“Tecniche di minimizzazione della produzione dei fanghi di depurazione: processi innovativi

Università degli Studi di Pavia

“Tecniche di minimizzazione della produzione dei fanghi di depurazione: processi innovativi”

Maria Cristina Collivignarelli

mcristina.collivignarelli@unipv.it

“Pianificazione della gestione dei fanghi di depurazione: dalla minimizzazione al recupero di risorse”

Castellanza (VA), 28 aprile 2015

LA PRODUZIONE IN EUROPA

Italia = 1,1 ×××× 106 tss4°°°° produttore di fango in Europa

67 % dei fanghi prodotti in UE27 (6,5 × 106 tss)

Produzione complessiva UE27 = 9,6 ×××× 106 tss

Fonte: Eurostat

LA PRODUZIONE IN LOMBARDIA

800.000 t/anno di fango TQ

120.000 – 160.000 tSS/a

(secco = 15-20%)

PROVENIENZA?

► 50% da depuratori che trattano scarichi civili,

► 30% da impianti di depurazione di acque reflue industriali

► 20% da aziende agroalimentari.

15% della produzione nazionale

QUALI LE SOLUZIONI?

A. MINIMIZZAZIONE DELLA PRODUZIONE(agendo sia su SS, sia su ACQUA)

A1. Tecniche “consolidate”- già presenti in tutti gli impianti (stabilizzazione, ispessimento,disidratazione)

�far funzionare al meglio quel che c’è

- da implementare (ci sono in pochi impianti)� ad es. essiccamento termico

A2. Tecniche “nuove”- miglioramento fasi esistenti (acqua)

TECNICHE CONVENZIONALI

- miglioramento fasi esistenti (acqua)� ispessitori dinamici, nuove centrifughe, filtropresse continue, nastropresse ad

alta p ecc.

A3. Tecniche “nuovissime”- linea acque: - biologici (idrolisi enzimatica, oxic-anaerobic)

- chimici (ozonolisi, termochimico)

- linea fanghi: - idrolisi termica (� dig. anaer.)- ultrasuoni (� dig. anaer.)

- ossidazione a umido

-digestione aerobica termofila

MAGGIORI RISCHI

PIU’ SICURO

TECNICHE INNOVATIVE

B. RECUPERO RISORSA MATERIALE IN AGRICOLTURA

-accertata l’utilità

-adottare condizioni più rigorose:

� selezione fanghi “alla fonte”

� migliore trattamento in impianto (stabilizzazione)

� migliore trattamento in piattaforme

C. RECUPERO ENERGETICOC. RECUPERO ENERGETICO

C1. CO-COMBUSTIONE CON RSU� potenzialità residua inceneritori RSU

C2. COMBUSTIONE IN IMPIANTI DEDICATI� combinazione con essiccamento termico� piattaforme centralizzate (soglia di convenienza)

C3. PIROLISI/GASSIFICAZIONE� poche realizzazioni (estero)

TECNICHE PER LA TECNICHE PER LA MINIMIZZAZIONE DELLA MINIMIZZAZIONE DELLA

PRODUZIONE DEI FANGHI DI PRODUZIONE DEI FANGHI DI DEPURAZIONEDEPURAZIONE

INTERVENTI IN LINEA ACQUE

INTERVENTI IN LINEA FANGHI

PIU’’’’ RISCHIOSI PIU’’’’ SICURI

INTERVENTI SULLA INTERVENTI SULLA LINEA FANGHILINEA FANGHILINEA FANGHILINEA FANGHI

INTERVENTI DI TIPO

CHIMICO-FISICO:

TECNICHE CONVENZIONALITECNICHE CONVENZIONALI

ISPESSIMENTO

Obiettivo: riduzione del contenuto d’acqua nel fango.Vantaggi:1. diminuzione delle dimensioni delle vasche e del quantitativo reagenti condizionanti;2. diminuzione della richiesta di calore per digestione anaerobica;3. diminuzione della richiesta di energia per essiccamento o incenerimento.

Tipi di ispessimento:1. a gravità (semplice, poco costoso ma significativa occupazione di area);2. flottazione (minore occupazione di aree ma non semplice);

►Sistemi innovativi (ispessimento dinamico)

DISIDRATAZIONE MECCANICADISIDRATAZIONE MECCANICA

Obiettivo: riduzione “spinta”del contenuto d’acqua nel fango.

Sistemi innovativi (funzionamento in continuo, incremento di punti percentuali del tenore di

secco, impiego di condizionanti “perfezionati”,…):

1. nastropresse di nuova generazione;

2.filtropresse continue;

3.centrifughe ad alta efficienza.

ESSICCAMENTO TERMICO

Obiettivo: drastica riduzione dell’ acqua contenuta nel fango mediante evaporazione.

Il fango essiccato presenta un grado di umidità inferiore al 20%, il che determina una

riduzione di peso da 3 a 6 volte rispetto ad un fango disidratato.

Nuove tecnologie:

1.Miglioramento sistema di movimentazione dei fanghi;

2.Ricircolo gas esausti e recupero energetico (riduzione consumi di energia);

3.Miglioramento contatto fango-mezzo riscaldante.

VANTAGGI CONSEGUIBILI1.riduzione del quantitativo di fango da movimentare e migliore manipolabilità del prodotto;

2.igienizzazione del prodotto;

3.possibile impiego in discarica per la copertura giornaliera dei rifiuti;

4.elevato potere calorifico.

SVANTAGGI

1.elevati costi energetici;

INTERVENTI DI TIPO

CHIMICO-FISICO:

TECNICHE INNOVATIVETECNICHE INNOVATIVE

FINALITA’Solubilizzazione del fango ⇒ miglioramento delle rese di digestione anaerobica ⇒incremento della produzione di biogas.

DEFINIZIONEScissione delle cellule e delle lunghe catene di molecole in presenza di acqua grazie all’applicazione di calore (termica) e/o di un reattivo che ne altera il pH.

IDROLISI TERMICA

VANTAGGI1. Minor produzione di fango;

2. Maggior produzione di biogas; 2. Maggior produzione di biogas;

3. Fango “igienizzato”;

4. Incremento della capacità di carico dei digestori;

5. Impianto compatto e modulare.

FASI COSTITUENTI1.pre-disidratazione;

2.idrolisi termica alcalina;

3.raffreddamento del fango idrolizzato;

4.digestione convenzionale;

5.disidratazione finale del fango.

FINALITA’Solubilizzazione del fango ⇒ miglioramento delle rese di digestione anaerobica ⇒ incremento della produzione di biogas.

DEFINIZIONEUtilizzo di ultrasuoni (onde sonore con frequenza 20 ÷ 40 KHz) per il trattamento di fanghi (primari e secondari) che generano pulsazioni all’interno della massa di fango costituita da bolle o cavità; queste bolle o cavità aumentano di diametro fino a raggiungere uno stato critico, in corrispondenza del quale implodono.

ULTRASONICAZIONE

⇒ Il risultato finale è la distruzione delle strutture solide contenute nel fango……si ha un incremento del COD rapidamente biodegradabile o rapidamente idrolizzabile a spese dei solidi sospesi

VANTAGGI/SVANTAGGI

1. Minor produzione di fango;

2. Maggior produzione di biogas;

3. Migliore disidratabilità (riduzione del consumo di polielettrolita nella disidratazione);

MA

►Elevati consumi energetici

INTERVENTI DI TIPO BIOLOGICO:

TECNICHE CONVENZIONALITECNICHE CONVENZIONALI

STABILIZZAZIONE ANAEROBICA

FINALITA’►Rimozione dei SSV (circa pari al 50%).• Può avvenire in condizioni di temperatura mesofila (più vantaggiosa per impianti civili di medio-alta

potenzialità dal punto di vista energetico) oppure termofila• Miglioramenti si ottengono adottando pre-trattamenti volti a favorire l ’ idrolizzazione del

substrato (disgregazione meccanica, idrolisi termica alcalina,…..)VANTAGGI1. Sfruttamento energetico del biogas2. Fango più facilmente ispessibile3. Fango ben igienizzatoSVANTAGGI1. Costo di investimento elevato2. Complessità gestionale

STABILIZZAZIONE AEROBICA

2. Complessità gestionale

FINALITA’►Rimozione dei SSV (circa pari al 20-30%).• Normalmente è condotta a temperatura ambienteVANTAGGI1. Semplicità gestionale2. Costo di investimento modestoSVANTAGGI1. Il rendimento di rimozione dei SSV è ridotto e molto condizionato dalla temperatura2. Consumi energetici elevati3. Fango poco igienizzato

INTERVENTI DI TIPO BIOLOGICO:

TECNICHE INNOVATIVETECNICHE INNOVATIVE

DIGESTIONE TERMOFILA AEROBICA (O2) /ANAEROBICA

PRINCIPIOCapacità di una flora batterica termofila specializzata a degradare i SSV contenutinei fanghi biologici prodotti da impianti che trattano reflui: -civili; -industriali; -misti.

FINALITA’►Solubilizzazione dei solidi sospesi volatili e incremento del COD rapidamentebiodegradabile;biodegradabile;►Ammonificazione dell’azoto organico; ►Ossidazione del COD.

FASI COSTITUENTI1.Adduzione fanghi preventivamente ispessiti; 2.Trattamento biologico mediante digestione termofila a cicli alternati;3.Trattamento fisico di ultrafiltrazione a membrana da cui escono due distinti flussi:

► il permeato che va ad un comparto di strippaggio per il recupero di ammoniaca; ► il concentrato che viene immesso nuovamente nel reattore biologico termofilo.

ALCUNI VANTAGGI

1.Riduzione di oltre l’80% in peso e volume di fango;

2.Produzione di un substrato carbonioso liquido (ad es. fonte esterna di carbonio nei processi di denitrificazione,……);

3.Nessuna contaminazione chimica delle acque depurate utilizzando O2

puro;

4.Abbattimento della carica patogena presente nel fango;

5.Possibile co-trattamento di reflui industriali ad alto carico organico;

6…………….

POSSIBILI SVANTAGGI

• Scarsa sedimentabilità dei fanghi;

• Costi legati all’utilizzo

dell’ossigeno puro per garantire

l’aerobiosi ;

Impiego di sistemi di

separazione a membrana

Alternanza di fasi aerobiche/

anaerobiche

�

�

SOLUZIONI

• Costi legati al mantenimento delle

temperature;

• Impossibilità ad ossidare l’azoto

ammoniacale;

Possibile recupero???

Sfruttamento dell’esotermia

delle reazioni di degradazione

del substrato nelle fasi

aerobiche

�

�

Principali pubblicazioni

• ISPRA (2009). “L’ottimizzazione del servizio di depurazione delle acque discarico urbane: massimizzazione dei recuperi di risorsa (acque e fanghi) eriduzione dei consumi energetici”. Rapporto 93/2009. ISBN: 978-88-448-0394-0

• Ravasio P., Bertanza G., Collivignarelli M.C. (2011). “Il processo BIORIME”.Atti della 44a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale“Gestione dei fanghi di depurazione: interventi e prospettive”, Lazise (VR),9 giugno.9 giugno.

• A breve sarà pubblicato dal GRUPPO DI LAVORO sulla GESTIONE DEGLIIMPIANTI DI DEPURAZIONE (Università di Brescia) – Sottogruppo“MAssimizzazione del REcupero di materia ed energia negli impianti didepurazione” – un volume riguardante lo stato dell’arte sui differentipotenziali di recupero (materia ed energia).

Grazie dell’attenzione!Grazie dell’attenzione!