26.Trattamento reflui di cantina

Report
Trattamento reflui di cantina
Claudio Lubello
Università di Firenze
Caratteristiche quantitative
 produzione di acque reflue in una cantina vinicola
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
 La produzione di acque reflue cambia molto durante l’arco
dell’anno:
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
Caratteristiche qualitative
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
C a n tin e lo c a lizza te
in p ro vin c ia d i T re n to
(A n d re o tto la e t a l., 2 0 0 6 )
C a n tin e lo c a lizza te
in S p a g n a
(B u s ta m a n te e t a l., 2 0 0 5 )
L im iti p e r lo
s c a ric o in
fo g n a tu ra
-1
M e ta lli
p e s a n ti
M e d ia
-1
(m g L )
Range
-1
(m g L )
M e d ia
-1
(m g L )
Range
-1
(m g L )
(m g L )
As
0 .0 0 5
0 .0 0 1 -0 .0 2
-
-
0 .5
Ba
0 .2 2
0 .0 5 -1 .3 6
-
-
-
Cd
< 0 .0 0 5
< 0 .0 0 5
0 .0 6
0 .0 5 -0 .0 8
0 .0 2
Cr
0 .0 5
< 0 .0 0 5 -0 .1 4
0 .1 5
< 0 .2 0 -0 .7 2
4
Cu
2 .3 5
0 .6 8 -1 1 .1 3
0 .7 9
< 0 .2 -3 .2 6
0 .4
Hg
1X10
-
-
Mn
0 .1 6
0 .0 6 -0 .7 7
0 .3 1
< 0 .2 -1 .7 4
4
Ni
0 .0 6
0 .0 1 -0 .1 0
0 .1 2
< 0 .2 0 -0 .6 5
4
Pb
0 .0 8
0 .0 2 -0 .2 0
1 .0 9
0 .5 5 -1 .3 4
0 .3
Zn
0 .9 6
0 .1 4 -4 .0 3
0 .5 8
0 .0 9 -1 .4 0
1 .0
-3
3
X10
-4
-2 .2 X 1 0
-3
5 x1 0
-3
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
C a n tin e lo c a lizza te
in p ro vin c ia d i T re n to
(A n d re o tto la e t a l., 2 0 0 6 )
C a n tin e lo c a lizza te
in S p a g n a
(B u s ta m a n te e t a l., 2 0 0 5 )
L im iti p e r lo
s c a ric o in
fo g n a tu ra
-1
M e ta lli
p e s a n ti
M e d ia
-1
(m g L )
Range
-1
(m g L )
M e d ia
-1
(m g L )
Range
-1
(m g L )
(m g L )
As
0 .0 0 5
0 .0 0 1 -0 .0 2
-
-
0 .5
Ba
0 .2 2
0 .0 5 -1 .3 6
-
-
-
Cd
< 0 .0 0 5
< 0 .0 0 5
0 .0 6
0 .0 5 -0 .0 8
0 .0 2
Cr
0 .0 5
< 0 .0 0 5 -0 .1 4
0 .1 5
< 0 .2 0 -0 .7 2
4
Cu
2 .3 5
0 .6 8 -1 1 .1 3
0 .7 9
< 0 .2 -3 .2 6
0 .4
Hg
1X10
-
-
Mn
0 .1 6
0 .0 6 -0 .7 7
0 .3 1
< 0 .2 -1 .7 4
4
Ni
0 .0 6
0 .0 1 -0 .1 0
0 .1 2
< 0 .2 0 -0 .6 5
4
Pb
0 .0 8
0 .0 2 -0 .2 0
1 .0 9
0 .5 5 -1 .3 4
0 .3
Zn
0 .9 6
0 .1 4 -4 .0 3
0 .5 8
0 .0 9 -1 .4 0
1 .0
-3
3
X10
-4
-2 .2 X 1 0
-3
5 x1 0
-3
Caratteristiche salienti
 Alti carichi organici, soprattutto in forma solubile:
concentrazione di COD)
il COD solubile rappresenta l’86% del COD totale
concentrazione di SST
 estremi valori di pH (80% dei campioni con pH in campo acido)
si rende sempre necessaria una neutralizzazione del pH
prima di uno stadio biologico
 presenza di metalli pesanti
 spesso la concentrazione di Cu e Zn non è compatibile con lo
scarico in fognatura o in acque superficiali
 bassa concentrazione di nutrienti
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)
Frazionamento COD acque grezze
Valori misurati nel periodo
della vendemmia
(settembre-ottobre)
Valori misurati nel periodo
dei travasi
(novembre-marzo)
RBCOD
8 0 .7 %
RBCOD
7 1 .4 %
C O D so lu b ile
8 4 .5 %
C O D so lu b ile
C O D so lu b ile
n o n b io d eg rad ab ile
8 8 .0 %
C O D so lu b ile
n o n b io d eg rad ab ile
7 .2 %
1 2 .4 %
C O D to tale
1 0 0%
C O D to tale
1 0 0%
SB COD
3 .1 %
SB COD
2 .9 %
C O D p artico lato
1 5 .5 %
C O D p artico lato
.
n o n b io d eg rad ab ile
1 3 .3 %
B io m assa attiv a
co m e C O D
tra scu ra b ile
C O D p artico lato
1 2 .0 %
C O D p artico lato
.
n o n b io d eg rad ab ile
8 .8 %
B io m assa attiv a
co m e C O D
0 .2 4 %
 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)
C O D so lu b ile
8 4 .5 %
RBCOD
7 1 .4 %
travasi
(novembre-marzo)
C O D so lu b ile
C O D so lu b ile
n o n b io d eg rad ab ile
8 8 .0 %
RBCOD
8 0 .7 %
C O D so lu b ile
n o n b io d eg rad ab ile
7 .2 %
1 2 .4 %
C O D to tale
1 0 0%
C O D to tale
1 0 0%
SB COD
3 .1 %
SB COD
2 .9 %
C O D p artico lato
1 5 .5 %
C O D p artico lato
.
n o n b io d eg rad ab ile
1 3 .3 %
B io m assa attiv a
co m e C O D
tra scu ra b ile
C O D p artico lato
1 2 .0 %
C O D p artico lato
.
n o n b io d eg rad ab ile
8 .8 %
B io m assa attiv a
co m e C O D
0 .2 4 %
 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)
C O D so lu b ile
8 4 .5 %
RBCOD
7 1 .4 %
travasi
(novembre-marzo)
C O D so lu b ile
C O D so lu b ile
n o n b io d eg rad ab ile
8 8 .0 %
RBCOD
8 0 .7 %
C O D so lu b ile
n o n b io d eg rad ab ile
7 .2 %
1 2 .4 %
C O D to tale
1 0 0%
C O D to tale
1 0 0%
SB COD
3 .1 %
SB COD
2 .9 %
C O D p artico lato
1 5 .5 %
C O D p artico lato
.
n o n b io d eg rad ab ile
1 3 .3 %
B io m assa attiv a
co m e C O D
tra scu ra b ile
C O D p artico lato
1 2 .0 %
C O D p artico lato
.
n o n b io d eg rad ab ile
8 .8 %
B io m assa attiv a
co m e C O D
0 .2 4 %
 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)
C O D so lu b ile
8 4 .5 %
RBCOD
7 1 .4 %
travasi
(novembre-marzo)
C O D so lu b ile
C O D so lu b ile
n o n b io d eg rad ab ile
8 8 .0 %
RBCOD
8 0 .7 %
C O D so lu b ile
n o n b io d eg rad ab ile
7 .2 %
1 2 .4 %
C O D to tale
1 0 0%
C O D to tale
1 0 0%
SB COD
3 .1 %
SB COD
2 .9 %
C O D p artico lato
1 5 .5 %
C O D p artico lato
.
n o n b io d eg rad ab ile
1 3 .3 %
B io m assa attiv a
co m e C O D
tra scu ra b ile
C O D p artico lato
1 2 .0 %
C O D p artico lato
.
n o n b io d eg rad ab ile
8 .8 %
B io m assa attiv a
co m e C O D
0 .2 4 %
Alternative di gestione dei reflui
3
1
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
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.
Alternative di gestione dei reflui
 Alternativa 1: costo di trasporto e
1
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
pagamento per lo smaltimento
presso il depuratore in funzione di
portata o carico conferito
 Alternativa 2: costi per canone di
fognatura e canone di
depurazione.
Alternative di gestione dei reflui
 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.
3
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.
Sistemi di trattamento
 TRATTAMENTI BIOLOGICI CONVENZIONALI
 TRATTAMENTI BIOLOGICI AVANZATI
 TRATTAMENTI CHIMICO-FISICI (in genere
pre-trattamento prima dello scarico in fognatura)
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.
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
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
V=20
screening
VFBBR=12.5 m3
m3
V=3 m3
equalization /
hom ogeneization
tank
V=8 m3
2 nd stage
FB B R
interm ediate
settler
1 st stage
FB B R
discharge
excess sludge
VFBBR=12.5 x 2 m3
pH
neutralization
final settler
thickenin g
V=9 m3
excess sludge
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 vuoto
non richiede controlavaggio
 I reattori FBBR sono realizzati in
acciaio e montati
su rotaie
 possono essere estratti dall’edificio
e 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.
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’impianto
completo
30
4
( kgC O D m
3
20
2
10
  = 91%
1
0
0
0
1
2
3
4
5
C arico app licato vo lu m e trico
( kgC O D m
-3
-1
d )
-1
40
-3
-1
40
 = 100%
5
d )
30
d )
20
-2
10
-1
d )
(gC O D m
0
-2
C arico rim osso s upe rfic ia le
(gC O D m
C arico rim osso vo lu m e trico
 Efficienza media = 91%
 Conc. media COD infl. 2356
mgCOD L-1, effl. 212 mg/L
 Questo valore rappresenta
un 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.
C arico app licato s upe rfic ia le
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
SISTEMA A BIOMASSA ADESA A LETTO MOBILE
(MOVING BED BIOFILM REACTOR, MBBR).
CASO DI STUDIO presso cantina vinicola Rotary, Mezzocorona
 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
1 cm
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 sedimentabilità
carico applicato superficiale
-2 -1
dei fanghi
(gCOD m d )
0
10
20
30
(SVI < 100 mL gSST-1).
40
40
12
10
30
8
 = 95%
6
20
4
10
2
0
0
0
2
4
6
8
10
carico applicato volumetrico
(kgCOD m-3 d-1)
12
carico rimosso superficiale
(gCOD m-2 d-1)
 = 100%
carico rimosso volumetrico
(kgCOD m-3 d-1)





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.
FILTRO
ANAEROBICO
UASB
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.
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
Normativa
italiana
Cu < 0.4 mg L-1
Zn < 1.0 mg L-1
 Per la rimozione dei metalli pesanti si può ricorrere a un pre-trattamento
on-site di tipo chimico-fisico, prima dello scarico in fognatura:
• 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

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