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Trattamento reflui di cantina
Claudio LubelloUniversità di Firenze
produzione di acque reflue in una cantina vinicola
La produzione di acque reflue cambia molto durante l’arco dell’anno:
circa 1 m3 di refluo ogni 20 quintali di uva lavorata volume di refluo pari a 0.7-1.2 volte il volume di vino prodotto
portate maggiori nel periodo della vendemmia (settembre-novembre)portate minori nel periodo successivo dei travasi (novembre-marzo). la produzione di acque reflue nel periodo aprile-agosto è pressoché assente
Caratteristiche quantitative
Caratteristiche qualitative
Acque reflue provenienti da 4 cantine della provincia di Trento
confronto con valori di cantine spagnole (Bustamante et al., 2005)
confronto con i valori limite imposti dalla normativa nazionale per lo scarico in fognatura da insediamenti produttivi
Cantine localizzate in provincia di Trento
(Andreottola et al., 2006)
Cantine localizzate in Spagna
(Bustamante et al., 2005)
Limiti per lo scarico in fognatura
Metalli pesanti
Media (mg L-1)
Range (mg L-1)
Media (mg L-1)
Range (mg L-1)
(mg L-1)
As 0.005 0.001-0.02 - - 0.5
Ba 0.22 0.05-1.36 - - -
Cd <0.005 <0.005 0.06 0.05-0.08 0.02
Cr 0.05 <0.005-0.14 0.15 <0.20-0.72 4
Cu 2.35 0.68-11.13 0.79 <0.2-3.26 0.4
Hg 1X10-3 3 X10-4-2.2X10-3 - - 5x10-3
Mn 0.16 0.06-0.77 0.31 <0.2-1.74 4
Ni 0.06 0.01-0.10 0.12 <0.20-0.65 4
Pb 0.08 0.02-0.20 1.09 0.55-1.34 0.3
Zn 0.96 0.14-4.03 0.58 0.09-1.40 1.0
Contenuto di metalli pesanti
Cu e Zn rappresentano i parametri più critici
le concentrazioni di Cu e Zn risultano spesso superiori ai limiti ammessi per lo scarico in fognatura
Cantine localizzate in provincia di Trento
(Andreottola et al., 2006)
Cantine localizzate in Spagna
(Bustamante et al., 2005)
Limiti per lo scarico in fognatura
Metalli pesanti
Media (mg L-1)
Range (mg L-1)
Media (mg L-1)
Range (mg L-1)
(mg L-1)
As 0.005 0.001-0.02 - - 0.5
Ba 0.22 0.05-1.36 - - -
Cd <0.005 <0.005 0.06 0.05-0.08 0.02
Cr 0.05 <0.005-0.14 0.15 <0.20-0.72 4
Cu 2.35 0.68-11.13 0.79 <0.2-3.26 0.4
Hg 1X10-3 3 X10-4-2.2X10-3 - - 5x10-3
Mn 0.16 0.06-0.77 0.31 <0.2-1.74 4
Ni 0.06 0.01-0.10 0.12 <0.20-0.65 4
Pb 0.08 0.02-0.20 1.09 0.55-1.34 0.3
Zn 0.96 0.14-4.03 0.58 0.09-1.40 1.0
Contenuto di metalli pesanti
Alti carichi organici, soprattutto in forma solubile:
estremi valori di pH (80% dei campioni con pH in campo acido)
presenza di metalli pesanti
bassa concentrazione di nutrienti
concentrazione di COD) il COD solubile rappresenta l’86% del COD totaleconcentrazione di SST
si rende sempre necessaria una neutralizzazione del pH prima di uno stadio biologico
N e P costituiscono lo 0.7% e lo 0.1% del COD totale nel trattamento biologico delle acque di cantina è necessario
aggiungere urea e acido fosforico (0.11 g urea/gCOD e 0.018 g H3PO4/gCOD)
spesso la concentrazione di Cu e Zn non è compatibile con lo scarico in fognatura o in acque superficiali
Caratteristiche salienti
Valori misurati nel periododella vendemmia
(settembre-ottobre)
COD totale100%
COD solubile84.5%
COD particolato15.5%
COD solubilenon biodegradabile
12.4%
SBCOD2.9%
. COD particolato
non biodegradabile
13.3%
Biomassa attivacome CODtrascurabile
RBCOD71.4%
COD totale100%
COD solubile88.0%
COD particolato12.0%
COD solubilenon biodegradabile
7.2%
SBCOD3.1%
. COD particolato
non biodegradabile
8.8%
Biomassa attivacome COD0.24%
RBCOD80.7%
Valori misurati nel periododei travasi
(novembre-marzo)
Frazionamento COD acque grezze
vendemmia(settembre-ottobre)
COD totale100%
COD solubile84.5%
COD particolato15.5%
COD solubilenon biodegradabile
12.4%
SBCOD2.9%
. COD particolato
non biodegradabile
13.3%
Biomassa attivacome CODtrascurabile
RBCOD71.4%
COD totale100%
COD solubile88.0%
COD particolato12.0%
COD solubilenon biodegradabile
7.2%
SBCOD3.1%
. COD particolato
non biodegradabile
8.8%
Biomassa attivacome COD0.24%
RBCOD80.7%
travasi (novembre-marzo)
Il COD rapidamente biodegradabile (RBCOD) rappresenta il 75.4% del COD totale (media annua).
La frazione di RBCOD è leggermente superiore nel periodo dei travasi (80.7%), rispetto al periodo di vendemmia (71.4%), a causa dello sviluppo dei processi di fermentazione
vendemmia(settembre-ottobre)
COD totale100%
COD solubile84.5%
COD particolato15.5%
COD solubilenon biodegradabile
12.4%
SBCOD2.9%
. COD particolato
non biodegradabile
13.3%
Biomassa attivacome CODtrascurabile
RBCOD71.4%
COD totale100%
COD solubile88.0%
COD particolato12.0%
COD solubilenon biodegradabile
7.2%
SBCOD3.1%
. COD particolato
non biodegradabile
8.8%
Biomassa attivacome COD0.24%
RBCOD80.7%
travasi (novembre-marzo)
Il COD lentamente biodegradabile (SBCOD) è pari solo al 3.0% del COD totale (media annua)
il COD solubile non biodegradabile è pari al 12.4% nel periodo di vendemmia e pari al 7.2% nel periodo dei travasi. Tale frazione si ritrova inalterata nell’effluente finale.
vendemmia(settembre-ottobre)
COD totale100%
COD solubile84.5%
COD particolato15.5%
COD solubilenon biodegradabile
12.4%
SBCOD2.9%
. COD particolato
non biodegradabile
13.3%
Biomassa attivacome CODtrascurabile
RBCOD71.4%
COD totale100%
COD solubile88.0%
COD particolato12.0%
COD solubilenon biodegradabile
7.2%
SBCOD3.1%
. COD particolato
non biodegradabile
8.8%
Biomassa attivacome COD0.24%
RBCOD80.7%
travasi (novembre-marzo)
La biomassa cellulare (misurata mediante test respirometrico) è decisamente trascurabile (<0.24% del COD totale).
La bassa concentrazione di biomassa batterica nelle acque di cantina può rendere difficoltoso lo start-up di un impianto biologico di trattamento (soprattutto se a biomassa adesa) se non adeguatamente inoculato.
4
stoccaggio delle acque reflue presso l’azienda, trasporto e
conferimento in un impianto di depurazione adeguato per il
trattamento
scarico in fognatura delle acque reflue tal quali, se
compatibili con la normativa
realizzazione di un impianto di pre-trattamento on-site presso
l’azienda, prima dello scarico in fognatura, nel caso in cui il refluo tal quale non rispetti le condizioni per
lo scarico diretto in fognatura;
1
2
3
realizzazione di un trattamento completo on-site presso l’azienda
produttrice e scarico in acque superficiali.
Alternative di gestione dei reflui
stoccaggio delle acque reflue presso l’azienda, trasporto e
conferimento in un impianto di depurazione adeguato per il
trattamento
scarico in fognatura delle acque reflue tal quali, se
compatibili con la normativa
1
2
Alternativa 1: costo di trasporto e pagamento per lo smaltimento presso il depuratore in funzione di portata o carico conferito
Alternativa 2: costi per canone di fognatura e canone di depurazione.
Alternative di gestione dei reflui
4
realizzazione di un impianto di pre-trattamento on-site presso
l’azienda, prima dello scarico in fognatura, nel caso in cui il refluo tal quale non rispetti le condizioni per
lo scarico diretto in fognatura;
3
realizzazione di un trattamento completo on-site presso l’azienda
produttrice e scarico in acque superficiali.
Alternativa 3 e 4: preferite nel caso di cantine di media dimensione o grandi aziende.
Alternativa 3: necessaria quando non sono rispettate le concentrazioni limite di COD, BOD5, SST e metalli pesanti per lo scarico in fognatura.
Alternativa 4: rimane la soluzione perseguibile nel caso di aziende medio-grandi per le quali le altre soluzioni non sono economicamente vantaggiose.
Alternative di gestione dei reflui
TRATTAMENTI BIOLOGICI CONVENZIONALI
TRATTAMENTI BIOLOGICI AVANZATI
TRATTAMENTI CHIMICO-FISICI (in generepre-trattamento prima dello scarico in fognatura)
Sistemi di trattamento
I sistemi convenzionali per il trattamento delle acque reflue di cantina sono: fanghi attivi, reattori SBR e biodischi
IMPIANTI A FANGHI ATTIVI: la ricorrenza del fenomeno di bulking è un tipico inconveniente nel caso dei fanghi attivi
IMPIANTI SBR: hanno dimostrato buone potenzialità, potendo modificare la lunghezza dei cicli in funzione del carico organico applicato e mantenendo la medesima qualità dell’effluente.
Si applicano carichi volumetrici pari a 0.8 kgCOD m-3 d-1 con efficienza di rimozione > 90%.
BIODISCHI: diminuzione delle prestazioni in presenza di picchi di carico, con riduzione dell’ossigeno o eccessiva crescita di biofilm.
Trattamenti convenzionali
Permettono di superare alcuni dei limiti dei sistemi biologici convenzionali
I sistemi a biofilm si prestano bene grazie alla elevata concentrazione di COD rapidamente biodegradabile
Per i reflui di cantina sono stati proposti:
Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR)
Fixed Bed Biofilm Reactor (FBBR)
Sistema anaerobico UASB - UHD
I sistemi MBBR e FBBR offrono diversi vantaggi quali:
riduzione di problemi di bulking
assenza di controlavaggio grazie all’elevato grado di vuoto
facile gestione dei reattori
Trattamenti avanzati
V=20 m3
VFBBR=12.5 x 2 m3
VFBBR=12.5 m3
V=3 m3 V=8 m3
excess sludge excess sludge
discharge
2nd stageFBBR
thickening
intermediate settler final settler
1st stageFBBR
equalization/homogeneization
tankscreening
excess sludge excess sludge
discharge
2nd stageFBBR
thickening
intermediate settler final settler
1st stageFBBR
equalization/homogeneization
tankscreening
grigliatura (mesh 3 mm) equalizzazione/omogeneizzazione aerata + neutralizzazione del pH 1st stadio FBBR (2 reattori in parallelo) seguito da sedimentazione intermedia 2nd stadio FBBR, seguito da sedimentazione finale Il fango sedimentato è inviato ad un ispessitore e quindi trasportato in un altro
impianto per la disidratazione
V=9 m3
pH neutralization
SISTEMA A BIOMASSA ADESA A LETTO FISSO (FIXED BED BIOFILM REACTOR, FBBR).
CASO DI STUDIO: cantina vinicola dell’Istituto Agrario di S. Michele
I reattori FBBR sono riempiti con elementi plastici (BIO-ECO)
Realizzati in polipropilene (densità 1.05 g cm-3) Forma pressoché sferica con dimensioni di circa 11 cm Superficie specifica pari a 140 m2 m-3
Elevato grado di vuoto pari a 95%
Letto del reattore FBBR è sommerso ed aerato Aerazione mediante piastre Messner Avendo funzionamento stagionale
(settembre-marzo) ed elevato grado di vuotonon richiede controlavaggio
CARATTERISTICHE DEL SISTEMA FBBR
I reattori FBBR sono realizzati in acciaio e montatisu rotaie
possono essere estratti dall’edificioe trasportati temporaneamente (per alcune settimane) presso un altro impianto per l’acclimatazione nel mese di agosto, prima della vendemmia
immediato start-up all’inizio della vendemmia.
Carichi di COD totale applicati e rimossi nell’impianto FBBR
Carico medio applicato = 2.4 kgCOD m-3 d-1 (massimo = 8 kgCOD m-3 d-1) Efficienza media = 80% (range 67-97%) Nel 1° stadio avviene la completa rimozione dell’RBCOD (pari al 71-80% del
COD totale)
Rimozione del COD nel 1° stadio
Rimozione del COD nell’impiantocompleto
Efficienza media = 91% Conc. media COD infl. 2356
mgCOD L-1, effl. 212 mg/L Questo valore rappresenta
un limite per il trattamento biologico: nelle acque reflue di cantina è presente una frazione di COD solubile non biodegradabile uguale al 9.8% in media che non può essere rimossa né mediante trattamento biologico né mediante sedimentazione.
0
1
2
3
4
5
0 1 2 3 4 5
Carico applicato volumetrico
(kgCOD m-3 d-1)
Car
ico
rim
osso
vol
umet
rico
(kgC
OD
m-3
d-1)
0
10
20
30
40
0 10 20 30 40
Carico applicato superficiale(gCOD m-2 d-1)
Car
ico
rim
osso
sup
erfi
cial
e
(gC
OD
m-2
d-1)
= 100%
= 91%
PRINCIPALI OSSERVAZIONI SUL SISTEMA FBBR
Rapido start-up (circa 24 - 48 ore dall’inizio della vendemmia) grazie alla preventiva colonizzazione dei supporti plastici;
I reattori FBBR non richiedono controlavaggio durante il periodo stagionale operativo (Settembre-Marzo). Non si sono riscontrati intasamenti.
L’efficienza di rimozione è stata pari al 90%, che rappresenta un valore limite a causa della frazione solubile non biodegradabile del COD pari a circa il 10% → possono presentarsi difficoltà a rispettare il limite allo scarico pari a 500 mgCOD/L
Vantaggi gestionali: Semplice gestione Elevata efficienza anche nel caso di
forti fluttuazioni di portata e di carico Buona sedimentabilità dei fanghi
senza problemi di bulking
grigliatura equalizzazione e neutralizzazione del pH reattore aerobico MBBR sedimentazione finale
SISTEMA A BIOMASSA ADESA A LETTO MOBILE (MOVING BED BIOFILM REACTOR, MBBR).
CASO DI STUDIO presso cantina vinicola Rotary, Mezzocorona
Nei reattori MBBR gli elementi plastici sono in sospensione nel bulk liquido realizzando una configurazione a completa miscelazione.
Sono stati impiegati supporti KMT
in polietilene con densità pari a 0.96 g cm-3
dimensioni di 7-10 mm grado di riempimento = 67% superficie specifica nel reattore = 300 m2 m-3
1 cm
Carichi di COD totale applicati e rimossi nell’impianto MBBR
carichi volumetrici fino a 9.6 kgCOD m-3 d-1
carichi superficiali fino a 32 gCOD m-2 d-1
efficienza di rimozione del COD = 95% in media (range 85-99%) concentrazioni medieCOD: infl. 2100 mg L-1, effl. 105 mg L-1
buona sedimentabilitàdei fanghi(SVI < 100 mL gSST-1).
0
2
4
6
8
10
12
0 2 4 6 8 10 12carico applicato volumetrico
(kgCOD m-3 d-1)
cari
co r
imos
so v
olum
etri
co
(kgC
OD
m-3
d-1
)
0
10
20
30
40
0 10 20 30 40
carico applicato superficiale
(gCOD m-2 d-1)
cari
co r
imos
so s
uper
fici
ale
(gC
OD
m-2
d-1
)
= 100%
= 95%
Reattori anaerobici di tipo UHD (Upflow Hybrid Digester) combinano un reattore UASB con un filtro anaerobico
Configurazione dell’impianto:
equalizzazione e neutralizzazione del pH reattore anaerobico tipo UHD (altezza pari a 4.5
m):
- parte bassa costituita da un letto UASB in cui si svolge gran parte della rimozione del COD- parte alta costituita da un filtro anaerobico con elementi Flocor-R (cilindri in PVC, con superficie specifica = 230 m2 m-3)
temperatura di processo = 35°C. tempo di ritenzione nel reattore pari a 43-48 h.
REATTORE ANAROBICO CON CONFIGURAZIONE IBRIDA
(UASB + FILTRO ANAEROBICO)
CASO DI STUDIO presso cantina vinicola Rotary, Mezzocorona
UASB
FILTRO
ANAEROBICO
Performance dell’impianto UHD
carichi volumetrici applicati = 6 kgCOD m-3 d-1 in media (range 2-15 kgCOD m-3 d-1)
efficienza di rimozione del COD > 93% riduzione dell’efficienza in presenza di forti fluttuazioni di carico:
necessità di una vasca di omogeneizzazione/equalizzazione a monte del reattore biologico
produzione specifica di biogas = 0.5 m3 kgCOD-1 rimosso.
Il reattore UHD, dopo un fermo impianto di 4 mesi (maggio-settembre) ha ristabilito una efficienza di rimozione del COD pari al 96% entro 7 giorni.
TRATTAMENTI CHIMICO-FISICI PER LA RIMOZIONE DEI METALLI
In molti casi il trattamento delle acque reflue di cantina si limita alla rimozione della sostanza organica
nel caso di normative molto restrittive per i metalli pesanti le concentrazioni di alcuni metalli, specialmente Cu e Zn, superano i limiti ammessi allo scarico
Per la rimozione dei metalli pesanti si può ricorrere a un pre-trattamento on-site di tipo chimico-fisico, prima dello scarico in fognatura:
Cu < 0.4 mg L-1
Zn < 1.0 mg L-1
Normativaitaliana
• Facile gestione e controllo di processo• Flessibilità al variare dei carichi applicati e delle portate• Riduzione degli spazi occupati e contenuti costi di
realizzazione• Costi aggiuntivi per i reattivi e per lo smaltimento dei
fanghi