Gruppo di lavoro GESTIONE IMPIANTI DI DEPURAZIONE Università degli Studi di Brescia Rassegna di alternative di valorizzazione della risorsa materiale ed energetica in fase di studio Matteo Papa Università degli Studi di Brescia matteo.papa@ing.unibs.it
Gli impianti di depurazione di domani Cambiamento nella visione degli impianti di depurazione : da sistemi end-of-pipe a produttori di risorse (energia + materia) 2
Opzioni di recupero TRADIZIONALI treated effluent (ext/int) screenings hydropower grit oil heat recovery electric energy N/P recovery thermal energy bio-fuels sludge 3
Opzioni di recupero INNOVATIVE cellulose MFCs biopolymers P from ISSA 4
Recuperi del FUTURO VICINO Separazione di fibre di cellulosa Produzione di biopolimeri dai fanghi Recupero di materia dalle scorie da incenerimento dei fanghi Produzione di energia elettrica con Microbial Fuel Cells 5
Recuperi del FUTURO LONTANO Recupero di metalli nobili dall effluente, come ad esempio il recupero del palladio attraverso resine a scambio ionico o materiali adsorbenti Recupero di ammoniaca attraverso adsorbimento su zeolite Produzione di lipidi durante la digestione anaerobica del fango attraverso l uso di lieviti Produzione di microalghe dal surnatante della digestione anaerobica 6
Recuperi del FUTURO VICINO cellulose 7
Fibre di cellulosa componente essenziale della carta igienica costituiscono circa il 35-40% dei solidi sospesi totali (SST) e circa il 25-30% del COD di un acqua di scarico (Ruikinen et al., 2013) Microscopic observation of fibres in settled material from raw influent (a) and fibres of settled material from sieved influent (b) 8
Separazione di fibre di cellulosa 1 caso di studio: recupero attraverso STACCIATURA GRIGLIATURA (6 mm) STACCIATURA (0,35 mm) DISSABBIATURA/ DISOLEATURA Schema dei pretrattamenti con aggiunta della fase di stacciatura per il recupero di fibre di cellulosa proposto da Ruikinen et al. (2013) + recupero fino all 80% delle fibre ( carta igienica riciclata) -pulizia del materiale separato -fattibilità tecnico-economica del processo 9
Recuperi del FUTURO VICINO biopolymers 10
Biopolimeri dai fanghi Produzione di bioplastiche dai fanghi di depurazione: l esempio più studiato è quello dei poli-idrossi-alcanoati (PHAs) 11
Produzione di biopolimeri dai fanghi La produzione di PHA prevede una filiera di trattamento specifica: 1) fermentazione del fango per produrre un effluente liquido ricco di acidi grassi volatili (VFAs) 2) arricchimento di specifici microorganismi che accumulano PHA attraverso un regime di alimentazione feast/famine 3) produzione di PHA limitando la crescita batterica (no N) 12
Produzione di biopolimeri dai fanghi Al momento solo 2 aziende in Europa hanno impianti per la produzione di PHA da fango di depurazione, a scala pilota -il processo non ha ancora dimostrato convenienza economica -dal punto di vista tecnico, deve essere incrementata la capacità di accumulo di PHA e raffinato il processo di separazione finale 13
Recuperi del FUTURO VICINO P from ISSA 14
Scorie da incenerimento dei fanghi I trattamenti termo-chimici dei fanghi producono residui solidi, ceneri - ISSA: Incinerated Sewage Sludge Ashes) fino ad un terzo del contenuto solido dei fanghi quarzo ( 35%) ossido di calcio ( 20%) anidride fosforica ( 20%) ematite ( 15%) ossido di alluminio ( 10%) Donatello e Cheeseman, 2013 15
Recupero delle ISSA Recupero nell edilizia attraverso un processo di sinterizzazione ( 1.000 C): Laterizi ISSA sostituiscono argilla (fino anche al 50%) Materiali vetro-ceramici ISSA (fino al 50%) + calce Materiali cementizi ISSA sostituiscono cemento Portland (solo max. 5% per la forte presenza di fosforo ) 16
Recupero delle ISSA Estrazione e recupero del fosforo 17
Recupero delle ISSA Estrazione e recupero del fosforo 1. Lisciviazione acida - ad umido consiste nella dissoluzione del fosfato tramite acido solforico concentrato (fino 70-80% recupero) si produce così un precipitato ricco di fosforo può essere utilizzato per la produzione di fertilizzante Donatello e Cheeseman, 2013 18
Recupero delle ISSA Estrazione e recupero del fosforo 2. Metodi termo-chimici ISSA reagiscono con carbone e quarzo a 1200-1500 C in un forno ad arco elettrico + il cloro per volatilizzazione metalli Arco elettrico di laboratorio utilizzato nel progetto SUSAN - Sustainable and Safe Re-use of Municipal Sewage Sludge for Nutrient Recovery (http://www.susan.bam.de/index.h tm) 19
Recupero delle ISSA + progressiva diffusione di questi processi sotto la spinta derivante dall aumento dei prezzi del minerale fosfato e dei costi di smaltimento delle ISSA -perfezionamento delle tecniche di recupero: ad umido: co-lisciviazione dei metalli precipitazione sotto forma di idrossidi insolubili termo-chimici: quantità di ferro nelle ISSA ceneri ad alto contenuto di ferro (> 10 g/kg), producono un eccesso di FeP, sottoprodotto indesiderato del trattamento 20
Opzioni di recupero INNOVATIVE MFCs 21
Microbial Fuel Cells Pile a combustibile microbiologiche sistema bio-elettrochimico che genera corrente Gli elettroni ottenuti dall ossidazione vengono trasferiti su di un anodo, dal quale passano attraverso un circuito elettrico prima di arrivare al catodo 22
MFCs in WWTPs acque di scarico substrato adatto (sost. org.) ma vari incovenienti: -è richiesta una superficie molto grande per lo sviluppo del biofilm sull anodo -basse velocità di reazione -... Molti studi di laboratorio nell ultimo decennio ad oggi praticamente nessuna applicazione a scala reale (Chuan-Shu et al., 2015) 23
Take-home message
CONCLUSIONI MOLTE opzioni innovative di recupero di risorse in WWTPs Difficile prevedere quali tra queste applicazioni troverà effettivamente realizzazione, molti fattori ne influenzano il successo: fattibilità tecnica (e.g. fibre cellulosa) specifici mercati per il prodotto di recupero costi evitati grazie all implementazione del recupero (e.g. P dalle ISSA) spinte legislative (e.g. bioplastiche) 25
CONCLUSIONI il concetto di impianto di depurazione come biorefinery è alle porte! approccio 3R per la sostenibilità ambientale! 26