sperimentazione di un reattore a …€™alimentazione al reattore avviene prelevando l’acqua da...
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SPERIMENTAZIONE DI UN REATTORE A BIOMASSA CONCENTRATA NEL TRATTAMENTO DI ACQUE DI FALDA CONTAMINATE DA MTBE E COMPOSTI
IDROCARBURICI
C. Ferragina, A. Leotta, S. Pugi, S. Sgrigna (SAIPEM) N. Iazzi
(UN.E.CO srl) M. Cinque, N. Mancini
(ENI Divisione Refining & Marketing)
Evento Speciale sul tema:
Focus PETROLIFERO (II parte)
Bonifica siti di distribuzione carburante
Ferrara - 29 Settembre 2011
• Testare in un sito già oggetto di interventi di MISE/bonifica, le prestazioni di
un innovativo trattamento biologico, brevettato dall’Università di Cincinnati
in collaborazione con USEPA, sviluppato specificamente per MTBE (Metil
Ter-Butil etere), ma applicabile anche ad altri composti idrocarburici;
• Valutare l’efficienza del reattore BCR (Reattore a Biomassa Concentrata)
della capacità di 1.200 l progettato da UNECO, in grado di operare a regime
con portate in ingresso comprese tra 0,5 e 10 m3/g;
• Individuare gli elementi chiave per l’ottimizzazione del processo biologico;
• Valutare il rapporto costi/benefici in termini assoluti e in riferimento alla
tecnologia di trattamento già operativa nel sito.
Obiettivi della sperimentazione
• Azione degradativa delle molecole inquinanti da parte di un consorzio
batterico non OGM, costituito da specie largamente presenti in matrici
ambientali, la cui efficacia è amplificata conducendo il processo con reattore
a membrana denominato BCR (Reattore a Biomassa Concentrata);
• gli organismi predominanti nel consorzio batterico appartengono al gruppo
Flavobacteria-Cytophaga, alfa/beta-Proteobacteria, alcuni batteri Gram-
positivi e Nitrospina;
• l’effetto di confinamento della biomassa operato dalle membrane utilizzate
all’interno del BCR, minimizza qualunque dispersione della biomassa stessa
nell’ambiente esterno. Si può quindi affermare con certezza che l’uso di
tali colture non causa alcun rischio biologico;
• l’effetto chimico previsto della biomassa batterica è la mineralizzazione
completa delle molecole organiche inquinanti, aspetto rilevante per giudicare
la qualità dell’effluente. La crescita della biomassa durante il processo è poco
significativa, quindi non esiste un problema di smaltimento di fanghi biologici
e di rifiuti in generale, come è invece caratteristico dei processi chimico-fisici.
Processo biologico
Il Reattore BCR
• La sospensione della biomassa è confinata nell’anello esterno del reattore
mediante un sistema di membrane semipermeabili ad alta superficie
specifica. Attraverso di esse fluisce in continuo la fase liquida che sfiora
infine dall’interno delle membrane e viene scaricata a gravità.
• Il funzionamento per degradazione biologica delle sostanze inquinanti è
innescato dalla presenza di una serie di membrane filtranti che favoriscono
la crescita della biomassa ed il suo accumulo in concentrazioni molto elevate
(fino a 5-6 volte quelle normalmente riscontrate in impianti a “fanghi attivi”
tradizionali).
• Le stesse membrane fungono da supporto per i microrganismi, similmente a
quanto avviene in impianti a “biomasse adese”. L’effetto combinato di
supporto e filtrazione della biomassa (eliminando quindi la necessità di una
successiva fase di sedimentazione o filtrazione) fa sì che questo tipo di
reattore riesca a far avvenire la degradazione biologica anche per sostanze
solitamente considerate poco biodegradabili.
• Volume: 1.200 litri
• Portata refluo (regime): 50-100 litri/ora
• Portata aria (regime): 200 litri/min
• Superficie specifica della membrana > 100 m2 /m3
• Dimensioni del vaglio: 20 m
• Ossigeno disciolto: > 3 mg/litro
• pH: 7,0-8,5
• Biomassa a regime: 0,5-10 g/litro
• Principale Phylum batterico: Cytophaga-Flexibacter-Bacterioides
Il Reattore BCR: dati tecnici
Con l’accordo di Eni divisone refining & marketing e la conseguente necessaria condivisione con gli Enti di Controllo, è stato individuato un sito in Italia su cui eseguire la sperimentazione.
Individuazione del sito per la sperimentazione
• Tipologia sito: Punto Vendita rete ordinaria dismesso
• Estensione: 300 m2
• Impianto attivo: Pump &Treat in Pz03 –Pz04 –Pz05 bis; 2 filtri a carbone attivo - portata media 33 m3/giorno
• Composti di interesse: MtBE (concentrazioni medie 600 μg/l), Idrocarburi Totali (max 7921 μg/l), Benzene (max 35 μg/l), pXileni (max 670 μg/l)
Sito individuato per la sperimentazione
Sito in bonifica prima
dell’installazione del BCR
Colonne di carboni – Filtro per le sabbie
Punti di prelievo ai piezometri Punti di prelievo ai piezometri (particolare)
Sito individuato per la sperimentazione
Container del BCR e di alcune strumentazioni
ausiliarie
Vista dall’alto del BCR
Immagine
esterna del
BCR
Alloggiamento del BCR
e degli impianti ausiliari
Il Reattore BCR
Il reattore BCR è stato installato per potervi convogliare e trattare una quota
parte del refluo emunto dalla falda (costituito dalle acque provenienti dai tre
piezometri).
Le acque così trattate sono comunque state inviate, a scopo precauzionale e
come condiviso con le Autorità di Controllo competenti, al gruppo dei 2 filtri a
carboni attivi.
L’alimentazione al reattore avviene prelevando l’acqua da trattare da un
serbatoio di equalizzazione che riceve dai tre piezometri in emungimento.
Il reattore pilota opera in continuo e in condizioni aerobiche, ottenute
insufflando aria tramite diffusori a membrana (tipo Flygt) montati sul fondo
dell’unità e collegati ad un compressore.
Fase di start-up:
1. valutazione del corretto funzionamento dell’impianto,
2. controllo del processo biologico;
3. verifica della portata massima compatibile con la capacità della biomassa
di biodegradare MTBE al di sotto di 10 ppb nell’effluente e gli altri
inquinanti secondo i relativi limiti imposti per lo scarico in fognatura.
Messa a regime dell’impianto:
immissione di acqua di falda alla portata massima consentita dal reattore
mantenendo a regime il processo e campionando ogni due giorni (un prelievo
al mattino e uno alla sera)
Start-up e messa a regime dell’impianto
Attività della sperimentazione
Tempistiche di massima
Fase di start-up e messa a regime: iniziata nel mese di ottobre 2010, si è
protratta sino a dicembre dello stesso anno
Fase di esercizio: la sperimentazione si è conclusa nel mese di giugno 2011
Per tutto il periodo della sperimentazione, il funzionamento dell’impianto e la
composizione di influente ed effluente sono stati regolarmente monitorati.
SINTESI ATTIVITÀ SVOLTE
• Collegamento idraulico ed elettrico del BCR all’impianto generale
• Controllo dei parametri di impianto e della funzionalità delle membrane
• Ottimizzazione della composizione del fango biologico
• Monitoraggio della concentrazione di biomassa mediante analisi dei solidi
sospesi e volatili
• Monitoraggio regolare dell’influente ed effluente per determinare le
concentrazioni di MTBE, la composizione organica e minerale, il livello di
tossicità
Sintesi dei risultati
• Il volume di influente trattato è stato complessivamente di circa 440 m3 con
portate comprese fra 100 l/giorno iniziali, ad oltre 6.000 l/giorno finali, avendo
come target della sperimentazione 2.500 l/giorno.
• Le portate di aria sono diminuite da 150 l/ora a meno di 30 l/ora, con una
netta riduzione delle turbolenze.
• La composizione della biomassa è variata nel tempo, mediante miscelazione
del consorzio originale, a lenta crescita, con quantità variabili di fanghi
biologici a rapida crescita.
Sintesi dei risultati
• La concentrazione massima di MTBE nell’influente è stata di circa 500 ppb,
quella nell’effluente è passata da qualche decina di ppb nella fase iniziale
della sperimentazione per stabilizzarsi a valori complessivamente inferiori a
10 ppb da febbraio 2011; il grado di abbattimento di MTBE si è stabilizzato
intorno a valori superiori al 99%.
• La frazione organica diversa da MTBE presente nell’influente, espressa nelle
analisi come idrocarburi totali, è sempre stata prontamente degradata e
risultata assente nell’effluente, indipendentemente dalla concentrazione
iniziale.
• Il confronto della composizione minerale di influente ed effluente ha
evidenziato che non intervengono modifiche negative e il refluo dal BCR è
compatibile per lo scarico in fognatura.
Sintesi dei risultati
• Non si sono riscontrate evidenze di tossicità nel refluo scaricato dal BCR,
come è risultato dalle misure condotte con D. Magna e V. Fischeri
• La sedimentazione del fango, inizialmente difficoltosa, nel corso della
sperimentazione si è stabilizzata su un valore di regime di circa 45-50 ml/l
• Anche il tenore di Sostanza Organica è regolarmente aumentato fino a circa
il 50%, in sostanziale accordo con i valori riscontrabili nei fanghi biologici
presenti in impianti di depurazione ben funzionanti
• I Solidi Sospesi presentano un valore prossimo allo zero, a conferma del
buon funzionamento delle membrane
Sintesi dei risultati
MTBE
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
11-ott
25-ott
8-nov
22-nov
6-dic
20-dic
3-gen
17-gen
31-gen
14-feb
28-feb
14-m
ar
28-m
ar
11-apr
25-apr
9-m
ag
23-m
ag
6-giu
20-giu
Co
nc
en
tra
zio
ni
(pp
b)
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
Ab
ba
ttim
en
to (
%)
Influente Effluente Abbattimento
Sintesi dei risultati
Idrocarburi Totali C>10
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
650
700
11-ott-10
25-ott-10
8-nov-10
22-nov-10
6-dic-10
20-dic-10
3-gen-11
17-gen-11
31-gen-11
14-feb-11
28-feb-11
14-m
ar-11
28-m
ar-11
11-apr-11
25-apr-11
9-m
ag-11
23-m
ag-11
6-giu-11
20-giu-11
Co
nc
en
tra
zio
ne
(p
pb
)
Influente Effluente
Conclusioni
La sperimentazione ha avuto esiti positivi sintetizzabili nei seguenti termini:
• qualità dell’effluente rispetto agli obiettivi posti (degradazione di MTBE e
Idrocarburi) e compatibilità per lo scarico diretto in fognatura;
• facilità di avvio e gestione del BCR: il sistema biologico a regime non ha
malfunzionamenti o necessità di interruzioni periodiche (se non per un
controllo semestrale/annuale delle membrane nel caso si abbiano perdite di
carico nell’effluente); il funzionamento è di 24h/24h. L’opportuna scelta di
consorzi microbici permette di adattare il processo biologico a diverse
situazioni di contaminazione organica e inorganica;
• facile inserimento in un impianto esistente e modularità: i test condotti hanno
dimostrato, nella configurazione attuale, che la portata può arrivare fino a 11-
12 m3/giorno. Mediante un opportuno dimensionamento del reattore e una
ottimizzazione del lay-out delle attrezzature ausiliarie, l’ingombro spaziale di
un impianto in grado di trattare 100 m3/giorno è contenuto in circa 20-25 m2.
• Impianto sperimentale realizzato ad hoc per le attività descritte
• Costi di esercizio paragonabili in termini di dinamica di gestione del fluido
• L’impianto BCR non necessita di smaltimento/rigenerazione dei carboni attivi
esausti, così come non prevede la produzione di altri rifiuti durante l’esercizio
• Per l’impianto BCR si può affermare che l’approccio al trattamento del refluo è
affrontato in termini di SOSTENIBILITA’ AMBIENTALE
Cenni confronto costi/benefici
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