Fondamenti di impianti biotecnologici industriali

1. Fondamenti di impianti biotecnologici industriali 10/Gennaio/2012 Elementi di dimensionamento/progettazione di sistemi biologici a fanghi attivi

2. I processi biologici, spesso chiamati "trattamenti secondari", sono applicati per la conversione di sostanze organiche particolate o solubili. I processi biologici più comunemente utilizzati e trattati in questa sezione sono i processi a fanghi attivati. Altri tipi di processi biologici possono essere le lagune aerate, i filtri percolatori, i biodischi. Nel progetto di questo tipo di trattamento biologico devono essere fatte considerazioni sui seguenti aspetti: • Selezione del tipo di reattore • Criteri di carico • Produzione di fanghi • Sedimentazione • Richiesta e trasferimento di ossigeno • Richiesta di nutrienti • Controllo degli organismi filamentosi • Caratteristiche dell’effluente

3. Selezione del tipo di reattore I fattori operativi che governano la scelta del reattore sono: • La cinetica di reazione del processo. I due tipi di reattori più comunemente usati sono completamente miscelati (CSTR o a flusso continuo) e plug-flow (con flusso a pistone). È interessante notare che i tempi di ritenzione idraulica di molti di questi reattori sono circa gli stessi. Ciò è dovuto al fatto che la rimozione del substrato particolato e solubile è una reazione approssimativamente di ordine zero rispetto alla concentrazione di substrato e quasi di primo ordine rispetto alla concentrazione di microrganismi. • La richiesta di trasferimento di ossigeno. In reattori convenzionali plug-flow è stato spesso osservato che non è possibile soddisfare la richiesta di ossigeno nella parte iniziale del reattore. Ciò ha portato allo sviluppo di modifiche come il processo di controllo dell’aerazione, il processo step-feed, nel quale il refluo in ingresso è distribuito sulla lunghezza del reattore (generalmente su quattro punti) e il processo di miscelazione completa, dove l’aria fornita pareggia o supera la richiesta. E’ questo oggi il processo maggiormente utilizzato. • La natura del refluo da trattare. Poiché in un reattore completamente miscelato il refluo è distribuito uniformemente, appare decisamente più indicato rispetto ad un plug-flow in termini di resistenza a fenomeni di sovraccarico.

4. Le condizioni ambientali locali. Per quanto concerne la temperatura, una variazione di questo parametro porta a variazioni della velocità di reazione biologica (ad esempio una diminuzione da 18 a 10°C dimezza circa la velocità di reazione). Quando sono previste significative variazioni di temperatura del refluo, deve essere previsto l’utilizzo di più reattori (CSTR o plug-flow) in serie. Il pH a valori acidi può inibire la flora batterica nitrificante e favorire invece i microrganismi filamentosi. Un refluo con bassi valori di alcalinità ha un debole potere tamponante e quindi può favorire l’abbassamento del pH a causa della presenza di CO2 della respirazione batterica. • Le operazioni di costruzione e i costi di gestione. Spesso una valutazione economica, sia in termini di spese di investimento che di gestione, fa prevalere la scelta del processo ed il peso del trattamento biologico rispetto a quello fisico o chimico.

5. Rispetto dei criteri di carico I parametri operativi più comunemente utilizzati sono il rapporto alimento/microrganismi (F/M) e il tempo medio di residenza degli organismi (“meancell residence time”), θc , o età del fango. Il rapporto alimento/microrganismi (d-1) è definito come: F:M = S0/θX [kgCOD/kgMLVSSdie] Dove: S0 = concentrazione di BOD o COD in ingresso (mg/l) θ = tempo di ritenzione idraulica nella vasca di aerazione (V/Q = d) V = volume della vasca di aerazione (m3) Q = portata in ingresso (m3/d) X = concentrazione di solidi volatili sospesi nella vasca di aerazione (mg/l) La relazione tra il rapporto F/M e la velocità specifica di utilizzazione del substrato U è: U = (F/M) x E/100 Dove: E = efficienza del processo (%) S = concentrazione di BOD o COD in uscita (mg/l) Risulta quindi che U = (S0-S)/θX

6. Il tempo medio di residenza degli organismi θc può essere definito in due modi: • Sulla base del volume della vasca di aerazione • Sulla base del volume di tutto il sistema Si raccomanda che il progetto del reattore sia basato sulla prima delle equazioni, sull’assunzione che sostanzialmente tutta la conversione del substrato avvenga nella vasca di aerazione. La seconda equazione può eventualmente essere utilizzata dove notevoli percentuali di solidi (50% e oltre) sono presenti nel sedimentatore e nella zona di ricircolo del fango. In questo caso il calcolo della quantità di fango nel sedimentatore può essere determinata dalla misura dello strato di fango nella vasca e dalla concentrazione di solidi in ricircolo. L’uso della seconda equazione è basato sull’assunzione che il fango biologico passa alla respirazione endogena indifferentemente se il sistema si trova in condizioni aerobiche o anaerobiche.

7. La velocità specifica di utilizzazione del substrato U (F/M moltiplicato per l’efficienza) può essere considerata come la misura della velocità alla quale il substrato (BOD) è utilizzato per unità di massa di organismi e θc come la misura del tempo di residenza medio dei batteri nel sistema. La relazione tra θc e F/M è: 1/ θc = Y(F/M)(E/100) – kd = YU – kd Dove: Y è il coefficiente di resa degli organismi (kg di organismi prodotti per kg di sostanza organica rimossa e kd il coefficiente di decadimento endogeno (tempo-1). Tipici valori di F/M riportati in letteratura sono compresi tra 0.05 e 1.0 kgCOD/kgMLVSS per giorno mentre è stato verificato sperimentalmente che valori di θc compresi tra 3 e 15 giorni (per la sola rimozione del C) consentono la produzione di un fango con eccellenti caratteristiche di sedimentabilità Tipicamente i tempi di residenza idraulica nelle vasche di aerazione variano da 4 a 8 ore e oltre. Il carico organico applicato (Organic Loading Rate, OLR) varia da 0.3 a più di 3 kgBOD5/m3d.

8. Produzione di fango È importante conoscere con buona approssimazione la produzione di fango giornaliera poiché è un parametro che influenza l’efficienza depurativa (si pensi alla nitrificazione) ed il progetto delle unità di gestione della linea fanghi necessarie al fine del suo trattamento e smaltimento. La quantità di fango prodotta può essere calcolata dalla seguente equazione: Px = YobsQ(S0-S) La resa osservata Yobs è calcolata da: Yobs = Y/(1+kdθc) Da questa si evince come, ricadendo Y nell’intervallo 0.4-0.8 kgMLVSS/kgCOD (tipico 0.5 kgMLVSS/kgCOD) ed essendo kd pari a 0.05 giorni -1, l’età del fango governi di fatto la resa del processo in termini di nuova biomassa prodotta: in particolare, alti valori di età del fango (oltre 15-20 giorni) daranno rese osservate chiaramente inferiori ad Y, con valori tipici di circa 0.1-0.2 kgMLVSS/kgCOD.

9. Richiesta e trasferimento di ossigeno (MATERIALE DIDATTICO OPZIONALE) La richiesta teorica di ossigeno può essere ricavata dal valore di BOD5 del refluo e dalla quantità di organismi rimossi dal sistema al giorno. Se tutto il BOD è stato convertito ai prodotti finali, la domanda di ossigeno totale verrebbe calcolata convertendo il BOD5 a BODL usando un appropriato fattore di conversione. È risaputo che una parte è convertita in nuove cellule successivamente estratte dal sistema (fango di spurgo); quindi, se il BODL delle cellule perdute è sottratto dal totale, il rimanente rappresenta la quantità da fornire al sistema. Nell’equazione successiva il valore di BODL di una mole di cellule è uguale a 1.42 volte la concentrazione di cellule. S + O2 + energia → C5H7NO2 + 5CO2 + 2H2O + NH3 + energia Pertanto la richiesta teorica di ossigeno per la rimozione della sostanza organica carboniosa dal refluo in un sistema a fanghi attivi può essere calcolata come: KgO2/d = BODL utilizzato (kg/d) – 1.42 x organismi eliminati dal sistema (kg/d) f = fattore di conversione da BOD5 a BODL

10. Quando si deve considerare anche la nitrificazione, la richiesta totale di ossigeno può essere calcolata come somma dei kg di ossigeno necessari alla rimozione della sostanza organica e dei kg di ossigeno necessari per l’ossidazione dell’ammoniaca a nitrato come segue (4.57 fattore stechiometrico per l’O2 necessario rispetto ad N): N0 = TKN influente (mg/l) N = TKN effluente (mg/l) A questo punto, conosciuta l’efficienza del trasferimento di ossigeno, è possibile determinare la quantità di aria richiesta. In sostanza l’aria fornita al sistema deve: • Soddisfare il carico di BOD del refluo • Soddisfare la respirazione endogena degli organismi • Consentire un’adeguata miscelazione • Mantenere una concentrazione minima di ossigeno disciolto nella vasca di aerazione (1-2 mg/l)

11. Caratteristiche dell’effluente Il contenuto di sostanze organiche (solubili e particolate) è il più importante parametro di qualità dell’effluente. I principali costituenti della parte organica dell’effluente da un processo di trattamento biologico sono i seguenti: • Sostanze organiche solubili biodegradabili • Sostanze sfuggite al trattamento biologico • Sostanze formate come prodotti intermedi delle trasformazione • Componenti cellulari degli organismi • Materiale organico in sospensione • Solidi biologici prodotti durante il trattamento sfuggiti alla sedimentazione finale • Solidi organici colloidali in ingresso all’impianto sfuggiti al trattamento e alla separazione • Sostanze organiche non biodegradabili • Sostanze originariamente presenti all’ingresso dell’impianto • Sottoprodotti della degradazione biologica In un impianto a fanghi attivi perfettamente funzionante il BOD5 effluente relativo al substrato carbonioso solubile varia da 2 a 10 mg/l, quello relativo al materiale organico in sospensione da 5 a 15 mg/l, quello relativo alle sostanze non biodegradabili da 2 a 5 mg/l. Complessivamente, quindi avremo valori medi di BOD5 allo scarico < 30 mg/L. Lez 7 - trattamento reflui

12. Esempio : dimensionamento di un sistema a fanghi attivi completamente miscelato Dimensionare un processo a fanghi attivi completamente miscelato per trattare 0.25 m3/s (900 m3/h) di refluo con un livello medio di BOD5 di 250 mg/l. L’effluente deve avere un BOD5 di 20 mg/l o meno. Si assuma che la temperatura sia di 20°C e che siano valide le seguenti assunzioni: • La concentrazione di solidi sospesi volatili in ingresso al reattore è trascurabile • La frazione volatile della biomassa è MLVSS/MLSS in reattore = 80% • La concentrazione del fango di ricircolo = 10000 mg/l • La biomassa in vasca è MLVSS = 3500 mg/l • L’età del fango è θc = 10 d • I Solidi Sospesi nell’effluente = 22 mgSS/l (biodegradabili al 65% - si assuma BODL_out= SSout * 0.65) • Vale il rapporto BOD5 = 0.68 x BODL mentre il rapporto BODL/MLVSS = 1.42

13. Soluzione PASSO N.1: CALCOLARE IL BOD TOTALE NELL’EFFLUENTE La porzione biodegradabile dei solidi sospesi nell’effluente è: % solidi degradabili x solidi sospesi nell’effluente = 0.65(22 mg/l) = 14.3 mgBODL/l PASSO N. 2: CALCOLARE IL BOD5 CHE PUO’ EFFLUIRE DAL TRATTAMENTO Il BOD5 dei solidi sospesi nell’effluente è: BODL dei solidi biodegradabili nell’effluente x (BOD5/BODL) = 14.3 mg/l(0.68) = 9.7 mg/l Per rispettare il limite di 20 mg/l allo scarico dovrà essere: BOD5effluente = BOD5solubile in che esce dal trattamento + BOD5solidi sospesi nell’effluente 20 mg/l = S + 9.7 mg/l S = 10.3 mg/l

14. PASSO N. 3: CALCOLARE L’EFFICIENZA RICHIESTA DAL TRATTAMENTO L’efficienzadi trattamento sulla base del BOD solubile e totale è, rispettivamente: E = (S0-S)x100/S0 = (250-6.2)x100/250 = 95.9% E = (250-20)x100/250 = 92% PASSO N. 4: CALCOLARE IL VOLUME DEL REATTORE E LA QUANTITA’ DI FANGO DA SPURGARE Il volume del reattore necessario per avere un BOD5effluente = 6.2 mg/l può essere determinato tramite le equazioni: Sostituendo θ e risolvendo si ottiene: La biomassa generata e quindi la quantità di fango da spurgare si determina sulla base di Yobs:

15. La massa dei solidi volatili (MLVSS) generata è quindi pari a: I solidi prodotti sono pari a MLVSS/0,8 = ---kg/d / 0,8 = ---kg/d (MLSS) Dal momento che parte dei fanghi fugge con l’effluente, la quantità di fango che deve essere effettivamente spurgata è inferiore e precisamente pari a: Fango da spurgare = MLSS prodotti – SS persi con l’effluente ---kg/d – (0.25 m3/s) x 22 mg/l = ---kg/d

16. Q S0 sedimentatore Qe, S, Xe X, Vr, S Qr, S, Xr Qw, X Nel caso in cui lo spurgo del fango venga effettuato dal reattore si assume che Qe = Q e che la concentrazione dei solidi sospesi volatili nell’effluente è pari all’80% dei solidi sospesi. Qw = 360 m3/d Se lo spurgo è effettuato dal flusso di ricircolo (dove i fanghi sono concentrati a 10000 mg/l) si avrà Qw = 126 m3/d. PASSO N. 5: CALCOLO RAPPORTO DI RICIRCOLO E TEMPO DI RESIDENZA IDRAULICO Il rapporto di ricircolo ottimale del sistema si ricava dal bilancio di materia della biomassa effettuato sul reattore. MLVSS reattore (Q + Qr) = MLVSS ricircoloQr Il tempo di residenza idraulico per il reattore è:

17. PASSO N.6: VERIFICA DEI CARICHI SPECIFICI Il rapporto F/M è: Il carico organico volumetrico è: La verifica sui carichi in relazione al volume di reattore determinato conferma la possibilità di operare in queste condizioni essendo i valori determinati pienamente in linea con gli intervalli riportati dai testi tecnici Lez 7 - trattamento reflui