MASTER GESTIONE DEI SERVIZI PORTUALI Depurazione Delle Acque Reflue Giovanni Esposito o A.A. 2010/2011 1
Letto p percolatore Ricircolo liquame I fl t Influente Ricircolo liquame Influente Vasca di sedimenatzione Effluente Letto p percolatore Vasca di sedimenatzione Fango Vasca di sedimenatzione Effluente Letto percolatore Vasca di sedimenatzione Fango 2
Fanghi attivi, 1914 3
Sistemi di Aerazione 4
Dimensionamento sistemi a fanghi attivi per la rimozione della sostanza organica 0 influente QS νvx = QS e effluente o e 0 fango di ricircolo e fango di supero q ( S S ) ν( ν = VX q S S q ) o ν = evx ν QS = QS o q ( S S ) ( e ) q S o S Vx= e ν Vx = o S o S Vx e e 5
Biodischi, Anni 50 50 6
Rimozione i biologica i dei nutrienti ti (N, P) Pre-denitrificazione 0 influente 1 e SEDIMENTAZIONE effluente 0 DENITRIFICAZIONE NITRIFICAZIONE 1 ricircolo miscela aerata e fango di ricircolo fango di supero UCT 7
Criticità dei sistemi convenzionali Vx= q ( S S ) q S o S e ν 8
Sistemi innovativi a colture sospese istemi innovativi MBR UASB SBR 9
Sistemi innovativi a colture adese istemi innovativi BAF FBR AF MBBR 10
Sistemi innovativi innovativi MBR Più elevata concentrazione di biomassa nella fase biologica Sostituzione della sedimentazione con la filtrazione su supporto Limitazione it i dell esigenza della disinfezionei i MBBR Più elevata concentrazione di biomassa nella fase biologica Miglioramento delle caratteristiche di sedimentabilità della biomassa Biofiltri Più elevata concentrazione di biomassa nella fase biologica Eliminazione della fase di sedimentazione secondaria 11
Sistemi innovativi innovativi MBR 12
MBR Membrana 13
MBR IMPIANTO TRADIZIONALE A FANGHI ATTIVI Unità di filtrazione Vasca biologica Vasca di sedimentazione secondaria PERMEATO La biomassa è mantenuta nella vasca biologica dall unità di filtrazione a membrane Solidi e microrganismi sono rimossi nella vasca di sedimentazione sfruttando l azione della gravità ed in parte ricircolati nell unità biologica 14
MBR A membrane sommerse (submerged) Refluo Pompa a vuoto Permeato Aria Reattore Biologico A membrane esterne (side stream) Membrana Refluo Retentato Permeato Aria Pompa Membrana Reattore Biologico A membrane esterne e sommerse Refluo Retentato Permeato Pompa Pompa a vuoto Aria Reattore Biologico Aria Reattore Biologico 15
MBR Membrane sommerse 16
MBR con membrane a fibre cave Filtrazione Controlavaggio del permeato Si effettua La filtrazione un controlavaggio avviene grazie con al un gradiente flusso di aria o pressione permeato che in direzione si crea fra opposta l interno a quella e l esterno di filtrazione della fibra per cava ridurre con problemi la pompa di di fouling filtrazione Il permeato viene convogliato all interno della fibra e raccolto in testa al modulo Permeato Aria- Permeato 17
MBR con membrane a lastre piane e tubolari Membrane tubolari Membrane piane 18
MBR 19
MBR - Fouling 20
MBR - Fouling È generato da fenomeni di adsorbimento, deposito ed ostruzione che interessano tanto la superficie della membrana che i suoi pori È di natura fisico-chimica oppure di natura biologica È di tipo reversibile oppure irreversibile (tale distinzione condiziona le operazioni di lavaggio) 21
MBR - Lavaggio Chimico (soluzioni di HCl, HNO 3 ) per rimuovere il fouling irreversibile (alta efficacia ma costi elevati e dannosa per le membrane) Meccanico, con acqua (permeato) o con acqua ed aria in modalità forward o backward Lavaggio "Forward" Lavaggio "Backward" Fouling Fouling Membrana Membrana 22
MBR Flusso di permeato J = (TMP-p)/m (R m +R c +R p ) dove: TMP è la pressione di transmembrana; p è la pressione osmotica; m è la viscosità del fluido, funzione della temperatura; R m la resistenza a membrana pulita; R c la resistenza per la presenza di depositi sulla superficie R p la resistenza dovuta all occlusione dei pori. 23
Dimensionamento degli MBR Calcolo del volume delle unità biologiche Scelta del Fattore di carico organico Scelta della concentrazione di solidi sospesi Calcolo delle superfici filtranti Calcolo della portata d aria Richiesta di ossigeno da parte della biomassa Scelta delle dimensioni delle bolle d aria Scelta della concentrazione di ossigeno disciolto in vasca Calcolo della produzione di fango Bassa produzione di fango 24
MBR - Dimensionamento Membrane Fattore di carico Età del fango Concentrazione SS Fibre cave & lastre piane 0.02 0.2 KgCOD/(d KgSSV) > 30 d 10000 20000 mg/l Rapporto di ricircolo 0 TMP e J 0,1 0,6 bar e 10 30 L/(h m 2 ) Costi energetici Controllo fouling 0,003 0,02 kwh/m3 Bolle d aria dal fondo vasca 25
MBR - Vantaggi Elevate concentrazioni di solidi sospesi nelle unità biologiche (fino a 30 g/l), con conseguenti minore impegno di superficie e più contenute volumetrie Selezione dei microrganismi non basata sulle loro caratteristiche di sedimentabilità, con conseguente maggiore velocità di consumo dei substrati ed eliminazione dei problemi di rising, pin point, bulking, 26
MBR - Vantaggi Elevate concentrazioni di solidi sospesi nelle unità biologiche (fino a 30 g/l), con conseguenti minore impegno di superficie e più contenute volumetrie Selezione dei microrganismi non basata sulle loro caratteristiche di sedimentabilità, con conseguente maggiore velocità di consumo dei substrati ed eliminazione dei problemi di rising, pin point, bulking, Migliore efficienza nei confronti di substrati difficilmente biodegradabili (macromolecole e colloidi) Età del fango svincolata dal tempo di detenzione idraulico, con minore produzione di fango e sua maggiore stabilità 27
MBR - Vantaggi Buona efficienza di nitrificazione Si prestano bene ad interventi di up-grading Contestuale rimozione di specie microbiche patogene 28
Sistemi innovativi innovativi MBBR 29
Sistemi MBBR MBBR aerobico I MBBR rientrano tra i sistemi di depurazione biologica i a colture adese I MBBR utilizzano tutto il volume del reattore Gli elementi di supporto sono mantenuti sospensione e mescolamento continuo ne reattore (configurazione simile a AS) I MBBR sono riempiti con tali elementi fi a un massimo pari al 70% del volume del reattore (l efficienza del mescolamento si riduce pe gradi di riempimento maggiori) 30
Sistemi SBR MBBR 31
Sistemi MBBR Breve storia 1985 Il Prof. Ødegaard avvia la ricerca sui processi biologici a letto mobile 1990 inaugurazione primo MBBR in Norvegia (ancora in funzione con gli stessi elementi) 1996 Primi studi sui sistemi IFAS 2002 La Kaldnes vince il prestigioso Stockholm Industry Water Award Più di 500 applicazioni in scala reale (acque reflue urbane/industriali) 32
Sistemi MBBR MBBR puro IFAS 33
Sistemi MBBR Vantaggi tipici dei sistemi innovativi a colture adese: maggiore efficienza depurativa ridotti ingombri volumetrici e superficiali assenza della corrente di ricircolo del fango maggiore elasticità nei confronti dei sovraccarichi inquinanti Svantaggi: costo del materiale di riempimento deterioramento dei supporti in base a T e tipo di refluo assenza di controllo sull età del fango Ulteriori vantaggi: funzionamento continuo utilizzazione ione dell intero volume del reattore biologico assenza di problemi di intasamento assenza di controlavaggi perdite di carico idraulico ridotte semplicità di esercizio formazione nulla di percorsi idraulici preferenziali tra i supporti upgrading impianti a fanghi attivi Necessità delle griglie 34
Sistemi MBBR Vasca Elementi di supporto Griglie e stacci Sistema di insufflazione d aria Compressori 35
Sistemi MBBR Elementi di supporto K1 K3 Biofilm-Chip P Biofilm-Chip M Natrix Flocor Gli elementi di supporto sono progettati per: assicurare un ampia superficie per l attecchimento dei microrganismi assicurare una buona diffusione dei substrati nel biofilm proteggere i microrganismi dall azione azione di taglio dell acqua proteggere i m.o. dall azione di abrasione dovuta agli urti Linpor 36
Sistemi MBBR Elementi di supporto Tipo Lunghez Diametr Superfic Superfic Superfic za (mm) o (mm) ie totale ie ie utile* (m 2 /m 3 ) protetta (m 2 /m 3 ) (m 2 /m 3 ) K1 7 9 800 500 335 K3 12 25 600 500 335 Natrix C2 30 36 265 220 147 Natrix M2 50 64 230 200 134 Biofilm-Chip M 2.2 48 1400 1200 804 Biofilm-Chip P 3.0 45 990 900 603 Letto percolatore/eleme nti lapidei Letto percolatore/eleme nti plastici - - - - 45-60** - - - - 90-150** Biodischi 100- - - - - 150** 37
Sistemi MBBR Sistemi di aerazione Insufflazione d aria dal fondo con condotte in acciaio forate - Resistente - Capace di assicurare il mescolamento con gradi di riempimento fino al 70% - Efficienza di ossigenazione comparabile a quella dei tradizionali sistemi a bolle fini - Realizzata in acciaio inox per garantire la durabilità 38
Sistemi MBBR Griglie di uscita Stacci orizzontali cilindrici Griglia Stacci verticali rettangolari 39
Sistemi MBBR Sistemi di miscelazione MBBR aerobico Aerazione per assicurare l ossigeno e il mescolamento nei processi di rimozione del BOD 5 e nitrificazione Miscelatori per assicurare il mescolamento nei reattori anossici o anaerobici MBBR anossico o anaerobico 40
Sistemi MBBR Upgrading di impianti esistenti Installazione degli stacci per il contenimento del mezzo di riempimento Protezione delle pareti delle vasche preesistenti con materiali anti-abrasione Adeguamento del sistema di aerazione nelle vasche aerobiche Adeguamento degli agitatori nelle vasche anossiche Inserimento del materiale di supporto nel reattore 41
Applicazioni (rimozione BOD/COD) MBBR AS Rimozione del 50-80% del BOD 5 nel reattore MBBR di pre-trattamento Esempio: Moa Point WWTP New Zealand Portata di progetto = 76.000 258.000 m 3 /d Volume MBBR = 3 x 920 m 3 BOD < 20 mg/l TSS < 30 mg/l 42
Sistemi MBBR Upgrading di impianti esistenti MBBR Fanghi attivi 43
Applicazioni (rimozione BOD/COD) MBBR MBBR Rimozione i spinta del BOD 5 con ingombri i ridotti i Esempio: Poipu WWTP New Zealand Portata di progetto = 3.700 m 3 /d 2 reattori MBBR: volume = 374 m 3 BOD < 10 mg/l 44
Applicazioni (nitrificazione) MBBR MBBR Rimozione i spinta del BOD 5 e dell azoto ammoniacale con ingombri i ridotti i e basse temperature Esempio: Cheyenne Crow Creek (USA) Temperatura di progetto = 9 C 2 reattori MBBR: volume = 374 m 3 BOD,,NH 4+ < 2 mg/l 45
Applicazioni (rimozione dei composti dell azoto) Up-grading di sistemi i esistenti i con rimozione i spinta del BOD 5 e dell azoto ammoniacale con ingombri ridotti Esempio: Fields Point WWTP (USA) Portata di progetto = 300.000 m3/d BOD < 10 mg/l Azoto totale < 5 mg/l 46
Upgrading di sistemi a fanghi attivi (Pre-trattamento MBBR) Aerazione per ossigenazione e mescolamento nel reattore MBBR MBBR operato senza ricircolo AS operato con sedimentazione e ricircolo La combinazione dei 2 processi produce meno fango di ciascuno di essi presi singolarmente Caratteristiche di sedimentabilità migliori rispetto ai sistemi convenzionali Sistema convenzionale: SVI = 200 ml Sistema upgradato: SVI = 40 ml/g 47
Upgrading di sistemi a fanghi attivi (IFAS per rimozione composti azotati) Denitrificazione e ossidazione della sostanza organica con colture sospese Nitrificazione nel reattore MBBR con 2 gruppi microbici (autotrofi e eterotrofi) nello stesso reattore) Nuove volumetrie non necessarie Migliore sedimentabilità del fango (riduzione dei m.o. filamentosi) Mantenimento della nitrificazione in caso di wash-out del fango attivo Nitrificanti protetti dall eventuale presenza di composti tossici nell influente Minore influenza della temperatura 48
Competizione batterica nel biofilm 49
Upgrading di sistemi a fanghi attivi (IFAS per rimozione composti azotati) BOD 5 < 40 mg/l Nitrificazione e rimozione sostanza organica NH + 4 <1mg/L 50
Upgrading di sistemi a fanghi attivi (IFAS per rimozione composti azotati) BOD 5 < 40 mg/l Pre-denitrificazione NH 4+ < 1 mg/l TN > 8 mg/l 51
Upgrading di sistemi a fanghi attivi (IFAS per rimozione composti azotati) BOD 5 < 40 mg/l Denitrificazione combinata NH 4+ < 1 mg/l TN < 8 mg/l 52
Sistemi MBBR Criteri di dimensionamento Q S0 Carico volumetrico = V Q S0 Carico sup erficiale = A Processo Carico volumetrico Carico superficiale Rimozione della sostanza organica 2.5-4-0 Kg BOD 5 m -3 d -1 8.5-13.0 g BOD 5 m -2 d -1 Nitrificazione 0.15-0.35 Kg N-NH 4 m -3 d -1 0.45-1.0 g N-NH 4 m -2 d -1 Pre-denitrificazione 0.3 Kg N-NO 3 m -3 d -1 0.9 g N-NO 3 m -2 d -1 Post-denitrificazione 0.7 Kg N-NO NO -3-1 gn-no -2-1 3 m d 2.0 NO 3 m d I parametri empirici di dimensionamento sono estremamente variabili in funzione: degli elementi di supporto adottati della composizione del refluo delle condizioni operative del reattore dell efficienza depurativa desiderata 53
Sistemi MBBR Applicazioni brevetto Kaldnes nel mondo Acque reflue urbane (192 impianti) Industrie alimentari (110 impianti) Cartiere (70 impianti) Industrie farmaceutiche (9 impianti) Industrie petrolchimiche (24 impianti) settore elettronico (6 impianti) Allevamenti ittici (45 impianti) Altre industrie (51 impianti) Tipo: 114 impianti per la rimozione del BOD 5 24 impianti per rimozione del BOD 5 e nitrificazio 9 impanti per post-denitrificazione 28 impianti per nitro-denitro 17 impianti per nitrificazione Potenzialità: 15 impianti - 75.700 m3/d 280.000 m3/d 28 impianti - 15.140 m3/d 37.850 m3/d 48 impianti - 3.785 m3/d 15.140 m3/d 101 impianti - < 3.785 m3/d 54
Sistemi innovativi innovativi BIOFILTRI 55
istemi Biofiltri SBR Il processo a biomassa adesa si sviluppa contemporaneamente alla filtrazione, ottenendo un effluente che non necessita di sedimentazione secondaria I biofiltri areati a letto sommerso sono costituiti da: - un reattore a letto fisso di filtrazione - un sistema di aerazione - sistema di controlavaggio 56
Biofiltri Influente (effluente sedimentazione primaria) Flusso di Controlavaggio Effluente Mezzo Filtrante di Supporto della Biomassa Aria di Effluente Influente Aria di Processo Processo Aria di Acqua di Aria di Acqua di Controlavaggio Controlavaggio Controlavaggio Controlavaggio Down-flow Up-flow 57
Biofiltri con flusso Down-Flow Sedimentazione Influente Condizioni di PROCESSO Effluente Aria di processo 58
Biofiltri con flusso Down-Flow Sedimentazione Influente Condizioni di PROCESSO Effluente Ricircolo flusso di controlavaggio Accumulo effluente per cicli di controlavaggio Valvola aperta Valvola chiusa Aria di processo 59
Biofiltri con flusso Down-Flow Condizioni di CONTROLAVAGGIO Accumulo flusso di controlavaggio Acqua di controlavaggio Valvola aperta Valvola chiusa Aria di controlavaggio 60
Biofiltri con flusso Up-Flow Condizioni di PROCESSO Effluente Ricircolo flusso di controlavaggio Sedimentazione Accumulo effluente per cicli di controlavaggio Influente Aria di processo Valvola aperta Valvola chiusa 61
Biofiltri con flusso Up-Flow Condizioni di CONTROLAVAGGIO Accumulo flusso di controlavaggio Accumulo effluente per cicli di controlavaggio Aria di processo Aria di controlavaggio Acqua di controlavaggio Valvola aperta Valvola chiusa 62
Materiali di riempimento Biofiltri Argilla espansa Pomice Argilla vetrificata Polietilene Polistirene Arlita, Filtralite, Biolite, Lytag, etc. 63
Proprietà dei materiali di riempimento dei Biofiltri Deve essere inerte, non friabile, economico e durevole; Deve favorire lo sviluppo della biomassa; Deve garantire la semplicità delle operazioni di pulizia; Elevata superficie i specifica 2-4 mm Superfici scabre Non-friabili Velocità di fluidizzazione 64
Proprietà dei materiali di riempimento dei Biofiltri Polietilene flottante Argilla espansa diametro 3 4 mm densità 620 kg m -3 superficie specifica 1000 2000 m2 m-3 diametro 4 8 mm densità 350 kg m -3 superficie specifica 400 800 m2 m-3 65
Proprietà dei materiali di riempimento dei Biofiltri Prima Polietilene flottante (Riblene) diametro = 3-4 mm; densità = 620 kg m -3 ; Superficie specifica = 1000-2000 m 2 m -3 Dopo 66
Controlavaggio dei Biofiltri Su base temporale, in riferimento alle perdite di carico o alla qualità dell effluente Frequenza circa ogni 24 48 ore Durata circa 20 40 minuti Portate circa 10 30 % portata trattata 67
Applicazione dei Biofiltri in Italia Impianto di Peschiera Borromeo (Milano) 2 a LINEA: 250.000 Ab. Eq. 1 a LINEA: Sup: ~ 25.000 m 2 300.000 Ab. Eq. Sup: ~ 95.000 m 2 68
Applicazione dei Biofiltri in Europa UK 60: 6 Biostyr 6 Biocarbone 4 Biofor 9 Biopur 6 SAF 2 ColOX France 80 : Portugal 1: 1 Biostyr 20 Biocarbone 27 Biostyr 29 Biofor 2 Biopur Spain 8 : 1 Biostyr 2 Biocarbone 3 Biofor 2 Biopur Denmark 7: 1 Biocarbone 6 Biostyr Norway 1: 1 Biofor Finland 4: 3 Biostyr 1 Biofor Belgium 3: 3 Biofor 33 Biobead Germany 47 : 2B2A Italy 10: 2 Biostyr 6 Biofor 1 Biopur 1 B2A 1 Biostyr 34 Biofor 12 Biopur Switzerland 21 8 Biostyr 5 Biofor 8 Biopur Austria / Hungria 4 : 4 Biofor 69
Applicazione dei Biofiltri nel mondo USA: 15 Biofor 6 Biostyr 75 Denite 1 ColOX Canada : 6 Biocarbone 2 Biofor Venezuela : 1 Biofor EUROPE : 88 Biofor, 55 Biostyr, 53 Biopur, 34 Biobead 30 Biocarbone 3 B2A, 6 SAF, 2 ColOX Turkey : 1 Biostyr Lebanon : 1 Biostyr 1 Biofor China : 3 Biofor Japan 100 Biocarbone South Korea : Macao : 1 Biopur Australia :: 2 Biofor 1 Biostyr 1 ColOX 4 Biofor 70
Criteri di dimensionamento dei Biofiltri Carichi di progetto per il brevetto Biocarbone Processo intervallo di carico unità Rimozione sostanza organica Rimozione sostanza organica e nitrificazione Trattamento terziario di nitrificazione 3.5-4.5 kgbod/m 3 d 2.0-2.75 kgbod/m 3 d 12-1 1.2-1.5 kgn/m 3 d Metcalf & Eddy, 2006 71
Criteri di dimensionamento dei Biofiltri 12 10 8 6 4 2 0 Biocarbone Biofor BioStyr BioPur Tecnologia rimozione sostanza organica [kgcod/m3 d] trattamento terziario di nitrificazione [kgn/m3 d] 72
Criteri di dimensionamento dei Biofiltri Caratteristica del filtro aerato a letto sommerso Diametro del mezzo filtrante Valori tipici indicativi 3 6 mm Superficie specifica del mezzo filtrante 500 2000 m 2 /m 3 Perdita di mezzo filtrante 2% Profonditàdelletto 2 4m Tempo di detenzione 0,5 1,5 ore Frequenza del controlavaggio ogni 24 48 ore Durata del controlavaggio Portate di controlavaggio 20 40 minuti 10 30 % portata trattata 73
Criteri di dimensionamento dei Biofiltri Aria di processo Concentrazione nel reattore viene mantenuta in un intervallo compreso tra: 3 e 5 mg O 2 /l nel caso di rimozione del substrato organico 4 e 6 mg O 2 /l nel caso della nitrificazione; Ne conseguono: per rimozione del substrato carbonioso, 6 10 Nm 3 d aria per m 3 di filtro; per la nitrificazione, 15 20 Nm 3 /(m 3 h) 74
BAF 75
Tecnologia Vantaggi Svantaggi anghi attivi AF Processo convenzionale e flessibile Possibilità di upgrade Possibilità di rimuovere i nutrienti Piccoli ingombri in pianta Elevati carichi volumetrici Effluente chiarificato ifi Elevato grado di controllo automatico Elevati consumi energetici Efficienza correlata alla sedimentabilità dei fanghi Necessari trattamenti preliminari efficienti Maggiore complessità di gestione BBR Facilmente utilizzabile per l upgrade di Stacciatura fine opportuna impianti a fanghi attivi Sed. primaria non indispensabile Aerazione con bolle medio/grandi Controllo limitato del processo Ingombro in pianta minore dei f.a. Limitate perdite di carico BR Concentrazione della biomassa molto elevata (10-30 g/l MLSS) Efficienza dell impianto non legata alla sedimentabilità del fango Ingombro contenuto Bassa produzione di fango Elevati consumi energetici Ridotte rese di trasferimento dell O 2 Necessità di ulteriori ricerche sui fenomeni di fouling delle membrane 76
Considerazioni conclusive I filtri biologici aerati (BAF) producono un effluente perfettamente chiarificato e consentono il sostanziale vantaggio di ottimizzazione degli spazi di ingombro; I reattori biologici a letto mobile (MBBR) risultano di più semplice esercizio e di più immediata proponibilità p per gli interventi di upgrade di impianti convenzionali; I reattori biologici a membrana (MBR) sono caratterizzati da una produzione di fango molto ridotta e richiedono spazi di ingombro contenuti; I sistemi di depurazione biologica innovativi consentono il raggiungimento di elevate efficienze di processo 77