ITFR20000003A1

ITFR20000003A1 - PROCESS FOR THE TRANSFORMATION OF BIOLOGICAL SLUDGE RESULTING FROM WASTEWATER PURIFICATION INTO A MATERIAL SUITABLE FOR PURIFICATION

Info

Publication number: ITFR20000003A1
Application number: IT2000FR000003A
Authority: IT
Original assignee: Mazzanti Uranio
Priority date: 2000-02-08
Filing date: 2000-02-08
Publication date: 2001-08-08
Also published as: ITFR20000003A0

Description

Premessa Premise

Il trattamento di depurazione degli effluenti liquidi urbani adotta la tecnologia “biologica” dei cosiddetti fanghi attivi. Questi sono masse (biomasse) costituite da diversi ceppi di microrganismi che si sviluppano in seno al liquame da depurare, nelle condizioni realizzate negli impianti di trattamento, a spese delle sostanze organiche e del substrato nutriente in esso presenti. Poiché queste masse possono essere separate dalla fase liquida, si realizza di fatto una separazione tra la sostanza organica solida, trasformata dal metabolismo dei microrganismi, e un liquido depurato. La separabilità delle biomasse dal flusso liquido è quindi una condizione indispensabile per l’efficacia del trattamento depurativo sopra sommariamente descritto. Le acque depurate possono, previo eventuale ulteriore trattamento di finissaggio, essere scaricate o reimpiegate per usi diversi, ad esempio irrigui, mentre i cosiddetti “fanghi” definiti “attivi” per le funzioni descritte - sono smaltiti separatamente. Poiché “nulla si crea ...” il processo consiste essenzialmente in una trasformazione di una soluzione /sospensione acquosa di sostanze di rifiuto in due flussi : uno di acqua “pulita” e l’altro solido nel quale sono concentrati i prodotti di trasformazione biologica dei rifiuti originari, al netto di quanto disperso sotto forma gassosa per la respirazione dei microrganismi. Il fango, a questo punto, può essere “gestito” in modo più agevole del rifiuto originario in quanto più concentrato e al tempo stesso bonificato dal trattamento che è di tipo aerobico e quindi che ha favorito la predominanza di organismi non patogeni per l’uomo. I fanghi, che al momento della separazione dal liquame contengono non più di qualche percento di sostanza solida, sono filtrati con o senza additivi che rendono più agevole tale operazione, e sono avviati allo smaltimento. La fase finale di smaltimento dei fanghi è uno dei problemi cui l’invenzione descritta nel seguito fornisce una soluzione possibile. Il fango infetti, anche per disposti di legge ormai ben definiti, deve essere smaltito con garanzie per l’ambiente, per la salute pubblica e nel rispetto del principio generale di massimizzare il recupero di materia e di energia. Nel passato anche recente, il destino dei fanghi è stato quello dello smaltimento in discarica di prima categoria, in miscela con i residui solidi urbani (RSU). Nel tempo il fango cosi smaltito si trasforma parzialmente insieme al substrato organico dei RSU in prodotti gassosi (biogas) ad opera di microrganismi, dai quali è possibile recuperare energia per il loro contenuto di metano. Attualmente la legge quadro sui rifiuti preconizza un destino diverso dei fenghi, anche in ragione del progressivo esaurimento del sistema di smaltimento dei RSU in discarica a favore di sistemi di recupero di energia per combustione ovvero di materia attraverso il compostaggio delle frazioni organiche, dopo separazione preventiva dei componenti riciclabili. I fanghi di depurazione sono così previsti sia per costituire miscele da compostare sia, previa essiccazione, come combustibile da impiegare in centrali termiche per la produzione di energia. In ognuno dei casi previsti lo smaltimento dei fanghi rappresenta una operazione economicamente onerosa per la filiera di depurazione. The purification treatment of urban liquid effluents adopts the "biological" technology of the so-called activated sludge. These are masses (biomasses) made up of different strains of microorganisms that develop within the sewage to be purified, under the conditions created in the treatment plants, at the expense of the organic substances and the nutrient substrate present in it. Since these masses can be separated from the liquid phase, a separation occurs between the solid organic substance, transformed by the metabolism of microorganisms, and a purified liquid. The separability of biomass from the liquid stream is therefore an indispensable condition for the effectiveness of the purification treatment briefly described above. The purified water can, after any further finishing treatment, be discharged or reused for different uses, for example irrigation, while the so-called “sludge” defined as “active” for the described functions - are disposed of separately. Since "nothing is created ..." the process essentially consists of a transformation of an aqueous solution / suspension of waste substances into two streams: one of "clean" water and the other solid in which the products of biological transformation are concentrated of the original waste, net of what is dispersed in gaseous form due to the respiration of microorganisms. At this point, the mud can be "managed" more easily than the original waste as it is more concentrated and at the same time reclaimed by the treatment which is aerobic and therefore has favored the predominance of non-pathogenic organisms for humans . The sludges, which at the time of separation from the sewage contain no more than a few percent of solid substance, are filtered with or without additives that make this operation easier, and are sent for disposal. The final phase of sludge disposal is one of the problems to which the invention described below provides a possible solution. Infected sludge, even by now well-defined legal provisions, must be disposed of with guarantees for the environment, public health and in compliance with the general principle of maximizing the recovery of material and energy. In the recent past, the fate of the sludge has been that of disposal in first category landfills, mixed with urban solid residues (MSW). Over time, the sludge thus disposed of is partially transformed together with the organic substrate of the MSW into gaseous products (biogas) by microorganisms, from which it is possible to recover energy for their methane content. Currently, the framework law on waste predicts a different fate of sludge, also due to the progressive exhaustion of the MSW disposal system in landfills in favor of systems for recovering energy by combustion or material through the composting of organic fractions, after preventive separation of recyclable components. The purification sludge is thus provided both to form mixtures to be composted and, after drying, as a fuel to be used in thermal power plants for the production of energy. In each of the cases envisaged, the disposal of sludge represents an economically onerous operation for the purification chain.

Scopo dell’invenzione Purpose of the invention

La linea di processo studiata è quella del ricircolo dei fanghi all’interno del processo di depurazione delle acque reflue previo trattamento termico di trasformazione in un materiale carbonioso. Infetti, se invece di effettuare una combustione completa dei fanghi essiccati, si realizza un trattamento termico in difetto di ossigeno (pirolisi), le sostanze carboniose presenti si trasformano in carbonio elementare in modo più o meno completo in funzione delle caratteristiche delle sostanze di partenza e delle condizioni della pirolisi. E’ stato peraltro ampiamente dimostrato che aggiunta di carbone attivo in polvere al liquame da depurare nell’impianto di trattamento, ne migliora nettamente l’efficienza e ne riduce l’onere economico. In sostanza gli effetti sono riconducibili a una migliore attività dell’ossigeno del’aria nel cosiddetto ”mixed liquor” e nella migliorata sedimentabilità e filtrabilità dei fanghi nelle fasi di separazione. La pirolisi del fango, che di per sé ne rappresenta comunque una operazione di riduzione volumetrica e una bonifica definitiva, può produrre un materiale di grande interesse per il processo depurativo. The process line studied is that of the recirculation of sludge within the wastewater purification process after heat treatment of transformation into a carbonaceous material. Infected, if instead of carrying out a complete combustion of the dried sludge, a thermal treatment is carried out in lack of oxygen (pyrolysis), the carbonaceous substances present are transformed into elemental carbon in a more or less complete way depending on the characteristics of the starting substances and the conditions of pyrolysis. It has also been widely demonstrated that adding powdered activated carbon to the sewage to be purified in the treatment plant significantly improves its efficiency and reduces its economic burden. In essence, the effects are attributable to a better oxygen activity of the air in the so-called "mixed liquor" and to the improved sedimentability and filterability of the sludge in the separation phases. The pyrolysis of the sludge, which in itself however represents a volumetric reduction operation and a definitive remediation, can produce a material of great interest for the purification process.

I benefici attesi sono: The expected benefits are:

- Chiusura del ciclo di trattamento delle acque con lo smaltimento ambientalmente corretto dei fanghi prodotti - Closing the water treatment cycle with the environmentally correct disposal of the sludge produced

- Minimizzazione degli effluenti solidi dal ciclo di depurazione delle acque. - Maggiori garanzie ambientali gestionali nel trattamento depurativo delle acque. - Minimization of solid effluents from the water purification cycle. - Greater environmental management guarantees in the purification of water.

- Garanzie igienico gestionali nello smaltimento finale dei fanghi di depurazione. - Hygienic management guarantees in the final disposal of sewage sludge.

Minimizzazione dell’impatto ambientale del trattamento termico dei fanghi di depurazione. Minimizing the environmental impact of the thermal treatment of sewage sludge.

- Ottimizzazione energetica ed economica del processo di depurazione. - Energy and economic optimization of the purification process.

Descrizione del processo Process description

Fermo restando che con la denominazione fango vanno intesi tutti i prodotti analoghi al fango derivante dal processo biologico “a fanghi attivi” per la depurazione di acque inquinate da sostanze di tipo organico (di origine fecale per gli scarichi di tipo civile e di impianti zootecnici e di altra origine per gli scarichi industriali di tipo assimilato al civile come alcune industrie di trasformazione del settore agroalimentare), liquidi e semiliquidi, la caratteristica principale del processo consiste nell’ adottare la trasformazione termochimica della fase solida come processo mirato alla produzione di un materiale solido contenente una frazione di carbonio elementare. Questa componente carboniosa risulta avere una certa “attività” naturale nei confronti di svariate specie chimiche complesse che è alla base del vastissimo impiego dei carboni attivati. Il processo di attivazione è l’operazione che esalta le proprietà assorbenti e adsorbenti dei carboni quando questi sono prodotti da materiali selezionati per specifici impieghi tecnologici. Nel nostro caso l’obiettivo non è quello della produzione di un carbone attivato di pregio - ché le caratteristiche di qualità del fango renderebbero inattuabile - bensì di sfruttare le capacità assorbenti-adsorbenti della frazione carboniosa che si produce con una pirolisi orientata del fango, essenzialmente per un miglioramento del processo di depurazione che produce il fango stesso. Si realizza così, da un lato la bonifica del fango e un suo corretto smaltimento finale e dall’altro si recupera una materia prima che può essere impiegata anche nello stesso impianto di depurazione delle acque reflue. C’è da osservare che, in un tango di tipo civile, la percentuale di carbonio è molto elevata e soltanto questa può essere parzialmente trasformata in carbonio elementare con caratteristiche attive. Una parte di questa viene trasformata in prodotti gassosi e liquidi di pirolisi, mentre il contenuto di sostanze inorganiche, resta sostanzialmente nel prodotto solido. Il reimpiego quindi del residuo solido della pirolisi del fango, all’interno del ciclo di depurazione delle acque non può quindi essere “a ciclo chiuso” ad evitare l’accumulo di sostanze indesiderabili inorganiche nel refluo depurato. Uno spurgo dal sistema è quindi necessario, in misura che deve essere individuata in ogni singola situazione, per controllare la concentrazione degli inquinanti inorganici solubili reimmessi con le ceneri di pirolisi nel flusso liquido da depurare entro i valori ammessi dalla legge vigente. L’impianto di pirolisi del fango produce, oltre al residuo carbonioso di cui abbiamo parlato, anche una frazione fluida, che risulta essere liquida o semiliquida a temperatura ambiente (oli di pirolisi) e una fase gassosa. La frazione fluida è ricircolata nell’impianto stesso per massimizzarne la resa energetica e di materia. La fase gassosa è sottoposta a combustione per recuperare l’energia contenuta e massimizzare la resa energetica del processo. Le emissioni finali in atmosfera sono sottoposte a trattamenti di depurazione per ricondurle nei termini previsti dalla legge vigente. In questa ultima fase del processo sono impiegate le acque del depuratore così da realizzare un lavaggio del gas con una risorsa - l’acqua del depuratore - disponibile e di bassissimo costo. Le acque residue da questa sezione di lavaggio sono ricircolate in testa al depuratore per assicurare un completo abbattimento degli inquinanti. Il trovato può venire modificato mantenendo il concetto inventivo che ne è alla base, potendosi sostituire ogni dettaglio con altro tecnicamente equivalente. It being understood that the denomination mud means all products similar to the mud deriving from the biological "activated sludge" process for the purification of water polluted by organic substances (of faecal origin for civil and livestock plant discharges and of other origin for industrial discharges similar to the civil type such as some processing industries of the agri-food sector), liquid and semi-liquid, the main feature of the process consists in adopting the thermochemical transformation of the solid phase as a process aimed at the production of a solid material containing an elemental carbon fraction. This carbon component appears to have a certain natural "activity" against various complex chemical species which is the basis of the vast use of activated carbon. The activation process is the operation that enhances the absorbent and adsorbent properties of the carbons when these are produced from materials selected for specific technological uses. In our case the objective is not that of producing a valuable activated carbon - because the quality characteristics of the sludge would make it impracticable - but to exploit the absorbent-adsorbing capacities of the carbonaceous fraction that is produced with an oriented pyrolysis of the sludge, essentially for an improvement of the purification process that produces the mud itself. Thus, on the one hand, the remediation of the sludge and its correct final disposal is carried out and on the other, a raw material is recovered that can also be used in the same wastewater purification plant. It should be noted that, in a civilian type tango, the percentage of carbon is very high and only this can be partially transformed into elemental carbon with active characteristics. A part of this is transformed into gaseous and liquid pyrolysis products, while the content of inorganic substances remains substantially in the solid product. The reuse of the solid residue of the pyrolysis of the sludge, therefore, within the water purification cycle cannot therefore be "closed cycle" to avoid the accumulation of undesirable inorganic substances in the purified wastewater. A purge from the system is therefore necessary, to an extent that must be identified in each individual situation, to control the concentration of soluble inorganic pollutants reintroduced with the pyrolysis ashes into the liquid stream to be purified within the values allowed by the law in force. The sludge pyrolysis plant produces, in addition to the carbonaceous residue mentioned above, also a fluid fraction, which is liquid or semi-liquid at room temperature (pyrolysis oils) and a gas phase. The fluid fraction is recirculated in the plant itself to maximize its energy and material yield. The gas phase is subjected to combustion to recover the contained energy and maximize the energy yield of the process. The final emissions into the atmosphere are subjected to purification treatments to bring them back within the terms established by the law in force. In this last phase of the process, the water from the purifier is used so as to carry out a gas cleaning with a resource - the water from the purifier - available and at a very low cost. The residual water from this washing section is recirculated at the top of the purifier to ensure complete abatement of pollutants. The invention can be modified while maintaining the inventive concept underlying it, each detail being able to be replaced with another technically equivalent one.

Claims

Claims 1. Process for the disposal of residual sludge from the purification of waste water to activated sludge, by means of a pyrolysis process oriented to the production of carbon residue.

2. Claim, according to the previous one, characterized by the fact that the process is applied to residual sludge from the purification of waste water even if not deriving from the activated sludge process.

3. Claim, according to the preceding claims, characterized in that the sludge is disposed of by pyrolysis of the sludge, after its dehydration - even partial - thermally, mechanically or with a combination thereof.

4. Claim according to the preceding ones, characterized in that the pyrolysis step is oriented and carried out to maximize the yield in carbonaceous compounds having absorbent-adsorbent properties.

5. Claim according to the previous ones, characterized by the fact that the fluid fractions resulting from the pyrolysis process are recycled to the same pyrolysis plant to optimize their energy and material yield.

6. Claim according to the previous ones, characterized by the fact that the gaseous fractions resulting from the pyrolysis process are burnt to optimize the energy yield of the pyrolysis plant itself.

7. Claim according to the preceding, characterized in that the gaseous fractions resulting from the pyrolysis process are used in an internal combustion engine suitable for using its energy content, for example for the production of electrical energy.

8. Claim, according to the previous ones, characterized by the fact that the residue of the pyrolysis phase is used to improve the purification efficiency of waste water purification processes, in particular that based on so-called activated sludge.

9. Claim, according to the preceding ones, characterized in that the pyrolysis residue is used in the same plant that produces the sludge subjected to pyrolysis or in a different plant.

10. Claim, according to the preceding ones, characterized in that the pyrolysis residue is used as it is or after a specific treatment, for example activation, carried out to improve the characteristics of its subsequent use.

11. Claim, according to the previous ones, characterized by the fact that the pyrolysis residue is partially disposed of so as not to progressively worsen its characteristics due to the accumulation of inorganic compounds.

12. Claim, according to the previous ones, characterized by the fact that the sludge is subjected to pyrolysis by itself.

13. Claim, according to the previous ones, characterized by the fact that the sludge is subjected to pyrolysis in mixture with other materials, for example combustible waste deriving from production cycles, from the agri-food sector, forestry and from the collection of urban and industrial waste, also in order to improve the absorbent and / or adsorbent quality of the residue to be used in the water purification cycle.

14. Claim, according to the previous ones, characterized by the fact that the gaseous emissions of the pyrolysis plant are subjected to washing and purification treatment with the help of the water itself from the purifier, for example in a scrubber.

15. Claim, according to the previous ones, characterized by the fact that the washing and purification waters of the pyrolysis plant emissions are treated as they are in the biological plant that produced the sludge subjected to pyrolysis.

16. Claim, according to the previous ones, characterized by the fact that the washing water from the emissions of the pyrolysis plant is treated in the biological plant that produced the sludge subjected to pyrolysis, after specific biological treatment, of a chemical-physical type or of a combined biological and chemical-physical type.

17. Claim, according to the previous ones, characterized by the fact that, in whole or in part, the solutions indicated above are adopted.