IWS Italian Water Tour, Gruppo Tea Mantova | 28 marzo 2019

1. Il processo UTN: una soluzione innovativa
per la riduzione dei fanghi di depurazione
Gianni Andreottola, Roberta Ferrentino, Michela Langone
1

2. TECNOLOGIE
DI RIDUZIONE
DEI FANGHI
Trattamenti
biologici
Trattamenti termici
Trattamenti
termo- chimici
Ossidazione ad
elevata temperatura
Trattamenti
meccanici
Ultrasuoni
Ozono
Altri trattamenti chimici
Tecnologie di riduzione dei fanghi
2

3. TECNOLOGIE
DI RIDUZIONE
DEI FANGHI
Trattamenti termici
Trattamenti
termo- chimici
Ossidazione ad
elevata temperatura
Trattamenti
meccanici
Ultrasuoni
Ozono
Altri trattamenti chimici
Tecnologie di riduzione dei fanghi
3
Trattamenti
biologici

4. TECNOLOGIE
DI RIDUZIONE
DEI FANGHI
Trattamenti termici
Trattamenti
termo- chimici
Ossidazione ad
elevata temperatura
Trattamenti
meccanici
Ultrasuoni
Ozono
Altri trattamenti chimici
Tecnologie di riduzione dei fanghi
4
Trattamenti
biologici
Processo con Reactor Anaerobico Side-Stream (ASSR)

5. Che cosa è il processo ASSR?
 Principali condizioni operative
ASSR
Processo biologico basato sul ricircolo del fango in condizioni aerobiche, anossiche ed anaerobiche,
composto da:
• un comparto di aerazione
• un sedimentatore
• un reattore anaerobico side-stream (ASSR)
5
sistema a fanghi attivi convenzionale

6. 6
PRINCIPALI PARAMETRI OPERATIVI
 Rapporto di Interscambio (IR): percentuale di SSV alimentati al reattore ASSR
rispetto alla biomassa presente nel comparto biologico sulla linea acque
 HRT del comparto ASSR (HRTASSR): rapporto tra il volume del comparto anaerobico
e la portata effluente
 SRT del comparto ASSR (SRTASSR): rapporto tra la massa di SSV nel comparto
anaerobico e la portata massica effluente
Altri parametri
 Potenziale ossido riduzione (ORP)
 Temperatura
 pH

7. CONFIGURAZIONI
References Yobs SRTASSR IR [%]
% di
riduzione
Chudoba et
al. (1992)
0.21
TSS/COD
3 h 100 50%
Ye et al.
(2008)
n.a. 5.5 – 11.5 h n100 14-33 %
References Yobs SRTASSR IR [%]
% di
riduzione
Saby et al.
(2003)
0.17 – 0.29
SS/COD
11 – 17 d 100 28 – 58%
References Yobs SRTASSR IR [%]
% di
riduzione
Coma et al.
(2013)
0.32 – 0.51
VSS/COD
34.5 h– 5.5 h 10 - 100 0.2 -18 %

8. CONFIGURAZIONI
References Yobs SRTASSR IR [%]
% di
riduzione*
Chon et al.
(2011)
0.15
VSS/COD
2.5 – 10 d 10 39 - 49%
Novak et
al. (2007)
0.15
VSS/COD
10 d 7 60 %

9. PROCESSO CANNIBAL
SEQUENZA DI FASI:
• “fasting” (condizioni anaerobiche
+ assenza di substrato
• “feasting” (condizioni aerobiche +
disponibilità di substrato)
side-stream
anaerobic reactor
(FASTING)
Influent
wastewater
with substrate
return sludge
settler
substrate
oxidation
(FEASTING)
side-stream
anaerobic reactor
(FASTING)
Influent
wastewater
with substrate
return sludge
settler
substrate
oxidation
(FEASTING)
CONDIZIONI OPERATIVE REATTORE
ANAEROBICO:
- elevata concentrazione di biomassa,
- basso potenziale redox (ORP tra -200 mV
e -250 mV).
- IR = 7-10%
- HRT = 7-15 d
- SSTassr, max = 10 g/L
Produzione osservata
di fanghi a Levico
0,35 kgSST/kgCODrimosso

10. PROCESSO CANNIBAL
• estrazione di una parte dei fanghi
di ricircolo (circa il 10% della
portata di ricircolo);
• vagliatura a circa 250 µm;
• vasca intermedia;
• trattamento di una quota del
fango in idrocicloni per la
separazione di solidi inerti
(sabbie);
• invio di una quota di fanghi
nuovamente verso lo stadio a
fanghi attivi;
• invio della parte rimanente di
fanghi (3-5% Qr) in un reattore
anaerobico detto di interscambio;
• ritorno del fango trattato
anaerobicamente allo stadio a
fanghi attivi.
return sludge
inert solids
grit
dense inorganic particles
anaerobic
reactor
(interchange
reactor)
intermediate
tank
hydro
cyclone
periodic air supply
settler
activated sludge
screening
return sludge
inert solids
grit
dense inorganic particles
anaerobic
reactor
(interchange
reactor)
intermediate
tank
hydro
cyclone
periodic air supply
settler
activated sludge
screening

11. Dati operativi impianto ASSR di Levico
(processo Cannibal)
• 50.000 AE (Vbiologico = 7000 m3
• VASSR=2293 m3
QASSR = 330 m3/d (IR = 7,6%)
HRT = 6,9 d
XASSR = 9,3 kgSST/m3
Ƞrid (5 anni dati) = 20%
(a fronte di una resa di progetto del
50%)
Perché non ha funzionato al meglio?

12. 14
20%
10%
• Riduzione bassa rispetto ai dati di letteratura
• Aumento 45% di volume  no aumento % riduzione
• meccanismo  no solo decadimento endogeno, che è
favorito da lunghi HRT
CASO STUDIO LEVICO – PRODUZIONE FANGO

13. FATTORI LIMITANTI
• Presenza di nitrati nel reattore ASSR
• Basso interscambio (7.6%)
• Bassa età del fango complessiva dell’impianto
• HRT di 6,9 giorni non necessario e
controproducente

14. CASO STUDIO DI LE FORCHE –(RE)
LAYOUT IMPIANTO
850 m3 1660 m3
Denitrificazione Nitrificazione Sedimentazione
1256 m3Influente
Effluente
Stabilizzazione
aerobica
780 m3
47 m3/d90 m3/d
Post-ispessitore
260 m3
Sfioro surnatante
Estrazione fango
16
IR = 7%
HRT = 2.9 d
SRT = 4.9 d
Yobs = 0.32 g TSS/g COD

15. 0
5
10
15
20
25
30
0
30
60
90
120
150
P[mg/l]
SO4[mg/l]
SO4 P
y = 24,348e-0,014x
R² = 0,7284
0
5
10
15
20
25
30
0 20 40 60 80 100 120 140 160
P[mg/l]
SO4 [mg/l]
CASO STUDIO DI LE FORCHE –(RE)
RELAZIONE TRA SOLFATI E FOSFORO

16. IL PROCESSO ASSR
Meccanismi di riduzione del fango: stato dell’arte
Refluo
influente
Composti
biodegradabili
Composti non
biodegradabili
Morte
cellulare
Metabolismo
Energi
a
Sopravvivenza
Crescita
cellulare
PRODUZIONE DEL FANGO 18
Decadimento endogeno
Distruzione di EPS
Metabolismo disaccoppiato
Decadimento endogeno
Fame/
Abbondanza
Dominazione di batteri a crescita lenta
- Qual è il meccanismo di riduzione
alla base del processo?
- Come SRTASSR e IR posso
influenzare il processo?

17. SBR
• Volume 10 L
• Miscelazione con mixer meccanico
• Concentrazione di O2 1-2 mg O2/L
• 6 cicli/giorno – HRT 0.56 d
• VER 0.3
SBR
Ispessitore
ASSR
19
ASSR
• Volume 10 L
• Miscelazione con mixer meccanico
• pH, ORP e T monitorati con sonde
Ispessitore
• Volume 2 L
• HRT 3 hr
Anossico
Alimentazione
Aerobico Anossico
Alimentazione
Aerobico Sedim.
Effluente
Ispessitore
Aliment.
Fango
ASSR
Ricircolo del fango
IMPIANTO A SCALA DI LABORATORIO

18. ASSR
SBR
Ispessitore
Parametri operativi
• Alimentazione : Refluo civile
• pH libero di variare: valore medio 7 ± 0.5
• ORP libero di variare: valore medio -400 ± 25 mV
• Temperatura 20 ± 2°C
20
Fase I
SRTASSR 10 d
IR 27%
Durata 100 d
Fase II
SRTASSR 5 d
IR 50%
Durata 100 d
Fase III
SRTASSR 2.5 d
IR 100%
Durata 100 d
SRTASSR è il rapporto tra il volume anaerobico e la portata di fango influente
IR è la percentuale in massa della biomassa presente nel reattore principale
IMPIANTO A SCALA DI LABORATORIO

19. FENOMENI OSSERVATI
• Lisi del fango e crescita criptica
• Incremento significativo della concentrazione di ortofosfati
• Abbattimento della concentrazione di solfati
• Interferenza dei nitrati sulle prestazioni del processo
• Influenza delle basse temperature sulle prestazioni del processo
21

20. influent effluent influent effluent
22
RILASCIO DI AZOTO AMMONIACALE E COD SOLUBILE

21. ANALISI QUANTITATIVA DELL’EPS (Extra-Polymeric Substances)
0
10
20
30
40
50
60
70
Phase 1 Phase 2 Phase 3
Protein[mg/gVS]
SMP
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Phase 1 Phase 2 Phase 3
Polysaccharide[mg/gVS]
SMP

22. influent effluent
24
RISCONTRO ATTIVITA’
dei batteri PAO (Phosphate Accumulating Organisms)
e DPAO (Denitrifying Phosphate Accumulating Organisms)

23. y = -0,1083x + 18,117
0
2
4
6
8
10
0 50 100 150 200 250 300 350
PO4
3--P[mg/l]
Time [min]
y = -0,2x + 44,962
0
5
10
15
20
25
30
0 50 100 150 200 250 300 350
PO4
3--P[mg/l]
Time [min]
y = -0,2579x + 58,784
0
10
20
30
40
50
60
0 50 100 150 200 250 300 350
PO4
3--P[mg/l]
Time [min]
Anaerobic Aerobic Anaerobic Aerobic Anaerobic Aerobic
Phase I
P uptake rate 0.77 mg P/g TSS h
25
TEST BATCH DELL’ATTIVITA’ DI PAO E DPAO

24. y = -0,1083x + 18,117
0
2
4
6
8
10
0 50 100 150 200 250 300 350
PO4
3--P[mg/l]
Time [min]
y = -0,2x + 44,962
0
5
10
15
20
25
30
0 50 100 150 200 250 300 350
PO4
3--P[mg/l]
Time [min]
y = -0,2579x + 58,784
0
10
20
30
40
50
60
0 50 100 150 200 250 300 350
PO4
3--P[mg/l]
Time [min]
Anaerobic Aerobic Anaerobic Aerobic Anaerobic Aerobic
Phase
I
Phase II
P uptake rate 0.77 mg P/g TSS h P uptake rate 1.41 mg P/g TSS h
26
TEST BATCH DELL’ATTIVITA’ DI PAO E DPAO

25. TEST BATCH DELL’ATTIVITA’ DI PAO E DPAO
y = -0,1083x + 18,117
0
2
4
6
8
10
0 50 100 150 200 250 300 350
PO4
3--P[mg/l]
Time [min]
y = -0,2x + 44,962
0
5
10
15
20
25
30
0 50 100 150 200 250 300 350
PO4
3--P[mg/l]
Time [min]
y = -0,2579x + 58,784
0
10
20
30
40
50
60
0 50 100 150 200 250 300 350
PO4
3--P[mg/l]
Time [min]
Anaerobic Aerobic Anaerobic Aerobic Anaerobic Aerobic
Phase I Phase II Phase III
P uptake rate 0.77 mg P/g TSS h P uptake rate 1.41 mg P/g TSS h P uptake rate 1.75 mg P/g TSS h
27

26. Incremento percentuale della popolazione DPAO rispetto ai PAO totali
Phase I Phase II Phase III
Paerobic
Panoxic
v
v
DPAO %
14%
86%
DPAO PAO
63%
37%
DPAO PAO
94%
6%
DPAO PAO
28

27. Tutti i meccanismi di riduzione
indagati in questo studio sono
stati precedentemente illustrati
nella letteratura scientifica
La novità di questo studio è l'interpretazione dei
fenomeni osservati e la loro correlazione con i
principali parametri operativi del processo in
modo da creare le basi per una corretta
progettazione e gestione del processo reale.
LA NOVITÀ DELLO STUDIO CONDOTTO
29
Condizioni anaerobiche
+
Aumento di IR & diminuzione di
SRT
Decadimento del fango
Lisi cellulare
Distruzione di EPS
meccanismi
La solubilizzazione di
composti organici aumenta
Selezione di batteri con
basso tasso di crescita
meccanismi
SRB
DPAO
Total
PAO
Noti finora per la loro
abilità di rimuovere
simultaneamente azoto e
fosforo
Utilizzati in questo
processo per la loro basso
tasso di crescita

28. Phase IR SRTASSR
Sludge
reduction
I 27% 10 d 42%
II 50% 5 d 61%
III 100% 2.5 d 66%
y = 0.2092x
R² = 0.9935
y = 0.1432x
R² = 0.9926
y = 0.117x
R² = 0.9955
0
10
20
30
40
50
60
70
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360
Cumulativegeneratedsludge[gTSS]
Cumultative cosumed subtrate [g COD]
30
Cumulative sludge generated
Cumulative consumed substrate
obsY 
interchange ratio
kg of daily biomass sent to the ASSR
=
kg biomass in the mainstream reactor
IR 
ASSR
ASSR ASSR
sludge
V
SRT HRT
Q
 
Parametri ASSR:
Fasi sperimentazione:
TRATTAMENTO BIOLOGICO INTEGRATO
Risultati processo UTN a scala laboratorio
VALORI CONSIGLIATI DI PROGETTO:
IR = 50%
SRT = 2,5 d

29. Come massimizzare la popolazione di DPAO
nel depuratore?
• Massimizzare la fase anossica nella linea acque (inserimento fasi
alternate)
• Inserire il comparto DSSR per rimuovere i nitrati
• Inserire il comparto ASSR, cercando di massimizzare il rapporto IR
(compatibilmente con la sostenibilità tecnica ed economica)
• Inserire un controllore di processo per gestire il ritorno del flusso
anaerobico in linea acque
• Usare il gli ortofosfati come marker principale del processo e
verificare le concentrazioni di nitrati in ingresso all’ASSR
• Mantenere l’età del fango totale dell’impianto sopra i 35 d in estate
e 50 d in inverno.
31

30. ASSR DSSR
Effluent
DSSR: ispessisce il fango e rimuove eventuali nitrati residui, assicurando condizioni strettamente
anaerobiche nell’ASSR.
ASSR: consente la simultaneità di processi di ossidazione della sostanza organica, lisi cellulare, crescita
criptica, rilascio EPS, selezione di batteri con bassi tassi di crescita coinvolti nella rimozione di
azoto e fosforo. 32
PROCESSO UTN (Patent Pending)

31. 33
Grazie per l’attenzione.