Seminario. Il progetto LIFE+ BIOSUR:

Seminario Il progetto LIFE+ BIOSUR: un processo biologico innovativo per una migliore qualità dell'ambiente Ing. Alberto Mannucci Ph.D alberto.mannucci@dicea.unifi.it Dipartimento di Ingegneria Civile ed Ambientale Università di Firenze

Environmental engineering research team of the Department of Civil and Environmental Engineering University of Florence 1 Professore Ordinario 1 Professore Associato 2 Ricercatori 3 Assegnisti 4 Dottorandi 2 Collaboratori 2

NETWORK CER 2 CO Acque Publiacqua Università del Manitoba Aquarno Italprogetti CER 2 CO Enea Kubota Università di Pisa GE- Zenon Italpel

NETWORK CER 2 CO

I solfuri e il distretto conciario: Dal problema alle opportunità Calcinaio e depilazione Decalcinazione e macerazione, piclaggio, concia HS - Processi biologici e chimici SO 4 2- Solfuro 200 mg/l Solfato (o altre forme parzialmente ossidate) 1500 mg/l

Dal problema alle opportunità Soglia olfattiva 7μg/m 3 Limite Cuoiodepur 1.5 mg/m 3 DESORBIMENTO H 2 S FUNZIONE DI ph, TEMPERATURA CONCENTRAZIONE E TURBOLENZA EQUILIBRIO

Dal problema alle opportunità EMISSIONI TRATTATE NEL DISTRETTO CONCIARIO Molti punti di emissione (piccoli) a carattere discontinuo e alcune emissioni puntuali continue e rilevanti Impianti centralizzati trattamento acque e recupero carnicci Concerie

LA RIMOZIONE DELL H 2 S in CUOIODEPUR SCRUBBER CHIMICI 60 Kg/d H 2 S rimosso CONSUMO DI: 1) REAGENTI (NaOH) 2) ENERGIA ELETTRICA 600 t di NaOH e 600 MWh all anno Costi economici 300.000 /anno 13 /Kg H 2 S rimosso Costi ambientali 2.300 ton CO 2 /anno

Il messaggio IL COSTO ELEVATO DEI PROCESSI CHIMICI PER Kg DI ACIDO SOLFIDRICO RIMOSSO COSTRINGE AD UNA GESTIONE MIRATA A MASSIMIZZARE L OSSIDAZIONE DEL SOLFURO NEI TRATTAMENTI PRELIMINARI E A MINIMIZZARE LA RIDUZIONE BIOLOGICA DEI SOLFATI

Acqua e NaOH Gas Depurati Soluzione Basica Esausta HS - Gas Desorbito H 2 S Refluo Industriale HS - Refluo Industriale SO 4 -- Ossidazione Biologica e Chimica O 2 15 ton / giorno di ossigeno puro

O 2 15 ton / giorno di ossigeno puro Il fabbisogno stechiometrico per l ossidazione dei solfuri è di 3 ton/d 500.000 /anno di energia elettrica 3.000 ton/anno di CO 2 emessa Rimozione di composti carboniosi La digestione anaerobica dei composti organici ossidati in equalizzazione produrrebbe tra 1.000 e 2.000 Nm 3 /d di metano

Strategie alternative

Soluzioni testate RIMOZIONE BIOLOGICA SOLFURI OSSIDAZIONE IN LINEA A ZOLFO ELEMENTARE OSSIDAZIONE BIOLOGICA A ZOLFO ELEMENTARE SULLA LINEA DI TRATTAMENTO DEGLI EFFLUENTI GASSOSI OSSIDAZIONE BIOLOGICA A SOLFATO SULLA LINEA DI TRATTAMENTO EFFLUENTI GASSOSI

Impianto Cuoiodepur SpA Trattamenti preliminari Ispessimento Denitrificazione Piattaforma di trattamento effluenti gassosi Trattamento fanghi

Rimozione chimica dell H 2 S Assorbimento H 2 S in fase liquida Innalzamento del ph H2S HS - S 2- Effluente inquinato (H 2 S) Impianto trattamento acque Effluente depurato Soluzione esausta (HS -) Acqua e NaOH

Impianto Cuoiodepur Situazione attuale Parametro Range Media Unità Portata 40000-48000 45000 m 3 /h H 2 S rimosso 15 120 63 Kg/d Concentrazione H 2 S influente 15 140 54 mg/m3 Costo specifico di trattamento 7 20 13 / Kg H 2 S - S Voce di spesa /d Chemicals (NaOH) 500 Soluzioni di lavaggio(hcl) Energia per ricircolo acqua Energia per pompaggio gas 10 70 120 Costo complessivo 300.000 /anno 1920 Kg / giorno solo presso Impianto Cuoiodepur 2000 tonn / anno in tutto il comprensorio, impianti a piè di fabbrica esclusi 5.7 KWh/Kg NaOH, escluso il trasporto Elevato consumo di acqua

Rimozione biologica dell H 2 S Ossidazione biologica dell H 2 S da parte di biomassa solfuro ossidante O 2 O 2 CO 2 CO 2 H 2 S H 2 S Gas Liquido SO 4 2- Biomassa Assorbimento H 2 S in fase liquida Crescita biomassa solfuro ossidante Produzione di Solfato, Solfato di Calcio e Zolfo elementare Produzione di materiale inerte Prodotti del decadimento Zolfo elementare e solfato di calcio

Efficienza di rimozione [%] BTF per la rimozione biologica dell H 2 S 100 140 90 80 70 60 50 40 30 20 10 120 100 80 60 40 20 Perdite di carico [mm di H 2 O] 0 0 20 40 60 80 100 Perdite di carico [mm di H2O] Efficienza di rimozione [%] 0 Efficienza di rimozione media = 83 % Capacità di eliminazione media = 121 g m -3 h -1 Incremento delle perdite di carico

BioTrickling Filters (BTF) Vantaggi e Svantaggi Nessuna richiesta di NaOH Elevate capacità di eliminazione Elevati carichi in ingresso Bassi tempi di contatto Dosaggio Sali e Micro e Macro nutrienti Accumulo di biomassa Incremento delle perdite di carico Elevati costi di gestione Il processo La tecnologia

Tecnologie a confronto L accumulo e la distribuzione della biomassa all interno del letto filtrante limitano l applicazione dei BTF su scala reale OBIETTIVO: Ottimizzare il processo di rimozione della biomassa in eccesso e limitare i costi di gestione mediante l utilizzo BTF a letto mobile (MBBTF) Permettere il trattamento di effluenti con elevate concentrazioni di H 2 S per i quali risulta sfavorevole l applicazione di processi alternativi (es. THIOPAQ, Amine, Claus) CONFRONTO: SC vs MBBTF SBBTF vs MBBTF Contesto di riferimento : Impianto Cuoiodepur SpA (carichi e condizioni operative attuali)

Tecnologie a confronto Scrubber Chimici (SC) vs BTF a letto mobile (MBBTF) Ipotesi: Tempi di residenza (EBRT) analoghi Volumi analoghi Stesso equipaggiamento (quantità e potenzialità pompe) Analoghi costi di impianto Diversi costi di gestione Ipotesi: Annullamento del dosaggio di NaON negli MBBTF Riduzione della Carbon Footprint dell impianto

SC vs MBBTF SC MBBTF Consumo Emissioni Consumo Emissioni Unità Tons MWh/ Tons Tons/y MWh/y Tons/y (CO 2 )/y y (CO 2 )/y NaOH 700 3950 2330 0 0 0 HCl 50 340 200 0 0 0 Acqua di Make-Up 80000 n.a. n.a. 40000 n.a. n.a. Movimentazione del letto n.a. 0 0 n.a. 250 145 Pompaggio gas n.a. 690 400 n.a. 400 236 Consumi energetici - 60 % Consumi reagenti ed emissioni CO 2-80 % Nessun utilizzo di chemicals per il lavaggio Possibile utilizzo dell effluente Impianto Cuoiodepur come acqua di Make-Up Inoltre: Un BTF permette, in funzione delle condizioni operative, di rimuovere efficacemente composti diversi dall idrogeno solforato

SBBTF vs MBBTF BioTrickling Filters a letto fisso (SBBTF) vs MBBTF Campo di applicazione degli SBBTF: Flussi elevati Basse concentrazioni di inquinante Supporti con bassa superficie specifica (fino a 400 m 2 m -3 ) Facilità di lavaggio Incremento dei volumi necessari; Del quantitativo di supporti; Della footprint del sistema; Dei consumi di chemicals e acqua Supporti con elevata superficie specifica (600 m 2 m -3 ) Crescita eccessiva della biomassa Incremento delle perdite di carico

SBBTF vs RBBTF Parametro SBBTF (supporti con bassa superficie specifica) SBBTF (supporti con elevata superficie specifica) MBBTF Volume del reattore (m 3 ) 600 150 120 Consumo energetico (MWh/anno) 1600 3250 920 Consumo di acqua (m 3 /anno) 70000 110000 40000 Richiesta di lavaggio Bassa Alta Bassa Perdite di carico Basse Alte Basse Superficie specifica e/o Carichi in ingresso Volume Intasamento

La soluzione Vantaggi legati all utilizzo di MBBTF Nessuna richiesta di NaOH Elevate capacità di eliminazione Elevati carichi in ingresso Bassi tempi di contatto Utilizzo minimo di chemicals per il lavaggio Facilità nella gestione dello sporcamento Riduzione dei costi di gestione MBBTF a scala preindustriale all interno dell Impianto Cuoiodepur Elevati rendimenti per carichi elevati Facilità di pulizia BTF a letto rotante

IL PROGETTO BIOSUR Cos è BIOSUR Progetto cofinanziato nell ambito del Programma LIFE+ dell Unione Europea con finalità dimostrativa di applicazione di una nuova tecnologia in campo ambientale. Titolo: Rotating bioreactors for sustainable hydrogen sulphide removal Acronimo: BIOSUR Durata: 36 mesi (dal 01.07.2012 al 31.12.2015) Coordinatore: Consorzio Cuoiodepur SpA

IL PROGETTO BIOSUR Come nasce l idea di BIOSUR PROBLEMA Produzione di Solfuri all interno dell Impianto di Depurazione Attività biologica in presenza di solfuri IDEA SFIDA Attività sperimentali sulla rimozione biologica dell H2S Rimozione biologica dell H2S da effluenti gassosi PROSPETTIVA Soluzioni tecnologiche per la massimizzazione dei vantaggi ambientali ed economici

Le prospettive del progetto BIOSUR ITALPROGETTI UNIFI UNIPI Soluzione diretta nella gestione dei solfuri Vantaggi economici e ambientali CUOIODEPUR Messa a punto di nuove tecnologie Applicazione dei processi Sviluppo di un prodotto innovativo

OBIETTIVI Gli obiettivi del progetto Dimostrazione di una tecnologia innovativa Dimostrare l applicabilità e la sostenibilità economica ed ambientale di una tecnologia innovativa per la rimozione dell idrogeno solforato da effluenti gassosi contaminati. Favorire la diffusione e l applicazione di una tecnologia innovativa Promuovere l applicazione della nuova tecnologia per la rimozione di H 2 S associata a processi anaerobici negli impianti per il trattamento delle acque reflue industriali conciarie (es. digestione anaerobica fanghi). Favorire la diffusione dei risultati in altri distretti industriali conciari e non solo. Facilitare l implementazione delle politiche di riduzione delle emissioni di CO 2 a livello nazionale e comunitario. Ridurre i consumi energetici dei processi di trattamento per la rimozione dell H 2 S dagli effluenti gassosi, sia diretti che indiretti che derivano dall impiego di chemicals che richiedono molta energia di produzione (es. idrossido di sodio). Favorire la diffusione dei risultati coinvolgendo soggetti privati e pubblici Il progetto dimostrativo si svolge in uno dei più importanti distretti industriali conciari d Europa. In questo contesto l ormai consolidato rapporto tra aziende e soggetti pubblici territoriali può costituire una specifica opportunità per promuovere l applicazione della tecnologia.

I PARTNER Gestione di un impianto di depurazione di grandi dimensioni CUOIODEPUR Consorzio Cuoiodepur SpA UNIFI Università di Firenze Dipartimento di Ingegneria civile ed Ambientale Biotecnologie per il trattamento dei reflui e degli effluenti gassosi Caratterizzazione delle comunità microbiche mediante tecniche biomolecolari ITALPRO Italprogetti Engineering SpA UNIPI Università di Pisa Dipartimento di Biologia Progettazione, costruzione, installazione e avviamento di impianti per la protezione dell ambiente

Risultati Attesi - 1 Applicabilità ed efficienza della tecnologia innovativa Dimostrare l applicabilità e la sostenibilità economica ed ambientale di una tecnologia innovativa per la rimozione dell idrogeno solforato da effluenti gassosi contaminati. Elevate capacità di eliminazione sul lungo periodo (> 150 g h -1 m -3 ) Ridotti tempi di contatto (< 6 s) Elevati rendimenti di depurazione (> 96%) Dimostrare l efficacia del sistema di controllo del grado di intasamento del letto filtrante Elevata efficienza anche per elevati carichi influenti Controllo efficiente delle perdite di carico Riduzione dei costi di gestione Riduzione del consumo di chemicals Riduzione della carbon footprint del sistema di trattamento

Risultati Attesi - 2 Valutazione tecnica, ambientale ed economica dell implementazione della nuova tecnologia Dimostrare la trasferibilità del processo all intero settore conciario e ad altri settori produttivi Europei facilitando l implementazione delle politiche ambientali comunitarie Individuazione di stakeholders come target nel piano di comunicazione After-LIFE Communication Plan Costituzione di attività di networking con gli stakeholders del progetto Redazione di un guide-book per facilitare l implementazione e la diffuzione dei prodotti del progetto Comunicazione e diffusione dei risultati verso gli stakeholder di BIOSUR Raggiungere l obiettivo Sensibilizzazione e formazione Organizzazione del Communication Plan Attività di disseminazione a livello locale, nazionale ed internazionale Seminari, Conferenze, brochures, pubblicazioni scientifiche, Layman report

Ricadute del progetto RISOLUZIONE PROBLEMATICHE AMBIENTALI RICADUTE A LIVELLO COMUNITARIO EFFETTI SOCIO - ECONOMICI COINVOLGIMENTO DEGLI STAKEHOLDERS RIDUZIONE DELLA CARBON FOOTPRINT

Ricadute del progetto - 2 Risoluzione Problematiche Ambientali Dirette Riduzione del consumo di chemicals e di energia per la rimozione dell H 2 S Riduzione dell emissione di gas serra Riduzione del consumo di acqua Indirette Aumento del livello di conoscenza relativamente alle tecnologie di rimozione dell H 2 S Riduzione degli effetti sociali ed economici relativi al problema dell H 2 S Incentivo alla diffusione di trattamenti anaerobici delle acque Ricadute a livello comunitario Aumento della competitività del settore conciario Aumento delle conoscenze relative al trattamento degli effluenti gassosi Applicabilità dei prodotti del progetto in campi diversi da quello conciario Petrolchimico, Cartario, etc

Ricadute del progetto - 3 Effetti socio - economici Mitigazione degli odori Superamento delle barriere culturali allo sviluppo di tecnologie sostenibili per il trattamento degli effluenti Riduzione dei costi di trattamento dei reflui conciari Creazione di occupazione Riduzione della Carbon Footprint Riduzione della produzione della CO 2 Riduzione dell utilizzo di NaOH Minore consumo energetico Coinvolgimento degli Stakeholders Diffusione dei risultati del progetto Coinvolgimento della popolazione mediante iniziative pubbliche Preparazione di questionari di valutazione (popolazione, industria, enti pubblici)

Comunicazione e disseminazione Comunicazione e Disseminazione Obiettivo Informare gli stakeholders circa i risultati del progetto e incoraggiare l utilizzo delle tecniche e dei metodi dimostrati Attività previste Kick-off meeting Sito internet del progetto Notice Boards, volantini, Layman s Report Newsletters e workshops Scientific Pubblications Redazione di un Guide Book e preparazione di attività didattiche Partecipazione a convegni e conferenze nazionali ed internazionali Seminario Finale

Project Timing Luglio 2012 Fase Preparatoria Progettazione e costruzione Test preliminari Monitoraggio Validazione del processo Comnunicazione e Disseminazione Dicembre 2015

Dall idea alla progettazione

CARATTERISTICHE PILOTA RBBTF (Rotating Bed BioTricking Filter): - Reattore con un telaio esterno cilindrico e n.10 dischi rotanti interni (supporto biomassa) - Materiale: Polipropilene - Dimensioni: 2,5 x 5 (Ø x L) - Capacità: 10000 m3/h - Velocità variabile dei dischi rotanti - Innovativo sistema di pulizia supporti (controllo rimozione biomassa)

SEZIONE INTERNA PROTOTIPO RBBTF

SISTEMA DI CONTROLLO E RIMOZIONE BIOMASSA 1. Continuous self-cleaning: Durante il normale funzionamento del bioreattore i dischi saranno parzialmente immersi in acqua di processo: sforzo di taglio generato dalla rotazione tra disco e acqua permetterà rimozione della biomassa in eccesso 1.1 Possibilità di variare gli rpm dei dischi per aumentare effetto di taglio 1.2 Possibilità di variare il livello dell'acqua per aumentare il la superficie di contatto disco-acqua

SISTEMA DI CONTROLLO E RIMOZIONE BIOMASSA 2. Maintenance cleaning: Pulizia meccanica: sistema di ugelli per lavaggio con acqua ad alta pressione (fino a 50 bar) (Possibilità anche di usare chemicals)

SISTEMA DI CONTROLLO E RIMOZIONE BIOMASSA 3. Chemical cleaning: Il fondo del RBBTF sarà suddiviso in settori così da poter effettuare un lavaggio chimico dei supporti attraverso l'introduzione nel singolo o in più settori alla volta di opportuni prodotti chimici. settore

TIPOLOGIA DI SUPPORTI - Elevata area superficiale - Minima perdita di carico - Materiale plastico compatibile con effluente da trattare Supporto rotante composto da sezioni triangolari di spugna poliuretanica alloggiate su una raggiera di PP Supporto rotante grigliato riempito con carrier di spugna poliuretanica (cubi 4x4x4 cm) random Supporto rotante composto da una rete tridimensionale

SISTEMA DI CONTROLLO E MONITORAGGIO CONTROLLO: - ΔP su ogni comparto - H 2 S (inlet & outlet) - ph (dosaggio basico) - Dosaggio nutrienti

Dalla progettazione alla costruzione