STUDIO DEL RECUPERO DI ACIDI GRASSI VOLATILI E BIOPOLIMERI INTEGRATO NELLA LINEA FANGHI DEL DEPURATORE URBANO DI CARBONERA (TV)

The aim of this thesis is evaluating the feasibility of cellulosic sludge recovery by a rotating belt filter and its valorisation through the VFA production. The generated carbon source has several potential applications and the poly-hydroxyalkanoates (PHA) production combined with nitrogen removal has been considered. Bench tests and continuous operation with the rotating belt filter have showed that the efficiency of suspended solid removal depends on the cake formation and not on the belt porosity. The replacement of mesh with porosity of 350 μm with that of 210 μm increased the solid removal from 36 to 42% but the difference cant be considered significant due to the high variability of results. As well the COD removal has been enhanced from 24% to 36%. Moreover, the 210μm belt might constrains to operate on a low sieve rate to reach an effective cake formation. The employment of a cation polyelectrolyte in the inlet wastewater has made more homogeneous wastewater characteristics and has allowed to reach similar removal percentages (46%) even using different flow rate and head. Higher removal efficiencies have been associated with higher solid concentration in the cellulosic sludge, thus optimisation of the primary sieving can bring benefits both to mainstream process and to sludge treatment line. Acidogenic fermentation test were carried out under mesophilic temperature (37°C) using the raw cellulosic sludge and adjusting its pH to value 8-11. Best volatile fatty acid yields were observed with alkaline pre-treatment (e.g. pH between 8 and 10) because it enhances the organic matter hydrolysis of the and higher VFA concentrations were reached. The highest yield was observed adjusting the pH to value of 9 (521mgVFA/gVS) where the propionate represented the 50% of total acids. The maximum propionate production was 267 mg COD/gVS after 4-5days of retention time. The fermentation liquid from CPS fermentation was used as a carbon sources in the short-cut enhanced phosphorus and PHA recovery process that contributes to select the PHA accumulating bacteria and remove the nitrogen by denitritation driven by PHA, moreover the waste activated sludge from the process can be used for production of PHA enriched biomass. The application of a Feast/Famine time ratio below 0.2 h/h allowed to select PHA accumulating bacteria that can accumulate until 15-20% of PHA during the Feast phase. During the Famine phase the PHA was used as carbon source for denitritation and more than 83% of nitrogen was removed and the specific nitrogen uptake rate was around 11-12 mgN-NO2/gMLVSS h. Sludge waste of the S-SBR can be used to maximize the PHA storage, adding again the carbon source. The PHA storage rate obtained by adding Acetate was 0.51gCOD/gCOD, which corresponded to the 53% of poly-hydroxybutirate in the VSS. The usage of the liquid obtains from sludge fermentation as a carbon source, allowed the production of 0.49gCOD/gCOD, which equals to the 28% of PHA of which 21-23% is hydroxyvalerate.

I principali obiettivi di questa tesi riguardano la valutazione della fattibilità di recuperare cellulosa e sostanza organica attraverso lapplicazione di un filtro rotativo dinamico, le condizioni ottimali di fermentazione acidogenica dei fanghi per recuperare carbonio sotto forma di VFAs e lottimizzazione dellutilizzo di questa fonte di carbonio per la produzione di PHA via nitrito. I Bench-scale hanno confermato che lefficienza di rimozione del trattamento con RBF non dipende dalla porosità della tela utilizzata ma dalla formazione del cake, quindi lutilizzo della tela da 210 μm potrebbe non essere conveniente perché obbliga a lavorare a bassi carichi idraulici per un effettiva formazione del cake. Studi di letteratura confermano che lutilizzo della tela da 350 μm rimane la scelta più opportuna quando almeno il 50% dei TSS è costituito da materiale di dimensione maggiore di 350 μm come osservabile nella maggior parte delle acque reflue civili. Lutilizzo di un poli elettrolita potrebbe rendere omogeneo il refluo da trattare garantendo le stesse percentuali di rimozione anche con portate e carichi di TSS molto diversi. Inoltre, lutilizzo del polielettrolita potrebbe contribuire a ottenere un fango più ispessito. Quindi lottimizzazione del RBF influenza sia la linea acque perché ho rimozione del carico organico che la linea fanghi. La rimozioni dei TSS medie trovate nel caso di porosità della tela da 350μm, 210 μm e da 350 μm con il dosaggio di un poli elettrolita sono rispettivamente del 36%, 42%, 46%. Le rimozioni del COD sono rispettivamente 24%, 36% e 38%. Si conviene quindi che la fermentazione acidogenica di fango cellulosico è ottimizzata con un pre-trattamento a pH alcalino (pH compreso tra 8 e 10) in quanto sono promosse lidrolisi della materia organica e la successiva acidificazione così da raggiungere alte concentrazioni di VFA. I test di fermentazione in batch hanno mostrato che un pretrattamento alcalino (pH 9) combinato ad una fermentazione acidogenica permette un idrolisi più veloce della materia organica e quindi di ottenere una resa di produzione VFA pari a 521 mgVFA/gVS in cui il propionato costituiva circa un 50% del VFA totale. La produzione massima di Propionato di 267 mgCOD/gVS può essere raggiunta basificando inizialmente il fango a pH 9 e fermentando a 37°C per 4-5 giorni. Produrre VFA da fermentazione acidogenica di fanghi cellulosici, per usarli come fonte di carbonio nella produzione di PHA integrata nel trattamento dei surnatanti anaerobici, è una strategia vantaggiosa sia per la rimozione dei nutrienti nei flussi di ritorno della linea fanghi, sia per la valorizzazione della sostanza organica in ingresso impianto. La rimozione azoto via nitrito ad opera dei PHA ha permesso di rimuovere più del 83% dellazoto (98% del denitritabile) con una media di sNUR di 11-12 mgN/gXa h a 25°C. La rimozione di azoto via PHA permette di produrre una biomassa con elevate capacità di stoccaggio del PHA. I fanghi di scarto della selezione SBR possono essere utilizzati per massimizzare laccumulo di PHA dosando nuovamente una fonte di carbonio. Le rese di accumulo PHA ottenute dosando acetato come fonti di carbonio sono rispettivamente di 0,51 gCOD/gCOD e contenuti PHA fino al 53% dei VSS. L'uso di fermentato arricchito come fonte di carbonio ha prodotto rese di PHA di 0,49 gCOD/gCOD, con contenuto di PHA del 28% di cui il 21-23 % costituito da HV.