AZIONI SUL PROCESSO DI TRATTAMENTO FINALIZZATE ALLA RIDUZIONE DELLA PRODUZIONE DI FANGHI - Prof. Michele Torregrossa - CSEI Catania
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AZIONI SUL PROCESSO DI TRATTAMENTO
FINALIZZATE ALLA RIDUZIONE DELLA
PRODUZIONE DI FANGHI
Prof. Michele Torregrossa
Dipartimento di Ingegneria
Università degli Studi di PalermoI fanghi di supero
Processi Effluente chiarificato
Impianto di trattamento
Acque reflue civili
di depurazione (fisico,chimico, Fanghi
biologico) di depurazione
SSNS non volatili inerti
incorporati nella biomassa
SSNS volatili, trasformati in
biomassa (BOD 14g)
SDV trasformati in
biomassa (BOD 26g)
Frazione di SSS non separata
20÷30 g
durante la sedimentazione
primaria (BOD 2g)I fanghi di supero
Processi Effluente chiarificato
Impianto di trattamento
Acque reflue civili
di depurazione (fisico,chimico, Fanghi
biologico) di depurazione
70-80 gSS/ab. x giornoI fanghi di supero
Processi Effluente chiarificato
Impianto di trattamento
Acque reflue civili
di depurazione (fisico,chimico, Fanghi
biologico) di depurazione
30.000 a.e. → 2,25 tSS/ giorno
al 25% → 9 t di fango/giorno
100.000 a.e. → 7,5 tSS/ giorno
al 25% → 30 t di fango/giornoL’incidenza dei costi di smaltimento fanghi
30-60% costi
totali di esercizio
1-2% volume
acque reflue Costi di
smaltimento fino
a 600€/t peso
seccoTrend di produzione dei fanghi di supero
91/271/CEE Incremento Incremento
impianti di fango da
(152/06) depurazione smaltire
14000
103 tonnellate massa secca
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
1992 2005 2012 2020
anno Fonte Eurostat, aggiornato al 2016Normativa di riferimento
e costi di trattamento e smaltimento
Direttiva europea 91/271/CEE (recepita in Italia dal D.Lgs. Maggiore
152/99 → D.Lgs. 152/06), richiede che la maggior parte della produzione
popolazione Europea sia servita da stazioni di trattamento dei di fango di supero
reflui e, inoltre, limiti più restrittivi per l’effluente trattato.
La Direttiva europea 86/278/EEC (recepita in Italia dal D. Lgs. 27
gennaio 1992, n.99) impone che i fanghi debbano essere trattati
Aumento dei costi
prima di essere utilizzati in agricoltura (stabilizzazione obbligatoria).
associati al
La Direttiva europea sulle discariche 1999/31/EC (recepita in trattamento e allo
Italia dal D.Lgs. 13 gennaio 2003, n. 36) ammette lo smaltimento smaltimento
in discarica solo dopo un trattamento preventivo ed impone una
riduzione delle quantità conferite in discarica al
75% dal 2006, al 50% dal 2009, al 35% dal 2016.
Costo di trattamento e smaltimento medio europeo 470±280 €/tSS (Ginestet, 2006). Tale
valore è destinato a crescere nel prossimo futuro. In Italia, da uno studio condotto per la
Provincia Autonoma di Trento, il costo specifico complessivo, è risultato di 610,25 €/tSS
(Nardelli, 2006).
Necessità di rivisitare i processi gestionali dei fanghi di depurazione e di sviluppare
tecnologie atte a ridurne la produzione.Tecniche di riduzione dei fanghi di supero
Linea
acque
Minimizzazione
fanghi di
depurazione
Linea
fanghiTecniche di riduzione dei fanghi di supero
Interventi integrati in linea acque Interventi integrati in linea fanghi
(Incremento della biodegrabilità del fango)
Lisi cellulare-crescita nascosta Lisi cellulare
(trattamenti fisici e chimici lungo la linea di (Pre-trattamenti fisici e chimici a
ricircolo del fango) monte della digestione anaerobica)
Metabolismo di mantenimento
(Bioreattori a membrana) Metabolismo endogeno
(Digestione anaerobica doppio stadio)
Metabolismo disaccoppiato
(disaccoppiamento chimico;
Ossidazione ad alta temperatura
inserimento di un reattore anaerobico
side-stream) (Ossidazione a umido; ossidazione
supercritica)
Predazione batterica
Ozonolisi di un’aliquota della Oxic Settling Anaerobic (OSA)
portata del fango di ricircoloTecniche di riduzione dei fanghi di supero
• Rottura e degradazione delle cellule componenti
Lisi cellulare- la biomassa provocate da determinate azioni
crescita criptica fisiche, chimiche o biochimiche esercitate sulle
cellule.
Metabolismo • Consiste nel dissociare il catabolismo
disaccoppiato dall’anabolismo.
Metabolismo • Utilizzare parte dell’energia ottenuta attraverso la
biodegradazione del substrato, per le funzioni
endogeno vitali di mantenimento.
Predazione dei • Si basa sulla presenza di microfauna (protozoi e
metazoi) che utilizzano i batteri come fonte di
batteri nutrimento.
Ossidazione ad • Consiste nella degradazione della sostanza
organica particolata attraverso alte temperature e
alta temperatura pressioni.Lisi cellulare: processo BIOLYSIS-E Il fango attivo prelevato dal bacino di aerazione, è stacciato, ispessito e portato alla temperatura di processo mediante uno scambiatore fango/fango e relativo circuito di riscaldamento. 50-60°C La quantità di energia termica introdotta, mediante il suddetto circuito di riscaldamento, compensa le perdite di calore per irraggiamento e fornisce quelle di riscaldamento dei nuovi fanghi, già pre-riscaldati grazie al recupero di calore (scambiatore fango/fango).
Lisi cellulare: processo BIOLYSIS-E
Il reattore aerobico Gli enzimi rilasciati dai batteri nel reattore rompono il
termofilo è omogeneizzato fango in modo tale da non poter riprodursi e crescere.
e miscelato in modo 50-60°C
vigoroso attraverso un
sistema di aerazione
opportunamente
realizzato per questa
tecnologia.
Il fango, effluente dal
reattore termofilo, ritorna
nel bacino di aerazione
dell’impianto dove si hanno
le reazioni biologiche in
condizioni mesofile.
Riduzione di fanghi ottenibile: dal 30% all’80%Lisi cellulare: processi ad ossigeno puro E’ stato dimostrato che un semplice incremento della quantità di ossigeno disciolto da 2 a 6 mg/l comporta una riduzione del fango prodotto pari al 25%.
Lisi cellulare: ossidazione chimica fango di ricircolo Tecnologia per la riduzione della produzione del fango di supero basata sul concetto di lysis-cryptic growth o crescita nascosta. In particolare con la dizione “crescita nascosta” si è soliti indicare l’aumento di biomassa dovuto alla solubilizzazione del substrato originato dalla lisi cellulare (di fatto, i microrganismi si nutrono di quello che era il contenuto intracellulare delle cellule sottoposte a lisi) differenziandolo però dall’accrescimento che si basa sui tradizionali substrati organici
Lisi cellulare: ossidazione chimica fango di ricircolo
Ossidazione con ozonoLisi cellulare: ossidazione chimica fango di ricircolo
Ossidazione con ozono
Influente Vasca a fanghi attivi Effluente
Sedimentatore Sedimentatore
primario secondario
Ozonizzazione
Fango di ricircolo
Fango di supero
Digestore Ozonizzazione Pre-
anaerobico ispessitore
Ozonizzazione
Disidratazione SmaltimentoLisi cellulare: ossidazione chimica fango
Schema del processo BIOLYSIS-O
Riduzione di fanghi ottenibile: dal 30% all’80%Lisi cellulare: ossidazione chimica fango di ricircolo
Schema del processo Praxair
Ossidazione con ozono
Riduzione di fanghi ottenibile: 50%Lisi cellulare: ossidazione chimica fango di ricircolo
Effetti del processo di ozonizzazione
Effetto del processo di ozonizzazione sulla
concentrazione dei batteri filamentosiLisi cellulare: ossidazione chimica fango di ricircolo
Consumo di O3Lisi cellulare per disaccoppiamento metabolico I microrganismi utilizzano la sostanza organica nelle acque reflue come fonte di carbonio per fornire energia e generare nuovo materiale cellulare. Il processo catabolico trasforma la sostanza organica in metaboliti ed energia. Tale energia viene poi utilizzata per soddisfare le funzioni di mantenimento e per supportare il processo anabolico che trasforma i metaboliti in nuova biomassa. L’adenosintrifosfato (ATP) ha il ruolo intermedio tra il processo di ossidazione del substrato (catabolismo) e la reazione di sintesi della biomassa (anabolismo). Il tasso di crescita cellulare è direttamente proporzionale alla quantità di energia (ATP) prodotta attraverso il catabolismo (fosforilazione ossidativa). Il disaccoppiamento tra catabolismo ed anabolismo limita la disponibilità di energia per l’anabolismo, privando così i batteri dell’energia necessaria per la sintesi di nuove cellule. In questo modo il rendimento di crescita della biomassa diminuisce con conseguente riduzione della produzione di fango.
Lisi cellulare per disaccoppiamento metabolico Da un punto di vista tecnologico per favorire il disaccoppiamento metabolico si può ricorrere a: • composti chimici disaccoppianti (metabolic uncoupler); • inserimento di un reattore anaerobico side stream lungo il circuito di ricircolo. Composti utilizzati per ridurre la produzione di fango: paranitrofenolo (pNP); clorofenolo; tetraclorosalicilanilide; triclorofenolo, aminofenolo, e altri.
Lisi cellulare per disaccoppiamento metabolico Trattamento anaerobico/anossico del fango di ricircolo Il trattamento “oxic-settling-anaerobic” (OSA) è una variante della tecnologia convenzionale del processo a fanghi attivi, ottenuta inserendo nel ricircolo un reattore anaerobico; l’alternanza fra condizioni aerobiche ed anaerobiche ha sulla biomassa l’effetto di un disaccoppiante metabolico poiché riesce separare il catabolismo dall’anabolismo. Tale processo è costituito, infatti, da fasi di aerobiosi intervallate a fasi di anaerobiosi corrispondenti ad un’alternanza rispettivamente, di fasi di “feasting” (ricca di nutrienti) e di “fasting” (povera di substrato).
Lisi cellulare per disaccoppiamento metabolico
Trattamento anaerobico/anossico del fango di ricircolo
Influente Vasca a fanghi attivi Effluente
Sedimentatore
secondario
Reattore anaerobico Fango di ricircolo
Fango di superoLisi cellulare per disaccoppiamento metabolico
Trattamento anaerobico/anossico del fango di ricircolo
Quando i microorganismi ritornano nel reattore aerobico a fanghi attivi
ricco di substrato organico, devono necessariamente ricostruire le loro
riserve di energia prima di sintetizzare nuova biomassa, in quanto la
sintesi cellulare non può procedere senza un minimo quantitativo di ATP.
Il consumo di substrato si traduce perciò in metabolismo catabolico per
soddisfare la richiesta di energia da parte dei microorganismi. L’alternarsi
di condizioni aerobiche e anaerobiche tende quindi a dissociare
catabolismo da anabolismo a vantaggio dell’attività catabolica.
La produzione di fango risulta così minimizzata.
Riduzione di fanghi ottenibile: fino al 50%Sviluppo di protozoi e metazoi
per la predazione batterica
In un sistema a fanghi attivi i protozoi rappresentano circa l’1% dell’intera
microfauna e di questa aliquota circa il 70% è costituito da protozoi ciliati; per
quanto riguarda invece i metazoi essi sono in gran parte rappresentati da rotiferi e in
misura minore da nematodi.
Uno dei modi per ottenere la riduzione della produzione del fango in eccesso è
rappresentato dal favorire lo sviluppo di protozoi e metazoi che svolgano il ruolo
di predatori nei confronti dei batteri responsabili della formazione del fango
garantendo comunque una costante efficacia del processo depurativo.Sviluppo di protozoi e metazoi per la predazione batterica
Metabolismo di mantenimento ed endogeno E’ ormai ben noto il fatto che una parte considerevole dell’energia prodotta attraverso il meccanismo della respirazione cellulare è usata dai microrganismi per garantire lo svolgimento di tutta una serie di funzioni vitali che vengono comunemente riconosciute con la dizione di metabolismo di mantenimento. In particolare l’energia di mantenimento include il fabbisogno energetico necessario al continuo rinnovamento del materiale cellulare e alle attività di trasporto e spostamento di ogni singolo microrganismo. Poiché il consumo di substrato associato con il mantenimento delle funzioni vitali del microrganismo non viene sintetizzato in nuova massa cellulare, è possibile asserire che la produzione di fango può ragionevolmente essere considerata inversamente proporzionale all’attività del metabolismo di mantenimento.
Metabolismo di mantenimento ed endogeno D’altro canto, in base al fatto che la diminuzione della produzione di biomassa risulta essere direttamente proporzionale alla diminuzione del coefficiente di crescita cellulare, ne consegue che l’energia di mantenimento richiesta da ogni microrganismo può essere ricavata in maniera efficace dal metabolismo endogeno. Ciò vuol dire che una parte dei componenti cellulari viene continuamente ossidata per produrre proprio quell’energia necessaria alle funzioni di mantenimento. La condizione ottimale va riconosciuta nel raggiungimento di un equilibrio naturale fra crescita e scomparsa cellulare. Applicazioni pratiche: Impianti ad aerazione prolungata e impianti MBR
INTERVENTI SULLA LINEA FANGHI
Interventi di tipo chimico-fisico-biologico:
Ispessimento: impiego dell’ispessimento dinamico, adottando macchine derivate
da quelle originariamente progettate per la disidratazione meccanica. Esempi:
centrifughe decantatrici, tavole gravitazionali, setacci cilindrici.
Disidratazione: uso di apparecchiature funzionanti in continuo e capaci di
ottenere livelli di disidratazione maggiori (es.: centrifughe ad alta concentrazione
che consentono un incremento del tenore di secco maggiore di circa le macchine
originarie di 5-8 punti percentuali); messa a punto di apparecchiature in grado di
ottenere elevate percentuali di secco grazie ad una particolare efficienza della
fase di compressione finale.
Essiccamento termico: i fanghi vengono portati a una temperatura di circa
120°C, alla quale si liberano l'acqua interstiziale e quella capillare, o fino a 180°C,
alla quale si libera pure l'acqua legata. Si possono ottenere tenori di secco del
90%.INTERVENTI SULLA LINEA FANGHI Pre-trattamento del fango a monte della digestione anaerobica: • Idrolisi termica; • Ultrasonicazione; • Omogeneizzazione ad alta pressione; • Esposizione ai raggi gamma; • Disgregazione meccanica; • Ossidazione a umido (wet oxidation); • Idrolisi acida o alcalina; • Pretrattamento con ozono; • Pretrattamenti biologici con uso di enzimi → Modifiche dei digestori
INTERVENTI SULLA LINEA FANGHI Pre-trattamento del fango a monte della digestione anaerobica: Idrolisi termica: L’idrolisi termica è una tecnica di riduzione dei fanghi associata all’utilizzo di reattivi acidi che comportano però alcuni inconvenienti tra i quali problemi di corrosione, necessità di una post-neutralizzazione, solubilizzazione di metalli pesanti e fosfati. Il trattamento termico-alcalino può costituire un’alternativa al trattamento termo- acido permettendo di superare alcune limitazioni nell’applicazione di quest’ultimo. Il trattamento termico in ambiente alcalino può essere applicato come pretrattamento prima della digestione anaerobica o integrata alla stessa o con unico trattamento sul fango ispessito, a monte della disidratazione meccanica. L’azione combinata dei reattivi alcalini e della temperatura comporta una maggiore idrolisi con conseguente riduzione dei solidi sospesi durante la digestione.
INTERVENTI SULLA LINEA FANGHI
Pre-trattamento del fango a monte della digestione
anaerobica:
• Idrolisi termica:
Steam
10-12 bar
6,2 bar e 160°C
Es.:processo CAMBIINTERVENTI SULLA LINEA FANGHI
Pre-trattamento del fango a monte della digestione
anaerobica:
• Idrolisi termica:
Es.:processo CAMBIINTERVENTI SULLA LINEA FANGHI Pre-trattamento del fango a monte della digestione anaerobica: Tecnologie disponibili: • AMBI process (CAMBI GROUP AS) • SolidStream-process (CAMBI GROUP AS) • PONDUS process (PONDUS VerfahrenstechnikGmbH) • HCHS process (Harsleevcompany) • LysoTherm(ELIQUO STULZ GmbH) • BIOTHELYS / EXELYS (Veolia Water Technologies) • TURBOTEC method (Sustec) • ZERO SLUDGE (NewLisiS.p.A.)
INTERVENTI SULLA LINEA FANGHI Pre-trattamento del fango a monte della digestione anaerobica: Vantaggi: • riduzione fango
INTERVENTI SULLA LINEA FANGHI
Pre-trattamento del fango a monte della digestione anaerobica:
Ultrasonicazione:
Gli ultrasuoni sono onde sonore con frequenza superiore a 20 kHz.
Quando si applicano gli ultra-suoni ad una massa liquida si innesca il fenomeno
della cavitazione: si ha la diminuzione della pressione locale fino a valori inferiori
alla pressione di evaporazione con la conseguente formazione di bolle di vapore.
Queste bolle aumentano di diametro ad ogni ciclo di bassa-alta pressione per
effetto di un fenomeno chiamato diffusione rettificata durante il quale le bolle
pulsano in risonanza con gli ultrasuoni fin quando la frequenza di risonanza della
bolla è corrispondente a quella del campo degli ultrasuoni. Quindi la bolla oscilla
fortemente fino al raggiungimento di uno stato critico, in corrispondenza del quale
implode. Al centro del punto di implosione si raggiungono temperature di 5.000°C
e pressioni di 500 bar e, nel liquido circostante, si generano elevate forze di taglio.
Il risultato è la distruzione delle strutture solide contenute nel fluido.
Riduzione della produzione di fango: 50-70%INTERVENTI SULLA LINEA FANGHI Pre-trattamento del fango a monte della digestione anaerobica: • Ultrasonicazione:
INTERVENTI SULLA LINEA FANGHI Pre-trattamento del fango a monte della digestione anaerobica: Ossidazione ad umido: Il fango liquido è messo in contatto con un gas ossidante (ossigeno), ad una temperatura di circa 230÷250°C e ad alta pressione (circa 60 bar), in condizioni di processo continue (tempo di residenza 15÷120 min). Il fango si trasforma in tre prodotti principali: una parte liquida (con presenza di sostanza organica facilmente biodegradabile, che può essere inviata per il trattamento in testa all’impianto di depurazione), gas di combustione (che possono essere immessi in atmosfera senza alcun trattamento in quanto esenti da polveri e perché, date le basse temperature di processo, non si ha la produzione di composti pericolosi), residui minerali inerti in fase liquida (che possono essere trattati e smaltiti in discarica).
INTERVENTI SULLA LINEA FANGHI Pre-trattamento del fango a monte della digestione anaerobica: • Ossidazione ad umido:
Grazie per l’attenzione! Michele Torregrossa Dipartimento di Ingegneria UNIVERSITÀ DI PALERMO michele.torregrossa@unipa.it
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