IT202100015572A1 - Sistema Integrale di pretrattamento e Digestione Anaerobica di rifiuti organici da raccolta differenziata e altre biomasse ad elevato tenore di solidi - Google Patents
Sistema Integrale di pretrattamento e Digestione Anaerobica di rifiuti organici da raccolta differenziata e altre biomasse ad elevato tenore di solidi Download PDFInfo
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Description
?Sistema Integrale di pretrattamento e Digestione Anaerobica di rifiuti organici da raccolta differenziata e altre biomasse ad elevato tenore di solidi?
DESCRIZIONE
La presente invenzione trova applicazione nel settore della gestione dei rifiuti e in particolare dei rifiuti organici ottenuti dalla raccolta differenziata.
Stato dell?Arte
La digestione anaerobica dei rifiuti organici ? una tecnologia industriale affermata che permette di recuperare materia ed energia ed ? sempre pi? adottata per la gestione dei rifiuti organici domestici (scarti della preparazione e del consumo di alimenti).
Essa ? un processo biologico, condotto in assenza di ossigeno, che porta alla degradazione microbica della sostanza organica biodegradabile con produzione di un gas, il cosiddetto biogas, composto essenzialmente di metano (in percentuali comprese generalmente tra il 50 e l?80% in volume) ed anidride carbonica, impiegato per la produzione di energia (elettrica o termica) o, previa purificazione, di bio-metano per autotrazione o per la cessione alle reti di distribuzione. La digestione anaerobica genera altres? un importante flusso di biomassa residuante dal processo biologico, detta ?digestato?, utilizzabile in agricoltura come ammendante tal quale o dopo una eventuale maturazione aerobica.
Nel corso degli anni, studi e applicazioni della digestione anaerobica su diverse tipologie di biomasse hanno condotto alla ramificazione dell?offerta tecnologica. Una prima distinzione ? fra:
1. i sistemi in fase solida nei quali il substrato, tipicamente costituito da rifiuti organici domestici solidi misti a residui vegetali grossolanamente triturati, viene sottoposto a pretrattamenti meccanici blandi (la sola apertura dei sacchetti di plastica usati per la raccolta e la miscelazione con i residui vegetali) in modo da conservarne parzialmente l?integrit? fisico-meccanica; tali rifiuti vengono collocati all?interno di strutture chiuse di fermentazione anaerobica normalmente mediante pale gommate e poi continuamente irrorati con la sospensione acquosa che il substrato rilascia spontaneamente a seguito della decomposizione microbica. Svantaggiosamente questi sistemi sono caratterizzati da basse produzioni specifiche di metano dovute difficolt? di attacco microbico alle particelle grossolane del substrato, inoltre richiedono elevate quantit? di ricircolo del materiale gi? digerito da miscelare con quello fresco per fornire sufficiente inoculo e per ci? richiedono un elevato consumo di suolo; infine sono difficilmente meccanizzabili richiedendo la movimentazione con motopale gommate;
2. i sistemi in fase fluida o liquida nei quali il substrato ? costituito da materiale liquido oppure che viene reso tale mediante triturazione spinta preliminare con eventuale aggiunta di acqua in modo da renderlo fluido e manipolabile per mezzo di pompe ed altre attrezzature di tipo idraulico. Entro questa categoria una ulteriore distinzione si basa sul tenore di sostanza secca del substrato pretrattato e alimentato al fermentatore. Si distinguono:
2.1. digestione a umido (wet), quando il substrato in ingresso al fermentatore ha un contenuto di sostanza secca inferiore al 10%;
2.2. digestione a secco (dry), quando il substrato ha un contenuto di sostanza secca superiore al 20%;
2.3. processi con valori intermedi di sostanza secca vengono in genere definiti a semisecco (semi-dry).
Negli ultimi decenni si ? osservata la crescita dei sistemi dry, in particolare nei processi applicati alla Frazione Organica dei Rifiuti Urbani (FORSU) nei quali il tenore in solidi del rifiuto alimentato al digestore ? generalmente nell?intervallo 25-35%. Con questo approccio, in cui il rifiuto organico ? avviato a digestione anaerobica con la propria umidit? originale senza aggiunta di acqua, si ottengono importanti vantaggi:
? sensibile riduzione dei volumi necessari al trattamento con conseguenti minori costi impiantistici;
? tempi di ritenzione idraulica brevi (15-22 giorni); ? la quantit? di biomassa da riscaldare fino alle temperature di processo ? inferiore e si ha quindi un notevole risparmio energetico per il riscaldamento della stessa;
? minore quantit? di ?digestato? da smaltire (particolarmente rilevante nel caso di digestione anaerobica di biomasse rifiuto che generano, di conseguenza, un digestato classificato esso stesso come rifiuto).
A fronte dei vantaggi sopra menzionati l?approccio ?dry? ha posto ai progettisti nuove e impegnative sfide. Infatti, a causa della elevata densit? e viscosit? dei flussi trattati, i reattori per il trattamento dry non possono essere del tipo completamente miscelato (continuous stirred tank reactor - CSTR) ma deve essere adottato il tipo con flusso parzialmente o totalmente ?a pistone? (plug-flow reactors - PFR). Il reattore PFR si pu? idealizzare come un volume (cilindrico o parallelepipedo) con un lato di ingresso del materiale (lato di spinta del pistone ideale) e un lato opposto di uscita. L?asse del reattore pu? essere verticale e allora il substrato scorrer? dall?alto verso il basso (o viceversa), oppure orizzontale e allora il substrato scorrer? da destra verso sinistra (o viceversa). Il fatto di operare con flussi molto densi riduce di molto ma non elimina il rischio della suddivisione di fasi distinte all?interno del reattore (solidi che si separano dai liquidi), come pu? invece avvenire nei processi wet e semi-dry, ed inoltre rende problematica la risalita in superficie delle bolle di biogas che si formano dentro la biomassa.
Per questi motivi ? necessario prevedere dei sistemi che favoriscano la movimentazione interna del substrato senza provocare un eccessivo rimescolamento.
Le principali tecnologie presenti sul mercato ed i processi adottati per questo tipo di rifiuti si differenziano essenzialmente per tecnica di movimentazione interna adottata. La soluzione descritta nella domanda di brevetto EP0476217A1 con reattore ad asse orizzontale e organi di movimentazione costituiti da pale a rotazione lenta ? quella che, con alcune varianti, ? pi? frequentemente adottata nelle pi? recenti realizzazioni industriali. In essa il reattore ? costituito da un cilindro metallico o da un parallelepipedo in cemento armato ad asse orizzontale e il parziale e lento rimescolamento del substrato ? ottenuto mediante un unico albero orizzontale con asse allineato longitudinalmente rispetto al volume del reattore. L?albero porta numerosi bracci a raggiera che per effetto della rotazione provocano il mescolamento, la lenta de-stratificazione e de-gasazione del substrato mentre questo avanza all?interno della camera di fermentazione per effetto dell?immissione di nuovo substrato dal lato di carico e della contemporanea estrazione dal lato di scarico. Un'altra soluzione, descritta nella domanda tedesca DE3239304-A1 adotta, invece dell?unico albero ad asse longitudinale, una serie di alberi ad asse trasversale rispetto alla lunghezza del digestore ognuno dei quali portante bracci disposti a raggiera. L?effetto ? analogo a quello gi? visto sopra e consiste nella lenta movimentazione e destratificazione del substrato e il suo degassamento.
In entrambe le tecnologie descritte il pretrattamento delle biomasse substrato ha un ruolo fondamentale in quanto svolge le due seguenti principali funzioni:
? separazione e scarto dei materiali non fermentescibili presenti nel rifiuto quali plastiche, metalli, tessuti e vetri;
? riduzione delle dimensioni delle particelle di cui ? composto il rifiuto pretrattato (ingestato) per favorire l?attacco microbico e velocizzare la fermentazione.
Il pretrattamento ? tipicamente effettuato mediante l?impiego in serie di tre macchine: 1) un trituratore costituito da una vasca metallica aperta superiormente sul cui fondo ? posto un organo cilindrico (rotore) munito di denti metallici che girando contro un pettine fisso lacera le buste di plastica e spezzetta il materiale consentendo allo stesso di passare sotto la vasca solo se ridotto a dimensioni inferiori alla distanza tra rotore e pettine fisso; 2) un vaglio o separatore dimensionale costituito generalmente da un cilindro metallico ruotante le cui pareti sono dotate di fori di diametro tra i 50 e gli 80 mm oppure da un vaglio a dischi o stelle ruotanti con luce di analoghe dimensioni, che lasciano passare il materiale organico mentre trattengono gran parte delle buste di plastica ed altri materiali grossolani (tessuti, lattine, pezzi di legno) di dimensioni superiori ai fori e che vengono cos? avviati a smaltimento o altri trattamenti diversi dalla digestione anaerobica; 3) un sistema di accumulo e dosaggio del materiale organico vagliato.
Siccome il conferimento dei rifiuti organici e la loro lavorazione sono svolti normalmente nei normali turni di lavoro dei giorni lavorativi mentre la digestione anaerobica ? un processo biologico che richiede una alimentazione costante e continuativa nelle 24 ore e per 7 giorni su 7, ? necessario prevedere un accumulo del materiale organico da alimentare ai digestori.
Questo viene comunemente ottenuto mediante vasche chiamate Bunker di volume tale da contenere il substrato per almeno un giorno e mezzo di lavoro (fine settimana) datate di fondo mobile a piastre metalliche che lentamente scorrono verso il lato di scarico alimentando un nastro o una coclea che porta il materiale ai digestori anaerobici.
Per alimentare i digestori il materiale solido deve essere portato ad una quota superiore a quella del livello del substrato all?interno dei digestori e da tale quota deve essere immesso all?interno mediante una coclea inclinata verso il basso che introduce il materiale sotto il livello di riempimento; cos? facendo la coclea di introduzione funge da guardia idraulica e si evita cos? il riflusso del substrato e la fuoriuscita del biogas dalla linea di alimentazione. In alternativa al Bunker alcune soluzioni prevedono che l?accumulo dei rifiuti organici avvenga prima del pretrattamento all?interno di fosse di scarico dalle quali un sistema automatizzato di alimentazione mediante carro ponte dotato di benna a ragno alimenta la linea di trattamento durante la notte e il fine settimana in assenza di personale.
Il passaggio dal trituratore al vaglio e da questo al digestore ? effettuato mediante l?impiego di coclee o di nastri trasportatori gommati o a piastre.
L?assemblaggio di macchine e digestori anaerobici sopra descritto [trituratore, vaglio, bunker (o fosse di scarico automatizzate), fermentatore PFR] rappresenta la soluzione prevalente nelle pi? recenti applicazioni industriali per il trattamento della FORSU. Tale assemblaggio ? tuttavia affetto da alcune problematiche che la presente invenzione risolve e che possono essere cos? riassunte:
? la vagliatura a 50-80 mm lascia passare nella frazione organica (il sottovaglio) frammenti di plastica, vetro, metalli, tessuti, gusci di mitili, tappi di sughero e plastica, capsule del caff? ed altri materiali che non sono digeribili anaerobicamente o lo sono in tempi molto pi? lunghi di quelli previsti nel processo (20-22 giorni) e che quindi determinano una riduzione del valore della produzione di biogas;
? i frammenti a maggiore peso specifico e di maggiori dimensioni non eliminati dalla vagliatura possono sedimentare, in certe condizioni di viscosit? del substrato, sul fondo dei digestori provocando guasti per inceppamento degli organi di movimentazione e delle elettrovalvole e pompe di scarico del digestato. Queste sedimentazioni provocano fermi impianto estremamente dannosi per la perdita di produzione e per la necessit? di interventi manutentivi lunghi e laboriosi;
? per ridurre il rischio di tali sedimentazioni ? comunemente adottata la tattica di miscelare alla frazione organica una consistente quantit? di materiale vegetale (potature triturate) fino e oltre il 15% che addensando il substrato mantiene elevata la densit? fino all?uscita dai fermentatori. Ovviamente questo materiale, essendo poco fermentescibile, riduce la produzione di biogas media della miscela;
? i frammenti di plastica di minore peso specifico (buste, bottiglie, bicchieri, ecc.) possono intrappolare bolle di biogas e essere trascinate in superficie all?interno dei digestori provocando la formazione di un crostone che impedisce al biogas di liberarsi nello spazio di testa dal quale il biogas viene normalmente evacuato e collettato. Questo provoca minori produzioni e di biogas e aumenti del livello del substrato entro i digestori oltre i livelli di sicurezza;
? i frammenti di plastica e di altri materiali indesiderati che sono contenuti nel substrato uscente dai fermentatori (digestato) costituiscono contaminanti per l?uso agricolo del digestato come fertilizzante organico. La loro presenza comporta la necessit? di sottoporre il digestato solido a complesse operazioni di selezione e raffinazione;
? le dimensioni medie delle particelle di rifiuto organico ottenute del pretrattamento sono tali da rallentare i processi di degradazione che portano alla formazione di biogas (idrolisi, acidogenesi, ecc.) in quanto l?attacco microbico avviene sulla superficie delle particelle stesse e quindi maggiore ? la dimensione della particella e minore ? il rapporto volume/massa. Particelle pi? piccole hanno una superficie esposta ai microbi per unit? di massa molto maggiore;
? il materiale ottenuto dal pretrattamento ? un solido eterogeneo a temperatura ambiente ed ? quindi difficile da riscaldare alla temperatura di processo desiderata. Il riscaldamento ? ottenuto quindi dentro il volume dei digestori determinando, nel lato di ingresso, una zona a temperatura pi? bassa dell?ottimale con una riduzione del potenziale metanigeno complessivo;
? i sistemi di dosaggio dell?ingestato mediante bunker e ancora di pi? mediante fosse automatizzate con carroponte caratterizzate da numerosi macchinari in movimento, operano anche di notte e nei giorni festivi in assenza del personale con evidenti problemi di prontezza di intervento in caso di guasto;
? i sistemi di dosaggio dell?ingestato mediante fosse automatizzate sono affetti dal problema cosiddetto del first in ? first out ovvero il rifiuto organico scaricato per ultimo nella fossa sar? il primo ad essere avviato a lavorazione mentre il materiale pi? vecchio risieder? pi? a lungo nella fossa determinando il rilascio di liquidi percolanti che dovranno essere pompati da appositi sistemi e avviati ai fermentatori o a depurazione con evidenti complicazioni impiantistiche oneri economici.
Riassunto dell?invenzione
Gli autori della presente domanda di brevetto hanno sorprendentemente trovato che alcune condizioni possono incrementare notevolmente la resa del processo di digestione anaerobica.
Oggetto dell?invenzione
La presente invenzione ha per oggetto un processo di digestione anaerobica.
Aspetti particolari dell?invenzione riguardano condizioni preferite per condurre il processo di digestione.
Il prodotto ottenuto grazie al processo descritto e il suo uso come ammendante rappresentano ulteriori oggetti della presente invenzione.
Descrizione dettagliata dell?invenzione
In accordo con un primo oggetto, la presente domanda di brevetto descrive un processo di digestione anaerobica di rifiuti organici domestici e altri rifiuti organici.
Pi? in particolare, il processo dell?invenzione ? attuato sulla frazione organica dei rifiuti solidi urbani (FORSU).
In un aspetto dell?invenzione, tale processo di digestione ? di tipo ?dry?, cio? ? attuato su una massa avente un tenore in solidi compreso nell?intervallo 25-35% (peso/peso).
Pi? in particolare, il processo dell?invenzione non comprende una fase di aggiunta di acqua esterna.
Come noto, un processo di digestione anaerobica ha pi? fasi, che, in particolare, comprendono una prima fase di idrolisi, durante la quale vi ? l?intervento di batteri idrolitici.
Questo stadio permette di passare da macromolecole, quali proteine, grassi e carboidrati, a molecole semplici, quali amminoacidi, acidi grassi e monosaccaridi. Successivamente, vi ? una fase di acidificazione, seguita dalla fase di acetogenesi e, in ultimo, di produzione di metano (metanogenesi).
Secondo un aspetto della presente invenzione, il processo di digestione anaerobica ? condotto in condizioni mesofile.
Con il termine ?mesofile? si intendono condizioni che prevedono temperature di circa 20-40?C e preferibilmente di circa 38-40?C.
Nel complesso, in tali condizioni il processo di digestione ha una durata di circa 20-35 giorni.
Secondo un altro aspetto della presente invenzione, il processo di digestione anaerobica ? condotto in condizioni termofile.
Con il termine ?termofile? si intendono condizioni che prevedono temperature >50?C e, preferibilmente, di circa 55?C.
Nel complesso, in tali condizioni il processo di digestione ha una durata di circa 14-20 giorni.
Secondo una forma realizzativa particolare della presente invenzione, la fase di digestione anaerobica ? condotta all?interno di un intervallo di temperatura preferito compreso fra circa 40-45?C.
Nel complesso, in tali condizioni il processo di digestione ha una durata di circa 21 giorni.
Secondo un aspetto particolare della presente invenzione, la massa iniziale sottoposta al processo di digestione anaerobica sopra descritto ? rappresentata da una massa omogenea di particelle fini di materiale organico a cui si fa riferimento con il termine di ?purea?.
Tale purea si presenta come un fango viscoso e perfettamente amalgamato con sostanza secca in misura ?25% misurata in assenza di sfalci.
La presenza stessa degli sfalci, costituiti da materiale di origine vegetale come foglie e rami, carta e cartone ? inferiore a circa il 15% in peso.
In un aspetto dell?invenzione, tale purea comprende particelle con dimensioni non superiori a 40 mm, preferibilmente non superiori a 30 mm.
In un aspetto preferito, tale purea contiene tali materiali inerti e non digeribili in una quantit? inferiore a 5% (peso/peso).
In un aspetto pi? preferito, tale purea contiene materiali inerti e non digeribili in una quantit? inferiore a 3% (peso/peso) e ancor pi? preferibilmente in una quantit? inferiore all?1% (peso/peso).
Tali inerti sono rappresentati da materiale non organico, come plastiche di diversa natura, vetro, metalli, e da materiale organico con tempi di digestione anaerobica superiori ai 30 gg, come ad esempio le bioplastiche.
Per gli scopi della presente invenzione, la purea iniziale ? ottenuta mediante un processo di pretrattamento di rifiuti organici per essere destinati alla successiva digestione anaerobica, comprendente una prima fase configurata per aprire imballaggi di rifiuti organici e triturare i rifiuti organici in particelle e una seconda fase di separazione in sotto-particelle di una componente organica umida putrescibile (purea) ed in sotto-particelle di una componente di materiale di scarto non putrescibile.
Come descritto, la purea ottenuta dalla fase di pretrattamento ? sottoposta al processo di digestione anaerobica della presente invenzione.
Il prodotto finale ottenuto con il processo di digestione anaerobica dell?invenzione, comunemente indicato come ?digestato? rappresenta un ulteriore oggetto della presente domanda di brevetto.
Tale prodotto pu? trovare applicazione come ammendante in agricoltura e, in quanto tale, rappresenta un ulteriore oggetto della presente invenzione.
Dalla descrizione sopra esposta dell?invenzione saranno evidenti alla persona esperta nel settore i vantaggi connessi al processo descritto.
Innanzitutto, quando il processo ? condotto nell?intervallo di temperatura pi? ristretto di circa 40-45?C, si sviluppa una particolare popolazione batterica, diversa, dal punto di vista qualitativo e quantitativo, da quella che si riscontra nei processi mesofili ed in quelli termofili.
Tale La comunit? batterica caratterizza l?efficienza del processo, in quanto ne modifica la cinetica.
Dal punto di vista della gestione di un simile processo, ? chiaro che ad una temperatura operativa compresa tra 40?C e 45?C i costi gestionali legati al riscaldamento dei reattori sono nettamente inferiori rispetto al reattore che opera in regime termofilo, laddove le temperature sono in genere intorno a 55?C.
La variazione della temperatura non va comunque a scapito della durata del tempo di permanenza all?interno del reattore, che resta comunque di circa 21 giorni.
Ci? rende questo specifico aspetto inventivo del tutto compatibile con i processi normalmente condotti senza incrementarne i costi operativi.
In questo regime di temperature, adottando un efficiente sistema di scambio e isolamento termico, i costi di riscaldamento dei digestori sono poi quasi trascurabili sui costi gestionali dell?intero impianto.
Inoltre, si osserva anche una maggiore stabilit? del sistema, che, se sottoposto a fenomeni inibitori, viene perturbato, ma rientra in condizione operative normali in un breve lasso di tempo.
Nel momento in cui i due aspetti inventivi oggetto della presente domanda di brevetto, rappresentati dalla fase di pre-trattamento e di digestione anaerobica, eventualmente nello specifico intervallo di temperatura, sono attuati contemporaneamente, la resa in biogas del processo ? ulteriormente migliorata.
La particolare massa (?purea?) sottoposta al processo della presente invenzione, poi, ha una composizione fisica omogenea, che consente in generale una migliore efficienza, e quindi resa, del processo anaerobico.
Infatti, le dimensioni medie delle particelle di rifiuto organico ottenute dal pretrattamento sono tali da accelerare i processi di degradazione che portano alla formazione di biogas (idrolisi, acidogenesi, ecc.) in quanto la temperatura all?interno della massa di purea ? pi? uniforme e l?attacco microbico avviene su una pi? ampia superficie delle particelle stesse esposta all?azione dei microbi.
Claims (10)
1. Un processo di digestione anaerobica di rifiuti organici domestici e altri rifiuti organici di tipo ?dry? che ? attuato su una massa avente un tenore in solidi compreso nell?intervallo 25-35% (peso/peso).
2. Il processo secondo la rivendicazione precedente, che ? attuato su una massa comprendere particelle con dimensioni non superiori a 40 mm, preferibilmente non superiori a 30 mm.
3. Il processo secondo la rivendicazione 1 o 2 comprendente le fasi di:
- Idrolisi,
- acidificazione,
- acetogenesi, e
- produzione di metano (metanogenesi),
in cui dette fasi sono condotte ad una temperatura di circa 20-40?C e preferibilmente di circa 38-40?C.
4. Il processo secondo la rivendicazione precedente, in cui detto processo di digestione ha una durata di circa 20-35 giorni.
5. Il processo secondo la rivendicazione 1 o 2 comprendente le fasi di:
- idrolisi
- acidificazione
- acetogenesi
- produzione di metano (metanogenesi)
in cui dette fasi sono condotte ad una temperatura >50?C e, preferibilmente, di circa 55?C.
6. Il processo secondo la rivendicazione precedente, in cui detto processo di digestione ha una durata di circa 14-20 giorni.
7. Il processo secondo la rivendicazione 1 o 2 comprendente le fasi di:
- idrolisi,
- acidificazione,
- acetogenesi, e
- produzione di metano (metanogenesi),
in cui dette fasi sono condotte ad una temperatura di circa 40-45?C.
8. Il processo secondo la rivendicazione precedente, in cui detto processo di digestione ha una durata di circa 21 giorni.
9. Un prodotto ottenuto con il processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
10. Uso di un prodotto secondo la rivendicazione precedente come ammendante in agricoltura.
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- 2022-06-13 EP EP22178667.6A patent/EP4105191A1/en active Pending
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