IT9022010A1 - Procedimento per la utilizzazione di rifiuti organici per la produzione di biogas e di prodotti per l'agricoltura - Google Patents
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Description
Descrizione dell'invenzione industriale dal titolo:
"Procedimento per la utilizzazione di rifiuti organici per la produzione di biogas e di prodotti per l'agricoltura".
Campo dell'invenzione e tecnica anteriore
La presente invenzione si riferisce a un procedimento mediante il quale rifiuti organici sostanzialmente liquidi, particolarmente rifiuti di allevamenti di suini (PWE), sono trattati biologicamente in un modo integrato che risolve i problemi di inquinamento causati da questi rifiuti e permette di trasformarli in biogas e prodotti utili per l'agricoltura, in particolare mezzi di coltura arricchiti ed elementi fertilizzanti.
Le moderne unità di allevamento di suini producono grossi volumi di PWE ad alto tenore di rifiuti organici.
La sostanza organica e le sostanze nutritive, per esempio azoto e fosforo, creano serio inquinamento dell'ambiente. Sino a tempi recenti, il modo più comune di trattare questi rifiuti era l'uso di una serie di vasche di sedimentazione e biologiche. Questo sistema presenta diversi inconvenienti, in particolare la necessità di vaste superfici di terreno, il potenziale inquinamento di risorse idriche e la produzione di cattivi odori.
Recentemente sono stati suggeriti nella letteratura brevettuale processi biologici più intensivi. Questi processi, mediante i quali i rifiuti sono digeriti aerobicamente in reattori chiusi a temperatura controllata, richiedono circa 10-20 giorni di tempo di permanenza. I materiali organici sono convertiti biologicamente in biogas e lo scarico dopo trattamento viene di solito disperso nel terreno come fertilizzante (Pozzi V.-World Patent Index (WPI) Acc. N.80-67764 C/39. "Metano e melma fertilizzante prodotti da rifiuti di allevamenti di bestiame mediante fermentazione anaerobica a 35*C per circa quindici giorni"). Altri brevetti trattano del miglioramento dell'efficienza del procedimento con mezzi più sofisticati, per esempio utilizzando tempi di permanenza differenziati per le frazioni solide e liquide dei rifiuti in un digestore a torre (Franz J. e Vollmer. G. R., WPI Acc. N. 89-207457/29).
Gli stessi autori hanno proposto un procedimento in cui le frazioni ad alto e basso tenore di solidi vengono separate e digerite in reattori separati e per tempi di permanenza differenti (Franz.J., Vollmer.G.R. , WPI Acc. N.87-299516/43). E' stato anche suggerito un aumento dell’efficienza del procedimento mediante separazione dello stadio di formazione dell'acido da quello di formazione del metano (Franz.J., Vollmer.G.R. e Holzapfel H., WPI Acc. N.85-122985/2I). Un brevetto analogo comprende uno stadio di ulteriore rifinitura del rifiuto in una vasca con alghe (Duhenil J. P., Chanart J. M. e Andouze B., WPI Acc. N.81-76238 D/42) .
E' stata anche suggerita la possibilità di combinare stadi aerobici e anaerobici per aumentare l'efficacia del procedimento e la resa in biogas (Vollmer. G.R. e Linke B., WPI Acc. N.87-257334/37) .
La possibilità di utilizzare i solidi di rifiuti trattati come miscela fertilizzante è stata suggerita da Balu, che ha inventato un procedimento a più stadi con temperature e durate diverse in ciascuno stadio. Il prodotto nell'invenzione di Balu è ottenuto in un procedimento anaerobico (Balu A., WPI Acc. N.84-294604/48) .
Oggetto dell 'invenzione
E' un oggetto dell'invenzione quello di fornire un procedimento per cui rifiuti organici sostanzialmente liquidi, specie rifiuti di allevamento di suini (PWE), sono trattati intensivamente per ridurre il loro carico di rifiuto organico, producendo utili sottoprodotti che riducano effettivamente il costo del procedimento.
Un altro oggetto dell'invenzione è quello di fornire un metodo mediante il quale i solidi sospesi sono rimossi dal liquido rendendo il liquido atto a subire un trattamento anaerobico ad alta resa.
Un ulteriore oggetto dell'invenzione è quello di fornire un procedimento di digestione anaerobica ad alta resa per la frazione liquida del PWE con un'elevata produzione di biogas per usi energetici. Il procedimento produce anche effluenti adatti per irrigazione o come materiale di alimentazione per vasche di trattamento biologico che danno acqua riciclata per il lavaggio dei porcili e biomasse ad elevato tenore di protezione (alghe o lentischio) per alimentazione di animali. Un ulteriore oggetto dell'invenzione è quello di Fornire un procedimento per il trattamento anaerobico della frazione solida separata dai rifiuti di allevamenti di suini (PWE) o da altri rifiuti organici sostanzialmente liquidi, come ad esempio effluenti di impianti per la lavorazione del latte o altri rifiuti dell'industria alimentare, con elevata produzione di biogas ed efficiente bio-stabilizzazione dei solidi che vengono poi trattati mediante bio-stabilizzazione aerobica per ottenere un prodotto stabile ricco di fibre adatte come componente di mezzi di coltura per piante (PWDERM).
I vantaggi principali del procedimento della presente invenzione sono:
1 - elevata produzione di biogas;
2 - produzione di PWDERM di alto valore mediante elevata biostabilizzazione della frazione solida;
3 - modesta richiesta di spazio;
4 - ridotto volume dei reattori;
5 - riciclo di gran parte dell'acqua per irrigare, per la produzione di biomassa ad alto tenore proteico e per il lavaggio dei porcili.
Descrizione dettagliata dell'invenzione
La presente invenzione si riferisce ad un procedimento mediante il quale rifiuti organici sostanzialmente liquidi, specie rifiuti di allevamenti di suini (PWE), sono trattati in una serie di passaggi fisici e biologici integrati. 11 procedimento secondo l'invenzione comprende le seguenti fasi:
a) separazione dei rifiuti organici in una frazione solida e una liquida;
b) digestione anaerobica ad alta velocità di detta frazione liquida per produrre biogas, un effluente liquido ed·un eccesso di melma anaerobica;
c) digestione anaerobica della frazione solida proveniente dallo stadio a) unitamente all'eccesso di melma anaerobica prodotto nello stadio b) in un reattore con agitatore ad alimentazione continua (CSTR);
d) separazione della melma proveniente dallo stadio c) in frazioni solida e liquida e riciclo parziale della frazione liquida al reattore di digestione anaerobica dello stadio b);
e) maturazione aerobica della frazione solida proveniente dallo stadio d) unitamente alla parte della frazione liquida non riciclata;
f) separazione dall'effluente liquido proveniente dallo stadio b) delle biomasse utili come mangimi per animali e riciclo della parte acquosa di detto effluente.
Il primo stadio del procedimento è costituito dalla separazione dei rifiuti organici sostanzialmente liquidi in frazioni solide e liquide.
Ciò può essere ottenuto con una qualsiasi operazione di sedimentazione, filtrazione o centrifugazione.
La separazione permette di allontanare dalla frazione liquida la maggior parte del materiale in sospensione, lasciando un effluente più o meno chiaro.
Come effluente chiaro si intende qui un liquido che lascia non più di 1% vol/vol di sedimento in particelle fini in un saggio di sedimentazione di due ore eseguito in un imbuto di Imhoff o simili .
L’effluente chiaro viene alimentato ad un digestore anaerobico ad alta velocità (DIG-I). Il digestore anaerobico è preferibilmente del tipo a letto anaerobico di melma ascendente (UASB) o del tipo per processi a contatto.
I reattori del tipo a filtro anaerobico sono meno adatti perchè possono dar origine a problemi di intasamento dovuti alle particelle fini presenti nel liquido.
Quando si usa un reattore tipo UASB, è opportuno che detto reattore sia attrezzato anche per la ricircolazione del contenuto del reattore per prevenire possibili intasamenti.
Un tempo tipico di permanenza nel (DIG-I) è nell’intervallo fra 0,5 e 2,5 giorni. Il biogas prodotto in questo stadio è inviato a un sistema di stoccaggio/utilizzazione, dove viene aggiunto al biogas prodotto dall'altro digestore (DIG-II) del sistema, detto digestore essendo di tipo CSTR (reattore continuo con agitazione) .
Il digestore ad alta velocità (DIG-I) può essere sia del tipo mesofilo, operante cioè ad una temperatura compresa fra 28* e 38*C, che termofilo, operante cioè fra 45° e 60*C, a seconda del tipo di biomassa utilizzata, in particolare del tipo di batterò metanogeno presente in essa.
Secondo una realizzazione preferita del procedimento secondo l'invenzione, le biomasse attive per la fase b), specie i batteri metanogeni, sono acclimatate gradualmente e adattate alle specifiche condizioni operative.
L'eccesso di melma anaerobica, che comprende anche del materiale inerte in sospensione, e che si forma con una velocità giornaliera costante di circa 2% vol/vol rispetto alla melma esistente nel menzionato digestore ad alta velocità (DIG-I), è trasferito ogni poche settimane al digestore (DIG-II), tipicamente da 2 a 10 settimane.
Questo è fatto principalmente per prevenire l'accumulo di melma in (DIG-I) ma serve anche ad accelerare la produzione di gas in (DIG-II) e migliora la resa in biogas in guanto si trasferiscono biomasse attive già completamente acclimatate ed adattate al tipo di alimentazione utilizzata nel procedimento.
L'effluente liquido proveniente da (DIG-I) può essere utilizzato direttamente come fertilizzante liquido oppure può essere purificato per eliminare 1aggior parte del materiale sospeso, per ridurre il COD e il BOD e per ridurre o eliminare il contenuto di materiali contenenti azoto e fosforo, usando vasche di ossidazione per biomassa con alghe o lentischio.
L'effluente così purificato è riciclato per lavare i porcili mentre la biomassa di alga o lentischio è usata come mangime ad alto tenore di proteine per gli animali.
Secondo una forma di realizzazione preferita del procedimento secondo l'invenzione il biogas prodotto nelle fasi di digestione b) e c) viene utilizzato per generare il calore necessario a mantenere la temperatura degli stessi digestori al livello ottimale per il trattamento.
La frazione solida separata nella fase a) viene stabilizzata mediante due successivi passaggi biologici. Il primo è una digestione anaerobica condotta in un digestore tipo CSTR (DIG-II) mentre il secondo è sostanzialmente costituito da una maturazione aerobica condotta in opportuna apparecchiatura, come verrà di seguito indicato.
Il tempo di permanenza tìpico nel reattore (DIG-II) è compreso nell'intervallo da 7-5 a 15 giorni.
Il biogas prodotto è stoccato o utilizzato insieme con quello prodotto da (DIG-I).
La melma digerita da (DIG-II) viene separata in frazioni liquida e solida. Ciò può essere ottenuto con una qualsiasi operazione di sedimentazione, filtrazione o centrifugazione. La frazione liquida viene riciclata a (DIG-I) per ulteriore trattamento, mentre la frazione solida viene sottoposta alla seconda fase di stabilizzazione aerobica (maturazione aerobica). L'apparecchiatura per la fase di maturazione aerobica può essere molto varia a seconda delle dimensioni dell'operazione e di altre condizioni locali, in pratica da semplici ammassi di detriti tenuti all'aria aperta, fino a tecnologie meccaniche ad aerazione controllata.
La durata di questa fase è compresa fra 3 e 8 settimane, con i tempi più brevi per le tecnologie più sofisticate. Il prodotto stabilizzato proveniente da questa fase è differente da quelli descritti nei brevetti ricordati sopra nella parte "Campo della invenzione e tecnica anteriore". Questo prodotto chiamato PWDERM è in uno stadio più avanzato di stabilizzazione per cui ha una auto-richiesta trascurabile di ossigeno quando immesso nel terreno. Il volume del materiale non si restringe quando messo in vasi o altri contenitori come mezzo di coltura. Il PWDERM contiene soltanto una piccola proporzione di particelle fini, e quindi ha una elevata capacità di ritenzione di aria. Si è trovato che il PWDERM è privo di patogeni e si è dimostrato efficace componente di mezzi di coltura per orticoltura intensiva in vivai di piante, in serre e nel giardinaggio domestico.
Secondo una reealizzazione preferita del procedimento si aggiungono al digestore CSTR (DIG-II) della fase c) rifiuti vegetali solidi a pezzetti, per esempio paglia di grano o di orzo, piante di pomodoro, massa macrofltlca, per ottenere più biogas e fibre digerite.
Detti rifiuti vegetali possono essere anche aggiunti direttamente nella fase e) di digestione aerobica della frazione ad alto contenuto di solidi.
Il materiale aerobicamente maturo (simile a humus o a terriccio) ottenuto dalla fase e) del procedimento è vantaggiosamente usato in orticoltura da solo o come componente di miscele per coltura di piante o per qualsiasi scopo di concimazione o condizionamento del suolo.
Come già detto sopra, è evidente per l'esperto del settore che, pur avendo fatto principalmente riferimento nella descrizione al trattamento di rifiuti di allevamento di suini (PWE), il procedimento descritto può essere facilmente applicato ad altri tipi di rifiuti, come ad esempio effluenti di impianti per la lavorazione del latte o altri rifiuti dell'industria alimentare.
L'invenzione verrà ora descritta con maggior dettaglio negli esempi che seguono.
Esempio 1
I rifiuti di un allevamento di suini (PWE) vennero alimentati ad un separatore vibrante "Sweco" di 600 mm di diametro con una velocità da 1,5 a 3 m /ora.
II separatore era equipaggiato con due vagli, uno superiore di 40 mesh (apertura 0,39 mm) e 11110 inferiore e più fine di 200 mesh (0,070 mm di apertura).
Il volume medio della fase liquida risultante (L-l) era 85% del volume di PWE usato, variabile fra 80 e 90%.
Il volume della frazione ad alto contenuto di solidi (VS) era pari al 15X del volume del PWE iniziale, con una variabilità fra 10 e 20*.
Il valore di C0D (richiesta chimica di ossigeno) del PWE tal quale era 20.000 ppm, mentre il valore di C0D ottenuto nella frazione liquida separata era 4.800 ppm.
La concentrazione totale di solidi (TS) della frazione ad alto contenuto di solidi (VS) era 115 g/1 (pari a 11.5% p/v).
Una parte della frazione liquida proveniente dal separatore Sweco venne conservata in una stanza mantenuta a 4°C per 4 settimane per essere poi alimentata a un digestore anaerobico ad alta velocità ((DIG-I)).
Il reattore (DIG-I) era del tipo anaerobico a flusso ascendente con strato di melma (UASB), con un volume operante di 81, con forma a colonna ed avente i due compartimenti principali di 41 ciascuno. Il comparto superiore, dove aveva luogo la maggior parte dell'attività biologica, aveva 60 mm di diametro e un'altezza di 142 cm. Il reattore (DIG-I) era riscaldato termostaticamente a 35°C mediante una camicia ad acqua calda. Il comparto superiore aveva un diametro di 14 cm, è alto 30 cm ed è collegato mediante una sezione a imbuto incamiciata alla colonna inferiore.
La parte superiore serviva principalmente come sedimentatore. La raccolta, la misura e l'analisi del gas prodotto vennero effettuate con metodi convenzionali.
Il reattore (DIG-I) era alimentato automaticamente ed il suo contenuto veniva fatto ricircolare mediante una pompa a diaframma (Herstelling, tipo E 0212) controllata da un temporizzatore. La frazione liquida veniva preriscaldata a 25~30° ed alimentata automaticamente a (DIG-I) durante il giorno.
Il rapporto di ricircolazione (R) venne mantenuto al valore di 6,8, regolando il flusso della pompa.
Il contenuto di CH4 veniva misurato gas-cromatograficamente. I risultati del funzionamento stabilizzato di (DIG-I) sono riportati nella seguente Tabella 1.
I risultati sopra riportati rappresentano i valori medi ri scontrati in 3 mesi di funzionamento stabilizzato di due reat tori UASB.
Una parte della frazione ad alto contenuto di solidi (VS) proveniente dal separatore Sweco venne conservata in una stanza mantenuta a 4“C per 4 settimane per essere poi alimentata a un digestore sperimentale di tipo CSTR (DIG-II).
Si operò in parallelo con due digestori operanti nella condizioni riportate nella seguente Tabella 2.
Tabella 2.
Principali parametri di funzionamento del reattore CSTR alimentato con la frazione ad alto contenuto di solidi (VS) separata da PWE.
La resa inedia calcolata di biogas in questo stadio è pari a 0,25 1 biogas/g di prodotto solido alimentato.
La fanghiglia digerita prodotta dal reattore CSTR venne raccolta giornalmente e conservata in una stanza mantenuta a 4“C per tutto il periodo dell'esperimento {circa 3 mesi). La fanghiglia digerita venne quindi trattata con il separatore vibrante "Sweco" sopra descritto per separare la frazione solida dall'acqua che venne scaricata.
La risultante frazione solida venne maturata aerobicamente in un reattore avente una capacità di 301, munito di camicia di riscaldamento e di un sistema controllato di alimentazione d'aria. L'aria veniva alimentata dal fondo del reattore per 5 min. ogni ora mediante un ventilatore controllato da un temporizzatore .
Il materiale di maturazione veniva mescolato manualmente due volte nella prima settimana e quindi una volta ogni settimana. Il tempo totale di maturazione fu di 8 settimane.
Durante il procedimento di maturazione il materiale cambiava di colore da bruno a nero acquistando il tipico odore del terriccio di foresta. La perdita di peso durante la maturazione era circa 50# mentre la perdita di volume era soltanto del 40% circa.
Il contenuto di lignina aumentava da 21# e 27# nel prodotto maturato .
Il prodotto maturato, detto PWDERM è simile, per il contenuto di lignina, alla torba e può essere usato per una varietà di scopi agricoli e orticoli.
Claims (15)
- RIVENDICAZIONI 1 . Procedimento per il trattamento di rifiuti organici sostanzialmente liquidi comprendente le seguenti fasi: a) separazione dei rifiuti organici in una frazione solida e una liquida; b) digestione anaerobica ad alta velocità di detta frazione liquida per produrre biogas, un effluente liquido ed un eccesso di melma anaerobica; c) digestione anaerobica della frazione solida proveniente dallo stadio a) unitamente all'eccesso di melma anaerobica prodotto nello stadio b) in un reattore con agitatore ad alimentazione continua (CSTR); d) separazione della melma proveniente dallo stadio c) in frazioni solida e liquida e riciclo parziale della frazione liquida al reattore di digestione anaerobica dello stadio b); e) maturazione aerobica della frazione solida proveniente dallo stadio d) unitamente alla parte della frazione liquida non riciclata; f) separazione dall'effluente liquido proveniente dallo stadio b) delle biomasse utili come mangimi per animali e riciclo della parte acquosa di detto effluente.
- 2. Processo secondo la rivendicazione 1. caratterizzata dal fatto che detta digestione anaerobica della fase b) viene effettuata in un digestore ad alta velocità del tipo a letto anaerobico di melma ascendente (UASB).
- 3. Procedimento secondo la rivendicazione 2. caratterizzata dal fatto che detto digestore ad alta velocità UASB è attrezzato per la ricircolazione del suo contenuto.
- 4. Procedimento secondo la rivendicazione 1. caratterizzata dal fatto che la digestione anaerobica della fase b) viene condotta per un tempo di permanenza compreso fra 0,5 e 2,5 giorni .
- 5. Procedimento secondo la rivendicazione 1. caratterizzata dal fatto che le digestioni anaerobiche delle fasi b) e c) sono condotte con biomasse mesofile ad una temperatura compresa fra 28° e 38°C.
- 6. Procedimento secondo la rivendicazione 1. caratterizzata dal fatto che le digestioni anaerobiche delle fasi b) e c) sono condotte con biomasse termofile ad una temperatura compresa fra 45* e 60"C.
- 7. Procedimento secondo la rivendicazione 1. caratterizzata dal fatto che le digestioni anaerobiche delle fasi b) e c) sono condotte con biomasse acclimatate gradualmente e adattate alle specifiche condizioni operative.
- 8. Procedimento secondo la rivendicazione 1. caratterizzata dal fatto che l'eccesso di melma anaerobica è trasferito alla fase c) ogni poche settimane, da 2 a 10 settimane.
- 9- Procedimento secondo la rivendicazione 1. caratterizzata dal fatto che il biogas prodotto nelle fasi di digestione b) e c) viene utilizzato per generare il calore necessario a mantenere la temperatura degli stessi digestori al livello ottimale per il trattamento.
- 10. Procedimento secondo la rivendicazione 1. caratterizzata dal fatto che la digestione anaerobica della fase c) viene condotta per un tempo tempo di permanenza nel reattore compreso fra 7-5 e 15 giorni.
- 11. Procedimento secondo la rivendicazione 1. caratterizzata dal fatto che la fase e) di maturazione aerobica dura da 3 a 8 settimane.
- 12. Procedimento secondo la rivendicazione 1. caratterizzata dal fatto che la fase e) di maturazione aerobica viene condotta su semplici ammassi di detriti tenuti all'aria aperta.
- 13. Procedimento secondo la rivendicazione 1. caratterizzata dal fatto che la fase c) di digestione anaerobica viene condotta aggiungendo alla massa di reazione rifiuti vegetali solidi a pezzetti.
- 14.. Procedimento secondo la rivendicazione 1. caratterizzata dal fatto che la fase e) di maturazione aerobica viene condotta aggiungendo alla massa di reazione rifiuti vegetali solidi a pezzetti.
- 15. Procedimento secondo la rivendicazione 1. caratterizzata dal fatto che il materiale aerobicamente maturo ottenuto dalla fase e) del procedimento è usato in orticoltura da solo o come componente dì miscele per coltura di piante o per qualsiasi scopo di concimazione o condizionamento del suolo.
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