presentazione lavoro - DCFA - Gruppo di ricerca Inquinamento e

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI UDINE
FACOLTÀ DI INGEGNERIA
DIPARTIMENTO DI SCIENZE E TECNOLOGIE CHIMICHE
Intervento
TRATTAMENTO ANAEROBICO DI
REFLUI MOLTO CONCENTRATI
Ing. Daniele GOI
Milano - Ottobre 2002
INTRODUZIONE
REFLUI MOLTO CONCENTRATI
Acque cariche di inquinanti con diversa:
Origine (attività produttive, misti, altro)
Matrice prevalente (organica o inorganica)
Concentrazione (mg/L di Si, Xi)
Possibilità di trattamento (Fis., Chim., Biol.)
TRATTAMENTO BIOLOGICO ANAEROBICO
Tecnologia di tipo biologico
Possibilità di impiego su reflui di varia natura
GENERALITÁ SUI PROCESSI ANAEROBICI
Definizioni:
Processi biologici di depurazione dell’acqua che si sviluppano in
assenza di ossigeno dove:
il metabolismo microbico prevede l’utilizzo dell’ossigeno legato
alle molecole dei composti organici ed inorganici presenti nel
liquame;
la degradazione del substrato inquinante avviene attraverso
la produzione di biogas (principalmente CH4 ed CO2);
la formazione di fanghi (varie colonie batteriche) si contiene a
valori notevolmente ridotti;
Caratteristiche del metabolismo anaerobico
PROCESSO
PRODOTTI DEL
PROCESSO
GRUPPI
BATTERICI
IDROLISI
monosaccaridi e
monomeri solubili di
altro tipo
lipolitici, proteolitici,
cellulitici
ACIDOGENESI
acidi grassi,
idrogeno, alcoli,
anidride carbonica
fermentanti
acidogenici
ACETOGENESI
acido acetico e
idrogeno
fermentanti
acetogenici
metano e anidride
carbonica
metanogeni
METANOGENESI
degradazione del substrato
4%
H2
28%
24%
Organici
complessi
Acidi
Organici
alto PM
76%
CH4
52%
20%
Stadio 1:
Idrolisi e
fermentazione
72%
Acido
Acetico
Stadio 2:
acetogenesi e
deidrogenazione
Stadio 3:
metanogenesi
Fasi limitanti
Metanigena
4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O (+ veloce)
CH3COOH → CO2 + CH4 (- veloce)
(rimozione efficiente fino alla saturazione)
PROCESSO VALIDO SOLO COME PRETRATTAMENTO ?
Altre fasi
POSSONO ESSERE LIMITANTI IN RELAZIONE AL
PROCESSO E ALLA TIPOLOGIA DEL REFLUO
Cinetiche e costanti di resa
Parametro
unità misura
valore
Cost. di crescita max.:
batteri acidogenetici
d-1
1-3
Cost. di crescita max.:
batteri metanogenetici
d-1
0.3-0.5
Cost. di resa max.:
batteri acidogenetici
gVSS/gCOD
0.15-0.20
Cost. di resa max.:
batteri metanogenetici
gVSS/gCOD
0.03-0.04
Effluente
CO2
CH4
Effluente
CO2
fango
fango
sostanza organica
biodegradabile
trattamento anaerobico
trattamento aerobico
particolarità del processo anaerobico
L’opera di queste strutture batteriche procede in sequenza
percorrendo a catena tutte le fasi caratteristiche
Condizioni termiche di funzionamento:
Psicrofile, T< 30°C
Mesofile, T≅ 30-40°C
Termofile, T> 40°C
Condizioni di carico:
Basso carico: 2-5 kgCOD/m3 d
Alto carico: 6-20(…) kgCOD/m3 d
HRT e SRT
Variabili: 5-15 d; 5-15 h
Prime realizzazioni impiantistiche:
Stabilizzazione fanghi di impianti di depurazione acque
Reflui molto concentrati e particolarmente biodegradabili
industria alimentare
Reflui acquosi di particolare refrattarietà
studi di trattabilità anaerobica
Nuovi approcci impiantistici:
Strutturazioni tecnologiche migliorative del processo
Introduzione nuove tipologie reattori
Miglioramento assetti fluidodinamici
Controllo fasi di processo
TIPOLOGIE DI REATTORI ANAEROBICI
Sistemi anaerobici a basso carico (Low rate anaerobic system)
Sistemi anaerobici a contatto (AC: Anaerobic Contact)
Filtri anaerobici (AF: Anaerobic Filter)
Percolatori anaerobici (DSFF: Downflow Stationary Fixed Film)
Letti fluidizzati/espansi anaerobici (FB/EB: Fluidized/Expanded Bed)
UASB (UASB: Upflow Anaerobic Sludge Blanket)
EGSB (EGSB: Expanded Granular Sludge Bed)
Sistemi ibridi e multifase (es. UASB/AF)
SISTEMA ANAEROBICO A BASSO CARICO
(da Grady, 1999)
SISTEMA A CONTATTO (AC)
(da Grady, 1999)
PERCOLATORI ANAEROBICI (DSFF)
(da Grady, 1999)
LETTI FLUIDIZZATI ED ESPANSI (FB/EB)
(da Grady, 1999)
UASB
(da Grady, 1999)
UASB IBRIDI (es.UASB/AF)
(da Grady, 1999)
SEPARAZIONE DEL GAS
(da Grady, 1999)
FATTORI CHE INFLUENZANO IL PROCESSO
SRT (Solids Retention Time)
Carico organico volumetrico
Carico idraulico totale
Miscelazione
Temperatura
Tipologia del refluo
Nutrienti
pH
Tossicità
SRT (SOLIDS RETENTION TIME)
V⋅X
SRT =
QW ⋅ X W
Controllo sulla tipologia dei microrganismi presenti
Determina la velocità alla quale possono svilupparsi le
reazioni biochimiche
Determina la stabilità delle prestazioni del sistema
Determina la capacità di sviluppo delle fasi di
idrolisi e stabilizzazione del materiale particolato
TEMPERATURA
Determina le migliori condizioni di funzionamento nei
vari campi di funzionamento del processo
Determina le migliori condizioni metaboliche per la
fauna microbica metanogena
Interessa le fasi idrolitiche e acetogenetiche
Le variazioni repentine possono influire
negativamente sulla stabilità del processo
Difficile applicabilità in condizioni psicrofile
Difficile stabilità in condizioni termofile
TIPOLOGIA DEL REFLUO
Influisce sull’intero processo in base a SS, XS:
SS
XS
SS rapidamente biodegradabile (vari reattori)
SS lentamente biodegradabile (UASB, r. ad alto carico)
particolato biodegradabile (r. a basso carico, AC, AF, DSFF)
Influisce sulla formazione della biomassa granulare (UASB)
pH
Le prestazioni dei microrganismi metanogeni dipende
molto dalle condizioni di pH.
Se il sistema non è ben bilanciato un eccesso di
produzione di acidi grassi (VFA) può far calare il pH con
conseguente calo dell’attività metanigena (intervengo sul VOL).
La principale fonte di alcalinità in un sistema anaerobico
stabile è il bicarbonato che può essere anche aggiunto
Aggiunte di altri composti chimici (NaHCO3, Na2CO3,
NaOH, CaOH, NH3) con estrema cautela
Regolazione della concentrazione di CO2 nella fase gas
TOSSICITÀ
Alcuni composti tossici possono inibire il metabolismo
della fauna microbica anaerobica
Cationi metallici: Ca, Mg, Na, K
Ammoniaca: NH3 - NH4+
Solfuri, Solfati, VFA(indiss)(?)
Metalli pesanti
Organici xenobiotici (?)
SCELTE E VALUTAZIONI
Per applicazioni a scala reale:
Concentrazione CODBiodegradabile
Analisi preliminare
Prove produzione di metano (bench)
Tipologia refluo
Prove di tossicità (bench)
Tipologia reattoristica
Prove su impianto pilota
100
Digestione
anaerobica
T rattamenti
aerobici /anossici
HRT (giorni)
10
T rattamenti
a naerobici
a basso carico
1
T rattamenti
a naerobici
a d alto carico
0.1
10
2
3
10
10
4
5
10
COD biodegradabile (mg/L)
10
6
Innalzamento di temperatura
raggiungibile (°C)
30
25
CON RECUPERO DI CALORE
20
15
SENZA RECUPERO DI CALORE
10
5
0
0
2 103
4 103
6 103
8 103
1.0 104
COD biodegradabile (mg/L)
1.2 104
STUDI SULL’ATTIVITÀ DEL FANGO
Prove sperimentali preliminari sulla produzione di metano:
Utili a dare una valutazione preliminare della possibilità di
impiegare la tecnologia anaerobica su un dato refluo
(Valutazione globale dell’attività degradativa)
Utili a determinare gli effetti tossici o inibenti di taluni
composti o di un intero refluo
(Valutazione della tossicità)
Case study: Prove di tossicità preliminari su reattore batch
(composti utilizzati nel test)
CrCl3
FeCl3
NaBO3
NaCl
NaNO3
NaNO2
NaOCl
C2HCl3
mg.l-1 Cr
mg.l-1 Fe
mg.l-1 B
g.l-1 Cl
mg.l-1NO3
mg.l-1NO2
mg.l-1 Cl
mg.l-1
2.6
10
4
4.76
1
10
2
1.2
5.2
20
8
9.40
2
20
4
12
56
12
17.42
20
84
24
37.54
40
60
80
120
Case study: Assetto generale delle prove
Reattori batch di 2L, Temperatura 37°C, tempi:1 d
Substrato base sintetico (acetato-glucosio-nutrienti-tracce)
Inoculo: fango da reattore UASB scala reale (10-20 g/L)
Campioni da testare: soluzioni sintetiche o reflui reali
raccolta biogas
ingresso campione
misura metano
soluzione di KOH
bagno termostatico
GASOMETRO
agitatore
REATTORE
Curve cumulate della produzione di metano (caso NaCl)
1200
control
+ 2890 mg/l Cl
Cumulative production of methane [ml]
+ 4760 mg/l Cl
+ 9400 mg/l Cl
+ 17420 mg/l Cl
+ 37535 mg/l Cl
800
400
0
0
5
10
15
Time [h]
20
25
30
Curve cumulate della produzione di metano (caso CrCl3)
1200
control
Cumulative production of methane [ml]
+ 2.6 mg/l Cr
+ 5.2 mg/l Cr
+ 56 mg/l Cr
+ 84 mg/l Cr
800
400
0
0
5
10
15
Time [h]
20
25
30
Recupero attività metanogenetica (caso NaCl)
1200
control
Cumulative production of methane [ml]
+ 37 535 mg/l Cl
1000
after washing
800
600
400
200
0
0
5
10
15
Time [h]
20
25
30
Recupero attività metanogenetica (caso CrCl3)
1200
control
Cumulative production of methane [ml]
+ 84 mg/l Cr
1000
after washing
Glu
800
600
400
200
0
0
5
10
15
Time [h]
20
25
30
PROVE SU IMPIANTO PILOTA
Prove sperimentali di assetto strutturale:
Utili a dare una valutazione globale preliminare sulla
possibilità di impiegare una data struttura reattoristica
(Scelta della tipologia di reattore)
Utili a ricostruire a piccola scala le possibili
compartimentazioni a livello impiantistico
(Valutazione miglioramenti del processo)
Case study: Prove su reattore pilota UASB
(Rimozione AOX in refluo misto civile-industriale,
introduzione del comparto di preacidificazione)
Reattore pilota V= 50L (20+30), T= 35°C,
VOL= 0.1 kgCOD/m3 d
Substrato base: refluo misto (civile-industriale)
Fango da reattore UASB (10-20 g/L)
Soluzioni aggiuntive di AOX
BIOGAS
OUTLET
pH, T
AOX
B
INLET
A
Linea termostatica
100
3500
90
3000
µgAOX/l
2500
70
60
2000
50
1500
40
30
1000
20
500
10
0
0
1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37
w eek
IN
OUT
%
Efficiency (%)
80
PROSPETTIVE DI SVILUPPO DELLA TECNOLOGIA
ANAEROBICHE IN DEPURAZIONE ACQUE
I rallentamenti relativi alla diffusione dei sistemi anaerobici nella depurazione
delle acque siano dovuti in maggior misura ad aspetti sociali ed economici
piuttosto che tecnologici;
Le evoluzioni impiantistiche e applicative della tecnologia anaerobica in
depurazione acque potrebbero sconvolgere interessi ed economie
consolidate;
Il progresso della tecnologia anaerobica può potenzialmente
influire su aspetti ambientali fondamentali quali il raggiungimento di
un migliore bilancio ecologico:
abbattimento di carichi inquinanti
+ produzione di energia da fonte rinnovabile
NUOVE OPPORTUNITÀ ALTERNATIVE-MIGLIORATIVE
DI DIFESA DALL’INQUINAMENTO AMBIENTALE