26.Trattamento reflui di cantina

Trattamento reflui di cantina
Claudio Lubello
Università di Firenze
Caratteristiche quantitative
 produzione di acque reflue in una cantina vinicola
circa 1 m3 di refluo ogni 20 quintali di uva lavorata
volume di refluo pari a 0.7-1.2 volte il volume di vino prodotto
 La produzione di acque reflue cambia molto durante l’arco
dell’anno:
portate maggiori nel periodo della vendemmia (settembre-novembre)
portate minori nel periodo successivo dei travasi (novembre-marzo).
la produzione di acque reflue nel periodo aprile-agosto è pressoché assente
Caratteristiche qualitative
Contenuto di metalli pesanti
 Acque reflue provenienti da 4 cantine della provincia di Trento
 confronto con valori di cantine spagnole (Bustamante et al., 2005)
 confronto con i valori limite imposti dalla normativa nazionale per lo
scarico in fognatura da insediamenti produttivi
Metalli
pesanti
As
Ba
Cd
Cr
Cu
Hg
Mn
Ni
Pb
Zn
Cantine localizzate
in provincia di Trento
(Andreottola et al., 2006)
Media
Range
-1
-1
(mg L )
(mg L )
0.005
0.001-0.02
0.22
0.05-1.36
<0.005
<0.005
0.05
<0.005-0.14
2.35
0.68-11.13
-3
-4
-3
1X10
3 X10 -2.2X10
0.16
0.06-0.77
0.06
0.01-0.10
0.08
0.02-0.20
0.96
0.14-4.03
Cantine localizzate
in Spagna
(Bustamante et al., 2005)
Media
Range
-1
-1
(mg L )
(mg L )
0.06
0.05-0.08
0.15
<0.20-0.72
0.79
<0.2-3.26
0.31
<0.2-1.74
0.12
<0.20-0.65
1.09
0.55-1.34
0.58
0.09-1.40
Limiti per lo
scarico in
fognatura
-1
(mg L )
0.5
0.02
4
0.4
-3
5x10
4
4
0.3
1.0
Contenuto di metalli pesanti
 Cu e Zn rappresentano i parametri più critici
 le concentrazioni di Cu e Zn risultano spesso superiori ai limiti
ammessi per lo scarico in fognatura
Metalli
pesanti
As
Ba
Cd
Cr
Cu
Hg
Mn
Ni
Pb
Zn
Cantine localizzate
in provincia di Trento
(Andreottola et al., 2006)
Media
Range
-1
-1
(mg L )
(mg L )
0.005
0.001-0.02
0.22
0.05-1.36
<0.005
<0.005
0.05
<0.005-0.14
2.35
0.68-11.13
-3
-4
-3
1X10
3 X10 -2.2X10
0.16
0.06-0.77
0.06
0.01-0.10
0.08
0.02-0.20
0.96
0.14-4.03
Cantine localizzate
in Spagna
(Bustamante et al., 2005)
Media
Range
-1
-1
(mg L )
(mg L )
0.06
0.05-0.08
0.15
<0.20-0.72
0.79
<0.2-3.26
0.31
<0.2-1.74
0.12
<0.20-0.65
1.09
0.55-1.34
0.58
0.09-1.40
Limiti per lo
scarico in
fognatura
-1
(mg L )
0.5
0.02
4
0.4
-3
5x10
4
4
0.3
1.0
Caratteristiche salienti
 Alti carichi organici, soprattutto in forma solubile:
concentrazione di COD)
il COD solubile rappresenta l’86% del COD totale
concentrazione di SST
 estremi valori di pH (80% dei campioni con pH in campo acido)
si rende sempre necessaria una neutralizzazione del pH
prima di uno stadio biologico
 presenza di metalli pesanti
 spesso la concentrazione di Cu e Zn non è compatibile con lo
scarico in fognatura o in acque superficiali
 bassa concentrazione di nutrienti
N e P costituiscono lo 0.7% e lo 0.1% del COD totale
nel trattamento biologico delle acque di cantina è necessario
aggiungere urea e acido fosforico
(0.11 g urea/gCOD e 0.018 g H3PO4/gCOD)
Frazionamento COD acque grezze
Valori misurati nel periodo
della vendemmia
(settembre-ottobre)
Valori misurati nel periodo
dei travasi
(novembre-marzo)
RBCOD
80.7%
RBCOD
71.4%
COD solubile
84.5%
COD solubile
88.0%
COD solubile
non biodegradabile
12.4%
COD solubile
non biodegradabile
7.2%
COD totale
100%
COD totale
100%
SBCOD
3.1%
SBCOD
2.9%
COD particolato
15.5%
COD particolato
.
non biodegradabile
13.3%
Biomassa attiva
come COD
trascurabile
COD particolato
12.0%
COD particolato
.
non biodegradabile
8.8%
Biomassa attiva
come COD
0.24%
 Il COD rapidamente biodegradabile (RBCOD) rappresenta il 75.4%
del COD totale (media annua).
 La frazione di RBCOD è leggermente superiore nel periodo dei
travasi (80.7%), rispetto al periodo di vendemmia (71.4%), a causa
dello sviluppo dei processi di fermentazione
vendemmia
(settembre-ottobre)
COD solubile
84.5%
RBCOD
71.4%
travasi
(novembre-marzo)
COD solubile
88.0%
COD solubile
non biodegradabile
12.4%
RBCOD
80.7%
COD solubile
non biodegradabile
7.2%
COD totale
100%
COD totale
100%
SBCOD
3.1%
SBCOD
2.9%
COD particolato
15.5%
COD particolato
.
non biodegradabile
13.3%
Biomassa attiva
come COD
trascurabile
COD particolato
12.0%
COD particolato
.
non biodegradabile
8.8%
Biomassa attiva
come COD
0.24%
 Il COD lentamente biodegradabile (SBCOD) è pari solo al 3.0% del
COD totale (media annua)
 il COD solubile non biodegradabile è pari al 12.4% nel periodo di
vendemmia e pari al 7.2% nel periodo dei travasi. Tale frazione si
ritrova inalterata nell’effluente finale.
vendemmia
(settembre-ottobre)
COD solubile
84.5%
RBCOD
71.4%
travasi
(novembre-marzo)
COD solubile
88.0%
COD solubile
non biodegradabile
12.4%
RBCOD
80.7%
COD solubile
non biodegradabile
7.2%
COD totale
100%
COD totale
100%
SBCOD
3.1%
SBCOD
2.9%
COD particolato
15.5%
COD particolato
.
non biodegradabile
13.3%
Biomassa attiva
come COD
trascurabile
COD particolato
12.0%
COD particolato
.
non biodegradabile
8.8%
Biomassa attiva
come COD
0.24%
 La biomassa cellulare (misurata mediante test respirometrico) è
decisamente trascurabile (<0.24% del COD totale).
 La bassa concentrazione di biomassa batterica nelle acque di cantina
può rendere difficoltoso lo start-up di un impianto biologico di
trattamento (soprattutto se a biomassa adesa) se non adeguatamente
inoculato.
vendemmia
(settembre-ottobre)
COD solubile
84.5%
RBCOD
71.4%
travasi
(novembre-marzo)
COD solubile
88.0%
COD solubile
non biodegradabile
12.4%
RBCOD
80.7%
COD solubile
non biodegradabile
7.2%
COD totale
100%
COD totale
100%
SBCOD
3.1%
SBCOD
2.9%
COD particolato
15.5%
COD particolato
.
non biodegradabile
13.3%
Biomassa attiva
come COD
trascurabile
COD particolato
12.0%
COD particolato
.
non biodegradabile
8.8%
Biomassa attiva
come COD
0.24%
Alternative di gestione dei reflui
3
1
stoccaggio delle acque reflue
presso l’azienda, trasporto e
conferimento in un impianto di
depurazione adeguato per il
trattamento
2
scarico in fognatura delle
acque reflue tal quali, se
compatibili con la
normativa
realizzazione di un impianto di
pre-trattamento on-site presso
l’azienda, prima dello scarico in
fognatura, nel caso in cui il refluo tal
quale non rispetti le condizioni per
lo scarico diretto in fognatura;
4
realizzazione di un trattamento
completo on-site presso l’azienda
produttrice e scarico in acque
superficiali.
Alternative di gestione dei reflui
 Alternativa 1: costo di trasporto e
1
stoccaggio delle acque reflue
presso l’azienda, trasporto e
conferimento in un impianto di
depurazione adeguato per il
trattamento
2
scarico in fognatura delle
acque reflue tal quali, se
compatibili con la
normativa
pagamento per lo smaltimento
presso il depuratore in funzione di
portata o carico conferito
 Alternativa 2: costi per canone di
fognatura e canone di
depurazione.
Alternative di gestione dei reflui
 Alternativa 3 e 4: preferite nel
caso di cantine di media
dimensione o grandi aziende.
 Alternativa 3: necessaria quando
non sono rispettate le
concentrazioni limite di COD,
BOD5, SST e metalli pesanti per lo
scarico in fognatura.
 Alternativa 4: rimane la soluzione
perseguibile nel caso di aziende
medio-grandi per le quali le altre
soluzioni non sono
economicamente vantaggiose.
3
realizzazione di un impianto di
pre-trattamento on-site presso
l’azienda, prima dello scarico in
fognatura, nel caso in cui il refluo tal
quale non rispetti le condizioni per
lo scarico diretto in fognatura;
4
realizzazione di un trattamento
completo on-site presso l’azienda
produttrice e scarico in acque
superficiali.
Sistemi di trattamento
 TRATTAMENTI BIOLOGICI CONVENZIONALI
 TRATTAMENTI BIOLOGICI AVANZATI
 TRATTAMENTI CHIMICO-FISICI (in genere
pre-trattamento prima dello scarico in fognatura)
Trattamenti convenzionali
 I sistemi convenzionali per il trattamento delle acque reflue di
cantina sono: fanghi attivi, reattori SBR e biodischi
 IMPIANTI A FANGHI ATTIVI: la ricorrenza del fenomeno di
bulking è un tipico inconveniente nel caso dei fanghi attivi
 IMPIANTI SBR: hanno dimostrato buone potenzialità, potendo
modificare la lunghezza dei cicli in funzione del carico organico
applicato e mantenendo la medesima qualità dell’effluente.
Si applicano carichi volumetrici pari a 0.8 kgCOD m-3 d-1 con
efficienza di rimozione > 90%.
 BIODISCHI: diminuzione delle prestazioni in presenza di picchi
di carico, con riduzione dell’ossigeno o eccessiva crescita di
biofilm.
Trattamenti avanzati
 Permettono di superare alcuni dei limiti dei sistemi biologici
convenzionali
 I sistemi a biofilm si prestano bene grazie alla elevata
concentrazione di COD rapidamente biodegradabile
 Per i reflui di cantina sono stati proposti:
 Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR)
 Fixed Bed Biofilm Reactor (FBBR)
 Sistema anaerobico UASB - UHD
 I sistemi MBBR e FBBR offrono diversi vantaggi quali:
 riduzione di problemi di bulking
 assenza di controlavaggio grazie all’elevato grado di vuoto
 facile gestione dei reattori
SISTEMA A BIOMASSA ADESA A LETTO FISSO
(FIXED BED BIOFILM REACTOR, FBBR).
CASO DI STUDIO: cantina vinicola dell’Istituto Agrario di S. Michele
 grigliatura (mesh 3 mm)
 equalizzazione/omogeneizzazione aerata + neutralizzazione del pH
 1st stadio FBBR (2 reattori in parallelo) seguito da sedimentazione intermedia
 2nd stadio FBBR, seguito da sedimentazione finale
 Il fango sedimentato è inviato ad un ispessitore e quindi trasportato in un altro
impianto per la disidratazione
V=20
screening
VFBBR=12.5 m3
m3
V=3 m3
equalization/
homogeneization
tank
2nd stage
FBBR
intermediate
settler
1st stage
FBBR
final settler
discharge
excess sludge
VFBBR=12.5 x 2 m3
pH
neutralization
V=8 m3
thickening
V=9 m3
excess sludge
CARATTERISTICHE DEL SISTEMA FBBR
I reattori FBBR sono riempiti con elementi plastici (BIO-ECO)




Realizzati in polipropilene (densità  1.05 g cm-3)
Forma pressoché sferica con dimensioni di circa 11 cm
Superficie specifica pari a 140 m2 m-3
Elevato grado di vuoto pari a 95%
 Letto del reattore FBBR è sommerso ed aerato
 Aerazione mediante piastre Messner
 Avendo funzionamento stagionale
(settembre-marzo) ed elevato grado di vuoto
non richiede controlavaggio
 I reattori FBBR sono realizzati in
acciaio e montati
su rotaie
 possono essere estratti dall’edificio
e trasportati temporaneamente (per
alcune settimane) presso un altro
impianto per l’acclimatazione nel
mese di agosto, prima della
vendemmia
 immediato start-up all’inizio della
vendemmia.
Carichi di COD totale applicati e rimossi nell’impianto FBBR
Rimozione del COD nel 1° stadio
 Carico medio applicato = 2.4 kgCOD m-3 d-1 (massimo = 8 kgCOD m-3 d-1)
 Efficienza media = 80% (range 67-97%)
 Nel 1° stadio avviene la completa rimozione dell’RBCOD (pari al 71-80% del
COD totale)
Carico applicato superficiale
(gCOD m-2 d -1)
10
20
30
40
40
 = 100%
5
30
4
3
20
2
10
 = 91%
1
0
0
0
1
2
3
4
5
Carico applicato volumetrico
(kgCOD m-3 d-1)
-2 -1
(gCOD m d )
Carico rimosso volumetrico
(kgCOD m-3 d-1)
 Efficienza media = 91%
 Conc. media COD infl. 2356
mgCOD L-1, effl. 212 mg/L
 Questo valore rappresenta
un limite per il trattamento
biologico: nelle acque reflue di
cantina è presente una frazione di
COD solubile non biodegradabile
uguale al 9.8% in media che non
può essere rimossa né mediante
trattamento biologico né mediante
sedimentazione.
0
Carico rimosso superficiale
Rimozione del COD nell’impianto
completo
PRINCIPALI OSSERVAZIONI SUL SISTEMA FBBR




Rapido start-up (circa 24 - 48 ore dall’inizio della vendemmia) grazie
alla preventiva colonizzazione dei supporti plastici;
I reattori FBBR non richiedono controlavaggio durante il periodo
stagionale operativo (Settembre-Marzo). Non si sono riscontrati
intasamenti.
L’efficienza di rimozione è stata pari al 90%, che rappresenta un
valore limite a causa della frazione solubile non biodegradabile del
COD pari a circa il 10% → possono presentarsi difficoltà a rispettare
il limite allo scarico pari a 500 mgCOD/L
Vantaggi gestionali:
 Semplice gestione
 Elevata efficienza anche nel caso di
forti fluttuazioni di portata e di carico
 Buona sedimentabilità dei fanghi
senza problemi di bulking
SISTEMA A BIOMASSA ADESA A LETTO MOBILE
(MOVING BED BIOFILM REACTOR, MBBR).
CASO DI STUDIO presso cantina vinicola Rotary, Mezzocorona
 Nei reattori MBBR gli elementi plastici sono in sospensione nel bulk liquido
realizzando una configurazione a completa miscelazione.




grigliatura
equalizzazione e neutralizzazione del pH
reattore aerobico MBBR
sedimentazione finale
 Sono stati impiegati supporti KMT




in polietilene con densità pari a 0.96 g cm-3
dimensioni di 7-10 mm
grado di riempimento = 67%
superficie specifica nel reattore = 300 m2 m-3
1 cm
Carichi di COD totale applicati e rimossi nell’impianto MBBR
carichi volumetrici fino a 9.6 kgCOD m-3 d-1
carichi superficiali fino a 32 gCOD m-2 d-1
efficienza di rimozione del COD = 95% in media (range 85-99%)
concentrazioni medieCOD: infl. 2100 mg L-1, effl. 105 mg L-1
buona sedimentabilità
carico applicato superficiale
-2 -1
dei fanghi
(gCOD m d )
0
10
20
30
(SVI < 100 mL gSST-1).
40
40
12
10
30
8
 = 95%
6
20
4
10
2
0
0
0
2
4
6
8
10
carico applicato volumetrico
(kgCOD m-3 d-1)
12
carico rimosso superficiale
(gCOD m-2 d-1)
 = 100%
carico rimosso volumetrico
(kgCOD m-3 d-1)





REATTORE ANAROBICO CON CONFIGURAZIONE IBRIDA
(UASB + FILTRO ANAEROBICO)
CASO DI STUDIO presso cantina vinicola Rotary, Mezzocorona
Reattori anaerobici di tipo UHD (Upflow Hybrid Digester) combinano
un reattore UASB con un filtro anaerobico
Configurazione dell’impianto:
 equalizzazione e neutralizzazione del pH
 reattore anaerobico tipo UHD (altezza pari a 4.5
m):
- parte bassa costituita da un letto UASB in cui
si svolge gran parte della rimozione del COD
- parte alta costituita da un filtro anaerobico con
elementi Flocor-R (cilindri in PVC, con
superficie specifica = 230 m2 m-3)
 temperatura di processo = 35°C.
 tempo di ritenzione nel reattore pari a 43-48 h.
FILTRO
ANAEROBICO
UASB
Performance dell’impianto UHD
 carichi volumetrici applicati = 6 kgCOD m-3 d-1 in media (range 2-15
kgCOD m-3 d-1)
 efficienza di rimozione del COD > 93%
 riduzione dell’efficienza in presenza di forti fluttuazioni di carico:
necessità di una vasca di omogeneizzazione/equalizzazione a monte del
reattore biologico
 produzione specifica di biogas = 0.5 m3 kgCOD-1 rimosso.
Il reattore UHD, dopo un fermo impianto di 4 mesi (maggio-settembre) ha
ristabilito una efficienza di rimozione del COD pari al 96% entro 7 giorni.
TRATTAMENTI CHIMICO-FISICI PER LA RIMOZIONE DEI METALLI
 In molti casi il trattamento delle acque reflue di cantina si limita alla
rimozione della sostanza organica
 nel caso di normative molto restrittive per i metalli pesanti le concentrazioni
di alcuni metalli, specialmente Cu e Zn, superano i limiti ammessi allo
scarico
Normativa
italiana
Cu < 0.4 mg L-1
Zn < 1.0 mg L-1
 Per la rimozione dei metalli pesanti si può ricorrere a un pre-trattamento
on-site di tipo chimico-fisico, prima dello scarico in fognatura:
• Facile gestione e controllo di processo
• Flessibilità al variare dei carichi applicati e delle portate
• Riduzione degli spazi occupati e contenuti costi di
realizzazione
• Costi aggiuntivi per i reattivi e per lo smaltimento dei
fanghi