Università degli studi di Catania Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale APPLICAZIONI INGEGNERISTICHE DEI TRATTAMENTI BIOLOGICI DI SITI INQUINATI DA IDROCARBURI Giacomo Lombardo e Federico G. A. Vagliasindi BIOTECNOLOGIE PER IL RECUPERO DI AREE MARINE CONTAMINATE DA PETROLIO Aspetti scientifici, industriali e normativi 15 Settembre 2006, Salone delle Bandiere - Palazzo Zanca, Messina
Introduzione Trattamenti biologici per la rimozione di idrocarburi Terreni Acque superficiali e di falda Sversamenti e rifiuti liquidi
Trattamenti in-situ Alternative di Intervento Bioventing e SVE (Soil Vapor Extraction) Air Sparging Bio Sparging Trattamenti ex-situ (on-site e off-site) trattamento in fase solida (landfarming e biopile); trattamento in fase semi solida (bioreattori). Pump & Treat Trattamenti biologici a biomassa sospesa Trattamenti biologici a biomassa adesa
Trattamenti in-situ Ridotta movimentazione del suolo contaminato; Investimenti contenuti; Trattamento di aree estese e con inquinamento a profondità elevate. Difficoltà di trattamento dei composti organici in presenza di metalli pesanti; Difficile controllo e regolazione dei parametri di esercizio (crescita microbica, velocità di rimozione dei contaminanti, disponibilità di ossigeno e nutrienti); Trattamento non omogeneo di zone con caratteristiche fisiche diverse; Remore all immissione di sostanze e specie alloctone.
Trattamenti biologici in situ Bioventing e SVE (Soil Vapor Extraction) (2/4) ΔP (>0 o <0) rispetto a P atm P P atm Zona insatura Zona satura Advezione Diffusione Dispersione meccanica Biodegradazione aerobica meccanismi fisici meccanismi biologici SVE BV
Trattamenti biologici in situ Bioventing e SVE (Soil Vapor Extraction) (3/4) Schema di processo Soffiante Fusti con Carbone Attivo Granulare Separatore aria/acqua Contenitore per acqua separata
Trattamenti biologici in situ Bioventing e SVE (Soil Vapor Extraction) (4/4) Campo di applicazione ottimale Terreni: con elevata permeabilità intrinseca (> 10-14 m 2 ); omogenei, senza percorsi preferenziali del flusso. Contaminanti: solventi alifatici clorurati (SVE); BTEX, idrocarburi leggeri, fenoli non clorurati (BV, SVE).
Schema di processo Trattamenti biologici in situ Air Sparging Bio Sparging (1/2)
Trattamenti biologici in situ Air Sparging Bio Sparging (2/2) Campo di applicazione ottimale: terreni ghiaiosi o sabbiosi, omogenei, senza percorsi preferenziali del flusso; spessore della zona insatura < 15 m; acquiferi poco profondi. Contaminanti rimovibili: solventi alifatici clorurati; BTEX, idrocarburi leggeri, fenoli non clorurati. Sono tecnologie ampiamente applicate negli Stati Uniti e in tutta Europa, dove è stata applicata per la prima volta in Germania nel 1980 per la rimozione di solventi clorurati.
Trattamenti ex-situ Facilità di controllo delle condizioni di processo; Possibilità di variare le condizioni operative senza provocare danni all ambiente; Possibilità di diversificare i trattamenti, anche in pile diverse, a seconda della tipologia di terreno contaminato da trattare. Costi aggiuntivi di escavazione e movimentazione del terreno; Necessità di adottare misure di sicurezza per gli addetti e le zone limitrofe quando si è in Presenza di contaminanti volatili; Necessità di spazi consistenti e non utilizzo del sito per lo svolgimento di altre Blocco delle attività mentre è in corso il landfarming o il compostaggio.
Trattamenti biologici ex situ Landfarming (1/3) Sistema di trattamento biologico ex-situ in fase solida, ove si promuove la biodegradazione aerobica agendo su: tenore di O 2 ; macro-nutrienti; carica microbica attiva; umidità; ph. Schema di processo Bacino confinato Pre-trattamento solidi Escavazione Vagliatura Triturazione Miscelazione con additivi Trattamento biologico Riutilizzo solidi
Trattamenti biologici ex situ Landfarming (2/3) Il terreno da avviare a risanamento, previa rimozione del materiale grossolano, viene addizionato di nutrienti affinché il rapporto C:N:P sia pari a 100:10:1 (condizione ottimale) e viene disposto nel bacino dotato di argini di contenimento (in argilla, di altezza non superiore a 1-2 m e con pendenza delle sponde compresa nell intervallo 1:1-1:2) e di fondo impermeabile (per prevenire il ristagno nel bacino ed eventuali infiltrazioni; periodico rivoltamento (solitamente a cadenza giornaliera) per favorire il contatto tra microrganismi, nutrienti e contaminati, nonché un efficace ricambio di ossigeno con l atmosfera; sistematica irrigazione del terreno per mantenere il tasso di umidità ideale.
Trattamenti biologici ex situ Landfarming (3/3) Campo di applicazione ottimale ed efficienze Risanamento di terreni contaminati da idrocarburi facilmente o moderatamente degradabili, come gli alifatici, gli aromatici, i fenoli, e da oli minerali. Superfici richieste sono notevolmente superiori a quelle necessarie per le biopile o, alternativamente, sono necessari tempi molto più lunghi per il risanamento di un fissato volume di materiale. A fronte di una semplificazione degli elementi strutturali del sistema di trattamento rispetto alle biopile, con conseguente diminuzione dei costi di investimento (il costo del bacino può comunque essere rilevante!), il landfarming comporta una ridotta capacità di controllo dei parametri di processo. Ciò si traduce in genere in velocità di rimozione dei contaminanti più lente e tempi di trattamento più lunghi. Può essere indicato per contaminazioni diffuse di inquinanti assai facilmente degradabili aerobicamente, in basse concentrazioni e molto superficiali (trattamento in situ).
Trattamenti biologici ex situ Biopile (1/3) Sistema ex-situ di trattamento biologico in fase solida, ove si promuove la biodegradazione aerobica agendo su: tenore di O 2 ; macro-nutrienti; carica microbica attiva; umidità; ph; temperatura. Schema di processo Pre-trattamento solidi Escavazione Vagliatura Triturazione Miscelazione con additivi Cumuli statici Cumuli rivoltati Trattamento biologico Riutilizzo solidi Separazione umidità Recupero/distruzione vapori organici Trattamento emissioni gassose Atmosfera
Trattamenti biologici ex situ Biopile (2/3) I cumuli di terreno (a sezione trasversale triangolare o trapezia) vengono disposti su di una rete di tubazioni forate dalle quali, tramite soffianti, viene insufflata e/o aspirata aria. Viene interposto uno strato del materiale utilizzato come bulking agent, per consentire una più uniforme distribuzione dell aria; Uno strato viene disposto a copertura del cumulo, per contenere le emissioni di polveri inquinate. Aspirazione Insufflazione Strumentazione Aerazione dei cumuli statici Biofiltro Una variante a tale sistema consiste nel disporre una serie di strati alternati di terreno contaminato e di materiale granulare da cui immettere e/o estrarre l aria, mentre un sistema di aspersione d acqua, posto in testa al cumulo, consente di regolare l umidità, il ph e di somministrare i nutrienti. Il tutto viene infine coperto da un telo di plastica, per evitare l emissione di composti volatili.
Trattamenti biologici ex situ Biopile (3/3) Campo di applicazione ottimale ed efficienze Le biopile trovano applicazione nella rimozione di inquinanti organici facilmente biodegradabili aerobicamente (idrocarburi del petrolio a medio peso molecolare: IPA, BTEX). I rendimenti di rimozione sono assai diversificati per i differenti composti presenti e dipendono molto dalle capacità degradative della biomassa del terreno. Applicati a grossi quantitativi di terreno, richiedono impegno di grandi aree, non sempre facilmente reperibili nei siti da bonificare. Il trattamento in biopile è il sistema più applicato tra i biologici ex situ in tutto il mondo. In molti paesi d Europa sono presenti numerosi impianti di trattamento off site; in Italia ne sono stati da poco autorizzati alcuni.
Trattamenti biologici ex situ Bioreattori (1/3) Si tratta di sistemi chiusi, ove si promuove la biodegradazione agendo su: tenore di idonei accettori di e-; cosubstrati carica microbica attiva; macro-nutrienti; contenuto di solidi; biodisponibilità; ph; temperatura. Sono disponibili sistemi a fase: solida, simili a reattori per il compostaggio della frazione organica di rifiuti (nel seguito non presi in esame); semi-solida (slurry), simili per alcuni aspetti ai trattamenti a fanghi attivi delle acque reflue. I bioreattori sono veri e propri reattori in cui il terreno, dopo aver subito una serie di pretrattamenti, viene sottoposto alle condizioni ideali per la degradazione biologica dei contaminanti. Esistono in commercio due tipologie di reattori: reattori in fase semisolida: il terreno viene trattato portando il contenuto ponderale d acqua a valori compresi tra il 60% e il 90%; reattori in fase solida: il contenuto ponderale d acqua tra il 10% e il 20%.
Trattamenti biologici ex situ Bioreattori (2/3)
Tale tecnologia è indicata nel caso di contaminazioni da IPA, da idrocarburi ad alto grado di alogenazione e da pesticidi, ottenendo rendimenti di rimozione superiori al 90% in tempi dell ordine di giorni o settimane. I costi di trattamento risultano però decisamente più alti rispetto agli altri trattamenti biologici, in quanto la fase di pretrattamento spinto del materiale in ingresso e di separazione delle fasi all uscita del bioreattore incidono notevolmente sul costo finale. Il dimensionamento è impegnativo, in ragione dei molti fattori che possono risultare limitanti per il processo e richiede un non semplice scale-up di prove di laboratorio, nelle quali siano state individuate le condizioni ottimali per il trattamento. Come unica tecnologia è stata applicata essenzialmente negli USA, con dimostrazioni in campo o in casi reali di piccole dimensioni. Tra le maggiori applicazioni vi è l'uso per il trattamento biologico di inquinanti organici biodegradabili nelle frazioni fini derivanti da lavaggio fisico. Trattamenti biologici ex situ Bioreattori (3/3) Campo di applicazione ottimale ed efficienze
Trattamento Pump & Treat La tecnologia denominata Pump&Treat, è comunemente utilizzata nel trattamento delle acque di falda, nel caso di inquinamento dovuto a idrocarburi, di acquiferi permeabili e soggiacenze della falda tali da rendere inapplicabili altri sistemi. La tecnica si compone di due fasi distinte: estrazione dell acqua di falda contenente l inquinante per mezzo di un sistema di emungimento delle acque sotterranee; trattamento dei volumi emunti in opportuni impianti.
Trattamenti Biologici Acque Reflue Vengono inseriti solitamente a valle di trattamenti fisico-chimici (API Separator, DAF, etc.) in grado di rimuove gran parte degli idrocarburi presenti in forma dispersa e come emulsioni. Si distinguono in: Processi a biomassa sospesa: i microrganismi responsabili della conversione della sostanza organica sono mantenuti in sospensione all interno dei reattori mediante diffusori di aria o sistemi meccanici di miscelazione. Processi a biomassa adesa: i microrganismi responsabili della conversione della sostanza organica sono adesi sotto forma di pellicole biologiche (biofilm) ad adeguati supporti contenuti nei reattori. Processi combinati: il supporto sul quale aderisce la biomassa è tenuto in sospensione all interno del reattore biologico.
Differenze Ecosistemi Acquatici - Depuratore Ecosistemi acquatici Bassa concentrazione di composti inquinanti Bassa concentrazione batterica Popolazione batterica eterogenea e difficilmente controllabile Condizioni fisico-chimicobiologiche variabili e non controllabili Cinetiche semplificate Interazioni complesse Obiettivi di tutela ambientale Impianto di depurazione Alta concentrazione di composti inquinanti Alta concentrazione batterica Popolazione batterica specializzata e facilmente controllabile Condizioni fisico-chimicobiologiche abbastanza costanti e controllabili Cinetiche complesse Interazioni semplici Obiettivi di gestione
Trattamenti biologici a biomassa sospesa Processo a Fanghi Attivi (Activated Sludge) Il processo viene definito a fanghi attivi o attivati perché comporta la produzione di una massa attiva di microrganismi capaci di stabilizzare un refluo in condizione aerobiche. Il processo si compone generalmente di tre unità fondamentali: 1) Un reattore nel quale i microrganismi sono tenuti in sospensione e aerazione; 2) Un unità per la separazione solido-liquido, generalmente rappresentata dalla vasca di sedimentazione; 3) Un sistema di ricircolo per riportare i solidi rimossi dall unità di separazione al reattore biologico.
Trattamenti biologici a biomassa sospesa Processo SBR Sequencing Batch Reactor (1/3) L SBR è un reattore del tipo a riempimento e scarico (fill-and-draw) che richiede l impegno di un singolo reattore a completo mescolamento, nel quale hanno luogo tutte le principali fasi del processo depurativo. La miscela liquida permane all interno del reattore per la durata di tutti i cicli di trattamento evitando quindi la necessità di una vasca separata ove fare avvenire la sedimentazione secondaria. Sono PROCESSI NON STAZIONARI CONTROLLATI e risultano superiori ai corrispondenti processi stazionari non controllati in quanto: conseguono la selezione e l accrescimento dei consorzi microbici desiderati; sono in grado di rimuovere e biodegradare i contaminanti sia durante le normali variazioni nel refluo influente, sia in occasione di shock di carico non previsti.
Trattamenti biologici a biomassa sospesa Processo SBR Sequencing Batch Reactor (2/3) Influente Influente RIEMPIMENTO Ciclo operativo Influente REAZIONE Aria Statico Miscelato Aerato Aerata Miscelata INATTIVITA SCARICO SEDIMENTAZIONE Effluente Spurgo Spurgo
Trattamenti biologici a biomassa sospesa Reattori biologici a membrana (MBR Membrane Biological Reactor) (1/5) Reattore biologico a coltura sospesa integrato con un sistema di membrane di microfiltrazione o ultrafiltrazione. Spaccato Bioreattore Moduli membrane
Trattamenti biologici a biomassa sospesa Reattori biologici a membrana (MBR Membrane Biological Reactor) (2/5) Reattore biologico Unità di filtrazione Sedimentatore secondario PERMEATO La biomassa è separata dall acqua trattata grazie all unità di I solidi ed i microrganismi filtrazione costituita sono separati dalle membrane dall acqua trattata all interno del sedimentatore secondario
Trattamenti biologici a biomassa sospesa Reattori biologici a membrana (MBR Membrane Biological Reactor) (3/5) Classificazione delle membrane MICROFILTRAZIONE (0,01-10mm) ULTRAFILTRAZIONE (10-3 -10-1 mm) NANOFILTRAZIONE Solidi sospesi Batteri Emulsioni Macromo-lecole Colloidi Virus OSMOSI INVERSA Proteine Composti basso P.M. ioni
Trattamenti biologici a biomassa sospesa Reattori biologici a membrana (MBR Membrane Biological Reactor) (4/5) Esempi di moduli a membrana a fibre cave piane con supporto a spirale avvolta
Trattamenti biologici a biomassa sospesa Reattori biologici a membrana (MBR Membrane Biological Reactor) (5/5) Configurazioni sistemi MBR con modulo esterno (side stream) con membrane sommerse: (a) modulo a pannelli piani (b) modulo a fibre cave
Trattamenti Biologici a biomassa adesa Nei processi a biomassa adesa il substrato viene consumato all interno del biofilm; al di sopra del biofilm si forma un film liquido stagnante (strato di diffusione), il quale separa lo stesso biofilm dalla massa liquida. L ossigeno, il substrato e i nutrienti si diffondono attraverso lo strato liquido stagnante raggiungendo il biofilm dove vengono utilizzati, mentre i prodotti di biodegradazione passano dal biofilm alla massa liquida, dopo aver attraversato lo strato liquido stagnante per diffusione. Dato il considerevole spessore che può essere raggiunto dalla pellicola biologica (fino a 10mm), i fenomeni di tipo diffusivo influenzano in modo notevole la velocità del processo di demolizione della sostanza organica.
Trattamenti biologici a biomassa adesa Sistemi RBC (Rotating Biological Contactors)
Trattamenti biologici a biomassa adesa Biofiltri aerati (BAF Biological Aerated Filters) (1/4) La degradazione della sostanza organica avviene insieme 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 I materiali di riempimento comunemente usati sono l argilla espansa, la pomice, l argilla vetrificata, il polietilene e il polistirene.
Trattamenti biologici a biomassa adesa Biofiltri aerati (BAF Biological Aerated Filters) (2/4) Il materiale di riempimento Polietilene flottante diametro 3 4 mm densità 620 kg m -3 superficie specifica 1000 2000 m2 m-3 Argilla espansa diametro 4 8 mm densità 350 kg m -3 superficie specifica 400 800 m2 m-3
Trattamenti biologici a biomassa adesa Biofiltri aerati (BAF Biological Aerated Filters) (3/4) Influente Flusso di Controlavaggio Effluente Mezzo Filtrante di Supporto della Biomassa Aria di Processo Aria di Controlavaggio Down-flow Effluente Acqua di Controlavaggio Influente Aria di Controlavaggio Up-flow Aria di Processo Acqua di Controlavaggio
Trattamenti biologici a biomassa adesa Biofiltri aerati (BAF Biological Aerated Filters) (4/4) Sedimentazione Influente BAFs tipo DOWN-FLOW Condizioni di PROCESSO Effluente Ricircolo flusso di controlavaggio Accumulo effluente per cicli di controlavaggio Valvola aperta Valvola chiusa Aria di processo
Trattamenti biologici a biomassa adesa Adsorbimento su BAC (Biological Activated Carbon) (2/4) La rimozione della sostanza organica avviene per: adsorbimento chimico fisico su carbone attivo (GAC) degradazione dei composti organici da parte del biofilm che si sviluppa sui granuli di carbone
Trattamenti biologici a biomassa adesa Adsorbimento su BAC (Biological Activated Carbon) (3/4) Degradazione dei substrati in fase liquida Degradazione dei substrati adsorbiti sul carbone Diminuzione del carico organico potenzialmente adsorbibile BIORIGENERAZIONE: liberazione dei siti attivi di adsorbimento prima occupati rendendoli nuovamente disponibili parziale ripristino della capacità di adsorbimento CONTEMPORANEO al processo depurativo
Trattamenti biologici combinati Reattori a biomassa adesa a letto mobile (MBBR Moving Bed Biofilm Reactor) (1/3) I reattori del tipo MBBR sono costituiti da reattori biologici in cui la biomassa si sviluppa su mezzi di supporto dispersi e sospesi nel liquame in trattamento. Si prestano per l upgrading di impianti a fanghi attivi esistenti.
Trattamenti biologici combinati Reattori a biomassa adesa a letto mobile (MBBR Moving Bed Biofilm Reactor) (2/3)
Trattamenti biologici combinati Reattori a biomassa adesa a letto mobile (MBBR Moving Bed Biofilm Reactor) (3/3) Schemi brevettati Numerosi sono gli schemi brevettati: Linpor, Kaldnes, Flocor, Agar ; Si differenziano per il materiale, la forma, la densità, la superficie specifica. Kaldnes Linpor Flocor Polietilene Densità: 0,92-0,96 g/cm 3 Tasso riemp.: < 70% Poliuretano Densità: 0,95 g/cm 3 Tasso riemp.: 30% Polipropilene Densità: 0,94 g/cm 3 Tasso riemp.: < 70%
Trattamenti biologici combinati Processi a carboni attivi con aggiunta di PAC IMPIANTO TRADIZIONALE A FANGHI ATTIVI PAC Reattore biologico Sedimentatore secondario
Trattamenti biologici combinati Processi a carboni attivi con aggiunta di PAC Migliorare la stabilità del sistema durante gli shock di carico attraverso l adsorbimento Incrementare la rimozione del COD attraverso l adsorbimento dei composti organici non biodegradabili Migliorare la sedimentazione e la disidratazione del fango Favorire lo sviluppo dei microrganismi: 1.Adsorbendo le sostanze che potrebbero risultare tossiche o inibenti; 2.Fornendo una superficie su cui crescere.
Trattamenti biologici combinati Processi a carboni attivi con aggiunta di PAC Il mantenimento del letto di carbone in un impianto tradizionale a fanghi attivi COSTOSO perchè un impianto tradizionale a fanghi attivi generalmente lavora con valori dell età del fango bassi DIFFICILE perché parte del carbone attivo può essere persa con il chiarificato L uso di carboni attivi in un impianto MBR può risultare particolarmente VANTAGGIOSO
Tecnologia Fanghi attivi SBR MBR RBC BAC BAF Vantaggi - Processo convenzionale e flessibile - Possibilità di upgrade - Possibilità di rimuovere i nutrienti - Flessibilità operativa - Eliminazione delle vasche di sedimentazione - Facilità di automazione e di gestione - Selezione di biomasse resistenti - Elevate concentrazioni di biomassa, tempi di ritenzione idraulica inferiori, elevate età del fango - Ridotta produzione di fanghi di supero - Ottime rese di abbattimento COD - Sistema compatto, ridotti ingombri volumetrici - Eliminazione fase di sedimentazione - Semplicità del processo - Processo stabile - Consumi energetici molto ridotti - Combinazione di 2 meccanismi di rimozione con prolungamento della vita utile del filtro - Facilità di sviluppo della biomassa anche per basse concentrazioni di substrato - Tempo di contatto tra substrato e biomassa svincolato dal tempo di permanenza idraulica del sistema. - Piccoli ingombri in pianta - Elevati carichi volumetrici - Effluente chiarificato - Elevato grado di controllo automatico Svantaggi - Elevati consumi energetici - Efficienza correlata alla sedimentabilità dei fanghi - Alti costi del sistema di areazione, di scarico e delle apparecchiature elettromeccaniche - Possibile necessità di un equalizzazione finale - Possibilità di temporanea inibizione della biomassa - Costi e manutenzione delle membrane; - Fenomeni di fouling - Consumi energetici - Processo sensibile alle variazioni di carico - Efficienza potenziale limitata - Possibili problemi meccanici - Gestione Complessa - Frequenza dei controlavaggi - Difficoltà di controllo della crescita batterica - Rilascio di biomassa nell effluente - Necessari trattamenti preliminari efficienti - Maggiore complessità di gestione - Facilmente utilizzabile per l upgrade di impianti a fanghi attivi - Stacciatura fine opportuna MBBR - Sed. primaria non indispensabile - Aerazione con bolle medio/grandi - Ingombro in pianta minore dei fanghi attivi - Controllo limitato del processo Applicazioni ingegneristiche - Limitate perdite dei trattamenti di caricobiologici di siti inquinati da idrocarburi Messina 15/09/2006
Conclusioni L applicazione di processi di degradazione biologica matrici contaminate dalla presenza di idrocarburi presenta elevate potenzialità; La versatilità delle alternative tecnologiche disponibili rappresenta un ulteriore vantaggio nell ottica di applicazioni innovatie; È evidente la necessità di abbinare, già a livello di ricerca e sviluppo preindustriale, le competenze degli ingegneri di processo e dei biologi!
Università degli studi di Catania Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale APPLICAZIONI INGEGNERISTICHE DEI TRATTAMENTI BIOLOGICI DI SITI INQUINATI DA IDROCARBURI Giacomo Lombardo e Federico G. A. Vagliasindi CSISA-Onlus CENTRO STUDI DI INGEGNERIA SANITARIA AMBIENTALE www.csisa.it; info@csisa.it Grazie! BIOTECNOLOGIE PER IL RECUPERO DI AREE MARINE CONTAMINATE DA PETROLIO Aspetti scientifici, industriali e normativi 15 Settembre 2006, Salone delle Bandiere - Palazzo Zanca, Messina