TRATTAMENTI DEL FANGO E PRODUZIONE DI BIOGAS

I fanghi estratti dalla linea di trattamento liquami hanno un elevato grado di putrescibilità e contengono ancora batteri patogeni. Il fango di supero contiene molta acqua: interparticellare (70- 75%, estraibile per gravità), interstiziale (20%, estraibile per disidratazione violenta) e particellare (5-10%, estraibile solo con un essiccamento termico). Devono quindi essere sottoposti a una serie di fasi di trattamento (di tipo fisico, chimico e biologico) per ridurne la putrescibilità, il contenuto d’acqua e renderli più facilmente gestibili e trasportabili.

ISPESSITORE A GRAVITA’ DEL FANGO PRIMARIO

Il fango primario prodotto dal sedimentatore primario viene sollevato da una delle due pompe sommergibili e indirizzato verso l’ispessitore a gravità del fango primario; a questo trattamento giungono anche i grassi e gli oli raccolti nel disoleatore.

L’ispessitore a gravità consente una riduzione in volume dei fanghi vantaggiosa ai fini dei successivi processi di trattamento quali la digestione e la disidratazione.

L’ispessitore è costituito da una vasca circolare di calcestruzzo; il fango ispessito, immesso all’interno del deflettore centrale, viene estratto dalla tramoggia di fondo e depositato nella vasca di raccolta dei fanghi grezzi ispessiti che si trova sotto la struttura che ospita il trattamento di disidratazione dei fanghi.

Per il dimensionamento di tale manufatto è fondamentale definire la quantità di fango che viene apportata.

La portata giornaliera di fanghi primari viene calcolati prendendo in considerazione il rendimento di rimozione dei solidi sospesi del sedimentatore primario; fissando poi un valore di concentrazione pari a 25 kg/m3_{, è possibile calcolare la produzione giornaliera di solidi sospesi totali in kg/d con}

cui è stato dimensionato l’ispessitore.

Ipotizzando un carico di solidi di 50 kgDS/(m2_{∙d) (le prescrizioni contenute nella “lettera di invito}

alla gara” imponevano di usare un valore inferiore a 75 kgDS/(m2_{∙d)), è stato possibile il calcolo}

della superficie necessaria dell’ispessitore. E’ prevista la realizzazione di un solo ispessitore. Si riporta la Tabella 35 riassuntiva del dimensionamento effettuato.

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Tabella 35 Dimensionamento dell’ispessitore a gravità del fango primario

ISPESSITORE MECCANICO DEL FANGO DI SUPERO

I fanghi di supero vengono ispessiti con un ispessitore meccanico a nastro collocato nella struttura che ospita anche la disidratazione dei fanghi, direttamente sopra alla vasca di raccolta dei fanghi grezzi ispessiti. Anche il fango di supero ispessito viene poi depositato nella vasca di raccolta dei fanghi grezzi ispessiti insieme al fango primario ispessito.

Per migliorare il grado di ispessimento si prevede l’aggiunta di una soluzione di un polielettrolita come agente coagulante per condizionare il fango e favorirne la sedimentazione.

Il surnatante dell’ispessitore a nastro viene raccolto e fatto confluire verso la stazione di sollevamento delle acque di surnatante.

La sezione di ispessimento del fango di supero è completa di gruppo di preparazione della soluzione di polielettrolita organico per il condizionamento del fango ai fini di migliorare l’efficienza di separazione.

Assumendo un dosaggio di polielettrolita pari a 6 kg/1000kgSST si calcola il consumo giornaliero di 9,60 kg/d pari a circa 0,96 m3_{/d di soluzione. Per il dosaggio della soluzione è prevista l’installazione}

di una pompa dosatrice.

Per il dimensionamento di questo manufatto, è importante tenere conto che funziona 5 giorni alla settimana, 8 ore al giorno; considerando quindi la quantità di fango di supero prodotta e i tempi di funzionamento dell’ispessitore e ipotizzando la capacità specifica di un ispessitore, è possibile verificare che è sufficiente la realizzazione di un solo ispessitore meccanico a nastro.

Si riporta la Tabella 36 riassuntiva del dimensionamento effettuato.

Tabella 36 Dimensionamento dell’ispessitore meccanico del fango di supero

87 La vasca di raccolta del fango grezzo ispessito ha lo scopo di mescolare e rendere omogenee le caratteristiche del fango che viene immesso nel digestore anaerobico e si trova sotto la struttura che ospita la disidratazione dei fanghi. Nella vasca vengo depositati sia il fango primario che quello di supero dopo essere stati sottoposti all’ispessimento e insieme costituiscono il fango grezzo. Nella vasca sarà posizionato anche un miscelatore per migliorare l’omogeneizzazione dei due fanghi.

Dalla vasca il fango grezzo viene sollevato e alimentato in modo semi-continuo nel digestore. Il dimensionamento della vasca è stato effettuato considerando che il tempo di permanenza dei fanghi deve essere maggiore o uguale di 12 ore. Si riporta il dimensionamento nella Tabella 37.

Tabella 37 Dimensionamento della vasca di raccolta del fango grezzo ispessito

DIGESTIONE ANAEROBICA

La digestione anaerobica del fango si presta bene alla stabilizzazione dei fanghi organici, in ragione dell’elevata concentrazione di substrato biodegradabile, delle limitate portate in gioco, dei positivi bilanci energetici connessi alla mancanza di aerazione e alla produzione di biogas con considerevole potere calorifico. Il processo è fortemente influenzato dalla temperatura; possono al riguardo distinguersi tre modalità operative: psicrofila, mesofila e termofila.

La “lettera di invito alla gara” specifica di introdurre nell’impianto un digestore anaerobico mesofilo monostadio, all’interno del quale la temperatura del fango assuma un valore compreso tra 35°C e 37°C.

Il dimensionamento del digestore, sintetizzato in Tabella 38, è stato effettuato ipotizzando un tempo di permanenza del fango pari a 18 giorni; in questo modo, conoscendo la portata giornaliera di fango primario e di supero ispessiti, è possibile ricavare il volume del digestore necessario per assicurare tali condizioni. L’alimentazione dei fanghi avviene con discontinuità: è prevista un’alimentazione pari a 12 ore al giorno.

88 Nei processi anaerobici, le sostanze organiche sono degradate biologicamente dai microorganismi in assenza di ossigeno libero o legato sotto forma di composti (nitriti, nitrati, solfati ecc.), essendo la stessa sostanza organica a fungere da accettore finale di elettroni. Essa è convertita, tramite successive ossidazioni e riduzioni, nel suo stato più ossidato (CO2) ed in quello più ridotto (CH4). I

composti gassosi che si formano rappresentano i principali metaboliti del processo e costituiscono il cosiddetto biogas.

Il biogas è la risorsa energetica che deriva dalla degradazione della sostanza organica. È una miscela di diversi gas (in prevalenza metano ed anidride carbonica) la cui composizione dipende dal substrato alimentato. In Tabella 39 è riportata la composizione volumetrica media del biogas prodotto tramite digestione anaerobica.

Componente % in volume Metano CH4 55 (20°C) – 60 (75°C) Anidride carbonica CO2 35 (25°C) – 40 (45°C) Vapore acqueo H2O 2 (20°C) – 7 (40°C) Idrogeno solforato H2S 0,2 – 2 Azoto N2 <2 Ossigeno O2 <2 Idrogeno H2 <1

Tabella 39 Composizione media del biogas, su base volumetrica (Malpei e Gardoni, 2008)

La principale componente energetica del biogas è costituita da metano. Esso infatti ha un potere calorifico inferiore (PCI) meno elevato rispetto a quello dell’idrogeno (50 MJ/kg a fronte di 120 MJ/kg) però è presente nel gas finale in quantità molto più elevate.

Nel presente progetto, è stata ipotizzata la produzione di 0,4 Nm3 _{di biogas per ogni kg di solidi}

volatili introdotto.

Il rilevante valore energetico del biogas ne suggerisce l’impiego, con produzione di energia meccanica o elettrica per usi interni all’impianto, riuscendo così a coprire una frazione significativa dei fabbisogni complessivi per la depurazione. E’ stata ipotizzata un’efficienza pari al 33% per la produzione di energia elettrica e pari al 50% per energia termica che trova il suo primario utilizzo nel riscaldamento del digestore stesso. Dal confronto tra l’energia termica prodotta sfruttando il biogas e quella necessaria per mantenere a temperatura il digestore e innalzare la temperatura del fango fino a 35°C emerge che tale energia è più che sufficiente per assicurare una temperatura costante di 35°C all’interno del digestore anche nei periodi in cui le temperature esterne sono più basse (-20°C).

Ovviamente, l’utilizzo del biogas richiede la disponibilità di una capacità di compenso; è previsto infatti un gasometro esterno con una capacità di accumulo pari al 50% del gas prodotto giornalmente.

La produzione di biogas e di energia sfruttando il biogas prodotto dalla digestione anaerobica sono riassunte nella Tabella 40.

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Tabella 40 Produzione biogas e di energia dalla digestione anaerobica

ISPESSITORE A GRAVITA’ DEL FANGO DIGERITO

Il fango digerito, in uscita dal digestore anaerobico, viene diretto verso l’ispessitore a gravità; tale manufatto, come l’ispessitore a gravità per il fango primario, è costituito da una vasca circolare in calcestruzzo.

Il dimensionamento è stato effettuato ipotizzando un carico di solidi di 50 kgDS/(m2_{∙d) (le}

prescrizioni contenute nella Lettera di Invito alla Gara imponevano di usare un valore inferiore a 75 kgDS/(m2_{∙d)) e un tempo di permanenza di 3 giorni; in questo modo è stato possibile definire la}

superficie necessaria dell’ispessitore. Le dimensioni geometriche previste per l’ispessitore a gravità sono riportate nella seguente Tabella 41.

Tabella 41 Dimensionamento dell’ispessitore a gravità per il fango digerito

DISIDRATAZIONE MECCANICA

Dall’ispessitore i fanghi giungono all’ultima unità di trattamento: la disidratazione meccanica realizzata mediante una filtropressa a camere.

La disidratazione dei fanghi, condotta per via meccanica, è tesa a ridurre il volume e il peso dei fanghi per separazione parziale della componente liquida, al fine di renderli compatibili con lo smaltimento finale. I tenori di secco conseguibili sono tali da conferire al fango l’aspetto di un terriccio (il fango viene quindi definito “palabile”, in grado cioè di essere movimentato con mezzi meccanici) e caratteristiche atte a consentire il suo smaltimento finale.

90 Lo schema di dimensionamento della filtropressa viene impostato considerando un funzionamento di otto ore al giorno per cinque giorni alla settimana; ipotizzando la capacità volumetrica oraria di una filtropressa, si riesce a ricavare il numero di filtropresse necessarie, che risulta essere pari a uno. Supponendo poi di ottenere un tenore di secco finale nel fango disidratato pari al 28% in peso, sono state ricavate la quantità giornaliera totale di fanghi prodotti e la portata di surnatante (Tabella 42).

La sezione di disidratazione meccanica è completa di gruppo di preparazione della soluzione di polielettrolita organico per il condizionamento del fango ai fini di migliorare l’efficienza di separazione.

Assumendo un dosaggio di polielettrolita pari a 6 kg/1000kgSST si calcola il consumo giornaliero di 22,79 kg/d pari a circa 2,28 m3_{/d di soluzione. Per il dosaggio della soluzione è prevista}

l’installazione di una pompa dosatrice.

Il fango disidratato in uscita dalla centrifuga verrà depositato in un apposito cassone o rimorchio.

Tabella 42 Dimensionamento della disidratazione meccanica con filtropressa a camere

AREA DI STOCCAGGIO DEL FANGO

All’interno dell’impianto è prevista anche la presenza di un’area per lo stoccaggio dei fanghi; il volume dell’area è tale da permettere lo stoccaggio dei fanghi con un tempo assicurando un tempo di permanenza maggiore di 3 anni.

STAZIONE DI SOLLEVAMENTO DEI SURNATANTI

I surnatanti dei trattamenti dei fanghi sono le acque chiarificate che vengono separate ed estratte dai trattamenti di stabilizzazione dei fanghi. Tale acque, sono ricche degli inquinanti disciolti rimossi dalle acque reflue; non è possibile, pertanto, un loro scarico in un corpo idrico ricettore. Solitamente vengono reimmesse a monte del sedimentatore primario o in testa ai trattamenti biologici per consentire un loro trattamento prima di essere scaricate nell’ambiente; sebbene tali acque rappresentino solo una piccola percentuale del flusso affluente in termini di portata, sono ricche degli inquinanti disciolti rimossi dalle acque reflue e incidono quindi in maniera significativa sui carichi di azoto e di fosforo.

Nell’impianto di trattamento di Vranje è previsto di far confluire le acque di surnatante dei due pre-ispessitori, del post-ispessitore e della disidratazione in un’unica vasca da cui verranno sollevate e reimmesse in testa ai trattamenti a fanghi attivi. Si riporta nella Tabella 43 il dimensionamento della stazione di sollevamento.

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Tabella 43 Dimensionamento della stazione di sollevamento delle acque di surnatante

PRECIPITAZIONE DEI CRISTALLI DI STRUVITE

Per l’impianto di Vranje, in alternativa al tradizionale metodo di rimozione chimica del fosforo descritto in precedenza, è previsto il recupero del fosforo mediante processo biologico A2O con

precipitazione dei cristalli di struvite, dalle acque di surnatante da digestione anaerobica. Come già ampiamente discusso, le condizioni ottimali per la precipitazione della struvite sono:

 Rapporti molari Mg:N:P = 1:1:1  pH ≥ 8,5

 Temperatura ≥ 20°C

I trattamenti addizionali per ottenere la produzione di struvite prevedono la realizzazione dei seguenti manufatti:

 vasca di equalizzazione;

 area di stoccaggio dei Sali di Ossido di Magnesio e preparazione della soluzione;  pompa dosatrice della soluzione contenente Ossido di Magnesio;

 reattore di miscelazione;  sedimentatore.

La vasca di equalizzazione svolge la funzione di equalizzazione idraulica delle portate e garantisce un’alimentazione costante al successivo reattore. In questa vasca sono previsti dei sistemi di miscelazione, che evitano la sedimentazione del liquame in arrivo.

All’interno del reattore confluiscono le acque di surnatante del post-ispessitore e della filtropressa, equalizzate, la soluzione di Ossido di Magnesio (MgO2) ed eventualmente una soluzione acida per

il controllo del pH; qui avvengono le reazioni chimiche che portano alla formazione dei cristalli di struvite.

Tale reattore, aerato e completamente miscelato, deve essere dimensionato assicurando un tempo di permanenza minimo di circa 15 minuti.

92 La Tabella 44 riassume le dimensioni del reattore adottate, la quantità di ossido di magnesio necessaria in media per ogni giorno di funzionamento dell’impianto e la quantità media di struvite prodotta ogni giorno.

Tabella 44 Dimensionamento del reattore per la produzione dei cristalli di struvite

Il secondo manufatto necessario per ottenere cristalli di struvite è un sedimentatore: il sedimentatore permette ai cristalli, formatisi in seguito all’aggiunta di Ossido di Magnesio e alla miscelazione avvenute nel reattore precedente, di precipitare e di venire estratti dal fondo della struttura.

Le acque chiarificate sfiorano attraverso gli stramazzi posti sul perimetro del sedimentatore, percorrono la canalina e vengono poi convogliate alla linea principale di trattamento, in testa alle vasche a fanghi attivi.

Dal fondo del sedimentatore viene invece estratta la struvite che, dopo essere essiccata, può essere venduta alle industrie di fertilizzanti.