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Diapositiva 1 - Water Solutions
Ordine degli Ingegneri di
Cagliari
Incontro sul tema:
Tecnologie innovative per la movimentazione e il trattamento dei fluidi
Giovedì 7 maggio 2009
Tecnologie innovative per il trattamento
biologico delle acque reflue
Alessandra Carucci
UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI CAGLIARI
Dipartimento di Geoingegneria e Tecnologie Ambientali
Principali tecnologie per il trattamento
biologico delle acque reflue
{
{
{
Sistemi a Biomassa Sospesa:
z Sistemi a fanghi attivi convenzionali;
z SBR (Sequencing Batch Reactors).
Sistemi a Biomassa Adesa:
z Biofiltri;
z Letti percolatori;
z Biodischi.
Tecnologie Innovative:
z Bioreattori
a
Membrana
(MBR,
Membrane
BioReactors);
z Bioreattori a letto mobile (MBBR, Moving Bed
Biofilm Reactors)
z Fanghi
Aerobici Granulari (GSBR, Granulated
Sequencing Batch Reactors).
Sistemi a Fanghi Attivi convenzionali
• la biomassa si sviluppa nei reattori sottoforma di fiocchi in
sospensione nella massa liquida;
• il fango è caratterizzato da una scarsa sedimentabilità;
• la concentrazione di biomassa ottenibile nelle vasche di
ossidazione è bassa (3-5 gSSV/l);
• occorrono ampie superfici a disposizione per la realizzazione
delle vasche di ossidazione e delle vasche di chiarificazione
secondaria;
• notevole produzione di fanghi di supero biologici da trattare e
smaltire (aumento costi di gestione);
• problemi operativi dovuti a microrganismi indesiderati;
• estremamente sensibili alla presenza di sostanze tossiche o
inibenti, anche a basse concentrazioni.
Sistemi a Fanghi Attivi convenzionali
Sistemi a biomassa adesa
(Biofiltri)
VANTAGGI:
•
maggiore compattezza rispetto ai sistemi a fanghi attivi;
•
sistemi capaci di garantire un’elevata qualità
dell’effluente;
•
elevata concentrazione di biomassa ottenibile nei
reattori (il sistema di ricircolo dei fanghi è superfluo).
SVANTAGGI:
•
maggiore complessità dell’intero sistema, dovuta alla
contemporanea presenza di fenomeni biologici e
diffusivi;
•
difficoltà di mantenere i principali parametri operativi su
valori ottimali.
Alcune tecnologie innovative
z
Bioreattori a Membrana;
z
MBBR (Bioreattori a letto mobile);
z
Fanghi aerobici granulari.
I BIOREATTORI A MEMBRANA
}
}
I Bioreattori a Membrana (MBR, Membrane BioReactors) accoppiano l’utilizzo di processi
biologici con la tecnologia delle membrane per
trattare i liquami.
All’interno di una sola unità di processo vengono
raggiunte efficienze elevate, sostituendo il
sistema di trattamento che produce un effluente
terziario (ossidazione + sedimentazione II e
filtrazione).
I BIOREATTORI A MEMBRANA
I BIOREATTORI A MEMBRANA
Le molecole dell’acqua e le
sostanze disciolte
attraversano liberamente i
pori delle membrane
Membrana
semipermeabile
con pori
microscopici
Contaminanti quali solidi
sospesi, batteri e virus non
riescono ad attraversare i
pori delle membrana
Classificazione membrane
Filter
Bacteria
Micro-filtration (MF)
Ultra-filtration (UF)
Reverse Osmosis (RO)
1A
10A
100A
1000A
1μ
10μ
100μ
1mm
Membrane: fibre cave (hollow fiber)
Concentrato
Fascio di
membrane
Alloggiamento delle
membrane
Ingresso
Permeato
Membrane: fibre cave
Support Braid
Intasamento della membrana (membrane
fouling)
Accumulo di sostanze sulla superficie della
membrana e/o all’interno dei pori della
membrana
Diminuisce il flusso
Aumenta la pressione
Aumentano le spese di energia
Diminuisce l’efficienza del processo
Fouling
{
Formazione di un film
{
Intasamento
{
Intasamento interno
Fouling
Natura chimica
Incrostazioni di carbonato di calcio
Incrostazioni di solfato di calcio
Ossidi di metalli
Silice
Natura organica
Natura biologica
Fouling: possibili soluzioni
Pretrattamento dell’alimentazione;
Controlavaggio con acqua o aria;
Pulizia di tipo chimico;
Turbolenza per limitare lo spessore.
I BIOREATTORI A MEMBRANA
VANTAGGI:
{
{
{
Spazi ridotti;
Rimozione completa dei
solidi dall’effluente;
Rimozione COD, N e SS e
disinfezione in un’unica
unità;
{
Alte età del fango;
{
Bassa produzione di fango;
{
Nessun problema di
bulking;
{
Rapido avviamento;
{
Modulare.
SVANTAGGI:
{
Limitazioni nell’aerazione;
{
Problemi di intasamento;
{
Costo della membrana.
MBR per la separazione di biomassa
Reattore
Reattore aa biomassa
biomassa sospesa
sospesa ++ Membrana
Membrana
Sistema
Sistema esterno
esterno
Sistema
Sistemasommerso
sommerso
MBR per la separazione di biomassa
Reattore
Reattore aa biomassa
biomassa sospesa
sospesa ++ Membrana
Membrana
Sistema
Sistemacon
conmembrana
membranasommersa
sommersain
inun
unreattore
reattoreesterno
esterno
BIOREATTORI A LETTO MOBILE (MBBR)
Sistema ibrido che
accoppia biomassa
sospesa e biomassa
adesa.
Elementi plastici vengono
immessi nella vasca e su
essi cresce un biofilm.
Vantaggi
aumento dell’efficienza per l’effetto sinergico delle due biomasse,
rispetto al convenzionale fango attivo;
volumi molto inferiori;
possibilità di potenziamento di strutture esistenti, con possibilità di
innescare anche processi di nitrificazione e denitrificazione, senza
necessità di ulteriori volumi e spazi;
ulteriore flessibilità di ampliamento per un MBBR esistente,
rappresentata dalla possibilità di aumentare ulteriormente il tasso di
riempimento senza alcuna modifica strutturale o di apparecchiature;
sistema più resistente ad eventuali variazioni di carico grazie alla
presenza di biomassa adesa, notoriamente più resistente di quella
sospesa a questi eventi;
caratteristiche di separabilità biomassa/liquido più favorevoli, con
conseguente
miglioramento
delle
caratteristiche
qualitative
dell’effluente finale dopo sedimentazione;
età del fango più elevate a parità di volumi, e quindi fango di supero
più stabilizzato e facilmente disidratabile.
La biomassa adesa si specializza
Es. Schema NITRO/DENITRO
Denitrificazione
Rimozione COD
Nitrificazione
Caratteristiche generali MBBR
Elementi plastici
Sistema di aerazione
Griglia contenimento
Ricircolo del fango
ELEMENTI PLASTICI: Modelli
ELEMENTI PLASTICI: Caratteristiche
Struttura e forma
Superficie specifica: 300 – 500 m2/m3
Dimensione
Peso specifico: ~ 1 g/cm3 (dopo colonizzazione)
Grado di riempimento del reattore:
(espresso in m3/m3, in percentuale) è il rapporto tra il
volume apparente (pieni + vuoti) occupato dal mezzo di
supporto in vasca vuota ed il volume della vasca stessa
(intorno al 70 %).
DISTRIBUZIONE ARIA: bolle grosse
DISTRIBUZIONE ARIA: bolle fini
Rendimenti trasferimento
ossigeno più alti
Agitazione meno intensa
Necessità estrazione a vasca
piena
Distribuzione aria
Griglia di contenimento
griglia
Griglie
Spaziatura
Pulizia periodica:
¾ sistemi fissi
¾ sistemi mobili
I FANGHI AEROBICI GRANULARI
}
}
}
}
}
}
}
}
sistemi operanti in discontinuo
(GSBR, Granulated Sequencing
Batch Reactors);
la biomassa si sviluppa sottoforma
di granuli;
non occorre alcun materiale di
supporto;
struttura compatta e stratificata dei
granuli, dotati di elevata densità;
elevate concentrazioni di biomassa
ottenibili nei reattori;
ottime caratteristiche di
sedimentabilità del fango;
alte età del fango raggiungibili, con
bassa produzione di fango di
supero;
ridotta occupazione di superficie
libera.
I FANGHI AEROBICI GRANULARI
{
{
Autotrofi Nitrificanti
buona capacità di rimozione
di RBCOD (100%), N (94%),
P (94%);
prevalenza
dei
fenomeni
diffusivi, rispetto ai sistemi
convenzionali a fanghi attivi.
Eterotrofi Anossici
Eterotrofi Anaerobici
Zona Aerobica
Eterotrofi Aerobi Obbligati
Zona Anaerobica - Anossica
I FANGHI AEROBICI GRANULARI
Principali parametri operativi:
}
modalità e durata della fase di alimentazione;
}
concentrazione dell’ossigeno disciolto (OD) nel reattore;
}
velocità specifica di crescita della biomassa;
}
intensità delle forze di taglio;
}
}
}
}
selezione di una biomassa avente elevata velocità di
sedimentazione;
tempo di residenza idraulico;
struttura del ciclo di funzionamento del GSBR
(alimentazione, reazione aerobica con insufflazione d’aria,
sedimentazione, scarico effluente);
caratteristiche dell’influente.
I FANGHI AEROBICI GRANULARI
} i fanghi aerobici granulari possono essere considerati
dei particolari sistemi a biofilm;
} essendo la respirazione biologica nei granuli limitata
dai processi diffusivi, si hanno dei profili di
concentrazione del substrato attraverso il biofilm;
} i fenomeni diffusivi costituiscono una valida difesa
nei confronti di sostanze tossiche o inibenti:
¾ i microrganismi presenti all’interno dei granuli
sono esposti ad una concentrazione inferiore a
quella realmente presente nel bulk liquido e per
questo subiscono un’azione inibente minore.