IL RISPARMIO ENERGETICO E LA RIDUZIONE NELLE EMSSIONI DI CO2 CON IL TRATTAMENTO ANAEROBICO DELLE ACQUE REFLUE DI CARTIERA DI CARTA RICICLATA.  PRESENTAZIONE DI UN CASO CONCRETO

 

Ing. Ermanno Cacciari, Ing. Alessandro Massone

Austep Srl

info@austep.com

 

Relazione presentata in occasione del XVIII Congegno Aticelca 25 – 26 Maggio 2006

 

Sono passati circa 15 anni dal primo impianto in Italia di depurazione di acque reflue di cartiera di carta riciclata con il trattamento anaerobico; ne sono seguiti altri, ma in numero molto limitato.  L’attualità del risparmio energetico e di riduzione nelle emissioni di gas serra (CO2) aumenteranno l’interesse delle Cartiere verso i processi anaerobici.  I vantaggi che essi presentano rispetto ai processi aerobici sono notevoli e si possono così riassumere:

– bassa produzione di fanghi

– basso consumo di energia meccanica (non è richiesta l’aerazione)

– basso consumo di nutrienti

– produzione di metano (energia) e relativa compensazione delle emissioni di CO2

– carichi volumetrici notevolmente superiori a quelli dei processi aerobici (anche di un ordine di grandezza) e quindi costi di impianto che possono essere inferiori ai processi aerobici.

Questa relazione evidenzia tali vantaggi in linea generale ed in particolare si riferisce al caso di una cartiera riciclata, di media capacità produttiva, che ha adeguato l’esistente impianto a biodischi con il pre-trattamento anaerobico, con reatore UASB.

 

COD equivalente di metano

E’ abbastanza semplice fare un bilancio di massa – su base COD – del processo di trattamento anaerobico.  Anziché tenere conto della variazione del COD (cioè della richiesta di ossigeno) nell’abbattimento della sostanza organica per via anaerobica, la rimozione del COD può essere calcolata o misurata dalla produzione di metano.  L’equivalenza tra COD e metano è data dalla reazione della sua completa ossidazione:

                                      CH4 + 2O2  CO2 + 2H2O                           (1)

Dalla (1) si ha che una mole di metano (in condizioni standard di 0°C ed un’atmosfera occupa 22,4 litri) consuma od è equivalente alla rimozione di due moli di ossigeno, pari a 64 grammi.  Così: 22,4 litri/64 grammi = 0,35 L di metano a 0°C e 760 Torr (condizioni standard) sono equivalenti a 1 grammo di COD rimosso o abbattuto nel processo di trattamento per via anaerobica.  Dato che normalmente i processi anaerobici si svolgono in campo mesofilo intorno a 35°C, si può anche scrivere l’equivalenza a questa temperatura, che vale:

1 gr COD rimosso = 0,395 L a 35°C e 1 atm

spesso si approssima a 0,4 L metano/g COD rimosso

 

Stima della produzione di metano nel trattamento anaerobico delle acque reflue industriali

Si suppone che la portata delle acque reflue sia pari a 1000 m3/d e la concentrazione del COD solubile biodegradabile sia di 5000 mg/L.  La rimozione del COD nel reattore anaerobico, operante a 35°C, sia dell’80% e la produzione netta di biomassa del 4% su base COD (cioè 0,04 g VSS/g COD rimosso).  Il bilancio di massa, su base COD, in condizioni stazionarie, consente di determinare la quantità del COD influente che è stata convertita a metano.  Il bilancio di massa, in condizioni stazionarie, è dato da:

 

O = CODin – CODe – CODvss – CODmetano                                        (2)

dove: CODin = COD influente

CODe = parte del CODin che rimane nell’effluente

CODvss = COD influente convertito in biomassa

CODmetano = COD influente convertito in metano.

 

Dalla (2) si ottiene: CODin = CODe + CODvss + CODmetano

si calcola ora:

  CODin = 1000m3/d * 5 kg/m3 = 5000 kg/d

  CODe = (1 – 0,8) * 5000 kg/d = 1000 kg/d

  biomassa prodotta = 0,04 * 5000 kg/d * 0,8 = 160 kg VSS/d

  COD corrispondente = 1,42 * 160 kg/d = 227,2 kg/d

 

Si ottiene così il COD convertito a metano:

COD metano = (5000 – 1000 – 227,2) kg/d = 3772,8 kg/d

Il metano equivalente del COD convertito in condizioni anaerobiche a 35°C è dato da:

0,395 m3/kg; pertanto il metano prodotto: 0,395 m3/kg * 3772,8 kg/d @ 1490m3/d

Il corrispondente biogas al 69% di metano è pari a:

 biogas ≈ 2160 m3/d

 

Confronto tra la CO2 evitata nei processi anaerobici e la CO2 emessa nei processi aerobici

La quantità di CO2 che si produce nei processi di trattamento aerobico di rimozione di una data sostanza organica è approssimativamente simile alla quantità di CO2 che si produce nel metabolismo anaerobico.  La differenza tra i due processi o meglio tra il processo anaerobico e quello aerobico con aerazione, è nello strippaggio della CO2 e negli off-gas.  Si può pertanto prescindere nel confronto della CO2 prodotta dal metabolismo batterico.  Per questo confronto può essere utile ricorrere ad un caso pratico, ad esempio ad una cartiera di carta riciclata di media potenzialità.

 

Dati di partenza:

portata media giornaliera acque reflue               150 m3/h = 3600 m3/d

 

Caratteristiche acque reflue:

COD, concentrazione                                      1.700 mg/L

COD, carico                                                   6.120 kg/L

BOD5                                                              @ ½ COD

Solidi sospesi                                                   ~ 100 mg/L

Temperatura                                                    28 ÷ 30°C

 

Si assume che la resa di abbattimento del COD sia dell’80%

Trattamento anaerobico:

metano prodotto: 0,388 * 6120 kg/d * 0,8 = 1.900 m3/d (trascurando la biomassa prodotta).

CO2 corrispondente:

CH4 + 2O2  CO2 + 2H2O

Ad una mole di metano corrisponde una mole di CO2, quindi la CO2 evitata è pari a: 1.900 m3/d CO2

Poiché il peso molecolare della CO2 è pari a 12 + 2*16 = 44 e riportando la produzione di metano in condizioni standard, la CO2 evitata è pari a :

1712 Nm3/d * 1/22,4 Nm3/kg mole * 44 = 3363 kg/d * 330 d/anno = 1.110 ton/anno

 

Il processo aerobico richiede il seguente consumo di energia elettrica per l’aerazione:

 assunto il fabbisogno di ossigeno in condizioni standard di 0,8 kg/kg COD rimosso ad un rendimento dell’ aerazione pari a a 1,5 kg O2/ kwh.

 Fabbisogno di O2: 6120 kg/d * 0,8 * 0,8 = 3916,8 kg/d

 Consumo di energia elettrica per l’aerazione : 2611 kwh/d * 330 d/a = 861.696 kwh/anno

 Contributo alla emissione di CO2 secondo riferimento Enel = 0,7 kg CO2 /kwh

                                               CO2 ≈ 603,2 t/anno

Si ha quindi:

con il trattamento anaerobico delle acque reflue grazie alla produzione di biogas CO2 evitata @ 1.100 t/anno

In più:

il trattamento aerobico richiede un consumo di energia elettrica per l’aerazione pari a 2611 Kwh/d, che corrisponde, per 330 d/anno di esercizio a regime, ad una quantità di CO2 emessa @ 603 t/anno.

 

La chiusura dei cicli dell’acqua ed il problema delle incrostazioni

Per ridurre i consumi energetici e pertanto le relative emissioni di CO2 è necessario:

ridurre gli sprechi di energia tra i quali la quantità di calore “incorporata” nell’acqua che viene inviata al depuratore, altrimenti persa;

ottimizzare le rese dell’anaerobico e recuperare il biogas prodotto;

valutare l’utilizzo della cogenerazione (già ben nota al settore della carta e non oggetto della presente relazione).

Si consideri infatti che per ogni m3 di acqua scaricata e riscaldata di 10°C (da 10 ÷ 12°C ai 20 ÷ 22°C) si sono consumati circa 1,2 ÷ 1,3 Nm3/h di metano equivalente.  Per sfruttare appieno le capacità dell’impianto anaerobico è necessario comunque superare la soglia di 800÷900 mg/L di COD e temperature di 24-25°C delle acque reflue influenti.  Questa soglia si supera attraverso le seguenti operazioni:

1. Utilizzo di ricuperatori di fumane per il pre-riscaldamento dell’acqua

2. Chiusura dei cicli e la riduzione del consumo specifico di acqua per kg di carta prodotta

Gli effetti principali sono:

1. Riduzione delle viscosità dell’acqua e quindi miglior drenabilità sulla tavola piana

2. riduzione dei consumi idrici, quando la risorsa acqua diventa sempre meno disponibile.

Durante la chiusura del ciclo si ha già un effetto di innalzamento della temperatura che in taluni casi va oltre i 38 ÷ 40°C.  La chiusura dei cicli ha pertanto sia dei vantaggi che degli svantaggi così come riportato nella tabella seguente.

 

Chiusura cicli

Vantaggi

Svantaggi

Aumento temperatura acqua

Rischio di sporcamento dei rulli

Riduzione consumi energetici

Rischio di incrostazioni

Maggior resa anaerobica e recupero biogas

Rischio di crescita limo biologico

Riduzione consumi idrici

 

Riduzione fanghi prodotti nell’impianti di depurazione

 

 

La risoluzione delle problematiche connesse con il rischio di sporcamento rulli e crescita limo biologico è già nota e praticata in molte cartiere.  La risoluzione della problematica delle incrostazioni (carbonati di calcio principalmente) è l’oggetto dell’ultima parte di questo intervento.

 

Il processo di bio-decalcificazione per la chiusura dei cicli

La chiusura dei cicli in cartiera può essere fatta in numerosi modi.  In via generale se ne possono

rappresentare quattro:

a.  riuso acque all’interno della cartiera

b.  riuso acque dopo trattamento primario (chimico/fisico)

c.  riuso acque dopo trattamento anaerobico

d.  riuso acque dopo trattamento aerobico.

Ci soffermeremo sulle ultime due, ovvero sempre dopo un processo biologico.  Queste modalità

permettono di ridurre il COD solubile prima di re-inviare le acque in cartiera e pertanto ridurre i rischi di formazione di limo biologico.  Ovviamente il riuso verrà effettuato dopo filtrazione dell’acqua.  Nel caso di una cartiera con cicli a valori specifici di 20 ÷ 40 L/kg consumata non si presentano generalmente problemi associati alla precipitazione dei carbonati.  Nel caso di cartiera con cicli da 10 ÷ 5 L/kg (litri per kg carta) consumata si iniziano a presentare rischi di precipitazione.

L’indice di Ryzner è un indice che permette di verificare il rischio di precipitazione, così come l’indice di Langelier.  La formula è la seguente:

 

dove :

 

Dove

K2 = costante di equilibrio per la dissociazione dei bicarbonati

gca= coefficiente di attività del calcio

[Ca] = concentrazione del calcio

gHCO3 = coefficiente di attività dei bicarbonati

[HCO3] = concentrazione dei bicarbonati

Kps = prodotto di solubilità del carbonato di calcio

 

Valori dell’indice sono i seguenti:

RI < 5,5                         forte formazione di incrostazioni

5,5 < RI < 6,2                formazione di incrostazioni

6,2 < RI < 6,8                valori ottimali (acqua neutra)

6,8 < RI < 8,5                acqua aggressiva

RI > 8,5                         acqua fortemente aggressiva

 

È pertanto necessario per le cartiere, prima di avviarsi verso la chiusura dei cicli, misurare l’indice di Ryzner e sicuramente valutare quanto deve essere la rimozione del calcio per regolarne l’effetto.

 

Processo BIODEC

È stato sviluppato un processo denominato BIODEC dall’Università di Gent Prof. Verstraete in collaborazione con la Cartiera VPK Packaging Oudegem papier basato sulla rimozione biologica del calcio nelle acque.  Nello specifico la cartiera aveva già un impianto di depurazione basato sul:

pre-trattamento anaerobico

ossidazione biologica e finissaggio.

I valori dell’indice di Ryzner erano molto bassi (nell’ordine di 3,2 – 3,7) con continue incrostazioni in cartiera.  Il loro ciclo è già particolarmente chiuso e pari a 3,5-3 L/kg Carta.  I test e l’impianto pilota industriale (vedi foto) hanno dimostrato che l’inserimento tra l’anaerobico e l’aerobico di uno stadio di rimozione del calcio determina un abbassamento dei valori di calcio da 450 mg/L a 50 mg/L come Ca.

 

 

La rappresentazione generale di applicazione del processo BIODEC con alcuni valori tipici è riportato nel seguente schema a blocchi.

 

 

La precipitazione del calcio nel processo BIODEC avviene attraverso il dosaggio nel reattore BBC di urea.  Durante l’idrolisi enzimatica dell’urea, (enzima ureasi), essa si trasforma in ammoniaca e carbonato e il pH, nell’interno della membrana cellulare, si innalza sino a far precipitare il calcio come carbonato.  L’effetto è una immediata precipitazione del calcio come carbonato di calcio senza bisogno dell’incremento di pH dell’acqua normalmente molto costoso.  Il reattore BIODEC richiede tempo di contatto modesti (dalle due alle quattro ore circa) e normalmente viene eseguito con un processo SBR o con un processo a flusso a pistone.  Si riportano i dati di rimozione del calcio durante la sperimentazione .

 

 

Il pre trattamento anaerobico con reattore UASB nell’adeguamento di una impianto a biodischi, per le acque reflue di una cartiera di carta riciclata

1. Introduzione

Questa relazione vuole illustrare come un impianto a biodischi, di trattamento di acque reflue di

una cartiera di carta riciclata che funzionava con rese di rimozione del COD molto basse e con problemi di maleodoranze, di intasamento e rottura dei dischi, si sia sensibilmente “ripreso” ed operi ora in modo soddisfacente, grazie al pretrattamento anaerobico, con reattore UASB, di recente istallazione.  I biodischi sono stati utilizzati in passato per la depurazione biologica degli scarichi di cartiera di carta riciclata che operavano con cicli dell’acqua abbastanza aperti e COD corrispondenti in alimentazione intorno a 500 ÷ 600 mg/L.  La semplicità di conduzione ne ha favorito l’applicazione.

 

La chiusura del ciclo dell’acqua, in adempimento alle direttive IPPC (Integrated Pollution Prevention Control), ha comportato un innalzamento della concentrazione di COD e BOD in ingresso al sistema a biodischi (in genere su più stadi in serie).  Accanto a questa esigenza, per le cartiere che nel frattempo hanno aumentato la produzione, si è aggiunto anche un incremento del carico organico (espresso come kg COD/giorno). Il sistema a biodischi è già in difficoltà a sostenere concentrazioni di COD più elevate, a parità di carico organico alimentato; è pertanto comprensibile che, con un contemporaneo aumento di carico (anche se non così rilevante), le rese di abbattimento crollino sensibilmente, con sviluppo di maleodoranze, difficoltà di stacco della pellicola di spoglio e danneggiamenti ai pacchi di materia plastica ed agli organi in movimento.

 

2. Rimozione del substrato nei processi a biomassa adesa e limitazioni nel trasferimento

dell’ossigeno

Per comprendere le ragioni del crollo dei rendimenti e dei fenomeni connessi è necessario analizzare, seppur con accenni, i meccanismi di diffusione dei substrati e dell’ossigeno nei processi aerobici a biomassa adesa.  Le cinetiche di crescita della biomassa e di rimozione del substrato dei processi a biomassa sospesa (come i fanghi attivi) sono correlate alle concentrazioni nella fase liquida, mentre nei processi a biomassa adesa, il substrato e l’ossigeno vengono utilizzati entro il biofilm (quello strato di biomassa che aderisce al supporto, con spessori variabili da 100 mm a 10 mm, densità elevata e concentrazioni di VSS da 40 a 100 g/L, a seconda delle condizioni di crescita ed alla idrodinamica del sistema).

 

Tra il biofilm e la massa o fase liquida che vi scorre sopra, vi è uno strato di liquido stagnante, attraverso il quale debbono passare verso l’interno (diffondere) i substrati, l’ossigeno e i nutrienti e verso l’esterno i prodotti della biodegradazione.  Il processo di conversione viene in pratica limitato dalla diffusione ed è detto “diffusion limited”.  Il modello schematico è rappresentato in figura.

 

 

Senza addentrarsi nei modelli diffusivi e nelle equazioni cinetiche, che sono anche abbastanza complessi, si vuole evidenziare l’influenza della concentrazione dell’ossigeno nella massa o fase liquida come fattore limitante della velocità di biodegradazione.  Concentrazioni di 2 e 3 mg/L di ossigeno disciolto sono abbastanza elevate ed in genere più che sufficienti nei processi a biomassa sospesa, mentre sono da considerarsi basse e, possono essere limitanti, nei processi a biomassa adesa.  Si rimanda all’appendice A per i dati (tipici) di progetto ed esercizio dei biodischi e per i rischi di sovraccarico.

 

3. Il caso concreto della cartiera di carta riciclata Merati di Laveno (Varese)

Nel 2004 la cartiera Merati di Laveno si è dotata di un impianto di pretrattamento anaerobico delle acque reflue, con reattore UASB, a monte dell’ esistente impianto a biodischi, che presentava gli inconvenienti più sopra descritti.  Ora operano come stadio di finissaggio e, come si vedrà, i problemi operativi sono stati risolti e le rese di depurazione sono ritornate a livelli ottimali.  La cartiera produce cartoncino per tubi (coreboard) e cartafeltro, a partire da carta riclicata e da miscele di carta e stracci o fibre tessili di recupero per la cartafeltro.

 

3.1 Dati della cartiera

Si riassumono nella tabella 1 i dati di produzione, il consumo di acqua e le caratteristiche delle

acque reflue.

 

Tabella 1 – Dati tecnici medi di esercizio della cartiera

 

 

Cartoncino Cartafeltro

Cartafeltro

produzione normale

240 ton/d

80 ton/d

consumo di acqua

9÷10m3/ton

25m3/ton

portata media acque reflue

100÷120m3/h

80÷90m3/h

caratteristiche acque reflue:

 

 

COD, mg/L

1500 ÷ 1700

1000 ÷ 1200

kg/d

4000 ÷ 4400

2300 ÷ 2600

BOD5

≈1/2

≈1/2

pH

6 – 7

6 – 7

solidi sospesi, mg/L ≤

100

100

azoto e fosforo, mg/L

(°)

(°)

temperatura, °C ≥

25 (°°)

25 (°°)

 

(°) la loro concentrazione nelle acque reflue è insufficiente come nutrienti, ed è prevista l’aggiunta di urea ed acido fosforico

(°°) questa temperatura è ottenuta riscaldando le acque di approvvigionamento, che sono alla temperatura di 15 ÷ 20°C, con il recupero di calore dalla seccheria, a mezzo scambiatore aria-acqua

 

3.2 Consistenza e schema di principio dell’impianto

Lo schema di principio dell’impianto del pretrattamento anaerobico, con reattore UASB, è riportato nella figura 2, mentre i dati tecnici sono riportati nella tabella 2; la figura 3 riporta lo schema di disposizione dei biodischi.

 

Figura 2. Schema di flusso del trattamento anaerobico.

 

 

Figura 3. Schema di flusso del sistema a biodischi.

 

Tabella 2: Dati tecnici dell’impianto di pre-trattamento anaerobico UASB.

                                                                                               volume, m3

equalizzazione-preacidificazione                                                     600

reattore UASB                                                                              650

gasometro                                                                                        20

biogas prodotto                                                                        60 m3/h

carico organico applicato: di esercizio                                   7,3 kg COD/m3.d

                                               di progetto                               10 kg COD/m3.d

 

Finissaggio a biodischi

n° biodischi                                                       10

diametro lunghezza                                            3,6 x 8 m

superficie, cad.                                                  10450 m2

sedimentatore finale                                           diametro, 15 m

 

4. Risultati di esercizio

I risultati di seguito riportati si riferiscono all’esercizio del 2004, a partire dall’avviamento del pretrattamento anaerobico in aprile 2004.  Sono anche riportati i primi due mesi del 2005 e nel prosieguo non vi sono variazioni nei risultati né condizioni di fuori servizio: l’impianto di pretrattamento anaerobico USAB e di finissaggio con i biodischi preesistenti (dopo essere stati sottoposti ad una opportuna pulizia dei dischi dalla biomassa accumulata) ha mantenuto la sua efficienza e stabilità anche nella stagione invernale, quando il processo anaerobico opera al di sotto dei 25°C.  I risultati che vengono qui riportati ed analizzati si riferiscono alla produzione di cartoncino, che è quella con il carico maggiore, circa doppio della cartafeltro (l’alternanza delle due produzioni dipende dalla richiesta del mercato).

 

a)    pretrattamento anaerobico UASB

La resa di abbattimento del COD è riportata nella figura 4 ed è superiore al 60% nel 90% dei casi ed osservazioni.  Il COD effluente è riportato nella figura 5 e si mantiene al di sotto di 600 mg/L nell’84% dei casi ed osservazioni.

b)    finissaggio biodischi

La resa di abbattimento del COD è riportata nella figura 6 per la produzione di coreboard ed in figura 7 durante entrambe le produzioni.

c)    pretrattamento anaerobico UASB e finissaggio a biodischi

La resa di abbattimento del COD è riportata nella figura 8 ed il COD effluente impianto in figura 9.  Come si può osservare la resa è compresa tra l’80 ed il 95% ed il COD effluente è normalmente intorno a 130 ÷ 150 mg/L, con valori sino a 180 ÷ 200 mg/L.  L’effluente trattato continua ad essere scaricato nella fognatura comunale e quindi addotto all’impianto di Laveno (Varese), ben entro i limiti consentiti e senza rischi di fuori servizio, che prima erano frequenti con costi di manutenzione elevati e pregiudizio di funzionamento dell’impianto terminale.

 

5. Conclusioni

Si possono quindi tratte le seguenti conclusioni

a. il funzionamento dei biodischi come unico trattamento delle acque reflue di cartiera di carta riciclata, per scarico nella pubblica fognatura, era già compromesso prima della chiusura del ciclo dell’acqua in cartiera e del recupero di energia termica.  Questi due interventi hanno messo in evidenza, come ideale, la selezione del pre-trattamento anaerobico UASB.  Esso rimuove, in modo semplice ed economico, buona parte del COD di rapida degradazione che i biodischi, per l’intrinseca limitazione nel trasferimento dell’ossigeno, non riescono a fare (a meno di non sovradimensionare in modo eccessivo e costoso il sistema)

b. il valore del pH delle acque di cartiera di carta riciclata è intorno a 6 ÷ 6,5 unità, ed anche inferiore, è quindi precursore della fase di pre-acidificazione del metabolismo anaerobico.  La pre-acidificazione (cioè il I stadio della degradazione anaerobica) è già spontaneamente e naturalmente presente.  Quindi si trae vantaggio senza bisogno di aggiustare il pH.

c. con la chiusura del ciclo dell’acqua la temperatura delle acque in ricircolo in cartiera aumenta e si attesta intorno a valori di 30 ÷ 35°C, che sono ottimali per la degradazione anaerobica. Se il ciclo dell’acqua è molto chiuso (con consumi intorno a 6 ÷ 7 m3/ton di carta prodotta) la temperatura dell’acqua sale oltre 38°C, ed è necessario raffreddarla prima del pretrattamento anaerobico.  Nel caso della cartiera Merati la temperatura dell’acqua è intorno o superiore a 30°C nei mesi estivi, tra 26 e 28°C nei mesi primaverili ed autunnali, ed intorno od inferiore a 25°C nei mesi freddi invernali.  Pur essendo quest’ultima non ottimale per il trattamento anaerobico, le rese si mantengono buone.

d. il biogas prodotto (intorno a 50-60 m3/h durante la produzione del cartonfeltro) viene utilizzato nella caldaia della centrale termica della cartiera.

e. l’impianto ha dimostrato anche una buona flessibilità sia durante le fasi di riavviamento dopo la pausa estiva ed invernale, che nei passaggi di produzione dal cartoncino alla cartafeltro.  Infine ha mostrato una buona resistenza anche ad un sovradosaggio accidentale di battericida (a base di sali di bromo) utilizzato per tenere sotto controllo la crescita batterica nelle linee di produzione; per questo inconveniente, verificatosi il 14/01/05, la resa di rimozione del COD si è ridotta al 35%, per poi riprendersi gradualmente ed attestarsi al 50 ed al 60% il 18 e il 19/01/05.  La tossicità è stata evidente ma contenuta a reversibile.

 

Figura 4. Produzione coreboard-resa UASB.

 

Figura 5. Produzione coreboard, COD in uscita dall’UASB.

 

Figura 6. Produzione coreboard-resa biodischi.

 

Figura 7. Resa biodischi.

 

Figura 8. Resa totale (anaerobico UASB-aerobico a biodischi).

 

Figura 9. Produzione coreboard, COD in USAB e COD out biodische.

 

APPENDICE A

Biodischi

1. Carichi di progetto

Rientrano nei processi a biomassa adesa non sommersi, come i filtri percolatori.  Se si selezionano con prudenza e margini di sicurezza i carichi di progetto e di esercizio, essi hanno alcuni vantaggi rispetto ai fanghi attivi, come: 1) minimo consumo energetico, 2) semplicità di conduzione, 3) assenza di bulking sui sedimentatori secondari e 4) miglior recupero da shock di scarichi tossici.  L’applicazione dei biodischi è tipica di più unità disposte in serie, da 2 a 4 stadi per la rimozione del BOD o COD, da 6 e più per la nitrificazione.  Valori tipici di progetto del carico organico applicato in g/m2 area disco x d sono riportati nella tabella 2 per le acque reflue civili; mentre la tabella 3 riporta il carico idraulico superficiale dei sedimentatori a valle, in funzione dell’altezza dell’acqua alla parete.  Di recente si è riconosciuto che i criteri di dimensionamento dei sedimentatori secondari a valle dei biodischi (così come dei filtri percolatori) dovrebbero essere del tutto simili a quelli dei sedimentatori secondari dei fanghi attivi, in particolare l’altezza dell’acqua alla parete (che, come si osserva, influenza il carico idraulico superficiale).

 

Per gli scarichi industriali il dimensionamento del sistema a biodischi si deve basare su prove pilota o sull’esperienza documentata di impianti su piena scala che trattino acque reflue analoghe e con pari rese di abbattimento del COD o BOD5 e/o dell’ammoniaca (in caso di nitrificazione).

 

Tabella 2. Dati tipici di progetto dei biodischi (per acque reflue civili).

 

 

LIVELLO DI TRATTAMENTO

 

SECONDARIO

(rimoz. BOD)

 

NITRIFICAZIONE

COMBINATA

(rim. BOD–NH3)

NITRIFICAZIONE

SEPARATA

 

Carico idraulico superficiale

m3/m2.d

0,08 ÷ 0,16

0,03 ÷ 0,08

0,04 ÷ 0,1

Carico organico superficiale

gr S BOD5/m2.d

gr T BOD5/m2.d

 

4 ÷ 10

8 ÷ 20

 

2,5 ÷ 7,5

5 ÷ 16

 

0,5 ÷ 1,5

1 ÷ 3

Carico organico massimo sul I° stadio,

gr S BOD5/m2.d

gr T BOD5/m2.d

 

 

12 ÷ 15

24 ÷ 30

 

 

12 ÷ 15

24 ÷ 30

 

 

–  –

–  –

Carico ammoniacale,

grNH3/m2.d

 

–  –

 

0,75 ÷ 1,5

 

1 ÷ 2

Tempo di permanenza idraulica, h

 

0,7 ÷ 1,5

 

1,5 ÷ 4

 

1,2 ÷ 3

BOD5 effluente, mg/L

15 ÷ 30

7 ÷ 15

7 ÷ 15

NH3 effluente, mg/L

< 2

1 ÷ 2

 

NOTE: temperatura acqua di scarico superiore ai 13°C.

S BOD5 = BOD5 solubile

T BOD5 = BOD5 totale

 

Tratta dalla Tabella 9-8 del Metcalf and Eddy, IV Ed.

 

Tabella 3. Sedimentatori a valle dei biodischi (°).

 

Altezza acqua

alla parete

 

Carico idraulico

superficiale

 

 

 

alla portata media

 

alla portata di punta

m

m3/m2h

 

m3/m2h

2

0,4

 

0,7

3

0,8

 

1,7

3,5

1,0

 

2

4

1,2

 

2,2

           

 

(°) tratta dalla figura 9 – 7 del Metcalf and Eddy . IV Ed.

 

2. Condizioni di sovraccarico

Poiché i dischi possano funzionare, il carico organico applicato, in fase di progetto o di esercizio, deve essere entro la capacità di trasferimento dell’ossigeno del sistema biodischi, o meglio, la domanda di ossigeno dovuta al carico di COD o BOD (o di ammoniaca) non deve superare la sua capacità di trasferimento (il passaggio dell’ossigeno dall’aria all’acqua e dall’acqua al biofilm non è incrementabile oltre certi livelli proprio per la struttura intrinseca dei biodischi), altrimenti le rese si riducono di molto, si sviluppano cattivi odori e si hanno problemi nella stacco del biofilm dal supporto.

 

Si sviluppano, infatti, condizioni anaerobiche per buona parte del biofilm con riduzione di solfati a solfuri e quindi ad H2S che, diffondendosi verso l’esterno, viene ossidato da microrganismi filamentosi, che si aggrappano con forza al supporto e non ne consentono il normale spoglio.  Così la biomassa cresce a dismisura e crea rotture ai dischi ed all’albero motore.  In passato la limitazione nel trasferimento dell’ossigeno è stata spesso trascurata e si sono evidenziati proprio gli inconvenienti su indicati. È proprio il primo stadio il più critico ed è per questo che si dispongono più unità di biodischi in serie, con in testa il maggior numero, a meno di non ricorrere ad una alimentazione a gradini (step feed).  In questi ultimi anni, frutto dell’esperienza passata, si sono rivisti i criteri di progettazione del sistema biodischi ed il parametro di selezione è la concentrazione del BOD solubile o COD solubile prontamente biodegradabile (rbsCOD) per ogni stadio.  Per quanto detto sopra si comprende bene la criticità del funzionamento dei biodischi e la facilità del formarsi di condizioni di sovraccarico negli impianti che trattano acque reflue delle cartiere di carta riciclata: a valle della chiarifloculazione il BOD e COD solubili sono costituiti da amido disciolto, che è facilmente e rapidamente degradabile.