Trattamento reflui di cantina

Trattamento reflui di cantina

Claudio LubelloUniversità di Firenze

produzione di acque reflue in una cantina vinicola

La produzione di acque reflue cambia molto durante l’arco dell’anno:

circa 1 m3 di refluo ogni 20 quintali di uva lavorata volume di refluo pari a 0.7-1.2 volte il volume di vino prodotto

portate maggiori nel periodo della vendemmia (settembre-novembre)portate minori nel periodo successivo dei travasi (novembre-marzo). la produzione di acque reflue nel periodo aprile-agosto è pressoché assente

Caratteristiche quantitative

Caratteristiche qualitative

Acque reflue provenienti da 4 cantine della provincia di Trento confronto con valori di cantine spagnole (Bustamante et al., 2005) confronto con i valori limite imposti dalla normativa nazionale per lo

scarico in fognatura da insediamenti produttivi

Cantine localizzate in provincia di Trento

(Andreottola et al., 2006)

Cantine localizzate in Spagna

(Bustamante et al., 2005)

Limiti per lo scarico in fognatura

Metalli pesanti

Media (mg L-1)

Range (mg L-1)

Media (mg L-1)

Range (mg L-1)

(mg L-1)

As 0.005 0.001-0.02 - - 0.5 Ba 0.22 0.05-1.36 - - - Cd <0.005 <0.005 0.06 0.05-0.08 0.02 Cr 0.05 <0.005-0.14 0.15 <0.20-0.72 4 Cu 2.35 0.68-11.13 0.79 <0.2-3.26 0.4 Hg 1X10-3 3 X10-4-2.2X10-3 - - 5x10-3 Mn 0.16 0.06-0.77 0.31 <0.2-1.74 4 Ni 0.06 0.01-0.10 0.12 <0.20-0.65 4 Pb 0.08 0.02-0.20 1.09 0.55-1.34 0.3 Zn 0.96 0.14-4.03 0.58 0.09-1.40 1.0

Contenuto di metalli pesanti

Cu e Zn rappresentano i parametri più critici le concentrazioni di Cu e Zn risultano spesso superiori ai limiti

ammessi per lo scarico in fognatura

Cantine localizzate in provincia di Trento

(Andreottola et al., 2006)

Cantine localizzate in Spagna

(Bustamante et al., 2005)

Limiti per lo scarico in fognatura

Metalli pesanti

Media (mg L-1)

Range (mg L-1)

Media (mg L-1)

Range (mg L-1)

(mg L-1)

As 0.005 0.001-0.02 - - 0.5 Ba 0.22 0.05-1.36 - - - Cd <0.005 <0.005 0.06 0.05-0.08 0.02 Cr 0.05 <0.005-0.14 0.15 <0.20-0.72 4 Cu 2.35 0.68-11.13 0.79 <0.2-3.26 0.4 Hg 1X10-3 3 X10-4-2.2X10-3 - - 5x10-3 Mn 0.16 0.06-0.77 0.31 <0.2-1.74 4 Ni 0.06 0.01-0.10 0.12 <0.20-0.65 4 Pb 0.08 0.02-0.20 1.09 0.55-1.34 0.3 Zn 0.96 0.14-4.03 0.58 0.09-1.40 1.0

Contenuto di metalli pesanti

Alti carichi organici, soprattutto in forma solubile:

estremi valori di pH (80% dei campioni con pH in campo acido)

presenza di metalli pesanti

bassa concentrazione di nutrienti

concentrazione di COD) il COD solubile rappresenta l’86% del COD totaleconcentrazione di SST

si rende sempre necessaria una neutralizzazione del pH prima di uno stadio biologico

N e P costituiscono lo 0.7% e lo 0.1% del COD totale nel trattamento biologico delle acque di cantina è necessario

aggiungere urea e acido fosforico (0.11 g urea/gCOD e 0.018 g H3PO4/gCOD)

spesso la concentrazione di Cu e Zn non è compatibile con lo scarico in fognatura o in acque superficiali

Caratteristiche salienti

Valori misurati nel periododella vendemmia

(settembre-ottobre)

COD totale100%

COD solubile84.5%

COD particolato15.5%

COD solubilenon biodegradabile

12.4%

SBCOD2.9%

. COD particolatonon biodegradabile

13.3%

Biomassa attivacome CODtrascurabile

RBCOD71.4%

COD totale100%

COD solubile88.0%



7.2%

SBCOD3.1%


8.8%

Biomassa attivacome COD0.24%

RBCOD80.7%

Valori misurati nel periododei travasi

(novembre-marzo)

Frazionamento COD acque grezze

vendemmia(settembre-ottobre)

COD totale100%

COD solubile84.5%



12.4%

SBCOD2.9%


13.3%


RBCOD71.4%

COD totale100%

COD solubile88.0%



7.2%

SBCOD3.1%


8.8%


RBCOD80.7%

travasi (novembre-marzo)

Il COD rapidamente biodegradabile (RBCOD) rappresenta il 75.4% del COD totale (media annua).

La frazione di RBCOD è leggermente superiore nel periodo dei travasi (80.7%), rispetto al periodo di vendemmia (71.4%), a causa dello sviluppo dei processi di fermentazione


COD totale100%

COD solubile84.5%



12.4%

SBCOD2.9%


13.3%


RBCOD71.4%

COD totale100%

COD solubile88.0%



7.2%

SBCOD3.1%


8.8%


RBCOD80.7%


Il COD lentamente biodegradabile (SBCOD) è pari solo al 3.0% del COD totale (media annua)

il COD solubile non biodegradabile è pari al 12.4% nel periodo di vendemmia e pari al 7.2% nel periodo dei travasi. Tale frazione si ritrova inalterata nell’effluente finale.


COD totale100%

COD solubile84.5%



12.4%

SBCOD2.9%


13.3%


RBCOD71.4%

COD totale100%

COD solubile88.0%



7.2%

SBCOD3.1%


8.8%


RBCOD80.7%


La biomassa cellulare (misurata mediante test respirometrico) è decisamente trascurabile (<0.24% del COD totale).

La bassa concentrazione di biomassa batterica nelle acque di cantina può rendere difficoltoso lo start-up di un impianto biologico di trattamento (soprattutto se a biomassa adesa) se non adeguatamente inoculato.

4

stoccaggio delle acque reflue presso l’azienda, trasporto e

conferimento in un impianto di depurazione adeguato per il

trattamento

scarico in fognatura delle acque reflue tal quali, se

compatibili con la normativa

realizzazione di un impianto di pre-trattamento on-site presso

l’azienda, prima dello scarico in fognatura, nel caso in cui il refluo tal quale non rispetti le condizioni per

lo scarico diretto in fognatura;

1

2

3

realizzazione di un trattamento completo on-site presso l’azienda

produttrice e scarico in acque superficiali.

Alternative di gestione dei reflui

stoccaggio delle acque reflue presso l’azienda, trasporto e

conferimento in un impianto di depurazione adeguato per il

trattamento

scarico in fognatura delle acque reflue tal quali, se

compatibili con la normativa

1

2

Alternativa 1: costo di trasporto e pagamento per lo smaltimento presso il depuratore in funzione di portata o carico conferito

Alternativa 2: costi per canone di fognatura e canone di depurazione.


4

realizzazione di un impianto di pre-trattamento on-site presso

l’azienda, prima dello scarico in fognatura, nel caso in cui il refluo tal quale non rispetti le condizioni per

lo scarico diretto in fognatura;

3

realizzazione di un trattamento completo on-site presso l’azienda

produttrice e scarico in acque superficiali.

Alternativa 3 e 4: preferite nel caso di cantine di media dimensione o grandi aziende.

Alternativa 3: necessaria quando non sono rispettate le concentrazioni limite di COD, BOD5, SST e metalli pesanti per lo scarico in fognatura.

Alternativa 4: rimane la soluzione perseguibile nel caso di aziende medio-grandi per le quali le altre soluzioni non sono economicamente vantaggiose.


TRATTAMENTI BIOLOGICI CONVENZIONALI

TRATTAMENTI BIOLOGICI AVANZATI

TRATTAMENTI CHIMICO-FISICI (in generepre-trattamento prima dello scarico in fognatura)

Sistemi di trattamento

I sistemi convenzionali per il trattamento delle acque reflue di cantina sono: fanghi attivi, reattori SBR e biodischi

IMPIANTI A FANGHI ATTIVI: la ricorrenza del fenomeno di bulking è un tipico inconveniente nel caso dei fanghi attivi

IMPIANTI SBR: hanno dimostrato buone potenzialità, potendo modificare la lunghezza dei cicli in funzione del carico organico applicato e mantenendo la medesima qualità dell’effluente. Si applicano carichi volumetrici pari a 0.8 kgCOD m-3 d-1 con efficienza di rimozione > 90%.

BIODISCHI: diminuzione delle prestazioni in presenza di picchi di carico, con riduzione dell’ossigeno o eccessiva crescita di biofilm.

Trattamenti convenzionali

Permettono di superare alcuni dei limiti dei sistemi biologici convenzionali

I sistemi a biofilm si prestano bene grazie alla elevata concentrazione di COD rapidamente biodegradabile

Per i reflui di cantina sono stati proposti: Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) Fixed Bed Biofilm Reactor (FBBR) Sistema anaerobico UASB - UHD

I sistemi MBBR e FBBR offrono diversi vantaggi quali: riduzione di problemi di bulking

assenza di controlavaggio grazie all’elevato grado di vuoto facile gestione dei reattori

Trattamenti avanzati

V=20 m3

VFBBR=12.5 x 2 m3

VFBBR=12.5 m3

V=3 m3 V=8 m3

excess sludge excess sludge

discharge

2nd stageFBBR

thickening

intermediate settler final settler

1st stageFBBR

equalization/homogeneization

tankscreening

excess sludge excess sludge

discharge

2nd stageFBBR

thickening

intermediate settler final settler

1st stageFBBR

equalization/homogeneization

tankscreening

grigliatura (mesh 3 mm) equalizzazione/omogeneizzazione aerata + neutralizzazione del pH 1st stadio FBBR (2 reattori in parallelo) seguito da sedimentazione intermedia 2nd stadio FBBR, seguito da sedimentazione finale Il fango sedimentato è inviato ad un ispessitore e quindi trasportato in un altro

impianto per la disidratazione

V=9 m3

pH neutralization

SISTEMA A BIOMASSA ADESA A LETTO FISSO (FIXED BED BIOFILM REACTOR, FBBR).

CASO DI STUDIO: cantina vinicola dell’Istituto Agrario di S. Michele

I reattori FBBR sono riempiti con elementi plastici (BIO-ECO)

Realizzati in polipropilene (densità 1.05 g cm-3) Forma pressoché sferica con dimensioni di circa 11 cm Superficie specifica pari a 140 m2 m-3

Elevato grado di vuoto pari a 95%

Letto del reattore FBBR è sommerso ed aerato Aerazione mediante piastre Messner Avendo funzionamento stagionale

(settembre-marzo) ed elevato grado di vuotonon richiede controlavaggio

CARATTERISTICHE DEL SISTEMA FBBR

I reattori FBBR sono realizzati in acciaio e montatisu rotaie

possono essere estratti dall’edificioe trasportati temporaneamente (per alcune settimane) presso un altro impianto per l’acclimatazione nel mese di agosto, prima della vendemmia

immediato start-up all’inizio della vendemmia.

Carichi di COD totale applicati e rimossi nell’impianto FBBR

Carico medio applicato = 2.4 kgCOD m-3 d-1 (massimo = 8 kgCOD m-3 d-1) Efficienza media = 80% (range 67-97%) Nel 1° stadio avviene la completa rimozione dell’RBCOD (pari al 71-80% del

COD totale)

Rimozione del COD nel 1° stadio

Rimozione del COD nell’impiantocompleto Efficienza media = 91% Conc. media COD infl. 2356

mgCOD L-1, effl. 212 mg/L Questo valore rappresenta

un limite per il trattamento biologico: nelle acque reflue di cantina è presente una frazione di COD solubile non biodegradabile uguale al 9.8% in media che non può essere rimossa né mediante trattamento biologico né mediante sedimentazione.

0

1

2

3

4

5

0 1 2 3 4 5

Carico applicato volumetrico(kgCOD m-3 d-1)

Car

ico

rim

osso

vol

umet

rico

(kgC

OD

m-3

d-1)

0

10

20

30

400 10 20 30 40

Carico applicato superficiale(gCOD m-2 d-1)

Car

ico

rim

osso

sup

erfic

iale

(gC

OD

m-2

d-1)

= 100%

= 91%

PRINCIPALI OSSERVAZIONI SUL SISTEMA FBBR

Rapido start-up (circa 24 - 48 ore dall’inizio della vendemmia) grazie alla preventiva colonizzazione dei supporti plastici;

I reattori FBBR non richiedono controlavaggio durante il periodo stagionale operativo (Settembre-Marzo). Non si sono riscontrati intasamenti.

L’efficienza di rimozione è stata pari al 90%, che rappresenta un valore limite a causa della frazione solubile non biodegradabile del COD pari a circa il 10% → possono presentarsi difficoltà a rispettare il limite allo scarico pari a 500 mgCOD/L

Vantaggi gestionali: Semplice gestione Elevata efficienza anche nel caso di

forti fluttuazioni di portata e di carico Buona sedimentabilità dei fanghi

senza problemi di bulking

grigliatura equalizzazione e neutralizzazione del pH reattore aerobico MBBR sedimentazione finale

SISTEMA A BIOMASSA ADESA A LETTO MOBILE (MOVING BED BIOFILM REACTOR, MBBR).

CASO DI STUDIO presso cantina vinicola Rotary, Mezzocorona

Nei reattori MBBR gli elementi plastici sono in sospensione nel bulk liquido realizzando una configurazione a completa miscelazione.

Sono stati impiegati supporti KMT

in polietilene con densità pari a 0.96 g cm-3

dimensioni di 7-10 mm grado di riempimento = 67% superficie specifica nel reattore = 300 m2 m-3

1 cm

Carichi di COD totale applicati e rimossi nell’impianto MBBR

carichi volumetrici fino a 9.6 kgCOD m-3 d-1

carichi superficiali fino a 32 gCOD m-2 d-1

efficienza di rimozione del COD = 95% in media (range 85-99%) concentrazioni medieCOD: infl. 2100 mg L-1, effl. 105 mg L-1

buona sedimentabilitàdei fanghi(SVI < 100 mL gSST-1).

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6 8 10 12carico applicato volumetrico

(kgCOD m-3 d-1)

caric

o rim

osso

vol

umet

rico

(kgC

OD

m-3

d-1

)

0

10

20

30

400 10 20 30 40

carico applicato superficiale(gCOD m-2 d-1)

caric

o rim

osso

sup

erfic

iale

(gC

OD

m-2

d-1

)

= 100%

= 95%

Reattori anaerobici di tipo UHD (Upflow Hybrid Digester) combinano un reattore UASB con un filtro anaerobico

Configurazione dell’impianto:

equalizzazione e neutralizzazione del pH reattore anaerobico tipo UHD (altezza pari a 4.5

m): - parte bassa costituita da un letto UASB in cui si svolge gran parte della rimozione del COD- parte alta costituita da un filtro anaerobico con elementi Flocor-R (cilindri in PVC, con superficie specifica = 230 m2 m-3)

temperatura di processo = 35°C. tempo di ritenzione nel reattore pari a 43-48 h.

REATTORE ANAROBICO CON CONFIGURAZIONE IBRIDA (UASB + FILTRO ANAEROBICO)

CASO DI STUDIO presso cantina vinicola Rotary, Mezzocorona

UASB

FILTROANAEROBICO

Performance dell’impianto UHD

carichi volumetrici applicati = 6 kgCOD m-3 d-1 in media (range 2-15 kgCOD m-3 d-1)

efficienza di rimozione del COD > 93% riduzione dell’efficienza in presenza di forti fluttuazioni di carico:

necessità di una vasca di omogeneizzazione/equalizzazione a monte del reattore biologico

produzione specifica di biogas = 0.5 m3 kgCOD-1 rimosso.

Il reattore UHD, dopo un fermo impianto di 4 mesi (maggio-settembre) ha ristabilito una efficienza di rimozione del COD pari al 96% entro 7 giorni.

TRATTAMENTI CHIMICO-FISICI PER LA RIMOZIONE DEI METALLI

In molti casi il trattamento delle acque reflue di cantina si limita alla rimozione della sostanza organica

nel caso di normative molto restrittive per i metalli pesanti le concentrazioni di alcuni metalli, specialmente Cu e Zn, superano i limiti ammessi allo scarico

Per la rimozione dei metalli pesanti si può ricorrere a un pre-trattamento on-site di tipo chimico-fisico, prima dello scarico in fognatura:

Cu < 0.4 mg L-1

Zn < 1.0 mg L-1

Normativaitaliana

• Facile gestione e controllo di processo• Flessibilità al variare dei carichi applicati e delle portate• Riduzione degli spazi occupati e contenuti costi di

realizzazione• Costi aggiuntivi per i reattivi e per lo smaltimento dei

fanghi

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