Minimizzazione dei consumi energetici negli impianti di ... - CNR

Minimizzazione dei consumi energeticinegli impianti di depurazione e riduzionedell’impatto sul climaG. Mininni, M.C. Tomei, D. Marani, C.M. BragugliaIstituto di Ricerca Sulle Acque, CNR, Roma, Italiamininni @irsa.cnr.itSOMMARIO: Sono illustrate le principali attività di ricerca condotte dall’Irsa nel settore dei trattamenti delleacque di scarico con diretta attinenza alla riduzione dell’impatto sul clima. Tali attività di ricerca sono stateindirizzate alla messa a punto di processi e schemi di trattamento per minimizzare i consumi energetici diun impianto di depurazione e contemporaneamente per incrementare il recupero energetico dal biogas prodottonella digestione anaerobica dei fanghi. Per quanto riguarda la linea “acque” è stato messo a puntoun processo di sedimentazione primaria assistita con calce che consente di incrementare l’abbattimento diCOD, consentendo la riduzione dei consumi energetici nella fase di ossidazione biologica di circa il 25%e contemporaneamente l’incremento della produzione di energia nella digestione dei fanghi di oltre il200%. Per quanto riguarda la linea fanghi sono stati studiati i processi d’incenerimento al fine di verificarnela compatibilità ambientale. I risultati hanno dimostrato che il processo d’incenerimento dei fanghipresenta un impatto del tutto trascurabile, e che il processo può facilmente essere condotto senza richiestadi combustibile ausiliario cosicché le emissioni di gas ad effetto serra sono nulle. Infine, è stato studiatoun nuovo processo di digestione anaerobica dei fanghi biologici con il quale è stato ottenuto un incrementodella produzione di biogas di circa il 35%.1IL PROBLEMA SCIENTIFICOIl Rapporto Energia e Ambiente dell’ENEA(2005) evidenzia che nel settore energetico leemissioni di CO 2 in tutti i Paesi aderentiall’Unione a 15 sono aumentate dal 1990 al2003 di 121 milioni di t a fronte di emissionicomplessive del 1990 pari a 3.184 milioni dit. Nello stesso periodo di riferimento l’Italiaha visto aumentare le proprie emissioni diCO 2 da 403 a 457 milioni di t, con un incrementodel 13,4%, ben superiore all’incrementodel 3,8% su base europea.Le ultime statistiche disponibili dell’Istatriportano che il numero di abitanti residenti,fluttuanti ed equivalenti trattati negli impiantidi depurazione delle acque reflue urbaneammontava nel 2005 a 69.228.977, che considerandoun consumo medio d’energia pari a35 kWh/abitante x anno corrisponde ad unapotenza media assorbita dalla rete di 277 MW,cioè pari allo 0,8% del totale della potenzaprodotta sul territorio nazionale (34.589MW). L’impatto sul clima degli impianti didepurazione è perciò trascurabile rispetto aquello derivante dalle altre attività industrialie civili. La corretta progettazione e gestionedegli impianti di depurazione, tuttavia, oltread una maggiore efficienza depurativa, puòconsentire di migliorarne le prestazioni in terminidi salvaguardia ambientale ed effetto sulclima, in relazione ai risparmi energetici conseguibiliadottando tecnologie a basso consumoenergetico per l’abbattimento degli inquinantipresenti in sospensione e l’autoproduzioned’energia utilizzando il biogas derivantedalla digestione anaerobica dei fanghi. Nonè da trascurare nemmeno la riduzione di emissionidi gas serra derivanti da una miglioregestione dei fanghi di depurazione con conseguentedrastica riduzione dello smaltimentoin discarica e conseguente riduzione delle843

Clima e cambiamenti climatici: le attività di ricerca del CNRemissioni in atmosfera di CH 4 , che presenta alungo termine un potenziale pari a 21 voltequello della CO 2 .2 ATTIVITÀ DI RICERCA2.1 Massimizzazione della rimozione del caricoorganico particolato nel trattamento primariomediante sedimentazione assistitaQuesta attività di ricerca è motivata dal fattoche nei reflui urbani la frazione di materialeorganico associata al particolato varia mediamentedal 60 all’80%. Per tale motivo, nel tradizionaleschema di trattamento l’ossidazionebiologica viene preceduta da una sedimentazioneprimaria che, tuttavia, riesce a rimuoveresolo il materiale facilmente sedimentabile(25-35% del COD). I riflessi negativi dellabassa efficienza della sedimentazione primariaincludono maggiori consumi di energiaelettrica in vasca d’aerazione e minor produzionedi biogas con conseguente minor recuperoenergetico dalla digestione anaerobicadei fanghi primari.Per tali motivi ci si è proposti di massimizzarel’efficienza del trattamento primario con unostadio di coagulazione e flocculazione cheaggreghi le particelle colloidali e sovracolloidaliin fiocchi facilmente sedimentabili e quindiintercettabili in fase di sedimentazione primaria.In questo studio è stata utilizzata la calce, uncoagulante a buon mercato e facilmente reperibile.Per evitare l’eccessiva produzione di fanghi,le prove di coagulazione sono state effettuatea pH 9, quale risultato di un compromessofra la massimizzazione della rimozione delCOD particolato e la minimizzazione della precipitazionedi carbonato di calcio.2.2 Ottimizzazione della digestione anaerobicadei fanghi secondariTutti gli impianti di depurazione sono articolaticon un trattamento combinato di fanghi primarie biologici. Tuttavia, queste due tipologiedi fanghi presentano caratteristiche differenti: ifanghi primari si addensano e si degradano piùfacilmente di quelli secondari che sono moltopiù diluiti e “bioresistenti”. Inoltre, poiché ifanghi primari risultano sensibilmente piùinquinati di quelli biologici (metalli e microinquinantiorganici non polari) ed i fanghi biologicisono più ricchi di azoto e di fosforo (valoritipici 8 contro e 2,5%, e 3 contro 0,7% subase secca, rispettivamente), le due tipologie difanghi dovrebbero avere destini diversi. I fanghibiologici sono idonei all’utilizzazione inagricoltura mentre i fanghi primari dovrebberoessere destinati all’incenerimento. I fanghisecondari necessitano, tuttavia, di trattamentipreliminari alla fase di digestione, con l’obiettivodi rompere la membrana cellulare con conseguenterilascio del contenuto cellulare prontamentebiodegradabile. Tra i diversi pre-trattamentisuggeriti in letteratura (meccanici, termici,chimici o di lisi enzimatica) l’Irsa ha sceltodi sperimentare quelli meccanici con ultrasuoni,affermati già a livello di piena scala, conl’obiettivo di comprendere i meccanismi biochimicie cinetici del processo per una ottimizzazioneenergetica.2.3 Incenerimento dei fanghi non smaltibili inagricolturaQuesta attività di ricerca è stata condotta connotevole impegno di risorse economiche (8.800milioni di Lire), impiegate per la realizzazionedi un impianto dimostrativo in scala pre-industrialee per la conduzione di una serie di provein diverse condizioni operative utilizzando fanghital quali o addizionati con idrocarburi clorurati.È bene sottolineare che la CO 2 prodottadall’incenerimento dei fanghi non rientra nelcomputo delle emissioni con effetto serra alcontrario di quella prodotta da combustibilifossili. È perciò chiaro che l’incenerimento deifanghi può essere considerato una tecnologiacompatibile con la salvaguardia ambientale apatto che le emissioni siano conformi ai limitidella disciplina europea e che il processo nonrichieda apporto di combustibile fossile.2.4 Modellizzazione dei processi di trattamentodei liquami e dei fanghiLa quarta attività di ricerca ha riguardato lamessa a punto di modelli matematici e lo sviluppodel relativo software per la simulazione844

Mitigazione dei cambiamenti climatici ed adattamentodei processi biologici di depurazione e deiprocessi di trattamento termico dei fanghi. Perla simulazione di impianti a fanghi attivi èstato realizzato il software ASCAM (Tomei eRamadori, 2002). Il software prevede il calcolodi dimensionamento, verifica e analisi deltransitorio per gli schemi di processo più diffusinello scenario italiano: rimozione delsubstrato carbonioso in uno stadio aerobico,rimozione del substrato carbonioso e nitrificazionein uno stadio aerobico, rimozione delsubstrato carbonioso e dell’azoto in un sistemaintegrato a due stadi anossico – aerobico,rimozione biologica del fosforo. Un secondosoftware è stato messo a punto per la simulazionedei bilanci di materia ed energia di processiintegrati di incenerimento ed essiccamentodei fanghi.3 RISULTATI RILEVANTIPer la sedimentazione assistita con calce sonostate effettuate prove di coagulazione con lattedi calce a pH 9 su scala laboratorio e su scalapilota (1 m 3 /h), utilizzando liquame urbanodell’impianto di Roma Nord. In Tabella 1 sonoconfrontati i risultati ottenuti nella sedimentazioneassistita con calce con i dati di letteraturarelativi al trattamento primario convenzionale(Ramadori et al., 2005).Tabella 1. Confronto delle prestazioni dellasedimentazione convenzionale e di quellaassistita con calce.ParametroSedimentazioneConv. AssistitaRimozione SST (%) 57 82Rimozione COD (%) 30 50Prod. SST (g/ab d) 45,9 90,8Prod. fanghi (L/ab d) 1,15 1,51La coagulazione con calce consenti di migliorarel’abbattimento dei solidi sospesi e delCOD, con incrementi assoluti del 25 e del20% rispettivamente. Si riscontra, tuttavia, unincremento sensibile della produzione di fanghi,superiore a quello relativo alla rimozionedei solidi sospesi, suggerendo che anche apH 9 si ha produzione di fango, dovuto probabilmentesia alla precipitazione di carbonato dicalcio sia alla calce aggiunta. D’altra parte, ilraddoppio della produzione di solidi comportaun incremento limitato al 30% del volume difanghi, che sono infatti più concentrati di quelliprodotti nella sedimentazione tradizionale(6% contro 4%).L’attività di ricerca sulla digestione anaerobicadei fanghi secondari, tal quali o sonicati,condotta con reattori di laboratorio di 7 L conesercizio semicontinuo ha confermato unincremento sensibile della produzione di biogasdi circa il 34% per il fango sonicato. Talerisultato è legato al maggiore abbattimento disostanza organica (39% e 35% di SV abbattuti,rispettivamente per fango pre-trattato enon) e alla più elevata produzione specifica dibiogas dal fango pretrattato (0,68 contro 0,57Nm 3 /kg SV abbattuti).Le ricerche sull’incenerimento in scala dimostrativahanno evidenziato che anche nellecondizioni assai severe in cui sono state condottele prove, per la presenza di un’elevataconcentrazione di cloro organico nell’alimentazione(fino a circa il 5%), per la contemporaneapresenza di idrocarburi aromatici e, talvolta,anche di rame (noto come catalizzatorenella sintesi delle diossine) e per lo spegnimentodel bruciatore nella camera di postcombustione,le emissioni sono state conformi ailimiti previsti dalla disciplina europea.La progettazione di un impianto di incenerimentofanghi dal punto di vista del recuperoenergetico deve prevedere l’adozione dell’essiccamentotermico, utilizzando il calore deifumi della combustione, fino al livello di concentrazionedi solidi (circa il 50%) che garantiscal’autotermicità. Il superamento di questolimite comporta oneri gestionali e di investimentonon giustificati e spesso anche la necessitàdi operare con combustibile ausiliario nelforno in quanto il calore disponibile dei fuminon è sufficiente ad essiccare i fanghi.I risultati di tutte le attività di ricerca precedentementedescritte e il software ASCAMsono stati impiegati per effettuare un’analisidei consumi e dei recuperi energetici in due845

Clima e cambiamenti climatici: le attività di ricerca del CNRschemi di trattamento per un impianto di100.000 abitanti equivalenti che comprendonola sedimentazione primaria (caso I) eventualmenteassistita con Ca(OH) 2 (caso II).Il bilancio di energia elettrica dei suddettischemi (Mininni et al., 2004) evidenzia chenel caso II l’energia recuperata dal biogas è inesubero rispetto a quella richiesta (Tab. 2).Tabella 2 Recuperi e consumi d’energia.EnergiaprodottakWEnergia perossidazionekWEnergianettakWCaso I 37 121 -84Caso II 122 93 29In relazione alle emissioni di gas con effettoserra nelle operazioni di smaltimento dei fanghiè opportuno precisare che:- l’utilizzazione agricola non comporta emissioni;- l’incenerimento comporta emissioni se èutilizzato combustibile fossile;- la discarica comporta emissioni di CH 4 perla quota parte non veicolata nei sistemi dicaptazione del biogas che prudenzialmentepuò essere stimata pari ad almeno il 30%della produzione totale.Si può stimare che attualmente siano smaltitiin discarica in Italia almeno il 70% del totaledei fanghi prodotti e cioè circa 800.000t/anno, con conseguente emissione di metanoin atmosfera stimata in circa 40 milioni dim 3 /anno (circa 28.000 t/anno). Tale quantitativocorrisponde ad emissioni di CO 2 pari acirca 600.000 t/anno.30%. Tale risparmio energetico corrisponde aduna riduzione di emissioni di CO 2 pari a circa1.000.000 t/anno La riduzione progressivadello smaltimento in discarica dei fanghi, promuovendosia la utilizzazione agricola di fanghibiologici non inquinati, sia l’incenerimentocon impianti integrati senza consumo di combustibilefossile, consente poi di risparmiare leemissioni di metano in atmosfera dalle discaricheche sono state valutate circa 600.000t/anno di CO 2 equivalente. Il risparmio complessivodi CO 2 emessa è quindi di circa1.600.000 t/anno pari cioè allo 0,35% del totaledelle emissioni di CO 2 nel nostro Paese.5BIBLIOGRAFIA ESSENZIALEEnerdata, 2005. Enerdata Yearbook 2005.Enerdata Global Energy Intelligence.Ramadori R., Marani D., Renzi V., PassinoR., Di Pinto A.C., 2005. RethinkingSewage Treatment by Enhancing PrimarySettling with Low-Dosage Lime. WaterScience Technology, 52(10-11): 185-192.Mininni G., Braguglia C.M., Ramadori R.,Tomei M.C., 2004. An innovative sludgemanagement system based on separationof primary and secondary sludge treatment.Water Science Technology, 50(9):145-153.Tomei M.C., Ramadori R., 2002. ASCAM(Activated sludge Computer AidedModelling) Teoria e manuale d’uso delsoftware. Quaderno dell’Istituto diRicerca Sulle Acque, n. 117., 123 pp.4 PROSPETTIVE FUTURELe ricerche condotte dall’Irsa nel settore delladepurazione delle acque di scarico consentonodi evidenziare interessanti prospettive di riduzionedelle emissioni di gas ad effetto serraseguendo una corretta impostazione progettualee conduzione degli impianti. Si può stimareche dotando gli impianti di sedimentazione primariaassistita è possibile ottenere un risparmiodei consumi di energia elettrica pari a circa il846