WORKSHOPWORKSHOP:: “Il“Il trattamentotrattamento naturalenaturale delledelle acqueacque refluereflue enologicheenologiche ee didi insediamentiinsediamenti

agroagro--industrialiindustriali ””

Il trattamento ed il riuso delle acque reflue agroIl trattamento ed il riuso delle acque reflue agro--

Progetto VIENERGYProgetto co-finanziato dall’Unione Europea

Fondo Europeo di Sviluppo RegionaleUNIONE EUROPEA

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Noto (SR), 20 giugno 2014Noto (SR), 20 giugno 2014

Azienda Agricola Marabino Azienda Agricola Marabino -- C.da Bimmisca AgliastroC.da Bimmisca Agliastro

Il trattamento ed il riuso delle acque reflue agroIl trattamento ed il riuso delle acque reflue agro--

industriali e di insediamenti produttivi industriali e di insediamenti produttivi Prof. Antonio Lopez Prof. Antonio Lopez –– IRSA CNR BariIRSA CNR Bari

Con il patrocinio di:Con il patrocinio di:

Regione Siciliana

Assessorato Regionale dell’Agricoltura, dello

Sviluppo Rurale e della Pesca Mediterranea

Dipartimento Regionale dell’Agricoltura

Consiglio della Federazione Regionale degli Ordini

dei Dottori Agronomi e Forestali della Sicilia

Ministero della Giustizia

Ordine dei Tecnologi Alimentari di Sicilia e Sardegna

Ordine degli Ingegneri della Provincia di Catania

Ordine dei Chimici della provincia di Ragusa

Ordine dei Chimici della provincia di Siracusa

AIAT Sicilia

Associazione Ingegneri per l’Ambiente e il Territorio

della Regione Sicilia

AIAPP Sezione Sicilia

Associazione Italiana di Architettura del Paesaggio

PREMESSA

Per controllare l’inquinamento idrico , le principali opzioniimplementabili sono:

•Contenere l’impiego di prodotti inquinanti e/o sostituirl i con sostanzemeno dannose

•Modificare i processi produttivi implementando procedure dirisparmio idrico e riciclo di acqua e materie primerisparmio idrico e riciclo di acqua e materie prime

•Rinunciare all’acqua come veicolo di smaltimento di rifiut i vari

•Depurare le acque reflue, ossia rimuovere gli inquinanti da i reflui

Ad oggi, la rimozione degli inquinanti dai reflui civili e/o industrialimediante trattamenti di depurazione “end of pipe” si confermacome l’opzione tecnologica prevalente.

Pricipali inquinanti → (effetti):

INQUINANTI DI ORIGINE NATURALE :

Sostanze biodegradabili →(riduzione O2 nei corpi idrici recettori)

Nutrienti (N,P,K) → (eutrofizzazione)

Microrganismi patogeni → (malattie infettive)

INQUINANTI CHIMICI: inorganici (es. Metalli), organici (PPCPs,INQUINANTI CHIMICI: inorganici (es. Metalli), organici (PPCPs,POPs, ED) → (tossicità)

INQUINANTI FISICI: (es. Temperatura) → (variazione termiche negliecosistemi interessati)

Depurazione & Problemi:

- elevati consumi energetici - notevole produzione di

fanghi - dimensioni impianti elevate- dimensioni impianti elevate- produzione ed emissione di

odori sgradevoli- presenza di “nuovi”

inquinanti bioresistenti

L’urlo - Eduard Munch (1983)

Oggigiorno, il rapido aumento del prezzo delle materie prime insieme allacrescente preoccupazione per lo sfruttamento intensivo delle risorsenaturali sta modificando il nostro concetto di rifiuto tant’è che nell’ambitodi qualsiasi attività industriale o di servizio ci si chiede se:

DEPURAZIONE:

IL NUOVO PARADIGMA

“I RIFIUTI SIANO VERAMENTE RIFIUTI ”

Ciò comporta un cambiamento del concetto di depurazione che staprogressivamente modificandosi

da “Rimozione di inquinanti” a “Recupero di risorse ed energia”

In altre parole, i reflui non vengono più considerati come un rifiuto da smaltire macome fonte di materie prime, energia e risorse e ciò ovviamente contribuiscealla adozione di politiche ambientali più vicine al concetto di SOSTENIBILITA’ .

La Primavera (Allegory of Spring) - Alessandro Filipepi detto il Botticelli (1482)

ECONOMIA SOSTENIBLE BIORAFFINERIE

Water4Crops – 1st Joint Meeting Bari-Italy, 3-5 December 2013

Water4Crops

Integrating Bio-treated Wastewater Reuse and Valorization with Enhanced Water Use Efficiency to Support the Green Economy in EU and India

Antonio Lopez (IRSA-CNR Italy) & Suhas Wani (ICRISAT- India)

AimBetter management of water, land and crops to devel op

viable and sustainable Green Economy

Water4Crops-EUEU-FP7

Coord. Dr. Antonio Lopez

Water4Crops-IndiaINDIA-DBT

Coord. Dr. Suhas P. WaniEC contribution:

≈ 6 Mio €

DBT contribution:

≈ 3 Mio €

Starting date: 1ts August 2012 – Duration: 4 years

DECOUPLING: A key concept of GREEN ECONOMY Decoupling Natural Resources Use and Environmental Impacts from Economic Growth (UNEP 2011)

THE GREEN ECONOMY results in improved humanwell-being and social equity, while significantly reducingenvironmental risks and ecological scarcities.

Water4Crops – 1st Joint Meeting Bari-Italy, 3-5 December 2013

Principle Water4Crops

Concept

Reflui da

depurare

FORSU

Biogas (CH4, CO2, ecc.)

Processo di digestione anaerobica

NH3, H2, CO2

AlcoliIdrolisi

Biomassa

FORSU

Residui agricoli

Letame

Digestione Anaerobica

Digestato

Alcoli

VFA

Chetoni

Idrolisi

&

Acidogenesi

Metanogenesi

NH3, H2, CO2

Biofuel gassosiIdrogeno, Biohythane (CH4 + H2)

BioplastichePHA

Bio-Fine-Chemicals

L’inibizione dei metanigeni, e quindi l’isolamento dei prodotti intermedi della

digestione anaerobica porta alla possibile applicazione di una serie di processi

alternativi utili alla produzione di biofuels o prodotti chimici ad elevato valore.

NH3, H2, CO2

Alcoli

VFA

Chetoni

Bio-Solventi

Biofuel liquidiAlcoliBio-Farmaceuticals

Rilevanza : La produzione di plastiche è oggi prevalentementeeffettuata da prodotti petroliferi. Il recupero ed il riciclaggio dellaplastica interessa però al momento solo una frazione minore diquella prodotta, circa il 20%; per tale motivo da tempo si staproponendo l’impiego di plastiche biodegradabili , prodotte consubstrati organici, non derivati dal petrolio.Le plastiche biodegradabili sono prodotte mediante sofisticatifermentatori con colture pure di batteri a partire da substraticarboniosi pregiati . Questi batteri, (di origine naturale oingegnerizzato biomolecolarmente) in particolari condizioni (Feastand Famine process) , accumulano all’interno delle cellule elevatequantità di PHA, fino al 90% della biomassa.

I

III

Produzione di poli-idrossialcanoati (PHAs) tramite f anghi attivida prodotti di risulta per la produzione di plastiche biodegradabili

quantità di PHA, fino al 90% della biomassa.Attualmente il costo delle bioplastiche è circa quattro voltesuperiore a quelle derivate dal petrolio .

Tale costo può decisamente abbattersi, effettuando la produzionecon biomasse miste, quali i fanghi attivi , ed utilizzando comesubstrati carboniosi prodotti di risulta, quali scarichiconcentrati e/o correnti carboniose ad elevata concentrazioneprodotte per fermentazione di fanghi biologici primari osecondari . I costi si presentano decisamente più contenuti e per ladisponibilità delle materie di base e per la possibilità di non doveroperare in condizioni di stretta sterilità.

5 µm II

Inclusioni di PHA all’interno di batteri evidenziare con colorazione e microscopia in epifluorescenza)

Scarti

industriali PHA

PHA da scarti di birrifici

VFAsindustriali

birrificiPHA

Processo oggetto di studio in WATER4CROPS

VFAs

Un altro esempio di possibile valorizzazione di refluo agro-industriale

riguarda le Acque di Vegetazione provenienti dall’industria olearia

IdrossitirosoloAntiossidante

OlioAcque di

Vegetazione

PHABio-Plastiche

Acque di

scarto

Olive oil mill wastewater (OMW)

Extraction/

Separation

Olive Oil

Pomace (solid)

OMW (liquid)Olives

OMW environmental concerns

� High amount (about 30 million m3 year-1 in the Mediterranean area, 3.5 in Italy)� Very high organic content (50 – 200 g COD L-1);

Olive tree

� Very high organic content (50 – 200 g COD L );� High content of lipidic and phenolic compounds (up to 10 g L-1), responsible forOMW phytotoxicity and antibacterial potential�either aerobic or anaerobic treatment requires OMW dilution and/or tooperate at low organic load� spreading out on soil is allowed in Italy, with severe limitations

• Recovery of polyphenols (natural antioxidants, wide applicationfor food industry, cosmetics, human health)• COD exploitation towards PHA production• Biogas from any process side streams, for energy recovery• Water for agricultural reuse

Potential for OMW refining

Is the process feasible at an industrial scale?

OMW production and disposal

- Largest production in Italy is from Apulia (South Italy) � 1.3 Mton per year are

produced from about 1200 mills (average density of 1 mill per 17.6 km2)

- on average 1 m3 OMW corresponds to 100 kg of COD (i.e about 3 million of

additional inhabitant equivalents in Apulia)

- mostly treated by spreading out on ground or in municipal WW treatment plants

PHA production

�Pure culture industrial process: a medium size plant is presently producing

about 2000 ton per yearabout 2000 ton per year

�Mixed culture process: assuming a PHA/substrate yield of 10 (%, gPHA/gCOD),

20,000 ton per year of influent COD are required.

• The production of 2000 ton PHA per year would require 20,0000 ton OMW per

year (15% of total Apulia production) ; i.e 2000 ton OMW d-1 (based on an yearly

campaign for olive processing of 100 d)

• With regards to Apulia, this would correspond to the treatment of OMW

produced by 184 mills (distributed over a radius of about 32 Km)

• In principle, any fermentable organic waste in that area could be added to

increase plant size and decrease seasonality

In generale: Un approccio più fine al

trattamento di reflui liquidi di varia natura

prevede una preliminare separazione delle sue

principali componenti

• Frazione lipidica

• Frazione fibrosa (carboidrati e proteine)

Frazione lipidica

• La componente lipidica dei reflui presenta un

potenziale energetico ben più importante

rispetto alle altre frazioni

• La sua successiva trasformazione porta alla

produzione di biodiesel utilizzabile come

carburante per autotrazione

DP Lubrificanti Srl (Latina)waste coocking oils

• 160.000 t/anno: potenzialità dello stabilimento

• 30.000 t/anno: quantità di olio effettivamente trasformato (in

parte proveniente anche dall’estero)

http://www.dplubrificanti.com/azienda.asp

Sistema di RaccoltaTrap grease

Vasca Aerazione

Dissabbiatura/

Disoleatura

Disoleato

CER 190809

CER 190810*

50-55 wt%

Impianto di depurazione acque reflue come fonte di biodiesel: potenzialità

Sed. I° Sed. II°Vasca Aerazione

Fango Primario Fango Secondario

Fango Digerito Misto

Centrifugato

18-20 wt% 2-4 wt%

3-5 wt%

Sed. I° Sed. II°

Esempi Produttivi (USA)prelievo di disoleato da WWTP

BioFuelBox

BlackGold

Biofuel

Il processo è tale da essere conveniente anche quando

trattasi di impianti di piccola scala (impianti pilota

trasportabili).

Impianto pilota da 5 t/anno Impianto dimostrativo presso uno dei

MWWTPs di San Francisco

• Una frazione importante dei reflui agro-

industriali è sempre costituita da carboidrati

più o meno complessi (20-30%).

Frazione Fibrosa (carboidrati e proteine)

• La sua valorizzazione può avvenire attraverso

una serie di processi fermentativi di zuccheri

semplici SELEZIONATI e di elevato VALORE, a

dare differenti prodotti con differenti

applicazioni

Acido Lattico

(Cosmesi, bio-plastiche

degradabili, bevande)

275 000 ton/anno

Acido Citrico

(Additivo alimenti e

bevande)

1.400.000 ton/anno

Zuccheri

Semplici

Acido Succinico

(Biopolimeri)

50000 t/anno

275 000 ton/anno

CH3CH2OHEtanolo

(biocombustibile, bevande)

Semplici

PHA

(Biopolimeri)

50000 t/anno

Questione Etica

• L’uso di materia prima utilizzabile come food-

materials per la produzione di plastiche e

biofuels è stato ben presto considerato

inaccettabile, indirizzando verso l’uso di fontiinaccettabile, indirizzando verso l’uso di fonti

alternative(Biomasse RESIDUALI agricole ed

alimentari).

Uso della

biomassa

ad elevato

contenuto

ligno-

cellulosico

1200-2400

6000Chemicals

Euro/ha

Dalla biomassa alla produzione di chemicals , fuels ed energia elettrica

600-800

Energia termica

o elettrica

1200-2400

Combustibili

liquidi

Gruppo Mossi Ghisolfi (1)Crescentino (VC)

Il primo impianto al mondo per la produzione di bioetanolo da biomasse non

alimentari, di proprietà di Beta Renewables, joint venture tra Biochemtex, società di

ingegneria del gruppo Mossi Ghisolfi, il fondo americano TPG (Texas Pacific Group) e il

leader mondiale della bio-innovazione, la danese Novozymes. Residui di lavorazione

delle risaie sono raccolte, trattate e fatte fermentare per ottenere biodiesel di II

generazione.

Gruppo Mossi Ghisolfi (2)Modugno (BA)

Biochemtex ha già sviluppato una nuova tecnologia (MOGHI) per la conversione della

lignina in bio-nafta e in composti aromatici, largamente utilizzati in numerosi settori

industriali. Ben presto un impianto dimostrativo sarà realizzato a Modugno (Bari).

Altri Processi (Chimici) Innovativi

Reflui Agro-industriali vari

H+, O2

cat

Bio-Diesel

YXYSostituto Naturale e

biodegradabile del PET,

largamente adottato da

P&G, Coca Cola e Heinz nel

loro packaging

Acido LevulinicoCosmesi, Biofuel, nuovi materiali

cat

CONCLUSIONE

la valorizzazione delle biomasse è forse l’opzione più importante per implementare

una economia SOSTENIBILE

Rubin Nature 454, 841-845 (2008) doi:10.1038/nature07190

GRAZIE

PER PER

L’ATTENZIONE