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5. Una nuova tecnologia di
trattamento biologico:
RCBR
5.1 Descrizione del processo
Le macchine RCBR (Rotating Cell Biofilm Reactor) sono state ideate nel 2012 dall’azienda ECO-SISTEMI srl.
Tali macchine sono costituite da un cestello rotante rinforzato in acciaio inox che ruota lentamente (circa 1,5 rpm) all’interno di una vasca in acciaio (Figura 5.1), dove vengono fatte confluire le acque da depurare mediante una pompa, che trasferisce il refluo da una fossa biologica alla macchina.
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Il cestello è pieno al 100% di elementi plastici, carriers biologici che, a contatto con l’acqua reflua, sviluppano una pellicola batterica: se il cestello ruota parzialmente immerso nell’acqua, si formano comunità di batteri che rimuovono il carbonio organico dalle acque reflue e ossidano l’ammoniaca a nitrati; invece se il cestello ruota completamente immerso si toglie ossigeno al sistema che riduce i nitrati ad azoto molecolare (Figura 5.2).
Quindi, combinando due macchine RCBR, una che ruota parzialmente immersa nel refluo e una totalmente immersa, si ottiene un impianto di depurazione completo che rimuove sia la componente organica a base di carbonio sia quella azotata.
Figura 5.2 – RCBR con funzione denitrificante,
completamente sommerso
La tecnologia mette insieme due pratiche ben note nell’ambito del trattamento biologico delle acque reflue, cercando di prendere i pregi e ridurre i difetti di entrambe: il trattamento a biomassa adesa tradizionale (a letto mobile, MBBR Moved Bed Biofilm Reactor) e i contattori biologici rotanti (Biodischi).
Del trattamento a biomassa adesa tradizionale è stato ripreso l’utilizzo dei carrier per far aderire la biomassa, grazie ai quali è possibile avere un’elevata superficie utile allo sviluppo dei batteri; dei contattori biologici, invece, è stata impiegata la struttura cilindrica rotante, con riempimento della vasca variabile. Rispetto a questi ultimi, però, gli RCBR non richiedono opere civili ed è stato eliminato
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l’albero centrale, maggior causa di rottura della macchina perché soggetto a fatica: ciò ha permesso anche di inserire un maggior numero di carrier all’interno della struttura cilindrica e quindi di avere maggiore superficie disponibile alla biomassa.
Le macchine RCBR necessitano per il loro funzionamento unicamente di motori elettrici a basso consumo, circa 6-7 volte inferiore rispetto ad una tecnologia tradizionale MBBR, che invece utilizza compressori per l’ossigenazione della flora batterica: questo perché il processo è stato progettato in modo da fornire una autoregolamentazione dell'ossigenazione della biomassa, senza erogazione di ossigeno attivo, ma solo grazie al contatto alternato della biomassa con l’ossigeno atmosferico e con il refluo.
L’oggetto più innovativo di questa macchina è il carrier: il biofilm batterico utile alla depurazione si forma su qualsiasi supporto, naturale o artificiale, inerte, immerso in un’acqua reflua. Negli impianti naturali (es. impianti di fitodepurazione) sono le ghiaie, le sabbie (in generale il terreno) e le radici delle piante che forniscono un supporto per la crescita dei batteri. Negli impianti di depurazione meccanici o a biomassa adesa sono elementi plastici in polietilene o altre plastiche a fornire il supporto per la crescita del biofilm. In commercio esistono diversi tipi di carrier (ad esempio gli AnoxKaldnes™, Veolia) di forme differenti, elementi tridimensionali ingegnerizzati che nella forma e nelle dimensioni cercano di massimizzare la superficie utile alla formazione del biofilm in relazione al volume. Queste plastiche stampate appositamente hanno costi molti elevati, a volte pari al costo della macchina che li contiene.
Per le macchine RCBR, invece, è stato brevettato l’utilizzo dei tappi di plastica delle bibite con funzione di supporto per la biomassa. Questi “carrier” hanno superfici specifiche paragonabili a quelle di un classico supporto commerciale, ma hanno un costo nettamente inferiore. Sono composti di una plastica pregiata, cioè polietilene ad alta densità ad uso alimentare, molto resistente e praticamente indistruttibile, caratteristica molto utile per il particolare utilizzo in esame (Figura 5.3).
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Figura 5.3 – Tappi utilizzati come supporto per la
biomassa adesa
Nel presente lavoro di tesi è stato studiato il RCBR300 in quanto è stato utilizzato questo modello nel caso reale esaminato. Le caratteristiche principali di tale macchina sono riportate nella tabella seguente.
Modello RCBR 300
Dimensioni cestello
Diametro 1,50 m Lunghezza 1,50 m
Dimensioni totali macchina
Lunghezza 2,00 m Larghezza 1,60 m Altezza 1,60 m
Motore 0,37 kW
56 Valutazione della superficie biologica
Per superficie biologica si intende la superficie utile all’adesione della biomassa. Per la sua valutazione si considera che:
dove
SC = superficie di un singolo carrier; VTOT = volume interno della macchina; VC = volume di un singolo carrier; F = fattore di vuoto Dato un tappo: Da cui: s d s h D s s
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Il maggior numero di siti di raccolta di tappi si trovano all’interno dei istituti scolastici, luoghi pubblici, uffici pubblici/privati dove, la tipologia di tappi più utilizzata è sicuramente quella delle bottigliette d’acqua dei distributori automatici. Quindi, per il calcolo della superficie e del volume del carrier, è corretto considerare l’85% tappi delle bottiglie d’acqua e bibite, il 15% una media delle restanti gamme.
Date le dimensioni dei diversi tappi analizzati:
Tipologia di tappo Diametro [mm] Altezza [mm] Spessore [mm]
Bottiglie d’acqua e bibite 28 10 1
Confezioni di latte, piccoli 25 10 1
Confezioni di latte, medi 38 14 1
Confezioni di latte, grandi 48 18 1
Confezioni di detersivi 30 12 1
Confezioni di detergenti 36 16 1
si ottiene:
In realtà è necessario considerare che durante il movimento rotatorio della macchina, la parte esterna del tappo sia soggetta a sfregamento e dunque non risulta essere una superficie dove la biomassa possa aderire. Per questo studio, è stata considerata come superficie utile solo quella interna al tappo e dunque:
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Per il calcolo del fattore di vuoto F sono state effettuate delle prove sperimentali e analitiche; per le prove sperimentali è stato preso un contenitore cilindrico con volume noto ed è stato riempito con i tappi (la quantità massima possibile); è stato calcolato il volume di vuoto versando acqua nel contenitore che è andata a riempire le parti vuote.
Per un volume noto di 500 ml riempito con i tappi visti in precedenza, il volume di vuoto è di circa 325 ml ovvero il 65% da cui:
Per il calcolo per via analitica bisogna andare a considerare la dimensione di una cella e le varie disposizioni dei tappi nella cella:
1)
Nel primo caso si considera un volume pari a quello di un singolo tappo e si esclude qualunque tipo di combinazione o incastro con altri tappi. Considerando la possibilità di avere diversi tipi di tappi viene calcolato il fattore di vuoto tenendo conto che circa l’85% dei tappi provengono dalle bottiglie d’acqua.
a D
59 2)
In questo secondo caso si considera una cella di dimensioni doppie rispetto al caso 1, con la massima possibilità di incastro dei diversi tappi. Anche qui è stato calcolato il fattore per diversi tipi di tappi e considerato che l’85% di questi provengono dalle bottiglie dell’acqua.
3)
Affinché ci sia questo terzo tipo di interazione, dove un tappo più grande contiene al suo interno uno più piccolo, si considera una cella cilindrica dalle dimensioni pari a quelle di un tappo medio e all’interno un tappo d’acqua e bibite.
60 4)
In questo caso è stata considerata una cella cilindrica ed è stato calcolato il fattore di vuoto nel caso di tappi tutti dell’acqua e nel caso di tappi tutti medi infine è stata fatta la proporzione 85%-15%; come altezza per il volume della cella si prende un valore pari al 2,5 volte l’altezza del tappo
I fattori di vuoto F calcolati per via analitica potrebbero essere infiniti per via della casualità di interazione tra i carrier, ma visto che nei calcoli non si è tenuto conto di come si dispongono i tappi a contatto con la macchina e che anche le pareti della macchina stessa agiscono come superfici biologiche, si ritiene corretto considerare il fattore di vuoto F = 0,65.
Quindi
Per un RBCR 300 con diametro = 1,5 m e lunghezza = 1,5 m
61 Valutazione della superficie specifica
Per confrontare la tecnologia RCBR con altre tecnologia a biomassa adesa può essere utile valutare la superficie specifica intesa come i m2 di superficie biologica per m³ di carrier. Tappo Acqua Tappo Grande
Visto che i valori non differiscono di molto in questi due casi, che sono anche quelli estremi, si può dire che alla crescita delle dimensioni del carrier corrisponde ad una crescita della superficie. Considerando che i tappi presenti in maggiore quantità sono sicuramente quelli dell’acqua si può dire che la superficie specifica dei carrier introdotti è di circa 320 m2/m3.
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Dalle Tabelle 2 e 3 si può notare che questo valore è paragonabile e in alcuni casi perfino maggiore di quello dei comuni riempimenti per biomassa adesa (nelle due tabelle seguenti il confronto con i carrier commerciali di Siemens e Veolia [11, 12]) Tappi Biosphere Siemens Biosphere-N Siemens Spira 12 Siemens Spira 14 Siemens Superficie specifica (m2/m3) 320 800 800 650 600
Tabella 2 - Confronto tra la superficie specifica dei tappi e quella di alcuni riempimenti commerciali Siemens Tappi F3 Veolia Biofilm Chip Veolia Matrix Sol Veolia K3 Veolia Superficie specifica (m2/m3) 320 200 1200 800 500
Tabella 3 - Confronto tra la superficie specifica dei tappi e quella di alcuni riempimenti commerciali Veolia
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Sapendo che i carriers sono quasi tutti dello stesso materiale, ovvero polietilene (PE), si può calcolare la massa del riempimento da inserire in un RCBR 300 con diametro = 1,5 m e lunghezza = 1,5 m, supponendo una densità comune g/cm3
:
Questo valore è stato essenziale per la scelta del motore necessario alla rotazione della macchina.
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5.2 Applicazione di formule esistenti per il calcolo
teorico dei rendimenti
Determinazione del rendimento di rimozione di BOD
Il rendimento di rimozione di BOD è stato calcolato per il modello RCBR 300, che corrisponde ad un carico di refluo di 300 abitanti equivalenti.
Dato che ad un a.e. corrisponde un volume di scarico di 200 litri di refluo al giorno e una richiesta biochimica di ossigeno a 5 giorni pari a 60 grammi al giorno [9], si ha che la portata da trattare è:
mentre il carico di BOD totale è:
Utilizzando la formula di Opatken per i biodischi [10] si può calcolare la concentrazione di BOD nei vari stadi di trattamento con RCBR in serie; in particolare in questo studio viene utilizzato il carico di BOD solubile, qui stimato come 50% del BOD totale [10], mentre la superficie del disco è sostituita da quella dei tappi di plastica calcolata precedentemente, pari a 850 m2.
dove:
Sn = concentrazione di BOD solubile allo stadio n, mg/l As = superficie biologica dei tappi nello stadio n, m2
65 Q = portata, m3/die
Superficie
biologica (m2) BOD/a.e. (g/die)
850 60
Abitanti
equivalenti BOD totale (mg/l)
300 300
Portata (m3/die) BOD solubile (mg/l)
60 150
Si ottengono i seguenti risultati:
BOD solubile residuo (mg/l)
BOD totale residuo (mg/l)
Rendimento di rimozione del BOD
1° stadio 32,17 64,34 78,55 %
2°stadio 14,69 29,39 90,20 %
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Determinazione del rendimento di rimozione di azoto ammoniacale
L’RBCR può essere usato anche per la nitrificazione degli effluenti.
Il carico di azoto ammoniacale per ogni abitante equivalente è pari a 12,3 grammi al giorno [9], perciò il totale per 300 a.e. è:
Secondo Pano e Middlebrooks [10] il tasso di nitrificazione possibile è dato da:
dove sBOD è il carico di BOD solubile, g/m2d.
Si può notare che secondo questa teoria nel primo stadio non è possibile avere nitrificazione in quanto il carico di BOD è troppo elevato, mentre per gli stadi successivi il tasso di nitrificazione vale:
Frn Azoto ammoniacale residuo (mg/l) 1° stadio - 61,50
2° stadio 0,77 13,97
3° stadio 0,90 6,38
L’azoto ammoniacale risulta essere inferiore ai limiti di legge già dal secondo stadio (15 mg/l per scarichi superficiali).
