ITMI20100866A1 - Processo per il trattamento biologico di reflui organici e relativo impianto. - Google Patents

Description

PROCESSO PER IL TRATTAMENTO BIOLOGICO DI REFLUI ORGANICI E RE-LATIVO IMPIANTO

DESCRIZIONE

CAMPO DELL’INVENZIONE

La presente invenzione riguarda un processo per il trattamento biologico di reflui organici, e in particolare un processo biologico per la mineralizzazione ed il recupero delle sostanze inquinanti in essi contenute, in particolare di anidride carbonica, azoto e fosforo.

L’invenzione riguarda anche un impianto per l’attuazione di detto processo.

TECNICA NOTA

Innanzi tutto, per una migliore comprensione della descrizione che segue, si precisa che, ai fini della presente invenzione, vengono definite come aerobiche le condizioni di coltivazione nelle quali la tensione dell’ossigeno disciolto nella coltura (pO2) à ̈ non inferiore al 5% del valore di saturazione in aria a pressione atmosferica (condizioni di sufficienza di ossigeno). Vengono definite come microaerofile le condizioni di coltivazione nelle quali la tensione dell'ossigeno disciolto nella coltura (pO2) à ̈ inferiore al 5% del valore di saturazione in aria a pressione atmosferica, ma la coltura non à ̈ anaerobica in quanto viene assicurato un rifornimento continuo di ossigeno alla coltura anche se la sua tensione nel liquido non à ̈ rilevabile dalla sonda (condizioni di limitazione da ossigeno).

Il trattamento dei reflui à ̈ un problema assai sentito nella maggior parte dei paesi sviluppati, per il fatto che l’eutrofizzazione delle acque interne sta creando notevoli problemi ambientali ed economici. Sono di particolare interesse degli addetti del settore i sistemi di trattamento di reflui organici di diversa provenienza, quali ad esempio quelli delle industrie agroalimentari ed i reflui civili.

Tra questi, particolare criticità ha assunto recentemente il settore zootecnico, dal momento che fattore limitante per le dimensioni degli allevamenti à ̈ la disponibilità di terreno ove spandere i reflui costituiti principalmente dalle deiezioni degli animali. D’altro canto, per le evidenti economie di scala ottenibili, sono favoriti allevamenti di maggiori dimensioni rispetto a quelli di piccole dimensioni. Sull’onda di questa analisi economica si à ̈ pertanto arrivati a realizzare allevamenti particolarmente vasti, in Europa negli allevamenti suini si prevedono anche 10000 capi, con conseguente pressione sull’ecosistema e relative problematiche particolarmente difficili da risolvere anche nel breve periodo. Così, diversi Stati hanno preferito legiferare in proposito, ponendo delle limitazioni alla quantità di reflui zootecnici spandibili per anno per unità di superficie. Ad esempio, in Europa à ̈ stata recentemente introdotta una limitazione allo spandimento basata sul contenuto di azoto dei reflui, riducendo di fatto le dimensioni degli allevamenti suini; naturalmente, questo ha un maggiore impatto nelle zone ad alta densità di allevamenti, quali ad esempio la pianura padana, la Danimarca, l'Olanda o la Germania.

Oltre a seguire queste limitazioni, gli allevamenti suini devono soddisfare gli obblighi di legge relativi allo stoccaggio delle deiezioni per un periodo di tempo sufficiente tra la fine di una stagione di spandimento e l'inizio di quella successiva. Tali stoccaggi consistono di norma in vasche aperte all'atmosfera nella quale vengono rilasciati i gas prodotti dal metabolismo sostanzialmente anaerobico dei microorganismi presenti nelle deiezioni, generalmente anaerobi obbligati, anaerobi facoltativi ed archeobatteri quali i metanogeni. Dal momento che i gas rilasciati in atmosfera comprendono gas che contribuiscono all'effetto-serra, come metano, anidride carbonica e ammoniaca, e gas tossici, quali acido solfidrico, si comprende che lo stoccaggio dei reflui comporta problemi di gestione non indifferenti. Inoltre, a seguito di questa fase di degradazione si ottengono sostanze azotate, la cui immissione nell'ambiente naturale determina l’eutrofizzazione dei corpi d'acqua e l’aumento del livello dei nitrati nelle acque.

Si à ̈ pertanto reso necessario trovare nuovi processi atti a ridurre i quantitativi di sostanze tossiche, o nocive per l’ambiente, emesse libere nell’ambiente stesso. Soprattutto nel Nord Europa si à ̈ così optato per sfruttare l'energia chimica presente nei reflui, prevedendo la digestione anaerobica delle deiezioni suine in bioreattori di varia configurazione dai quali viene recuperato biogas costituito da metano prodotto in miscela con anidride carbonica.

Le configurazioni più diffuse sono lo CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor), i reattori con flusso a pistone (PFR), i reattori a letto fisso (FBR) ed infine delle semplici vasche non agitate. La digestione viene condotta più frequentemente in condizioni mesofile (30-40 °C), più raramente in condizioni termofile (50-60°C) o psicrofile (10-20°C).

Tuttavia, si à ̈ potuto riscontrare che un elemento che riduce notevolmente la velocità di diluizione, teoricamente definita come la velocità di crescita specifica dei microorganismi presenti nel bioreattore quando questo opera in stato stazionario, à ̈ la bassa velocità di crescita massima dei microorganismi, in particolare dei batteri metanogeni.

Inoltre, si à ̈ riscontrato che la bassa velocità di degradazione di alcuni componenti del refluo, principalmente le fibre vegetali, specialmente se lignificate, determina un prolungamento del tempo di residenza dei liquami prima che questi siano sufficientemente degradati. Come ben si comprende, questa limitazione à ̈ generalmente più restrittiva della prima, e rende pertanto necessario trovare una soluzione che renda più breve il tempo di residenza effettivamente impiegato.

Per ovviare a questa limitazione, o quantomeno mitigarne gli effetti, solitamente si prevede di riciclare al bioreattore parte della biomassa in esso prodotta, previo ispessimento in un sedimentatore: in tal modo, il tempo di residenza della biomassa e degli altri particolati sedimentabili diventa maggiore del tempo di residenza idraulico, allungandone in effetti la permanenza nel reattore. Questa modalità operativa, genericamente nota come digestione anaerobica di contatto, consente una riduzione del volume di lavoro del digestore e quindi dei costi di investimento e di esercizio, primi tra tutti quelli per il riscaldamento ed il rimescolamento.

Tuttavia, per quanto questo processo risolva parzialmente il problema, occorre tenere presente che il sedimentatore - necessario per questa modalità operativa per permettere la separazione di una fase solida dall’effluente del digestore - à ̈ anch’esso un reattore che deve avere dimensioni commisurate al tempo di residenza necessario per ottenere il grado di sedimentazione desiderato. Detto tempo di residenza, pertanto, à ̈ criticamente dipendente dalle caratteristiche di sedimentabilità dei solidi, e conseguentemente dalla capacità delle popolazioni microbiche di formare aggregati relativamente stabili in grado di sedimentare a velocità apprezzabili.

Dal momento che questi fenomeni sono poco noti e difficilmente controllabili, oltre che soggetti alle imprevedibili variazioni di composizione del liquame in ingresso, si comprende bene come questo processo sia piuttosto complicato da gestire. Per quanto siano noti accorgimenti per ridurre i tempi di residenza e rendere efficiente l’impianto, gli approcci noti si basano ancora su comportamenti dei microorganismi difficilmente controllabili e riproducibili.

EP 0 641 296 descrive un procedimento di degradazione di materiale organico che prevede di sottoporre il materiale organico alternativamente e periodicamente a digestione mesofila e termofila. Nella fase mesofila, che viene condotta in condizioni di anaerobiosi in un apposito reattore, il materiale organico viene almeno parzialmente digerito con la concomitante produzione di biomassa mesofila ed anaerobica, mentre nella fase termofila aerobica o microaerofila successiva il materiale organico residuo e la biomassa dei microrganismi mesofili provenienti dalla fase precedente sono almeno parzialmente digeriti. Detto trattamento ciclico viene realizzato usando l'effluente del bioreattore aerobico come alimentazione per un secondo reattore anaerobico e così via per una serie di reattori. Il processo viene fatto continuare fino a convertire il materiale organico in modo sostanzialmente completo in prodotti di degradazione gassosi ed in acqua. Tuttavia, i prodotti di degradazione presentano ancora un carico inquinante che desta comunque preoccupazione.

Un primo scopo della presente invenzione à ̈ pertanto di realizzare un processo di degradazione delle sostanze organiche che abbatta sostanzialmente il carico inquinante, generando prodotti di degradazione a scarso impatto sull’ambiente.

In particolare, si à ̈ inoltre potuto constatare che la rimozione delle sostanze azotate dai reflui di ogni origine à ̈ una funzione importante dei sistemi di trattamento biologico e la maggior parte degli impianti moderni prevede delle sezioni a ciò deputate: queste sono tipicamente basate su processi microbiologici di nitrificazione/denitrificazione la cui funzione à ̈ la trasformazione dell’ammoniaca in azoto molecolare che viene rilasciato nell'atmosfera. Questo approccio ha un impatto ecologico pressoché nullo, ma ha lo svantaggio di riportare l'azoto in una forma non direttamente utilizzabile dai vegetali, e cioà ̈ una forma che richiede una preventiva riduzione chimica o biologica ad opera dei microrganismi azoto-fissatori. La riduzione chimica con idrogeno che porta alla formazione di ammoniaca (processo Haber-Bosch) à ̈ alla base della produzione dei fertilizzanti azotati contenenti sali di ammonio e di quelli contenenti nitrati, che vengono tipicamente ottenuti dall'ammoniaca mediante ossidazione catalitica con ossigeno (processo Ostwald). I processi di nitrificazione/denitrificazione distruggono quindi una risorsa (l'ammoniaca) la cui rigenerazione per l'impiego in agricoltura richiede un dispendio energetico notevole e di cui vi à ̈ d’altra parte una grande necessità. Circa l'80% dell'ammoniaca prodotta a livello globale, dell'ordine di 150 milioni di tonnellate/anno, viene infatti utilizzata in agricoltura, sia sotto forma di sali di ammonio sia sotto forma di nitrati da essi derivati.

Numerosi processi sono noti nell’arte per la rimozione dell’ammoniaca da reflui di varia natura. Ad esempio, US2008/156726 A1 descrive l’impiego di composti basici per spostare l’equilibrio ammoniaca/ammonio verso l’ammoniaca facilitandone così la rimozione in sistemi di strippaggio con aria, vapore, mentre JP2006334472 descrive un sistema simile nel quale la soluzione contenente ammoniaca sotto forma di sali di ammonio viene portata ad un pH superiore ad 8 mediante l’aggiunta di una base e quindi introdotta in un contattore gas/liquido (scrubber) in cui viene immessa aria che rimuove l’ammoniaca gassosa così generata. Tale ammoniaca viene recuperata in un secondo scrubber alimentato con una soluzione acida. US2007/0062231 A1 descrive un metodo consistente nel riscaldamento del refluo contenente ammoniaca sotto vuoto parziale e nel conseguente assorbimento dell’ammoniaca e dell’anidride carbonica rilasciati nella fase gassosa mediante una sospensione di solfato di calcio che viene convertito in carbonato di calcio, che precipita, ed in solfato di ammonio in soluzione che viene recuperato.

Tuttavia, tutti i metodi di alcalinizzazione noti prevedono lo spostamento dell’equilibrio verso l’ammoniaca mediante l’aggiunta di un agente chimico introdotto ad arte nel sistema, con evidenti problemi di costi aggiuntivi per la materia prima e di smaltimento dei sottoprodotti di reazione. Ancora un ulteriore scopo dell’invenzione à ̈ dunque di realizzare un processo innovativo per la mineralizzazione ed il recupero dell'azoto presente nei sottoprodotti del processo di trattamento di reflui biologici sopra indicato, facendo leva sull’azione degli agenti biologici già presenti nel bioreattore, selezionati dalle condizioni operative applicate, in modo da ottenere azoto in forme inorganiche ad alta purezza, in pratica indistinguibili da quelle presenti nei fertilizzanti chimici del commercio, con il pregevole beneficio aggiuntivo di una riduzione del costo della fertilizzazione azotata.

Inoltre, à ̈ ben noto e documentato l’effetto eutrofizzante del fosforo sui corpi idrici: particolarmente sentita à ̈ dunque la necessità di trovare processi atti a favorire la rimozione di questo elemento dalle acque provenienti dal trattamento di reflui di diversa origine. Sono attualmente noti due principali processi di rimozione del fosforo dai reflui: immobilizzazione nella biomassa batterica, oppure insolubilizzazione chimica.

Nel caso della immobilizzazione, tuttavia, si determina un semplice spostamento delle sostanze eutrofizzanti dal refluo al fango, e conseguentemente si rende necessario l’ulteriore trattamento del fango ora costituito dalla sostanza organica con un potenziale inquinante.

Nel caso dell’insolubilizzazione, si prevede di rimuovere per via chimica l’ortofosfato solubile dalle acque reflue mediante processi che utilizzano composti chimici in grado di reagire con l’ortofosfato dando origine a composti insolubili che possono essere poi separati meccanicamente dal refluo, ma che risultano tuttavia inutilizzabili nel settore agro-alimentare, dato che hanno effetti indesiderati sui suoli agricoli. E’ anche noto di insolubilizzare i carichi di fosforo mediante conversione dell’ortofosfato in idrossiapatite (Ca5(PO4)3(OH)), composto che à ̈ compatibile con l’impiego agricolo, ma il processo appare conveniente soltanto in impianti di grandi dimensioni, date le notevoli complicazioni impiantistiche che richiede.

Ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ dunque quello di minera lizzare nella maggior misura possibile il fosforo presente nel liquame in ingresso, portandolo ad una forma inorganica solubile, quale ortofosfato, che può essere separata dal fango con un livello di purezza tale da consentirne il recupero e l’utilizzo ulteriore, ad esempio come fertilizzante. Infine, à ̈ scopo della presente invenzione di realizzare un processo di abbattimento della CO2emessa durante il processo di trattamento delle acque reflue in oggetto, per soddisfare le esigenze di una maggiore attenzione all’emissione nell’atmosfera di gas responsabili dell’effetto-serra.

Tutti detti scopi vengono ottenuti mediante un processo ed un impianto per il trattamento biologico dei reflui organici aventi le caratteristiche indicate nelle rivendicazioni indipendenti 1 e 7 allegate. Preferite caratteristiche del processo e dell’impianto dell’invenzione sono definite nelle rivendicazioni dipendenti.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risultano comunque meglio evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di una forma di esecuzione preferita di un impianto in cui attuare il processo dell’invenzione, in cui il refluo trattato à ̈ liquame di un allevamento suino, data a puro titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento alle figure allegate, in cui:

fig. 1 à ̈ una vista schematica di una prima frazione dell’impianto di biodegradazione secondo l’invenzione;

fig. 2 à ̈ una vista schematica di una seconda frazione dell’impianto di biodegradazione secondo l’invenzione;

fig. 3 à ̈ una vista schematica di una terza frazione dell’impianto di biodegradazione secondo l’invenzione;

fig. 4 à ̈ una vista schematica di una quarta frazione dell’impianto di biodegradazione secondo l’invenzione.

La descrizione dell’impianto di biodegradazione dell’invenzione sarà effettuata, per maggiore semplicità, in relazione al percorso e alle fasi di lavorazione successive che subisce il refluo organico attraverso di esso.

Un condotto 1, la cui portata à ̈ regolata da una pompa 2 di alimentazione, porta il liquame dalla vasca di raccolta (non illustrata) ad un digestore anaerobico 3, dotato di un sistema di agitazione 4. Il liquame viene qui lavorato una prima volta mediante un trattamento sostanzialmente convenzionale di digestione anaerobica metanogenica, nel quale avviene la degradazione di una parte della sostanza organica con conseguente produzione di biogas.

Il digestore 3 opera in modalità continua, ovvero con l'immissione continua o periodica di refluo organico fresco e la rimozione continua o periodica del contenuto digerito. In particolare, oltre alla tecnica di digestione continua CSTR sopra descritta (Continuous Stirred Tank Reactor) si può fare uso della tecnica del cosiddetto fed-batch ripetuto (RFB), ossia mediante alimentazione costante e volume variabile tra un valore minimo ed un valore massimo, raggiunto il quale viene scaricato un volume di liquido dal digestore, con conseguente ritorno al valore minimo. Tipicamente, nel digestore anaerobico 3 la temperatura di esercizio à ̈ mantenuta nell’intervallo mesofilo (30-40 °C).

Qualunque sia il processo di digestione utilizzato, l’effluente viene portato dal digestore anaerobico 3 attraverso un condotto 5, la cui portata à ̈ regolata da una seconda pompa 6, ad un’apparecchiatura di microfiltrazione o microfiltro 7. Il microfiltro 7 agisce in modo da aumentare la concentrazione dei solidi sospesi presenti nel liquame dopo il trattamento nel digestore 3.

Dal microfiltro 7, un flusso di filtrato sostanzialmente privo di solidi sospesi fuoriesce attraverso un condotto 8, il cui flusso à ̈ regolato da una pompa 9, per essere inviato ad un bioreattore 10 aerobico o micro-aerofilo per un ulteriore trattamento. Nello stesso tempo, la sostanza solida che à ̈ stata concentrata per filtrazione dal microfiltro 7 viene invece rinviata al digestore 3 mediante un condotto 11, perché sia ulteriormente trattata secondo la tecnica sopra descritta.

Il bioreattore 10 opera in condizioni termofile (40-70 °C) ed in condizioni di sufficienza di ossigeno o di micro-aerofilicità. Tali condizioni, richieste per il corretto funzionamento del bioreattore, sono ottenute mediante insufflazione nel bioreattore di aria o altro gas contenente ossigeno, attraverso il condotto 12, preferibilmente insieme ad agitazione meccanica mediante eliche o turbine 13, in modo da aumentare la velocità di dissoluzione dell'ossigeno ed una concentrazione sostanzialmente costante dello stesso nell’intero digestore.

Per verificare in tempo reale le concentrazioni di ossigeno, si misura la tensione dell'ossigeno disciolto nel liquido per mezzo di una sonda galvanometrica o polarografica convenzionale (non mostrata).

Il bioreattore 10 opera in modalità continua con uno schema analogo al digestore anaerobico mesofilo. In particolare, da esso si diparte un condotto 14 comprendente una pompa 15 di circolazione che porta l’effluente del bioreattore 10 ad una seconda apparecchiatura di microfiltrazione o microfiltro 16. La sostanza solida che non passa il vaglio viene rinviata – attraverso un condotto 17 - al bioreattore 10, mentre i fluidi filtrati sono portati al di fuori dall’impianto tramite un condotto 18, per l’eventuale successivo utilizzo. Dal momento che il fluido che esce dal condotto 18 à ̈ una soluzione limpida, priva di solidi sospesi, à ̈ possibile prevedere, in alternativa al tradizionale spandimento sui campi, un ulteriore trattamento di detta sostanza liquida in modo da trasformarla in un fertilizzante liquido di uso commerciale.

Come si comprende, non trattandosi di un sistema chiuso, l’impianto prevede flussi di uscita delle sostanze trattate, alcuni dei quali particolarmente interessanti per l’utilizzo pratico che possono avere. In particolare, à ̈ previsto un condotto 19 di uscita del biogas che si produce nel trattamento dei liquami all’interno del digestore 3 per un ulteriore trattamento, come descritto in seguito.

Inoltre, dal bioreattore 10 si dipartono un condotto 20 di uscita del gas esausto del trattamento dei liquami trattati nel bioreattore 10, sostanzialmente costituito da sostanze ammoniacali che possono rivelarsi utili previo opportuno trattamento, ed un condotto 21 per la fuoriuscita, regolata da una pompa di prelievo 22, di un flusso fluido ad elevato contenuto di sostanze solide. Il flusso fluido che fuoriesce dal condotto 21 à ̈ una sospensione di sostanze solide, costituita in particolare da biomassa microbica e solidi insolubili non digeriti, che potrà subire ulteriore trattamento per l’estrazione di fosforo.

Infine, tra il digestore 3 e il bioreattore 10 sono previsti due condotti di collegamento, rispettivamente di mandata 23, il cui flusso à ̈ regolato da una pompa 24, e di ritorno 25, il cui flusso à ̈ regolato da una pompa 26: il flusso attraverso il condotto 23 viene utilizzato, in modo per sé noto, per mantenere sostanzialmente costante il volume all’interno del digestore 3, mentre il flusso attraverso il condotto 25 viene regolato in modo da ottenere l’intensità di riciclo desiderata. La costanza dei suddetti flussi nel tempo consente di mantenere l’intero impianto in condizioni stazionarie di funzionamento.

Il condotto 19, che proviene dal bioreattore 3, alimenta il biogas prodotto in tale reattore ad un contattore gas/liquido 27 per il passaggio in controcorrente del biogas attraverso una fase liquida inizialmente composta da acqua nella quale si discioglie in parte la CO2contenuta nel biogas con formazione di acido carbonico, fino a raggiungere condizioni di equilibrio con l’acido carbonico, il quale, dissociandosi parzialmente, determina un abbassamento del pH della soluzione. Il biogas così impoverito di CO2, e quindi composto per la quasi totalità da metano, viene estratto dal contattore 27 attraverso un condotto 28 ed inviato ad un motore termico 29, che può essere per esempio un bruciatore, un motore a combustione interna, oppure un motore a turbina. L’energia termica o meccanica così prodotta dalla combustione del biogas depurato dalla CO2, viene favorevolmente utilizzata per i fabbisogni interni dell’impianto migliorandone così il bilancio energetico.

Per il deflusso della fase liquida, presente nel contattore 27, à ̈ previsto un condotto 30 che va ad alimentare un serbatoio 31, che a sua volta rifornisce – tramite un condotto 32 – un secondo contattore gas/liquido 33 per il trattamento del flusso gassoso contenente sostanze ammoniacali liberato dal bioreattore 10 tramite un condotto 20. Le sostanze ammoniacali si disciolgono nella fase liquida acida proveniente dal serbatoio 31 e la loro basicità viene almeno in parte neutralizzata dall’acidità introdotta nella fase liquida da parte della CO2disciolta nel contattore 27. Il risultato di questa neutralizzazione à ̈ la formazione di una miscela di sali azotati (bicarbonato di ammonio, carbonato di ammonio, ecc.) il cui equilibrio à ̈ influenzato dal pH della soluzione.

Per rendere stabile la miscela, che altrimenti tenderebbe a decomporsi anche a temperature relativamente basse, formando gas di NH3e CO2, e rendendone sostanzialmente impossibile la conservazione per periodi prolungati, si rende poi necessario procedere alla trasformazione in ione nitrato della metà (in termini molari) dell’ammonio presente nella soluzione proveniente dal sistema di contattori combinati 27 e 33, in modo da ottenere una soluzione acquosa di nitrato di ammonio (NH4NO3), sostanza dalle eccellenti caratteristiche fertilizzanti a causa sia dell’elevato contenuto percentuale di azoto (35% in peso) sia della sua stabilità allo stato solido oppure in soluzione.

La trasformazione di una parte dello ione ammonio in ione nitrato viene effettuata per via biologica mediante la reazione detta di nitrificazione, tipica di consorzi di microorganismi appartenenti ai generi Nitrosomonas, Nitrosococcus e Nitrobacter. I microorganismi appartenenti ai primi due generi ossidano lo ione ammonio a ione nitrito utilizzando l’ossigeno molecolare come accettore di elettroni, mentre quelli appartenenti al terzo genere ossidano lo ione nitrito a ione nitrato operando in modo analogo, grazie alla loro autotrofia, ovvero la capacità di utilizzare la CO2come fonte di carbonio. L’elevata concentrazione di CO2nella soluzione proveniente dal sistema combinato di contattori risulta quindi particolarmente favorevole allo sviluppo ed all’attività di questi microorganismi ai fini della presente invenzione.

La parziale nitrificazione dello ione ammonio viene effettuata in un bioreattore, contenente la biomassa nitrificante in sospensione liquida oppure adesa ad un substrato solido, che viene alimentato in modo continuo oppure intermittente con la soluzione proveniente dal sistema di contattori gas-liquido, ovvero con il flusso 34 indicato nella Fig. 2.

Nella Fig. 3 à ̈ rappresentato in modo schematico un tale sistema di nitrificazione nel quale la biomassa nitrificante à ̈ contenuta in un bioreattore 35 costituito da un recipiente cilindrico riempito con un opportuno materiale che trattiene la biomassa nitrificante sulla sua superficie oppure all’interno di cavità del materiale stesso. Il bioreattore a biomassa immobilizzata viene alimentato in modo continuo oppure intermittente con la soluzione di sali ammoniacali 34 contenuta in un serbatoio 36 nel quale viene immessa mediante una pompa 37 e dal quale viene prelevata da una pompa 38 che la invia in testa al bioreattore 35. La soluzione percola attraverso il bioreattore venendo in contatto con la biomassa nitrificante in esso contenuta e viene quindi nuovamente raccolta nel serbatoio 36. Si realizza così una circolazione continua della soluzione di sali ammoniacali attraverso il bioreattore 35 che porta tali sali continuamente in contatto con la biomassa nitrificante e determina una progressiva trasformazione dello ione ammonio in ione nitrato.

Per favorire detta trasformazione il bioreattore 35 viene alimentato con aria, o altro gas contenente ossigeno, che viene immessa nella parte bassa (flusso 39) e viene rilasciata nella parte alta (flusso 40). Il progressivo aumento della concentrazione di ioni nitrato e la corrispondente diminuzione della concentrazione di ioni ammonio nel liquido contenuto nel recipiente 36 possono essere controllati mediante l’immissione continua o periodica di soluzione fresca di sali ammoniacali 34 mediante la pompa 37 e la contemporanea rimozione di soluzione nitrificata mediante l’uso di un sistema di controllo automatico di livello che mantiene costante il volume azionando una valvola 41 di fuoruscita del liquido dal serbatoio 36. In linea di principio à ̈ possibile mantenere il rapporto di concentrazione degli ioni ammonio e degli ioni nitrato ad un valore predefinito agendo sulla velocità di aggiunta dei primi e rimozione dei secondi, una volta nota la velocità di nitrificazione nel bioreattore 35.

Sulla base del bilancio dinamico delle due specie chimiche in esame nel sistema rappresentato nella Fig. 3 Ã ̈ agevole dimostrare che il rapporto tra le due specie, definito come

R = [NH4]/[NO3] (1)

varia in funzione del flusso di alimentazione di soluzione fresca al serbatoio (57) secondo l’equazione

R = D [NH4]in/(D [NH4]in – r) – 1 (2) dove: [NH4] = concentrazione ioni ammonio (moli/L)

[NH4]in = concentrazione ioni ammonio nel flusso di alimentazione (moli/L)

[NO3] = concentrazione ioni nitrato (moli/L) D = F/V

F = flusso di alimentazione (L/h)

V = volume totale del liquido nel sistema di nitrificazione (L) r = velocità volumetrica di trasformazione dell’ammonio in nitrato (moli/L h)

Naturalmente la velocità volumetrica di trasformazione dell’ammonio in nitrato (r) non à ̈ una costante, ma dipende, tra le altre cose, dalla quantità di biomassa nitrificante e dalla concentrazione degli ioni ammonio e nitrato nel sistema. Nella sua forma più semplice tale dipendenza può essere espressa mediante una funzione del tipo Michaelis-Menten ovvero

r = qm X S /(S Ks) (3)

dove: qm = velocità massima di nitrificazione per unità di biomassa (moli/g h)

X = quantità totale di biomassa nitrificante nel sistema (g) S = concentrazione di ione ammonio nel liquido (mol/L)

Ks = costante di saturazione (mol/L)

La combinazione dell’Eq. (2) con l’Eq. (3) fornisce una relazione tra il parametro D (velocità di alimentazione specifica) e la variabile s (concentrazione residua di ione ammonio nel sistema). E’ agevole dimostrare che ad ogni valore di D corrisponde un solo valore di S. La relazione à ̈ tale per cui valori molto alti di D determinano un eccesso di ione ammonio rispetto allo ione nitrato, mentre valori molto bassi di D conducono alla situazione opposta. E’ quindi evidente che esiste un valore di D in corrispondenza del quale il parametro R definito nell’Eq. (1) assume il valore di 1, corrispondente ad una soluzione acquosa di nitrato di ammonio. Tale valore di D à ̈ dato dall’espressione

D = 2 r/[NH4]in (4).

Tra gli effluenti dal bioreattore 10, che vengono prelevati attraverso il condotto 21, si riconosce la presenza di fosforo inorganico presente sotto forma di ortofosfato. Per procedere al suo recupero, si fa uso di un sistema (Fig. 4) che si compone delle seguenti unità principali:

— Reattore agitato 42 che riceve l’effluente 21 proveniente dal bioreattore 10 e lo acidifica per mezzo dell’aggiunta di un acido 43;

— Sistema di microfiltrazione 44 che opera a ricircolo sul reattore 42 producendo un effluente limpido 45

— Reattore agitato 46 che riceve l’effluente limpido 45 e determina la precipitazione del fosfato presente nell’effluente 45 mediante l’aggiunta del composto chimico 47

— Sistema di filtrazione 48 che riceve la sospensione contenente il composto insolubile contenente il fosfato proveniente dal reattore 46 e consente il recupero del composto insolubile 49.

L’acidificazione dell’effluente del reattore aerobico 10 permette la solubilizzazione dei composti insolubili contenenti fosfato eventualmente presenti nel reattore 10 a causa dell’elevato valore di pH in esso presente. Tale solubilizzazione à ̈ necessaria per consentire un efficiente recupero dell’ortofosfato nell’effluente limpido 45 prodotto dal sistema di microfiltrazione 44 in quanto eventuali composti insolubili verrebbero trattenuti dalla membrana filtrante.

La precipitazione dell’ortofosfato presente nell’effluente limpido 45 viene ottenuta mediante l’aggiunta di sali di magnesio (ad esempio MgCl2, MgSO4, MgO e simili) e la contemporanea alcalinizzazione dell’effluente 45. L’impiego di MgO oppure di Mg(OH)2à ̈ particolarmente vantaggiosa in quanto determina contemporaneamente l’aggiunta di ioni magnesio e l’alcalinizzazione della soluzione. La presenza contemporanea di ammonio e di ortofosfato nell’effluente 45 fa sì che l’aggiunta di sali di magnesio determini la precipitazione del composto Mg(NH4)PO4(struvite), particolarmente vantaggioso nell’applicazione come fertilizzante per usi agricoli. Questa può essere recuperata per mezzo di una filtrazione, sedimentazione, centrifugazione o altra operazione equivalente di separazione solido-liquido.

Il processo sinora descritto à ̈ evidentemente semplificato. In particolare, non tiene conto di alcune variabili che nella pratica riducono la resa dell’impianto oggetto dell’invenzione. Infatti la descrizione non ha tenuto conto del fatto che i solidi sospesi presenti nel bioreattore non sono costituiti esclusivamente da biomassa formata all'interno del bioreattore a partire da un substrato solubile, ma anche da substrati insolubili che possono in parte essere utilizzati per la crescita della biomassa nel bioreattore. In generale, à ̈ comunque da attendersi che la produzione di un effluente sostanzialmente privo di solidi sospesi determini un aumento della concentrazione di biomassa nel bioreattore e quindi della capacità degradativa volumetrica.

L'impiego della microfiltrazione come metodo di concentrazione dei solidi sospesi costituisce un notevole miglioramento rispetto all'impiego di un sedimentatore, in quanto l'efficienza di quest'ultimo dipende in modo cruciale dalle caratteristiche di sedimentabilità dei solidi sospesi, caratteristiche difficilmente controllabili da parte dell’operatore. Le sopra descritte apparecchiature di microfiltrazione 7 e 16 diminuiscono vantaggiosamente la complessità ed il costo di realizzazione e di gestione dell'impianto dal momento che non à ̈ più necessario – come nella tecnica nota – prevedere nell’impianto l’uso di un sedimentatore ed inoltre attuare tutti quegli accorgimenti tecnici necessari per ottenere una capacità di sedimentazione elevata in tempi accettabili.

Le condizioni operative vengono scelte sulla base dell’efficienza di recupero dei gas ammoniacali desiderata e del valore di pH del contenuto del bioreattore 10, che deve essere non inferiore a circa 8. A questo valore di pH ed alla temperatura prescelta (55 °C) la posizione dell’equilibrio tra l'ammoniaca disciolta (NH3aq) e lo ione ammonio (NH4<+>) à ̈ tale per cui l'ammoniaca disciolta rappresenta circa il 55% dell’ammoniaca totale in soluzione. L'ammoniaca libera in soluzione tende a stabilire un equilibrio con l'ammoniaca presente nella fase gassosa, costituita dall’aria 12 insufflata nel bioreattore 10 per mantenere le condizioni aerobiche desiderate, impoverita di ossigeno ed arricchita in anidride carbonica ed ammoniaca durante il contatto con la fase liquida presente nel bioreattore stesso. La continua immissione di fase gassosa fresca e la corrispondente rimozione di fase gassosa arricchita in ammoniaca determinano quindi una rimozione netta di ammoniaca gassosa dal bioreattore 10.

Dalla descrizione sopra riportata si comprende chiaramente come la presente invenzione permetta di ottenere tutti gli scopi prefissati. In particolare si à ̈ fornito un processo di degradazione delle sostanze organiche ed un relativo impianto che soddisfano le esigenze di efficacia, riproducibilità e controllo facendo uso di una tecnica di concentrazione della biomassa microbica e dei particolati presenti nella miscela di digestione basata sulla microfiltrazione tangenziale, nella quale la separazione tra particolato (inclusi i microorganismi) e frazione limpida non dipende dalle caratteristiche dei microorganismi, ma dalle caratteristiche dei mezzi filtranti prescelti e dalle condizioni operative imposte. Tale approccio, già impiegato negli MBR (Membrane Bio-Reactor) utilizzati per la degradazione aerobica dei reflui, à ̈ stato esteso ai digestori anaerobici.

Si à ̈ ottenuto inoltre lo scopo prefissato mediante un processo biologico di trattamento composto da una sola fase anaerobica ed una sola fase aerobica o micro-aerofila in successione. In questo modo, si favorisce inizialmente la produzione di biogas a scapito della mineralizzazione dell’azoto, e successivamente, mantenendo elevati i valori di pH e temperatura, si ottiene la trasformazione dell'azoto organico in ammoniaca/ammonio per un complessivo 70% dell’azoto originario. La semplicità dell’impianto dimostra che questo processo à ̈ di per sé applicabile anche sulla scala medio-piccola tipica delle aziende produttrici del refluo, quali ad esempio gli allevamenti.

Si à ̈ inoltre ottenuto di realizzare un processo innovativo per la mineralizzazione ed il recupero delle principali sostanze che determinano lo stress ambientale da reflui, quali azoto, fosforo e anidride carbonica, secondo le modalità sopra descritte mediante un processo biologico. La basificazione necessaria per lo spostamento dell’equilibrio verso l'ammoniaca essendo infatti ottenuta mediante la sola attività degli agenti biologici presenti nel bioreattore, selezionati dalle condizioni operative applicate, partendo da reflui agro alimentari. La semplicità dell’impianto dimostra che questo processo à ̈ di per sé applicabile anche sulla scala medio-piccola tipica delle aziende produttrici del refluo, quali ad esempio gli allevamenti.

Si à ̈ inoltre ottenuto il recupero del fosforo presente nel refluo in ingresso, sotto forma di un composto particolarmente utile nell’impiego agricolo, Mg(NH4)PO4(struvite), che ha il vantaggio di fare uso di parte delle sostanze da estrarre dal refluo e di richiedere solo l’aggiunta di quantità opportune di sali di magnesio.

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1) Processo per il trattamento biologico di reflui organici, del tipo comprendente una prima fase di digestione anaerobica ed una seconda fase di digestione aerobica in successione, tra le due fasi di digestione essendo prevista una rispettiva fase di filtrazione della sostanza solida, comprendente inoltre una fase di separazione del biogas liberato in detta fase di digestione anaerobica ed una fase di recupero di azoto dai gas esausti ricchi di sostanze ammoniacali separati da detta fase di digestione aerobica caratterizzato dal fatto che in detta fase di recupero di azoto la corrente gassosa costituita da detti gas esausti ricchi di sostanze ammoniacali viene trattata con una soluzione di acido carbonico alimentata in controcorrente in un primo contattore gas/liquido (27) per ottenere una miscela di sali azotati (bicarbonato di ammonio, carbonato di ammonio, ecc.).
2. 2) Processo come in 1), in cui detta soluzione di acido carbonico viene ottenuta trattando la corrente di biogas uscente dalla prima fase di digestione anaerobica con acqua alimentata in controcorrente in un secondo contattore gas/liquido.
3. 3) Processo come in 1) o 2) in cui, a seguito della fase di recupero dell’azoto à ̈ ulteriormente prevista una fase di nitrificazione biologica aerobica per ottenere una parziale trasformazione di detti sali azotati in nitrato di ammonio.
4. 4) Processo come in 3), in cui à ̈ ulteriormente prevista una fase di recupero del fosforo contenuto nel flusso liquido uscente dalla seconda fase di digestione aerobica.
5. 5) Processo come in 4) in cui detta fase di recupero del fosforo prevede l’acidificazione di detto flusso liquido proveniente dal reattore aerobico, la produzione di un effluente limpido contenente il fosforo solubilizzato e la successiva precipitazione di fosforo insolubile mediante aggiunta di sali di magnesio.
6. 6) Processo come in una qualsiasi delle rivendicazioni da 2) a 5), in cui il flusso gassoso uscente da detto secondo contattore gas/liquido à ̈ prevalentemente costituito da gas combustibili che vengono inviati ad un motore termico di azionamento dell’impianto.
7. 7) Impianto per il trattamento biologico di reflui organici del tipo comprendente due reattori rispettivamente per la digestione anaerobica (3) ed aerobica (10), mezzi di filtrazione della sostanza solida (7, 16) disposti a valle di ciascun reattore, mezzi per la separazione del biogas che si libera in detto primo reattore e mezzi per la separazione di gas esausti ricchi di sostanze ammoniacali da detto secondo reattore e mezzi per la loro mineralizzazione in sali azotati caratterizzato da ciò che comprende ulteriormente mezzi per la estrazione di CO2da detto biogas.
8. 8) Impianto come in 8), in cui sono ulteriormente presenti mezzi per la nitrificazione di detti sali azotati, detti mezzi essendo costituiti da un bioreattore a biomassa immobilizzata alimentato con una soluzione di sali ammoniacali (50) contenuta in un serbatoio (57) nel quale viene immessa mediante una pompa (61) e dal quale viene prelevata da una pompa (58) che la manda in testa al bioreattore, detto bioreattore (56) essendo alimentato con un gas contenente ossigeno.
9. 9) Impianto come in 8) in cui sono ulteriormente previsti mezzi per il recupero del fosforo, detti mezzi essendo costituiti da: - un reattore che riceve l’effluente proveniente dal bioreattore aerobico e lo acidifica per mezzo dell’aggiunta di un acido, - un sistema di microfiltrazione che opera a ricircolo su detto reattore producendo un effluente limpido, un ulteriore reattore che riceve l’effluente limpido e determina la precipitazione del fosfato presente nell’effluente mediante l’aggiunta di un ulteriore composto chimico - un sistema di filtrazione che riceve la sospensione contenente il composto insolubile contenente il fosfato proveniente dal secondo reattore e consente il recupero del composto insolubile di fosforo.