IT201800006764A1

IT201800006764A1 - Trattamento delle acque reflue delle cartiere.

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Publication number: IT201800006764A1
Application number: IT102018000006764A
Authority: IT
Priority date: 2018-06-28
Filing date: 2018-06-28
Publication date: 2019-12-28
Also published as: CN112334414A; EP3814281A1; BR112020026504A2; US20210253463A1; AU2019293246A1; WO2020006244A1

Description

Trattamento delle acque reflue delle cartiere

CAMPO

[0001] La presente descrizione si riferisce al trattamento delle acque reflue, ad esempio per il trattamento delle acque reflue provenienti da una fabbrica di polpa di carta.

STATO DELLA TECNICA

[0002] Le fabbriche di polpa di carta, o di polpa e carta, trattano frequentemente le loro acque reflue sul posto. In molti casi, il trattamento include una separazione fisica primaria. Ciò può essere fatto in un chiarificatore oppure, meno frequentemente, mediante la flottazione ad aria disciolta. Il primo effluente viene quindi trattato biologicamente. Il trattamento biologico può includere, ad esempio, un processo a fanghi attivi o delle lagune areate oppure, meno frequentemente, un reattore discontinuo sequenziale o un bioreattore a letto mobile.

[0003] Le tecnologie a membrana non sono comunemente proposte per trattare le acque reflue delle fabbriche di polpa di carta. In un esempio, Neves et al., nel Pulp and Paper Mill Effluent Port-Treatment Using Microfiltration and Ultrafiltration membranes, ha descritto studi su scala di laboratorio in cui le membrane MF e UF hanno trattato l'effluente da un decantatore secondario che è parte di un sistema a fanghi attivi presso una fabbrica di polpa e carta. La membrana di microfiltrazione (MF, microfiltration) aveva una dimensione dei pori media di 0,4 um. La membrana di ultrafiltrazione (UF, ultrafiltration) aveva un taglio di peso molecolare di 50 kDa. La COD è stata ridotta da 948 mg/L nell'acqua di alimentazione a 163-210 mg/L e 184-255 mg/L nel permeato delle membrane UF e MF rispettivamente. In un altro esempio, Lerner et al., nel Comparative Study of MBR and Activated Sludge in the Treatment of Paper Mill Wastewater, ha confrontato un impianto a fanghi attivi in scala reale con un bioreattore a membrana azionato in parallelo (MBR, membrane bioreactor) con membrane piane. Il MBR ha prodotto un effluente con meno sostanze solide sospese. Tuttavia, altri parametri di qualità dell'effluente come ad esempio la materia organica (COD e BOD), il fosforo e l'azoto ammoniacale non sono stati sostanzialmente migliorati con il MBR e il MBR ha richiesto una manutenzione più complicata.

SOMMARIO

[0004] Il seguente sommario è inteso a introdurre il lettore alla descrizione dettagliata per seguire e non limitare o definire l'invenzione rivendicata.

[0005] In una fabbrica di polpa di carta, il trattamento biologico convenzionale può eliminare la maggior parte della richiesta biochimica di ossigeno (BOD, biochemical oxygen demand) ma solo circa dal 40% all'85% della richiesta chimica di ossigeno (COD, chemical oxygen demand), a seconda del processo di fabbricazione di polpa di carta e del materiale (legno) utilizzato nel processo. Parte della materia organica, tra cui ad esempio composti organici di peso molecolare relativamente elevato, non viene facilmente rimossa. Questi composti, che possono essere chiamati composti biorefrattari, contrastano i meccanismi di rimozione in un tipico processo a fanghi attivi, come ad esempio digestione, assorbimento e separazione di fase. Nel contesto di una fabbrica di polpa di carta, la lignina è un composto bio-refrattario significativo.

[0006] In un sistema e processo descritti nel presente documento, le acque reflue delle fabbriche di polpa di carta sono trattate con un bioreattore a membrana (MBR) o mediante un processo biologico seguito da una filtrazione terziaria. L'effluente proveniente dal bioreattore a membrana o filtrazione terziaria viene quindi trattato con una membrana di ultrafiltrazione stretta avente opzionalmente un taglio di peso molecolare di 500-3,500 Da su polietilenglicole. Opzionalmente, il concentrato proveniente dalla membrana di ultrafiltrazione viene inviato a un evaporatore di liscivio nero della fabbrica di polpa di carta.

[0007] Senza essere limitati alla teoria, gli inventori credono che le acque reflue delle fabbriche di polpa di carta contengano composti bio-refrattari come la lignina che è difficile da trattare biologicamente. L'uso di un MBR o della filtrazione terziaria fornisce all'effluente una bassa concentrazione di sostanze solide sospese e, nel caso del MBR, può migliorare il trattamento biologico. Il MBR o l'effluente di filtrazione terziaria possono essere trattati con una membrana di ultrafiltrazione stretta, chiamata opzionalmente una membrana di rimozione di lignina (LRM, lignin removal membrane). Le dimensioni dei pori della LRM vengono selezionate per scartare i composti bio-refrattari senza scartare una significante salinità. Ciò consente di ottenere un elevato tasso di recupero, ad esempio 95% o più, opzionalmente senza l'uso di sostanze chimiche che condizionano l'influente di membrana. Lo scarto (in alternativa chiamato concentrato o acqua salina) proveniente dalle membrane può essere miscelato per il trattamento con il liscivio nero proveniente da una fabbrica di polpa di carta Kraft, ad esempio in un evaporatore. In alternativa, lo scarto di membrana può essere trattato ulteriormente, ad esempio per mezzo di processi di coagulazione, elettrocoagulazione, ossidazione avanzata o evaporazione/cristallizzazione. Il permeato di LRM può avere una COD inferiore a 100 mg/L in un sistema pilota a singolo stadio. Si stima che in un sistema multistadio in scala reale, il permeato di LRM possa avere una COD inferiore a 50 mg/L.

BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE

[0008] La figura è un disegno schematico di un sistema di trattamento delle acque reflue.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

[0009] Il sistema e il processo descritti nel presente documento consentono la separazione del materiale colloidale tra cui composti organici di peso molecolare relativamente elevato nell'effluente da un sistema di trattamento biologico. Questi composti bio-refrattari vengono separati in un processo di membrana. Nelle acque reflue delle fabbriche di polpa di carta, ad esempio quelle provenienti da una fabbrica di polpa di carta Kraft, la lignina è un composto bio-refrattario significativo nelle acque reflue. Opzionalmente, la membrana può essere chiamata una membrana di rimozione di lignina (LRM).

[0010] La membrana LRM può avere un taglio di peso molecolare (MWCO, molecular weight cut-off) di 3,500 Da o meno. Con un basso MWCO, i composti biorefrattari coma la lignina vengono trasferiti in una fase di scarto della LRM. Tuttavia, selezionando una membrana con un taglio di peso molecolare al di sopra, ad esempio, di 500 Da, la salinità viene solamente aumentata in modo moderato nello scarto di membrana.

[0011] I tassi di recupero elevati di 95-99% o più nella LRM possono essere ottenuti, opzionalmente senza l'aiuto di una qualsiasi sostanza chimica che condizioni l'acqua di alimentazione. In alcuni casi, il permeato di LRM può soddisfare severi requisiti di scarico o essere adatto a un riutilizzo diretto o indiretto.

[0012] Lo scarto di LRM può essere smaltito o trattato ulteriormente. In alcuni esempi, lo scarto di LRM viene rimesso in circolo nuovamente nel processo di realizzazione della polpa di carta. Ad esempio, lo scarto di LRM può essere miscelato con il liscivio nero alimentato agli evaporatori in una fabbrica di polpa di carta Kraft. In altri esempi, lo scarto di LRM può essere trattato con unità di trattamento fisico e/o chimico dedicate. Ad esempio, lo scarto di LRM può essere trattato ulteriormente, ad esempio per mezzo di processi di coagulazione, elettrocoagulazione, ossidazione avanzata o evaporazione/cristallizzazione. Opzionalmente, lo scarto di LRM può essere trattato con un concentratore di acqua salina e un cristallizzatore in un sistema a scarico liquido zero.

[0013] Con requisiti di scarico più severi rispetto a corpi d'acqua sensibili come fiumi e laghi, e la necessità di ridurre il consumo di acqua o aumentare il riutilizzo di acqua, la rimozione dei composti refrattari sta diventando decisamente importante. Nelle fabbriche di polpa di carta, i composti di lignina macromolecolari rappresentano una fonte principale di composti refrattari. I composti di lignina possono essere ridotti migliorando chimicamente la coagulazione e la precipitazione ma questo consuma sostanza chimica e genera una significante quantità di fanghi da rifiuto. L'ulteriore lucidatura dell'effluente di precipitazione chimico mediante i processi di ossidazione è inoltre solitamente richiesta per fornire acqua trattata a bassa COD.

[0014] La membrana LRM funziona preferibilmente con un tasso di recupero di 95% o più o 97% o più o 99% o più. Funzionando a un tasso di recupero inferiore al 95% produrrebbe una grande quantità di scarto da essere smaltito o trattato. Al contrario, azionando la LRM a un tasso di recupero del 99% e inviando lo scarto agli evaporatori di liscivio nero aumenta il flusso di alimentazione verso gli evaporatori di solo il 2-3%. La qualità dell'acqua di alimentazione dell'evaporatore non risulta peggiorata da un punta di vista della corrosione quando viene aggiunto lo scarto di LRM. Tuttavia, funzionando a tassi di recupero nell’intervallo da 95% a 99% può produrre anche una quantità accettabile di scarto di LRM, e può essere preferito in esempi in cui vi sono requisiti di permeato di LRM estremamente severi (vale a dire, pochissimo colore o COD inferiore a 35 mg/L) o in cui l'analisi economica complessiva favorisce un tasso di recupero in questo intervallo.

[0015] La figura mostra un sistema di trattamento delle acque reflue delle fabbriche di polpa di carta 10. Le acque reflue delle fabbriche di polpa di carta 12 vengono per prima cosa trattate in un'unità di pre-trattamento opzionale 14. L'unità di pre-trattamento 14 può includere, ad esempio, chiarificazione primaria o screening.

L'effluente pre-trattato 16 viene quindi trattato biologicamente in uno o più serbatoi di processo 18 di un bioreattore a membrana (MBR) 20. Il MBR 20 presenta inoltre un'unità di membrana 22. Il MBR 20 funziona in un processo a fanghi attivi, con un ritorno di fango attivo 24 al serbatoio di processo 18, ma con l'unità di membrana 22 che sostituisce un chiarificatore secondario convenzionale. Il MBR produce un permeato di elevata qualità 26, che fluisce verso l'unità di LRM a valle 28. Nessun agente di precipitazione coagulante o chimico è necessario per rimuovere COD a monte di, nel o a valle del MBR 20. Tuttavia, agenti chimici possono essere usati per far precipitare composti specifici come fosforo o migliorare le prestazioni operative del sistema.

[0016] In altri esempi, una membrana di filtrazione terziaria (che può essere simile all'unità di membrana 22 ma di solito senza il riciclo dei fanghi da rifiuto) o un altro processo di rimozione di sostanze solide possono essere aggiunti tra un sistema a fanghi attivi convenzionale o un altro sistema di trattamento biologico (ad esempio, un reattore discontinuo sequenziale (SBR, sequencing batch reactor) o un bioreattore a letto mobile (MBBR, moving bed bioreactor)) e l'unità di LRM 28. Ad esempio, una membrana di ultrafiltrazione allentata (rispetto alla LRM) (ad esempio con una dimensione dei pori di 0,04 micrometri (um) o più) può essere posizionata tra un chiarificatore secondario di un sistema a fanghi attivi convenzionale, o un altro sistema di trattamento biologico, e l'unità di LRM 28. Questa opzione può essere preferibile, ad esempio, quando si ammoderna un sistema di trattamento delle acque reflue delle fabbriche di polpa di carta esistente che presenta già un sistema di trattamento biologico.

[0017] L'unità di LRM 28 è dotata di moduli di membrana UF stretti, ad esempio moduli avvolti a spirale. I moduli di LRM hanno un MWCO nominale da, ad esempio, 500 a 3,500 Da. Opzionalmente, il MWCO può essere di 2,500 Da o meno. Ciò consente il rigetto di materiale colloidale e macro moduli, come ad esempio i derivati di lignina e l'azoto organico, che sono permeabili alle membrane MBR frontali. Tuttavia, a causa del pre-trattamento di MBR, i recuperi di oltre il 95%, oltre il 97% o opzionalmente fino al 99% o più possono essere forniti nelle membrane LRM.

[0018] L'unità di LRM 28 può avere una configurazione a singolo stadio o multistadio, ad esempio a due stadi. Gli stessi o diversi tipi di membrana UF possono essere usati in quelle a multistadio.

[0019] Con un basso rigetto di salinità nell'unità di LRM, il ricircolo dello scarto nel processo della fabbrica di polpa di carta è possibile. Una bassa salinità semplifica inoltre, e riduce il requisito chimico ed energetico, di alcuni processi di trattamento di scarto alternativi della membrana LRM.

[0020] Il MBR 20, o un filtro terziario, possono utilizzare membrane ZEEWEEED 500 sommerse di Suez Water Technologies and Solutions. Si tratta di membrane di fibre cave con un tubo di supporto intrecciato e uno strato di separazione in PVDF con la dimensione dei pori di 0,04 micrometri (um) nominale. L'unità di LRM 28 può utilizzare membrane GK, GH o GE. Le membrane GK sono disponibili da Suez Water Technologies and Solutions. Sono membrane di ultrafiltrazione a film sottile con un taglio di peso molecolare di 3,500 su polietilenglicole. Normalmente sono utilizzate in moduli avvolti a spirale. Le membrane GH e GE sono anche disponibili da Suez Water Technologies and Solutions. Sono membrane di ultrafiltrazione a film sottile con un taglio di peso molecolare di 2,500 e 1,000, rispettivamente, su polietilenglicole, utilizzate normalmente in moduli avvolti a spirale.

[0021] In un esempio, tutti i flussi delle acque reflue provenienti da una fabbrica di polpa di carta Kraft vengono miscelati. Le acque reflue dopo il pre-trattamento in un chiarificatore primario hanno una COD di oltre 1500 mg/L e sostanze solide dissolte totali (TDS, total dissolved solids) di 2200 mg/L. Un sistema a fanghi attivi convenzionale con un chiarificatore secondario richiederebbe una precipitazione chimica per soddisfare un limite di scarico di COD 100 mg/L, e anche una ozonizzazione per soddisfare limiti di scarico inferiori. Con il trattamento delle acque reflue delle fabbriche di polpa di carta combinato in un MBR, viene prodotto il permeato con COD inferiore a 350 mg/L. Il permeato di MBR può essere inoltre trattato nell'unità di LRM a una COD inferiore a 100 mg/L, opzionalmente inferiore a 50 mg/L.

ESEMPI

[0022] Il permeato di MBR proveniente dalle acque reflue delle fabbriche di polpa di carta è stato separato utilizzando membrane piane UF, utilizzate normalmente in membrane avvolte a spirale, montate in una cella di prova Sepa CFII. È stata misurata una riduzione di COD e del colore a tassi di recupero vari. Quattro membrane di campioni sono state testate. Le membrane GK e GH sono disponibili da Suez Water Technologies and Solutions. Sono membrane di ultrafiltrazione a film sottile con un taglio di peso molecolare di 3,500 e 2,500 Da, rispettivamente, su polietilenglicole. Le membrane PT e PW sono disponibili da Suez Water Technologies and Solutions. Sono membrane di ultrafiltrazione in polietersulfone con un taglio di peso molecolare di 5,000 e 20,000, rispettivamente.

[0023] La tabella qui si seguito mostra la concentrazione di COD nel permeato con le membrane azionate a 23 °C. L'acqua di alimentazione conteneva 172 ppm COD come O2. Le membrane GH e GK avevano COD di permeato accettabile e pochissimo colore percettibile all'occhio.

[0024] Presso un impianto pilota, un bioreattore a membrana (MBR) è stato installato per trattare le acque reflue delle fabbriche di polpa di carta Kraft. Il permeato di MBR è stato inviato a due sistemi pilota a valle della membrana di rimozione di lignina (LRM). Il sistema pilota a valle presentava moduli di LRM avvolti a spirale GK e GH. Una pompa di alimentazione alimenta il permeato di MBR ai moduli di LRM e fornisce il flusso trasversale di ricircolo attraverso le membrane per il controllo di incrostazioni. Il controllo automatico del pilota aumenta le pressioni al fine di mantenere il flusso di permeato costante.

[0025] Un sistema di LRM è stato azionato a oltre il 95% di tasso di recupero per oltre 6 settimane con tre pulizie utilizzando una soluzione acida di pulizia in situ (cleanin-place). L'altro sistema di LRM è stato azionato al 99,2% di recupero per 3 settimane con due pulizie utilizzando una soluzione acida di pulizia in situ. Il funzionamento di entrambi i sistemi di LRM in queste condizioni sembra stabile.

[0026] Il colore nel permeato di MBR alimentato alle unità di LRM varia da 250 a 550 Pt.Co durante i periodi di tempo menzionati in precedenza. Il colore di permeato in entrambi i sistemi pilota era solitamente inferiore a 100 PtCo. La COD nel permeato di MBR alimentato alle unità di LRM varia da 150 a 350 mg/L durante i periodi di tempo menzionati in precedenza. La COD di permeato era solitamente inferiore a 100 mg/L in entrambi i sistemi pilota.

[0027] In un altro periodo di tempo, il sistema pilota è stato azionato con una membrana GK per 3 giorni. Il permeato di MBR durante questo periodo di tempo aveva una COD maggiore di 300 mg/L. Alterando un rapporto di ricircolo di scarto per alimentare il flusso alla LRM, il tasso di recupero di LRM è stato variato tra 96,2% e 99,9%. Funzionando al contempo a un recupero di 96,2%, il permeato di LRM aveva una COD di 38 mg/L. Funzionando al contempo a un recupero di 99,9%, il permeato di LRM aveva una COD di 41 mg/L.

[0028] Sebbene il sistema e il processo siano descritti in precedenza per l'uso con le acque reflue delle fabbriche di polpa di carta, il sistema e il processo possono essere utili con le acque reflue aventi COD bio-refrattario, o COD di dimensione di peso molecolare relativamente elevato.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Processo per il trattamento delle acque reflue delle fabbriche di polpa di carta comprendente, trattare le acque reflue con un bioreattore a membrana (MBR), oppure con un processo di trattamento biologico seguito da un filtro per la filtrazione terziaria, per produrre un permeato intermedio; e, trattare il permeato intermedio con una membrana di ultrafiltrazione stretta.
2. Processo secondo la rivendicazione 1, in cui la membrana di ultrafiltrazione stretta presenta un taglio di peso molecolare di 500 - 3,500 Da su polietilenglicole.
3. Processo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il concentrato proveniente dalla membrana di ultrafiltrazione stretta viene inviato a un evaporatore di liscivio nero della fabbrica di polpa di carta.
4. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, comprendente azionare la membrana di ultrafiltrazione stretta un tasso di recupero del 95% o più.