IT202000016144A1 - Processo per la produzione di biogas tramite digestione anaerobica di fanghi di depurazione pretrattati tramite idrolisi ossidativa termo-alcalina. - Google Patents

Processo per la produzione di biogas tramite digestione anaerobica di fanghi di depurazione pretrattati tramite idrolisi ossidativa termo-alcalina. Download PDF

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Description

PROCESSO PER LA PRODUZIONE DI BIOGAS TRAMITE DIGESTIONE ANAEROBICA DI FANGHI DI DEPURAZIONE PRETRATTATI TRAMITE IDROLISI OSSIDATIVA TERMO-ALCALINA.
La presente invenzione concerne un processo per la produzione di biogas tramite digestione anaerobica di fanghi di depurazione derivanti da processi di depurazione di acque reflue civili o industriali, i quali sono stati pretrattati tramite un processo di idrolisi ossidativa termo-alcalina.
Come ? noto, la digestione anaerobica di rifiuti pu? essere utilizzata per la produzione di biogas, che ? essenzialmente una miscela di metano (55-75% vol) e carbonio biossido (25-45% vol), il quale costituisce una fonte di energia rinnovabile e pu? essere impiegato per la produzione di energia termica o per la co-generazione di elettricit? e calore.
I processi di digestione anaerobica si basano sull?utilizzo di un consorzio di microorganismi (idrolitici-fermentativi-metanigeni) che sono in grado di metabolizzare il materiale organico presente nei rifiuti in condizioni anaerobiche con produzione di metano. I diversi tipi di digestione anaerobica sono classificabili in funzione delle condizioni di temperatura a cui operano tali microorganismi (processi psicrofili: 4-25?C, processi mesofili: 25-40?C; processi termofili: 45-70?C).
Uno dei substrati utilizzabili per la digestione anaerobica con produzione di biogas ? costituito dai fanghi di depurazione derivanti da processi di depurazione di acque reflue. Come ? noto, le acque reflue, sia di tipo urbano sia di tipo industriale, devono essere sottoposte a processi di depurazione allo scopo di ridurre il pi? possibile il loro impatto sull?ambiente, abbattendone la carica inquinante. Tali processi di depurazione in genere utilizzano una combinazione di trattamenti chimici, fisici e biologici.
A valle dei processi di depurazione si accumulano due tipologie di fanghi di depurazione, vale a dire quelli ottenuti per sedimentazione del materiale grossolano in sospensione (fanghi primari o chimicofisici), e quelli ottenuti per sedimentazione a seguito del processo di trattamento biologico (fanghi secondari o biologici). Occorre notare che, nell?ambito della presente descrizione e delle allegate rivendicazioni, con il termine ?fanghi di depurazione? si intendono sia i fanghi primari che i fanghi secondari.
In funzione del tipo di processo di depurazione adottato e della natura delle acque reflue trattate, i fanghi di depurazione possono avere composizione assai variabile. Ad esempio, i fanghi di depurazione ottenuti da processi chimico-fisici possono contenere una consistente quantit? di prodotti inorganici, quali ad esempio carbonati e silicati, oltre a sali di ferro e/o alluminio addizionati per favorire la flocculazione e la sedimentazione. I fanghi secondari, provenendo da processi di tipo biologico, contengono essenzialmente materiale organico (fiocchi di biomassa aventi composizione complessa, proteine, lipidi, carboidrati, ecc.).
Il trattamento e lo smaltimento dei fanghi di depurazione costituisce un notevole problema dal punto di vista ambientale ed economico, andando ad incidere in modo assai significativo sui costi di gestione di un impianto di depurazione di acque reflue. Tali fanghi vengono in genere recuperati in agricoltura come ammendanti (se in possesso dei requisiti di qualit? richiesti dalla direttiva europea 86/278/CEE, recepita in Italia dal D.Lgs. 99/92) oppure smaltiti tramite disidratazione meccanica e successivo conferimento in discarica o incenerimento.
Per contenere i costi di smaltimento, sono state messe a punto alcune tecnologie che sono in grado di ridurre in modo sostanziale la quantit? dei fanghi ottenuti dagli impianti di depurazione.
WO 2011/036550, a nome della stessa Richiedente, descrive un processo per il trattamento di rifiuti, in particolare di fanghi di depurazione, che consente di abbattere il contenuto di inquinanti chimici e/o biologici e di ridurre in modo significativo il volume dei fanghi stessi. Tale processo comprende le seguenti fasi: (a) idrolisi ossidativa acida della carica in ingresso; (b) idrolisi ossidativa alcalina della carica in uscita dalla fase di idrolisi acida ossidativa; (c) condizionamento chimico della carica in uscita dalla fase di idrolisi ossidativa alcalina; (d) separazione del residuo non disciolto, se presente. Tramite detto processo, ? possibile ossidare in modo completo, con formazione di anidride carbonica e acqua, una percentuale elevata della frazione organica presente nei fanghi, mentre la restante frazione viene trasformata in composti solubili in acqua non dannosi per l?ambiente. L?eventuale residuo solido rimasto dopo il trattamento pu? essere agevolmente separato tramite comuni tecniche di filtrazione, sedimentazione o disidratazione meccanica.
Ulteriori miglioramenti, soprattutto dal punto di vista impiantistico, del processo secondo il sopra citato WO 2011/036550 sono descritti nella domanda WO 2016/088073, a nome della stessa Richiedente.
La digestione anaerobica dei fanghi secondari ? caratterizzata da bassi rendimenti di rimozione dei solidi volatili, a causa della struttura dei fiocchi che compongono tali fanghi. Affinch? la sostanza organica possa essere degradata dai microorganismi, occorre infatti una preliminare fase di rottura dei fiocchi (idrolisi), ad opera dei batteri idrolitici. Essendo tale fase caratterizzata da cinetiche lente, ? spesso considerata la fase limitante dell?intero processo anaerobico.
Per ovviare a questo problema sono stati studiati pretrattamenti di idrolisi (chimica, fisica, termica, enzimatica) volti ad incrementare la biodegradabilit? del fango biologico prima della digestione anaerobica e l?abbattimento della sostanza organica e quindi la conseguente produzione di biogas.
Tra i vari pretrattamenti applicati ai fanghi di depurazione urbani, i pi? efficaci sono risultati essere quelli che utilizzano processi termici o termo-chimici di idrolisi a monte della digestione anaerobica. I risultati dell?applicazione di questi pretrattamenti ai fanghi industriali hanno invece evidenziato limiti di varia natura, dovuti essenzialmente alle caratteristiche molto variabili di tali fanghi.
La possibilit? di utilizzo del processo descritto in WO 2011/036550 a monte della digestione anaerobica, con il duplice scopo di ridurre i volumi di fango prodotti e di incrementare la produzione di biogas, ? descritta nel brevetto italiano No. 102016000121031, a nome della stessa Richiedente, in cui si propone l?utilizzo di un pretrattamento termochimico a due fasi, una acida e una alcalina, a monte della digestione anaerobica. Tale processo si ? confermato in grado di ottenere riduzioni complessive di fango in uscita dell?ordine del 65-75%, accompagnate da un incremento medio del 35-45% di metano prodotto.
Tuttavia, in alcuni casi il processo a due fasi di cui sopra non ? stato in grado di raggiungere le prestazioni richieste, avendo mostrato limiti di natura tecnica nel pretrattamento di alcune tipologie di fanghi industriali o di fanghi civili provenienti da impianti di depurazione dotati di defosfatazione chimica con utilizzo di agenti coagulanti/flocculanti. Tali fanghi sono infatti caratterizzati dalla presenza di idrossidi in alte concentrazioni, i quali ostacolano il processo di idrolisi riducendone drasticamente le rese ed aumentando i costi di processo.
Inoltre, il processo a due fasi ha evidenziato limiti in presenza di fanghi industriali dotati di elevate concentrazioni saline, in particolari di fanghi caratterizzati da un tenore complessivo di solfati e cloruri pari o superiore a 800 mg/L. Il pretrattamento a due fasi infatti comporta un innalzamento ulteriore del livello di salinit? dei fanghi tale da:
- risultare potenzialmente inibente per il successivo processo di digestione anaerobica;
- compromettere la qualit? sia dei fanghi in uscita dalla digestione che dell?effluente finale.
Uno degli scopi della presente invenzione ? quello di realizzare un processo per la produzione di biogas tramite digestione anaerobica, applicabile ad una vasta gamma di fanghi di depurazione urbani e industriali, che preveda un loro pretrattamento allo scopo di aumentare la biodisponibilit? della frazione organica in essi contenuta migliorando le prestazioni della digestione anaerobica e permettendo una significativa riduzione dei fanghi da smaltire.
Un altro scopo della presente invenzione ? quello di realizzare un processo per la produzione di biogas tramite digestione anaerobica anche su fanghi di depurazione con elevati tenori di salinit?, in particolare i fanghi di depurazione caratterizzati da un tenore complessivo di solfati e cloruri pari o superiore a 800 mg/mL. Si tratta di fanghi provenienti tipicamente da impianti di depurazione di reflui agroindustriali quali ad esempio quelli lattiero-caseari, o di altri reflui industriali quali ad esempio quelli derivanti da processi di bioraffineria (ad esempio per la biosintesi di butandiolo).
Un altro scopo della presente invenzione ? quello di realizzare un processo per la produzione di biogas tramite digestione anaerobica di fanghi di depurazione che consenta di incrementare la frazione di metano all?interno del biogas prodotto, cos? da migliorarne la qualit? in termini di resa energetica.
Questi e altri scopi della presente invenzione sono stati raggiunti dalla Richiedente tramite un processo per la produzione di biogas che comprende una fase di pretrattamento dei fanghi di depurazione tramite idrolisi alcalina termo-ossidativa, senza ulteriori fasi di idrolisi, in particolare senza la fase di idrolisi acida ossidativa come previsto dal processo secondo il brevetto italiano No. 102016000121031 sopra menzionato. I fanghi cos? pretrattati, eventualmente condizionati in modo da ottenere un valore di pH sostanzialmente neutro, vengono quindi inviati al processo di digestione anaerobica in presenza di batteri metanigeni, cos? da ottenere il biogas.
La presente invenzione riguarda pertanto un processo per la produzione di biogas, che comprende: sottoporre un fango di depurazione ad una fase di pretrattamento che comprende, come unica fase di idrolisi, una fase di idrolisi ossidativa termoalcalina;
sottoporre il fango cos? pretrattato a un processo di digestione anaerobica cos? da ottenere il biogas.
Il processo in accordo con la presente invenzione ? preferibilmente attuato su fanghi di depurazione caratterizzati da un tenore complessivo di solfati e cloruri pari o superiore a 800 mg/mL. Si tratta in genere di fanghi di depurazione ottenuti a seguito di un processo di depurazione di acque reflue, di origine urbana e/o industriale, detto processo di depurazione potendo essere attuato con mezzi chimico-fisici e/o biologici. Pi? in particolare, si tratta di fanghi di depurazione provenienti da impianti di depurazione di reflui dell'industria lattiero-casearia, o di reflui derivanti da processi di bioraffineria (ad esempio per la biosintesi di butandiolo).
I fanghi da trattare possono essere eventualmente sottoposti ad una fase preliminare di disgregazione meccanica, in cui essi vengono triturati al fine di sfibrare e lacerare i solidi eventualmente presenti e di disgregare i fiocchi formati dai microrganismi presenti solitamente in grande quantit? soprattutto nel caso dei fanghi di supero. Tale fase di disgregazione meccanica risulta vantaggiosa in quanto consente di ridurre i tempi del successivo trattamento in ambiente alcalino, con aumento delle rese complessive del processo.
La fase di pretrattamento del fango di depurazione comprende, come unica fase di idrolisi, una fase di idrolisi ossidativa termo-alcalina. In particolare detta fase di pretrattamento non comprende una fase di idrolisi acida ossidativa, come previsto dal processo secondo il brevetto italiano No. 102016000121031 sopra menzionato.
Rispetto ad un'idrolisi convenzionale senza ossidazione, l?utilizzo di un agente ossidante consente di ottenere condizioni d?esercizio differenti con una sostanziale modifica del potenziale di ossido-riduzione, che passa da -400 mV, valore tipico di un fango a pH = 10, a -150 mV, da cui deriva un considerevole miglioramento nelle prestazioni del processo in termini di riduzione dei fanghi.
Inoltre, rispetto al processo descritto nel brevetto italiano No. 102016000121031 sopra menzionato, il processo secondo la presente invenzione consente di ottenere un'elevate efficienza di riduzione dei fanghi da smaltire (riduzione complessiva dei fanghi in uscita dell?ordine del 45-55%). L'elevata efficienza deriva principalmente dall'effetto dell'idrolisi ossidativa alcalina combinato con l'effetto della successiva fase di digestione anaerobica, con riduzione dei solidi sospesi e miglioramento della centrifugabilit? del fango digerito con evidenti vantaggi per la fase finale di disidratazione del fango stesso.
Il processo consente di ottenere inoltre notevoli incrementi di metano prodotto (fino a 35% e oltre), riducendo significativamente i costi di investimento e di gestione dell'impianto (riduzione dell?ordine del 40-50%), i consumi di reagenti chimici e le dimensioni di ingombro dell?impianto stesso.
Prima di sottoporre il fango pretrattato al processo di digestione anaerobica, questo pu? essere eventualmente sottoposto a neutralizzazione cos? da ottenere un valore di pH sostanzialmente neutro, adatto allo sviluppo e al metabolismo dei batteri metanigeni.
L?impianto che realizza la fase di pretrattamento secondo la presente invenzione pu? essere installato direttamente a monte del digestore anaerobico e pu? funzionare in continuo in modo da alimentare la fase di digestione anaerobica a ciclo continuo.
L?idrolisi ossidativa termo-alcalina consente di solubilizzare la sostanza organica mediante idrolisi (saponificazione). In tale fase vengono ad esempio degradati i composti organici contenenti legami ammidici, le proteine cellulari complesse, i peptoni, i trigliceridi, ecc.
La fase di idrolisi ossidativa termo-alcalina viene realizzata ad un valore di pH da 8 a 12, preferibilmente da 9,5 a 11,5. Il potenziale di ossido-riduzione viene preferibilmente mantenuto tra -300 mV e -150 mV, preferibilmente intorno a -150 mV. La temperatura di processo ? compresa tra 35?C e 100?C, preferibilmente tra 60?C e 90?C.
La massa da trattare viene preferibilmente mantenuta in movimento tramite agitazione meccanica, mentre la durata del trattamento pu? variare entro ampi limiti in funzione delle caratteristiche dei fanghi trattati. In genere una durata compresa tra 120 e 240 min ? sufficiente.
La corrente di fanghi di depurazione in entrata al processo pu? essere portata al valore di pH desiderato tramite aggiunta di un composto alcalino inorganico o organico, scelto ad esempio tra: idrossidi di metalli alcalini o alcalino-terrosi; sali a reazione basica quali carbonati, silicati, borati, fosfati; alcolati o carbossilati di metalli alcalini o alcalino-terrosi; e simili. Tali composti alcalini vengono solitamente alimentati in forma di soluzioni o dispersioni acquose.
Il valore di pH alcalino viene preferibilmente ottenuto aggiungendo ai fanghi in entrata un composto alcalino forte quale ad esempio NaOH, KOH, e simili.
La fase di idrolisi alcalina viene condotta in presenza di un agente ossidante, il cui dosaggio consente di ottenere un significativo incremento dell'efficienza di solubilizzazione e quindi una maggiore biodisponibilit? della frazione organica nella successiva fase anaerobica.
L?agente ossidante pu? essere scelto preferibilmente tra:
a) aria o aria arricchita in ossigeno insufflata nella massa da trattare, oppure ossigeno liquido e rigassificato in situ, il quale in ambiente acido d? luogo alla seguente semireazione redox:
O2 + 4H<+ >+ 4e<? >??????> 2 H2O
b) un perossido inorganico, scelto ad esempio tra: perossido di idrogeno (H2O2), ozono (O3), perborati, percarbonati, perurea, perossimonosolfati, perossidisolfati, perossifosfati;
c) un perossido organico, scelto ad esempio tra: peracidi, perossidi monoalchilici, perossidi dialchilici, perossidi acilici, perossidi ciclici, ozonouri;
d) composti ossidanti inorganici non perossidici, quali ipocloriti, cloriti, clorati, permanganati.
Il flusso uscente dalla fase di idrolisi alcalina viene quindi sottoposto ad un?opzionale fase di neutralizzazione, ad esempio mediante miscelazione con eventuali altri substrati che non necessitano di pretrattamenti, oppure mediante addizione di un acido forte, organico o inorganico, al fine di portare i fanghi pretrattati alcalini a un valore di pH sostanzialmente neutro, preferibilmente da 7,0 a 8,0.
A questo punto il flusso di fanghi pretrattati in uscita dalla fase di neutralizzazione, ricco di sostanze organiche solubili, ? pronto per essere utilizzato come substrato per il processo di digestione anaerobica.
Tale processo di digestione anaerobica pu? essere preferibilmente realizzato, su scala industriale, in regime mesofilo, ovvero a una temperatura da 30?C a 40?C, preferibilmente da 34?C a 38?C.
La digestione anaerobica pu? essere realizzata secondo modalit? note, ad esempio tramite digestori alimentati a basso oppure a medio carico di sostanza organica, preferibilmente con un carico giornaliero di sostanza organica (espresso come peso di solidi volatili) per unit? di volume del digestore tra 0,5 e 2 kg/m<3>.
Il processo di digestione anaerobica pu? essere condotto in modalit? monostadio oppure bistadio. Nella digestione monostadio si impiega un solo digestore, opportunamente riscaldato per mantenere il regime di temperatura prestabilito, ove vengono immessi i fanghi pretrattati. Tali fanghi vengono mantenuti sotto agitazione all?interno del digestore al fine di ostacolarne l?ispessimento. Tale agitazione pu? essere ottenuta tramite mezzi meccanici, quali ad esempio pompe elicoidali, oppure tramite ricircolo dei fanghi all?esterno del digestore o ricircolo del biogas prodotto dal processo stesso di digestione.
Nel caso della digestione anaerobica bistadio, si impiegano invece due digestori:
(1) un digestore primario, mantenuto alla temperatura prestabilita e dotato di sistema di agitazione in modalit? continua, al cui interno si completa la maggior parte delle trasformazioni biologiche della sostanza organica in biogas;
(2) un digestore secondario, in genere non riscaldato e non agitato, in cui avviene la separazione di un surnatante chiarificato e la captazione della frazione residua del biogas prodotto.
Nella realizzazione del processo secondo la presente invenzione, la miscelazione all?interno del digestore risulta semplificata grazie alla minore viscosit? dei fanghi da trattare dovuta al minor contenuto di solidi sospesi che vengono ridotti dalla fase di pretrattamento sopra descritta. Di conseguenza, il processo pu? realizzarsi anche utilizzando digestori dotati di sistemi di miscelazione a bassa intensit?, senza che ci? vada ad inficiarne le prestazioni in termini di produzione di biogas.
In alternativa, la digestione anaerobica pu? essere condotta in condizioni termofile, ovvero ad una temperatura compresa tra 45?C a 70?C, preferibilmente tra 53?C e 60?C. In tal caso, mediante sistemi di scambio termico, ? possibile gestire il recupero termico della sezione di produzione energetica (caldaia o cogenerazione) in modo da garantire il raggiungimento delle temperature di processo necessarie.
Per quanto riguarda i tempi di residenza dei fanghi all?interno del digestore anaerobico, questi dipendono sostanzialmente dalla tipologia di digestore impiegato, dalle caratteristiche intrinseche dei fanghi trattati e dalle condizioni operative di processo. In genere tale tempo di residenza risulta variabile tra 10 e 30 giorni.
La presente invenzione verr? ora ulteriormente descritta con riferimento alle seguenti figure, in cui:
la Figura 1 ? una rappresentazione schematica del processo oggetto della presente invenzione;
la Figura 2 riporta il confronto tra i dati sperimentali di produzione specifica di metano ottenuti applicando, in un sistema discontinuo (batch), il processo oggetto della presente invenzione rispetto ad altri processi applicati sugli stessi fanghi di partenza;
la Figura 3 riporta il confronto tra i dati sperimentali di produzione specifica di metano ottenuti applicando, in un sistema semi-continuo, il processo oggetto della presente invenzione rispetto ad un processo di digestione anaerobica mesofila convenzionale, cio? realizzata su fanghi non pretrattati.
Con riferimento alla Figura 1, i fanghi di depurazione (1) vengono alimentati al reattore di idrolisi alcalina (2), in cui avviene il dosaggio di un composto alcalino (3) ed in cui viene mantenuta la temperatura al valore prefissato. Al fine di realizzare l?idrolisi ossidativa termo-alcalina, tale fase viene preferibilmente condotta mantenendo il potenziale redox intorno ai -150 mV tramite dosaggio di un reattivo ossidante (4).
A valle della fase di idrolisi ossidativa termoalcalina, il flusso di fanghi pretrattati (5) viene alimentato a un reattore di neutralizzazione (6) per controllare il pH mediante dosaggio di un composto acido (7), oppure mediante miscelazione con eventuali altri substrati che non necessitano di pretrattamenti. Una volta neutralizzati, i fanghi pretrattati possono essere sottoposti a scambio termico in uno scambiatore di calore (non rappresentato in figura), in modo da recuperare sia il calore dovuto alla fase di idrolisi che quello eventualmente sviluppatosi durante la fase di neutralizzazione.
Infine, i fanghi pretrattati (8) vengono avviati al digestore anaerobico (9), monostadio o bistadio. Dallo spazio di testa del digestore viene captato il biogas (10) che pu? essere successivamente inviato ad eventuali processi di ?upgrading?, o convogliato in serbatoi di stoccaggio, oppure direttamente utilizzato in processi di produzione di energia.
Dal fondo del digestore vengono invece recuperati i fanghi residui (11), che vengono disidratati e smaltiti secondo tecniche note. La fase liquida surnatante viene generalmente ricircolata in testa all?impianto di depurazione, o inviata anch?essa allo smaltimento secondo tecniche note.
I seguenti esempi di realizzazione sono forniti a mero scopo illustrativo della presente invenzione e non devono essere intesi in senso limitativo dell?ambito di protezione definito dalle accluse rivendicazioni.
ESEMPIO 1.
Cinque diversi campioni di fanghi provenienti da cinque diversi impianti di depurazione di acque reflue sono stati sottoposti allo stesso processo di idrolisi ossidativa termo-alcalina, condotto utilizzando idrossido di sodio e acqua ossigenata. Pi? in dettaglio, il processo ? stato realizzato ad un valore di pH tra 9,5 e 11,5, mantenendo il potenziale di ossidoriduzione, tramite dosaggio di H2O2, tra -300 mV e -150 mV, ad una temperatura costante di circa 80?C per un tempo di circa 180 min.
Tale test ? stato condotto al fine di valutare l?efficienza di solubilizzazione dei solidi sospesi, e quindi la capacit? di riduzione dei fanghi, del solo processo di idrolisi applicato a diverse tipologie di fanghi.
I fanghi sottoposti all'idrolisi sono stati:
- due fanghi biologici campionati dalla linea di supero a valle della vasca a fanghi attivi di due impianti di depurazione di reflui civili in cui non ? presente la rimozione chimica del fosforo (Impianto A e Impianto B);
- due fanghi biologici campionati dalla linea di supero a valle della vasca a fanghi attivi di due impianti di depurazione di reflui civili dotati di rimozione chimica del fosforo (Impianto C e Impianto D);
- un fango biologico proveniente da un sistema MBR (Reattore Biologico a Membrana), campionato presso un impianto di depurazione di reflui industriali dotato di rimozione chimica del fosforo (Impianto E).
Sui fanghi cos? pretrattati ? stata determinata la quantit? di Solidi Sospesi Volatili (SSV) e di Solidi Sospesi Totali (SST) in accordo con il metodo standard APHA, AWWA, WEF, 1998 - Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 20th ed., American Public Health Association and American Water Works Association and Water Environment Federation, Washington D.C.
TABELLA 1
Dai risultati riportati in Tabella 1 si pu? notare come il solo processo di idrolisi ossidativa termoalcalina secondo la presente invenzione sia in grado di garantire una riduzione dei SSV compresa tra il 35% ed il 45% ed una riduzione dei SST compresa tra il 29% ed il 39%.
ESEMPI 2-4.
Un fango di supero, ottenuto dal trattamento biologico di acque reflue urbane, ? stato sottoposto a:
Esempio 2: un pretrattamento di idrolisi alcalina in presenza di un agente ossidante (per aggiunta di idrossido di sodio e acqua ossigenata nelle medesime condizioni dell'Esempio 1);
Esempio 3 (confronto): un pretrattamento a due fasi: una prima fase di idrolisi acida condotta a 80?C per 180 min in presenza di un agente ossidante, tramite aggiunta di acido cloridrico e acqua ossigenata (mantenendo il valore di pH tra 1 e 3 e quello del potenziale redox tra 300 e 500 mV), seguita da una seconda fase di idrolisi alcalina in presenza di un agente ossidante (per aggiunta di idrossido di sodio e acqua ossigenata, del tutto identica all?Esempio 2).
Esempio 4 (confronto): nessun pretrattamento.
I tre fanghi (pretrattati o meno) sono stati inviati a un digestore anaerobico monostadio operante in condizioni mesofile (T = 35-38?C). Durante il processo di digestione ? stata misurata la produzione specifica di metano nel tempo, utilizzando lo strumento automatico AMPTS (Automatic Methane Potential Test System) in grado di restituire in continuo il volume di gas prodotto in condizioni normali (p = 1 atm, T = 0?C).
I risultati sono illustrati in Figura 2, ove con il simbolo si indicano i dati dell?Esempio 2, con il simbolo ? quelli dell?Esempio 3 e con il simbolo ? quelli dell?Esempio 4.
Come si pu? osservare da tali dati, il processo realizzato sui fanghi pretrattati in accordo con la presente invenzione (Esempio 2) mostra un incremento della produzione specifica di metano del 36% rispetto a un processo anaerobico senza pretrattamento dei fanghi (Esempio 4). Da notare inoltre che il processo realizzato in accordo con la presente invenzione (Esempio 2) mostra anche un significativo incremento della produzione specifica di metano (superiore del 11%) rispetto al processo in cui i fanghi sono stati pretrattati tramite idrolisi ossidativa acida e successiva idrolisi ossidativa alcalina, secondo quanto descritto brevetto italiano No. 102016000121031 (Esempio 3).
ESEMPIO 5.
Un fango di supero, ottenuto dal trattamento biologico a fanghi attivi di acque reflue urbane, ? stato sottoposto ad un pretrattamento di idrolisi alcalina in presenza di un agente ossidante (per aggiunta di idrossido di sodio e acqua ossigenata), nelle stesse condizioni degli Esempi 1 e 2, quindi alimentato ad un processo di digestione anaerobica in regime mesofilo (37?C) condotto in semicontinuo utilizzando un reattore completamente miscelato (CSTR) da 3 Litri, termostatato ed equipaggiato con un sistema di captazione e misurazione in continuo del volume di metano prodotto in condizioni normali (p = 1 atm, T = 0?C).
Il test di digestione, condotto con un carico organico giornaliero (espresso in grammi di Solidi Volatili (SV)) pari a 1,5 gSV/Lreattore e con un tempo di residenza idraulica pari a 20 giorni, ? stato condotto per 75 giorni per valutare la stabilit? delle prestazioni nel lungo periodo.
Con le stesse modalit? operative ? stato condotto un test di digestione alimentando lo stesso fango tal quale, ovvero non sottoposto al pretrattamento di idrolisi termo-ossidativa.
L?effetto pi? evidente del pretrattamento ? quello di garantire un alimento ricco di sostanza organica solubile, quindi prontamente biodisponibile, al processo di digestione anaerobica. Il COD solubile passa infatti da 0,3 g/L del fango tal quale a 21,5 g/L del fango idrolizzato.
In Figura 3 si riporta il confronto tra le produzioni specifiche di metano ottenute durante i due test di digestione sopra illustrati. In Figura 3 con il simbolo si indicano i dati ottenuti dal fango pretrattato, mentre il simbolo ? ? relativo ai dati ottenuti dal fango non pretrattato (tal quale).
Si nota come, dopo una breve fase transitoria, entrambi i test si assestano su valori quasi stazionari di produzione di metano, pari rispettivamente a 0,15 ? 0,02 Nm<3>/kgSValimentati (digestione del fango tal quale) e 0,22 ? 0,02 Nm<3>/kgSValimentati (digestione del fango pretrattato).
Il processo anaerobico realizzato in accordo con la presente invenzione mostra quindi un incremento della produzione specifica di metano del 42% rispetto ad un processo anaerobico condotto nelle medesime condizioni operative sullo stesso fango biologico non pretrattato. Estremamente stabili sono risultate anche le efficienze di rimozione (%) dei solidi totali (24% ? 4% per il fango tal quale e 32% ? 2% per il fango pretrattato) e volatili (37% ? 5% per il fango tal quale e 46% ? 2% per il fango pretrattato).
Rispetto al processo anaerobico su fanghi non pretrattati, si ? inoltre osservato un sensibile miglioramento della disidratabilit? del fango digerito. Prove sperimentali di condizionamento e centrifugazione hanno infatti evidenziato la possibilit? di incrementare fino al 33% la disidratabilit? dei fanghi digeriti, ovvero di ottenere un aumento del tenore di secco di circa 5-7 punti percentuali.

Claims (13)

RIVENDICAZIONI
1. Processo per la produzione di biogas, che comprende:
sottoporre un fango di depurazione ad una fase di pretrattamento che comprende, come unica fase di idrolisi, una fase di idrolisi ossidativa termoalcalina;
sottoporre il fango cos? pretrattato a un processo di digestione anaerobica cos? da ottenere il biogas.
2. Processo secondo la rivendicazione 1, in cui il fango di depurazione ? caratterizzato da un tenore complessivo di solfati e cloruri pari o superiore a 800 mg/mL.
3. Processo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il fango di depurazione ? ottenuto da un processo di depurazione di reflui dell'industria lattiero-casearia, o di reflui derivanti da processi di bioraffineria.
4. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il fango di depurazione viene sottoposto ad una fase preliminare di disgregazione meccanica.
5. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la fase di pretrattamento del fango di depurazione non comprende una fase di idrolisi acida ossidativa.
6. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il fango pretrattato, prima di essere sottoposto al processo di digestione anaerobica, viene sottoposto a neutralizzazione cos? da ottenere un valore di pH sostanzialmente neutro.
7. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la fase di idrolisi ossidativa termo-alcalina viene realizzata ad un valore di pH da 8 a 12, preferibilmente da 9,5 a 11,5.
8. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la fase di idrolisi ossidativa termo-alcalina viene realizzata con un potenziale di ossido-riduzione mantenuto tra -300 mV e -150 mV, preferibilmente intorno a -150 mV.
9. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la fase di idrolisi ossidativa termo-alcalina viene realizzata ad una temperatura da 35?C e 100?C, preferibilmente da 60?C a 90?C.
10. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la fase di idrolisi alcalina viene condotta in presenza di un agente ossidante scelto tra:
a) aria o aria arricchita in ossigeno, oppure ossigeno liquido rigassificato in situ;
b) un perossido inorganico, scelto ad esempio tra: perossido di idrogeno (H2O2), ozono (O3), perborati, percarbonati, perurea, perossimonosolfati, perossidisolfati, perossifosfati;
c) un perossido organico, scelto ad esempio tra: peracidi, perossidi monoalchilici, perossidi dialchilici, perossidi acilici, perossidi ciclici, ozonouri;
d) composti ossidanti inorganici non perossidici, quali ipocloriti, cloriti, clorati, permanganati.
11. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il processo di digestione anaerobica ? realizzato in modalit? monostadio oppure bistadio.
12. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il processo di digestione anaerobica ? realizzato in regime mesofilo, ovvero a una temperatura da 30?C a 40?C, preferibilmente da 34?C a 38?C.
13. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 11, in cui il processo di digestione anaerobica ? realizzato in regime termofilo, ovvero ad una temperatura compresa tra 45?C a 70?C, preferibilmente tra 53?C e 60?C.
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