b OUR (mgo2l -1 h -1 ) OUR end (t ) = b X, Tempo (h) e b t b = 0,22 d -1 Calibrato : b = 0,15 d -1

27 Calibrazione del modello Analisi respirometriche: µ Velocità di crescita della biomassa (µ): Durata prova circa 48 ore (funzione del tempo impiegato per raggiungere la fase endogena); Iniezione di substrato sintetico tale da assicurare un rapporto substrato/biomassa superiore a 4 (affinché il substrato non sia limitante per la crescita microbica); Determinazione di µ,max dall equazione della linea di tendenza nella fase di crescita microbica (eliminando la fase iniziale e quella endogena): OUR(t) = 1 Y Y µ,max + b X,0 e ( µ,max b )t

28 Calibrazione del modello Analisi respirometriche: µ OUR (m go2l -1 t -1 ) OUR(t) = 1 Y Y µ,max + b X,0 e ( µ,max Tempo (h) b )t µ, max = 5,7 d-1 Calibrato : µ, max = 6 d -1

29 Calibrazione del modello Confronto con dati di letteratura COSTANTI CINETICE VALORE MIS LET Velocità massima di crescita della biomassa eterotrofa µ, max 5,7 6 Coefficiente di rendimento per la biomassa eterotrofa in fase aerobica Tasso decadimento biomassa eterotrofa con formazione di sostanze sospese Y 0,53 0,67 b 0,22 0,22

30 Grazie per l attenzione Massimiliano Fabbricino Università degli Studi di Napoli Federico II fabbrici@unina.it Giovanni Esposito Università degli Studi di Cassino e del Lazio Merdionale giovanni.esposito@unicas.it

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