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

Il Reattore BCR: schema

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

Grazie per l’attenzione