Caratteristiche dei biofilm Composizione del Biofilm

Caratteristiche dei biofilm
• Associazione di microorganismi adesi a una
superficie
• In condizioni naturali i microorganismi
tendono a formare biofilm spontaneamente
• Lo sviluppo dei microorganismi ha come
conseguenza una stratificazione fisiologica
del biofilm
Composizione del Biofilm
• Microorganismi adesi a un materiale di supporto
• Matrice di esopolimeri organici di origine microbica
• Materiali inorganici in sospensione che aderiscono
Processi che avvengono
all’interno di un Biofilm
Processi fisici
Processi chimici
STRATIFICAZIONE
FISIOLOGICA DEI
BIOFILM
•
•
•
L’ossigeno e I
nutrienti trasportati
dall’acqua
diffondono
attraverso il biofilm
La profondità fino
alla quale il biofilm
è attivo è di 300400µm
Sloughing
LETTI
PERCOLATORI
BIODISCHI
FILTRI BIOLOGICI
SOMMERSI
ALTERNATIVE
di APPLICAZIONE
delle BIOMASSE
ADESE
LETTI
FLUIDIZZATI
REATTORI
A LETTO MOBILE
SISTEMI A BIOMASSA ADESA
possibilità di svincolare il tempo di residenza cellulare da
quello di ritenzione idraulica, senza operare ricircoli di
biomassa;
possibilità di aumentare le concentrazioni di biomassa, con
la conseguente riduzione dei volumi dei reattori e delle
superfici occupate;
possibilità di migliorare le prestazioni di impianti esistenti
sottodimensionati o al fine di rispettare standard allo
scarico più restrittivi;
indipendenza del processo dalle caratteristiche di
sedimentabilità del fango.
Sistemi a biomassa adesa
•
•
•
•
•
•
Letti percolatori
Biodischi (RBC)
Reattori a letto mobile
Biofiltri
Reattori a letto fluidizzato
Reattori a biomassa adesa ad alimentazione
discontinua (SBBR)
VANTAGGI SISTEMI A
BIOMASSA ADESA
CONVENZIONALI (RBC e TF)
•
•
•
•
•
•
Bassi consumi energetici
Semplice gestione
Nessun problema di sedimentabilità del fango
Migliori proprietà di ispessimento dei fanghi
Minori fabbisogni di manutenzione
Miglior recupero da shock tossici
LETTI PERCOLATORI
Prime applicazioni: Inghilterra 1893
Riempimento tradizionale (pietrisco)
Riempimento plastico
L’acqua reflua attraversa un letto sul quale è adeso il
fango
Ventilazione naturale o forzata
Maturazione del biofilm e distacco
Necessita di sedimentazione secondaria per la
separazione dei solidi
LETTI PERCOLATORI
Diagramma di flusso
Ricircolo (eventuale)
Letto
percolatore
Ingresso
Sedimentatore
Uscita
Fango di supero
LETTI PERCOLATORI
Diagramma di flusso
Recycle
Final
clarifier
Final
effluent
Influent
Primary
clarifier
Trickling
filter
Waste
sludge
Caratteristiche
• Sedimentazione primaria per prevenire l’intasamento
• Riempimento: pozzolana, ghiaia, etc. con una porosità del
50%
• Profondità media del letto: 2 metri
• Il ricircolo dell’effluente per diluire l’influente aumenta
l’efficacia
• Autopulizia stazionaria per sloughing
• Sedimentazione secondaria per la separazione dei solidi
• In condizioni di basso carico nella parte bassa del letto si può
avere nitrificazione
Letti percolatori in materiale naturale
• Altezza (0,9-2,5 m, media 1,8 m)
• Problema “sloughing”
• Problema crescita a volte incontrollata di
funghi od alghe nella zona superiore o di
organismi superiori (vermi, ecc.) che
possono predare il biofilm.
Tipico letto percolatore
in pietrisco naturale
Classificazione
In funzione del carico organico si distinguono
• Filtri a basso carico
• Filtri ad alto carico
Filtro percolatore con
riempimento plastico
•
•
•
•
•
•
•
Riempimento plastico di
differenti configurazioni
Fino al 90% di porosità
Elevata superficie specifica
Reattori più alti (reduzione
della superficie richiesta)
Aerazione facilitata
Trattamento di carichi da 1 a
5 Kg COD/m3 d
Possibilità di copertura
LETTI PERCOLATORI
Riempimento plastico
modulare e sfuso
LP a basso carico
–
–
–
–
–
–
Singolo stadio
Riempimento naturale
Carichi idraulici: 1-4 m3 WW/(m2 d)
Corg: 0,07-0,22 kgBOD/(mc d)
Nessun ricircolo
Elevata occupazione superficie
LP ad alto carico
• Pietrisco
–Uno o due stadi
–Ci:
10-40 m3 WW/(m2 d)
–Corg:
0,4-2,4 kgBOD/(mc d)
–Ricircolo:
1-3 Qc
• Materiale plastico
–Uno o due stadi
–Ci:
10-75 m3 WW/(m2 d)
–Corg:
0,6-3,2 kgBOD/(mc d)
–Ricircolo:
1-3 Qc
LP ad altissimo carico
(sgrossamento COD)
– Riempimento plastico (sup. Specif. 2-5 volte
pietrisco)
– Elevate altezze riempimento (5-10 m)
– Carichi idraulici: 40-200 m3 WW/(m2 d)
– Corg: > 1,5 kgBOD/(m3 d)
– Ricircolo: 1-3 Qc
PARAMETRI PROGETTO
LETTO PRECOLATORE
Par. Progetto
Basso
Carico
Medio
Carico
Alto carico
Alto carico
Sgrossamento
Riempimento
Pietrisco
Pietrisco
Pietrisco
Plastica
Pietrisco/plastica
Carico idraulico
(m3/(m2 d))
1-4
4-10
10-40
10-75
40-200
Carico organico
kgBOD/(m3 d)
0,07-0,22
0,24-0,48
0,4-2,4
0,6-3,2
>1,5
Rapporto di
ricircolo
0
0-1
1-3
1-3
0-3
Distacco
biofilm
Intermitt.
Intermitt.
Continuo
Continuo
Continuo
Profondità (m)
1,8-2,4
1,8-2,4
1,8-2,4
3-12
0,9-6
Effic. Rim. BOD5
80-90
50-80
50-90
60-90
40-70
Nitrificazione
80-90
30-50
-
-
-
P installata
kW/(103 m3)
2-4
2-8
6-10
6-10
10-20
CARICHI VOLUMETRICI E
SUPERFICIALI DI PROGETTO
APPLICAZIONE
CARICO
QUALITA’
EFFLUENTE
Pretrattamento alto carico 2-5 kgBOD/(mc d)
(rim.C)
55-70% rim. BOD
Trattamento secondario
Medio carico (rim.C)
0,3-1,0 kgBOD/(mc d)
82-92% rim. BOD
Trattamento secondario
Basso carico (rim.CN)
0,1-0,3 kgBOD/(mc d)
0,2-1 gTKN/(m2 d)
82-92% rim. BOD
<3 mg N-NH4 /L
Trattamento terziario
Carico (rim.N)
0,5-2,5 gTKN/(m2 d)
0,5-3 mg N-NH4 /L
LP – Rimozione C
Criterio WEF (2000)
Se =
So
K 20 AsDα T − 20
( R + 1) ⋅ exp
−R
n
q( R + 1)
So, Se = BOD influente, effluente (mg/L)
R = rapporto di ricircolo
Krif,20= cost. cinetica [(L/s)0,5 /m2 (0,21 per reflui
civili)
α=fatt. correttivo T per K (= 1,035)
As = sup. spec. Supporti
D = prof. Letto
q = portata idraulica superficiale [L/ (m2 s)]
N = cost caratteristica mat. riempimento
Kp = Krif
Drif
Dp
0,5
Srif
⋅
Sp
Drif=6,1 m
Srif = 150 mgBOD/L
0 ,5
LP- Rimozione carbonio + nitrificazione
Criterio WEF
BOD
Nc, s = 0,82
TKN
−0 , 44
Nc,s = capacità nitrificazione specifica
gN/(m2 d)
BIODISCHI
Biodischi
•
•
•
•
Dischi plastici uniti assialmente da un albero
Parzialmente sommersi in una vasca
Rotazione dell’albero
Il fango adeso ai dischi viene esposto
alternativamente all’acqua reflua e all’ossigeno
dell’atmosfera
• Distacco naturale del biofilm
• Stadi separati
• Sedimentazione secondaria obbligatoria
Caratteristiche generali
Diagramma di flusso dei biodischi
Ricircolo (eventuale)
Biodisco
Ingresso
Sedimentatore
Uscita
Fango di supero
Diagramma di flusso dei biodischi
Biodischi
•
•
•
•
È costituito da dischi di 2-4 m di diametro, ravvicinati (2-3 cm) e posti su
un albero orizzontale
L’albero ruota a 1-2 rpm
Il materiale più usato è il polietilene ad alta densità (HDPE) corrugato. A
seconda del grado di corrugamento si parla di bassa, media o alta densità
(area totale per albero). Usati in sequenza, diversi spessori del biofilm.
Massimo 50000 abitanti equivalenti
PARAMETRI PROGETTO
BIODISCHI
Par. Progetto
Rimozione BOD Rimozione BOD e nitrificazione Nitrificazione separata
Carico idraulico
(m3/(m2 d))
0.08-0.16
0.03-0.08
0.04-0.10
Carico organico
gsBOD/(m2 d)
4-10
2.5-8
0.5-1
Carico organico
gBOD/(m2 d)
8-20
5-16
1-2
Carico organico
massimo 1° stadio
gsBOD/(m2 d)
12-15
12-15
Carico organico
massimo 1° stadio
gBOD/(m2 d)
24-30
24-30
Carico NH3 gN/(m2 d)
0.75-1.5
HRT (h)
0.7-1.5
1.5-4
1.2-3
BOD effluente (mg/l)
15-30
7-15
7-15
<2
1-2
N-NH4 effluente (mg/l)
Biodisco – Rimozione C
Criterio Grady (1999)
=
− +
+ ⋅
⋅
⋅
−
⋅
Sn= sBOD allo stadio n (mg/L)
As = sup. del disco n
Q = portata (m2/d)
Il carico del primo stadio
deve essere posto uguale a
12-15 g sBOD/m2 d per
determinare la prima area
Letto fisso sommerso
Reattore a letto fisso
Sedimentatore
Uscita
Ingresso
Aria
Fango di supero
Letto fisso sommerso
Aria
Liquame
Reagenti
Prodotti
di reazione
Film
liquido
Film biologico
Diffusione
Diffusione
e reazione
Supporto
Biofiltrazione
• Reattori biologici con biomassa adesa e non
in sospensione
• Supporto granulare o corrugato
• Nello stesso reattore avvengono due
processi:
– Degradazione biologica dei contaminanti
– Filtrazione fisica dei materiali in sospensione
• È necessario effettuare lavaggi periodici
Vantaggi della Biofiltrazione
• Risparmio di spazio
– Dovuto alla maggiore concentrazione della
biomassa
• Non richiedono sedimentazione secondaria
– Assenza di bulking
• Minore emissione di odori
• Costruzione modulare
• Operazione automatizzata
Svantaggi della Biofiltrazione
•
•
•
•
Possibile sensibilità ad alti carichi
Richiesta di un buon pretrattamento
Cicli di lavaggio ogni 24-48 ore
Alta richiesta di energia
– Pompe e soffianti per il lavaggio
• Personale qualificato per lo svolgimento del
processo
Processo di lavaggio
• Obiettivo: eliminare l’eccesso di fango che
riempie il filtro
• Frequenza: ogni 24-48 ore
• Sequenza
– Iniezione di aria per disintasare
– Lavaggio con aria e acqua in simultanea
– Risciacquo finale con acqua
• Processo simile al lavaggio dei filtri a
sabbia
Classificazione in funzione del
materiale di supporto
• Biofiltri con riempimento minerale
• Biofiltri con materiale plastico
• Biofiltri con piastre corrugate
Biofiltro
Biofiltri con
alimentazione
upflow
effluente
1
3
2
al trattamento
fanghi
4
liquame primario
5
Biofiltri con
alimentazione
downflow
Biofiltro
BIOFOR (Dégremont)
•
•
•
Modo di
alimentazione:
upflow
Materiale di
riempimento più
denso dell’acqua:
Biolite
Lavaggio upflow
con effluente
finale e aria
MBBR
Reattore a letto
mobile
Sedimentatore
Ingresso
Uscita
Fango di supero
Aria
MBBR
Reattori a biomassa adesa puri
pretrattamento
influente
trattamento primario
reattore a letto mobile
chiarificazione
sedimentazione
sedimentazione
effluente
stacciatura
filtro a sabbia
MBBR
Reattori a biomassa mista (adesa+sospesa)
pretrattamento
influente
trattamento primario
reattore a letto mobile
chiarificazione
sedimentazione
effluente
sedimentazione
stacciatura
ricircolo
supero