Trattamento reflui di cantina Claudio Lubello Università di Firenze

Caratteristiche quantitative produzione di acque reflue in una cantina vinicola La produzione di acque reflue cambia molto durante l’arco dell’anno: circa 1 m3 di refluo ogni 20 quintali di uva lavorata volume di refluo pari a 0.7-1.2 volte il volume di vino prodotto portate maggiori nel periodo della vendemmia (settembre-novembre) portate minori nel periodo successivo dei travasi (novembre-marzo). la produzione di acque reflue nel periodo aprile-agosto è pressoché assente

Caratteristiche qualitative

Contenuto di metalli pesanti Acque reflue provenienti da 4 cantine della provincia di Trento confronto con valori di cantine spagnole (Bustamante et al., 2005) confronto con i valori limite imposti dalla normativa nazionale per lo scarico in fognatura da insediamenti produttivi

Contenuto di metalli pesanti Cu e Zn rappresentano i parametri più critici le concentrazioni di Cu e Zn risultano spesso superiori ai limiti ammessi per lo scarico in fognatura

Caratteristiche salienti Alti carichi organici, soprattutto in forma solubile: estremi valori di pH (80% dei campioni con pH in campo acido) presenza di metalli pesanti bassa concentrazione di nutrienti concentrazione di COD) il COD solubile rappresenta l’86% del COD totale concentrazione di SST si rende sempre necessaria una neutralizzazione del pH prima di uno stadio biologico spesso la concentrazione di Cu e Zn non è compatibile con lo scarico in fognatura o in acque superficiali N e P costituiscono lo 0.7% e lo 0.1% del COD totale nel trattamento biologico delle acque di cantina è necessario aggiungere urea e acido fosforico (0.11 g urea/gCOD e 0.018 g H3PO4/gCOD)

Frazionamento COD acque grezze Valori misurati nel periodo della vendemmia (settembre-ottobre) Valori misurati nel periodo dei travasi (novembre-marzo)

vendemmia (settembre-ottobre) travasi (novembre-marzo) Il COD rapidamente biodegradabile (RBCOD) rappresenta il 75.4% del COD totale (media annua). La frazione di RBCOD è leggermente superiore nel periodo dei travasi (80.7%), rispetto al periodo di vendemmia (71.4%), a causa dello sviluppo dei processi di fermentazione vendemmia (settembre-ottobre) travasi (novembre-marzo)

vendemmia (settembre-ottobre) travasi (novembre-marzo) Il COD lentamente biodegradabile (SBCOD) è pari solo al 3.0% del COD totale (media annua) il COD solubile non biodegradabile è pari al 12.4% nel periodo di vendemmia e pari al 7.2% nel periodo dei travasi. Tale frazione si ritrova inalterata nell’effluente finale. vendemmia (settembre-ottobre) travasi (novembre-marzo)

vendemmia (settembre-ottobre) travasi (novembre-marzo) La biomassa cellulare (misurata mediante test respirometrico) è decisamente trascurabile (<0.24% del COD totale). La bassa concentrazione di biomassa batterica nelle acque di cantina può rendere difficoltoso lo start-up di un impianto biologico di trattamento (soprattutto se a biomassa adesa) se non adeguatamente inoculato. vendemmia (settembre-ottobre) travasi (novembre-marzo)

Alternative di gestione dei reflui 3 1 realizzazione di un impianto di pre-trattamento on-site presso l’azienda, prima dello scarico in fognatura, nel caso in cui il refluo tal quale non rispetti le condizioni per lo scarico diretto in fognatura; stoccaggio delle acque reflue presso l’azienda, trasporto e conferimento in un impianto di depurazione adeguato per il trattamento 4 2 realizzazione di un trattamento completo on-site presso l’azienda produttrice e scarico in acque superficiali. scarico in fognatura delle acque reflue tal quali, se compatibili con la normativa

Alternative di gestione dei reflui 1 Alternativa 1: costo di trasporto e pagamento per lo smaltimento presso il depuratore in funzione di portata o carico conferito Alternativa 2: costi per canone di fognatura e canone di depurazione. stoccaggio delle acque reflue presso l’azienda, trasporto e conferimento in un impianto di depurazione adeguato per il trattamento 2 scarico in fognatura delle acque reflue tal quali, se compatibili con la normativa

Alternative di gestione dei reflui 3 Alternativa 3 e 4: preferite nel caso di cantine di media dimensione o grandi aziende. Alternativa 3: necessaria quando non sono rispettate le concentrazioni limite di COD, BOD5, SST e metalli pesanti per lo scarico in fognatura. Alternativa 4: rimane la soluzione perseguibile nel caso di aziende medio-grandi per le quali le altre soluzioni non sono economicamente vantaggiose. realizzazione di un impianto di pre-trattamento on-site presso l’azienda, prima dello scarico in fognatura, nel caso in cui il refluo tal quale non rispetti le condizioni per lo scarico diretto in fognatura; 4 realizzazione di un trattamento completo on-site presso l’azienda produttrice e scarico in acque superficiali.

Sistemi di trattamento TRATTAMENTI BIOLOGICI CONVENZIONALI TRATTAMENTI BIOLOGICI AVANZATI TRATTAMENTI CHIMICO-FISICI (in genere pre-trattamento prima dello scarico in fognatura)

Trattamenti convenzionali I sistemi convenzionali per il trattamento delle acque reflue di cantina sono: fanghi attivi, reattori SBR e biodischi IMPIANTI A FANGHI ATTIVI: la ricorrenza del fenomeno di bulking è un tipico inconveniente nel caso dei fanghi attivi IMPIANTI SBR: hanno dimostrato buone potenzialità, potendo modificare la lunghezza dei cicli in funzione del carico organico applicato e mantenendo la medesima qualità dell’effluente. Si applicano carichi volumetrici pari a 0.8 kgCOD m-3 d-1 con efficienza di rimozione > 90%. BIODISCHI: diminuzione delle prestazioni in presenza di picchi di carico, con riduzione dell’ossigeno o eccessiva crescita di biofilm.

Trattamenti avanzati  Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) Permettono di superare alcuni dei limiti dei sistemi biologici convenzionali I sistemi a biofilm si prestano bene grazie alla elevata concentrazione di COD rapidamente biodegradabile Per i reflui di cantina sono stati proposti:  Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR)  Fixed Bed Biofilm Reactor (FBBR)  Sistema anaerobico UASB - UHD I sistemi MBBR e FBBR offrono diversi vantaggi quali:  riduzione di problemi di bulking  assenza di controlavaggio grazie all’elevato grado di vuoto  facile gestione dei reattori

CASO DI STUDIO: cantina vinicola dell’Istituto Agrario di S. Michele SISTEMA A BIOMASSA ADESA A LETTO FISSO (FIXED BED BIOFILM REACTOR, FBBR). CASO DI STUDIO: cantina vinicola dell’Istituto Agrario di S. Michele grigliatura (mesh 3 mm) equalizzazione/omogeneizzazione aerata + neutralizzazione del pH 1st stadio FBBR (2 reattori in parallelo) seguito da sedimentazione intermedia 2nd stadio FBBR, seguito da sedimentazione finale Il fango sedimentato è inviato ad un ispessitore e quindi trasportato in un altro impianto per la disidratazione VFBBR=12.5 m3 V=20 m3 V=3 m3 V=8 m3 pH neutralization VFBBR=12.5 x 2 m3 V=9 m3

CARATTERISTICHE DEL SISTEMA FBBR I reattori FBBR sono riempiti con elementi plastici (BIO-ECO) Realizzati in polipropilene (densità  1.05 g cm-3) Forma pressoché sferica con dimensioni di circa 11 cm Superficie specifica pari a 140 m2 m-3 Elevato grado di vuoto pari a 95% Letto del reattore FBBR è sommerso ed aerato Aerazione mediante piastre Messner Avendo funzionamento stagionale (settembre-marzo) ed elevato grado di vuoto non richiede controlavaggio

I reattori FBBR sono realizzati in acciaio e montati su rotaie possono essere estratti dall’edificio e trasportati temporaneamente (per alcune settimane) presso un altro impianto per l’acclimatazione nel mese di agosto, prima della vendemmia immediato start-up all’inizio della vendemmia.

Carichi di COD totale applicati e rimossi nell’impianto FBBR Rimozione del COD nel 1° stadio Carico medio applicato = 2.4 kgCOD m-3 d-1 (massimo = 8 kgCOD m-3 d-1) Efficienza media = 80% (range 67-97%) Nel 1° stadio avviene la completa rimozione dell’RBCOD (pari al 71-80% del COD totale) Rimozione del COD nell’impianto completo Efficienza media = 91% Conc. media COD infl. 2356 mgCOD L-1, effl. 212 mg/L Questo valore rappresenta un limite per il trattamento biologico: nelle acque reflue di cantina è presente una frazione di COD solubile non biodegradabile uguale al 9.8% in media che non può essere rimossa né mediante trattamento biologico né mediante sedimentazione.

PRINCIPALI OSSERVAZIONI SUL SISTEMA FBBR Rapido start-up (circa 24 - 48 ore dall’inizio della vendemmia) grazie alla preventiva colonizzazione dei supporti plastici; I reattori FBBR non richiedono controlavaggio durante il periodo stagionale operativo (Settembre-Marzo). Non si sono riscontrati intasamenti. L’efficienza di rimozione è stata pari al 90%, che rappresenta un valore limite a causa della frazione solubile non biodegradabile del COD pari a circa il 10% → possono presentarsi difficoltà a rispettare il limite allo scarico pari a 500 mgCOD/L Vantaggi gestionali: Semplice gestione Elevata efficienza anche nel caso di forti fluttuazioni di portata e di carico Buona sedimentabilità dei fanghi senza problemi di bulking

CASO DI STUDIO presso cantina vinicola Rotary, Mezzocorona SISTEMA A BIOMASSA ADESA A LETTO MOBILE (MOVING BED BIOFILM REACTOR, MBBR). CASO DI STUDIO presso cantina vinicola Rotary, Mezzocorona Nei reattori MBBR gli elementi plastici sono in sospensione nel bulk liquido realizzando una configurazione a completa miscelazione. grigliatura equalizzazione e neutralizzazione del pH reattore aerobico MBBR sedimentazione finale 1 cm Sono stati impiegati supporti KMT in polietilene con densità pari a 0.96 g cm-3 dimensioni di 7-10 mm grado di riempimento = 67% superficie specifica nel reattore = 300 m2 m-3

Carichi di COD totale applicati e rimossi nell’impianto MBBR carichi volumetrici fino a 9.6 kgCOD m-3 d-1 carichi superficiali fino a 32 gCOD m-2 d-1 efficienza di rimozione del COD = 95% in media (range 85-99%) concentrazioni medieCOD: infl. 2100 mg L-1, effl. 105 mg L-1 buona sedimentabilità dei fanghi (SVI < 100 mL gSST-1).

REATTORE ANAROBICO CON CONFIGURAZIONE IBRIDA (UASB + FILTRO ANAEROBICO) CASO DI STUDIO presso cantina vinicola Rotary, Mezzocorona Reattori anaerobici di tipo UHD (Upflow Hybrid Digester) combinano un reattore UASB con un filtro anaerobico Configurazione dell’impianto: UASB FILTRO ANAEROBICO equalizzazione e neutralizzazione del pH reattore anaerobico tipo UHD (altezza pari a 4.5 m): - parte bassa costituita da un letto UASB in cui si svolge gran parte della rimozione del COD - parte alta costituita da un filtro anaerobico con elementi Flocor-R (cilindri in PVC, con superficie specifica = 230 m2 m-3) temperatura di processo = 35°C. tempo di ritenzione nel reattore pari a 43-48 h.

Performance dell’impianto UHD carichi volumetrici applicati = 6 kgCOD m-3 d-1 in media (range 2-15 kgCOD m-3 d-1) efficienza di rimozione del COD > 93% riduzione dell’efficienza in presenza di forti fluttuazioni di carico: necessità di una vasca di omogeneizzazione/equalizzazione a monte del reattore biologico produzione specifica di biogas = 0.5 m3 kgCOD-1 rimosso. Il reattore UHD, dopo un fermo impianto di 4 mesi (maggio-settembre) ha ristabilito una efficienza di rimozione del COD pari al 96% entro 7 giorni.

TRATTAMENTI CHIMICO-FISICI PER LA RIMOZIONE DEI METALLI In molti casi il trattamento delle acque reflue di cantina si limita alla rimozione della sostanza organica nel caso di normative molto restrittive per i metalli pesanti le concentrazioni di alcuni metalli, specialmente Cu e Zn, superano i limiti ammessi allo scarico Per la rimozione dei metalli pesanti si può ricorrere a un pre-trattamento on-site di tipo chimico-fisico, prima dello scarico in fognatura: Normativa italiana Cu < 0.4 mg L-1 Zn < 1.0 mg L-1 Facile gestione e controllo di processo Flessibilità al variare dei carichi applicati e delle portate Riduzione degli spazi occupati e contenuti costi di realizzazione Costi aggiuntivi per i reattivi e per lo smaltimento dei fanghi