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Introduzione al modulo: Processi unitari biologici

MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI”. Introduzione al modulo: Processi unitari biologici. Prof. Franco Cecchi

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Introduzione al modulo: Processi unitari biologici

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Presentation Transcript

  1. MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Introduzione al modulo:Processi unitari biologici Prof. Franco Cecchi Dipartimento Scientifico e Tecnologico - Università degli Studi di Verona

  2. MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Sommario • I parte: • Evoluzione degli obiettivi dei trattamenti biologici di acque reflue e fanghi • II parte: • Brevi cenni sui metodi di trattamento biologico di acque reflue e fanghi • III parte: • Situazione attuale dell’applicazione dei trattamenti biologici • IV parte: • Contenuti del corso

  3. 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

  4. 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

  5. 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: • Materiali colloidali • Domanda biologica di ossigeno (BOD) • Solidi sospesi totali (TSS) • Organismi patogeni • Ad essi si aggiungono, per quanto riguarda le acque interne, anche i nutrienti: • 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)

  6. 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 co-digestione una valida soluzione

  7. Schematizzando il processo di evoluzione degli obiettivi di qualità: 1900 • Rimozione materiali sospesi e flottanti • Eliminazione organismi patogeni • 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

  8. Rimozione di C Rimozione di C, N Rimozione di C, N, P Rimozione di microinquinanti Evoluzione degli obiettivi dei trattamenti biologici delle acque reflue Trattamenti convenzionali Trattamenti avanzati

  9. 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)

  10. 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 per la rimozione biologica del solo carbonio e parziale nitrificazione • Processi per la rimozione biologica di carbonio e azoto • Processi per la rimozione biologica dei nutrienti (BNR) • Processi per la rimozione biologica dei microinquinanti (organici e inorganici) • Linea fanghi: • Digestione aerobica • Compostaggio • Digestione anaerobica • Approccio combinato (digestione anaerobica + compostaggio)

  11. 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

  12. Plug - flow convenzionale e CSTR

  13. MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Oxidation ditch

  14. Sequencing batch reactor e stabilizzatore per contatto

  15. 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

  16. 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.

  17. 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

  18. 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: Ludzack-Ettinger modificato

  19. 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

  20. 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

  21. MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Processo Phoredox

  22. MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Processo Johannesburg

  23. 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

  24. 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)

  25. MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Processo UCT modificato

  26. 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

  27. 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

  28. 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%

  29. 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

  30. 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)

  31. 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)

  32. MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Contenuti del modulo

  33. Processi unitari biologici: Introduzione al metabolismo microbico Classificazione generale dei microrganismi Cinetica della crescita biologica Analisi del processo Processo a fanghi attivati Processi di rimozione del carbonio Rese di processo e stabilità Determinazione dei coefficienti cinetici Elementi di progettazione Configurazioni di processo MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI”

  34. MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Processi biologici avanzati per la rimozione di azoto e fosforo • Controllo e rimozione dell’azoto • Rimozione del fosforo • Rimozione combinata di azoto e fosforo • Configurazioni di processo • Elementi di dimensionamento e progettazione

  35. MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Fornitura dell’ossigeno ed altre apparecchiature elettromeccaniche • Analisi del trasferimento di ossigeno • Sistemi di aerazione • Tipologie di reattori biologici e criteri di scelta delle apparecchiature elettromeccaniche

  36. MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Progettazione di sistemi di trattamento e smaltimento dei fanghi • Caratteristiche qualitative e quantitative dei fanghi di depurazione • Trattamenti preliminari • Scelta dei sistemi di trasferimento e pompaggio • Preispessimento

  37. MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” • Stabilizzazione aerobica: • dimensionamento dei reattori • gestione del processo • monitoraggio • introduzione al processo di compostaggio • Stabilizzazione anaerobica: • dimensionamento dei reattori • gestione del processo • monitoraggio • Co-digestione: • dimensionamento dei reattori • gestione del processo

  38. MASTER INTERUNIVERSITARIO DI SECONDO LIVELLO: “SCUOLA DI INGEGNERIA CHIMICA AMBIENTALE - GESTIONE E TRATTAMENTI INDUSTRIALI DELLE ACQUE E BIOTECNOLOGIE DELLE RISORSE RINNOVABILI” Esercitazioni • Dimensionamento di processi unitari biologici • Progettazione di sistemi per il trattamento biologico delle acque reflue • Progettazione di sistemi per il trattamento dei fanghi di supero

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