Introduzione al modulo: Processi unitari biologici

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1 Introduzione al modulo: Processi unitari biologici
MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Introduzione al modulo: Processi unitari biologici Prof. Franco Cecchi Dipartimento Scientifico e Tecnologico - Università degli Studi di Verona

2 Sommario I parte: II parte: III parte: IV parte:
MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Sommario I parte: Evoluzione degli obiettivi dei trattamenti biologici di acque reflue e fanghi II parte: Brevi cenni sui metodi di trattamento biologico di acque reflue e fanghi III parte: Situazione attuale dell’applicazione dei trattamenti biologici IV parte: Contenuti del corso

3 Evoluzione degli obiettivi del trattamento delle acque reflue
MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Evoluzione degli obiettivi del trattamento delle acque reflue

4 MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Dal 1900 ai primi anni ’50 gli obiettivi del trattamento delle acque reflue erano primariamente rivolti alla soluzione di problemi estetici ed igienici: Rimozione dei materiali sospesi e flottanti; Eliminazione degli organismi patogeni Dal 1950 agli anni ’60 gli obiettivi vengono implementati con una maggior attenzione all’ambiente, talvolta prevedendo la rimozione delle sostanze biodegradabili SI SEPARAVANO DUE FLUSSI, UNO LIQUIDO ED UNO SOLIDO Il trattamento dei fanghi di supero veniva effettuato principalmente tramite aerazione prolungata e in letti di essiccamento

5 MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Dai primi anni ’70 gli obiettivi precedentemente perseguiti continuano ad essere validi ma ad un livello superiore, ponendo l’attenzione ai: Materiali colloidali Domanda biologica di ossigeno (BOD) Solidi sospesi totali (TSS) Organismi patogeni Ad essi si aggiungono, per quanto riguarda le acque interne, anche i nutrienti: Azoto Fosforo I fanghi di supero venivano sottoposti a stabilizzazione aerobica o anaerobica in relazione alla taglia degli impianti, e quindi a disidratazione meccanica e smaltimento tramite: Compostaggio Uso in agricoltura Discarica (a seconda del contenuto di inquinanti)

6 MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Dal 1980 in poi Gli obiettivi di miglioramento della qualità delle acque sono andati sviluppandosi progressivamente L’enfasi si sposta verso l’identificazione e la rimozione di costituenti che possono avere effetti a lungo termine sulla salute umana e sull’ambiente Di conseguenza, mentre i primi obiettivi del trattamento delle acque rimangono validi, aumenta significativamente il grado richiesto di trattamento implicando l’aggiunta di elevati obiettivi di qualità Attualmente la tendenza per il trattamento dei fanghi di supero vede nella co-digestione una valida soluzione

7 Schematizzando il processo di evoluzione degli obiettivi di qualità:
Rimozione materiali sospesi e flottanti Eliminazione organismi patogeni 1900 Rimozione materiali sospesi e flottanti Eliminazione organismi patogeni Trattamento sostanze organiche biodegradabili Rimozione materiali sospesi e flottanti Eliminazione organismi patogeni Trattamento sostanze organiche biodegradabili Rimozione dell’azoto Rimozione del fosforo Rimozione materiali sospesi e flottanti Eliminazione organismi patogeni Trattamento sostanze organiche biodegradabili Rimozione dell’azoto Rimozione del fosforo Rimozione dei microinquinanti oggi

8 Trattamenti convenzionali
Evoluzione degli obiettivi dei trattamenti biologici delle acque reflue Rimozione di C Trattamenti convenzionali Rimozione di C, N Rimozione di C, N, P Rimozione di microinquinanti Trattamenti avanzati

9 MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Metodi di trattamento I metodi di trattamento nei quali la rimozione dei contaminanti è condotta tramite meccanismi fisici, chimici o biologici vengono definiti come operazioni unitarie: Fisiche Chimiche Biologiche Le operazioni unitarie sono in genere associate in filiere di processo per dar luogo a vari livelli di trattamento quali: Preliminare Primario Primario avanzato Secondario Secondario avanzato (rimozione dei nutrienti) Terziario (riutilizzo; controllo dei microinquinanti)

10 Processi biologici di trattamento in relazione agli obiettivi:
MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Processi biologici di trattamento in relazione agli obiettivi: Linea acque: Processi per la rimozione biologica del solo carbonio e parziale nitrificazione Processi per la rimozione biologica di carbonio e azoto Processi per la rimozione biologica dei nutrienti (BNR) Processi per la rimozione biologica dei microinquinanti (organici e inorganici) Linea fanghi: Digestione aerobica Compostaggio Digestione anaerobica Approccio combinato (digestione anaerobica + compostaggio)

11 MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Processi di rimozione biologica del solo carbonio e parziale nitrificazione Processi di trattamento a biomassa sospesa: Processi a fanghi attivi Lagune aerate SBR (Sequencing Batch Reactor) Processi di digestione aerobica Processi di trattamento a biomassa adesa Filtri percolatori

12 Plug - flow convenzionale e CSTR

13 MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Oxidation ditch

14 Sequencing batch reactor e stabilizzatore per contatto

15 Processi ad ossigeno puro come mezzo di fornitura dell’ossigeno
MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Processi ad ossigeno puro come mezzo di fornitura dell’ossigeno

16 Processi per la rimozione biologica di nutrienti (CN; BNR)
MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Processi per la rimozione biologica di nutrienti (CN; BNR) La rimozione biologica dei nutrienti sfrutta l'azione combinata di numerose specie batteriche Esse, nello svolgimento delle proprie funzioni cellulari, utilizzano carbonio, azoto e fosforo o come fonte di energia e come substrati per la formazione di nuove unità cellulari, ottenendo il risultato di sottrarli dalle acque.

17 Rimozione combinata di carbonio e azoto
MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Rimozione combinata di carbonio e azoto Processi aerobici/anossici (post-denitrificazione) Processi anossici/aerobici (pre-denitrificazione) Processi a nitrificazione/denitrificazione simultanea

18 Processi con pre-denitrificazione: Ludzack-Ettinger modificato
MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Processi con pre-denitrificazione: Ludzack-Ettinger modificato

19 Processi con post-denitrificazione: Bardenpho a 4 stadi
MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Processi con post-denitrificazione: Bardenpho a 4 stadi

20 Rimozione combinata di azoto e fosforo
MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Rimozione combinata di azoto e fosforo I processi più noti sono: Phoredox 3 o A2O Processo Johannesburg Bardenpho 5 o Phoredox 5 UCT UCT modificato Cicli alternati in reattore unico

21 MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Processo Phoredox

22 Processo Johannesburg
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23 Processo Bardenpho 5 o Phoredox 5
MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Processo Bardenpho 5 o Phoredox 5

24 Processo UCT (University of Cape Town)
MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Processo UCT (University of Cape Town)

25 Processo UCT modificato
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26 Cicli alternati in reattore unico
MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Cicli alternati in reattore unico

27 Nuovi sviluppi Processi per l’abbattimento di microinquinanti:
MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Nuovi sviluppi Processi per l’abbattimento di microinquinanti: Organici Inorganici Retrofitting ed upgrading di impianti esistenti Tra le tecnologie emergenti che potranno essere applicate in impianti nuovi o nell’upgrading di impianti esistenti troviamo: Separatori a vortice Chiarificatori “high-rate” Bioreattori a membrana Radiazioni UV

28 Sviluppi futuri nel trattamento delle acque reflue
MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Sviluppi futuri nel trattamento delle acque reflue Negli Stati Uniti la capacità totale di trattamento è destinata ad aumentare del 15% nei prossimi anni Durante questo periodo saranno costruiti approssimativamente nuovi impianti Ci si attende una capacità di progetto per impianti con trattamenti superiori al secondario in crescita del 40%

29 MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” La depurazione delle acque reflue urbane in Italia (indagine ISTAT – 1999) Gli impianti di depurazione delle acque reflue urbane presenti complessivamente in Italia sono L’indagine ha rilevato informazioni su impianti (83%) Comuni italiani che dispongono di una rete fognaria delle acque reflue urbane: (99%): Il 48% depura completamente tutte le acque reflue convogliate Il 39% ne depura solo una parte Il 13% scarica le acque reflue non trattate in un corpo idrico In tutti i comuni con più di abitanti i reflui vengono trattati in modo completo o parziale

30 Gli impianti di depurazione osservati
MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Gli impianti di depurazione osservati Dei impianti: sono esistenti (95% in esercizio) 403 sono in corso di realizzazione Il maggior numero di impianti di depurazione in esercizio si trova nel Nord-ovest (4.329), mentre nel Meridione sono oltre il 10% quelli non in esercizio (234) e il 7% quelli in corso di realizzazione (152)

31 MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Impianti di depurazione delle acque reflue urbane in esercizio e abitanti equivalenti serviti (AE) effettivi per tipologia di trattamento (Istat, 1999) Tipologia di trattamento Impianti AE effettivi Numero % Primario 5.839 51 7 Secondario 4.855 42 58 Terziario 815 35 Totale 11.509 100

32 MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Contenuti del modulo

33 Processi unitari biologici:
MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Processi unitari biologici: Introduzione al metabolismo microbico Classificazione generale dei microrganismi Cinetica della crescita biologica Analisi del processo Processo a fanghi attivati Processi di rimozione del carbonio Rese di processo e stabilità Determinazione dei coefficienti cinetici Elementi di progettazione Configurazioni di processo

34 Processi biologici avanzati per la rimozione di azoto e fosforo
MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Processi biologici avanzati per la rimozione di azoto e fosforo Controllo e rimozione dell’azoto Rimozione del fosforo Rimozione combinata di azoto e fosforo Configurazioni di processo Elementi di dimensionamento e progettazione

35 Fornitura dell’ossigeno ed altre apparecchiature elettromeccaniche
MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Fornitura dell’ossigeno ed altre apparecchiature elettromeccaniche Analisi del trasferimento di ossigeno Sistemi di aerazione Tipologie di reattori biologici e criteri di scelta delle apparecchiature elettromeccaniche

36 Progettazione di sistemi di trattamento e smaltimento dei fanghi
MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Progettazione di sistemi di trattamento e smaltimento dei fanghi Caratteristiche qualitative e quantitative dei fanghi di depurazione Trattamenti preliminari Scelta dei sistemi di trasferimento e pompaggio Preispessimento

37 Stabilizzazione aerobica:
MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Stabilizzazione aerobica: dimensionamento dei reattori gestione del processo monitoraggio introduzione al processo di compostaggio Stabilizzazione anaerobica: Co-digestione:

38 Esercitazioni Dimensionamento di processi unitari biologici
MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Esercitazioni Dimensionamento di processi unitari biologici Progettazione di sistemi per il trattamento biologico delle acque reflue Progettazione di sistemi per il trattamento dei fanghi di supero