La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

1 Annalisa Prassone Dottorato in “Scienze, tecnologie e processi chimici” XX Ciclo Fotobioreattori a microalghe per la depurazione di acque di scarico.

Presentazioni simili


Presentazione sul tema: "1 Annalisa Prassone Dottorato in “Scienze, tecnologie e processi chimici” XX Ciclo Fotobioreattori a microalghe per la depurazione di acque di scarico."— Transcript della presentazione:

1 1 Annalisa Prassone Dottorato in “Scienze, tecnologie e processi chimici” XX Ciclo Fotobioreattori a microalghe per la depurazione di acque di scarico civili 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

2 2 FITODEPURAZIONE Tecnologie ecocompatibili per il trattamento dei reflui SISTEMI DI DEPURAZIONE NATURALI FITODEPURAZIONE Tecnica di trattamento dei reflui con l’impiego di alghe e piante superiori Ricostruzione habitat naturale in ambiente controllato MAGGIORE EFFICACIA RIMOZIONE INQUINANTI 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

3 3 Sistemi esistenti in commercio INDOOR Grandi sacche in polietileneGrandi sacche in polietilene Impianti con elementi piani o tubolariImpianti con elementi piani o tubolari Utilizzo luce artificialeUtilizzo luce artificiale Visione dei tubi trasparenti illuminati artificialmente (BioFence- Cellpharm) 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

4 4 OUTDOOR Vasche all’aria aperta Sottili pannelli o tubi disposti orizzontalmente Utilizzo luce solare Vasche all’aria aperta. Yaeyama - Giappone Sottili pannelli. Scandicci, Firenze - Italia Fotobioreattore tubolare. Almeria - Spagna 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

5 5 Obiettivo è stato Progettazione e realizzazione di fotobioreattori in grado di ottimizzare  la crescita della biomassa  l’abbattimento dei nutrienti Per raggiungere tale obiettivo Sono stati costruiti in laboratorio due impianti che sviluppano lo stesso processo con differenti caratteristiche, soprattutto per quanto riguarda il sistema di illuminamento Sono stati installati due impianti presso il depuratore di Assago 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

6 6 Gli impianti realizzati presso i laboratori del DICHEP sono previsti per utilizzazioni di tipo INDOOR. Sono possibili due alternative per la ricircolazione del liquido:  pompe  air-lift Le pompe, di qualsiasi tipo, possono provocare danni alla biomassa algale in circolazione, pertanto si è preferito utilizzare l’air-lift. Parametri fondamentali di progetto sono stati: turbolenza dimensione dei microvortici cicli luce/ buio 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP velocità dell’aria in ingresso

7 7 I parametri fluidodinamici nella letteratura  La formazione di bolle da un singolo orifizio è stato oggetto di numerosi studi, sia sperimentali che teorici (Kumar et al., 1999) e (Clift et al., 1978). La produzione di bolle si può dividere in tre differenti tipologie: regime di singole bolle Bubble flow regime regime intermedio Churn turbulent flow regime “jet”.  Secondo Chisti (1989), il passaggio da una tipologia all’altra è funzione della velocità di ingresso dell’aria nel riser U G, in particolare si verifica: Bubble flow regime per una velocità del gas U G  0,05 [m/s] Churn turbulent flow per U G  0,05 [m/s] Regime “jet” per U G  0,05 [m/s]. Velocità dell’aria in ingresso U G Le condizioni di processo ottimali si sviluppano in Churn turbulent flow. 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

8 8  Un’eccessiva turbolenza può tuttavia danneggiare le cellule, ciò pone un limite superiore alla velocità. In generale l’input di energia che consente lo scorrimento del liquido nell’impianto deve essere tale da determinare microvortici di dimensioni maggiori di quelle delle cellule algali.  Secondo Chisti (1999) e Acién Fernandez et al. (2001), la velocità del flusso nei reattori tubolari deve essere sufficientemente alta da assicurare un flusso turbolento, ovvero un numero di Reynolds > 2500, idonea ad evitare la stagnazione delle cellule algali. Turbolenza Il parametro è rappresentato semplicemente dal valore del numero di Reynolds che si verifica nel Riser, la cui formula è: ove: R = raggio idraulico = Ω/p [m] Ω = superficie bagnata [m 2 ] p = perimetro bagnato [m] ρ = densità del fluido [kg m -3 ] µ L = viscosità dinamica della coltura algale [kg m -1 s -1 ]; ν L = viscosità cinematica assunta pari a 9,6 · [m 2 /s]. 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

9 9 La determinazione del numero di Reynolds e degli altri parametri richiede la conoscenza della velocità di risalita del liquido nel Riser U L. Chisti ( ) ha individuato la seguente relazione, basata sul principio di conservazione dell’energia, valida per determinare U L nel caso di un fluido contenente una coltura algale, in condizioni simili, anche se non del tutto identiche a quelle degli impianti in esame g = accelerazione di gravità [m/s 2 ]  r = hold up nel Riser  d = hold up nel Downcomer h r = altezza di lavoro del Riser [m] K r = coefficiente d’attrito nel Riser K t = coefficiente d’attrito nel Downcomer A r = sezione retta del Riser [m 2 ] A d = sezione retta nel Downcomer [m 2 ] 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

10 10 Dimensione dei microvortici La grandezza dei microvortici è stimata applicando la teoria isotropica locale di Kolmogoroff (Kawase et Moo-Young, 1990): ove: λ = lunghezza dei microvortici [μm]; µ L = viscosità dinamica del fluido [kg m -1 s -1 ]; ξ = dissipazione di energia per unità di massa [ Js -1 kg -1 ]; ρ = densità fluido [kgm -3 ]. La dissipazione di energia dentro al tubo dipende dalla caduta di pressione, cioè dalle perdite di carico  : ove: R = raggio idraulico U L = velocità del liquido nel Riser [m/s]; C f = coefficiente d’attrito di Fanning. Il fattore di attrito deve essere stimato usando l’equazione di Blasius: C f = 0,0791 Re - 0,25 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

11 11 Degen et al. (2001) hanno studiato l’utilizzo della luce nei fotobioreattori, affermando che la conversione di energia radiante in energia chimica e conseguentemente in biomassa, può essere incrementata se le alghe compiono ripetutamente un ciclo fra fase luminosa e fase buia (o comunque meno luminosa), con un rapporto temporale luce/buio considerato ottimale di 1/10. Questo aumento di produttività dovuto a cicli luce/buio di determinata frequenza è conosciuto come effetto “flashing-light” (Kok, 1956 e Terry, 1986). Cicli di luce/buio In funzione dei parametri desunti dalla letteratura sono stati realizzati gli impianti denominati D1 e D2 che presentano le seguenti caratteristiche. 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

12 12 Impianto D1 Fotobioreattore Riser Idrociclone Downcomer Sistema illuminante Airlift Insufflazione CO 2 Insufflazione Aria 60 Nl/h Spurgo Caratteristiche del Riser Altezza totale colonna220,00cm Altezza di lavoro152,50cm Diametro interno6,00cm Sezione retta28,27cm 2 Volume totale6220,35cm 3 Volume di lavoro4311,83cm 3 Posizionamento delle lampadeAssiale esterno Numero di lampade4 disposte in due gruppi TipoOsram L58W/20 Potenza58Watt Intensità luminosa alla sup. della lampada*500µEinstein/m 2 s Distanza dal fotobioreattore17cm Lunghezza illuminata del fotobioreattore152,5cm Caratteristiche sistema illuminante 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

13 13 IMPIANTO D1 Velocità dell’aria in ingressoUGUG 0,073m/s Velocità del liquidoULUL 0,073m/s Numero di ReynoldsRe4563 Dimensione dei microvortici 290 mm Rapporto luce/buio4,48 I parametri calcolati sono: 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

14 14 Impianto D2 Fotobioreattore con sistema illuminante incorporato Riser Downcomer Airlift Insufflazione CO 2 Insufflazione aria 30 Nl/h Spurgo Raffreddatore interno Caratteristiche sistema illuminante Posizionamento delle lampadeAssiale interno Numero di lampade 1 TipoSylvaniaGroLuxF30W/GRO Lunghezza effettiva delle lampade87cm Potenza30Watt Intensità luminosa alla sup. della lampada 200µEinstein/m 2 s Lunghezza illuminata del fotobio­reat­to­re80cm Caratteristiche del Riser Altezza totale utile colonna87,00cm Altezza di lavoro80,00cm Diametro interno3,50cm Diametro lampada2,60cm Sezione retta  4,31cm 2 Volume totale375,13cm 3 Volume di lavoro344,95cm 3 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

15 15 I parametri calcolati sono: IMPIANTO D2 Velocità dell’aria in ingressoUGUG 0,054m/s Velocità del liquidoULUL 0,036m/s Numero di ReynoldsRe3375 Dimensione dei microvortici 300 mm Rapporto luce/buio15,7 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

16 16 Parametri illuminotecnici Le misure illuminotecniche sono state eseguite ad intervalli regolari lungo lo sviluppo assiale del fotobioreattore sia dal lato illuminato, che da quello diametralmente opposto, definito come buio. Si è constatata la costanza delle condizioni di illuminamento lungo l’intera lunghezza del fotobioreattore, fatta eccezione per le zone terminali, che risultano lievemente meno illuminate. La scarsa rilevanza di questi fenomeni permette tuttavia di ritenere costanti i parametri illuminotecnici lungo l’intero fotobioreattore. Per le misure illuminotecniche, si è utilizzato un radiometro collegando ad esso una sonda radiometrica per la misura delle radiazioni nella banda PAR (Photosyntetically Active Radiation). In tale intervallo gli organismi, quali le alghe, utilizzano l’energia raggiante disponibile, in funzione dei tipi di pigmenti che corredano il loro apparato fotosintetico. 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

17 17 L’attenuazione luminosa provocata dalla biomassa all’interno del fotobioreattore genera un profilo di illuminazione eterogeneo; perciò è di fondamentale importanza stabilire una legge matematica che permetta la valutazione dell’intensità luminosa media da cui dipende la crescita delle alghe. Calcolo dei coefficienti di assorbimento delle cellule algali L’ attenuazione è abitualmente espressa dalla legge di Lambert-Beer: I = I o · e –L·Ka·SS ove: I o = intensità di luce incidente [ μE m -2 s -1 ] I = intensità di luce attenuata dalla biomassa [ μE m -2 s -1 ] SS = concentrazione della biomassa [ cell/l ] o [ g/l ] L = lunghezza del cammino percorso dalla luce [ cm ] K a = coefficiente di assorbimento delle cellule [ cm·OD ] -1 o [ m 2 g -1 ] 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

18 18 I grafici seguenti mostrano l’attenuazione della luce, rispettivamente dell’impianto D1 e D2, per diverse concentrazioni della biomassa. La distanza percorsa dalla luce è pari al diametro del fotobioreattore (6 cm) nell’impianto D1, mentre è pari alla distanza tra il neon e la superficie esterna del reattore tubolare (0,45 cm) nell’impianto D2. All’aumentare della concentrazione algale, in entrambi gli impianti, aumenta l’attenuazione della luce e quindi il coeff. di assorbimento K a. Per ogni concentrazione di cellule è stato quindi determinato il coeff. Di assorbimento. 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

19 19 Per cui risulta: K a2 >> K a1. In base alla legge di Lambert - Beer per gli impianti D1 e D2 sono stati calcolati rispettivamente: K a1 = 0,0874 [m 2 /g] K a2 = 0,4447 [m 2 /g] 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

20 20 Crescita della biomassa in funzione della luce emessa Normalizzando la crescita di biomassa in funzione della luce emessa, si evidenziano le migliori prestazioni dell’impianto D2 rispetto all’impianto D1. 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

21 21 Entrambi gli impianti hanno dimostrato la loro validità in termini di:  produzione di biomassa  abbattimento dei nutrienti Tale validità è stata conseguita grazie all’ottimizzazione di:  parametri fluidodinamici  parametri illuminotecnici  tecnica di gestione Al momento del trasferimento di questi impianti in una realtà industriale, la scelta definitiva dovrà prendere in considerazione aspetti specifici quali:  finalità cui l’impianto dovrà assolvere: prevalente produzione di biomassa o abbattimento dei nutrienti  disponibilità di spazio per l’installazione: gli impianti tipo D2 sono più compatti Gli impianti tipo D2 presentano consumi energetici più contenuti. E’ tuttavia da tenere presente la maggior complessità dal punto di vista realizzativo e manutentivo del fotobioreattore di tipo D2, dovuta all’inserimento del sistema illuminante all’interno del fotobioreattore. Perfettamente analoghe ed ugualmente semplici sono invece le tecniche gestionali di processo. 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

22 22 IMPIANTO DI ASSAGO POPOLAZIONE SERVITA AE PORTATA ORARIA DI CALCOLO Q C 3744 [m 3 /ora] BOD TOT IN INGRESSO11760 [kg/giorno] APPORTO DI SOLIDI SOSPESI TOTALI [kg/giorno] APPORTO DI AZOTO1540 [kg/giorno] APPORTO DI FOFORO238 [kg/giorno] DatapHN-NO 3 [mg/l] N-NO 2 [mg/l] N-NH 4 [mg/l] P-PO 4 [mg/l] TOC [mg/l] 25/09/ /10/ /10/ /10/ /11/ dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

23 23 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP L’alga impiegata citoplasma pirenoide parete nucleo cloroplasto Specie: Scenedesmus Classe: Chlorophyceae INTERVALLI OTTIMALI DI CRESCITA:  T = °C  pH = 5 - 9

24 24 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP Impianto tubolare a sviluppo orizzontale Diametro interno singolo tubo41 mm Lunghezza singolo tubo2 mm Numero tubi6 Volume totale tubi15.06 l Volume vasca downcomer18.13 l Volume totale lavoro34 l Modalità illuminazioneluce naturale Messa in ricircolo della biomassa mediante pompa esterna

25 25 La prima fase della durata di circa 7 giorni è stata caratterizzata dall’adattamento della specie algale alle nuove condizioni sperimentali e da una successiva crescita della biomassa. Indice del corretto funzionamento del sistema è stato l’andamento crescente del pH, da un valore iniziale di 6.5 a un valore di 8.06; poiché il sistema non viene aerato, all’aumentare della biomassa viene meno la fonte di carbonio sottoforma di CO dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP Dati di partenza pH6.90 Concentrazione biomassa0.11 g/l Concentrazione di N-NO mg/l Concentrazione di N-NH mg/l Concentrazione di P-PO mg/l

26 26 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP La seconda fase, della durata di circa 2 mesi, ha riguardato l’abbattimento dei nutrienti presenti nel refluo di alimentazione. La campagna è stata suddivisa in cicli della durata di circa 7 giorni. Tale suddivisione è avvenuta in corrispondenza di spurghi e successive alimentazioni effettuati per garantire l’equilibrio del sistema.

27 27 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP Dall’analisi dei dati raccolti durante l’intera campagna di sperimentazione si è verificato che sono state raggiunte efficienze di abbattimento dell’ordine di: 100% N-NH 4 90% N-NO 3 100% P-PO 4 tempo168h Abb. di ammonio  3,93g N-NH4 / Kg biom d Abb di nitrati 8,54g N-NO3 / Kg biom d Abb dei fosfati  0,90g P-PO4 / Kg biom d Abb % N-NH 4 giornaliero100,00% Abb % N-NO 3 giornaliero90,70% Abb % P-PO 4 giornaliero100,00% Durante la sperimentazione non si è riscontrata crescita eccessiva di biomassa in quanto il sistema biologico è stato tenuto in carenza di nutrienti, la concentrazione massima raggiunta è stata di 0.27 g/l.

28 28 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP Impianto air-lift a sviluppo verticale Diametro interno downcomer80 mm Diametro interno riser35 mm Altezza reattore (esclusa la zona di separazione) 1640 mm Altezza riser1350 mm Volume di lavoro9.5 l Modalità illuminazioneluce naturale Messa in ricircolo della biomassa mediante air-lift con immissione aria a bolle

29 29 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP Dati di partenza pH7.33 Concentrazione biomassa0.017 g/l Concentrazione di N-NO mg/l Concentrazione di N-NH49.15 mg/l Concentrazione di P-PO40.19 mg/l Per quanto riguarda la gestione dell’impianto a sviluppo verticale si sono adoperate le stesse modalità operative dell’impianto precedentemente descritto. Anche in questo caso la fase di adattamento della biomassa è stata della durata di circa 7 giorni. L’andamento crescente del pH conferma il buon funzionamento del sistema.

30 30 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP La seconda fase, della durata di circa 2 mesi, ha riguardato l’abbattimento dei nutrienti presenti nel refluo di alimentazione. La campagna è stata suddivisa in cicli della durata di circa 7 giorni. Tale suddivisione è avvenuta in corrispondenza di spurghi e successive alimentazioni effettuati per garantire l’equilibrio del sistema.

31 31 In questa tipologia impiantistica si sono raggiunte efficienze di abbattimento di circa: 93 % N-NH4 2 % N-NO3 100% P-PO4 tempo168h Abb. di ammonio  17,18g N-NH4 / Kg biom d Abb. di nitrati 0,22g N-NO3 / Kg biom d Abb. dei fosfati  0,38g P-PO4 / Kg biom d Abb. % N-NH 4 giornaliero93,33% Abb. % N-NO 3 giornaliero1,95% Abb. % P-PO 4 giornaliero100,00% 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP

32 32 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP Analogamente presso i laboratori del DICheP si è proceduto ad una sperimentazione in batch con la stessa coltura algale e lo stesso refluo di alimentazione. Essa ha riguardato un fermentatore di capacità 5 l, dotato di agitazione a 170 rpm e di insufflazione di CO 2 mediante elettrovalvola automatizzata che attacca a valori di pH superiori a 8.2 e stacca a valori inferiori a 6.5.

33 33 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP Per una valutazione più approfondita delle cinetiche di rimozione si sono effettuate stime orarie delle concentrazioni dei nutrienti. Abbattimenti pressocchè totali sono stati raggiunti in sei ore. tempo6h Abb. % N-NH498.51% Abb. % N-NO387.94% Abb. % P-PO498.55%

34 34 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP E’ stata inoltre stimata quotidianamente la biomassa algale, che ha raggiunto un valore massimo di g/l. La crescita della biomassa è stata valutata in funzione del tasso specifico di crescita nella fase esponenziale. Tale tasso è espresso dalla seguente relazione: µ = ln C/C 0 * 1/t dove: µ = tasso specifico esponenziale di crescita della biomassa espresso in giorni -1 C = concentrazione di biomassa espressa in milligrammi/litro C 0 = concentrazione iniziale di biomassa espressa in milligrammi/litro t = tempo di generazione espresso in giorni. Il valore massimo di tale tasso è stato giorni -1.

35 35 12 dicembre Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP Si può concludere che entrambi le tipologie impiantistiche risultano valide ed efficienti per l’abbattimento dei nutrienti, pur presentando dei limiti di gestione che potrebbero essere superati effettuando nuove sperimentazioni. A tale riguardo sarebbe necessario prevedere alimentazioni in continuo del refluo agli impianti. Per quanto riguardo la produzione di biomassa gli impianti non sono stati particolarmente efficienti a causa della bassa concentrazione di nutrienti nel refluo di alimentazione proveniente dal sedimentatore secondario. E’ attualmente in atto una fase riguardante l’ottimizzazione del contenuto lipidico dell’alga, anche cambiando la specie algale in uso, così da poter verificare la possibilità di estrarre biodiesel o combustibili alternativi dalla biomassa algale.


Scaricare ppt "1 Annalisa Prassone Dottorato in “Scienze, tecnologie e processi chimici” XX Ciclo Fotobioreattori a microalghe per la depurazione di acque di scarico."

Presentazioni simili


Annunci Google