Trattamento reflui e rifiuti di cantina

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1 Trattamento reflui e rifiuti di cantina 11/Gennaio/2012 Lezione 7 Docente: Francesco Fatone Elementi di dimensionamento/progettazione di sistemi biologici a fanghi attivi Esempio di calcolo A- rimozione BOD

2 I processi biologici, spesso chiamati "trattamenti secondari", sono applicati per la conversione di sostanze organiche particolate o solubili. I processi biologici più comunemente utilizzati e trattati in questa sezione sono i processi a fanghi attivati. Altri tipi di processi biologici possono essere le lagune aerate, i filtri percolatori, i biodischi. Nel progetto di questo tipo di trattamento biologico devono essere fatte considerazioni sui seguenti aspetti: Selezione del tipo di reattore Criteri di carico Produzione di fanghi Sedimentazione Richiesta e trasferimento di ossigeno Richiesta di nutrienti Controllo degli organismi filamentosi Caratteristiche dell effluente 2

3 Selezione del tipo di reattore I fattori operativi che governano la scelta del reattore sono: La cinetica di reazione del processo. I due tipi di reattori più comunemente usati sono completamente miscelati (CSTR o a flusso continuo) e plug-flow (con flusso a pistone). È interessante notare che i tempi di ritenzione idraulica di molti di questi reattori sono circa gli stessi. Ciò è dovuto al fatto che la rimozione del substrato particolato e solubile è una reazione approssimativamente di ordine zero rispetto alla concentrazione di substrato e quasi di primo ordine rispetto alla concentrazione di microrganismi. La richiesta di trasferimento di ossigeno. In reattori convenzionali plug-flow è stato spesso osservato che non è possibile soddisfare la richiesta di ossigeno nella parte iniziale del reattore. Ciò ha portato allo sviluppo di modifiche come il processo di controllo dell aerazione, il processo step-feed, nel quale il refluo in ingresso è distribuito sulla lunghezza del reattore (generalmente su quattro punti) e il processo di miscelazione completa, dove l aria fornita pareggia o supera la richiesta. E questo oggi il processo maggiormente utilizzato. La natura del refluo da trattare. Poiché in un reattore completamente miscelato il refluo è distribuito uniformemente, appare decisamente più indicato rispetto ad un plug-flow in termini di resistenza a fenomeni di sovraccarico. 3

4 Le condizioni ambientali locali. Per quanto concerne la temperatura, una variazione di questo parametro porta a variazioni della velocità di reazione biologica (ad esempio una diminuzione da 18 a 10 C dimezza circa la velocità di reazione). Quando sono previste significative variazioni di temperatura del refluo, deve essere previsto l utilizzo di più reattori (CSTR o plug-flow) in serie. Il ph a valori acidi può inibire la flora batterica nitrificante e favorire invece i microrganismi filamentosi. Un refluo con bassi valori di alcalinità ha un debole potere tamponante e quindi può favorire l abbassamento del ph a causa della presenza di CO 2 della respirazione batterica. Le operazioni di costruzione e i costi di gestione. Spesso una valutazione economica, sia in termini di spese di investimento che di gestione, fa prevalere la scelta del processo ed il peso del trattamento biologico rispetto a quello fisico o chimico. 4

5 Rispetto dei criteri di carico I parametri operativi più comunemente utilizzati sono il rapporto alimento/microrganismi (F/M) e il tempo medio di residenza degli organismi ( mean cell residence time ), θ c, o età del fango. Il rapporto alimento/microrganismi (d -1 ) è definito come: F:M = S 0 /θx [kgcod/kgmlvss die] Dove: S 0 = concentrazione di BOD o COD in ingresso (mg/l) θ = tempo di ritenzione idraulica nella vasca di aerazione (V/Q = d) V = volume della vasca di aerazione (m 3 ) Q = portata in ingresso (m 3 /d) X = concentrazione di solidi volatili sospesi nella vasca di aerazione (mg/l) La relazione tra il rapporto F/M e la velocità specifica di utilizzazione del substrato U è: U = (F/M) x E/100 Dove: E = efficienza del processo (%) S = concentrazione di BOD o COD in uscita (mg/l) Risulta quindi che U = (S 0 -S)/θX 5

6 Il tempo medio di residenza degli organismi θ c può essere definito in due modi: Sulla base del volume della vasca di aerazione c Q w Vr X X Q X w e e Sulla base del volume di tutto il sistema ct Q w X t X Q X w e e Si raccomanda che il progetto del reattore sia basato sulla prima delle equazioni, sull assunzione che sostanzialmente tutta la conversione del substrato avvenga nella vasca di aerazione. La seconda equazione può eventualmente essere utilizzata dove notevoli percentuali di solidi (50% e oltre) sono presenti nel sedimentatore e nella zona di ricircolo del fango. In questo caso il calcolo della quantità di fango nel sedimentatore può essere determinata dalla misura dello strato di fango nella vasca e dalla concentrazione di solidi in ricircolo. L uso della seconda equazione è basato sull assunzione che il fango biologico passa alla respirazione endogena indifferentemente se il sistema si trova in condizioni aerobiche o anaerobiche. 6

7 La velocità specifica di utilizzazione del substrato U (F/M moltiplicato per l efficienza) può essere considerata come la misura della velocità alla quale il substrato (BOD) è utilizzato per unità di massa di organismi e θ c come la misura del tempo di residenza medio dei batteri nel sistema. La relazione tra θ c e F/M è: 1/ θ c = Y(F/M)(E/100) k d = YU k d Dove: Y è il coefficiente di resa degli organismi (kg di organismi prodotti per kg di sostanza organica rimossa e k d il coefficiente di decadimento endogeno (tempo -1 ). Tipici valori di F/M riportati in letteratura sono compresi tra 0.05 e 1.0 kgcod/kgmlvss per giorno mentre è stato verificato sperimentalmente che valori di θ c compresi tra 3 e 15 giorni (per la sola rimozione del C) consentono la produzione di un fango con eccellenti caratteristiche di sedimentabilità Tipicamente i tempi di residenza idraulica nelle vasche di aerazione variano da 4 a 8 ore e oltre. Il carico organico applicato (Organic Loading Rate, OLR) varia da 0.3 a più di 3 kgbod 5 /m 3 d. 7

8 Produzione di fango È importante conoscere con buona approssimazione la produzione di fango giornaliera poiché è un parametro che influenza l efficienza depurativa (si pensi alla nitrificazione) ed il progetto delle unità di gestione della linea fanghi necessarie al fine del suo trattamento e smaltimento. La quantità di fango prodotta può essere calcolata dalla seguente equazione: P x = Y obs Q(S 0 -S) La resa osservata Y obs è calcolata da: Y obs = Y/(1+k d θ c ) Da questa si evince come, ricadendo Y nell intervallo kgmlvss/kgcod (tipico 0.5 kgmlvss/kgcod) ed essendo k d pari a 0.05 giorni -1, l età del fango governi di fatto la resa del processo in termini di nuova biomassa prodotta: in particolare, alti valori di età del fango (oltre giorni) daranno rese osservate chiaramente inferiori ad Y, con valori tipici di circa kgmlvss/kgcod. 8

9 Richiesta e trasferimento di ossigeno La richiesta teorica di ossigeno può essere ricavata dal valore di BOD 5 del refluo e dalla quantità di organismi rimossi dal sistema al giorno. Se tutto il BOD è stato convertito ai prodotti finali, la domanda di ossigeno totale verrebbe calcolata convertendo il BOD 5 a BOD L usando un appropriato fattore di conversione. È risaputo che una parte è convertita in nuove cellule successivamente estratte dal sistema (fango di spurgo); quindi, se il BOD L delle cellule perdute è sottratto dal totale, il rimanente rappresenta la quantità da fornire al sistema. Nell equazione successiva il valore di BOD L di una mole di cellule è uguale a 1.42 volte la concentrazione di cellule. S + O 2 + energia C 5 H 7 NO 2 + 5CO 2 + 2H 2 O + NH 3 + energia Pertanto la richiesta teorica di ossigeno per la rimozione della sostanza organica carboniosa dal refluo in un sistema a fanghi attivi può essere calcolata come: KgO 2 /d = BOD L utilizzato (kg/d) 1.42 x organismi eliminati dal sistema (kg/d) O Q S S f Px f = fattore di conversione da BOD 5 a BOD L 9

10 Quando si deve considerare anche la nitrificazione, la richiesta totale di ossigeno può essere calcolata come somma dei kg di ossigeno necessari alla rimozione della sostanza organica e dei kg di ossigeno necessari per l ossidazione dell ammoniaca a nitrato come segue (4.33 fattore stechiometrico per l O 2 necessario rispetto ad N, al netto della sintesi cellulare): Q S0 S O2 1.42Px 4. 33QN 0 N f N 0 = TKN influente (mg/l) N = TKN effluente (mg/l) A questo punto, conosciuta l efficienza del trasferimento di ossigeno, è possibile determinare la quantità di aria richiesta. In sostanza l aria fornita al sistema deve: Soddisfare il carico di BOD del refluo Soddisfare la respirazione endogena degli organismi Consentire un adeguata miscelazione Mantenere una concentrazione minima di ossigeno disciolto nella vasca di aerazione (1-2 mg/l) F/M Tipo di diffusore Quantità d aria da fornire al sistema (m 3 /kgbod 5 rimosso) Non poroso > 0.3 Poroso <

11 Caratteristiche dell effluente Il contenuto di sostanze organiche (solubili e particolate) è il più importante parametro di qualità dell effluente. I principali costituenti della parte organica dell effluente da un processo di trattamento biologico sono i seguenti: Sostanze organiche solubili biodegradabili Sostanze sfuggite al trattamento biologico Sostanze formate come prodotti intermedi delle trasformazione Componenti cellulari degli organismi Materiale organico in sospensione Solidi biologici prodotti durante il trattamento sfuggiti alla sedimentazione finale Solidi organici colloidali in ingresso all impianto sfuggiti al trattamento e alla separazione Sostanze organiche non biodegradabili Sostanze originariamente presenti all ingresso dell impianto Sottoprodotti della degradazione biologica In un impianto a fanghi attivi perfettamente funzionante il BOD 5 effluente relativo al substrato carbonioso solubile varia da 2 a 10 mg/l, quello relativo al materiale organico in sospensione da 5 a 15 mg/l, quello relativo alle sostanze non biodegradabili da 2 a 5 mg/l. Complessivamente, quindi avremo valori medi di BOD 5 allo scarico < 30 mg/l. Lez 7 - trattamento reflui 11

12 Esempio : dimensionamento di un sistema a fanghi attivi completamente miscelato Dimensionare un processo a fanghi attivi completamente miscelato e la relativa sezione di sedimentazione secondaria per trattare 0.25 m 3 /s (900 m 3 /h) di refluo con un livello medio di BOD 5 di 250 mg/l. L effluente deve avere un BOD 5 di 20 mg/l o meno. Si assuma che la temperatura sia di 20 C e che siano valide le seguenti assunzioni: 1. La concentrazione di solidi sospesi volatili in ingresso al reattore è trascurabile 2. La frazione volatile della biomassa è MLVSS/MLSS in reattore = 80% 3. La concentrazione del fango di ricircolo = mg/l 4. La biomassa in vasca è MLVSS = 3500 mg/l 5. L età del fango è θ c = 10 d 6. I Solidi Sospesi nell effluente = 22 mg/l (65% del quale è considerabile BOD5) 7. Vale il rapporto BOD 5 = 0.68 x BOD L mentre il rapporto BOD L /MLVSS = La portata oraria di punta Qp = 2 volte la portata media 9. Y pari a 0.5 kgmlvss/kgcod e k d pari a 0.06 giorni -1 12

13 Soluzione PASSO N.1: CALCOLARE IL BOD TOTALE NELL EFFLUENTE La porzione biodegradabile dei solidi sospesi nell effluente è: % solidi degradabili x solidi sospesi nell effluente = 0.65(22 mg/l) = 14.3 mg/l PASSO N. 2: CALCOLARE IL BOD5 CHE PUO EFFLUIRE DAL TRATTAMENTO Il BOD 5 dei solidi sospesi nell effluente è: Per rispettare il limite di 20 mg/l allo scarico dovrà essere: BOD 5effluente = BOD 5solubile in che esce dal trattamento + BOD 5solidi sospesi nell effluente 20 mg/l = S + 14,3 mg/l S = 5,7 mg/l 13

14 PASSO N. 3: CALCOLARE L EFFICIENZA RICHIESTA DAL TRATTAMENTO L efficienza di trattamento sulla base del BOD solubile e totale è, rispettivamente: E = (S 0 -S)x100/S 0 = (250-5,7)x100/250 = 97,7% E = (250-20)x100/250 = 92% PASSO N. 4: CALCOLARE IL VOLUME DEL REATTORE E LA QUANTITA DI FANGO DA SPURGARE Il volume del reattore necessario per avere un BOD 5effluente = 6.2 mg/l può essere determinato tramite le equazioni: X 0 k d c cy S S 1 Sostituendo θ e risolvendo si ottiene: V r 3 m mgs mgs 10d ( mgx / mgs) 250 5,7 QY S0 S s l l c 4666m X 1 k mgx 1 dc d l d La biomassa generata e quindi la quantità di fango da spurgare si determina sulla base di Y obs : Y 0.5( gx / gs) Yobs 0.312gMLVSS / gbod 1 k 1 dc d d V r Q 3 14

15 La massa dei solidi volatili (MLVSS) generata è quindi pari a: 3 m mg mg Px YobsQS0 S ( g / g) , d l l kg d I solidi prodotti sono pari a MLVSS/0,8 = 1649 kg/d / 0,8 = 2061kg/d (MLSS) Dal momento che parte dei fanghi fugge con l effluente, la quantità di fango che deve essere effettivamente spurgata è inferiore e precisamente pari a: Fango da spurgare = MLSS prodotti SS persi con l effluente 2061 kg/d (0.25 m 3 /s) x 22 mg/l = 1586 kg/d 15

16 Nel caso in cui lo spurgo del fango venga effettuato dal reattore si assume che Q e = Q e che la concentrazione dei solidi sospesi volatili nell effluente è pari all 80% dei solidi sospesi. c Q w Vr X X Q X e e 3 mg 4694m d l 3 mg m Qw l s Q w = 360 m 3 /d mg l 0.8 Se lo spurgo è effettuato dal flusso di ricircolo (dove i fanghi sono concentrati a mg/l) si avrà Q w = 126 m 3 /d. PASSO N. 5: CALCOLO RAPPORTO DI RICIRCOLO E TEMPO DI RESIDENZA IDRAULICO Il rapporto di ricircolo ottimale del sistema si ricava dal bilancio di materia della biomassa effettuato sul reattore. MLVSS reattore (Q + Q r ) = MLVSS ricircolo Q r Il tempo di residenza idraulico per il reattore è: Q S 0 X, V r, S Q r, S, X r sediment atore Q e, S, X e Q w, X Q r Q 0.78 V m r d h 3 Q m 0.25 s 16

17 PASSO N.6: VERIFICA DEI CARICHI SPECIFICI Il rapporto F/M è: Il carico organico volumetrico è: mg 250 S0 l kgbod5 F / M 0.33 X mg 0.217d 3500 kgmlvssd l 3 mg m S 0 Q kgbod l s 5 Carico 1, V 4666m m d r La verifica sui carichi in relazione al volume di reattore determinato conferma la possibilità di operare in queste condizioni essendo i valori determinati pienamente in linea con gli intervalli riportati dai testi tecnici Lez 7 - trattamento reflui 17

18 RICHIESTA DI OSSIGENO A questo punto è necessario calcolare la richiesta di ossigeno sulla base del BOD L. (N.B.: sebbene la richiesta di ossigeno per la nitrificazione venga trascurata in questo esempio, essa dovrebbe essere considerata nella progettazione di sistemi che lavorano a età del fango abbastanza elevate da permettere lo sviluppo del processo di nitrificazione dell ammoniaca). La quantità di BOD L dell influente che viene convertita nel processo (assumendo che BOD 5 = 0.68BOD L ) è: BODL utilizzato Q S S 0.68 m 0.25 s 3 mg mg l l kgo d La richiesta di ossigeno è: kgo 2 /d = BOD L utilizzato 1.42P x = 7760 kg/d 1.42 x 1649 kg/d = 5418 kg/d Lez 7 - trattamento reflui 18

19 Ossigeno Il volume di aria necessario viene calcolato assumendo che l efficienza di trasferimento dell ossigeno per il sistema di aerazione utilizzato sia dell 8%. Inoltre si utilizzi un coefficiente di sicurezza par a 2 per determinare il reale volume di progetto per dimensionare gli aeratori (fabbisogno a massimo carico). La richiesta teorica di aria, tenendo conto che l aria contiene il 23.2% di ossigeno in peso è: ( 5418 kg/d)/(23.2%) = m 3 /d La richiesta reale di aria ad un efficienza di trasferimento dell 8% è: ( m 3 /d)/(8%) = m 3 /d = 203 m 3 /min Richiesta da progetto = c sicurezza x richiesta reale = 2 x 203 m 3 /min = 406 m 3 /min Lez 7 - trattamento reflui 19

20 La richiesta di aria per unità di refluo è: Richiesta d aria reale/q = ( m 3 /d)/(0.25 m 3 /s) = m 3 /m 3 La richiesta d aria per unità di BOD 5 rimosso è: Richiesta d aria reale/bod 5 rimosso = = ( m 3 /d)/[(250 mg/l 5.7 mg/l) x 0.25 m 3 /s] = m 3 /kgbod 5 rimosso 20

21 DIMENSIONAMENTO SEDIMENTATORE SECONDARIO

22 Reminder LA SEDIMENTAZIONE SECONDARIA: progettazione

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24 Dimensionamento di un sedimentatore secondario circolare a flusso radiale In mancanza di studi sul comportamento gravitazionale del fango, per il dimensionamento si utilizza considerando il Cis e l HRT: Con il Cis e il Css dimensiono la sezione (scegliendo il maggior valore ottenuto); Con l HRT dimensiono il volume. Considerando che l altezza minima deve essere di metri per evitare fughe di fiocchi (addizionata di un franco di sicurezza), si dimensiona la vasca al netto della parte conica inferiore.

25 Calcolo e verifica A' sed ( m 2 ) Q Cis 3 m s 3 m 0.6( ) m2* h s h 1500m 2 A' ' sed ( m 2 ) Q MLSS Css m kgmlvss kgmlvss (3.5 / 0.8 ) 3 h m kgmlss 2 kgmlss 5( ) m2* h 787.5m L area di sedimentazione minima sarà di 1500 m2, che comporta raggio di sedimentatori circolari di circa 22 m. E dunque conveniente progettare due sedimentatori con area minima di 750 m 2 che corrispondono a due sedimentatori con raggio 15.5 m ognuno.

26 Esercizio da svolgere entro prossima settimana La mia azienda tratta q di uve all anno concentrati in ottobre novembre dicembre = kg/90giorni. La resa in mosto è 70% quindi da queste uve ottengo L di vino nei 90 giorni. Da 1L di vino ottengo 2,2L di refluo quindi nei 3 mesi ottengo L di refluo L/90 giorni = m3/90giorni = 171,1 m3/giorno = 7,1 m3/h Uve q Resa 0,7 Vino hL Vino 7.000m3 reflui/vino 2,2L/L Reflui m3 COD medio CODload_totale 6gO2/L kg

27 Calcolo potenzialità impianto e concentrazione refluo COD equalizzato su base annuale (coeff sicurezza 1.2*) Fcu Potenzialità impianto su base annuale COD equalizzato su base vendemmia (90 giorni) Fcu Potenzialità impianto su base vendemmia (90 giorni) Concentrazione refluo 304kgO2/d 0,12kgCOD/AE*d 2110AE 1027kgO2/d 0,12kgCOD/AE*d 8556AE 6g/L * Tiene presente che le acque (di lavaggio, di piazzale) scaricate in periodo di non-vendemmia hanno contenuto minimo di COD

28 Dimensionamento sistema a fanghi attivi ipotizzando S = 125 mg/l PASSO N. 3: CALCOLARE L EFFICIENZA RICHIESTA DAL TRATTAMENTO L efficienza di trattamento sulla base del COD è: E = (S 0 -S)x100/S 0 PASSO N. 4: CALCOLARE IL VOLUME DEL REATTORE E LA QUANTITA DI FANGO DA SPURGARE Il volume del reattore necessario per avere un COD = 125 mg/l può essere determinato tramite le equazioni: X cy S0 1 k d c S La biomassa generata e quindi la quantità di fango da spurgare si determina sulla base di Y obs : V r Q Y obs Y 1 k d c

29 PASSO N. 5: CALCOLO RAPPORTO DI RICIRCOLO E TEMPO DI RESIDENZA IDRAULICO Il rapporto di ricircolo ottimale del sistema si ricava dal bilancio di materia della biomassa effettuato sul reattore. Q r MLVSS reattore (Q + Q r ) = MLVSS ricircolo Q r Il tempo di residenza idraulico per il reattore è: Q V r Q

30 PASSO N.6: VERIFICA DEI CARICHI SPECIFICI Il rapporto F/M è: F S0 / M X Il carico organico volumetrico è: S 0 Q Carico V r La verifica sui carichi in relazione al volume di reattore determinato conferma la possibilità di operare in queste condizioni essendo i valori determinati pienamente in linea con gli intervalli riportati dai testi tecnici Lez 7 - trattamento reflui 30

31 RICHIESTA DI OSSIGENO A questo punto è necessario calcolare la richiesta di ossigeno sulla base del COD (considerato tutto biodegradabile). (N.B.: sebbene la richiesta di ossigeno per la nitrificazione venga trascurata in questo esempio, essa dovrebbe essere considerata nella progettazione di sistemi che lavorano a età del fango abbastanza elevate da permettere lo sviluppo del processo di nitrificazione dell ammoniaca). La richiesta di ossigeno è: kgo 2 /d = COD rimosso 1.42P x Lez 7 - trattamento reflui 31

32 Ossigeno Il volume di aria necessario viene calcolato assumendo che l efficienza di trasferimento dell ossigeno per il sistema di aerazione utilizzato sia dell 8%. Inoltre si utilizzi un coefficiente di sicurezza par a 2 per determinare il reale volume di progetto per dimensionare gli aeratori (fabbisogno a massimo carico). La richiesta teorica di aria, tenendo conto che l aria contiene il 23.2% di ossigeno in peso è: (Richiesta ossigeno kgo2/d)/(23.2%) = --- m 3 /d La richiesta reale di aria ad un efficienza di trasferimento dell 8% è: (--- m 3 /d)/(8%) = --- m 3 /d = --- m 3 /min Richiesta da progetto = c sicurezza x richiesta reale = 2 x --- m 3 /min = --- m 3 /min Lez 7 - trattamento reflui 32

33 La richiesta di aria per unità di refluo è: Richiesta d aria reale/q = (--- m 3 /d)/(--- m 3 /d) = m 3 /m 3 La richiesta d aria per unità di COD rimosso è: Richiesta d aria reale/cod rimosso = = (--- m 3 /d)/[(6 g/l 125 mg/l) x --- m 3 /d] = --- m 3 /kgcod rimosso 33