Classificazione in base al trasportatore Fase inquinante Denominazioni,Proprietà Effluenti gassosi •Gassosa •Liquida •Solida miscela pioggia,nebbia,aerosol fumi Effluenti liquidi •Gassosa •Liquida •Solida gas assorbito gel,sol,miscele dispersioni,slurry Effluenti solidi •Gassosa •Liquida •Solida flussi granulari fanghi sabbia • antropica Industriale generico Produzione energia Domestico Trasporti Agricoltura Sistema idrico • naturale Derive termiche Ricoprimenti terrestri Effusioni geologiche ITEI /Acque • ACQUE INQUINATE • LIQUAMI, ACQUE DI RIFIUTO (generalmente) CIVILI ( bianche e nere) • REFLUI, ACQUE DI RIFIUTO INDUSTRIALE ITEI/ ACQUE • ACQUE DI RIFIUTO MISTE 1. 2. 99% ACQUA 1% SOLIDI 1. 2. 3. ORGANICI AZOTATI ORGANICI NON AZOTATI INORGANICI 1. 2. 99% ABIOTICI 1% BIOTICI ITEI cenni di microbiologia • Organismi unicellulari (Batteri, protozoi, alghe, raramente funghi) • Organismi pluricellulari (tessuti che formano organi) • Tutti gli organismi sono formati da cellule • Cellula composta 1. 2. 3. protoplasma (proteine, acidi nucleici) nuclei pareti e membrane ITEI/Microorganismi a) Eucariota b) Virus Note: procariota presenza di nucleoitide Cellula eucariota Cellula procariota ITEI/Microorganismi • • Procarioti come Batteri (generalmente unicellulari come Cocchi,Bacilli, Vibrioni etc.).Appartengono al regno delle Monere(eubatteri ed archibatteri) 1. Eterotrofi o autotrofi 2. Aerobici o anaerobici 3. Asessuati (divisione cellulare) Eucarioti come 1. Alghe ( generalente mono o raramente pluricellulari, nel primo caso appartengono al regno dei Protisti), con riproduzione per divisione cellulare o per formazione di gameti. Svolgono la sintesi clorofilliana. 2. Funghi,generalmente pluricellulari, eterotrofi(senza sintesi clorofilliana, sono saprofiti o parassiti) ed aerobici (solo pochi sono anaerobici) 3. Protozoi e metazoi (unicellulari),ma con caratteristiche di accesso interno con orifizi (bocche) ed altri organuli P L U R I C E L L U L A R I U N I C E L L U L A R I VEGETALI FUNGHI Eterotrofi per digestione esterna (assorbimento) autotrofi PROTISTI ANIMALI Eterotrofi per digestione interna con nucleo (Eucarioti) Lieviti (funghi monocellulari) Alghe MONERE eubatteri Protozoi (amebe monocellulari) con nucleotide (Procarioti) archibatteri ITEI/ ACQUE • LO SCOPO ULTIMO DEL TRATTAMENTO DELLE ACQUE DI RIFIUTO è QUELLO DI MINERALIZZARE LA PARTE ORGANICA (CO2 ED H2O) E DI SEPARARE LA PARTE INORGANICA • LA STRATEGIA BIOLOGICA E’ GENERALMENTE BASATA SU DUE STADI a) b) Concentrazione ed alterazione della fase solida in un fango più omogeneo, parzialmente sterile. Sterilizzazione e riduzione degli inquinanti in fase liquida Stabilizzazione e/o mineralizzazione dei fanghi ITEI/ ACQUE • TRATTAMENTI PRIMARI a) b) c) • Grigliatura Desabbiatura Disoleatura TRATTAMENTI SECONDARI a) b) c) d) Aereazione (gasificazione/degasazione) Sedimentazione Flocculazione Digestione (degradazione • Aerobica Anaerobica TARTTAMENTI TERZIARI a) b) Inertizzazione/sterilizzazione di fanghi Separazione /sterilizzazione dei liquidi (liquori) ITEI/Trattamenti primari • TRATTAMENTI PRIMARI a) Grigliatura b) Desabbiatura c) Disoleatura ITEI/ Trattamenti secondari • GASIFICAZIONE/DEGASIFICAZIONE a) Addizione di ossigeno (aria) Ossidazione del ferro e del manganese Respirazione (catabolismo) cellulare con consumo substrato organico in acque di rifiuto b) Degasificazione CO2, H2S, CH4 c) Adddizione di ozono e/ cloruri Disinfettazione acque Distruzione odori ITEI/ Trattamenti secondari/aereazione • AEREATORI a) A gravità Cascata, inclinato,, a sviluppo verticale b) Con atomizzazione Distribuzione fissa o mobile c) Con diffusori Distribuzione su tubi, piatti d) Agitazione meccanica a pale, ad alette ITEI/ Trattamenti secondari/aereazione ITEI/ Trattamenti secondari/aereazione ITEI/ Trattamenti secondari/aereazione ITEI/ Trattamenti secondari • TRATTAMENTI SECONDARI a) b) c) d) Aereazione Sedimentazione Flocculazione Digestione (degradazione) ITEI/ Trattamenti secondari/aggregazione condensazione concentrazione alterazioni fisiche e chimiche separazione • sequestrazione chelazione • polimerizzazione • ricombinazione soluzioni Precipitazione assorbimento • Condensazione a nebbia • Selettiva o complessiva • Condensazione a film (gorgoliatori, fasci tubieri) • flocculazione • micellazione • agglomerazione • coaugulazione • gelificazione sospensione Slurry/fanghi • dialisi/osmosi • distillazione • coagulazione • coalescenza • atomizzazione emulsione (colloide) • neutralizzazione • chiarificazione • filtraggio • scrematura di supernatante • sedimetazione • centrifugazione • filtraggio • agitazione ad ITEI/ Trattamenti secondari Other phases: suspended solids and colloids COLLOIDS a)Aereazione b)Sedimentazione c)Flocculazione d)Digestione (degradazione) ENV123 Intro. to Environ. Chemistry ITEI/ Trattamenti secondari/flocculazione • I colloidi sono particelle che rimangono sospese nel diluente per azione di forze elettrostatiche, in analogia a quanto succede per i cationi e gli anioni General characteristics of natural waters Water the solvent. Most inorganic solutes, other than gases, occur as solvated or hydrated ions ENV123 Intro. to Environ. Chemistry ITEI/ Trattamento biologico/aerobico a) Fanghi attivi b) Filtri (a gocciolamento) percolanti c) Dischi (letti) rotanti (biologici) d) Altri:p.e.Fosse settiche aerate ITEI/ Trattamento biologico/aerobico/fanghi attivi Conventional Sewage Treatment ITEI/ Trattamento biologico/aerobico/fanghi attivi • • • • Il fango di ricircolo ed in parte del fango di supero viene indirizzato al trattamento del fango per lo smaltimento finale Il picco di ossigeno richiesto è dell’ordine di 50-80mg (perlitro e per ora di liquame) per ogni 1000mg (perlitro e per ora di liquame) di solido sospeso L’aereazione per il trattamento biologico può coincidere e non con quella del trattamento preliminare. In genere c’è una sezione di reazione con le stesse tecniche del primo processo La separazione dell’aereazione del liquame di arrivo da quella del fango di ricircolo può migliorare la dispersione del fango ITEI/ Trattamento biologico/aerobico/a percolazione • Il trattamento aerobico su filtro percolante(percolatore) è costituito di due parti il filtro vero e proprio ed il distributore del liquame a) Il filtro può essere costituito di materiale poroso coeso o non (ghiaia, clinker, sassi,etc.) Il distributore può essere fisso con ugelli o con braccio rotante b) • • • La frazione organica viene metabolizzata su uno strato di coltura microbica che aderisce al letto fisso (pellicola zoogleica sui singoli supporti) Alghe protozoi e funghi sono presenti insieme alla coltura batterica Periodicamente si assiste al distacco della pellicola ITEI/ Trattamento biologico/aerobico • Prototipo di biodischi rotanti ITEI/ Trattamento biologico/aerobico • Fosse settiche aerate ITEI/ Trattamento biologico/aerobico • Fosse settiche aerate ITEI/ Trattamento biologico/aerobico The Activated Sludge Process Aerobic microbes utililize carbon and other nutrients to form a healthy activated sludge AS biomass (floc) The biomass floc is allowed to settle out in the next reactor; some of the AS is recycled ITEI/ Trattamento biologico/aerobico • • • • • Stadio chimico fisico biologico in cui si verificano la bioflocculazione eed il bioadsorbimento Stadio di demolizione catalitica extra cellulare condotto da enzimi idrolitici estromessi dai batteri nell’ambiente circostante. Conversione delle macromolecole in molecole digeribili( bioassorbili attraversdo la memebrana e e metabolizzate all’interno della cellula) Ossidazione aerobica (Tramite respirazione) del materiale organico solubile con produzione di CO” Sintesi di nuove cellule Respirazione endogena ossidazione di materiale cellulare in mancanza di nutriente ITEI/ Trattamento biologico/aerobico ITEI/ Trattamento biologico/aerobico Estimated Pathogen Reductions by Sewage Treatment Processes: An Example Sewage Treatment Rx: % Reduction • • • • Primary settling 2o biological treatment Granular medium filtration Disinfection 50 99 90 99 Total % Reduction 50 99.5 99.95 99.9995 ITEI/ Trattamento biologico/aerobico ITEI/ ACQUE/Cinetica della popolazione • Crescita esponenziale (senza restrizioni) dN/dt=kN N=N0exp(kt) • Crescita logistica (con restrizione) dN/dt=kN-k Nmax=-k(Nmax-N) N=Nmax(1-exp(-kt)) ITEI/ACQUE • a) b) c) d) e) INDICATORI BIOLOGICI BOD BIOLOGICAL OXYGEN DEMAND (si riferisce alla quantità di ossigeno consumata dopo un fissato periodo di tempo in condizioni batch e con la massima quantità di ossigeno disciolta, cioè in saturazione) COD CHEMICAL OXYGEN DEMAND (quantità di ossigeno necessaria all’ossidazione della parte organica, non tiene conto della cinetica e della quantità di azoto) DOC DICHROMATE OXYGEN CONSUMED (coincide praticamente con COD) DO DISSOLVED OXYGEN (esempio circa 10 mg/l condiz standard) GRUPPO COLIFORME DEI BATTERI (indicatore dei batteri patogeni) ESCHERIA COLI (1012 PER PERSONA AL GIORNO) AEROBACTER AEROGENES ITEI/ Trattamento biologico/aerobico ITEI/ Trattamento biologico/aerobico ITEI/ACQUE • Interpolazione della progressione della BOD contro il tempo con la curva logistica • Y= L(1-exp(-kt)) ITEI/ Trattamento biologico/aerobico • • Il processo di depurazione biologica di tipo aerobico consiste in una serie di reazioni biochimiche di tipo ossidativo (con la produzione di anidride carbonica) operate da un rilevante ed eterogeneo gruppo di microorganismi (principalmente batteri), i quali utilizzano la sostanza organica e alcuni altri elementi presenti nelle acque reflue per produrre energia e per sintetizzare sostanze necessarie alla loro vita e moltiplicazione. Tecnicamente tale processo di depurazione avviene in una o più contenitori aperti (vasche o torri impaccate) dotate di dispositivi atti a consentire una ottimale aereazione del liquame al fine di promuovere l'attività dei microorganismi aerobici. L'impianto poi è dotato di altri dispositivi necessari per un pretrattamento ed un post-trattamento del liquame (esempio sedimentatori), nonché di eventuali strutture per un trattamento più spinto e/o mirato alla rimozione di particolari sostanze (per esempio per la rimozione di azoto e fosforo). ITEI/ Trattamento biologico/anaerobico • • Il processo di depurazione biologico di tipo anaerobico è costituito da una serie di reazioni biochimiche (fermentazioni e respirazioni anaerobiche) operate da un folto ed eterogeneo gruppo di microorganismi, anaerobici stretti o facoltativi, in assenza di ossigeno (aria); dalle quali si ha la demolizione della sostanza organica in sostanze gassose semplici quali principalmente metano ed anidride carbonica, ed energia utilizzata dai batteri per vivere e moltiplicarsi. L'impianto è basato su un contenitore chiuso a tenuta ermetica ed in genere riscaldato, dove avvengono le succitate reazioni biochimiche e dal quale viene prelevato il gas (detto "Biogas"), chiamato "Reattore" o "Digestore". ITEI/ Trattamento biologico/aerobico • • Il processo aerobico ha come vantaggi la semplicità ed il relativo basso costo degli impianti, la conoscenza relativamente approfondita del processo biologico ed una lunga serie di sperimentazioni con relativi dati per la razionale gestione dell'impianto. Inoltre presenta una ottima capacità depurativa e di abbattimento della flora batterica patogena, nonché, con varianti agli impianti ormai generalizzate, un'efficace abbattimento del contenuto di sostanze azotate. Per contro presenta anche una serie di svantaggi come l'elevato costo di gestione dell'impianto dovuto sopratutto alle necessità energetiche dei dispositivi di aereazione, costi che diventano proibitivi per reflui ad elevato contenuto di sostanze inquinanti per i quali sono richiesti quantitativi di aria molto elevati. Altro svantaggio è la rilevante produzione di fanghi di supero, altamente inquinanti che si producono in quantità che sono pure in funzione del carico inquinante del refluo trattato, che devono essere successivamente smaltiti. ITEI/ Trattamento biologico/anaerobico ITEI/ Trattamento biologico/anaerobico ITEI/ Trattamento biologico/anaerobico • • • • • • • • • • Vantaggi: - Prodotto finale contenente energia (biogas) - Bassa produzione di biomassa - Buon abbattimento della sostanza organica - Energeticamente autosufficiente - Bassa richiesta di nutrienti - Discreta resistenza a sostanze tossiche - Degradazione di alcuni composti tossici (alogenati organici e composti aromatici) - Di solito presenta effluente deodorato - Di solito presenta effluente privo di microorganismi patogeni ITEI/ Trattamento biologico/anaerobico • Svantaggi: • • • • • • - Processo lento e fortemente condizionato dalla temperatura - Richiesta di pH prossimo alla neutralità - Ecologia complessa - Lungo periodo di acclimatazione - A volte effluente non deodorato - A volte effluente con patogeni PROCESSI ANAEROBICI/GENERALITA’ • I processi di digestione anaerobica sono gli stessi per tutti gli impianti, anche se questi possono differire fra loro in misura notevole. Sostanzialmente lo scarico viene immesso in appositi contenitori a tenuta ermetica dove i composti organici vengono demoliti totalmente o anche solo parzialmente da microorganismi anaerobici in assenza di ossigeno libero, e trasformati in metano, anidride carbonica e quantità ridotte di altre sostanze. I due componenti principali, metano ed anidride carbonica, passano nella fase gassosa e costituiscono il biogas, che essendo costituito da una discreta frazione di gas combustibile può essere utilizzato per fini energetici. Questo vale per la quasi totalità del metano, il quale è poco solubile nella fase liquida (sopratutto per i processi in termofilia e mesofilia), mentre l'anidride carbonica essendo più solubile rimane in discrete quantità disciolta nella fase liquida. Questo è di fondamentale importanza per la stabilità del processo, in quanto l'anidride carbonica disciolta partecipa al sistema tampone del liquor (i microorganismi sono relativamente sensibili alle variazioni di pH che si allontanino dalla neutralità), attraverso il bicarbonato che si forma. PROCESSI ANAEROBICI/Microorganismi • La digestione anaerobica è operata da un grande numero di batteri, nell'ambito della quale ogni specie svolge determinate reazioni biochimiche. Tuttavia il principale gruppo batterico, sopratutto perché quello limitante il processo, è costituito dai batteri metanigeni. • I batteri metanigeni sono tassonomicamente e fisiologicamente vicini fra loro, e sono tutti anaerobi stretti e fanno parte del phylum degli Archibatteri. Tra i principali generi ricordiamo Methanosarcina e Methanothrix, entrambi della famiglia delle Methanosarcinacee, che con la famiglia delle Methanomirobiacee (che comprende i generi Methanospirilum, Methanogenium e Methanomicrobium), fanno parte dell'ordine Methanomicrobiales. Altri generi meno importanti sono Methanobacterium e Methanobrevibacter (famiglia delle Methanobacteriacee, ordine dei Methanobacteriales) e il genere Methanococcus appartenente alla famiglia delle Methanococcacee e all'ordine dei Methanococcales. Processo di digestione anaerobica alcalino PROCESSI ANAEROBICI/reattori • Fosse settiche (septic tank ) Nelle fosse settiche e nei reattori da essi derivati si creava una stratificazione del liquame: sul fondo i fanghi sedimentati, poi uno strato liquido ricco di solidi sospesi non sedimentati, il surnatante e spesso uno strato superiore di schiuma Sistemi di digestione anaerobica convenzionale Tempi di digestione 30 giorni •Reattori miscelati Proprio per eliminare la schiuma, che riduceva la capacità effettiva del reattore, vennero impiegati attorno agli anni '50 dei dispositivi di agitazione meccanica Sistema di digestione anaerobica ad alta velocità Tempi di digestione 10 giorni se riscaldati • Reattori a contatto La biomassa sospesa nell’affluente del reattore veniva separata da un sedimentatore e riciclata all’imterno del reattore • Reattori a doppio stadio • Reattori a pistone Schema di processo di digestione anaerobica con ricircolo fanghi attivi Processo di digestione anaerobica con ricircolo fanghi attivi Tempi di digestione 1 giorno se riscaldati Processi anaerobici/ reattori • Reattore UASB Il reattore UASB (Upflow Anaerobic Sludge Bed) sono stati ideati negli anni '70 in Olanda da Lettinga e collaboratori, sviluppando il concetto di reattore in cui il substrato attraversa un letto di biomassa posto sul fondo. Questo tipo di reattore è alimentato dal fondo in modo che l'influente attraversi lo strato di fanghi che tende a sedimentare sul fondo. Affinché la biomassa permanga all'interno del reattore, questo è dotato nella parte superiore di un sistema di separazione solido/liquido. Il buon funzionamento di un impianto UASB è determinato dalla formazione di aggregati batterici, fiocchi o granuli, sufficientemente densi da rimanere all'interno del reattore nonostante il trascinamento causato dal flusso di liquido e di gas. Le condizioni ottimali consistono nella formazione di granuli con densità elevate (1030-1050 Kg/m3) e che quindi sedimentino facilmente all'interno del reattore in maniera tale da formare un letto ad alta concentrazione di biomassa, separata dalla fase sovrastante, blanket, costituita da una fase liquida con una modesta concentrazione di solidi sospesi. Il principale problema di questo tipo di reattore è che non si conosce ancora l'esatto meccanismo di formazione dei granuli, i quali si formano e si mantengono con difficoltà, eccetto che usando particolari tipi di influente. Ne consegue che sono predisposti, in particolari condizioni (carichi idraulici elevati ed elevate produzioni di gas), alla perdita per "wash-out" della biomassa se questa non è ben aggregata. In compenso questo tipo di reattore, particolarmente indicato per il trattamento di substrati solubili, in presenza di buona granulazione è in grado di operare con tempi di ritenzione idraulica estremamente ridotti con carichi organici volumetrici rilevanti (in laboratorio 10-15 Kg COD.m-3.d-1 ed oltre). Processi anaerobici/ reattori • Reattore ABR • Il reattore ABR (Anaerobic Baffles Reactor) è stato sviluppato all'inizio degli anni '80 da McCarty come conseguenza del fallito tentativo di sviluppare un reattore anaerobico a dischi rotanti: i dischi rotanti erano superflui al funzionamento del reattore e furono sostituiti da una serie di setti che dividono il reattore in più camere. Ogni singola camera può essere assimilata nel funzionamento ad un reattore UASB e ne ha di conseguenza tutti i vantaggi. Nel contempo però il reattore ABR ne riduce gli svantaggi in quanto le camere successive operano un efficace trattenimento della biomassa senza dover ricorrere a complicati sistemi di separazione solido/liquido anche in assenza di biomassa aggregata in granuli. I primi reattori di questo tipo erano caratterizzati da un grande numero di camere, oggi, in seguito a studi che hanno accertato la prevalenza del processo nelle prime camere, tali tipi di rettori sono dotati solamente di 3-5 camere più una eventuale camera di sedimentazione prima dell'uscita. Processi anaerobici/ reattori • Reattori a biomassa adesa Sono reattori in cui la biomassa cresce adesa a supporti inerti di vario tipo formando una pellicola sottile ma densa. Questo permette al reattore di trattenere efficacemente la biomassa che si forma nel suo interno anche in presenza di flussi notevoli di gas e di liquido. Inoltre sono dotati di una maggiore stabilità dovuta al formarsi nell'ambito del biofilm di un microambiente avente caratteristiche ottimali, di difficile perturbabilità, per i microorganismi. Tra i principali inconvenienti di questo tipo di reattori ricordiamo l'intasabilità, dovuto ad un abnorme sviluppo della biomassa che occlude gli spazi destinati alla circolazione del liquido e del gas, e la "canalizzazione", ovvero la formazione di canali di deflusso preferenziali per il liquame con l'esclusione quindi di una frazione della superficie di biofilm che rimane inattiva. • Filtri anaerobici Questi reattori sono costituiti da un recipiente riempito di materiale di riempimento su cui si sviluppa il biofilm. A seconda della modalità di alimentazione distinguiamo due tipi di filtri anaerobici: a flusso ascendente (Upflow Anaerobic Filter, UAF) e, il meno diffuso, a flusso discendente (Downflow Anaerobic Filter, DAF). Il primo è caratterizzato dall'ingresso dell'influente dal basso e dalla fuoriuscita dell'effluente in alto, il secondo ha un funzionamento idraulico opposto. Processi anaerobici/ reattori • Reattori DSFF • Reattori a letto espanso e a letto fluidizzato Il reattore DSFF (Downflow Stationary Fixed Film) è un tipo di filtro anaerobico in cui il materiale di impaccamento forma dei canali verticali aventi luce interna di qualche centimetro di diametro (in modo da ridurre al minimo i rischi di intasamento), sulle cui pareti cresce adesa la biomassa. Il flusso del liquame è discendente (alimentazione dall'alto e uscita dal basso) ed anche questo contribuisce alla rimozione della biomassa in eccesso riducendo i rischi di intasamento. Per queste sue caratteristiche è un tipo di filtro particolarmente indicato nel trattamento di reflui aventi elevate concentrazioni di solidi sospesi. Per quanto riguarda le prestazioni, queste sono assimilabili a quelle dei filtri anaerobici. I reattori a letto espanso e a letto fluidizzato sono particolari tipi di reattori a biomassa adesa, in cui il materiale di supporto è costituito da fini particelle di materiale inerte (0.1ú1 mm di diametro). Il materiale di supporto può essere costituito da sabbia, granuli di carbone, particelle di materiale plastico, zeoliti, sepiolite, etc.. Al fine di permettere la crescita del biofilm attorno alle particelle ed evitare la sedimentazione e l'impaccamento delle stesse è indispensabile un flusso idraulico sufficiente a mantenere le particelle del materiale in sospensione. La differenza fra letto espanso e letto fluidizzato sta nell'intensità di espansione del letto che per i letti espansi è pari a 1.2ú-1.25 volte il volume del letto a riposo, mentre per i letti fluidizzati è maggiore di 1.3 volte il volume a riposo. Processi anaerobici/ reattori • Reattori ibridi I reattori ibridi sono il frutto della combinazione di due o più tipi di reattori, in particolare tra il reattore a biomassa sospesa UASB ed il reattore a biomassa adesa UAF. Il nuovo reattore viene chiamato UASF (Upflow Anaerobic Sludge Filter) oppure SBAF (Sludge Bed Anaerobic Filter), anche se molto spesso viene indicato come "reattore ibrido". Trattamento fanghi e liquor a) b) c) d) e) f) g) Sludge=fanghi Thichen=Inspessimento Condition=condizionamento StabilizeStabilizzazione Dewater=Essiccamento Soil=Suolo Landfill=interramento,discarica Trattamento fanghi e liquor • Esempio di trattamento impianto di fanghi e liquor Trattamento fanghi e liquor • Essiccazione in vasca