ITCR20090003A1 - PHOTOCATALYTIC TREATMENT SYSTEM FOR REDUCTION OF NITROGEN CONTENT IN LIVESTOCK AND RELATIVE PLANT. - Google Patents
PHOTOCATALYTIC TREATMENT SYSTEM FOR REDUCTION OF NITROGEN CONTENT IN LIVESTOCK AND RELATIVE PLANT. Download PDFInfo
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Description
DESCRIZIONE DESCRIPTION
SISTEMA DI TRATTAMENTO FOTOCATALITICO PER LA RIDUZIONE DEL CONTENUTO DI AZOTO NEI REFLUI ZOOTECNICI E RELATIVO IMPIANTO PHOTOCATALYTIC TREATMENT SYSTEM FOR THE REDUCTION OF THE NITROGEN CONTENT IN THE ZOOTECHNICAL WASTE AND RELATED PLANT
DESCRIZIONE DESCRIPTION
L’invenzione si rivolge al settore del trattamento dei liquami per la riduzione del contenuto di azoto. The invention is aimed at the sewage treatment sector for the reduction of nitrogen content.
Più nel dettaglio, l’invenzione riguarda un sistema di trattamento fotocatalitico per la riduzione del contenuto di azoto nei liquami, e si indirizza particolarmente (ma non esclusivamente) al trattamento dei reflui zootecnici. More in detail, the invention relates to a photocatalytic treatment system for reducing the nitrogen content in sewage, and is particularly (but not exclusively) addressed to the treatment of livestock waste.
L’invenzione riguarda inoltre un impianto per realizzare detto sistema di trattamento. The invention also relates to a plant for making said treatment system.
L’elevato contenuto di azoto nei liquami, più o meno trattati con sistemi di riduzione del contenuto di sostanze inquinanti, può causare fenomeni di eutrofizzazione ed acidificazione delle acque dei corpi idrici ricettori e, se riutilizzati sul suolo come fertilizzanti, può generare emissione in atmosfera di ammoniaca gassosa, di azoto molecolare e protossido d’azoto, nonché l’inquinamento delle acque profonde e superficiali a seguito della lisciviazione di nitrati. The high nitrogen content in the sewage, more or less treated with systems to reduce the content of pollutants, can cause eutrophication and acidification of the waters of the receiving water bodies and, if reused on the soil as fertilizers, can generate emissions in atmosphere of gaseous ammonia, molecular nitrogen and nitrous oxide, as well as the pollution of deep and surface waters following the leaching of nitrates.
La Comunità Economica Europea ha affrontato tali problemi adottando la così detta Direttiva Nitrati (Direttiva 1991/676/CEE), che ha l’obiettivo di ridurre e prevenire l’inquinamento delle acque, diretto o indiretto, provocato da nitrati provenienti da fonti agricole. Essa richiede che gli Stati membri individuino le acque inquinate (o che potrebbero essere inquinate) sia superficiali che sotterranee, e designino le Zone Vulnerabili; richiede inoltre che fissino codici di buona pratica agricola ed applichino programmi d’azione per le Zone Vulnerabili, imponendo su di esse un limitato carico d’azoto, passando da una quantità annua di 340 kgN/ha, a 170 kgN/ha. The European Economic Community has addressed these problems by adopting the so-called Nitrates Directive (Directive 1991/676 / EEC), which aims to reduce and prevent water pollution, direct or indirect, caused by nitrates from agricultural sources. It requires Member States to identify polluted (or potentially polluted) waters, both surface and underground, and designate Vulnerable Zones; it also requires that they establish codes of good agricultural practice and apply action programs for Vulnerable Zones, imposing a limited nitrogen load on them, going from an annual quantity of 340 kgN / ha to 170 kgN / ha.
La Direttiva Nitrati à ̈ stata recepita in Italia con il D.Lgs. 152/2006, ma la Regione Lombardia ne aveva già anticipato il recepimento fin dal 1993 con la L.R. 37 ed il suo regolamento attuativo. The Nitrates Directive was implemented in Italy with Legislative Decree 152/2006, but the Lombardy Region had already anticipated its implementation since 1993 with the L.R. 37 and its implementing regulation.
Le tecniche attualmente in uso per la riduzione del contenuto di azoto nei reflui zootecnici si basano sostanzialmente sul contenimento dell’azoto escreto attraverso la riduzione dell’azoto proteico nella dieta o sulla riduzione dell’azoto nel liquame con trattamenti fisici, chimicofisici e biologici. The techniques currently in use for the reduction of nitrogen content in livestock waste are essentially based on the containment of nitrogen excreted through the reduction of protein nitrogen in the diet or on the reduction of nitrogen in the slurry with physical, chemical and physical treatments and biological.
Relativamente ai trattamenti di riduzione dell’azoto nei liquami, preferibilmente associati ad una razionale gestione degli effluenti, si adottano in genere le tecniche seguenti: With regard to nitrogen reduction treatments in sewage, preferably associated with a rational management of the effluents, the following techniques are generally adopted:
1 . Separazione dei solidi grossolani e fini dalla fase liquida; 1. Separation of coarse and fine solids from the liquid phase;
2. Stabilizzazione degli effluenti; 2. Stabilization of effluents;
3. Rimozione biologica dell’azoto; 3. Biological removal of nitrogen;
4. Estrazione di azoto come concime minerale; 4. Extraction of nitrogen as a mineral fertilizer;
5. Produzione di energia combinata con la rimozione dell’azoto; 6. Fitodepurazione. 5. Energy production combined with nitrogen removal; 6. Constructed wetlands.
I difetti delle tecniche attualmente in uso sono i seguenti: The defects of the techniques currently in use are the following:
1. Separazione dei solidi grossolani e fini dalla fase liquida 1. Separation of coarse and fine solids from the liquid phase
Riduce l’azoto e il fosforo solo se si esporta la frazione solida paiabile al di fuori dell’azienda. It reduces nitrogen and phosphorus only if the paiable solid fraction is exported outside the company.
Richiede vasche di stoccaggio per il liquido separato e una platea per lo stoccaggio della frazione paiabile. Richiede inoltre attrezzature per la distribuzione dei solidi palabili. It requires storage tanks for the separated liquid and a platform for the storage of the pairable fraction. It also requires equipment for the distribution of palatable solids.
I rendimenti di rimozione dipendono dal contenuto di solidi del liquame in ingresso. The removal yields depend on the solids content of the incoming slurry.
Non sempre il prodotto separato à ̈ paiabile e quindi, soprattutto per la separazione dei solidi fini, può essere necessario l'utilizzo di additivi per migliorare l’efficacia della separazione, con un incremento di costo da considerare con attenzione. The separated product is not always coupled and therefore, especially for the separation of fine solids, it may be necessary to use additives to improve the effectiveness of the separation, with an increase in cost to be carefully considered.
L’azoto in forma ammoniacale non viene separato. Nitrogen in ammonia form is not separated.
Riduzione di azoto ottenibile: 4-35%. Obtainable nitrogen reduction: 4-35%.
2. Stabilizzazione degli effluenti 2. Stabilization of effluents
L’obiettivo à ̈ di migliorare la gestibilità degli effluenti, ma non specificatamente la rimozione dell’azoto. L’eventuale riduzione dell’azoto si verifica per volatilizzazione deH’ammoniaca e quindi à ̈ necessario minimizzare la quantità emessa in atmosfera, eventualmente filtrando l’aria esausta. The goal is to improve the manageability of the effluents, but not specifically the removal of nitrogen. The possible reduction of nitrogen occurs by volatilization of ammonia and therefore it is necessary to minimize the quantity emitted into the atmosphere, possibly filtering the exhausted air.
In questi trattamenti in cui si può liberare ammoniaca e altri composti volatili, à ̈ necessario verificare la compatibilità con le normative per le emissioni e le autorizzazioni necessarie. In these treatments in which ammonia and other volatile compounds can be released, it is necessary to check the compatibility with the regulations for the emissions and the necessary authorizations.
I consumi energetici possono essere elevati. La riduzione deH’umidità dell’effluente à ̈ raramente proponibile per gli effluenti liquidi. Nella produzione di compost deve essere filtrata l’aria esausta rimuovendo l'ammoniaca. Energy consumption can be high. The reduction of the humidity of the effluent is rarely feasible for liquid effluents. In the production of compost, the exhaust air must be filtered by removing ammonia.
Riduzione di azoto ottenibile: 0-20%. Obtainable nitrogen reduction: 0-20%.
3. Rimozione biologica dell’azoto 3. Biological removal of nitrogen
Questa tipologia di trattamento à ̈ adatta per le aziende zootecniche che non trovano altre soluzioni alla gestione delle eccedenze azotate. I costi elevati di investimento e di gestione rendono questi impianti molto onerosi e la loro scelta deve essere valutata in modo oculato e con un supporto tecnico qualificato. This type of treatment is suitable for livestock farms that do not find other solutions to the management of nitrogen surpluses. The high investment and management costs make these systems very expensive and their choice must be evaluated wisely and with qualified technical support.
I consumi energetici sono elevati. Le efficienze complessive di rimozione dell’azoto non superano il 70%. La quota rimanente deve essere gestita agronomicamente o esportata al di fuori dell’azienda. Riduzione di azoto ottenibile: 50-70%. Energy consumption is high. Overall nitrogen removal efficiencies do not exceed 70%. The remaining portion must be managed agronomically or exported outside the company. Obtainable nitrogen reduction: 50-70%.
4. Estrazione di azoto come concime minerale 4. Extraction of nitrogen as a mineral fertilizer
Si adottano tecniche conservative: l’azoto e il fosforo vengono separati e concentrati, ma non eliminati. Conservative techniques are adopted: nitrogen and phosphorus are separated and concentrated, but not eliminated.
La separazione preliminare produce dei solidi paiabili organici che devono essere gestiti e valorizzati. Preliminary separation produces organic paiable solids that must be managed and enhanced.
Le efficienze di rimozione dell’azoto in forma minerale sono del 45-65%. La quota rimanente à ̈ in parte nell’effluente liquido e in parte nella frazione paiabile che deve essere gestita opportunamente. The efficiencies of nitrogen removal in mineral form are 45-65%. The remaining portion is partly in the liquid effluent and partly in the paiable fraction which must be appropriately managed.
Riduzione di azoto ottenibile: 45-65%. Obtainable nitrogen reduction: 45-65%.
5. Produzione di energia combinata con la rimozione dell’azoto La sola produzione di biogas ed energia da fonte rinnovabile à ̈ ottenibile sia con liquami che con effluenti paiabili. È però una tecnica finalizzata ad ottenere energia e non alla riduzione del contenuto d’azoto. 5. Energy production combined with nitrogen removal The only production of biogas and energy from renewable sources is obtainable both with sewage and with paiable effluents. However, it is a technique aimed at obtaining energy and not at reducing the nitrogen content.
Lo sfruttamento termico à ̈ proponibile solo con materiale secco. Bisogna prestare attenzione alle emissioni in aria che devono essere controllate, sia nei processi termici, sia nella produzione e utilizzazione del biogas. Thermal exploitation is only feasible with dry material. Attention must be paid to the emissions into the air that must be controlled, both in thermal processes and in the production and use of biogas.
Si adottano perciò tecniche combinate, come ad esempio lo strippaggio deH’ammoniaca dai liquami preventivamente riscaldati grazie all’insufflazione di aria. Therefore, combined techniques are adopted, such as the stripping of ammonia from the previously heated sewage thanks to the insufflation of air.
L’ammoniaca viene poi salificata e catturata con una soluzione acida in una torre di lavaggio, per impedirne la dispersici nell’ambiente e produrre solfato d’ammonio. The ammonia is then salified and captured with an acid solution in a washing tower, to prevent its dispersion in the environment and produce ammonium sulphate.
La produzione di materiale paiabile richiede una attenta valutazione e gestione che può includere l’eventuale esportazione al di fuori dell’azienda. The production of paiable material requires careful evaluation and management which may include the eventual export outside the company.
Riduzione di azoto ottenibile: 45-70%. Obtainable nitrogen reduction: 45-70%.
6. Fitodepurazione 6. Constructed wetlands
La fitodepurazione non può essere alimentata con liquami tal quali ma solo dopo un efficace trattamento di riduzione del carico organico e dell’azoto. Constructed wetlands cannot be fed with sewage as such but only after an effective treatment to reduce the organic load and nitrogen.
E’ indicata quindi per liquami che hanno subito un trattamento preliminare. Richiede estese superfici per l'installazione dell'impianto. Riduzione di azoto ottenibile: 20-40% It is therefore suitable for sewage that has undergone a preliminary treatment. It requires large surfaces for the installation of the system. Nitrogen reduction achievable: 20-40%
Si conoscono anche sistemi più innovativi di trattamento di liquidi per ottenere una riduzione del contenuto di sostanze inquinanti organiche ed inorganiche negli stessi, quali, ad esempio, il trattamento fotocatalitico delle acque dio scarico, basato su un processo che recentemente ha avuto ampio sviluppo anche per la depurazione deN’aria. More innovative liquid treatment systems are also known to obtain a reduction in the content of organic and inorganic pollutants in the same, such as, for example, the photocatalytic treatment of wastewater, based on a process that has recently had extensive development also for air purification.
La fotocatalisi con semiconduttori si basa sull’assorbimento di radiazione luminosa da parte del semiconduttore che, grazie alla sua peculiare struttura elettronica, porta alla formazione sulla sua superficie di specie fortemente ossidanti e fortemente riducenti, in grado di decomporre le sostanze organiche e inorganiche presenti nell'atmosfera e nell’acqua. Photocatalysis with semiconductors is based on the absorption of light radiation by the semiconductor which, thanks to its peculiar electronic structure, leads to the formation on its surface of strongly oxidizing and strongly reducing species, able to decompose the organic and inorganic substances present in the atmosphere and in the water.
Il processo di fotocatalisi avviene senza che il fotocatalizzatore (ad esempio, il biossido di titanio, Ti02) subisca trasformazioni chimiche; questo garantisce una efficacia del processo continua e costante nel tempo. The photocatalysis process takes place without the photocatalyst (for example, titanium dioxide, Ti02) undergoing chemical transformations; this guarantees a continuous and constant effectiveness of the process over time.
Il processo fotocatalitico ha quindi inizio con l’esposizione di un semiconduttore, che funge da fotocatalizzatore, a radiazione luminosa di energia uguale o superiore rispetto al band gap del semiconduttore stesso. A seguito di assorbimento di fotoni, elettroni nel semiconduttore vengono fotopromossi dalla banda di valenza alla banda di conduzione, lasciando indietro vacanze o “buche†nella banda di valenza. Si formano così coppie di portatori di carica mobili, gli elettroni nella banda di conduzione e le buche nella banda di valenza. Una delle caratteristiche più importanti del ΊΊΟ2, l’ossido semiconduttore che viene più largamente usato come fotocatalizzatore, date le sue peculiari capacità di assorbire la radiazione senza subire fenomeni di fotocorrosione, à ̈ che il potere ossidante delle buche fotogenerate nella banda di valenza, che tendono ad essere riempite da parte di specie adsorbite sulla superficie del fotocatalizzatore e che a loro volta si ossidano - ad esempio l’acqua 0 gli anioni ossidrile, che danno radicali OH fortemente ossidanti - à ̈ maggiore del potere riducente degli elettroni eccitati nella banda di conduzione (A.Fujishima, T.N.Rao, D.A.Tryk, J. Photochem. Photobiol. C: Photochem. Rev.1 (2000) 1). In contatto con aria, questi ultimi tipicamente interagiscono con l’ossigeno molecolare, a dare l'anione superossido, a sua volta un debole ossidante, in grado di combinarsi con i composti organici. The photocatalytic process therefore begins with the exposure of a semiconductor, which acts as a photocatalyst, to light radiation having an energy equal to or greater than the band gap of the semiconductor itself. Following absorption of photons, electrons in the semiconductor are photopromoted from the valence band to the conduction band, leaving behind vacancies or holes in the valence band. Thus pairs of mobile charge carriers are formed, the electrons in the conduction band and the holes in the valence band. One of the most important characteristics of ΊΊΟ2, the semiconductor oxide that is most widely used as a photocatalyst, given its peculiar ability to absorb radiation without undergoing photocorrosion phenomena, is that the oxidizing power of the photogenerated holes in the valence band, which tend to be filled by species adsorbed on the surface of the photocatalyst and which in turn oxidize - for example water or hydroxyl anions, which give strongly oxidizing OH radicals - is greater than the reducing power of the electrons excited in the conduction band (A.Fujishima, T.N.Rao, D.A.Tryk, J. Photochem. Photobiol. C: Photochem. Rev.1 (2000) 1). In contact with air, the latter typically interact with molecular oxygen, to give the superoxide anion, in turn a weak oxidant, capable of combining with organic compounds.
Numerosi gruppi di ricerca, a livello mondiale, negli ultimi due decenni sono stati coinvolti nello studio cinetico dei processi di fotodegradazione di composti organici ed inorganici in mezzo gassoso o in soluzione. Come inquinanti, sono stati presi in esame ad esempio fenoli, nitrofenoli, aniline, cianuri liberi e complessati, pesticidi, farmaci e vari composti organici volatili. La velocità di foto-ossidazione dei substrati organici à ̈ stata ampiamente studiata in funzione di alcuni parametri sperimentali, quali la concentrazione iniziale del substrato, la quantità di fotocatalizzatore, il pH iniziale, la potenza dell'irraggiamento, la concentrazione dell’ossigeno presente. Le espressioni di velocità , i cammini di reazione e i modelli cinetici desunti dai dati sperimentali possono essere utilizzati per predire la fattibilità di un processo. Numerous research groups, worldwide, in the last two decades have been involved in the kinetic study of the photodegradation processes of organic and inorganic compounds in gaseous medium or in solution. As pollutants, phenols, nitrophenols, anilines, free and complexed cyanides, pesticides, drugs and various volatile organic compounds were examined, for example. The speed of photo-oxidation of organic substrates has been extensively studied as a function of some experimental parameters, such as the initial concentration of the substrate, the amount of photocatalyst, the initial pH, the power of irradiation, the concentration of oxygen present. . Rate expressions, reaction paths and kinetic models derived from experimental data can be used to predict the feasibility of a process.
Ricercatori giapponesi del Dipartimento di Chimica Applicata dell’Università di Tokyo hanno recentemente messo a punto un reattore pilota per la degradazione di tensioattivi non ionici - quali, ad es. il poliossietilene - basato sulla reazione fotocatalitica generata da nanoparticelle di Ti02attivate da luce ultravioletta. La reazione, la cui velocità à ̈ correiabile con la superficie del biossido di titanio raggiunta dalla radiazione, ha dimostrato che elevate concentrazioni di tensioattivi presenti nelle acque possono venire totalmente eliminate (fotomineralizzate) anche per irraggiamento con la frazione di luce ultravioletta normalmente presente nello spettro solare. Japanese researchers from the Department of Applied Chemistry of the University of Tokyo have recently developed a pilot reactor for the degradation of non-ionic surfactants - such as, for example. polyoxyethylene - based on the photocatalytic reaction generated by Ti02 nanoparticles activated by ultraviolet light. The reaction, whose speed is correctable with the surface of the titanium dioxide reached by the radiation, has shown that high concentrations of surfactants present in the water can be totally eliminated (photomineralized) even by irradiation with the ultraviolet light fraction normally present in the spectrum. solar.
Le notevoli capacità di disinfezione di acque di scarico mediante processi fotocatalitici à ̈ stata ampiamente dimostrata: l’irraggiamento per 30 minuti di acque contenenti elevate concentrazioni di coliformi in presenza di superfici fotocatalitiche a base di Ti02ha portato alla completa inattivazione dei ceppi microbici. The remarkable ability to disinfect waste water using photocatalytic processes has been amply demonstrated: the irradiation for 30 minutes of water containing high concentrations of coliforms in the presence of photocatalytic surfaces based on Ti02 has led to the complete inactivation of microbial strains.
Ben pochi studi sono stati effettuati sull’abbattimento fotocatalitico dell’ammoniaca sia in soluzione acquosa che in fase gassosa. In particolare, l’ammoniaca può essere foto-ossidata su Ti02in soluzione acquosa (Murgia et al., 2005) e in atmosfera (Levine e Calvert, 1976; ll’chenko e Golodets, 1975), in quest’ultimo caso con formazione di N2, N20 o NO. Very few studies have been carried out on the photocatalytic abatement of ammonia both in aqueous solution and in the gaseous phase. In particular, ammonia can be photo-oxidized on Ti02 in aqueous solution (Murgia et al., 2005) and in the atmosphere (Levine and Calvert, 1976; llâ € ™ chenko and Golodets, 1975), in the latter case with formation of N2, N20 or NO.
In un recente studio sperimentale, J.Lee, H.Park, W.Chai, Envirom. Sci. Technol. 36 (2002) 5462, sostengono che mentre l’ossidazione fotocatalitica in fase acquosa di NH3a N02<'>/N03<'>à ̈ l’unico cammino di reazione per l’NH3su Ti02non modificato, su biossido di titanio modificato in superficie per deposizione di platino si apre un nuovo cammino di reazione che porta alla ossidazione selettiva dell’ammoniaca ad azoto molecolare. Inoltre, la conversione fotocatalitica di NH3a N2aumenta molto quando il sistema viene saturato con N20, con conversioni dell’azoto ammoniacale in N2superiori all’80%. Quindi l’ossidazione fotocatalitica selettiva di NH3a N2gassoso assume notevoli potenzialità come metodo per controllare i livelli di ammoniaca in fase acquosa. In a recent experimental study, J.Lee, H. Park, W.Chai, Envirom. Sci. Technol. 36 (2002) 5462, argue that while the photocatalytic oxidation in aqueous phase of NH3a N02 <'> / N03 <'> is the only reaction path for NH3 on unmodified Ti02, on modified titanium dioxide on the surface by deposition of platinum a new reaction path opens which leads to the selective oxidation of ammonia to molecular nitrogen. Furthermore, the photocatalytic conversion of NH3a to N2 greatly increases when the system is saturated with N20, with conversions of ammonia nitrogen into N2 higher than 80%. Therefore the selective photocatalytic oxidation of NH3a N2gaseous has considerable potential as a method for controlling the levels of ammonia in the aqueous phase.
Nessuno però ha studiato un sistema di trattamento fotocatalitico con biossido di titanio modificato per la riduzione del contenuto di azoto nei reflui zootecnici. Ciò deriva anche dal fatto che i liquami zootecnici sono sempre stati ritenuti in passato una risorsa di nutrienti per le colture. Con l’introduzione della direttiva comunitaria sui nitrati e per l’elevata concentrazione della zootecnia in zone vulnerabili, i liquami zootecnici si sono trasformati da una risorsa in una problematica da affrontare per rientrare nei parametri indicati dalla Direttiva Nitrati. However, no one has studied a photocatalytic treatment system with modified titanium dioxide to reduce the nitrogen content in livestock manure. This also derives from the fact that in the past livestock slurry has always been considered a source of nutrients for crops. With the introduction of the Community directive on nitrates and the high concentration of animal husbandry in vulnerable areas, livestock sewage has been transformed from a resource into a problem to be addressed in order to fall within the parameters indicated by the Nitrates Directive.
Scopo dell’invenzione à ̈ quello di definire un sistema di trattamento fotocatalitico per la riduzione del contenuto di azoto nei reflui zootecnici che possa condurre ad un’ossidazione fotocatalitica selettiva di NH3a N2, trasformando i composti azotati in azoto gassoso, minimizzando la formazione di ossidi di azoto in fase gassosa e di nitriti/nitrati in fase acquosa, per costituire una soluzione molto efficace al problema dell’eccesso di azoto in zootecnia. The purpose of the invention is to define a photocatalytic treatment system for the reduction of nitrogen content in livestock manure that can lead to a selective photocatalytic oxidation of NH3a N2, transforming nitrogen compounds into nitrogen gas, minimizing the formation of nitrogen oxides in the gaseous phase and of nitrites / nitrates in the aqueous phase, to constitute a very effective solution to the problem of excess nitrogen in animal husbandry.
Ulteriore scopo dell’invenzione à ̈ quello di realizzare un impianto di trattamento che possa adattarsi facilmente alla realtà delle aziende agricole, che sia di tipo modulare, che possa integrarsi con sistemi di trattamento anaerobici dei liquami utilizzati per produrre energia da biogas, che sia a limitato costo d’investimento, energetico e gestionale. A further purpose of the invention is to create a treatment plant that can easily adapt to the reality of farms, which is modular, which can be integrated with anaerobic treatment systems for sewage used to produce energy from biogas, which is with limited investment, energy and management costs.
Tali scopi sono raggiunti con un sistema di trattamento fotocatalitico per la riduzione del contenuto di azoto nei reflui zootecnici e relativo impianto come rivendicati nella porzione caratterizzante delle rivendicazioni indipendenti. These purposes are achieved with a photocatalytic treatment system for reducing the nitrogen content in zootechnical waste and relative plant as claimed in the characterizing portion of the independent claims.
Varianti e modi di realizzazione alternativi dell’invenzione sono specificati nelle rivendicazioni dipendenti. Variants and alternative embodiments of the invention are specified in the dependent claims.
I vantaggi dell’invenzione consistono essenzialmente nel fatto che si ottiene una significativa riduzione del contenuto di azoto nei reflui zootecnici, ed in particolare dell’idrossido di ammonio, con un sistema semplice, economico, di facile gestione, adatto ad essere combinato con altri sistemi di trattamento in uso, quali quelli per la produzione di biogas ed energia. The advantages of the invention essentially consist in the fact that a significant reduction of the nitrogen content in livestock manure is obtained, and in particular of ammonium hydroxide, with a simple, economical, easy to manage system, suitable to be combined with other treatment systems in use, such as those for the production of biogas and energy.
Ulteriore vantaggio consiste nel fatto che, grazie alla selettività del processo, si elimina il rischio di spostare il problema ambientale da una risorsa (acqua) ad un’altra (aria). Another advantage consists in the fact that, thanks to the selectivity of the process, the risk of moving the environmental problem from one resource (water) to another (air) is eliminated.
Questi ed altri vantaggi dell’invenzione saranno maggiormente evidenti nel seguito, in cui viene descritta una modalità preferita di realizzazione, a titolo esemplificativo e non limitativo, e con l’aiuto delle figure, dove: These and other advantages of the invention will be more evident in the following, in which a preferred embodiment is described, by way of non-limiting example, and with the help of the figures, where:
la Fig. 1 rappresenta il grafico, ottenuto in laboratorio in condizioni esemplificative, dell’andamento della conversione percentuale di ammoniaca, della selettività a N2, nitriti e nitrati durante il tempo d’irraggiamento con una lampada esterna che emette luce nello spettro visibile secondo l’invenzione; Fig. 1 represents the graph, obtained in the laboratory under exemplary conditions, of the trend of the percentage conversion of ammonia, of the selectivity to N2, nitrites and nitrates during the irradiation time with an external lamp that emits light in the visible spectrum according to the invention;
la Fig. 2 rappresenta uno schema di un impianto per la riduzione del contenuto di azoto nei reflui zootecnici che utilizza un sistema di trattamento fotocatalitico secondo l’invenzione, in cui il reattore à ̈ illustrato secondo una sezione trasversale nel piano verticale; Fig. 2 represents a diagram of a plant for reducing the nitrogen content in livestock waste which uses a photocatalytic treatment system according to the invention, in which the reactor is illustrated according to a cross section in the vertical plane;
la Fig. 3 rappresenta una variante dello schema di Fig. 1. Fig. 3 represents a variant of the diagram of Fig. 1.
Con riferimento alla Fig. 1 , in laboratorio sono state condotte prove di abbattimento di ammoniaca in sospensioni acquose contenenti un fotocatalizzatore a base di biossido di titanio opportunamente modificato, a partire da una concentrazione iniziale di idrossido di ammonio pari a 121 ppm (corrispondente a 100 ppm di azoto). In particolare nella sperimentazione si à ̈ utilizzato platino per modificare il biossido di titanio. With reference to Fig. 1, ammonia abatement tests in aqueous suspensions containing a suitably modified titanium dioxide-based photocatalyst were carried out in the laboratory, starting from an initial concentration of ammonium hydroxide equal to 121 ppm (corresponding to 100 ppm of nitrogen). In particular, platinum was used in the experimentation to modify the titanium dioxide.
Ancor più specificatamente, il biossido di titanio (fase attiva, o catalizzatore) à ̈ stato modificato mediante deposizione superficiale di nanoparticelle di platino metallico (cocatalizzatore) in rapporto in peso tra i due pari allo 0,5%. More specifically, titanium dioxide (active phase, or catalyst) has been modified by surface deposition of platinum metallic nanoparticles (cocatalyst) in a weight ratio between the two equal to 0.5%.
La sintesi à ̈ stata ottenuta in singolo stadio mediante tecnica di pirolisi in fiamma a spruzzo. The synthesis was obtained in a single stage by means of a pyrolysis technique in a spray flame.
Il biossido di titanio modificato à ̈ stato depositato in film sottile sulle superfici da rendere attive, sottoposto trattamento termico di calcinazione e successiva riduzione in idrogeno. The modified titanium dioxide was deposited in a thin film on the surfaces to be made active, subjected to a thermal treatment of calcination and subsequent reduction in hydrogen.
In particolare, per fissare il film sulla superficie di supporto e riattivare il platino, si à ̈ sottoposto il film stesso a trattamento termico di calcinazione a 400 °C e successiva riduzione a 150 °C in idrogeno. In generale la fase fotoattiva può essere comprendere un semiconduttore modificato superficialmente e/o massivamente, o combinato con altri semiconduttori. In particular, in order to fix the film on the support surface and reactivate the platinum, the film itself was subjected to a thermal treatment of calcination at 400 ° C and subsequent reduction to 150 ° C in hydrogen. In general, the photoactive phase can be comprised of a superficially and / or massively modified semiconductor, or combined with other semiconductors.
In alternativa al platino à ̈ possibile utilizzare rutenio, oro, palladio o altri metalli nobili puri o come lega. As an alternative to platinum it is possible to use ruthenium, gold, palladium or other pure noble metals or as an alloy.
Il sistema di trattamento per la riduzione del contenuto di azoto nei reflui zootecnici secondo l’invenzione, prevede quindi le seguenti fasi: • separazione dal liquame tal quale dei solidi grossolani mediante filtrazione; The treatment system for reducing the nitrogen content in livestock manure according to the invention therefore provides for the following phases: â € ¢ separation of the coarse solids from the sewage as such by filtration;
• termostatazione del liquame separato ad una temperatura prefissata; â € ¢ thermostating of the separated sewage at a predetermined temperature;
• aerazione con flusso di aria forzato; â € ¢ ventilation with forced air flow;
• contatto del liquame aerato per un tempo predefinito con una fase fotoattiva composta da un semiconduttore modificato; â € ¢ contact of the aerated sewage for a predefined time with a photoactive phase composed of a modified semiconductor;
• esposizione del liquame a radiazione luminosa. â € ¢ exposure of the slurry to light radiation.
La radiazione luminosa può essere di tipo ultravioletto o nello spettro visibile originata da lampade, o direttamente luce solare. The light radiation can be of the ultraviolet type or in the visible spectrum originating from lamps, or directly from sunlight.
Le prove fotocatalitiche sono state condotte a temperatura costante di 30°C. Il processo può lavorare fino a 60 °C. The photocatalytic tests were carried out at a constant temperature of 30 ° C. The process can work up to 60 ° C.
Il pH di lavoro à ̈ sostanzialmente quello tipico del liquame zootecnico, compreso cioà ̈ tra 7 e 12, in particolare vicino al valore di 10. The working pH is essentially that typical of livestock slurry, that is, between 7 and 12, in particular close to the value of 10.
E’ stata studiata in particolare l’influenza dei seguenti parametri: - tipo di sorgente luminosa; In particular, the influence of the following parameters has been studied: - type of light source;
- concentrazione dell’ossigeno nel gas gorgogliante. - concentration of oxygen in the bubbling gas.
Durante il tempo di irraggiamento, mediante cromatografia ionica à ̈ stata determinata la concentrazione nella fase acquosa degli ioni ammonio (NH4<+>), nitrito (NO2<'>) e nitrato (NO3<'>), essendo questi ultimi possibili prodotti di foto-ossidazione, oltre all’azoto molecolare (prodotto desiderato). During the irradiation time, the concentration in the aqueous phase of the ammonium (NH4 <+>), nitrite (NO2 <'>) and nitrate (NO3 <'>) ions was determined by ion chromatography, the latter being possible products of photo-oxidation, in addition to molecular nitrogen (desired product).
Sono stati utilizzati due diversi tipi di lampada: a luce visibile (Vis) e a luce ultravioletta (UV). Two different types of lamps were used: visible light (Vis) and ultraviolet light (UV).
La lampada UV à ̈ preferibilmente utilizzata in immersione, ed à ̈ del tipo a vapori di mercurio con emissione monocromatica a 250 nm. The UV lamp is preferably used in immersion, and is of the mercury vapor type with monochromatic emission at 250 nm.
La lampada Vis à ̈ utilizzata come lampada esterna ed emette luce bianca policromatica con spettro di emissione simile a quello solare (simulatore di luce solare). Come sorgente esterna à ̈ in linea di principio utilizzabile anche la luce solare. The Vis lamp is used as an external lamp and emits polychromatic white light with an emission spectrum similar to the solar one (solar light simulator). In principle, sunlight can also be used as an external source.
Nella tabella I sono riportati i risultati ottenuti dopo 4 ore di irraggiamento con le due lampade, in termini di conversione percentuale deN’ammoniaca (CNH3), selettività ad azoto molecolare (SN2), selettività a nitriti (SNO2<'>) e selettività a nitrati (SNO3<'>). Table I shows the results obtained after 4 hours of irradiation with the two lamps, in terms of percentage conversion of ammonia (CNH3), selectivity to molecular nitrogen (SN2), selectivity to nitrites (SNO2 <'>) and selectivity to nitrates (SNO3 <'>).
Tabella I Table I.
Lampada Gas CNH3SN2SN02<'>SN03<'>Gas lamp CNH3SN2SN02 <'> SN03 <'>
(%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%)
UV 0238 6.0 56.2 37.8 UV 0238 6.0 56.2 37.8
puro pure
UV Aria 36 23.5 42.1 34.4 Vis Aria 20 85.3 8.4 6.3 Dai risultati ottenuti utilizzando la lampada UV si evince che in tali condizioni si ottiene una conversione maggiore di ammonio rispetto alla lampada Vis, mentre la concentrazione dell’ossigeno nel gas gorgogliante (e di conseguenza dell’ossigeno disciolto nella sospensione irraggiata) non influenza significativamente la conversione dell’ammoniaca, ma si à ̈ sorprendentemente verificato che al contrario influenza molto la selettività ad azoto molecolare. Infatti, ad esempio utilizzando la lampada UV e gorgogliando ossigeno puro si à ̈ ottenuto solo il 6% di selettività ad azoto, mentre gorgogliando aria (che contiene solo il 20% di ossigeno in azoto) la selettività à ̈ salita al 23.5%. Selettività ad azoto nettamente superiori sono state invece ottenute con l'impiego della lampada Vis. UV Aria 36 23.5 42.1 34.4 Vis Aria 20 85.3 8.4 6.3 The results obtained using the UV lamp show that in these conditions a higher conversion of ammonium is obtained compared to the Vis lamp, while the concentration of oxygen in the bubbling gas (and consequence of the dissolved oxygen in the irradiated suspension) does not significantly influence the conversion of ammonia, but it has been surprisingly verified that on the contrary it greatly influences the selectivity to molecular nitrogen. In fact, for example, by using the UV lamp and bubbling pure oxygen, only 6% of selectivity to nitrogen was obtained, while bubbling air (which contains only 20% of oxygen in nitrogen) the selectivity increased to 23.5%. Significantly higher nitrogen selectivities were instead obtained with the use of the Vis lamp.
Importante sottolineare che dalle analisi condotte a vari tempi di irraggiamento delle sospensioni, i cui risultati sono illustrati in Fig.1 , à ̈ evidente che la conversione deH’ammoniaca aumenta linearmente durante l’irraggiamento, mentre le selettività ad azoto, nitriti e nitrati rimangono sostanzialmente costanti nel tempo. It is important to underline that from the analyzes carried out at various times of irradiation of the suspensions, the results of which are illustrated in Fig. 1, it is evident that the conversion of ammonia increases linearly during irradiation, while the selectivity to nitrogen, nitrites and nitrates remain substantially constant over time.
Con riferimento ora alla Fig. 2, à ̈ illustrato un impianto che utilizza il sistema di trattamento fotocatalitico per la riduzione del contenuto di azoto nei reflui zootecnici secondo un primo modo di realizzare l’invenzione, comprendente: With reference now to Fig. 2, a plant is shown that uses the photocatalytic treatment system for reducing the nitrogen content in livestock manure according to a first way of realizing the invention, comprising:
• un reattore 1 provvisto di mezzi generatori di radiazione luminosa 2 e di mezzi fotocatalizzatori composti da un semiconduttore modificato, atto a contenere per un tempo prefissato il liquame da trattare, contenente azoto in forma organica, preventivamente separato dai solidi grossolani mediante filtrazione; â € ¢ a reactor 1 provided with means for generating light radiation 2 and with photocatalyst means composed of a modified semiconductor, able to contain for a predetermined time the slurry to be treated, containing nitrogen in organic form, previously separated from the coarse solids by filtration;
• mezzi 3, 4, 5 per l’insufflazione di aria all’interno del reattore; • mezzi scambiatori di calore 6 connessi a mezzi di generazione di calore 7; â € ¢ means 3, 4, 5 for the insufflation of air inside the reactor; â € ¢ heat exchanger means 6 connected to heat generation means 7;
• mezzi di scarico 8, 9 dell’azoto e dei composti gassosi; â € ¢ means of discharge 8, 9 of nitrogen and gaseous compounds;
• mezzi di alimentazione 10 e di scarico 11 del liquame da trattare. Il reattore à ̈ costituito da un serbatoio cilindrico, o di forma parallelepipeda o di altra forma opportuna, preferibilmente chiuso superiormente, in modo da non permettere l’uscita incontrollata di gas e odori. La parte alta del serbatoio à ̈ collegata ad una tubazione 10 di alimentazione del liquame da trattare e la parte bassa à ̈ collegata ad una tubazione di scarico 11 del liquame trattato, per il convogliamento verso vasche di stoccaggio, in modo che il reattore rimanga sempre pieno di liquame. â € ¢ means for feeding 10 and discharging 11 the slurry to be treated. The reactor consists of a cylindrical, parallelepiped or other suitable shape tank, preferably closed at the top, so as not to allow the uncontrolled exit of gases and odors. The upper part of the tank is connected to a feed pipe 10 for the sewage to be treated and the lower part is connected to a discharge pipe 11 of the treated sewage, for conveying to storage tanks, so that the reactor always remains full of sewage.
I mezzi per la generazione di radiazione luminosa comprendono una lampada UV 12, del tipo a vapori di mercurio con emissione al di sotto dei 400 nm, collegata ad un circuito elettrico di alimentazione tramite un cavo 13. La lampada à ̈ posta sotto il livello del liquame ed à ̈ contenuta in un tubo guaina protettivo trasparente 14 in vetro o in quarzo, in modo tale che non venga a diretto contatto con il liquame stesso. The means for generating light radiation comprise a UV lamp 12, of the mercury vapor type with emission below 400 nm, connected to an electric power supply circuit by means of a cable 13. The lamp is placed below the level of the sewage and is contained in a transparent protective tube 14 made of glass or quartz, so that it does not come into direct contact with the sewage itself.
II reattore 1 può comprendere una pluralità di mezzi per la generazione di radiazione luminosa disposti secondo un opportuno reticolo. The reactor 1 can comprise a plurality of means for the generation of light radiation arranged according to a suitable grating.
I mezzi fotocatalizzatori comprendono biossido di titanio, anche modificato in superficie o in modo massivo (ad esempio per drogaggio selettivo), ovvero combinato con altri semiconduttori e preparato secondo tecniche diverse. The photocatalyst means comprise titanium dioxide, also modified on the surface or massively (for example by selective doping), or combined with other semiconductors and prepared according to different techniques.
Detti mezzi fotocatalizzatori sono deposti in film sottile sulla superficie di un supporto rigido mediante tecniche diverse e sottoposti a trattamento termico di calcinazione e successiva riduzione in idrogeno. Said photocatalyst means are deposited in thin film on the surface of a rigid support by means of different techniques and subjected to thermal treatment of calcination and subsequent reduction in hydrogen.
Detto supporto può essere costituito direttamente dalla parete in vetro dell'involucro protettivo 14 della lampada 12, Said support can be constituted directly by the glass wall of the protective casing 14 of the lamp 12,
materiale di riempimento del reattore 1, come sfere, poliedri od altro. I mezzi di insufflazione d’aria comprendono essenzialmente un compressore 3, tubazioni di trasporto 4 e mezzi di diffusione 5 di tipo noto. filling material of the reactor 1, such as spheres, polyhedra or the like. The means for blowing in air essentially comprise a compressor 3, transport pipes 4 and diffusion means 5 of a known type.
I mezzi scambiatori di calore comprendono una serpentina 6 posta nel reattore 1, all'interno della quale circola un fluido termovettore che à ̈ riscaldato da mezzi di generazione di calore 7, alimentati con combustibile tradizionale o biogas. Il fluido à ̈ messo in movimento da una pompa 15 inserita nel circuito di riscaldamento 16. The heat exchanger means comprise a coil 6 placed in the reactor 1, inside which circulates a heat transfer fluid which is heated by heat generation means 7, fed with traditional fuel or biogas. The fluid is set in motion by a pump 15 inserted in the heating circuit 16.
Analogo risultato à ̈ ottenibile sia con mezzi scambiatori esterni sia, se la temperatura del liquame à ̈ sufficiente, in assenza di mezzi scaldanti. The same result can be obtained both with external heat exchanger means and, if the slurry temperature is sufficient, in the absence of heating means.
I mezzi di scarico dell’azoto e dei gas liberatisi dal liquame comprendono un tubo esalatore 8 ed un filtro 9 di trattamento deH’ammoniaca eventualmente strippata dal liquame per effetto dell’insufflazione di aria. Il filtro può essere a sua volta del tipo ad effetto fotocatalitico, in cui una lampada 17 attiva una cella fotocatalitica 18 operante in fase gas-solido, contenente ad esempio biossido di titanio posto su un supporto rigido. The means for discharging the nitrogen and gases released from the sewage comprise an exhalation pipe 8 and a filter 9 for treating ammonia that may be stripped from the sewage due to the insufflation of air. The filter can in turn be of the type with a photocatalytic effect, in which a lamp 17 activates a photocatalytic cell 18 operating in the gas-solid phase, containing for example titanium dioxide placed on a rigid support.
In una variante dell’impianto illustrata in Fig. 3, a valle del reattore 1 à ̈ posto un ulteriore reattore 100, comprendente: In a variant of the plant illustrated in Fig. 3, downstream of reactor 1 there is a further reactor 100, comprising:
• un canale 101 rivestito sul fondo con un film fotoattivo, comprendente mezzi fotocatalizzatori composti da un semiconduttore modificato superficialmente per deposizione di un metallo nobile, atto a rimanere in contatto per un tempo prefissato con il liquame da trattare contenente azoto in forma organica, preventivamente separato dai solidi grossolani, aerato e termostatato; â € ¢ a channel 101 coated on the bottom with a photoactive film, comprising photocatalyst means composed of a semiconductor modified on the surface by deposition of a noble metal, able to remain in contact for a predetermined time with the sewage to be treated containing nitrogen in organic form, previously separated from coarse solids, aerated and thermostated;
• mezzi generatori di radiazione luminosa 102; â € ¢ means for generating light radiation 102;
• mezzi di scarico 108 dell’azoto gassoso; â € ¢ means 108 for discharging nitrogen gas;
• mezzi di alimentazione 110 e di scarico 111 del liquame da trattare. means for feeding 110 and discharging 111 of the sewage to be treated.
In un’ulteriore variante non rappresentata, il reattore 100 può essere utilizzato senza reattore 1. In a further variant not shown, reactor 100 can be used without reactor 1.
Naturalmente, i particolari di costruzione e le forme di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto descritto ed illustrato, senza per questo uscire dall’ambito della presente invenzione, così come descritto, illustrato e rivendicato. Naturally, the details of construction and the embodiments may be widely varied with respect to what has been described and illustrated, without thereby departing from the scope of the present invention, as described, illustrated and claimed.
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