Opportunità di integrazione delle microalghe negli impianti di depurazione - E.Ficara, M.Bellucci M.Mantovani, V.Mezzanotte, F.Marazzi - CHIMICA ...
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Opportunità di integrazione delle microalghe
negli impianti di depurazione
E.Ficara, M.Bellucci M.Mantovani, V.Mezzanotte, F.Marazzi
Politecnico di Milano – DICA Università degli studi di Milano Bicocca - DISAT
Le microalghe
Microalghe
• Monocellulari, fotosintetiche,
autotrofe
• Estremamente versatili ed
adattabili a condizioni ambientali
anche estreme
• Elevata biodiversità (decine di
migliaia di specie)
Responsabili della fotosintesi ossigenica O2
H2O → O2
• 2.8 miliardi di anni
• base per lo sviluppo degli organismi
aerobici
2
Nuove applicazioni
Nutrienti da Coltivazione con
flussi sistemi
di scarto semplificati
• Fertilizzanti e
Biostimolanti
• Biocombustibili
• Mangimi
Depurazione!! • Biomateriali
3
Coltivazioni su reflui
Nuove spinte: economia circolare, recupero di risorse, risparmio
energetico, nuove strategie Europee
WWTP → WRRP (Water Resource Recovery Platform)
Fattori chiave: recupero di
energia e materia
4
Coltivazione su reflui
Principali vantaggi:
→ Rimozione di inquinanti dalle acque
reflue:
▪ Azoto (NH4+, NO3-)
▪ Fosforo (PO43-)
▪ Carbonio (CORG, IPA)
→ Rimozione di gas serra (CO2)
→ Produzione di O2 (aerazione
fotosintetica)
→ Produzione di biomassa
▪ Biocombustibili
▪ Biofertilizzanti
5
P-106
INFLUENT INFLUENT EFFLUENT E
Secondary
Secondary Recirculation
Integrazione negli impianti di depurazione Primary
sludge
Primary
Recirculation
sludge
sludge
sludge
(D) (D)
Mixed sludge Biogas
Mixed sludge Biogas
Microalgal PRE - PRIMARY ACTIVAT
Microalgal
PRE - PRIMARY ACTIVATED SECONDARY TERTIARY
biomass TREATMENTS SETTLER SLUDG
PRE - PRIMARY biomassACTIVATED SECONDARY TERTIARY ANAEROBIC SOLID/LIQUID
TREATMENTS SETTLER SLUDGE SETTLER
ANAEROBIC TREATMENT
SOLID/LIQUID BIOSOLIDS
TREATMENTS SETTLER SLUDGE SETTLER TREATMENTBIOSOLIDS
DIGESTION SEPARATION
DIGESTION SEPARATION
P-106 INFLUENT
INFLUENT EFFLUENT
INFLUENT EFFLUENT
Secondary Primary
Primary Recirculation SOLID/LIQUID sludge
SOLID/LIQUID Recirculation sludge PBR
sludgePrimary PBR Secondary
SEPARATION
sludge SEPARATION sludge
(D) Mixed sludge
(D) Mixed sludge
Biogas
Mixed sludge Biogas
Microalgal
Microalgal biomass
biomass ANAERO
ANAEROBIC SOLID/LIQUID DIGESTI
ANAEROBIC
DIGESTION SOLID/LIQUIDBIOSOLIDS
SEPARATION BIOSOLIDS
DIGESTION SEPARATION
SOLID/LIQUID
SOLID/LIQUID PBR
PBR SEPARATION
SEPARATION
6
Integrazione negli impianti di depurazione - mainstream
Esempio - Impianto di Chiclana
ALL GAS FP7-PROJECT (AQUALIA):
• HRAP = trattamento primario/secondario
• Sospensione algale: flottazione DAF,
AD+biogas upgrading →Biometano per
autotrasporto
• Richiesta energetica = 0,16 kWh/m3
Energia prodotta = 0,17 kWh/m3
• Fabbisogno superficie =2 m2/A.E.
• Scarico in corpo idrico superficiale
7
Integrazione negli impianti di depurazione Caso di studio – sidestream
– Progetto IMAP
8
Risultati – 2017 : coltivazione microalghe
optical density (680 nm)
Cumulated rain - mm
Irradiance - MJ/m2
Conte cellulari
Chlorella, Acutodesmus, Chlamydomonas
1,E+08
1,E+07
1,E+06
cell/100 mL
1,E+05
Produttività Areale 1,E+04
4 - 10 gTSS/m2/d 1,E+03
1,E+02
0 20 40 60 80 100 120
time [d ]
9
Results – 2017: Il destino di N e P nel Raceway
Azoto IN OUT Ripartizione dell’Azoto nel RW
500
400 13,5%
31,5%
N-NH4 [mg/L]
300
NH4+
200
100 44,5%
0 10,6%
200
N_NH4out N_nit N_bio N_strip
N-NO2 [mg/L]
150
NO2- 100
50 Fosforo
0
8,0
100
P-PO4 [mg/L]
80 6,0
N-NO3 [mg/L]
60 4,0
NO3-
40 2,0
20 0,0
0 0 20 40 60 80 100 120 140
0 20 40 60 80 100 120 140 Days
Days
10Risultati – Caratteristiche della biomassa
Analisi elementale (% TSS): 13 test Contenuto lipidico
C 43.3 ± 6.9
H 7.4 ± 1.1
N 8.5 ± 1.0
P 0.9 ± 1.9
Resa di Biometano
Batch BMP tests = 180-200 m3 CH4/kg
TSS
BMP_test results Model 20%
200
15%
% lipids g/g
m3_CH4/kg_TSS
150
10%
100 5%
50 0%
0 20 40 60 80 100 120
0
0 10 20 30 40 50 time (d)
Time (d)
11Risultati – Campagna del 2018
Secondo anno: 23/5 - 5/12/2018 Produttività areale
Productivity (gTSS/m2 d)
Copertura per proteggere dalla pioggia ma riduzione
Ripartizione Azoto
PAR del 53%
• Riduzione produttività rispetto al 2017 20% 7%
22% N_NH4out
• Rimozione ammonio costante: 5%
N_NO2
- Assimilazione ↓
N_NO3
- Nitrificazione ↑
N_bio
- Strippaggio ↓ 46%
N_strip
• Contenuto lipidico: 5.4 ± 1.8 %
12Risultati – 2018: Effetto sulla composizione dell’ Gruppo di lavoro: prof. S. Cernuschi
off - gas ingg. S. Ozgen, R. Tardivo, S. Signorini
Measuring campaigns: 11/10/2018, 19/10/2018
Punti di misura:
SP1: off-gas
SP2: Dopo pre-trattamento (calce UniCalce)
= IN Colonna di ricircolo - 39-44%
SP3: Dopo la Colonna = OUT Colonna di
ricircolo
Sonda:
MADUR GA-21plus
Campionamento: ogni 15 s per 45 min
- 38-50%
13Risultati – LCA Gruppo di lavoro: Ing. Lucia Rigamonti – Scientific responsible
Ing. Giulia Borghi
Ing. Camilla Tua lucia.rigamonti@polimi.it
Scopo: 12 IMPACT CATEGORIES FROM ILCD METHOD 2011
• Quantificare i miglioramenti ambientali ed Climate change - CC kg CO2 eq.
energetici Ozone depletion - OD kg CFC-11 eq.
• Fornire indicazioni per un design sostenibile Human toxicity, non cancer-effects - HTNC CTUh
di un impianto a scala reale Human toxicity, cancer effects - HTC CTUh
Particulate matter - PM kg PM2.5 eq.
Photochemical ozone formation - POF kg NMVOC eq.
Acidification - A mol H+ eq.
Terrestrial eutrophication - TE mol N eq.
Freshwater eutrophication - FE kg P eq.
Marine eutrophication - ME kg N eq.
Freshwater ecotoxicity - FEC CTUe
Mineral, fossil & renewable resource
kg Sb eq.
depletion - RD
+ 3 ENVIRONMENTAL INDICATORS:
• Cumulative energy demand - CED (MJ)
• Consumption of water resources (m3 water) - WD
• Land consumption (m2 per year) - LC
14Risultati – LCA Gruppo di lavoro : Ing. Lucia Rigamonti – Scientific responsible
Ing. Giulia Borghi
Ing. Camilla Tua lucia.rigamonti@polimi.it
Scenario Microalghe con miglioramenti:
• Diminuzione volatilizzazione di NH3 (controllo pH ): 1/4
Ipotesi: • Biomassa prodotta destinata all’agricoltura
• Incremento produttività: +20%
300%
250%
200%
150%
100%
50%
0%
-50% CC CC* OD HTNC HTC PM POF A TE FE ME FEC RD WD CED LC
-100%
-150%
-200%
-250%
-300%
-350%
“Scenario senza alghe” vs “Scenario con alghe con miglioramenti” → Indici con segno negativo
(Benefit) in 11 su 16 indicatori
15Conclusioni e prospettive
Microalghe possono crescere sul centrato, produttività variabile (condizioni ambientali)
Foto-ossigenazione supporta i batteri nitrificanti
Ossidazione efficace dell’ammonio … ma Strippaggio N
Risparmio energetico (come domanda di Ossigeno) nella linea acque
Rimozione del Fosforo
Bilancio del LCA positivo controllando strippaggio e stabilizzando la produttività microalgale (a larga scala)
La valorizzazione della biomassa è cruciale per la sostenibilità:
• Lipidi scarsi→ no biodiesel
• BMP basso → no biogas
• Compatibile con agricoltura→ potenziale produzione di bio-stimolanti per raggiungere un bilancio
economico positivo
• Bioplastiche→ Wast4bioplast project 1/06/2019 → 1/12/2021
16Integrazione negli impianti di depurazione- Progetto PerFORMWATER 2030
Scopo:
• Individuare un destino alternativo per la
biomassa microalgale cresciuta sui reflui
urbani
• Fonte di carbonio per la produzione di
Nanoparticelle di ferro (ME-nFe) da usare
in ambito depurativo
• Valutare la capacità depurativa del sistema
raceway nei confronti di micro-inquinanti
PERFORMWATER 2030 Project 17Valorizzazione della biomassa microalgale come fonte di carbonio per produrre
nanoparticelle di ferro incapsulate in matrice carboniosa (ME-nFe)
Carbonizzazione idrotermica
(HTC)
• Processo termochimico
T=180-250 °C, P=10-35 bar
• Biomassa come fonte di C
+ Nitrato di ferro
• Reazioni a catena (l)
(Patrick Biller & Andrew B Ross (2012))
Involucro di C+ nucleo di ferro
• Prodotti:
Siti defettivi
Me-nFe (s)
Frazione liquida (l) Area specifica superficiale
Frazione gassosa(g)
ME-nFe Elevata reattività
Potere adsorbente
Proprietà magnetiche
PERFORMWATER 2030 Project 18Rimozione di metalli pesanti dalle acque tramite adsorbimento con nanoparticelle
ME-nFe
• Test di adsorbimento da Effluente (II) con aggiunta di • Riutilizzo delle stesse ME-nFe
Zn, Cu, Cd, Ni e Cr (10 ppm e 1 ppm) per più cicli depurativi
Rem % Zn Rem % Cu Rem % Cd Rem % Ni
Rimozione (%) Rimozione (%)
Zn Cu Cd Ni Cr Zn Cu Cd Ni Cr 99.4 % 97.8 % 99.8 % 89.4 %
98.5 99.6 97.2 85.2 2.6 97.8 96.4 99.6 80.3 12.4
±0.1 ±0.2 ±0.8 ±1.2 ±0.9 ± 0.8 ±0.6 ±0.1 ±5.4 ±11.0 98.4 % 97.6 % 99.2 % 77.2 %
95.8 % 97.2 % 98.4 % 60.6 %
PERFORMWATER 2030 Project 19Risultati preliminari– Rimozione di composti farmaceutici dal RW
Rimozione:
• >80% per Lamotrigina (che non viene
rimossa dai processi a fanghi attivi),
Ketoprofene, Claritromicina, Diclofenac
• 50-80% per Azitromicina (rimossa per il
40% circa nei sistemi a fanghi attivi) ,
Irbesartan
PERFORMWATER 2030 Project 20•
Grazie per l’attenzione
Tua C., Ficara E., Mezzanotte V., Rigamonti L. (2020). Integration of a side-stream microalgae process into a municipal wastewater treatment
,
plant: a Life Cycle Analysis. Journal of Environmental Management, 111605
• Rossi S., Díez-Montero R., Rueda E., Castillo Cascino F., Parati K., García J., Ficara E. (2020). Free ammonia inhibition in microalgae and
cyanobacteria grown in wastewaters: photo-respirometric evaluation and modelling. Bioresource
Technology, doi.org/10.1016/j.biortech.2020.123046.
• Rossi, S., Casagli, F., Mantovani, M., Mezzanotte, V., Ficara, E. (2020) Selection of photosynthesis and respiration models to assess the effect of
environmental conditions on mixed microalgae consortia grown on wastewater, Bioresource Technology, doi:
doi.org/10.1016/j.biortech.2020.122995.
• Mantovani, M., Marazzi, F., Fornaroli, R., Bellucci, M., Ficara, E., & Mezzanotte, V. (2020). Outdoor pilot-scale raceway as a microalgae-bacteria
sidestream treatment in a WWTP. Science of The Total Environment, Volume 710, 25 March 2020,
135583. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.135583
• Marazzi, F., Bellucci, M., Rossi, S., Fornaroli, R., Ficara, E., & Mezzanotte, V. (2019). Outdoor pilot trial integrating a sidestream microalgae
process for the treatment of centrate under non optimal climate conditions. Algal Research, 39, 101430.
• Ficara, E., Uslenghi, A., Basilico, D., Mezzanotte, V. (2014). Growth of microalgal biomass on supernatant from biosolid dewatering. Water
Science and Technology, 69 (4), pp. 896-902.
• Bellucci, M., Marazzi, F., Naddeo, L., Piergiacomo, F., Beneduce, L., Ficara, E., Mezzanotte, V. (2020).Disinfection in lab-scale photobioreactors
for wastewater tertiary treatment. Journal of Chemical Technology & Biotechnology, 95(4), 959-966
• Mantovani, M., Collina, E., Lasagni, M., Marazzi, F. Mezzanotte, V. (2021). Production of microalgal-based carbon encapsulated iron
nanoparticles (ME-nFe) to remove heavy metals in wastewater. Bioresearch Technology (Submitted)
https://sites.google.com/view/polialgae-dica/home-pagePuoi anche leggere
