WORKSHOP
WORKSHOP:: “Il“Il trattamentotrattamento naturalenaturale delledelle acqueacque refluereflue enologicheenologiche ee didi insediamentiinsediamenti agro
agro--industrialiindustriali ””
Il trattamento ed il riuso delle acque reflue agro Il trattamento ed il riuso delle acque reflue agro--
Progetto VIENERGY
Progetto co-finanziato dall’Unione Europea Fondo Europeo di Sviluppo Regionale
UNIONE EUROPEA
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Noto (SR), 20 giugno 2014 Noto (SR), 20 giugno 2014 Azienda Agricola Marabino
Azienda Agricola Marabino -- C.da Bimmisca AgliastroC.da Bimmisca Agliastro
Il trattamento ed il riuso delle acque reflue agro Il trattamento ed il riuso delle acque reflue agro--
industriali e di insediamenti produttivi industriali e di insediamenti produttivi
Prof. Antonio Lopez
Prof. Antonio Lopez –– IRSA CNR BariIRSA CNR Bari
Con il patrocinio di:
Con il patrocinio di:
Regione Siciliana
Assessorato Regionale dell’Agricoltura, dello Sviluppo Rurale e della Pesca Mediterranea Dipartimento Regionale dell’Agricoltura
Consiglio della Federazione Regionale degli Ordini dei Dottori Agronomi e Forestali della Sicilia Ministero della Giustizia
Ordine dei Tecnologi Alimentari di Sicilia e Sardegna
Ordine degli Ingegneri della Provincia di Catania
Ordine dei Chimici della provincia di Ragusa
Ordine dei Chimici della provincia di Siracusa
AIAT Sicilia
Associazione Ingegneri per l’Ambiente e il Territorio della Regione Sicilia
AIAPP Sezione Sicilia
Associazione Italiana di Architettura del Paesaggio
PREMESSA
Per controllare l’inquinamento idrico, le principali opzioni implementabili sono:
•Contenere l’impiego di prodotti inquinanti e/o sostituirli con sostanze meno dannose
•Modificare i processi produttivi implementando procedure di risparmio idrico e riciclo di acqua e materie prime
risparmio idrico e riciclo di acqua e materie prime
•Rinunciare all’acqua come veicolo di smaltimento di rifiuti vari
•Depurare le acque reflue, ossia rimuovere gli inquinanti dai reflui
Ad oggi, la rimozione degli inquinanti dai reflui civili e/o industriali mediante trattamenti di depurazione “end of pipe” si conferma come l’opzione tecnologica prevalente.
Pricipali inquinanti → (effetti):
INQUINANTI DI ORIGINE NATURALE:
Sostanze biodegradabili→(riduzione O2 nei corpi idrici recettori)
Nutrienti (N,P,K) → (eutrofizzazione)
Microrganismi patogeni → (malattie infettive)
INQUINANTI CHIMICI: inorganici (es. Metalli), organici (PPCPs, INQUINANTI CHIMICI: inorganici (es. Metalli), organici (PPCPs, POPs, ED) → (tossicità)
INQUINANTI FISICI: (es. Temperatura) → (variazione termiche negli ecosistemi interessati)
Depurazione & Problemi:
- elevati consumi energetici - notevole produzione di
fanghi
- dimensioni impianti elevate - dimensioni impianti elevate - produzione ed emissione di
odori sgradevoli
- presenza di “nuovi”
inquinanti bioresistenti
L’urlo - Eduard Munch (1983)
Oggigiorno, il rapido aumento del prezzo delle materie prime insieme alla crescente preoccupazione per lo sfruttamento intensivo delle risorse naturali sta modificando il nostro concetto di rifiuto tant’è che nell’ambito di qualsiasi attività industriale o di servizio ci si chiede se:
DEPURAZIONE:
IL NUOVO PARADIGMA
“I RIFIUTI SIANO VERAMENTE RIFIUTI ”
Ciò comporta un cambiamento del concetto di depurazione che sta progressivamente modificandosi
da “Rimozione di inquinanti” a “Recupero di risorse ed energia”
In altre parole, i reflui non vengono più considerati come un rifiuto da smaltire ma come fonte di materie prime, energia e risorse e ciò ovviamente contribuisce alla adozione di politiche ambientali più vicine al concetto di SOSTENIBILITA’.
La Primavera (Allegory of Spring) - Alessandro Filipepi detto il Botticelli (1482)
ECONOMIA SOSTENIBLE BIORAFFINERIE
Water4Crops – 1st Joint Meeting Bari-Italy, 3-5 December 2013
Water4Crops
Integrating Bio-treated Wastewater Reuse and Valorization with Enhanced Water Use Efficiency to Support the Green Economy in EU and India
Antonio Lopez (IRSA-CNR Italy) & Suhas Wani (ICRISAT- India)
Aim
Better management of water, land and crops to develop viable and sustainable Green Economy
Water4Crops-EU EU-FP7
Coord. Dr. Antonio Lopez
Water4Crops-India INDIA-DBT
Coord. Dr. Suhas P. Wani EC contribution:
≈ 6 Mio € DBT contribution:
≈ 3 Mio €
Starting date: 1ts August 2012 – Duration: 4 years
DECOUPLING: A key concept of GREEN ECONOMY
Decoupling Natural Resources Use and Environmental Impacts from Economic Growth (UNEP 2011)
THE GREEN ECONOMY results in improved human
well-being and social equity, while significantly reducing
environmental risks and ecological scarcities.
Water4Crops – 1st Joint Meeting Bari-Italy, 3-5 December 2013
Principle
Water4Crops Concept
Reflui da depurare
FORSU
Biogas (CH
4, CO
2, ecc.)
Processo di digestione anaerobica
NH3, H2, CO2 Alcoli Idrolisi
Biomassa
FORSU
Residui agricoli
Letame
Digestione Anaerobica
Digestato
Alcoli VFA Chetoni Idrolisi
&
Acidogenesi
Metanogenesi
NH
3, H
2, CO
2Biofuel gassosi
Idrogeno, Biohythane (CH4 + H2)
Bioplastiche
PHA
Bio-Fine-Chemicals
L’inibizione dei metanigeni, e quindi l’isolamento dei prodotti intermedi della digestione anaerobica porta alla possibile applicazione di una serie di processi alternativi utili alla produzione di biofuels o prodotti chimici ad elevato valore.
NH
3, H
2, CO
2Alcoli
VFA Chetoni
Bio-Solventi
Biofuel liquidi
Alcoli
Bio-Farmaceuticals
Rilevanza: La produzione di plastiche è oggi prevalentemente effettuata da prodotti petroliferi. Il recupero ed il riciclaggio della plastica interessa però al momento solo una frazione minore di quella prodotta, circa il 20%; per tale motivo da tempo si sta proponendo l’impiego di plastiche biodegradabili, prodotte con substrati organici, non derivati dal petrolio.
Le plastiche biodegradabili sono prodotte mediante sofisticati fermentatori con colture pure di batteri a partire da substrati carboniosi pregiati. Questi batteri, (di origine naturale o ingegnerizzato biomolecolarmente) in particolari condizioni (Feast and Famine process), accumulano all’interno delle cellule elevate
quantità di PHA, fino al 90% della biomassa. I
III
Produzione di poli-idrossialcanoati (PHAs) tramite fanghi attivi da prodotti di risulta per la produzione di plastiche biodegradabili
quantità di PHA, fino al 90% della biomassa.
Attualmente il costo delle bioplastiche è circa quattro volte superiore a quelle derivate dal petrolio.
Tale costo può decisamente abbattersi, effettuando la produzione con biomasse miste, quali i fanghi attivi, ed utilizzando come substrati carboniosi prodotti di risulta, quali scarichi concentrati e/o correnti carboniose ad elevata concentrazione prodotte per fermentazione di fanghi biologici primari o secondari. I costi si presentano decisamente più contenuti e per la disponibilità delle materie di base e per la possibilità di non dover operare in condizioni di stretta sterilità.
5 µm II
Inclusioni di PHA all’interno di batteri evidenziare con
colorazione e microscopia in epifluorescenza)
Scarti
industriali
PHA
PHA da scarti di birrifici
VFAs
industriali
birrifici
PHA
Processo oggetto di studio in WATER4CROPS
VFAs
Un altro esempio di possibile valorizzazione di refluo agro-industriale riguarda le Acque di Vegetazione provenienti dall’industria olearia
Idrossitirosolo
Antiossidante
Acque di
Olio
Vegetazione
PHA
Bio-Plastiche
Acque di scarto
Olive oil mill wastewater (OMW)
Extraction/
Separation
Olive Oil
Pomace (solid) OMW (liquid) Olives
OMW environmental concerns
High amount (about 30 million m3 year-1 in the Mediterranean area, 3.5 in Italy) Very high organic content (50 – 200 g COD L-1);
Olive tree
Very high organic content (50 – 200 g COD L );
High content of lipidic and phenolic compounds (up to 10 g L-1), responsible for OMW phytotoxicity and antibacterial potential
either aerobic or anaerobic treatment requires OMW dilution and/or to operate at low organic load
spreading out on soil is allowed in Italy, with severe limitations
•
Recovery of polyphenols (natural antioxidants, wide application for food industry, cosmetics, human health)•
COD exploitation towards PHA production•
Biogas from any process side streams, for energy recovery•
Water for agricultural reuse Potential forOMW refining
Is the process feasible at an industrial scale?
OMW production and disposal
- Largest production in Italy is from Apulia (South Italy) 1.3 Mton per year are produced from about 1200 mills (average density of 1 mill per 17.6 km2)
- on average 1 m3 OMW corresponds to 100 kg of COD (i.e about 3 million of additional inhabitant equivalents in Apulia)
- mostly treated by spreading out on ground or in municipal WW treatment plants
PHA production
Pure culture industrial process: a medium size plant is presently producing about 2000 ton per year
about 2000 ton per year
Mixed culture process: assuming a PHA/substrate yield of 10 (%, gPHA/gCOD), 20,000 ton per year of influent COD are required.
•
The production of 2000 ton PHA per year would require 20,0000 ton OMW per year (15% of total Apulia production) ; i.e 2000 ton OMW d-1 (based on an yearly campaign for olive processing of 100 d)•
With regards to Apulia, this would correspond to the treatment of OMW produced by 184 mills (distributed over a radius of about 32 Km)•
In principle, any fermentable organic waste in that area could be added to increase plant size and decrease seasonalityIn generale: Un approccio più fine al
trattamento di reflui liquidi di varia natura prevede una preliminare separazione delle sue
principali componenti
• Frazione lipidica
• Frazione fibrosa (carboidrati e proteine)
Frazione lipidica
• La componente lipidica dei reflui presenta un potenziale energetico ben più importante
rispetto alle altre frazioni
• La sua successiva trasformazione porta alla
produzione di biodiesel utilizzabile come
carburante per autotrazione
DP Lubrificanti Srl (Latina)
waste coocking oils
• 160.000 t/anno: potenzialità dello stabilimento
• 30.000 t/anno: quantità di olio effettivamente trasformato (in parte proveniente anche dall’estero)
http://www.dplubrificanti.com/azienda.asp
Sistema di Raccolta
Trap grease
Vasca Aerazione Dissabbiatura/
Disoleatura
Disoleato CER 190809 CER 190810*
50-55 wt%
Impianto di depurazione acque reflue come fonte di biodiesel: potenzialità
Sed. I° Vasca Aerazione Sed. II°
Fango Primario Fango Secondario
Fango Digerito Misto Centrifugato
18-20 wt% 2-4 wt%
3-5 wt%
Sed. I° Sed. II°
Esempi Produttivi (USA)
prelievo di disoleato da WWTP
BioFuelBox
BlackGold Biofuel
Il processo è tale da essere conveniente anche quando trattasi di impianti di piccola scala (impianti pilota
trasportabili).
Impianto pilota da 5 t/anno
Impianto dimostrativo presso uno dei MWWTPs di San Francisco
• Una frazione importante dei reflui agro-
industriali è sempre costituita da carboidrati più o meno complessi (20-30%).
Frazione Fibrosa (carboidrati e proteine)
• La sua valorizzazione può avvenire attraverso una serie di processi fermentativi di zuccheri semplici SELEZIONATI e di elevato VALORE, a dare differenti prodotti con differenti
applicazioni
Acido Lattico
(Cosmesi, bio-plastiche degradabili, bevande) 275 000 ton/anno
Acido Citrico
(Additivo alimenti e bevande)
1.400.000 ton/anno
Zuccheri Semplici
Acido Succinico (Biopolimeri) 50000 t/anno 275 000 ton/anno
CH
3CH
2OH
Etanolo
(biocombustibile, bevande)
Semplici
PHA
(Biopolimeri) 50000 t/anno
Questione Etica
• L’uso di materia prima utilizzabile come food-
materials per la produzione di plastiche e
biofuels è stato ben presto considerato
inaccettabile, indirizzando verso l’uso di fonti
inaccettabile, indirizzando verso l’uso di fonti
alternative(Biomasse RESIDUALI agricole ed
alimentari).
Uso della biomassa ad elevato contenuto
ligno- cellulosico
1200-2400
6000
Chemicals
Euro/ha
Dalla biomassa alla produzione di chemicals, fuels ed energia elettrica
600-800
Energia termica o elettrica
1200-2400 Combustibili liquidi
Gruppo Mossi Ghisolfi (1)
Crescentino (VC)
Il primo impianto al mondo per la produzione di bioetanolo da biomasse non
alimentari, di proprietà di Beta Renewables, joint venture tra Biochemtex, società di ingegneria del gruppo Mossi Ghisolfi, il fondo americano TPG (Texas Pacific Group) e il leader mondiale della bio-innovazione, la danese Novozymes. Residui di lavorazione delle risaie sono raccolte, trattate e fatte fermentare per ottenere biodiesel di II
generazione.
Gruppo Mossi Ghisolfi (2)
Modugno (BA)
Biochemtex ha già sviluppato una nuova tecnologia (MOGHI) per la conversione della lignina in bio-nafta e in composti aromatici, largamente utilizzati in numerosi settori industriali. Ben presto un impianto dimostrativo sarà realizzato a Modugno (Bari).
Altri Processi (Chimici) Innovativi
Reflui Agro-industriali vari
H+, O2 cat
Bio-Diesel
YXY
Sostituto Naturale e biodegradabile del PET, largamente adottato da P&G, Coca Cola e Heinz nel
loro packaging
Acido Levulinico
Cosmesi, Biofuel, nuovi materiali
cat
CONCLUSIONE
la valorizzazione delle biomasse è forse l’opzione più importante per implementare
una economia SOSTENIBILE
Rubin Nature 454, 841-845 (2008) doi:10.1038/nature07190
