processo di denitrificazione in impianto di trattamento delle acque reflue

8/18/2019 processo di denitrificazione in impianto di trattamento delle acque reflue

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Corso di Laurea Triennale inIngegneria per l'Ambiente, le

Risorse ed il Territorio

Docente: Ing. Riccardo Gori

Esercitazioni sul processo didenitrificazione in impianto di trattamento

delle acque reflue

Corso: ‘Tecnologie di Risanamento Ambientale’




Q = portata dell’influente (dai pretrattamenti e trattamenti primari)

Qs = portata di spurgo dei fanghi (portata di supero)

Qr = portata di ricircolo complessiva

Qr = Qr-fanghi + Qr-int

Qr-fanghi = portata di ricrcolo dei fanghi che sarebbe comunque presente anche in assenza del

processo di denitrificazioneQr-int = portata di ricircolo interno

Schema di processo per la pre-denitrificazione secondo lo schema di

Ludzack-Ettinger modificato (MLE)

S e , TKN e ,

N-NO3e

(Q-Q s ),

S e ,

TKN e ,

N-NO3e

(Qr-fanghi+Q s ) Q s Qr-fanghi , S e , TKN e , N-NO3e

V ox-nit , X ox-nit

Q

V den , X den

Corrente di spurgoCorrente di ricircolo dei fanghi

Corrente di ricircolo interno

Qr-int , S e , TKN e , N-NO3e

(Q+Qr )(Q+Qr )

S 1 , TKN 1 ,

N-NO31

S 0 , TKN 0

Volume di controllo




S e , TKN e ,

N-NO3e

(Q-Q s ),

S e ,

TKN e ,

N-NO3e


V ox-nit , X ox-nit

Q

V den , X den




(Q+Qr )(Q+Qr )

S 1 , TKN 1 ,

N-NO3e

Indicando con N l’azoto totale (somma di TKN e nitrati), possiamo scrivere:

N1 = Ne + Nsintesi + Ndenitrificato

N1 = azoto in ingresso alla denitrificazione;

Ne = azoto nell’effluente

Nsintesi

= azoto utilizzato per la sintesi della biomassa

Ndenitrificato= azoto rimosso come azoto gassoso



S 0 , TKN 0

Volume di controllo




Assumiamo che:

- l’azoto nitrico nell’influente sia trascurabile;

- l’azoto nitrico in ingresso alla denitrificazione sia ivi completamente rimosso;

Ricordiamo, inoltre, che possiamo scrivere:

Nsintesi = 0,12 Pxbio /Q (espresso in g/m3 )

Nsintesi = 0,12 Pxbio (espresso in g/d)



In alcuni testi si trova:

Nsintesi = 0,05 (S0 – Se )

con S espresso in termini di BOD5

S e , TKN e ,

N-NO3e

(Q-Q s ),

S e ,

TKN e ,

N-NO3e


V ox-nit , X ox-nit

Q

V den , X den




(Q+Qr )(Q+Qr )

S 1 , TKN 1 ,

N-NO3e

S 0 , TKN 0

Volume di controllo




Da N1 = Ne + Nsintesi + Ndenitrificato possiamo scrivere

(Q + Qr ) [TKN1 + (N-NO3 )1 ] = (Q + Qr ) [TKNe + N-NO3e ]+ (Q + Qr ) 0,05 (S1 – Se ) + (Q + Qr ) (N-NO3 )1

da cui

TKN1 = TKNe + N-NO3e + 0,05 (S1 – Se )



S e , TKN e ,

N-NO3e

(Q-Q s ),

S e ,

TKN e ,

N-NO3e


V ox-nit , X ox-nit

Q

V den , X den




(Q+Qr )(Q+Qr )

S 1 , TKN 1 ,

N-NO3e

S 0 , TKN 0

Volume di controllo




Per S e TKN possiamo anche scrivere:

E sostituendo



r

Sr SS e

1

01

r

TKN r TKN TKN e

1

01

e3

e0e3e0

)NO(N

)S(S0,05)NO(NTKNTKN

r

S e , TKN e ,

N-NO3e

(Q-Q s ),

S e ,

TKN e ,

N-NO3e


V ox-nit , X ox-nit

Q

V den , X den




(Q+Qr )(Q+Qr )

S 1 , TKN 1 ,

N-NO3e

S 0 , TKN 0

Volume di controllo




e3

e0e3e0

)NO(N

)S(S0,05)NO(NTKNTKN

r

L’espressione :

fornisce l’entità del ricircolo necessario per assicurare la pre-assegnata concentrazione dell’azoto

nitrico allo scarico in funzione delle caratteristiche dell’acqua in ingresso al trattamento biologico

(S0 e TKN0 ) ed al TKN desiderato in uscita (TKNe ).

Il valore di r viene solitamente riferito alla portata media, con incremento fino ad un 20% per tener

contro delle fluttuazioni orarie.Il rapporto di ricircolo r è comprensivo dei due contributi di cui uno per il ricircolo dei fanghi e

l’altro per il ricircolo interno.

Il ricircolo interno viene determinato come differenza tra r ed il ricircolo dei fanghi, già stabilito in

fase di dimensionamento del reattore aerobico.

Dalla relazione precedente possiamo anche scrivere:

Dalla quale possiamo osservare che l’incremento di r comporta una riduzione della concentrazione

dei nitrati in uscita (incremento della rimozione dell’azoto). In realtà oltre un certo valore del

ricircolo l’efficienza di rimozione decresce a causa dell’eccessiva quantità di ossigeno ricircolata in

denitrificazione. Solitamente non si va oltre un valore di r pari a 3 – 4.

r

1

)S(S0,05TKNTKN)NO(N e0e0e3




Nell’espressione del ricircolo, per esprimere l’azoto utilizzato per la sintesi, in luogo del termine

0,05 (S0 – Se ) è possibile utilizzare anche l’espressione con Pxbio .




Reattore di denitrificazione

Il reattore di denitrificazione può essere dimensionato sulla base della velocità specifica di

denitrificazione (specific denitrification rate, SDNR) che esprime la quantità di azoto nitrico

denitrificato nell’unità di tempo per unità di massa della frazione presa a riferimento. La cinetica di

denitrificazione è di ordine zero rispetto ai nitrati.

In alcuni casi la frazione presa a riferimento è quella dei solidi sospesi volatili (SSV), mentre altre

volte è la sola biomassa eterotrofa.

Nel caso della velocità riferita ai SSV, sulla base di molti impianti in scala pilota e scala reale, è stata

elaborata la relazione:

SDNR 20 = 0,03 (F/M) + 0,029

dove F/M rappresenta il carico del fango ovvero il rapporto tra il substrato ed il fango (in questocaso espresso come SSV) per cui espresso in [kg BOD5/kgSSV d].

I valori riscontrati per l’SDNR variano in un range ampio, tra 0,04 e 0,42 [g N-NO3/gSSV d].

Questo è dovuto al fatto che diversi fattori sito-specifici, tra cui principalmente la qualità

dell’influente e le condizioni operative possono significativamente influenzare il rapporto tra la

concentrazione dei SSV e l’effettiva biomassa denitrificante.





In figura sono riportati gli andamenti della SDNR ( riferiti alla biomassa attiva ) in funzione del

rapporto F/M [gBOD/g biomassa d] ed il rapporto tra rbCOD e il COD complessivo

dell’influente.

bDEN b X V

SQ

M

F

0





Correzione dell’SDNR con la temperatura.

SDNR T = SDNR 20 (T-20) con = 1.026

Correzione dell’SDNR con il rapporto di ricircolo.

Una volta stabilito il valore dell’SDNR si può determinare il volume del reattore didenitrificazione. Dato che l’SDNR dipende dalla biomassa presente nel reattore, è

necessario effettuare un processo iterativo.

0078,0)/(ln166,01 b IRadj M F SDNRSDNR

012,0)/(ln029,01 b IRadj M F SDNRSDNR

IR = 2

IR = 3-4




Esercizio sul dimensionamento del processo di denitrificazione

Dati.

Portata 13392 m3

/d Biomassanit 13090 kg SSV TKN0 40 g/m3 X nit 3.5 kg SSV/m3

TKNe 2 g/m3 Rap. Ric. fanghi 1 -

BOD0 208 g/m3

BODe 10 g/m3

Temperatura 12 °C(N-NO3 )e 6 g/m3

1. Calcolo azoto nitrificato

Nox = Q [TKN0 – TKNe – 0,05 (S0 - Se )] =

=13392 [40 – 2 – 0,05 (208 - 10)] = 376,3 kg N/d

2. Calcolo azoto nitrico in uscita

(N-NO3 )e = Q (N-NO3 )e = 13392 6/1000 = 80,4 kg N/d





3. Calcolo azoto da denitrificare

Nden = Nox - (N-NO3 )e = 376,3 - 80,4 = 295,9 kg N/d

4. Calcolo SDNR

Si utilizza la relazione: SDNR 20 = 0,03 (F/M) + 0,029

Si calcola F ovvero la quantità di BOD ogni giorno giunge in impianto:

F = Q BOD0 = 13392 208/1000 = 2785 kg BOD/d

Si calcola M e come primo tentativo assumiamo che la massa presente in denitrificazione

sia uguale a quella presente in nitrificazione:

M = Biomassanit = 13090 kg

F/M = 2785/13090 = 0,213 kgBOD/kgSSV d

SDNR 12 = [0,03 (F/M)+0,029](T-20) = [0,03 (0,213)+0,029]1,026(12-20) = 0,0288 kgN/kgSSV d





5. Calcolo la biomassa che sarebbe necessaria in denitrificazione con il valore di SDNR

appena calcolato

Biomassaden = Nden /SDNR 12 = 295,9/0,0288 = 10276 kg SSV

La biomassa calcolata risulta inferiore a quella ipotizzata per cui calcolo il nuovo valore di

F/M utilizzando per M il valore Biomassaden

appena calcolato.

6. Faccio un processo iterativo

Con il nuovo valore di F/M aggiorno il valore di SDNR 12 e procedo iterativamente fino a

convergenza.

In questo caso si arriva a determinare: Biomassaden = 9650 kg SSV

7. Calcolo il volume del reattore

Il volume del reattore di denitrificazione si calcola assumendo una concentrazione analoga

a quella che si è ipotizzata nel reattore di nitrificazione.

V den = Biomassaden / X den = 9650 / 3.5 = 2757 m3





8. Calcolo il ricircolo

Sostituendo i valori si ha:

Portata totale di ricircolo = r Q = 3,7 13392 = 49550 m3/d

Portata di ricircolo fanghi = rfanghi Q = 1 13392 = 13392 m3/d

Portata totale di ricircolo = rinterno Q = (3,7 - rfanghi ) 13392 = 2,7 13392 = 36158 m3/d

Nel caso del solo ricircolo fanghi la denitrificazione che otterremmo sarebbe:

g N-NO3/m3

e3

e0e3e0

)NO(N

)S(S0,05)NO(NTKNTKN

r

3,76

10)(2080,056240r

14

11

990

1

,24)S(S0,05TKNTKN)NO(N e0e0e3

r





Alcune considerazioni.

Il volume complessivo dei reattori è (13090 + 9650)/3.5 = 6497 m3

di cui 3740 (il 58%) come volume aerobico e 2757 (il 42%) come volume anossico.

Il volume che sarebbe scaturito dal calcolo della biomassa di primo tentativo mi avrebbe

assicurato un risultato maggiore rispetto alle necessità (a scapito di un volume

maggiore).

Attenzione: aumentando il volume del reattore rischio di peggiorare la situazione perché

diluisco il rbCOD che influenza l’SDNR.




Effetto della pre-denitrificazione sulla richiesta di ossigeno

Nella denitrificazione l’azoto presente in forma ossidata (nitrica o nitrosa), funge da

accettore di elettroni nelle reazioni biochimiche di ossidazione della sostanzaorganica.

Ogni mole di azoto nitrico (14 g N-NO3 ) che viene ridotta ad azoto molecolare accetta 5

moli di e- e di conseguenza si ha che per accettare 1 mole di e- servono

14/5 = 2,8 g N-NO3

/mol e-

Ricordiamo che 1 moli di e- equivale a 8 g di COD (2 moli di O2 pesano 32 g e

scambiano 4 moli di e- ).

Di conseguenza 8 g COD richiederanno come accettore di elettroni:

8/2,8 = 2,86 gCOD/g N-NO3

La pre-denitrificazione comporta quindi un credito di ossigeno che può essere stimato

dal prodotto tra la quantità di azoto nitrico denitrificato ed il valore 2,86 gCOD/g

N-NO3.




Esercizio sulla richiesta di ossigeno ed effetto della pre-denitrificazione

Dati.

Portata 13392 m3/d Massanit 13090 kg SSV

TKN0 40 g/m3 X nit 3.5 kg SSV/m3

TKNe 2 g/m3 Rap. Ric. fanghi 1 -

BOD0 208 g/m3 r 3,7 -

BODe 10 g/m3 Qr 49550 m3/d

Temperatura 12 °C Massaden 9650 kg SSV (N-NO3 )e 6 g/m3 SSV/SST 0,7 -

1. Calcoliamo la richiesta di ossigeno:

In via approssimata possiamo utilizzare la relazione:

R O2 = a Q (S0 - Se ) + b (Vox + Vden) X + 4,33 Q [TKN0 – TKNe – 0,05 (S0 -

Se )] - 2,86 r Q (N-NO

3 )

e

Assumendo i seguenti valori: a = 0,5 kgO2/kgBOD; b = 0,1 kgO2/(kg SS d) si ha:

Per applicare la relazione precedente ci manca il dato di SST.

Nel reattore aerobico (di nitrificazione) abbiamo: Biomassanit = 13090/0,7=18700 kgSST

T




Esercizio sulla richiesta di ossigeno ed effetto della pre-denitrificazioneNel reattore anossico (di denitrificazione) abbiamo: Biomassaden = 9650/0,7 = 13786 kgSST

La quantità totale di solidi è quindi:

Massa = Massanit + Massaden = 18700 + 13786 = 32486 kgSST

Possiamo calcolare la richiesta di ossigeno:

R O2 = 0,513392(208 - 10)/1000+0,132486+4,3313392[40 – 2 – 0,05(208-10)]/1000 – 2,86 *

3,7 * 13392 * 6 =

= 1325 + 3248 + 1630 - 846= 5456 kgO2/d = 227,4 kg O2/h

Per assicurare un margine di sicurezza legato alle variazioni della qualità dell’influente,

solitamente si incrementa la richiesta per mezzo di un fattore di sicurezza (es. 1,2).

C ‘T l i di Ri A bi l ’




C ‘T l i di Ri t A bi t l ’




C ‘T n l i di Ri n m nt Ambi nt l ’




C rs ‘Tecnologie di Risanamento Ambientale’



Mixer sommergibili





Corso: Tecnologie di Risanamento Ambientale





S e , TKN e ,

N-NO3e

(Q-Q s ),

S e ,

TKN e ,

N-NO3e


Q

V den , X den


(Q+Qr )(Q+Qr )

S 1 , TKN 1 ,

N-NO3e

La post-denitrificazione prevede che il processo di denitrificazione avvenga in un reattore che si

trova a valle del reattore di ossidazione-nitrificazione.

Anche da un punto di vista della sequenza dei reattori, il processo avviene quindi secondo lasuccessione nitrificazione-denitrificazione.

E’ uno schema di processo che può essere sia alternativo sia sostitutivo dello schema di pre-

denitrificazione.

Si utilizza solitamente lo stesso fango che già opera nei reattori di ossidazione-nitrificazione ed,

eventualmente di pre-denitrificazione, senza l’interposizione di sedimentatori intermedi.

Schema di processo per la post-denitrificazione

S 0 , TKN 0

V ox-nit , X ox-nit

Fonte esterna di carbonio





S e , TKN e ,

N-NO3e

Q,

S e,int ,

TKN e,int ,

N-NO3e,int


Q


(Q+Qr )

S 1 , TKN 1 ,

N-NO3e

E’ possibile anche il ricorso ad uno schema che prevede una post denitrificazione separata quindi

posta a valle del sedimentatore secondario del processo di ossidazione-nitrificazione.

Schema di processo per la post-denitrificazione

S 0 , TKN 0

Effluente intermedio

V ox-nit , X ox-nit

S e , TKN e ,

N-NO3e

Q,

S e ,

TKN e ,

N-NO3e

(qr-fanghi+q s ) q s q

r-fanghi , S

e , TKN

e , N-NO

3e


(Q+qr )

V den , X den

Fonte esterna di carbonio





S e , TKN e ,

N-NO3e

(Q-Q s ),

S e ,

TKN e ,

N-NO3e


Q

V den , X den


(Q+Qr )(Q+Qr )

S 1 , TKN 1 ,

N-NO3e

E’ possibile anche sfruttare il carbonio presente nell’influente eseguendo un by-pass diun’aliquota di influente direttamente verso la vasca di denitrificazione. Naturalmente

questo processo è limitato dalla concentrazione di azoto ammoniacale ammesso allo

scarico in quanto l’azoto ammoniacale inviato direttamente verso la vasca di post-

denitrificazione non potrà essere nitrificato perché non incontrerà mai una fase aerobica.

Schema di processo per la post-denitrificazione e by- pass dell’influente

S 0 , TKN 0

V ox-nit , X ox-nit

By- pass dell’influente





A valle delle vasche di post-denitrificazione è comunque presente un piccolo reattore

aerobico che ha una duplice funzione:

- assicurare lo strippaggio dell’azoto gassoso a monte del sedimentatore secondario che

altrimenti aderirebbe ai fiocchi di fango ostacolandone la sedimentazione edeterminando in uscita un effluente ricco si solidi sospesi.

- favorire la degradazione aerobica del carbonio organico esterno dosato in eccesso

rispetto alle necessità stechiometriche e del carbonio endogeno formatosi nel reattore.

Come fonte esterna di carbonio sono teoricamente utilizzabili tutti i substrati

biodegradabili.

Solitamente si ricorre al metanolo (alcol metilico) o acido acetico data la rapida

biodegradabilità ed il costo relativamente contenuto.





Altri possibili schemi di processo di denitrificazione





g




g

Esercizio sulla post-denitrificazione

Si dimensioni un reattore di post-denitrificazione con biomassa sospesa in un sistema a

singolo fango (il reattore di post-denitrificazione è immediatamente a valle di quello di

ox-nitrificazione).

Dati del problemaPortata 62000 m3/d (N-NO3 )in 14 g/m3

(N-NO3 )e 6 g/m3 ODin 2,5 g/m3

Temperatura 12 °C Nitriti in ingresso assenti

SvolgimentoSi supponga di utilizzare il metanolo (CH3OH) come fonte esterna di carbonio.

5 CH3OH + 6 NO3- 3 N2 + 5 CO2 + 7 H2O + 6 OH-

La quantità di metanolo che si deve aggiungere deve tenere conto sia della

denitrificazione vera e propria, sia della sostanza organica utilizzata daimicrorganismi per la sintesi.

Nel caso del metanolo si può fare riferimento ad un valore di 2,47 g CH3OH/g N- NO3-.

Calcoliamo la richiesta di metanolo:

CH3OH = 2,47 N-NO3 + 0,87 OD = 2,47 (14 – 6) + 0,87 2,5 = 21,9 mg/l




g


Dati.

Portata 62000 m3/d

(N-NO3 )in 14 g/m3


Temperatura 12 °CNitriti in ingresso assenti

Utilizzando un fattore di sicurezza del 25%: CH3OH = 1,25 21,9 = 27,4 mg/l

Il BOD rimosso in fase di denitrificazione, considerando un valore di 0,96 gBOD/g

metanolo sarà:

BOD = 0,96 27,4 = 26,3 mg/l

Il quantitativo di nitrati da rimuovere è:

Nden = Q (TKNin – TKNout – 0,05 BOD) FS = 62000/24 (14 – 6 – 0,05 26,3) 1,2 =20,7 kg N-NO3 /h




g


Dati.

Portata 62000 m3/d

(N-NO3 )in 14 g/m3



Determiniamo la velocità di denitrificazione:

SDNR 12 = SDNR 20 (T-20) = 0,75 10 1,03 (12-20) = 5,92 g N-NO3 /kg SSV h

La massa si fango da mantenere nel reattore di dentirificazione è:

Massaden = 20,7 kg N-NO3 /h / 5,92 g N-NO3 /kg SSV h 1000 = 3500 kgSSV

Ammesso un rapporto di 0,7 SSV/SST la massa dei solidi in denitrificazione sarà:

Massaden = 3500 kg SSV / 0,7 kgSSV/kg SST = 5000 kgSST




g


Dati.

Portata 62000 m3/d

(N-NO3 )in 14 g/m3



Ammettendo una concentrazione di 3 kgSST/m3

il volume della vasca di denitrificazionesarà:

V den = 5000 SST / 3 kgSST/m3 = 1667 m3

Con un tempo di residenza idraulica di:

HRT den = V / Q = 1667 / (62000/24) = 0,65 h.

Il volume di aerazione finale può essere dimensionato sulla base del tempo di residenza

idraulico solitamente di 15 – 20 min:

V aerazione finale = 0,25 (62000/24) = 646 m3




g


Si dimensioni il volume del reattore a biomassa sospesa, il volume del reattore di post-

aerazione ed il sedimentatore secondario di un processo di post-denitrificazione posto a

valle del sedimentatore secondario della precedente sezione di ossidazione-nitrificazione.

Dati del problema

Portata 4000 m3/d (N-NO3 )in 25 g/m3

(N-NO3 )e 2 g/m3 Solidi sospesi totaliin 20 g/m3

Temperatura 15 °C Nitriti in ingresso assenti

Y 0,18 gSSV/g bCOD k d@15°C 0,05 d-1 k@15°C 6,7 g bCOD/gSSV d K s@15°C 10,9 gbCOD/m3

X SST in vasca 2000 g/m3 SRT 5 d

HRT post-aerazione 15 min CISsed. Secondario 24 m3/m2 d

Svolgimento

Svolto in classe




Il fattore di carico organico

Il rapporto F/M (detto anche Food/Microrganisms) è il parametro detto ‘fattore di

carico organico’ (indicato anche con Fc ) che per molti anni è stato utilizzato a scopoprogettuale. Rappresenta la quantità di substrato a disposizione dell’unità di biomassa.

Per semplicità, i valori del Fc che si trovano in letteratura tecnica sono riferiti all’unità

di SS.

Il fattore di carico organico è dato da:

Sappiamo però che l’effettiva quantità di biomassa presente nei fanghi (e quindi

l’effettivo F/M) dipende dall’età del fango e dalle caratteristiche dell’influente per cui

questo parametro può non rappresentare correttamente la situazione soprattutto nel

caso di acque reflue con caratteristiche differenti da quelle di origine domestica/civile.

Inoltre i valori di Fc che si trovano in letteratura tecnica sono riferiti al BOD5 mentre,

quando possibile, è preferibile utilizzare il bCOD.

E’ comunque possibile calcolare l’effettivo valore di F/Mb (con Mb massa di

biomassa) una volta fissato lo SRT e calcolata la concentrazione di biomassa attiva.

d kgSS

kgBOD

V X

SQ

F c 50

g




L’età del fango ed il fattore di carico organico sono tra loro legati ma una relazione

biunivoca si ha solamente quando sono note le caratteristiche dell’influente.

Tuttavia impianti che lavorano con bassi valori di Fc sono impianti che lavorano adelevata età del fango e viceversa.

Tipo impianto Età del fango indicativa

per acque reflue

domestiche

(giorni)

Fc

(kgBOD5/kgSS· d)

Tempo detenzione

(ore)

Aerazione prolungata decine di giorni 0,02 – 0,15 80 – 10

A basso carico 5 – 7 0,2 – 0,3 7 – 5

A medio carico 2,5 – 7 0,3 – 0,5 5 – 3

Ad alto carico < 2,5 > 0,5 3 – 1,5

Il fattore di carico organico



Corso: ‘Tecnologie di Risanamento



Andamento del fattore di richiesta

di ossigeno (FO ) in funzione del

Fattore di carico organico (Fc ) e

dell’età del fango (E).

FO aumenta al diminuire di Fc e

all’aumentare di E perché favoriscol’ossidazione della sostanza organica

e della biomassa.

Diminuisco la produzione di fango

ma aumento la richiesta di ossigeno.

Il fattore di carico

organico

Ambientale’

processo di denitrificazione in impianto di trattamento delle acque reflue

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