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WORKSHOP - RISPARMIO & RECUPERO ENERGETICO NELLA DEPURAZIONE DELLE ACQUE DI SCARICO

29/30 – Novembre - 2012

Processi innovativi per la produzione di biogas a basse temperature

Marco De Sanctis

E-mail: marco.desanctis@ba.irsa.cnr.it

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Processo di trattamento convenzionale (Fanghi attivi)

Vantaggi:

Processo piuttosto conosciuto e stabile (variazioni di temperatura, portata entrante, composizione dell’alimento)

Rimozione sostanza organica, azoto e fosforo

Svantaggi processo:

basse capacità di trattamento (1 kgCOD/m3d)

elevata produzione di fango (0,4-0,6 kg SS/kgCODrimosso)

elevata richiesta di superficie (0,35-0,8 m2/kgCODrimosso)

elevato consumo energetico (aerazione 0,6-0,8 kWh/m3)

Processo di trattamento convenzionale (Fanghi attivi)

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• Reazione biologica e sedimentazione in una solo vasca (poco spazio)

• Elevata capacità di trattamento (carico organico e volumetrico)

• Bassa produzione di fanghi di supero

• Produzione di biogas

•Assenza di aerazione

Vantaggi:

• Maggior complessità costruttiva nella realizzazione di un reattore anaerobico rispetto ad uno aerobico

• Fase di start-up lunga

• Necessità affinare l’effluente (possibile processo aerobico)

• Elevata sensibilità nei confronti di composti tossici o inibenti

• Necessità di termostatare il reattore biologico (>30ºC; elevata richiesta energetica)

• ‘’Forza’’ del refluo da trattare

Svantaggi:

Processi anaerobici

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Processi anaerobici a basse temperature

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Tipologia

impianto

Influente Conc. Infl.

(gCOD/L)

OLR

(KgCOD/m3 d)

Temperatura

(°C)

HRT

(h)

Efficienza

(%)

AAFEB Glucosio 0,2-0,6 4-16 10 1-6 40-80

ASF Peptone 0,2 0,64 5-10 7,5 27-35

UASB Vinaccia di zucchero 0,2-0,4 0,7-6,5 8 1,5-14 32-65

EGSB VFA 2,6 2,0 12 32 50

UASB Brodo di carne 1,4-7,0 2-10 10 16 49-80

EGSB VFA 0,5-0,8 10-12 10-12 1,6-2,5 90

ASBR Latte in polvere 0,6 0,6-2,4 5-10 6 65-85

EGSB+EGSB Malto 0,2-1,8 3-12 10-15 3,5 67-78

EGSB+EGSB VFA 0,5-0,9 5-12 4-8 2-4 90

USAB Vinaccia 1,2-5,2 0,3-7,3 4-11 12-38 15-92

UASB+UASB Vinaccia 1,1-5,4 0,8-5,5 4-10 19-31 16-80

AMBR Latte in polvere 0,6 1,2-3,5 15-20 4-12 59-81

UASB Refluo sintetico 5,0-8,0 0,9-7,2 15 168 88-92

UASB Refluo sintetico 0,8-1,0 0,9-1,0 15 24 77-89

UASB Refluo urbano dopo

sedimentazione primaria

0,2-1,3 0,2-31,8 10-28 1-24 38-82

UASB+biofiltro 0,2-1,3 0,2-31,8 10-28 1-24 38-82

EGSB+membrana Refluo sintetico 0,4-0,8 1,6-4,5 11-25 3,5-5,7 76-90

AAFEB: Anaerobic Attached Film Expanded Bed reactor; ASF: Anaerobic Submerged Filter tank; UASB: Upflow Anaerobic Sludge Banket reactor; EGSB: Expanded Granular Sludge Bed reactor; AMBR: Anaerobic Migrating Blanket Reactor

Processi anaerobici a basse temperature

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Svantaggi: - Start-up lungo

- HRT elevato per ottenere migliore qualità dell’effluente

- Necessità affinare l’effluente (COD e Solidi Sospesi)

Vantaggi: - Il metano prodotto non viene utilizzato per termostatare l’impianto

- Funzionamento con reflui meno concentrati

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Sistema SBBGR (Sequencing Batch Biofilter Granular Reactor)

(Ideato presso IRSA)

Influente

Effluente

Ciclo SBBGR

Pressostato

Corrente di ricircolo

Aria

Periodicamente, raggiunto un prestabilito valore di

perdita di carico nel letto impaccato si effettua una

fase di lavaggio del biofiltro con aria compressa

Aria lavaggio

Fango

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Sistema SBBGR (Sequencing Batch Biofilter Granular Reactor)

(Ideato presso IRSA)

2 mm

Elevate concentrazioni di biomassa nel letto dell’impianto

Elevata capacità di trattamento e stabilità (carico organico e volumetrico)

Bassa produzione di fanghi di supero

Non necessita ne di sedimentatore ne di fase di sedimentazione

Elevata qualità dell’effluente (COD, azoto, solidi sospesi)

Possibile integrazione con processi chimico-fisici (utilizzo di ozono, UV+H2O2) per la rimozione di composti recalcitranti

Capacità ridotto effetto inibente sulla biomassa da parte di composti chimici tossici o inibenti

Svantaggi: Tempi start-up

Richiesta energetica per aerazione

Richiesta energetica per corrente di ricircolo

Ottimizzazione portata di ricircolo

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Proprietà dei sistemi SBBGR Vantaggi:

(2) (3)

granuli

(4)

carrier biofilm

(1)

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Realizzazione di un impianto SBBGR a bassa portata di ricircolo

Parametro SBBGR SBBGR a bassa

portata di ricircolo

OLR (gCOD/L d) ≤ 4 0,4

Velocità di risalita (m/h) 3,0-3,5 0,6-0,7

TSS effluente: 12 mgTSS/L Range: 0,5-30 mg/L

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Prestazioni dell’impianto a bassa portata di ricircolo

Influente

(mg · L-1)

Effluente

(mg · L-1)

Efficienza

(%)

Parametro Media Range Media Range Media Range

COD 426 392 – 460 14 10 – 57 97 87 – 98

NH4+ 19,6 18,0 – 21,2 14,9 2,8 – 22,0 24 0 – 86

NOx 3,6 1,3 – 5,9 0,8 0,6 – 4,0 78 0 – 83

SO4-- 96 85 – 108 36 10 – 66 62 58 – 67

Produzione di fango: ≤0.15 gVSS/gCODrimosso

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Bilancio COD

Parametro Quantità (gCOD)

Parametro Quantità (gCOD)

COD rimosso

2448

O2 fornito/consumato 1181 Biomassa prodotta 451 SO4

-- ridotti 166 NOx ridotti 19

COD giustificato 1817

COD rimosso / COD giustificato (%) 74

Possibile presenza di altri metabolismi anaerobici?

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Analisi bio-molecolare biomassa

(Fluorescence In Situ Hybridization – FISH)

Archaea metanigeni Methanosaeta spp.

3-4% biomassa totale (~10 gVSS)

Batteri solfato-riduttori

7% biomassa totale

2 mm

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Metano (ml/ciclo) Equivalenti di COD

(mg)

CODinf (mg) Temperatura

(°C) Media Range Media Range

1790 20-22 127 110-156 363 315-445

8950 20-22 292 290-294 834 827-839

0 20-22 72 63-83 207 181-237

1790 27-28 295 268-322 843 766-920

Produzione di metano

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Tipologia impianto Temperatura (°C)

COD fornito (gCOD/giorno)

Metano prodotto (L/giorno)

Resa produzione metano

(Lmetano/gCOD)

Riferimento bibl.

AMBR 15-20 70 8 0,11 Angenent et al. 2001

UASB 15

5,65 1,69 0,30 Akila, Chandra 2007

UASB 15

45,2 11,3 0,25 Akila, Chandra 2007

UASB e UASB+biofiltro

14-20

26,5 1,19 0,04 Lew et al. 2004

EGSB+membrana 11-25 7,52-21,15 0,89-1,85 0,12-0,09 Chu et al. 2004

SBBGR 20-22 7,2 0,51 0,07 Questo studio

SBBGR 27-28 7,2 1,18 0,16 Questo studio

Resa massima di conversione COD in metano: 0,35 Lmetano/gCOD

Produzione di metano

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Bilancio COD

Parametro Quantità (gCOD)

Parametro Quantità (gCOD)

COD rimosso

2448

O2 fornito/consumato 1181 Biomassa prodotta 451 SO4

-- ridotti 166 NOx ridotti 19

COD giustificato 1817

Metano prodotto 555

COD rimosso / COD giustificato (%) 97

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Nuova sperimentazione in atto

Start-up: reattore SBBGR aerobico con bassa portata di aerazione (ossigeno insufficiente a rimuovere tutto il COD fornito) che opera a temperatura ambiente Funzionamento a regime: ulteriore riduzione dell’ossigeno fornito

Aerazione costante a bassa portata

Aerazione solo nella fase finale del ciclo

Processo anaerobico a bassa temperatura con elevata efficienza di conversione COD/metano + Processo aerobico per il finissaggio dell’effluente nello stesso reattore

Scopo

R

pH

T2

Effluente

P2 C2

TP

MP

C1 P1

Refluo

P3 Base

T3

Level switch PLC

EV2

DO + T

T1

EV1

Aria + biogas

Effluente depurato

Influente

Corrente ricircolo

Soluzione tampone

Aria

Collegamento elettrico

18 TP: sensore pressione; MP: lettore pressione; T1-2-3: uscite temporizzatore; EV1: elettrovalvola per scarico effluente; P1: pompa per alimentazione; P2: pompa ricircolo; C2: compressore per aerazione; C1: compressore spurgo fango; EV2: elettrovalvola per scarico biogas

Sperimentazione in atto

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Riferimenti bibliografici Angenent, L.T., Banik, C.G. and Sung, S. (2001) Anaerobic Migrating Blanket Reactor treatment of low-strength wastewater at low temperatures. Water

Environment Research, vol. 73, n. 5, pp. 567-574

Akila, G. and Chandra, T.S. (2007) Performances of an UASB reactor treating synthetic wastewater at low-temperature using cold-adapted seed slurry.

Process Biochemistry, 42, pp. 466-471

Chu, L.-B., Yang, F-L. and Zhang, X.-W. (2005) Anaerobic tratment of domestic wastewater in a membrane-coupled expanded granular sludge bed (EGSB)

reactor under moderate to low temperature. Process Biochemistry, 40, pp. 1063-1070

Switzenbaum, M.S. and Jewell, W.J. (1978) Anaerobic attached film expanded bed reactor treatment of dilute organics. In: Proceedings of the 51st Annual

WPCF Conference. Anaheim, California, pp. 1–164

Matsushige, K. et al. (1990) The effects of temperature on anaerobic filter treatment for lowstrength organic wastewater. Environ. Technol. 11, 899–910

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conditions. J. Fermen. Bioengin. 80, 15–22

Lettinga, G., Rebac, S., Parshina, S., Nozhevnikova, A., Van Lier, J.B. and Stams, A.J.M. (1999) High-rate anaerobic treatment of wastewater at low

temperature. Appl. Environ. Microbiol. 65, 1696–1702

De Man, A.W.A. et al. (1988) The use of EGSB and UASB anaerobic systems for low strength soluble and complex wastewaters at temperatures ranging

from 8 to 30°C. In Proceedings of the Fifth Internations Symposium on Anaerobic Digestion (Hall, E.R. and Hobson, P.N., eds), pp. 197–209

Grant, S. and Lin, K.C. (1995) Effects of temperature and organic loading on the performance of upflow anaerobic sludge blanket reactors. Can. J. Civil Eng.

22, 143–149

Banik, G.C. and Dague, R.R. (1996) ASBR treatment of dilute wastewater at psychrophilic temperatures. In Proceedings of the 69th Annual Water

Environment Conference, pp. 235–246

Rebac, S. et al. (1998) Psychrophilic (6–15°C) high-rate anaerobic treatment of malting waste water in a two module EGSB system. Biotechnol. Prog. 14,

856–864

Kalyuzhnyi, S.V., Gladchenko M.A., Sklyar V., Kizimenko Y.S. (2001) One- and two-stage upflow anaerobic sludge-bed reactor pretreatment of winery

wastewater at 4–10°C. Applied Biochemistry and Biotechnology, vol 90, pp.107.124

Lettinga, G.,Rebac, S. and Zeeman, G. (2001) Challenge of psychrophilic anaerobic wastewater treatment TRENDS in Biotechnology, Vol.19, No.9

Lew, B., Tarre, S., Belavski, M. and Green, M. (2004) UASB reactor for domestic wastewater treatment at low temperatures: a comparison between a

classical UASB and hybrid UASB-filter reactor. Water Science and Technology, vol. 49, n. 11-12, pp. 295-301

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Grazie a tutti per l’attenzione