MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Introduzione al modulo: Depurazione delle Acque Prof. Paolo Pavan Università di Venezia – Ca’Foscari Dipartime nto di Scienze Ambientali, Informatica e Statistica MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Evoluzione degli obiettivi del trattamento delle acque reflue MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” 1900 - 1970 Dal 1900 ai primi anni ’50 gli obiettivi del trattamento delle acque reflue erano primariamente rivolti alla soluzione di problemi estetici ed igienici: Rimozione dei materiali sospesi e flottanti; Eliminazione degli organismi patogeni Dal 1950 agli anni ’60 gli obiettivi vengono implementati con una maggior attenzione all’ambiente, talvolta prevedendo la rimozione delle sostanze biodegradabili SI SEPARAVANO DUE FLUSSI, UNO LIQUIDO ED UNO SOLIDO Il trattamento dei fanghi di supero veniva effettuato principalmente tramite aerazione prolungata e in letti di essiccamento MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” 1970 - 1980 Dai primi anni ’70 gli obiettivi precedentemente perseguiti continuano ad essere validi ma ad un livello superiore, ponendo l’attenzione ai: Ad essi si aggiungono, per quanto riguarda le acque interne, anche i nutrienti: Materiali colloidali Domanda biologica di ossigeno (BOD) Solidi sospesi totali (TSS) Organismi patogeni Azoto Fosforo I fanghi di supero venivano sottoposti a stabilizzazione aerobica o anaerobica in relazione alla taglia degli impianti, e quindi a disidratazione meccanica e smaltimento tramite: Compostaggio Uso in agricoltura Discarica (a seconda del contenuto di inquinanti) MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Dal 1980 in poi Gli obiettivi di miglioramento della qualità delle acque sono andati sviluppandosi progressivamente L’enfasi si sposta verso l’identificazione e la rimozione di costituenti che possono avere effetti a lungo termine sulla salute umana e sull’ambiente Di conseguenza, mentre i primi obiettivi del trattamento delle acque rimangono validi, aumenta significativamente il grado richiesto di trattamento implicando l’aggiunta di elevati obiettivi di qualità Attualmente la tendenza per il trattamento dei fanghi di supero vede nella codigestione una valida soluzione Schematizzando il processo di evoluzione degli obiettivi di qualità: •Rimozione materiali sospesi e flottanti •Eliminazione organismi patogeni 1900 •Rimozione materiali sospesi e flottanti •Eliminazione organismi patogeni •Trattamento sostanze organiche biodegradabili •Rimozione materiali sospesi e flottanti •Eliminazione organismi patogeni •Trattamento sostanze organiche biodegradabili •Rimozione dell’azoto •Rimozione del fosforo •Rimozione materiali sospesi e flottanti •Eliminazione organismi patogeni •Trattamento sostanze organiche biodegradabili •Rimozione dell’azoto •Rimozione del fosforo •Rimozione dei microinquinanti oggi Evoluzione degli obiettivi dei trattamenti biologici delle acque reflue Trattamenti convenzionali Rimozione di C Rimozione di C, N Rimozione di C, N, P Trattamenti avanzati Rimozione di microinquinanti MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Metodi di trattamento I metodi di trattamento nei quali la rimozione dei contaminanti è condotta tramite meccanismi fisici, chimici o biologici vengono definiti come operazioni unitarie: Fisiche Chimiche Biologiche Le operazioni unitarie sono in genere associate in filiere di processo per dar luogo a vari livelli di trattamento quali: Preliminare Primario Primario avanzato Secondario Secondario avanzato (rimozione dei nutrienti) Terziario (riutilizzo; controllo dei microinquinanti) MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Processi biologici di trattamento in relazione agli obiettivi: Linea acque: Processi Processi Processi Processi per per per per la la la la rimozione rimozione rimozione rimozione biologica biologica biologica biologica del solo carbonio e parziale nitrificazione di carbonio e azoto dei nutrienti (BNR) dei microinquinanti (organici e inorganici) Linea fanghi: Digestione aerobica Compostaggio Digestione anaerobica Approccio combinato (digestione anaerobica + compostaggio) MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Processi di rimozione biologica del solo carbonio e parziale nitrificazione Processi di trattamento a biomassa sospesa: Processi a fanghi attivi Lagune aerate SBR (Sequencing Batch Reactor) Processi di digestione aerobica Processi di trattamento a biomassa adesa Filtri percolatori Plug - flow convenzionale e CSTR Vasca di aerazione Effluente Influente Sed. I Sed. II Fango di supero Fango Fango di ricircolo Aeratore meccanico Sed. II Vasca di aerazione Influente Sed. II Fango di ricircolo Fango di supero MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Oxidation ditch Fango di supero Effluente Influente Rotore di aerazione Sequencing batch reactor e stabilizzatore per contatto TEMPO Influente Riempimento Effluente Reazione Sedimentazione Sedimen tatore I Scarico Attesa Vasca di aerazione Vasca di del fango contatto Fango di ricircolo Sedimen tatore II effluente Fango di supero MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Processi ad ossigeno puro come mezzo di fornitura dell’ossigeno MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Processi per la rimozione biologica di nutrienti (CN; BNR) La rimozione biologica dei nutrienti sfrutta l'azione combinata di numerose specie batteriche Esse, nello svolgimento delle proprie funzioni cellulari, utilizzano carbonio, azoto e fosforo o come fonte di energia e come substrati per la formazione di nuove unità cellulari, ottenendo il risultato di sottrarli dalle acque. MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Rimozione combinata di carbonio e azoto Processi aerobici/anossici (post-denitrificazione) Processi anossici/aerobici (pre-denitrificazione) Processi a nitrificazione/denitrificazione simultanea MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Processi con pre-denitrificazione: LudzackEttinger modificato MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Processi con post-denitrificazione: Bardenpho a 4 stadi MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Rimozione combinata di azoto e fosforo I processi più noti sono: Phoredox 3 o A2O Processo Johannesburg Bardenpho 5 o Phoredox 5 UCT UCT modificato Cicli alternati in reattore unico MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Processo Phoredox Ricircolo interno Influente Effluente ANAER ANOX Fango di ricircolo AER Sed. II Fango di spurgo MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Processo Johannesburg Ricircolo interno Influente Effluente ANAER ANOX AER Sed. II ANOX Fango di ricircolo Fango di spurgo MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Processo Bardenpho 5 o Phoredox 5 Ricircolo interno Influente Effluente ANAER ANOX Fango di ricircolo AER ANOX AER Sed. II Fango di spurgo MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Processo UCT (University of Cape Town) Ricircolo interno Influente Ricircolo interno Effluente ANAER ANOX Fango di ricircolo AER Sed. II Fango di spurgo MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Processo UCT modificato Ricircolo interno Influente Ricircolo interno Effluente ANAER ANOX Fango di ricircolo ANOX AER Sed. II Fango di spurgo MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Cicli alternati in reattore unico OCESSO A CICLI ALTERNATI: Qin Anox./Aer. Qr Qout qw MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Nuovi sviluppi Processi per l’abbattimento di microinquinanti: Organici Inorganici Retrofitting ed upgrading di impianti esistenti Tra le tecnologie emergenti che potranno essere applicate in impianti nuovi o nell’upgrading di impianti esistenti troviamo: Separatori a vortice Chiarificatori “high-rate” Bioreattori a membrana Radiazioni UV MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Sviluppi futuri nel trattamento delle acque reflue Negli Stati Uniti la capacità totale di trattamento è destinata ad aumentare del 15% nei prossimi 20-30 anni Durante questo periodo saranno costruiti approssimativamente 2.300 nuovi impianti Ci si attende una capacità di progetto per impianti con trattamenti superiori al secondario in crescita del 40% MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” La depurazione delle acque reflue urbane in Italia (indagine ISTAT – 1999) Gli impianti di depurazione delle acque reflue urbane presenti complessivamente in Italia sono 15.162 L’indagine ha rilevato informazioni su 12.468 impianti (83%) Comuni italiani che dispongono di una rete fognaria delle acque reflue urbane: 7.988 (99%): Il 48% depura completamente tutte le acque reflue convogliate Il 39% ne depura solo una parte Il 13% scarica le acque reflue non trattate in un corpo idrico In tutti i comuni con più di 80.000 abitanti i reflui vengono trattati in modo completo o parziale MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Gli impianti di depurazione osservati Dei 12.468 impianti: 12.065 sono esistenti (95% in esercizio) 403 sono in corso di realizzazione Il maggior numero di impianti di depurazione in esercizio si trova nel Nord-ovest (4.329), mentre nel Meridione sono oltre il 10% quelli non in esercizio (234) e il 7% quelli in corso di realizzazione (152) MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Impianti di depurazione delle acque reflue urbane in esercizio e abitanti equivalenti serviti (AE) effettivi per tipologia di trattamento (Istat, 1999) Tipologia di trattamento Impianti Numero AE effettivi % Numero % Primario 5.839 51 4.540.762 7 Secondario 4.855 42 37.308.048 58 815 7 22.186.696 35 11.509 100 64.035.506 100 Terziario Totale