Processi biologici avanzati per la rimozione dell'azoto - CORSO DI FORMAZIONE IMPIANTI BIOLOGICI DI DEPURAZIONE Modulo 3: Corso avanzato sulla ...
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CORSO DI FORMAZIONE IMPIANTI
BIOLOGICI DI DEPURAZIONE
Modulo 3: Corso avanzato sulla
gestione di processo
12 maggio 2020
Processi biologici
avanzati per la rimozione
dell’azoto
CONTESTO OPERATIVO
Gruppo CAP, azienda profondamente radicata nel territorio, nasce dai Comuni ed ha come soci oltre 2 milioni di
cittadini e come mission quella di gestire il Ciclo Idrico Integrato. Opera ogni giorno su un territorio complesso,
densamente urbanizzato, che si estende nei territori di Milano, Monza, Brianza, Pavia, Como e Varese, coinvolgendo
197 Comuni.
Operando in modo diretto sulle risorse naturali e sull’ambiente, Gruppo CAP è fortemente impegnato in pratiche di
sostenibilità e di mantenimento del corretto equilibrio del Ciclo dell’Acqua, tra uso di tale risorsa e la sua
protezione.
2
GRUPPO CAP – I NUMERI DELLA DEPURAZIONE
361 stazioni di sollevamento
61 impianti di depurazione gestiti, di cui 40
nella Città Metropolitana di Milano
2.250.000 abitanti equivalenti serviti
300 Mm3 di reflui fognari trattati
annualmente
7.500 km of di fognatura
71% portata trattata in impianti con
AE ≥ 100.000
2 Laboratori acque reflue: 4.210 campioni
analizzati, 47.875 parametri analizzati
3
GRUPPO CAP - SUSTAINABILITY PLAN 2033 https://sostenibilita.gruppocap.it/application/files/5515/5964/3927/CAP_Piano_sostenibilita_2033.pdf
IL NETWORK
Bresso Sesto San Giovanni
Turbigo
Perform Water 2030 Perform Water 2030
Trattamento bottini e
Cogenerazione e Valorizzazione fanghi
reflui industriali
Biometano Truccazzano
Valorizzazione Cogenerazione e
digestione Valorizzazione
Biometano
anaerobica + fosforo digestione anaerobica
e biopolimeri Valorizzazione (scarti
Pero digestione anaerobica + agricoli/zootecnici)
fosforo e biopolimeri Cassano d’Adda
Trattamento sabbie e
Cogenerazione e bottini
Biometano Fertilizzanti
Perform Water 2030
Peschiera
Teleriscaldamento Fertilizzanti
Valorizzazione Cogenerazione
digestione anaerobica Settala
Robecco Fertilizzanti Biometano
Trattamento sabbie e
bottini Bareggio Rozzano San Giuliano Perform
Valorizzazione
Solare Fertilizzanti
Perform Water Water 2030
digestione anaerobica
(scarti agricoli)
2030
COLD
Essiccamento
Cogenerazione Trezzano ANAMMOX
Solare
5
PROGETTO PerFORM WATER 2030
Platform for Integrated Operation Research and Management of Public Water towards 2030
Centro di ricerca, dimostrazione e formazione per tecnologie
di interesse del Servizio Idrico Integrato. Il progetto è stato presentato nel
settembre 2016 nell’ambito della call di
Regione Lombardia “ACCCORDI PER LA
RICERCA E L’INNOVAZIONE” che
Piattaforma diffusa presso gli impianti del Gruppo CAP di intende favorire lo sviluppo di progetti
ricerca, sviluppo e dimostrazione di tecnologie e strumenti
decisionali. di Ricerca Industriale, Sviluppo
Sperimentale e Innovazione.
Piattaforma unica nel suo genere che affronterà le sfide
Il finanziamento di Regione Lombardia
attuali del SII: fornitura costante di acqua ed effluenti di alta si inquadra nel POR FESR 2014-2020,
qualità, produzione fanghi, recupero di risorse materiali ed
energia, emissioni in atmosfera di odori, aerosol e gas serra, Programma Operativo Regionale –
contaminanti emergenti, efficienza economica e
accettabilità sociale.
Fondo Europeo di Sviluppo Regionale
2014-2020 e in particolare sull’Asse 1 –
Rafforzare la Ricerca, lo Sviluppo e
l’Innovazione.
Approcci multidisciplinari e networking: 3 enti di
ricerca/università, e 8 aziende.
6
RIMOZIONE AZOTO DA FLUSSI CONCENTRATI
• Carico di azoto ricircolato in linea acque da surnatanti linea fanghi:
fino a 15-20% del carico complessivo N in volume ridotto: reflui
molto concentrati (da 150 a 500mgN/L) -> utile trattare
separatamente per evitare sovraccarichi o in caso di revamping
(limiti sempre più stringenti per N)
• In caso di acque industriali con impianti ad alto carico (ad es.
agroalimentari): trattamento a valle di AD e prima di scarico in
fognatura
• In caso di digestione anaerobica in ambito agrozootecnico:
problema Direttiva Nitrati e limiti allo spandimento sul campo
(170 kgN/ha/anno in zone vulnerabili)
Possibile anche recuperare fosforo con precipitazione struvite! (Caffaz et al. 2008)
Il ciclo convenzionale dell' azoto
Azoto fissazione NH4+ -3
Nitrificazione
-2
-1
N2
0
N2O +1
+2
NO2- NO2- +3
+4
Denitrificazione
NO3- +5
PROCESSI BIOLOGICI INNOVATIVI
Per liquidi concentrati con bassi rapporti COD/N i costi dei processi biologici
convenzionali sono elevati a causa di:
• alta richiesta di ossigeno ed energia per la nitrificazione
• fabbisogno di carbonio organico biodegradabile per la denitrificazione
(acetato, metanolo, miscele idroalcoliche, molasse, …)
Soluzioni alternative sono disponibili basate su:
• Diversa conduzione dei processi di ossidazione/riduzione dell’N
• Processi biologici basati su diverse popolazioni batteriche
Il processo DENO2
NITRITAZIONE+ DENITRITAZIONE (DENO2)
Ovvero nitro-denitro arrestata a nitrito
Si risparmia in costi operativi:
xIl processo DENO2
Strategia : con età del fango alte (fino a 20 d), si sfrutta la differenza tra le condizioni
ottimali di lavoro di ammonio e nitrito ossidanti (pressioni ambientali selettive):
- elevate temperature di lavoro (25-30 °C);
- pH superiore a 7: per pH>7, al crescere del pH aumenta l’attività dei batteri AOB e si
riduce l’attività dei batteri NOB;
Al crescere del pH, cresce la frazione dell’azoto ammoniacale presente sotto forma di
ammoniaca tossica per NOB:
- ossigeno disciolto < 1 mg/L: in questo modo si sfrutta la maggiore affinità dei batteri
AOB per l’ossigeno disciolto.
Processo applicato con successo in impianto pilota per il trattamento di frazione
liquida di digestato agro-zootecnico (progetto BRAIN – Politecnico).
Realizzato impianto a piena scala presso depuratore di Merone (CO).CASO di STUDIO: il depuratore di MERONE
Il depuratore
Impianto depurazione Reflui Urbani (Merone, Lombardia) 120.000 A.E.
Pretrattamenti (grigliatura e dissabbiatura)
Sedimentazione Primaria
Trattamento biologico (rimozione azoto)
Filtrazione (in fase di realizzazione)
Disinfezione
I fanghi primari e biologici (miscelati), preispessiti, sono
digeriti anaerobicamente e successivamente disidratati
mediante centrifugazione. I surnatanti sono ricircolati in
testa alla linea acque.
Con l’entrata in vigore del Regolamento Regionale Lombardia n. 3 del 24 Marzo 2006, l’impianto ha
richiesto un intervento di potenziamento della sua capacità depurativa; particolarmente restrittivi sono
risultati i limiti per i solidi sospesi totali ( < 15 mgTSS/L) e per le forme azotate (Ntot < 10 mgN/L).CASO di STUDIO: il depuratore di MERONE
STUDIO FATTIBILITA’
STUDIO DI FATTIBILITÀ PER L INDIVIDUAZIONE DELLE CRITICITÀ PROGETTUALI
Sviluppato da SEAM engineering in collaborazione con il Politecnico di Milano
Sono emerse le seguenti principali criticità:
•Il sollevamento iniziale e alcuni tratti idraulici sono risultati insufficienti per le nuove portate di pioggia
(4400 m3/h) richieste dal Reg. Reg. n.3/2006;
•I sedimentatori secondari non sono sufficienti a raggiungere il nuovo limite allo scarico per i solidi
sospesi totali,
•La sezione biologica dell’impianto è insufficiente a raggiungere i nuovi limiti allo scarico richiesti per le
forme azotate;
•La digestione anaerobica genera un carico di ammoniaca nei surnatanti che, ricircolati in testa alla linea
acque, incrementa il carico di azoto da nitrificare/denitrificare.
Surnatanti da digestione anaerobica:
Concentrazione di NH4 pari a circa 300-400 mg/l (fino a 500 mg/l);
Ricircolati tal quali in testa all’impianto: aumento del 15% del carico di
nutrienti in ingresso alla linea acqueCASO di STUDIO: il depuratore di MERONE
STUDIO FATTIBILITA’
Nuovo sistema di trattamento dei surnatanti (∼12 m3/h) da digestione anaerobica tramite processo SBR;
serbatoio di accumulo (necessario data la discontinuità dei surnatanti in ingresso) 4 reattori da circa 200 m3 ciascuno.
Rimozione azoto via nitrito: logica di controllo basata sulla rilevazione in continuo di Temperatura, Ossigeno Disciolto,
potenziale RedOx e pH (NH4 NO2 NO3)
variare e ottimizzare la durata dei cicli di nitrificazione, pre-denitrificazione e post-denitrificazione
risparmio di energia e reagenti, dovuto all’arresto della reazione a nitrito.
Rimozione NH4 tradizionale:
Ciclo SBR per rimozione azoto via nitrito NH4 → NO2 → NO3 → NO2 → N2
In condizioni controllate di OD e Temp → Selezione biomassa nitritante
Rimozione NH4 via nitrito:
NH4 → NO2 → N2
Vantaggi:
- minor consumo di ossigeno (risparmio elettricità)
- minor consumo reagenti (COD, NaOH)
Fonte: SEAM engineeringCASO di STUDIO: il depuratore di MERONE
PROVE PILOTA
Sperimentazione su impianto Pilota – rimozione NH4 via nitrito (DENO2)
Volume reattore SBR 800 litri
Alimento: surnatante da digestione anaerobica
(fanghi misti)
Riscaldamento elettrico
Durata cicli definita con timer
Sonda multiparametrica (T, pH, ORP, DO)
Materiali: inox + acciaio al carbonio
Durata sperimentazione 4 settimane (+4)
Fonte: SEAM engineeringCASO di STUDIO: il depuratore di MERONE
PROVE PILOTA
Sperimentazione su impianto Pilota – rimozione NH4 via nitrito
Fonte: SEAM engineeringCASO di STUDIO: il depuratore di MERONE
PROVE PILOTA
RISULTATI INGEGNERIA
valori di pH superiori a 7,2, concentrazioni di OD comprese tra 0,2-0,5
mg/l ed un rapporto COD/N basso favoriscono la crescita della
IA AMBIENTALE Febbraio 2009
popolazione AOB a scapito di quella degli NOB;
per pH inferiori ai 7,2 si ha una riduzione dell’attività di ossidazione
dell’ammoniaca (riduzione della velocità di nitrificazione)
l’aumento della contrazione di OD in vasca non altera nel breve periodo il
rapporto tra nitritanti e nitrificanti;
un aumento del rapporto COD/N causa un rapido crollo del rapporto
nitriti/nitrati senza però arrestare il processo di ossidazione
dell’ammoniaca;
aumentando la concentrazione di ammoniaca in ingresso al trattamento
si ha un aumento dell’attività svolta dai batteri AOB a scapito di quella
degli NOB.
Il processo SBR si è dimostrato estremamente flessibile, in grado di
adattarsi a condizioni di carico estremamente diverse, mantenendo elevati
rendimenti di rimozione dell’azoto.
Risparmio 25-30% O2 e 30-40% CODesterno
Fonte: SEAM engineeringCASO di STUDIO: il depuratore di MERONE
PROGETTO DEFINITIVO
Trattamento SBR dei surnatanti:
Serbatoio di accumulo per equalizzare gli scarichi discontinui dei
surnatanti da disidratazione: Volume 600 m3; SISTEMA DI CONTROLLO
n° 4 reattori SBR da 200 m3 cad;
Dosaggio COD esterno per postdenitrificazione (COD interno del Regolazione dinamica della durata
surnatante non prontamente biodegradabile); del ciclo tramite misurazione in
Dosaggio (eventuale) di NaOH per controllo pH; continuo e valutazione degli
Coprecipitazione del fosforo andamenti di:
Ossigeno Disciolto
Fase di carico (fill) del reattore discontinua per ottimizzazione
Potenziale RedOx
alcalinità e riduzione consumo di reagenti;
pH
Maggiori velocità di nitrificazione rispetto alla linea acque;
X (NH4 NO2 e NO3)
Maggiore sedimentabilità del fango (no bulking grazie alle alte
concentrazioni di substrato ad inizio ciclo);
Possibilità di inviare i fanghi di supero nel reattore biologico della
linea acque per migliorarne le prestazioni
ottimizzazione linea fanghi potenzialità digestione anaerobica (no sovraccarico NH4 linea acque)
Fonte: SEAM engineeringCASO di STUDIO: il depuratore di MERONE
PROGETTO DEFINITIVO
Fonte: SEAM engineeringCASO di STUDIO: il depuratore di MERONE
REALIZZAZIONE
Fonte: SEAM engineeringCASO di STUDIO: il depuratore di MERONE
REALIZZAZIONE
Avviato a fine 2018
Fonte: SEAM engineeringCASO DI STUDIO Carbonera (40.000 A.E.)
FINAL
SECONDARY
FILTRATION &
CLARIFICATION
DISINFECTION
ANAEROBIC DIGESTION
BIOLOGICAL REACTOR DECEMBER 2017
(SCHREIBER PROCESS)
+ chemical P removal DYNAMIC
PRE & POST STATIC
THICKENING
THICKENING
WATER LINE
DIMENSIONAL CHARACTERISTICS AND
N. LINES TREATMENT
DATA FLOWS
WASTE WATER
1 PUMPING STATION 131 m³
IN FLOW 15.000 mc/d
FREE PASSAGE
2 SCREENING
OF 5 mm
120 m³
1 GRIT / OIL REMOVAL
40 m²
1.600 m³ 225 m3/d OF I° + II°
1 PRIMARY CLARIFIER
452 m² SLUDGE OUTFLOW
BIO-REACTOR 4.571 m³ 400 m3/d OF II° SLUDGE
1
Schreiber system 207 m² PRODUCTION
PRIMARY DEWATERING 2.260 m³ 600 m3/h OF SECONDARY
2 SECONDARY CLARIFIER
CLARIFICATION PUMPING & PRE-
904 m² SLUDGE RICIRCULATION
180 m³
TREATMENTS 1 DISINFECTION
114 m²
2 TERTIARY FILTRATIONConventional WWTP scheme
Raw wastewater
influent
PRELIMINARY TREATMENT
PRIMARY SEDIMENTATION
Primary BIOLOGICAL REACTOR
Sludge
SECONDARY SEDIMENTATION
Anaerobic
DISINFECTION
supernatant Secondary Sludge
TN 15-20%
Anaerobic Biogas Effluent
DigestersCharacterization of supernatants - 2016
SEWER INFLUENT
80.000 Total N 50 Average Conc. Load
70.000 Parameter
mg/l kg/d SUPERNATANT FLOW
40
60.000
Flow 16.972
50.000 30 Average Load
FLOW
TN 16 270 Parameter
40.000 Conc. mg/l kg/d
PE
20 NH4-N 12 202
30.000
NO2-NDynamic thickening - Flowrate: around 20 m3/h - Around 40 m3/d of mixed sludge concentration: 4,5-5,0 % Opposite valves V3/V4, controlled based on level sensors - around 30 m3/d fed to the anaerobic digestor; - around 10 m3/d fed to the fermentation unit;
Energy consumption for sludge
-50% dewatering
ENERGY 800
El. Energy (kwWh/d)
SAVING Centrifuge
600
DEW.LINE
400
Flowrate: 8-10 m3/h;
200
-15% 0
SLUDGE 1 3
BUT..
5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25
DISPOSAL Weeks
Anaerobic supernatant: 1000-1300 mgN/L
Biogas production
+20% Currently,
1200
the peak of nitrogen loading (per
BIOGAS hour) from the anaerobic supernatant
1000
PRODUCTION represents up to 50% of the total nitrogen
Flowrate (m3/d)
800
influent (per hour)
600
400
200
0
02/01/2018 01/02/2018 03/03/2018Characterization of reject water -first results 2018
Carbonera Nitrogen flow with/without anaerobic supernatant
5h for
40 dewatering operations
(from 9:00 am to 2:00 pm) anaerobic supernatant
35
dynamic thickener
50% of30TN from AnD Supernatants
10% of TP from AnD Supernatants Carbonera load
25
5%
20of TN from DT Supernatants
kgN/d
5% of TP from DT Supernatants
15
10
5
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
hourIntegration of S.C.E.N.A. process in sidestream
of AnD (Smartech 4a)
Biological Nutrients
Primary Removal
Sludge WAS
RAS Biogas
Dynamic
Thickening S.C.E.N.A. Centrifuge
Production
Anaerobic Biosolids for
VFAs Acidogenic
production
Fermentation Digestion composting
Solid
Fraction
P-enriched
Screw Press WAS Anaerobic
VFAs Supernatant
N&P
Treated Anaerobic removal
Supernatant via-Nitrite SUPERNATANTS
Via-Nitrite TreatmentS.C.E.N.A. SBR cycle
1- Filling (5 min)
VFAs 2- Anaerobic (60 min)
Nitrogen &
Carbon source addition
Phosphorus
3- Aerobic (180 - 200 min)
Biological
removal
VFAs 4- Anoxic (45 min)
Carbon source addition
5- Settling (40 min)
6- Discharge (10 min)A key issue: the carbon source
Implementation of the first full scale
S.C.E.N.A. system
FERMENTATION
VFAs STORAGE
SUPERNATANTS STORAGE
DYNAMIC THICKENER
VIA-NITRITE scSBR
VOLUME TANK
STORAGE/EQUALIZATION
SCREW-PRESS 90 m3 Ex Storage of Liquid Waste
SUPERNATANT
S/L SEPARATION
VIA NITRITE scSBR 70 m3 Ex Storage of Liquid Waste
FERMENTATION UNIT 50 m3 External tank
VFAs STORAGE 20 m3 External tankFERMENTER VFAs STORAGE
START-UP
NOVEMBER 2017
SCREW-PRESS
S/L SEPARATION
DYNAMIC THICKENER
SUPERNATANT TREATING ON
S.C.E.N.A. FULL - SCALE
Flowrate [m3/d] 35 - 40
N load [kgN / d] 35 - 42
P load [Kg P / d] 1-2S.C.E.N.A. efficiency
100% 16
90% 14
80%
70%
12
next
S.C.E.N.A. 2.0 targets
first :
results:
kWh/kgNrem
60% 10
65 kWh/kgNrem;
%Nrem
50% 8
40% 6
30%
4
85
82 % TN removed;
20%
10% 2 80
70 % TP removed.
0% 0
08/01/2018 08/02/2018 08/03/2018 08/04/2018 100%
80%
60%
%Prem
40%
20%
0%
08/01/2018 08/02/2018 08/03/2018S.C.E.N.A. management: simple or not?
SCREW PRESS SBR
START-UP 1.5 h START-UP 0.20 h
REGIME CONDITIONS 0.15 h REGIME CONDITIONS 0.15 h
S.C.E.N.A. minutes operator/day
350
(SCREW PRESS)
300 NOW
15’ - 30’ min/day (SBR SCENA)
Efforts [minutes/day]
250
at regime
(SAMPLING)
200 conditions
150
100
50
0
31-dic 20-gen 9-feb 1-mar 21-mar 10-apr 30-aprS.C.E.N.A. OPEX after 4 months
NITROGEN REMOVED = 36 kgN/d €/kgN rem
STORAGE SUPERNATANT kWh/d 3,2 0,02
SBR kWh/d 123,2 0,59
FERMENTER kWh/d 9,0 0,04
S/L SEPARATOR kWh/d 23,0 0,11
TOTAL ENERGY CONSUMPTION kwh/d 158,4 0,75
POLYELECTROLYTE
DOSAGE kg/d 9,2 0,36
SLUDGE PRODUCTION kg/d 54,0 0,15
PERSONNELL €/d 4,9 0,14
MAINTENANCE 0,10
Carbonera WWTP 1,50
4-4,5 €/kgN rem
OPEX reduction the treatment of An. Supernatant: around 65%Specific OPEX for treating supernatant after 4 months operations
TOTAL ENERGY
CONSUMPTION POLYELECTROLYTE
50% DOSAGE
24%
SLUDGE
PRODUCTION
MAINTENANCE 10%
7% PERSONNELL
9%
electrical energy Carbonera WWTP
3,4 €/kgN remExternal carbon source VS carbon souce from sewage sludge fermentation
External Carbon Source Carbon source from sewage
(eg. Acetic Acid) sludge fermentation
Stable N removal in denitrification Stable N removal in denitrification
Instable BIO P removal Stable and linear BIO P removal
Higher Carbon Footprint Lower Carbon Footprint
Commercial product Homemade Product
Cost 1,69 €/kg N rem + extra cost for Cost 0,51 €/kg N rem…+ P rem
sludge disposal
Carbon source from sewage sludge fermentation cost vs. ACETIC ACID cost – 67%Carbonera WWTP energy scenario
BIOLOGICAL
REACTOR AND
CLARIFIERS AIR TREATMENT
53% 13%
SLUDGE LINE
(AnD - DT - CF)
15%
S.C.E.N.A.
PUMPING STATION OTHERS 4%
AND 1%
PRETREATMENTS
15%
energy consumption
in Carbonera WWTP 5000 kWh/dDEPURATORE DI ROBECCO
Depuratore di Robecco (330.000 AE)
Conclusa progettazione esecutiva per
• realizzazione fermentatore da 560mc per produzione VFA
• reattore SBR (SCENA) da 320mc per trattamento surnatanti e rimozione N e P
• Aggiudicazione gara per
realizzazione in corso
• Avvio lavori luglio 2020
• Start up II trim 2021Il processo anammox
I batteri ANAMMOX: i nuovi attori nel ciclo dell’azoto che ossidano l’azoto ammoniacale
(in condizioni anossiche) usando il nitrito come accettore di elettroni
NH3 Ossidazione dell'Ammonio
anammox:
N2 - Anaerobic ammonium oxidation
- 0.5 NH4+ + 0.5 NO2- =N2+ H2O
HNO2
Denitrificazione
Ossidazione del Nitrito
HNO3Il processo anammox - storia
Scoperta del processo anammox
ante 1990
Inaspettata rimozione di ammonio ripetutamente riportata in
letteratura e nella pratica ingegneristica
Buswell 1932:
Illinois Water Report
Throughout the history of these filters there was a considerable loss of total nitrogen
from the sewage while filtering through, but it was specially noticeable during the
period when the diluted urine was being treated, when in some cases not much more
Chick 1906: than half the original nitrogen was present in the filtrate (Table II, analyses 33 to 36).
Proc. Roy. Soc. This loss is doubtless due to an escape of free nitrogen, set free possibly by
decomposition of ammonium nitrite, a very probable intermediate product in the
nitrification of ammonia (NH4NO2 = 2H2O + N2).Il processo anammox - storia
• Il metabolismo anammox è stato osservato e descritto la prima volta in un impianto di
depurazione nel 1988 in Olanda e studiato dall’università di Delft (Mulder et al. 1995)
• Vivono spontaneamente in ambienti a basso potenziale redox , quali i fondali
oceanici, contribuendo al 70% del ciclo dell’azoto negli oceani.
Stechiometria NH4+ + 1.3 NO2- + 0.066 HCO3- + 0.15 H+→
1 N2 + 0.3 NO3- + 2 H2O + 0.066 CH2O0,5N0,15
• Primo impianto a scala reale presso depuratore di Rotterdam avviato
nel 2002 (Van der Star et al., 2007)
• Ricerca in Italia a partire dal 2005 (Caffaz et al, 2005)Confronto convenzionale vs innovativo
RIMOZIONE CONVENZIONALE DELL'AMMONIO
Nitrificazione: 2 NH3 + (3+1) O2 → 2 NO3- + 2 H+ + 2 H2O
Denitrificazione: 2 NO3- + 8g COD + 2 H+ → N2 + 3g FANGO
2 NH3- + 4 O2 + 4 COD → N2 + 3g FANGO
RIMOZIONE AUTOTROFA DELL'AMMONIO
Nitritation: NH3 + 1.5 O2 → NO2- + H+ + H2O
Anammox: NO2- + NH3 + H+ → N2 + 2 H2O
2 NH3- + 1.5 O2 → N2€ Costi €
RIMOZIONE CONVENZIONALE DELL'AMMONIO
Nitrificazione: 2 NH3 + (3+1) O2 → 2 NO3- + 2 H+ + 2 H2O
Denitrificazione: 2 NO3- + 8g COD + 2 H+ → N2 + 3g FANGO
2 NH3- + 4 O2 + 4 COD → N2 + 3g FANGO
RIMOZIONE AUTOTROFA DELL'AMMONIO
Nitritation: NH3 + 1.5 O2 → NO2- + H+ + H2O
Anammox: NO2- + NH3 + H+ → N2 + 2 H2O
2 NH3- + 1.5 O2 → N2Il processo anammox
Nitrificazione/ Nitritazione/
NH4+ Denitrificazione Anammox
aerazione NH4+ aerazione
(2.3 kWh/kg N) (1 kWh/kg N)
NH4+ NO2-
NO3-
metanolo metanolo
(3 kg/kg N) (0 kg/kg N)
fango N2 no fango
N2 3-5 €/kg N 1-3 €/kg N
>4.7 ton CO2/ton N 0.7 ton CO2/ton NIl processo anammox: com’è
2 stadi: 1 stadio:
Combinazione di PARNIT e ANAMMOX PARNIT e anammox in reattore unico
NH4+ N2/NO3-
NH4+ 50 NH4+ N2/NO3-
Anammox PN/Anammox
PN (100) (90/10)
(100) 50 NO2 (90/10)
O2
O2
• Primo stadio: PARNIT per l’ossidazione a • Nitrificanti e anammox convivono nello
nitrito della metà del ammonio in stesso aggregato batterico (granuli o
ingresso biofilm)
• Secondo stadio anossico: ANAMMOX • Costi di investimento inferiori
per l’ossidazione autotrofa • Controllo di processo meno complesso
dell’ammonio con il nitritoQuale scegliere??? Doppio-stadio (2 reattori distinti): • la PN e il processo anammox possono essere ottimizzati separatamente, facilitando la soppressione della nitratazione nel primo stadio • minor rischio di eccessiva competizione eterotrofa con dilavamento anammox • minor inoculo necessario • non c'e' il rischio di inibizione da ossigeno per anammox Mono-stadio (1 reattore unico): • costi di investimento significativamente minori • controllo del processo piu' semplice • minor rischio di inbizione da nitrito • ridotte emissioni di N2O (e di NO): 0.4-1.3 vs 2.3-6.6% del carico di Azoto
Applicazioni del processo anammox
Il processo si applica ad oggi a reflui con alti tenori di ammonio (>200mgN/L),
bassi rapporti COD/N ( 25°C
trattamento digestati di fanghi di depurazione civili (sulla frazione liquida)
trattamento di acque reflue dell’agroindustria (a valle di digestione anaerobica)
Diverse tecnologie e forme di
aggregazione della biomassaNOTA: l'auto-sufficienza Energetica dipende dalla
separazione del COD, non dal processo anammox
nella linea fanghi
• Linea fanghi tratta in media 10-20 % del carico di azoto
• Nitritazione/Anammox fa risparmiare il 60 % di energia di
aerazione
• Nitrificazione consuma circa il 50 % di energia di aerazione
Risparmio: 3-6 % di energia di aerazione totale
Energia spesa in aerazione e' circa il 60 % nei moderni impianti
Produzione di energia dovuta ad una buona separazione
primaria e' piu' importante !!Vantaggi
Riduzione dei consumi energetici:
Valori di consumo per impianti PN-anammox su surnatanti di digestione fanghi
variano in un ampio intervallo 0.8 - 2 kWh/kgN, (Lotti et al. 2015) -50% dei consumi
rispetto al processo convenzionale
• Depuratore di Ingolstadt (D): processo convenzionale N/DN su surnatanti di circa 4,0
kWh/kg-N rispetto a 1,92 kWh/kg-N di impianto anammox in parallelo (Wett et al., 2010)
• Depuratore di Strass (A): processo
PN/anammox a stadio unico
implementato dal 2004 per
trattamento surnatanti: consumi
energetici specifici sono passati da 2,9
kWh/kgNrim (nitritazione/denitrazione)
a 1,16 kWh/kgNrim a seguito
dell’installazione del processo
anammox (fig. a dx, Wett et al. 2007)Vantaggi Minor produzione di fanghi: -80% (Mulder 2003) rispetto a processi convenzionali a causa di minor fattore di resa cellulare (processo interamente autotrofo) Sistemi compatti: gli anammox formano facilmente biofilm adesi su supporti inerti ma anche biofilm auto-aggreganti molto stabili in forma granulare: alta concentrazione della biomassa (fino a 15-20 gSSV/L) alta età del fango (oltre i 30 giorni) alti ratei volumetrici di rimozione dell’azoto (da 0.5 e fino a 5-10 kgN m-3 d-1) Riduzione ingombri aerali fino a oltre l’80% foto a dx, impianto di Olburgen (scarti lavorazione patate, Abma et al. 2010)
Criticità e limiti -Temperatura ottima di lavoro 35°C (range 25-38°C) anche se ricerche recenti confermano fattibilità anche a 15°C (COLD-anammox applicato su reflui diluiti) -rapporto COD/N: se rapporto carbonio biodegradabile/azoto superiore a 2 è consigliabile una fase di pretrattamento aerobico ad alto carico a monte di reattore PN-anammox (per evitare accumuli indesiderati di biomassa eterotrofa) -Avviamento: a causa di lenta crescita dei batteri anammox è fondamentale disporre di notevoli quantità di inoculo per start-up rapidi (1 mese) -Sistema di ritenzione/selezione della biomassa anammox nel reattore è fattore chiave per avere un processo robusto (ciclone, separatore a pacchi lamellare..) -Necessario buon sistema di controllo in linea e personale formato per la gestione degli impianti -Verifica preliminare fattibilità con prove a scala lab/pilota è consigliabile in caso di trattamento reflui industriali
Numero impianti in piena scala
Oltre 100 impianti a scala reale
nel mondo (108 a fine 2015)Tipologie e carichi trattati impianti in piena scala
Fonte: Lotti et al. 2014Tecnologie presenti sul mercato
Nome della Applicazioni
Tipo di biomassa Tipo di reattore Applicazioni civili
tecnologia industriali
SBR con
DEMON® sospesa 34 8
idrociclone
CleargreenTM sospesa SBR 2 0
NAS® sospesa Ibrido 1 4
PN/AA (Eawag) sospesa SBR 5 0
PANDA+ sospesa 2 stadi 2 0
2 stadi
ANAMMOX® granulare 6 19
1 stadio (gas-lift)
ELAN® granulare SBR 1 1
DeAmmon® biofilm MBBR 3 0
ANITATMMOX biofilm MBBR 8 2
1 & 2 stages
Terra-N® biofilm 4 0
SBR
OLAND biofilm RBC 3 3
Totale 69 37Tecnologie presenti sul mercato Maggiori fornitori commerciali attualmente presenti sul mercato (>8 referenze): DEMON : tecnologia SBR ibrida (fioccosa/granulare) 1stadio, sviluppata da Univ. Innsbruck (A), leader mercato surnatanti da fanghi civili (primo impianto nel 2004) Vantaggio: esperienza su reflui civili, costi investimento minori in caso di uso vasche esistenti Limite: carichi volumetrici applicati 0.1-0.7 kgN/mc/giorno e maggiore sensibilità a presenza solidi in influente (rischio diluizione biomassa attiva) ANAMMOX/CANON (PAQUES): tecnologia granulare con reattore gas-lift in continuo 1stadio sviluppata in collaborazione con univ. DELFT (NL), primi impianti a scala reale in funzione da 2002 (2 stadi), leader mercato industriale con impianti di maggior dimensione. Vantaggio: Robustezza e stabilità sistema con carichi volumetrici applicati: 2-2.5 kgN/mc/giorno (fino a 7 kgN/mc/giorno in reattore anammox con configurazione a 2 stadi) Limite: Costi investimento elevati in caso di impianti piccoli (
Fiocchi VS Biofilm/granuli
biomassa FIOCCOSA BIOFILM/GRANULI
Ritenzione della
biomassa
- +
Volume del
reattore
- +
Stabilità di
processo - +
(COD, solidi)
Rapidità di Startup + -Impianti esistenti su reflui agro-industriali
Origine refluo (tipo Carico di progetto Tipologia Anno di
Paese
industria) (kgN/giorno) impianto avviamento
Lavorazione patate Olanda 1200 Granulare 2006
Glutammato Cina 11.000 Granulare 2009
Lieviti Cina 1000 Granulare 2009
Glutammato Cina 9.000 Granulare 2010
Amminoacidi Cina 10.000 Granulare 2011
Dolcificanti Cina 2000 Granulare 2011
Amido Cina 7000 Granulare 2011
Distilleria Polonia 900 Granulare 2011
Vinicola Cina 500 Granulare 2012
Rendering (scarti macello) Olanda 6000 Granulare 2012
Vinicola Cina 1100 Granulare 2012
Amminoacidi Cina 11.500 Granulare 2012
Vinicola Cina 500 Granulare 2013
Dolciario Polonia 340 MBBR 2015
Amido Germania 300 MBBR 2015Processo integrato di Nitritazione
Parziale/Anammox
O2
NO2-
NH4 +
N2
NO3-
NH4+
NH4 +
2 NH3 + 1.7 O2 → 1.14 NO2- + 0.86 NH3 → 0.88 N2 + 0.24 NO3-Processo integrato di Nitritazione
Parziale/Anammox
Basato su tecnologia UASB, con:
- Aerazione a bolle fini
- Sedimentatori a pacchi lamellari (TPS)
- Distribuzione dell'influente non necessaria
CONTROLLO basato su:
- Misurazione dell' Ammonio
- Variazione del DO in vasca Immagini: Tommaso LottiMEI HUA Group
Produzione Glutammato
China
11,000 kg N/giorno
70,000 kg COD/giorno
>20,000 m3 biogas/ giorno
IC-reactor
Anammox
61
Fonte: PaquesImpianto avviato nel 2015
Volume:
6700 m3
Carico:
1.7 kgN/m3/giorno
Startup:
1 mese
(95% conversione)
Fonte: PaquesVista degli Interni
Fonte: PaquesTutto qui cio' che il processo anammox puo' fare ??
Futuro prossimo: nuovi campi di applicazione
• Linea acque di impianti di depurazione civili
TU-Delft (Paesi Bassi), DC-Water (USA), KIT (Germania), Peschiera Borromeo
(Italia) etc..
• Digestati da FORSU Politecnico Milano (Italia)
• Reflui tessili (stampa ink-jet) – Politecnico di Milano (Italia) – LIFE NTreat
• Digestati di origine agro-zootecnica
Politecnico Milano (Italia)
• Percolato di discarica
Universita' di Girona (LEQUIA-UdG, Spagna)
• Reflui industriali con elevata salinita'
Universita' di Santiago di Compostela (Spagna)Conclusioni e prospettive • Disponibili alternative di rimozione N via nitrito (DENO2 o SCENA) • Anammox processo maturo e «state of the art» per la rimozione dell’azoto da surnatanti di digestione civile e numerose tipologie di reflui industriali • Oltre 100 applicazioni a scala reale in tutto il mondo con numerose applicazioni a reflui agro-industriali (taglia da 60 a 11000 kN/giorno trattati) • Ricerca applicata su reflui zootecnici, digestato FORSU e reflui da stampa digitale ha dato risultati promettenti – importante fare prove di trattabilità! • Limiti allo sviluppo in Italia: culturali, per applicazioni industriali conveniente per impianti medio-grandi, per applicazioni civili numerosi impianti di depurazione sono di piccola taglia (digestione anaerobica non sempre presente)
Produzione VFA a Sesto San Giovanni
I VFA sono chemicals di origine organica utilizzabili in impianti di depurazione per ridurre il
dosaggio di sostanza chimiche esterne o per favorire il recupero del fosforo e la produzione
di bioplastiche.
La produzione di VFA (Volatile Fatty Acids – Acidi Grassi
Volatili) da fanghi di depurazione avviene tramite una fase di
fermentazione mesofila controllata con culture microbiche
miste (pH 5.5 -6.0 e temp 35°C) e con tempi di residenza di
4-5 giorni. Nel caso di Sesto si sfruttano volumi esistenti
opportunamente modificati (ispessitore statico convertito a
fermentatore).
Al fermentatore del depuratore di Sesto San
Giovanni sono alimentati circa 80 mc/d di fanghi
misti al 5% di secco (50 kgST/mc) per un totale di
4000 kgST/d con circa 80% SV/ST -> 3200 kgSV/d.Produzione VFA a Sesto San Giovanni
• Resa di fermentazione 0.25 kgCODvfa/kgSV -> 800 kgCODvfa/d (corrispondenti a
circa 570kgVFA/d)
In una prima fase i VFA prodotti verranno separati con pressa a vite e dosati in
denitrificazione al posto di carbonio esterno (sostituzione del 40% di attuale dosaggio) e
utilizzati per rimozione biologica del fosforo con batteri PAO (Phosphate Accumulating
Batteria). La linea a fanghi attivi è stata appositamente rinnovata con modifica dei volumi
per poter applicare tale rimozione biologica del fosforo.
Impianto avviato a settembre 2019Produzione VFA a Sesto San Giovanni Fase 2 – VFA per rimozione biologica fosforo e recupero struvite I VFA prodotti saranno inviati a un reattore di tipo SBR (tecnologia SCENA) per il trattamento dei surnatanti di digestione anaerobica per la rimozione biologica di azoto e fosforo. Il fosforo accumulato biologicamente potrà essere rilasciato come fosfato nei surnatanti e recuperato come struvite (fertilizzante a lento rilascio). Progetto preliminare concluso. Realizzazione prevista nel 2021 (impianto a piena scala per trattamento surnatanti + impianto dimostrativo di recupero struvite). Installando un cristallizzatore la potenzialità di recupero struvite (sale di fosfato con ammonio e magnesio) per Sesto è di circa 80-90 ton struvite/anno
IL CICLO INTEGRATO – FOCUS PROCESSO
CHEMICALS ORGANICI PER IL PROCESSO DEPURATIVO
Fanghi
primari e VFA per linea acque
secondari
Matrice VFA per trattamento
Organica surnatanti
Fermentatore ACQUA PER
RIUSO IN
biometano
IRRIGAZIONE
Matrice Digestore Cristallizzazione di Surnatante
S/L SCEPPHAR trattato in linea
Organica anaerobico struvite
acque (rimozione
90% di N e P)
ENERGIA PER IL
TERRITORIO Solido a FOSFORO (Struvite)
PHB (biopolimeri)
compostaggio
NUTRIENTI PER L’AGRICOLTURALA BIOPIATTAFORMA DI SESTO
www.biopiattaformalab.it
71«Knowing is not enough, we must apply! Willing is not enough, we must do!» [Johann Wolfgang von Goethe] Davide Scaglione Email: davide.scaglione@gruppocap.it
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