Monitoraggio delle emissioni gassose

Il monitoraggio in continuo della fase aria è stato effettuato nel primo reattore utilizzando l’analizzatore MIR 9000 CLD e registrando i diversi parametri della fase liquida che giocano un ruolo di primaria importanza nella produzione ed emissione di composti gassosi. Si sono infatti messi in relazioni alcuni parametri della linea acque (pH, temperatura, portata influente, DO, NH4-N, ORP, MLSS e MLVSS/MLSS) mediati nelle 24 ore e filtrati per le sole fasi aerobiche con

i valori di emissione (N2O, NO, NO2, NH3, CH4 e CO2) misurati in queste fasi. A titolo di esempio in Figura 4.13 si

riportano i tracciati di emissione di una giornata tipo.

Figura 4.13 Tracciati delle diverse emissioni gassose per una giornata tipo.

Nel complesso si riscontra una ciclicità dell’emissione di tutti i composti investigati, legata all’alternanza delle fasi ossiche/anossiche. Per evidenziare il fatto che il contributo maggiore all’emissione sia quello della fase aerobica, si sovrappongono il tracciato della concentrazione di protossido di azoto con il tracciato della concentrazione di ossigeno disciolto. Si può vedere infatti dal grafico in Figura 4.14 come i picchi di emissione di N2O corrispondano effettivamente

all’inizio della fase di aerazione e si protraggano per tutta la sua durata, azzerandosi durante le fasi anossiche di denitrificazione. Stessa dipendenza si riscontra per tutte le varie forme emesse.

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Figura 4.14 Correlazione tra concentrazione di N2O emesso e DO in vasca.

L’insieme dei dati analizzati nel corso della sperimentazione, espressi come carico di massa (Tabella 4.12), sono mostrati in Figura 4.15 (CH4 e CO2) e Figura 4.16 (N2O). È stata effettuata la scrematura dei dati nelle sole fasi di aerazione perché

l’emissione risulta avere valori più elevati nella fase aerobica, in particolare nei primi minuti di aerazione, ovviamente anche i periodi anossici possono contribuire al meccanismo di produzione.

Figura 4.15 Carichi di massa emessi di CO2 e CH4 e concentrazione DO.

Nello specifico, il quantitativo di anidride carbonica emessa passa da 0.07 gCO2/d durante la fase 1.a a 0.04 gCO2/d

durante la fase 1.b, valori medi leggermente maggiori di 0.03 gCO2/d sono stati registrati durante la fase 2. I risultati

determinano fattori di emissione specifici per m3 _{di influente trattato di 0.009 gCO2/d, 0.005 gCO2/d e 0.003 gCO2/d}

rispettivamente per le diverse fasi, i quali risultano minori di quelli riportati in letteratura (Das, 2011). Considerando il solo contributo del processo biologico, non includendo la fase di corrivazione del refluo nella condotta fognaria (responsabile di una consistente aliquota di emissione di CH4), elevate emissioni di metano sono state registrate. Nello

specifico, nel corso delle differenti fasi sono stati misurati 0.31 gCH4/d (1.a), 0.11 gCH4/d (1.b) e 0.06 gCH4/d (2).

I carichi di metano emesso sono risultati strettamente correlati con la concentrazione di DO nella fase liquida. Valori maggiori di 0.8 gCH4/d sono stati registrati durante la fase 1.a (setpoint DO 1.5 mgO2/L) in concomitanza con

concentrazioni di ossigeno disciolto inferiori a 0.8 mgO2/L. Nonostante il miglioramento del processo di denitrificazione

e condizioni aerobiche durante la fase 2, le emissioni di CO2 e CH4 iniziano ad incrementare alla fine del periodo (Figura

4.15) passando da 0.02 gCO2/d e 0.04 gCH4/d a 0.13 gCO2/d e 0.29 gCH4/d. In questo caso un diretto trend con il carico

di COD entrante nel reattore è stato riscontrato.

Tabella 4.12 Carichi di massa emessi – Configurazione 1.

Fase CO2 CH4 N2O

gCO2/d gCH4/d gN2O/d

1.a 0.07 0.31 9.57±10.20

1.b 0.04 0.11 2.53±2.07

2 0.03 0.06 0.63±0.76

Per quanto concerne le emissioni di protossido di azoto, i carichi di massa risultanti sono stati di 9.57±10.20 gN2O/d (fase

130 dei valori di N2O durante le fasi. Differenti aspetti influenzano la seasonal dei carichi di protossido emessi. Il lungo mantenimento delle condizioni di inibizione della biomassa durante le fasi 1.a e 1.b ha permesso di ottenere una notevole crescita delle velocità di nitrificazione via nitrito passando da 0.045 a 0.458 kgNH4-N/kgMLVSS/d (Figura 4.16).

Tuttavia, Fase 1a e 1b sono caratterizzate anche dalle più alte concentrazioni di nitriti nell’effluente. Come riportato spesso in letteratura, anche alte concentrazioni di nitriti promuovono la produzione di N2O.

A parità di caratteristiche dell’influente e condizioni operative del sistema, l’incremento delle cinetiche di nitritazione hanno permesso di raggiungere un notevole decremento in termini di protossido rilasciato. Nonostante nella fase 2 il cambio di condizionamento abbia dato luogo a valori di kn simili a quelli ottenuti nel corso della fase 1.a (0.155 e 0.108 kgNH4-N/kgMLVSS/d rispettivamente fase 1.a e 2), emissioni di N2O inferiori sono state registrate. Il dosaggio di

carbonio esterno nel primo reattore del sistema nel corso della fase 2 potrebbe aver determinato una minimizzazione delle emissioni comparate al periodo 1.a, facendo supporre un ruolo importante del processo di denitrificazione legato alle concentrazioni di N2O emesso durante il processo di trattamento in continuo.

Figura 4.16 Carichi di massa emessi di N2O e velocità di nitrificazione.

Inoltre, attraverso il bilancio di massa dell’azoto è stato quantificato l’impatto delle emissioni di protossido di azoto (Tabella 4.13). Gli impatti percentuali per ogni fase sono stati calcolati comparandoli con il carico totale di azoto denitrificato. In tutte le fasi la percentuale di impatto è stata minore dell’1.282% (fase 1.a) diminuendo allo 0.238% per la fase 1.b e allo 0.059% nell’ultima fase. I risultati mostrano una stretta correlazione tra le percentuali di N2O e le velocità

di denitrificazione. Nella fase 1.a la percentuale di azoto denitrificato rispetto all’azoto totale influente è stato pari al 53%, nelle successive fasi è aumentata al 75% per entrambe le fasi. Durante la fase 1.a, dove la velocità di denitrificazione media è stata la minore, l’impatto dell’N2O rilasciato è stato il più alto; invece durante la fase 1.b miglioramenti minori

del doppio in termini di kd hanno permesso di ottenere percentuali di emissione cinque volte più basse. Nell’ultimo periodo, velocità di denitrificazione 2.6 e 1.5 volte maggiori delle precedenti fasi, hanno consentito di ottenere emissioni 22 e 4 volte migliori rispettivamente per le fasi 1.a e 1.b, confermando ulteriormente il ruolo della fase anossica nella mitigazione delle emissioni.

Tabella 4.13 Percentuali di impatto N2O nel bilancio dell’azoto – Configurazione 1.

Fase N2O-N/Ndenitrificato Ndenitrificato/Ntot influente kd

% % kgNOx-N/kgMLVSS/d

1.a 1.28 53.0 0.029±0.019

1.b 0.24 75.6 0.049±0.004

2 0.06 75.6 0.075±0.022

Riportando tutte le forme gassose misurate come moli equivalenti di CO2, lo scenario emissivo mostra il seguente

contributo di impatto: N2O> CH4> CO2. Nello specifico, il protossido di azoto rappresenta il 91%, 87% e 76%

dell’emissione totale durante le fasi. Differentemente il contributo apportato dal metano ha rappresentato l’8.1%, 10.9% e 20.6% dell’emissione complessiva; trascurabili percentuali di anidride carbonica sono state riscontrate nel corso delle diverse fasi.

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