Introduzione al modulo: Processi unitari biologici Prof. Franco Cecchi Dipartimento Scientifico e...

Introduzione al modulo:Introduzione al modulo:

Processi unitari biologiciProcessi unitari biologici

Prof. Franco CecchiProf. Franco CecchiDipartimento Scientifico e Tecnologico - Università degli Studi di Dipartimento Scientifico e Tecnologico - Università degli Studi di

VeronaVerona

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

SommarioSommario I parte:I parte:

Evoluzione degli obiettivi dei trattamenti biologici di acque Evoluzione degli obiettivi dei trattamenti biologici di acque reflue e fanghireflue e fanghi

II parte:II parte:

Brevi cenni sui metodi di trattamento biologico di acque reflue Brevi cenni sui metodi di trattamento biologico di acque reflue e fanghie fanghi

III parte:III parte:

Situazione attuale dell’applicazione dei trattamenti biologiciSituazione attuale dell’applicazione dei trattamenti biologici

IV parte:IV parte:

Contenuti del corsoContenuti del corso


Evoluzione degli obiettivi del Evoluzione degli obiettivi del trattamento delle acque trattamento delle acque

refluereflue


Dal 1900 ai primi anni ’50 gli obiettivi del trattamento delle Dal 1900 ai primi anni ’50 gli obiettivi del trattamento delle acque reflue erano primariamente rivolti alla soluzione di acque reflue erano primariamente rivolti alla soluzione di problemi estetici ed igienici:problemi estetici ed igienici:

Rimozione dei materiali sospesi e flottanti;Rimozione dei materiali sospesi e flottanti; Eliminazione degli organismi patogeniEliminazione degli organismi patogeni

Dal 1950 agli anni ’60 gli obiettivi vengono implementati con Dal 1950 agli anni ’60 gli obiettivi vengono implementati con una maggior attenzione all’ambiente, talvolta prevedendo la una maggior attenzione all’ambiente, talvolta prevedendo la rimozione delle sostanze biodegradabilirimozione delle sostanze biodegradabili

SI SEPARAVANO DUE FLUSSI, UNO LIQUIDO ED UNO SOLIDO SI SEPARAVANO DUE FLUSSI, UNO LIQUIDO ED UNO SOLIDO

Il trattamento dei fanghi di supero veniva effettuato Il trattamento dei fanghi di supero veniva effettuato principalmente tramite aerazione prolungata e in letti di principalmente tramite aerazione prolungata e in letti di essiccamentoessiccamento

1900 - 19701900 - 1970


1970 - 19801970 - 1980 Dai primi anni ’70 gli obiettivi precedentemente perseguiti continuano ad Dai primi anni ’70 gli obiettivi precedentemente perseguiti continuano ad

essere validi ma ad un livello superiore, ponendo l’attenzione ai:essere validi ma ad un livello superiore, ponendo l’attenzione ai:

Materiali colloidaliMateriali colloidali Domanda biologica di ossigeno (BOD)Domanda biologica di ossigeno (BOD) Solidi sospesi totali (TSS)Solidi sospesi totali (TSS) Organismi patogeniOrganismi patogeni

Ad essi si aggiungono, per quanto riguarda le acque interne, anche i Ad essi si aggiungono, per quanto riguarda le acque interne, anche i nutrienti:nutrienti:

AzotoAzoto FosforoFosforo

I fanghi di supero venivano sottoposti a stabilizzazione aerobica o I fanghi di supero venivano sottoposti a stabilizzazione aerobica o anaerobica in relazione alla taglia degli impianti, e quindi a disidratazione anaerobica in relazione alla taglia degli impianti, e quindi a disidratazione meccanica e smaltimento tramite:meccanica e smaltimento tramite:

CompostaggioCompostaggio Uso in agricolturaUso in agricoltura Discarica (a seconda del contenuto di inquinanti)Discarica (a seconda del contenuto di inquinanti)


Dal 1980 in poiDal 1980 in poi

Gli obiettivi di miglioramento della qualità delle acque sono andati Gli obiettivi di miglioramento della qualità delle acque sono andati sviluppandosi progressivamentesviluppandosi progressivamente

L’enfasi si sposta verso l’identificazione e la rimozione di costituenti L’enfasi si sposta verso l’identificazione e la rimozione di costituenti che possono avere effetti a lungo termine sulla salute umana e che possono avere effetti a lungo termine sulla salute umana e sull’ambientesull’ambiente

Di conseguenza, mentre i primi obiettivi del trattamento delle acque Di conseguenza, mentre i primi obiettivi del trattamento delle acque rimangono validi, aumenta significativamente il grado richiesto di rimangono validi, aumenta significativamente il grado richiesto di trattamento implicando l’aggiunta di elevati obiettivi di qualitàtrattamento implicando l’aggiunta di elevati obiettivi di qualità

Attualmente la tendenza per il trattamento dei fanghi di supero vede Attualmente la tendenza per il trattamento dei fanghi di supero vede nella co-digestione una valida soluzionenella co-digestione una valida soluzione


Schematizzando il processo di evoluzione Schematizzando il processo di evoluzione degli obiettivi di qualità:degli obiettivi di qualità:

•Rimozione materiali sospesi e flottanti•Eliminazione organismi patogeni

•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

1900

oggi

•Rimozione materiali sospesi e flottanti•Eliminazione organismi patogeni•Trattamento sostanze organiche biodegradabili

Evoluzione degli obiettivi dei trattamenti Evoluzione degli obiettivi dei trattamenti biologici delle acque refluebiologici delle acque reflue

Rimozione di C

Rimozione di C, N

Rimozione di C, N, P

Rimozione di microinquinanti

Trattamenti convenzionali

Trattamenti avanzati

Metodi di trattamentoMetodi di trattamento I metodi di trattamento nei quali la rimozione dei contaminanti è I metodi di trattamento nei quali la rimozione dei contaminanti è

condotta tramite meccanismi fisici, chimici o biologici vengono condotta tramite meccanismi fisici, chimici o biologici vengono definiti come operazioni unitarie:definiti come operazioni unitarie:

FisicheFisiche ChimicheChimiche Biologiche Biologiche

Le operazioni unitarie sono in genere associate in filiere di Le operazioni unitarie sono in genere associate in filiere di processo per dar luogo a vari livelli di trattamento quali:processo per dar luogo a vari livelli di trattamento quali:

PreliminarePreliminare PrimarioPrimario Primario avanzatoPrimario avanzato Secondario Secondario Secondario avanzato (rimozione dei nutrienti)Secondario avanzato (rimozione dei nutrienti) Terziario (riutilizzo; controllo dei microinquinanti)Terziario (riutilizzo; controllo dei microinquinanti)


Processi biologici di trattamento in Processi biologici di trattamento in relazione agli obiettivi:relazione agli obiettivi:

Linea acque:Linea acque:

Processi per la rimozione biologica del solo carbonio e parziale Processi per la rimozione biologica del solo carbonio e parziale nitrificazione nitrificazione

Processi per la rimozione biologica di carbonio e azotoProcessi per la rimozione biologica di carbonio e azoto Processi per la rimozione biologica dei nutrienti (BNR)Processi per la rimozione biologica dei nutrienti (BNR) Processi per la rimozione biologica dei microinquinanti (organici e Processi per la rimozione biologica dei microinquinanti (organici e

inorganici)inorganici)

Linea fanghi:Linea fanghi:

Digestione aerobicaDigestione aerobica CompostaggioCompostaggio Digestione anaerobicaDigestione anaerobica Approccio combinato (digestione anaerobica + compostaggio)Approccio combinato (digestione anaerobica + compostaggio)


Processi di rimozione biologica del solo Processi di rimozione biologica del solo carbonio e parziale nitrificazionecarbonio e parziale nitrificazione

Processi di trattamento a biomassa sospesa:Processi di trattamento a biomassa sospesa:

Processi a fanghi attiviProcessi a fanghi attivi Lagune aerateLagune aerate SBR (Sequencing Batch Reactor)SBR (Sequencing Batch Reactor) Processi di digestione aerobicaProcessi di digestione aerobica

Processi di trattamento a biomassa adesaProcessi di trattamento a biomassa adesa

Filtri percolatoriFiltri percolatori


Plug - flow convenzionale e CSTRPlug - flow convenzionale e CSTR

Sed. IISed. I

Influente

Fango Fango di supero

Vasca di aerazione

Fango di ricircolo

Effluente

Fango di superoFango di ricircolo

Sed. II

Sed. II

Vasca di aerazione

Influente

Aeratore meccanico

Oxidation ditchOxidation ditch

Influente Effluente

Rotore di aerazione

Fango di supero


Sequencing batch reactor e Sequencing batch reactor e stabilizzatore per contattostabilizzatore per contatto

Influente

TEMPO

Riempimento Reazione Sedimentazione Scarico

Effluente

Attesa

Fango di ricircolo

effluente

Vasca di aerazione del fango

Sedimentatore II

Fango di supero

Sedimentatore I

Vasca di contatto

Processi ad ossigeno puro come Processi ad ossigeno puro come mezzo di fornitura dell’ossigeno mezzo di fornitura dell’ossigeno


Processi per la rimozione biologica di Processi per la rimozione biologica di nutrienti (CN; BNR)nutrienti (CN; BNR)

La rimozione biologica dei nutrienti sfrutta La rimozione biologica dei nutrienti sfrutta l'azione combinata di numerose specie l'azione combinata di numerose specie batterichebatteriche

Esse, nello svolgimento delle proprie Esse, nello svolgimento delle proprie funzioni cellulari, utilizzano carbonio, azoto funzioni cellulari, utilizzano carbonio, azoto e fosforo o come fonte di energia e come e fosforo o come fonte di energia e come substrati per la formazione di nuove unità substrati per la formazione di nuove unità cellulari, ottenendo il risultato di sottrarli cellulari, ottenendo il risultato di sottrarli dalle acque.dalle acque.


Rimozione combinata di carbonio e Rimozione combinata di carbonio e azotoazoto

Processi aerobici/anossici (post-Processi aerobici/anossici (post-denitrificazione)denitrificazione)

Processi anossici/aerobici (pre-Processi anossici/aerobici (pre-denitrificazione)denitrificazione)

Processi a nitrificazione/denitrificazione Processi a nitrificazione/denitrificazione simultaneasimultanea


Processi con pre-denitrificazione: Ludzack-Processi con pre-denitrificazione: Ludzack-Ettinger modificatoEttinger modificato


Processi con post-denitrificazione: Processi con post-denitrificazione: Bardenpho a 4 stadiBardenpho a 4 stadi


Rimozione combinata di azoto e fosforoRimozione combinata di azoto e fosforo

I processi più noti sono:I processi più noti sono:

Phoredox 3 o A2O Phoredox 3 o A2O Processo JohannesburgProcesso Johannesburg Bardenpho 5 o Phoredox 5Bardenpho 5 o Phoredox 5 UCT UCT UCT modificatoUCT modificato Cicli alternati in reattore unicoCicli alternati in reattore unico


Processo PhoredoxProcesso Phoredox

ANAERInfluente

Effluente

Sed. II

Fango di spurgoFango di ricircolo

ANOX AER

Ricircolo interno


Processo JohannesburgProcesso Johannesburg

ANAERInfluente

Effluente

Sed. II

Fango di ricircolo

ANOX AER

Ricircolo interno

ANOXFango di spurgo


Processo Bardenpho 5 o Phoredox 5Processo Bardenpho 5 o Phoredox 5

ANAERInfluente

Effluente

Sed. II

Fango di spurgoFango di ricircolo

ANOX AER AERANOX

Ricircolo interno


Processo UCT (University of Cape Town)Processo UCT (University of Cape Town)

ANAERInfluente

Effluente

Sed. II

Fango di ricircolo

ANOX AER

Ricircolo interno

Fango di spurgo

Ricircolo interno


Processo UCT modificatoProcesso UCT modificato

ANAERInfluente

Effluente

Sed. II

Fango di ricircolo

ANOX AER

Ricircolo interno

Fango di spurgo

Ricircolo interno

ANOX


Cicli alternati in reattore unicoCicli alternati in reattore unico

Anox./Aer.

Qr qw

PROCESSO A CICLI ALTERNATI:

Qin Qout


Nuovi sviluppiNuovi sviluppi Processi per l’abbattimento di microinquinanti:Processi per l’abbattimento di microinquinanti:

OrganiciOrganici InorganiciInorganici

Retrofitting ed upgrading di impianti esistentiRetrofitting ed upgrading di impianti esistenti

Tra le tecnologie emergenti che potranno essere Tra le tecnologie emergenti che potranno essere applicate in impianti nuovi o nell’upgrading di applicate in impianti nuovi o nell’upgrading di impianti esistenti troviamo:impianti esistenti troviamo:

Separatori a vorticeSeparatori a vortice Chiarificatori “high-rate”Chiarificatori “high-rate” Bioreattori a membranaBioreattori a membrana Radiazioni UVRadiazioni UV


Sviluppi futuri nel trattamento delle acque Sviluppi futuri nel trattamento delle acque refluereflue

Negli Stati Uniti la capacità totale di trattamento è Negli Stati Uniti la capacità totale di trattamento è destinata ad aumentare del 15% nei prossimi 20-30 destinata ad aumentare del 15% nei prossimi 20-30 annianni

Durante questo periodo saranno costruiti Durante questo periodo saranno costruiti approssimativamente 2.300 nuovi impiantiapprossimativamente 2.300 nuovi impianti

Ci si attende una capacità di progetto per impianti con Ci si attende una capacità di progetto per impianti con trattamenti superiori al secondario in crescita del 40%trattamenti superiori al secondario in crescita del 40%


Gli impianti di depurazione delle acque reflue urbane presenti Gli impianti di depurazione delle acque reflue urbane presenti complessivamente in Italia sono complessivamente in Italia sono 15.16215.162

L’indagine ha rilevato informazioni su L’indagine ha rilevato informazioni su 12.46812.468 impianti ( impianti (83%83%))

Comuni italiani che dispongono di una rete fognaria delle acque Comuni italiani che dispongono di una rete fognaria delle acque reflue urbane: reflue urbane: 7.9887.988 (99%): (99%):

Il 48% depura completamente tutte le acque reflue convogliateIl 48% depura completamente tutte le acque reflue convogliate Il 39% ne depura solo una parteIl 39% ne depura solo una parte Il 13% scarica le acque reflue non trattate in un corpo idricoIl 13% scarica le acque reflue non trattate in un corpo idrico

In tutti i comuni con più di 80.000 abitanti i reflui vengono trattati In tutti i comuni con più di 80.000 abitanti i reflui vengono trattati in modo completo o parzialein modo completo o parziale

La depurazione delle acque reflue urbane La depurazione delle acque reflue urbane in Italia (indagine ISTAT – 1999)in Italia (indagine ISTAT – 1999)


Gli impianti di depurazione osservatiGli impianti di depurazione osservati

Dei 12.468 impianti:Dei 12.468 impianti:

12.065 sono esistenti (95% in esercizio)12.065 sono esistenti (95% in esercizio) 403 sono in corso di realizzazione 403 sono in corso di realizzazione

Il maggior numero di impianti di depurazione in Il maggior numero di impianti di depurazione in esercizio si trova nel Nord-ovest (4.329), esercizio si trova nel Nord-ovest (4.329), mentre nel Meridione sono oltre il 10% quelli mentre nel Meridione sono oltre il 10% quelli non in esercizio (234) e il 7% quelli in corso di non in esercizio (234) e il 7% quelli in corso di realizzazione (152)realizzazione (152)


Impianti di Impianti di depurazione delle acque reflue urbane in delle acque reflue urbane in esercizio e abitanti equivalenti serviti (AE) effettivi per esercizio e abitanti equivalenti serviti (AE) effettivi per

tipologia di trattamento (Istat, 1999)tipologia di trattamento (Istat, 1999)

Tipologia diTipologia di

trattamentotrattamento

ImpiantiImpianti AE effettiviAE effettivi

NumeroNumero %% NumeroNumero %%

PrimarioPrimario 5.8395.839 5151 4.540.7624.540.762 77

SecondarioSecondario 4.8554.855 4242 37.308.04837.308.048 5858

TerziarioTerziario 815815 77 22.186.69622.186.696 3535

TotaleTotale 11.50911.509 100100 64.035.50664.035.506 100100


Contenuti del moduloContenuti del modulo


Processi unitari biologici:Processi unitari biologici:

Introduzione al metabolismo microbicoIntroduzione al metabolismo microbico

Classificazione generale dei microrganismi Classificazione generale dei microrganismi Cinetica della crescita biologicaCinetica della crescita biologica Analisi del processoAnalisi del processo

Processo a fanghi attivatiProcesso a fanghi attivati

Processi di rimozione del carbonioProcessi di rimozione del carbonio

Rese di processo e stabilitàRese di processo e stabilità

Determinazione dei coefficienti cineticiDeterminazione dei coefficienti cinetici

Elementi di progettazioneElementi di progettazione

Configurazioni di processoConfigurazioni di processo


Processi biologici avanzati per la rimozione Processi biologici avanzati per la rimozione di azoto e fosforodi azoto e fosforo

Controllo e rimozione dell’azotoControllo e rimozione dell’azoto

Rimozione del fosforoRimozione del fosforo

Rimozione combinata di azoto e fosforoRimozione combinata di azoto e fosforo

Configurazioni di processoConfigurazioni di processo

Elementi di dimensionamento e progettazioneElementi di dimensionamento e progettazione


Fornitura dell’ossigeno ed altre Fornitura dell’ossigeno ed altre apparecchiature elettromeccanicheapparecchiature elettromeccaniche

Analisi del trasferimento di ossigeno

Sistemi di aerazione

Tipologie di reattori biologici e criteri di scelta delle apparecchiature elettromeccaniche


Progettazione di sistemi di trattamento e Progettazione di sistemi di trattamento e smaltimento dei fanghismaltimento dei fanghi

Caratteristiche qualitative e quantitative dei Caratteristiche qualitative e quantitative dei fanghi di depurazionefanghi di depurazione

Trattamenti preliminariTrattamenti preliminari

Scelta dei sistemi di trasferimento e pompaggioScelta dei sistemi di trasferimento e pompaggio

PreispessimentoPreispessimento


Stabilizzazione aerobica:Stabilizzazione aerobica:

dimensionamento dei reattoridimensionamento dei reattori gestione del processogestione del processo monitoraggiomonitoraggio introduzione al processo di compostaggiointroduzione al processo di compostaggio

Stabilizzazione anaerobica:Stabilizzazione anaerobica:

dimensionamento dei reattoridimensionamento dei reattori gestione del processogestione del processo monitoraggiomonitoraggio

Co-digestione:Co-digestione:

dimensionamento dei reattoridimensionamento dei reattori gestione del processogestione del processo


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

Esercitazioni Esercitazioni


Introduzione al modulo: Processi unitari biologici Prof. Franco Cecchi Dipartimento Scientifico e...

Documents

Transcript of Introduzione al modulo: Processi unitari biologici Prof. Franco Cecchi Dipartimento Scientifico e...