Giacomo Scaramuzzi

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Giacomo Scaramuzzi
ing. Giacomo Scaramuzzi
La tecnologia ad ozono e le sue
potenzialità di utilizzo nel trattamento
delle acque potabili e di scarico miste
civili ed industriali
Water & Wastewater
Generalità sull’ozono
Cosa sappiamo dell’ozono?
„
é un potente ossidante multifunzionale:
utilizzato ad es. per disinfezione, riduzione
colore, riduzione COD,….
„
Impianto di produzione ozono:
Gas di alimentazione, generatore ozono, sistema di miscelazione gas
/ sezione di contatto, gestione dell’off-gas, strumentazione di misura,
prescrizioni di sicurezza……
„
Soluzioni per sistemi integrati
in combinazione con filtrazione, trattamento biologico etc……
„
Sono disponibili soluzioni in sistemi compatti
„
costi di trattamento complessivo: 1,8 – 3 Euro/kg O3
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What is OZONE?
Peso molecolare:
48 g/mol
Densità @ 1013 mbar, 0°C:
2,14 kg/m³
Valore massimo in ambiente:
0,1 ppm
0,2 mg/m³air
Soglia di percezione odore:
0,01 ppm
Potenziale Redox:
2,07 V
Potenziale di ossidazione
di altri agenti ossidanti:
- Cloro
1,36 V
- Ossigeno (mol.) 1,23 V
- Biossido cloro
1,27 V
- Radicale OH
2,8 V
- Ipoclorito
1,49 V
Gas di colore tendente al blu, di odore forte e pungente
Æ è assoggettato a leggi e prescrizioni di sicurezza
OZONE [greco = odorare]
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Tecnologia di produzione ozono
Produzione ozono all‘interno di un campo elettrico
Ingresso
Ossigeno al
generatore
Energy (Ozone Generator)
Heat
Gas di alimentazione:
Molecole di ossigeno
Atomi liberi e
molecole di ossigeno
Uscita ozono
dal generatore
Gas prodotto:
miscela ozono /
gas alimentazione
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schema di un impianto ozono
Acqua di
raffreddamento
Distruzione
ozono
residuo
5 - 32 °C
O3
air / O2
5,5 kV
Gas di
alimentazione
generatore ozono
grounded
energy
(400 V)
Sezione di contatto
WEDECO
EFFIZON HP
Electrodes
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Aspetti tecnologici ed impiantistici
25
20
15
10
WT %
%
E’ una tecnologia costosa?
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
5
0
1980
1990
2000
Year
Il costo di produzione ozono è
commisurato ai benefici prodotti:
Relative energy
consumption
(%)
Ozone
concentration (wt%)
Esempio:
Sola disinfezione?
Æ
No! Gli UV sono più competitivi
Disinfezione, colore, odore, sostanze tossiche, COD?
Æ
Si!!
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Aspetti tecnologici ed impiantistici
Quanto costa produrre 1kg/h di ozono?
In linea generale i costi di esercizio per la generazione ozono sono dovuti all’energia
elettrica ed all’ossigeno di alimentazione.
Il costo medio dell’ossigeno è di
0,12 €/m3;
il costo medio dell’energia elettrica è di
0,12 €/kWh
Per
Perun
unimpianto
impiantocon
conalimentazione
alimentazioneda
da
ossigeno
, per
ossigeno,
per produrre
produrre 11 KgO
KgO33/h
/h inin
condizioni
condizioni standard
standard didi temperatura
temperatura
(Tcw=
°C; CCO3== 7%)
si consumano
(Tcw= 15
15°C;
O3 7%) si consumano
3
circa
circa10m
10m3/h
/hdidiossigeno
ossigenoee7,5
7,5kW.
kW.
Per
Perun
unimpianto
impiantocon
conalimentazione
alimentazioneda
da
aria
, per
aria,
perprodurre
produrre11KgO
KgO33/h/hinin
condizioni
condizionistandard
standarddiditemperatura
temperatura
si consumano
(Tcw=
°C; CCO3==2%)
(Tcw=15
15°C;
O3 2%) si consumano
circa
circa22kW
22kW(compreso
(compresocompressore).
compressore).
ililcosto
costodidiproduzione
produzionedidi1kg
1kgdidi
ozono
2,1
/kgO3
ozonoèèdidi
2,1€€/kgO
ililcosto
costodidiproduzione
produzionedidi1kg
1kgdidi
ozono
2,64
/kgO3..
ozonoèèdidi
2,64€€/kgO
3
3
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Aspetti tecnologici ed impiantistici
Ma i costi di produzione scendono con l’aumentare della produzione
Costi indicativi (Euro/kgO3) di produzione ozono; concentrazione = 10wt% e acqua di raffreddamento a T= 5°C
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Serie SMO
E’ un ulteriore sviluppo dei
generatori ozono di media capacità,
basato sull’utilizzo di componenti
standard di qualità superiore e con
convertitori di nuova tecnologia!
- La più elevata efficienza (8 - 20% con ossigeno)
- Tempi di consegna ridotti (anche 8 settimane!)
- Con standard più elevati di sicurezza ed affidabilità
- Facilità di utilizzo
- Display di utilizzo in LINGUA ITALIANA
- Ottimizzazione degli ingombri
- Documentazione chiara ed esaustiva
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Dati tecnici
standard ozone
generator
SMO/SMA 100S-200S
standard
ozone generator
SMO/SMA 300S-900S
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Configurazione tecnica
wes. SMO 600 S
PSU, su Skid 1
separato
PLC e PDS
su Skid 2
Linea di processo
su Skid 2
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Il trattamento delle acque potabili
zono
con
O
3
Schema tipico di un impianto di potabilizzazione per
acque superficiali
preossidazione
(Cloro)
chemicals
flocculazione
Disinfezione finale
(Cloro)
sedimentazione
filtrazione
Accumulo
Problemi potenziali:
- Rimozione insufficiente dei composti organici
- Formazione di THM con l’ossidazione di materiale organico
- Presenza di sapore ed odore
-Nessuna rimozione delle tossine algali
- Disinfezione inadeguata (Cryptosporidium, Giardia,….)
L’acqua non è conforme ai limiti legislativi
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Perchè utilizzare l’ozono ?
• E’ un disinfettante molto efficace contro i virus ed i batteri
• Molto efficace contro elementi patogeni particolari (es. Giardia)
• E’ un agente ossidante potentissimo
• Mostra una capacità di persistenza temporanea
• Si decompone naturalmente in ossigeno
• Produzione commisurata alla domanda – Nessun
stoccaggio di sostanze chimiche pericolose
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Potenzialità di utilizzo nei trattamenti di potabilizzazione
Pre-ossidazione con O3
Post-ossidazione con O3
• Controllo odore e sapore
- disinfezione batteri e virus
• Rimozione colore
- ossidazione composti organici
• Ossidazione dei precursori ai THM - Eliminazione Cryptosporidium
• Miglioramento rimozione particelle
• Ossidazione di ferro & manganese
• Rimozione dei pesticidi
• Controllo formazione alghe
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Soluzione avanzata di un impianto di potabilizzazione
per acque superficiali
O3
chemicals
Preossidazione
con ozono
flocculazione
sedimentazione
Solo disinfezione
di copertura in rete
(Cloro)
filtrazione
su sabbia
O3
Accumulo
Disinfezione
finale con UV
filtrazione
su GAC
Ossidazione
intermedia con
ozono
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Potenzialità di utilizzo nei trattamenti di potabilizzazione
Panorama of European Directives
From a sectorial to an integrated approach
98/83/EU and 80/68/EEC
« drinking water »
Daughter Directives
79/869/EEC
of 76/464/EEC
« shellfish waters » *
80/68/EEC
78/659/EU « waters
supporting fish life » *
« groundwater » *
76/160/EEC « bathing water »
76/464/EEC
« dangerous
75/440/EEC « surface water
intended for the
substances » *
abstraction of
drinking water » *
Quality of
Aquatic body
Birds’
directive
79/409/EEC
96/61/EEC « IPPC »
91/676/EEC « nitrates »
91/271/EEC « Urban
Waste Water »
WATER FRAMEWORK DIRECTIVE
2000/60/EC
Directive on
major
accidents
(Seveso)
96/82/EC
Directive
concerning the
evaluation of the
environmental
impacts
85/337/EEC
* Directives to be repealed by the Water Framework Directive
Discharges
Directive
concerning the
use of plant
protection
products
91/414/EEC
Habitats’
directive
92/43/EEC
3
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Potenzialità di utilizzo nei trattamenti di potabilizzazione
Parametri indicatori, stabiliti dalla direttiva 98/83/CE:
Sono menzionati 24 parametri chimici e 13 di questi sono migliorati in
maniera diretta o indiretta dall’utilizzo dell’ozono,
ozono mentre 1 solo di
questi, il bromato, viene controllato nel caso di utilizzo dell’ozono nel
trattamento.
La formazione dei bromati, nel caso di utilizzo dell’ozono nel trattamento,
può essere controllata:
Mantenendo basso il valore di ozono residuo a valle del trattamento;
Riducendo al minimo il tempo di contatto in vasca;
Ricorrendo all’ossidazione avanzata Ozono/UV nel caso si voglia ridurre
la concentrazione di bromati;
controllo sul pH;
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Il trattamento delle acque reflue
zono
Civili ed industriali con
O
3
tecnologie di trattamento delle acque reflue di maggior utilizzo
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tecnologie di trattamento delle acque reflue di maggior utilizzo
Tecnologia
processo
Impatto sulle sostanze reflue
concentrazione /
Separazione
Trattamento biologico
Trattamento
chimico-fisico
Assorbimento
aerobico /anaerobico
X
X
X
X
X
X
Carboni attivi
Adsorbenti speciali
X
X
X
X
Ultrafiltrazione
Nanofiltrazione
Osmosi inversa
X
X
X
X
estrazione
Trattamento termico
X
Flocculazione
Precipitazione
Flottazione
Sedimentazione
Filtrazione
Strippaggio
Ossidazione
Scambio ionico
Filtrazione su
membrana
distruzione /
Modifica
Evaporazione /
Incenerimento
X
X
Produzione fanghi
o concentrati
Problematiche di
smaltimento !!!
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L’ossidazione con ozono
Ossidazione con ozono per il
trattamento delle Acque reflue
industriali
ƒ Miglioramento :
Ossidazione
parziale
(cracking)
-
Rapporto BOD/COD
-
Flocculazione / Filtrazione
ƒriduzione:
–
colore
–
composti tossici (fenoli)
–
odore (es. H2S, fenoli)
Refluo
civile / industriale
ƒTrattamento di finissaggio:
Ossidazione
completa
–
Ulteriore riduzione COD
–
Disinfezione finale
ƒMineralizzazione di:
-
Idrocarburi Clorurati
-
Pesticidi
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“Ozone – Biology” - basic effects
COD
biodegradable
COD
hardly
biodegradable COD
biological
treatment plant
Ozone
Goal: Improve biodegradability
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Combinazione Ozono - Biologico
¾ I sistemi Biologici sono tipicamente più economici di quelli ad ozono, ma non
rimuovono le sostanze non-biodegradabili.
¾ I processi combinati offrono concentrazione all‘effluente più basse con costi
ragionevoli.
1
2
3
B io
O zo n
B io
B io
O zo n
O zo n
4
B io
B io
O zo n
B io
B io
O zo n
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Decolorazione con
O
zono
3
La presenza di colore e dei
composti che lo causano
viene
vista
come
indesiderabile nelle acque di
ogni
tipo,
siano
esse
domestiche o industriali.
La conseguenza è che il
colore nelle acque reflue
viene visto come un indice
d’inquinamento, che necessita
di un trattamento prima dello
scarico.
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definizione ed origine del colore
L’acqua viene vista come colorata quando la radiazione visibile viene
assorbita dai materiali disciolti, o quando la luce viene riflessa sui solidi
sospesi.
Queste due fonti di colore sono le
basi della distinzione tra colore
VERO ed APPARENTE.
APPARENTE
Il colore APPARENTE è dovuto
sia all’assorbimento che alla
diffusione della luce.
Il
colore
VERO
dipende
esclusivamente del tipo e quantità
delle specie disciolte nell’acqua.
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Il processo di rimozione del colore utilizzando ozono
I composti che causano il colore hanno legami doppi coniugati
carbonio-carbonio.
carbonio Quando una catena di questi legami diventa molto
lunga, la capacità di assorbimento della luce da parte delle molecole
passa dalla regione dell’ultravioletto a quella del visibile,
visibile di fatto
creando il colore.
L’ozono è conosciuto come altamente reattivo verso i legami doppi,
doppi
riuscendo a romperli molto efficacemente.
„Cracking “ colore blue
O3
C
C
R
C
=
C
+ O3
C
H2O
C
C = O
=
=
C == C
C
R
C
C
=
N
H
O
Rest
=
R
meno colore
R
+ O2 + H2O
C
R
N
H
O
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The removal process with ozone
O3
La combinazione dell’ozono con i metodi classici di trattamento, permette
il raggiungimento di un’ottimo grado di decolorazione e l’ulteriore
riduzione del COD fino a rientrare nei parametri di scarico ammissibili.
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Impianto in provincia di Bergamo
L’operatore utilizza l’impianto ozono impostando un dosaggio variabile:
5 – 7 mg/l tra Domenica e Martedì
8 – 12 mg/l dal Mercoledì al Sabato
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Impianto in provincia di Bergamo
Il sistema di recupero dell’ossigeno esausto permette un riutilizzo completo
del gas nel trattamento biologico esistente. Ad oggi il Cliente finale ha lo
stesso consumo di ossigeno che sosteneva precedentemente l’avvio
dell’impianto ozono.
oxygen inlet coming
COD WEDECO
34. 0.20
34. 0.25
34. 0.15
QI
QASH
O3
34. 0.10
.
oxygen inlet coming from
existing SIAD pipeline
safety valve: opening
at >150mm w.c. DN200
LSH
PIRC AHL
TISAH
M
M
modulating O2 valve
air blower
QIRC
FI
.
.
M
(20mm<P<50mm)
vent gas valve
manually adjusted DN80
water flow
water flow
water flow
BIOLOGICAL UNOX SYSTEM
DRUM FILTRATION SYSTEM
OZONE CONTACT BASIN
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La tecnologia
Ozono
3
come strumento per la rimozione di:
composti farmaceutici,
EDCs
elementi patogeni
L’utilizzo dell’ozono nelle acque reflue municipali
Un argomento il cui interesse è in continua crescita è quello sui trattamenti
di sostanze microinquinanti, non biodegradabili o persistenti,
persistenti di varia
origine antropica.
¾agenti chimici industriali;
¾Pesticidi;
L’area di origine di tali composti è ampia:
¾Medicinali;
¾Cosmetici;
L’attenzione è focalizzata sui Distruttori Endocrini (EDC).
Con questo termine si denotano quelle sostanze che influenzano il sistema
ormonale (Schlumps and Lichtensteiner, 1996);
ƒ E’ stato dimostrato l’effetto negativo sul sistema ormonale dei pesci nelle
acque superficiali (Seibert, 1996). Nelle aree di influenza degli scarichi degli
impianti di depurazione si osservano gli effetti sulla riduzione della loro fertilità;
ƒ al momento sono oggetto di dibattito i possibili effetti sul corpo umano,
umano quali
una generica riduzione della fertilità, uno sviluppo non proporzionale degli organi
o l’aumento di incidenza dei tumori;
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L’utilizzo dell’ozono nelle acque reflue municipali
Acque reflue
municipali e/o
industriali
Composti non
biodegradabili o
difficilmente
biodegredabili
waste water plant
Tecnologia
addizionale
ozono
Acque superficiali
Tecnologia
consolidata:
• flocculazione
• precipitazione
• biologico
• filtrazione
Chiarificazione
naturale ??!!
Acque sotterranee
Acque potabili
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Tr
im
Su eth
lfa op
m r.
Er eth
yt
ox
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Er
o
yt my
h
.
Cl - H
ar 2O
it
Ro hro
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At rom
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Ca pra olo
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G a li
al d
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ol
Io
i
pa d e
Io mid
pr o
Di om l
at id
riz e
oa
te
Concentrazione in µg/l
Analisi dei risultati di trattamento
Composti farmaceutici: la rimozione con il trattamento ozono
10.00
outlet
5 mg/l ozone
X-ray contrast media
Beta-bloccanti
Anticonvulsionanti
10 mg/l ozone
Antihyperlipidemic
s Antiphlogistics
15 mg/l ozone
fragranze
Antibiotici
1.00
0.10
0.01
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Il trattamento dei fanghi
zono
con
O
3
Le problematiche legate alla gestione del fango
Nei processi di trattamento reflui civili ed industriali, il
processo a fanghi attivi è quello più largamente
utilizzato per via del costo relativamente basso e par
la facilità gestionale.
La generazione del fango di supero è una costante
nell’esercizio di tali impianti. Il 35-50% dei costi
gestionali è associato alle problematiche di gestione,
trattamento e smaltimento del fango di supero.
Disposal (European data):
1) Landfill
38%
2) Farming
46%
3) Incineration
16%
La tendenza degli operatori è quella di
stabilire soluzioni nella gestione del
fango, che diano un miglioramento in
termini di riduzione delle massa e del
volume, e delle caratteristiche chimicofisiche, in modo da minimizzare
l’impatto sulla destinazione finale.
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Gli orientamenti delle Direttive europee
La direttiva 91/271/EEC sul trattamento delle acque
reflue urbane richiede che la maggior parte della
popolazione Europea sia servita da stazioni di
trattamento dei reflui.
La direttiva sui fanghi di depurazione (Sewage
Sludge Directive 86/278/EEC) pone restrizioni
sulle applicazioni in agricoltura dei fanghi
derivanti dai processi di depurazione delle
acque reflue.
La direttiva sulle discariche (Landfill
directive 1999/31/EC) pone limiti effettivi
sugli scarichi dei fanghi si supero.
Generazione
Generazionedidipiù
più
fango
fangodidisupero
supero
I Icosti
costiassociati
associatiallo
allo
smaltimento
smaltimentodei
deifanghi
fanghi
sono
sonoin
inaumento!!
aumento!!
Valori medi dei costi di smaltimento
utilizzo in agricoltura
50/85
€/t
discarica
85/130
€/t
incenerimento
120/180 €/t
Costo di smaltimento fanghi
350 - 750 €/tDS
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Le tecniche di gestione dei fanghi di depurazione
2 concetti principali:
1 Æ riduzione dei fanghi prodotti
¾ digestioni aerobiche convenzionali ad aria/O2 (media <100.000 ab. Eq.);
¾ digestioni aerobiche mesofile-termofile ad O2 con ispessitore dinamico dei
fanghi a concentrazioni 3,5-6% e temperature 38°C<T<65°C;
¾ digestioni anaerobiche mesofile-termofile per impianti di >100000 ab.eq.;
¾ disidratazione meccanica (centrifuga, nastro pressa, filtro pressa);
¾ compostaggio;
compostaggio
¾ Essiccamento;
Essiccamento
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Le tecniche di gestione dei fanghi di depurazione
2 concetti principali:
2 Æ smaltimento finale
¾ spandimento in agricoltura (molto diffusa, restrizioni, qualità fanghi);
¾ compostaggio (per elevate caratteristiche agroalimentari, non metalli);
¾ discarica (fanghi civili, misti, e/o speciali, alti costi, accettabilità);
¾ incenerimento (scarsità impianti e alti costi) e discarica ceneri
¾ wet oxidation e/o processi particolari (pochissimi impianti) e discarica
tecnosabbie;
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Un nuovo concetto legato alla gestione dei fanghi
Minimizzazione
Per minimizzazione s’intende la riduzione della produzione
specifica dei fanghi di supero (kgSS/kgCODr) derivanti
dai trattamenti biologici delle acque reflue civili e/o industriali,
in funzione dei BOD-COD eliminati.
Biological
Treatment
Clarifier
Primary
Treatment
River
Air
Return
Sludge
Sludge
Digestion
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Minimizzazione
come la si ottiene?…. (nuovo “concetto” ==> “nuovi processi”)
Lisi cellulare
consiste nell’ idrolizzare la sostanza organica, prodotta come
fango di supero, mediante l’indebolimento o parziale rottura
della membrana cellulare dei microrganismi costituenti il
fango, ad. es. per azione di un ossidante energico
La “Lisi cellulare” si ottiene mediante diverse tecniche tra le quali:
¾ ossidazione con ozono (tra le tecniche più promettenti ed efficaci);
¾ digestione enzimatica termofila a 65-90°C (alcuni brevetti: S-TE);
¾ ossidazione chimica con reattivo di Fenton;
Fenton
¾ disgregazione meccanica (centrifugazione rapida, stirred ball mills);
¾ digestione anaerobica a pot. redox controllato in vasca aperta (Cannibal);
¾ processi termici e chimici di lisi- casi particolari, costi elevati (Cambi process)
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La lisi cellulare con ozono
Molecole di Ozono
Membrana
Prime
rotture
+ O3
Biomassa
¾
¾ Cellula
Cellula ozonizzata
ozonizzata
¾
¾O
O33 attacca
attacca membrana
membrana
¾
¾ membrana
membrana indebolita
indebolita
¾
¾ si
si forma
forma COD
COD
¾
¾ membrana
membrana rotta
rotta
¾
rilascio
di
COD
¾ rilascio di COD N/P
N/P
che
che vengono
vengono
ricircolati
ricircolati con
con la
la
biomassa
biomassa
¾
¾ Fanghi
Fanghi ridotti
ridotti
La biomassa “lisata” e trasformata in nuovo alimento, viene
ricircolata nei bacini ossidativi dove vengono rilasciati C/N/P
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Trattamento fanghi con ozono
Nuovo alimento (COD, N e P)
altamente biodegradabile, per le
biomasse presso cui viene
ricircolato.
Una parte del nuovo alimento è
utilizzata per il metabolismo
cellulare, mentre il resto genera
nuove cellule.
+ O3
Nel bilancio complessivo, si osserva una riduzione della quantità di fango di supero
prodotto.
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Trattamento fanghi con ozono
Fango surnatante
Impianto di depurazione di tipo
biologico
sedimentatore
primario
schema di applicazione
Sedimentazione
Aerazione
Fango di ricircolo
Disintegrazione aerobica
Fango di supero
Disintegrazione anaerobica
Digestore
X = possibili punti per inserimento del processo di disintegrazione
- Obiettivo:
- Riduzione del fango di supero
- Incremento della produzione di gas
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Trattamento fanghi con ozono
I benefici legati al processo:
processo
Non solo riduzione dei
fanghi di supero !!!
9Riduzione delle schiume
9Miglioramenti nella sedimentazione e nella disidratazione
9Miglioramenti nella stabilità del processo
9Riduzione di emissione odori
9Miglioramenti nella resa in Gas Metano (quando utilizzato nella
digestione anaerobica)
Benefici addizionali Æ Processo più interessante!!
Anche a parità di costi di esercizio, il trattamento fanghi con ozono è più Ecologico!!
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Trattamento fanghi con ozono
I benefici legati alla tecnologia:
tecnologia Facile inserimento in un
processo biologico esistente !!!
9 Nessuna necessità di modifica nello schema di processo esistente
9 Non sono richieste vasche di contatto addizionali
9 Non sono richiesti tempi di ritenzione elevati
I benefici legati alla tecnologia:
tecnologia Facile gestione !!!
9 La produzione Ozono rimane stabile per lunghi periodi
9 Non è necessario cambiare giornalmente I parametri di esercizio del
generatore ozono
Impiego di personale ridotto!
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Trattamento fanghi con ozono
Bilancio costi
Ozonolisi:
1 kgO3/h costa circa 2,5 €:
dosaggio pari a 5-15% O3/su SST ridotto
costo di esercizio ozono Î 0,125-0,375 €/kgDS rid
Conferimento in discarica:
85 – 130 €/t
1kg SST al 20% di secco = 5 kg SS==>
costo di smaltimento 0,425-0,65 €/kgDS
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Schema riepilogativo delle potenzialità di utilizzo dell’ozono
nei trattamenti delle acque reflue civili ed industriali
trattamento aria esausta
Pre trattamento di parziale
portata
•Solfuri
•Riduzione odori
O3
•Composti tossici
pre biologico
Potabilizzazione
O3
O3
MF
RO
AOP:
- UV / H2O2
- UV / O3
- O3 / H2O2
SISTEMA ESISTENTE
Ingresso
Primary
Biology
Clarifier
Bio/Filtration
O3
Scarico in acque superficiali
O3
O3
trattamento fanghi biologici
•Minimizzazione fanghi di supero
•Riduzione schiume
•Ottimizzazione ispessimento fanghi
Bio/Filtration
UV
trattamento finale
•Trattamento finale:
- Disinfezione
- rimozione comp. persistenti (es. EDC’
EDC’s)
- COD residuo / tensioattivi
- Colore
Riutilizzo
•Irriguo
•Industriale
•processo
2009, Catania
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