WORKSHOP - RISPARMIO & RECUPERO ENERGETICO NELLA ... · Analisi bio-molecolare biomassa...
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WORKSHOP - RISPARMIO & RECUPERO ENERGETICO NELLA DEPURAZIONE DELLE ACQUE DI SCARICO
29/30 – Novembre - 2012
Processi innovativi per la produzione di biogas a basse temperature
Marco De Sanctis
E-mail: [email protected]
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Processo di trattamento convenzionale (Fanghi attivi)
Vantaggi:
Processo piuttosto conosciuto e stabile (variazioni di temperatura, portata entrante, composizione dell’alimento)
Rimozione sostanza organica, azoto e fosforo
Svantaggi processo:
basse capacità di trattamento (1 kgCOD/m3d)
elevata produzione di fango (0,4-0,6 kg SS/kgCODrimosso)
elevata richiesta di superficie (0,35-0,8 m2/kgCODrimosso)
elevato consumo energetico (aerazione 0,6-0,8 kWh/m3)
Processo di trattamento convenzionale (Fanghi attivi)
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• Reazione biologica e sedimentazione in una solo vasca (poco spazio)
• Elevata capacità di trattamento (carico organico e volumetrico)
• Bassa produzione di fanghi di supero
• Produzione di biogas
•Assenza di aerazione
Vantaggi:
• Maggior complessità costruttiva nella realizzazione di un reattore anaerobico rispetto ad uno aerobico
• Fase di start-up lunga
• Necessità affinare l’effluente (possibile processo aerobico)
• Elevata sensibilità nei confronti di composti tossici o inibenti
• Necessità di termostatare il reattore biologico (>30ºC; elevata richiesta energetica)
• ‘’Forza’’ del refluo da trattare
Svantaggi:
Processi anaerobici
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Processi anaerobici a basse temperature
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Tipologia
impianto
Influente Conc. Infl.
(gCOD/L)
OLR
(KgCOD/m3 d)
Temperatura
(°C)
HRT
(h)
Efficienza
(%)
AAFEB Glucosio 0,2-0,6 4-16 10 1-6 40-80
ASF Peptone 0,2 0,64 5-10 7,5 27-35
UASB Vinaccia di zucchero 0,2-0,4 0,7-6,5 8 1,5-14 32-65
EGSB VFA 2,6 2,0 12 32 50
UASB Brodo di carne 1,4-7,0 2-10 10 16 49-80
EGSB VFA 0,5-0,8 10-12 10-12 1,6-2,5 90
ASBR Latte in polvere 0,6 0,6-2,4 5-10 6 65-85
EGSB+EGSB Malto 0,2-1,8 3-12 10-15 3,5 67-78
EGSB+EGSB VFA 0,5-0,9 5-12 4-8 2-4 90
USAB Vinaccia 1,2-5,2 0,3-7,3 4-11 12-38 15-92
UASB+UASB Vinaccia 1,1-5,4 0,8-5,5 4-10 19-31 16-80
AMBR Latte in polvere 0,6 1,2-3,5 15-20 4-12 59-81
UASB Refluo sintetico 5,0-8,0 0,9-7,2 15 168 88-92
UASB Refluo sintetico 0,8-1,0 0,9-1,0 15 24 77-89
UASB Refluo urbano dopo
sedimentazione primaria
0,2-1,3 0,2-31,8 10-28 1-24 38-82
UASB+biofiltro 0,2-1,3 0,2-31,8 10-28 1-24 38-82
EGSB+membrana Refluo sintetico 0,4-0,8 1,6-4,5 11-25 3,5-5,7 76-90
AAFEB: Anaerobic Attached Film Expanded Bed reactor; ASF: Anaerobic Submerged Filter tank; UASB: Upflow Anaerobic Sludge Banket reactor; EGSB: Expanded Granular Sludge Bed reactor; AMBR: Anaerobic Migrating Blanket Reactor
Processi anaerobici a basse temperature
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Svantaggi: - Start-up lungo
- HRT elevato per ottenere migliore qualità dell’effluente
- Necessità affinare l’effluente (COD e Solidi Sospesi)
Vantaggi: - Il metano prodotto non viene utilizzato per termostatare l’impianto
- Funzionamento con reflui meno concentrati
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Sistema SBBGR (Sequencing Batch Biofilter Granular Reactor)
(Ideato presso IRSA)
Influente
Effluente
Ciclo SBBGR
Pressostato
Corrente di ricircolo
Aria
Periodicamente, raggiunto un prestabilito valore di
perdita di carico nel letto impaccato si effettua una
fase di lavaggio del biofiltro con aria compressa
Aria lavaggio
Fango
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Sistema SBBGR (Sequencing Batch Biofilter Granular Reactor)
(Ideato presso IRSA)
2 mm
Elevate concentrazioni di biomassa nel letto dell’impianto
Elevata capacità di trattamento e stabilità (carico organico e volumetrico)
Bassa produzione di fanghi di supero
Non necessita ne di sedimentatore ne di fase di sedimentazione
Elevata qualità dell’effluente (COD, azoto, solidi sospesi)
Possibile integrazione con processi chimico-fisici (utilizzo di ozono, UV+H2O2) per la rimozione di composti recalcitranti
Capacità ridotto effetto inibente sulla biomassa da parte di composti chimici tossici o inibenti
Svantaggi: Tempi start-up
Richiesta energetica per aerazione
Richiesta energetica per corrente di ricircolo
Ottimizzazione portata di ricircolo
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Proprietà dei sistemi SBBGR Vantaggi:
(2) (3)
granuli
(4)
carrier biofilm
(1)
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Realizzazione di un impianto SBBGR a bassa portata di ricircolo
Parametro SBBGR SBBGR a bassa
portata di ricircolo
OLR (gCOD/L d) ≤ 4 0,4
Velocità di risalita (m/h) 3,0-3,5 0,6-0,7
TSS effluente: 12 mgTSS/L Range: 0,5-30 mg/L
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Prestazioni dell’impianto a bassa portata di ricircolo
Influente
(mg · L-1)
Effluente
(mg · L-1)
Efficienza
(%)
Parametro Media Range Media Range Media Range
COD 426 392 – 460 14 10 – 57 97 87 – 98
NH4+ 19,6 18,0 – 21,2 14,9 2,8 – 22,0 24 0 – 86
NOx 3,6 1,3 – 5,9 0,8 0,6 – 4,0 78 0 – 83
SO4-- 96 85 – 108 36 10 – 66 62 58 – 67
Produzione di fango: ≤0.15 gVSS/gCODrimosso
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Bilancio COD
Parametro Quantità (gCOD)
Parametro Quantità (gCOD)
COD rimosso
2448
O2 fornito/consumato 1181 Biomassa prodotta 451 SO4
-- ridotti 166 NOx ridotti 19
COD giustificato 1817
COD rimosso / COD giustificato (%) 74
Possibile presenza di altri metabolismi anaerobici?
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Analisi bio-molecolare biomassa
(Fluorescence In Situ Hybridization – FISH)
Archaea metanigeni Methanosaeta spp.
3-4% biomassa totale (~10 gVSS)
Batteri solfato-riduttori
7% biomassa totale
2 mm
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Metano (ml/ciclo) Equivalenti di COD
(mg)
CODinf (mg) Temperatura
(°C) Media Range Media Range
1790 20-22 127 110-156 363 315-445
8950 20-22 292 290-294 834 827-839
0 20-22 72 63-83 207 181-237
1790 27-28 295 268-322 843 766-920
Produzione di metano
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Tipologia impianto Temperatura (°C)
COD fornito (gCOD/giorno)
Metano prodotto (L/giorno)
Resa produzione metano
(Lmetano/gCOD)
Riferimento bibl.
AMBR 15-20 70 8 0,11 Angenent et al. 2001
UASB 15
5,65 1,69 0,30 Akila, Chandra 2007
UASB 15
45,2 11,3 0,25 Akila, Chandra 2007
UASB e UASB+biofiltro
14-20
26,5 1,19 0,04 Lew et al. 2004
EGSB+membrana 11-25 7,52-21,15 0,89-1,85 0,12-0,09 Chu et al. 2004
SBBGR 20-22 7,2 0,51 0,07 Questo studio
SBBGR 27-28 7,2 1,18 0,16 Questo studio
Resa massima di conversione COD in metano: 0,35 Lmetano/gCOD
Produzione di metano
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Bilancio COD
Parametro Quantità (gCOD)
Parametro Quantità (gCOD)
COD rimosso
2448
O2 fornito/consumato 1181 Biomassa prodotta 451 SO4
-- ridotti 166 NOx ridotti 19
COD giustificato 1817
Metano prodotto 555
COD rimosso / COD giustificato (%) 97
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Nuova sperimentazione in atto
Start-up: reattore SBBGR aerobico con bassa portata di aerazione (ossigeno insufficiente a rimuovere tutto il COD fornito) che opera a temperatura ambiente Funzionamento a regime: ulteriore riduzione dell’ossigeno fornito
Aerazione costante a bassa portata
Aerazione solo nella fase finale del ciclo
Processo anaerobico a bassa temperatura con elevata efficienza di conversione COD/metano + Processo aerobico per il finissaggio dell’effluente nello stesso reattore
Scopo
R
pH
T2
Effluente
P2 C2
TP
MP
C1 P1
Refluo
P3 Base
T3
Level switch PLC
EV2
DO + T
T1
EV1
Aria + biogas
Effluente depurato
Influente
Corrente ricircolo
Soluzione tampone
Aria
Collegamento elettrico
18 TP: sensore pressione; MP: lettore pressione; T1-2-3: uscite temporizzatore; EV1: elettrovalvola per scarico effluente; P1: pompa per alimentazione; P2: pompa ricircolo; C2: compressore per aerazione; C1: compressore spurgo fango; EV2: elettrovalvola per scarico biogas
Sperimentazione in atto
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Riferimenti bibliografici Angenent, L.T., Banik, C.G. and Sung, S. (2001) Anaerobic Migrating Blanket Reactor treatment of low-strength wastewater at low temperatures. Water
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conditions. J. Fermen. Bioengin. 80, 15–22
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temperature. Appl. Environ. Microbiol. 65, 1696–1702
De Man, A.W.A. et al. (1988) The use of EGSB and UASB anaerobic systems for low strength soluble and complex wastewaters at temperatures ranging
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22, 143–149
Banik, G.C. and Dague, R.R. (1996) ASBR treatment of dilute wastewater at psychrophilic temperatures. In Proceedings of the 69th Annual Water
Environment Conference, pp. 235–246
Rebac, S. et al. (1998) Psychrophilic (6–15°C) high-rate anaerobic treatment of malting waste water in a two module EGSB system. Biotechnol. Prog. 14,
856–864
Kalyuzhnyi, S.V., Gladchenko M.A., Sklyar V., Kizimenko Y.S. (2001) One- and two-stage upflow anaerobic sludge-bed reactor pretreatment of winery
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Lettinga, G.,Rebac, S. and Zeeman, G. (2001) Challenge of psychrophilic anaerobic wastewater treatment TRENDS in Biotechnology, Vol.19, No.9
Lew, B., Tarre, S., Belavski, M. and Green, M. (2004) UASB reactor for domestic wastewater treatment at low temperatures: a comparison between a
classical UASB and hybrid UASB-filter reactor. Water Science and Technology, vol. 49, n. 11-12, pp. 295-301
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Grazie a tutti per l’attenzione