Trattamento reflui di cantina

1. Trattamento reflui di cantina Claudio Lubello Università di Firenze

2. Caratteristiche quantitative • produzione di acquereflue in una cantina vinicola • La produzione di acquereflue cambia molto durantel’arcodell’anno: • circa 1 m3 di refluo ogni 20 quintali di uva lavorata • volume di refluo pari a 0.7-1.2 volte il volume di vino prodotto • portate maggiori nel periodo della vendemmia (settembre-novembre) • portate minori nel periodo successivo dei travasi (novembre-marzo). • la produzione di acque reflue nel periodo aprile-agosto è pressoché assente

3. Caratteristiche qualitative

4. Contenuto di metalli pesanti • Acque reflue provenienti da 4 cantine della provincia di Trento • confronto con valori di cantine spagnole (Bustamante et al., 2005) • confronto con i valori limite imposti dalla normativa nazionale per lo scarico in fognatura da insediamenti produttivi

5. Contenuto di metalli pesanti • Cu e Zn rappresentano i parametri più critici • le concentrazioni di Cu e Zn risultano spesso superiori ai limiti ammessi per lo scarico in fognatura

6. Caratteristiche salienti • Alti carichi organici, soprattutto in forma solubile: • estremi valori di pH (80% dei campioni con pH in campo acido) • presenza di metalli pesanti • bassa concentrazione di nutrienti • concentrazione di COD) • il COD solubile rappresenta l’86% del COD totale • concentrazione di SST • si rende sempre necessaria una neutralizzazione del pH prima di uno stadio biologico • spesso la concentrazione di Cu e Zn non è compatibile con lo scarico in fognatura o in acque superficiali • N e P costituiscono lo 0.7% e lo 0.1% del COD totale • nel trattamento biologico delle acque di cantina è necessario aggiungere urea e acido fosforico (0.11 g urea/gCOD e 0.018 g H3PO4/gCOD)

7. Frazionamento COD acque grezze Valori misurati nel periododella vendemmia(settembre-ottobre) Valori misurati nel periododei travasi (novembre-marzo)

8. Il COD rapidamente biodegradabile (RBCOD) rappresenta il 75.4% del COD totale (media annua). • La frazione di RBCOD è leggermente superiore nel periodo dei travasi (80.7%), rispetto al periodo di vendemmia (71.4%), a causa dello sviluppo dei processi di fermentazione vendemmia(settembre-ottobre) travasi (novembre-marzo)

9. Il COD lentamente biodegradabile (SBCOD) è pari solo al 3.0% del COD totale (media annua) • il COD solubile non biodegradabile è pari al 12.4% nel periodo di vendemmia e pari al 7.2% nel periodo dei travasi. Tale frazione si ritrova inalterata nell’effluente finale. vendemmia(settembre-ottobre) travasi (novembre-marzo)

10. La biomassa cellulare (misurata mediante test respirometrico) è decisamente trascurabile (<0.24% del COD totale). • La bassa concentrazione di biomassa batterica nelle acque di cantina può rendere difficoltoso lo start-up di un impianto biologico di trattamento (soprattutto se a biomassa adesa) se non adeguatamente inoculato. vendemmia(settembre-ottobre) travasi (novembre-marzo)

11. Alternative di gestione dei reflui 3 1 realizzazione di un impianto di pre-trattamento on-site presso l’azienda, prima dello scarico in fognatura, nel caso in cui il refluo tal quale non rispetti le condizioni per lo scarico diretto in fognatura; stoccaggio delle acque reflue presso l’azienda, trasporto e conferimento in un impianto di depurazione adeguato per il trattamento 4 2 realizzazione di un trattamento completo on-site presso l’azienda produttrice e scarico in acque superficiali. scarico in fognatura delle acque reflue tal quali, se compatibili con la normativa

12. Alternative di gestione dei reflui 1 • Alternativa 1:costo di trasporto e pagamento per lo smaltimentopressoildepuratore in funzione di portata o caricoconferito • Alternativa 2:costi per canone di fognatura e canone di depurazione. stoccaggio delle acque reflue presso l’azienda, trasporto e conferimento in un impianto di depurazione adeguato per il trattamento 2 scarico in fognatura delle acque reflue tal quali, se compatibili con la normativa

13. Alternative di gestione dei reflui 3 • Alternativa 3 e 4: preferite nel caso di cantine di media dimensione o grandi aziende. • Alternativa 3: necessaria quando non sono rispettate le concentrazioni limite di COD, BOD5, SST e metalli pesanti per lo scarico in fognatura. • Alternativa 4: rimane la soluzione perseguibile nel caso di aziende medio-grandi per le quali le altre soluzioni non sono economicamente vantaggiose. realizzazione di un impianto di pre-trattamento on-site presso l’azienda, prima dello scarico in fognatura, nel caso in cui il refluo tal quale non rispetti le condizioni per lo scarico diretto in fognatura; 4 realizzazione di un trattamento completo on-site presso l’azienda produttrice e scarico in acque superficiali.

14. Sistemi di trattamento • TRATTAMENTI BIOLOGICI CONVENZIONALI • TRATTAMENTI BIOLOGICI AVANZATI • TRATTAMENTI CHIMICO-FISICI (in generepre-trattamento prima dello scarico in fognatura)

15. Trattamenti convenzionali • I sistemi convenzionali per il trattamento delle acque reflue di cantina sono: fanghi attivi, reattori SBR e biodischi • IMPIANTI A FANGHI ATTIVI: la ricorrenza del fenomeno di bulking è un tipico inconveniente nel caso dei fanghi attivi • IMPIANTI SBR:hanno dimostrato buone potenzialità, potendo modificare la lunghezza dei cicli in funzione del carico organico applicato e mantenendo la medesima qualità dell’effluente. Si applicano carichi volumetrici pari a 0.8 kgCOD m-3 d-1 con efficienza di rimozione > 90%. • BIODISCHI: diminuzione delle prestazioni in presenza di picchi di carico, con riduzione dell’ossigeno o eccessiva crescita di biofilm.

16. Trattamenti avanzati • Permettono di superare alcuni dei limiti dei sistemi biologici convenzionali • I sistemi a biofilm si prestano bene grazie alla elevata concentrazione di COD rapidamente biodegradabile • Per i reflui di cantina sono stati proposti: Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) Fixed Bed Biofilm Reactor (FBBR) Sistema anaerobico UASB - UHD • I sistemi MBBR e FBBR offrono diversi vantaggi quali: riduzione di problemi di bulking assenza di controlavaggio grazie all’elevato grado di vuoto facile gestione dei reattori

17. SISTEMA A BIOMASSA ADESA A LETTO FISSO (FIXED BED BIOFILM REACTOR, FBBR). CASO DI STUDIO: cantina vinicola dell’Istituto Agrario di S. Michele • grigliatura (mesh 3 mm) • equalizzazione/omogeneizzazione aerata + neutralizzazione del pH • 1st stadio FBBR (2 reattori in parallelo) seguito da sedimentazione intermedia • 2nd stadio FBBR, seguito da sedimentazione finale • Il fango sedimentato è inviato ad un ispessitore e quindi trasportato in un altro impianto per la disidratazione VFBBR=12.5 m3 V=20 m3 V=3 m3 V=8 m3 VFBBR=12.5 x 2 m3 pH neutralization V=9 m3

18. CARATTERISTICHE DEL SISTEMA FBBR I reattori FBBR sono riempiti con elementi plastici (BIO-ECO) • Realizzati in polipropilene (densità  1.05 g cm-3) • Forma pressoché sferica con dimensioni di circa 11 cm • Superficie specifica pari a 140 m2 m-3 • Elevato grado di vuoto pari a 95% • Letto del reattore FBBR è sommerso ed aerato • Aerazione mediante piastre Messner • Avendo funzionamento stagionale(settembre-marzo) ed elevato grado di vuotonon richiede controlavaggio

19. I reattori FBBR sono realizzati in acciaio e montatisu rotaie • possono essere estratti dall’edificioe trasportati temporaneamente (per alcune settimane) presso un altro impianto per l’acclimatazione nel mese di agosto, prima della vendemmia • immediato start-up all’inizio della vendemmia.

20. Carichi di COD totale applicati e rimossi nell’impianto FBBR Rimozione del COD nel 1° stadio • Carico medio applicato = 2.4 kgCOD m-3 d-1 (massimo = 8 kgCOD m-3 d-1) • Efficienza media = 80% (range 67-97%) • Nel 1° stadio avviene la completa rimozione dell’RBCOD (pari al 71-80% del COD totale) Rimozione del COD nell’impiantocompleto • Efficienza media = 91% • Conc. media COD infl. 2356 mgCOD L-1, effl. 212 mg/L • Questo valore rappresentaun limite per il trattamento biologico: nelle acque reflue di cantina è presente una frazione di COD solubile non biodegradabile uguale al 9.8% in media che non può essere rimossa né mediante trattamento biologico né mediante sedimentazione.

21. PRINCIPALI OSSERVAZIONI SUL SISTEMA FBBR • Rapido start-up (circa 24 - 48 ore dall’inizio della vendemmia) grazie alla preventiva colonizzazione dei supporti plastici; • I reattori FBBR non richiedono controlavaggio durante il periodo stagionale operativo (Settembre-Marzo). Non si sono riscontrati intasamenti. • L’efficienza di rimozione è stata pari al 90%, che rappresenta un valore limite a causa della frazione solubile non biodegradabile del COD pari a circa il 10% → possono presentarsi difficoltà a rispettare il limite allo scarico pari a 500 mgCOD/L • Vantaggi gestionali: • Semplice gestione • Elevata efficienza anche nel caso di forti fluttuazioni di portata e di carico • Buona sedimentabilità dei fanghi senza problemi di bulking

22. SISTEMA A BIOMASSA ADESA A LETTO MOBILE (MOVING BED BIOFILM REACTOR, MBBR). CASO DI STUDIO presso cantina vinicola Rotary, Mezzocorona 1 cm • Nei reattori MBBR gli elementi plastici sono in sospensione nel bulk liquido realizzando una configurazione a completa miscelazione. • grigliatura • equalizzazione e neutralizzazione del pH • reattore aerobico MBBR • sedimentazione finale • Sono stati impiegati supporti KMT • in polietilene con densità pari a 0.96 g cm-3 • dimensioni di 7-10 mm • grado di riempimento = 67% • superficie specifica nel reattore = 300 m2 m-3

23. Carichi di COD totale applicati e rimossi nell’impianto MBBR • carichi volumetrici fino a 9.6 kgCOD m-3 d-1 • carichi superficiali fino a 32 gCOD m-2 d-1 • efficienza di rimozione del COD = 95% in media (range 85-99%) • concentrazioni medieCOD: infl. 2100 mg L-1, effl. 105 mg L-1 • buona sedimentabilitàdei fanghi(SVI < 100 mL gSST-1).

24. FILTRO ANAEROBICO UASB REATTORE ANAROBICO CON CONFIGURAZIONE IBRIDA (UASB + FILTRO ANAEROBICO) CASO DI STUDIO presso cantina vinicola Rotary, Mezzocorona Reattori anaerobici di tipo UHD (Upflow Hybrid Digester) combinano un reattore UASB con un filtro anaerobico Configurazione dell’impianto: • equalizzazione e neutralizzazione del pH • reattore anaerobico tipo UHD (altezza pari a 4.5 m): - parte bassa costituita da un letto UASB in cui si svolge gran parte della rimozione del COD- parte alta costituita da un filtro anaerobico con elementi Flocor-R (cilindri in PVC, con superficie specifica = 230 m2 m-3) • temperatura di processo = 35°C. • tempo di ritenzione nel reattore pari a 43-48 h.

25. Performance dell’impianto UHD • carichi volumetrici applicati = 6 kgCOD m-3 d-1 in media (range 2-15 kgCOD m-3 d-1) • efficienza di rimozione del COD > 93% • riduzione dell’efficienza in presenza di forti fluttuazioni di carico: necessità di una vasca di omogeneizzazione/equalizzazione a monte del reattore biologico • produzione specifica di biogas = 0.5 m3 kgCOD-1 rimosso. Il reattore UHD, dopo un fermo impianto di 4 mesi (maggio-settembre) ha ristabilito una efficienza di rimozione del COD pari al 96% entro 7 giorni.

26. TRATTAMENTI CHIMICO-FISICI PER LA RIMOZIONE DEI METALLI • In molti casi il trattamento delle acque reflue di cantina si limita alla rimozione della sostanza organica • nel caso di normative molto restrittive per i metalli pesanti le concentrazioni di alcuni metalli, specialmente Cu e Zn, superano i limiti ammessi allo scarico • Per la rimozione dei metalli pesanti si può ricorrere a un pre-trattamento on-site di tipo chimico-fisico, prima dello scarico in fognatura: Normativa italiana • Cu < 0.4 mg L-1 • Zn < 1.0 mg L-1 • Facile gestione e controllo di processo • Flessibilità al variare dei carichi applicati e delle portate • Riduzione degli spazi occupati e contenuti costi di realizzazione • Costi aggiuntivi per i reattivi e per lo smaltimento dei fanghi