ITMI20111241A1 - Processo elettrochimico per il trattamento di percolato - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo

"PROCESSO ELETTROCHIMICO PER IL TRATTAMENTO DI

PERCOLATO"

La presente invenzione riguarda un processo elettrochimico per il trattamento di percolato.

Come noto, il percolato è un liquido che si accumula nelle discariche di rifiuti, il quale deriva principalmente dall'infiltrazione di acqua nella massa dei rifiuti o dalla decomposizione degli stessi. In misura minore è anche prodotto dalla progressiva compattazione dei rifiuti. Il percolato prodotto dalla discariche controllate di rifiuti solidi urbani (RSU) è un refluo con un tenore più o meno elevato di inquinanti organici ed inorganici, derivanti dai processi biologici e fisico-chimici.

Per legge, il percolato deve essere captato ed opportunamente trattato nel sito stesso della discarica o trasportato in impianti ad hoc debitamente autorizzati allo smaltimento di rifiuti liquidi. Il sistema di captazione consiste in genere in una serie di tubi fessurati immersi in uno strato di ghiaia drenante appena al di sopra dello strato di impermeabilizzazione. L'inquinamento del percolato è il risultato dei processi biologici, chimici e fisici che avvengono all'interno della discarica, i quali sono principalmente influenzati dalla composizione specifica dei rifiuti e dal regime idrico della discarica. In generale, le caratteristiche quantitative del percolato sono infleunzate da fattori esterni quali l'apporto idrico (meteorico, superficiale, sotterraneo) e da fattori interni come l'umidità iniziale, la produzione ed il consumo di acqua durante la biodegradazione dei rifiuti, da fattori progettuali come la copertura finale. Le caratteristiche qualitative dipendono invece più strettamente dalla compsozione dei rifiuti, in particolare dalla componente organica biodegradabile e dia contenuto di ioni ammonio e di metalli.

Nello studiare e mettere a punto una tecnologia per il trattamento del percolato occore in genere tenere in considerazione, oltre alle caratteristiche del percolato da trattare, anche vari altri aspetti, quali: la concentrazione limite da rispettare, una bassa richiesta di risorse ed energia, una limitata generazione di rifiuti, un basso impatto ambientale, un funzionamento semplice, affidabile, efficiente ed economico.

Sono attualmente in uso processi per il trattamento del percolato di vario tipo, i quali presentano vantaggi e svantaggi più o meno evidenti.

Ad esempio, il trattamento biologico del percolato è un processo a basso costo mediante il quale la sostanza organica è convertita in anidride carbonica, acqua e biomassa. In generale, se le sostanze inquinanti possono essere trattate con processi biologici, è sconsigliato l'uso di processi chimico-fisici, i quali sono più costosi, anche se, rispetto a quelli biologici, richiedono impianti di dimensioni più contenute. In taluni casi, però, risulta difficile il raggiungimento degli standard di legge solo tramite un trattamento di tipo biologico, per cui è necessario ricorrere a processi integrati. La trattabilità biologica di un percolato, in generale, dipende dalla sua composizione ovvero dall'assenza di sostanze che possano inibire o bloccare il processo di digestione da parte dei batteri. Per esempio, taluni metalli, solfuri ed idrocarburi di varia natura possono "avvelenare" il fango attivo rendendo praticamente impossibile la realizzazione di un processo biologico. In tal senso e relativamente al solo contenuto di sostanze organiche e/o ossidabili, si ritiene in genere che il percolato sia processabile biologicamente quando il rapporto BOD5/COD è inferiore a 5 (valori dell'ordine di 5 all'uscita dal processo sono invece generalmente accettabili).

Anche il valore massimo del BOD5è considerato limitante rispetto alla possibilità di trattamento con metodo biologico, perché se eccessivo rischia di "intossicare" il digestore.

I trattamenti chimico-fisici agiscono principalmente sulla separazione e concentrazione degli inquinanti, così da ottenere un concentrato che viene poi ulteriormente trattato, ad esempio tramite incenerimento, deposito in discarica od altro trattamento.

In genere il trattamento chimico del percolato prevede l'utilizzo di agenti ossidanti, quali l'ozono o il perossido d'idrogeno (H2O2)accoppiato alla radiazione UV come catalizzatore. Si tratta di un processo molto efficace per la rimozione del COD ovvero della componente biorefrattaria degli inquinanti. Da notare che, in genere, non si ottiene un'ossidazione completa degli inquinanti, ma è comunque possibile ottenere un prodotto che può essere destinato ad un successivo trattamento biologico.

Tramite processi di osmosi inversa si possono ottenere buoni rendimenti di rimozione del COD, anche superiori al 90%, e dell'azoto ammoniacale (circa 80% su percolati in fase metanigena). Tuttavia, le molecole organiche piccole non vengono trattenute per cui è necessario un successivo trattamento biologico. L'eluato concentrato ottenuto dal processo viene solitamente ricircolato in discarica.

Il Richiedente si è posto il problema di trattare il percolato tramite un processo che sia in grado di ridurre i valori di COD e di BOD del percolato stesso nel modo meno selettivo possibile, che sia efficace e tale da ottenere un liquido finale con un valore di COD inferiore a 500 mg/l-02, preferibilmente inferiore a 150 mg/l-02, avente un basso contenuto di metalli e caratterizzato da una bassa quantità di precipitati.

Il Richiedente si è altresì posto come obiettivo quello di realizzare un processo che sia il più possibile indipendente dalla composizione (e quindi dalla provenienza) del percolato da trattare e la cui efficienza non sia sostanzialmente limitata dalla concentrazione iniziale degli inquinanti.

Il Richiedente ha trovato che tale problema può essere risolto tramite un processo di trattamento elettrochimico del percolato così come definito qui di seguito e nelle rivendicazioni allegate alla presente descrizione, il quale consente di ottenere una riduzione del COD fino a valori inferiori a 500 mg/1-02, ed anche inferiori a 150 mg/l-02, con elevata efficienza mediante un dispositivo di semplice gestione e di ridotte dimensioni.

La presente invenzione ha quindi per oggetto un processo per il trattamento di percolato, in particolare derivante da discariche di rifiuti, che comprende sottoporre il percolato ad elettrolisi tramite almeno un catodo ed almeno un anodo immersi nel percolato e collegati ad un generatore di corrente continua.

Il processo elettrolitico viene in genere condotto per un tempo tale da ottenere un valore di COD nel percolato inferiore a 500 mg/l-02, preferibilmente inferiore a 150 mg/l-02.

Chiaramente tale tempo di trattamento dipende principalmente dal valore di COD iniziale del percolato, il quale è in genere dell'ordine di 3000 mg/l-02, ma può arrivare anche a valori superiori a 17000 mg/l-02. Il tempo di trattamento dipende anche dalla densità di corrente scaricata dagli elettrodi, ed ovviamente dal volume del percolato trattato nella cella e dall'efficienza della cella medesima, la quale, a sua volta, è funzione di altri parametri costruttivi.

Ad esempio, con una densità di corrente dell'ordine di 120 A/m<2>, si è osservato che valori iniziali di COD attorno a 3000 mg/1-02possono essere ridotti al di sotto di 500 mg/l-02in un tempo di circa 5-6 ore di trattamento. Ciò equivale ad un consumo specifico di energia elettrica di circa 0,2 kWh/kg. Partendo invece da percolati con COD dell'ordine di 17000 mg/l-02ed oltre, i tempi del trattamento praticamente raddoppiano e si osserva che, in generale, il processo è tanto più efficiente quanto più alta è la concentrazione iniziale di inquinanti (ovvero esiste una curva di efficienza in funzione della concentrazione).

In una forma preferita di realizzazione, il processo prevede l'aggiunta al percolato da trattare di un cloruro di un metallo alcalino od alcalino-terroso solubile in acqua. Questo sale ha lo scopo precipuo di rendere disponibile all'anodo una maggiore quantità di ioni cloruro, così da aumentare la produzione di cloro e di altre specie clorurate ossidanti. Infatti, all'anodo lo ione cloruro viene ossidato a cloro atomico, il quale per un tempo breve è presente sottoforma di cloro

radicale (Ci·), specie molto reattiva la quale, dall'incontro con un altro radicale cloro, genera cloro elementare (Cl2):

Cl<“>— > 1⁄2 Cl2+ e<~>(I)

Come noto, il cloro elementare, in ambiente basico, subisce disproporzionamento secondo la seguente reazione:

Cl2+ 2 OH<->— > Cl<->+ CIO<->+ H20 (II) La specie ipoclorito CIO<->è dotata di ottime caratteristiche come ossidante. E' altresì possibile la formazione di altre specie clorurate in quantità limitate.

Tali specie ossidanti (Cl·, Cl2, CIO-) sono dotate di ottime caratteristiche ossidanti e di una spiccata reattività nei confronti di moltissime sostanze contenute nei percolati, le quali vengono quindi aggredite e trasformate in intermedi reattivi rispetto al processo elettrochimico. In ultima analisi, dunque, si ritiene che gli ioni cloruro introdotti nel percolato giochino un ruolo simile a quello di un catalizzatore, anche se una parte di essi viene consumata dal processo. Preferibilmente, il cloruro aggiunto al percolato è scelto tra: sodio cloruro (NaCl), potassio cloruro (KC1) e loro miscele. In generale, tuttavia, può essere utilizzato un qualunque cloruro solubile in acqua purché il metallo non sia anch'esso un inquinante e non precipiti sottoforma di idrossido. La quantità di cloruro (espressa come NaCl) è preferibilmente compresa tra 0,2% e 4% in peso, più preferibilmente tra 0,5% e 2% in peso, rispetto al peso della massa del percolato.

Dal momento che a seguito del disproporzionamento del cloro si formano ioni cloruro, in genere l'aggiunta di cloruri al percolato viene effettuata solo all'inizio del processo elettrolitico e non sono solitamente richieste aggiunte successive. Le quantità di cloruro sopra indicate sono in genere sufficienti anche a comprensare eventuali piccole perdite di cloro dovute allo sviluppo, nelle prime fasi del processo, di cloro gassoso.

Specialmente nel caso di percolati debolmente acidi e/o molto ricchi di inquinanti, può risultare vantaggioso addizionare al percolato da trattare, oltre al cloruro, un ipoclorito, in particolare ipoclorito di sodio o di potassio. La quantità di ipoclorito addizionata è preferibilmente compresa tra 0,2% e 5% in peso, più preferibilmente tra 0,5% e 3% in peso, rispetto al peso della massa del percolato.

Durante il processo, al catodo si ottiene principalmente la riduzione dell'acqua con formazione di idrogeno gassoso e ioni OH-:

H20 e<->— > 1⁄2 H2+ OH<->(III) Gli ioni ΟΙΓ formatisi al catodo causano il disproporzionamento del cloro così come sopra indicato. E' opportuno notare che, al termine del processo, il liquido trattato ha un valore di pH elevato (in genere superiore od uguale a 10), per cui, per effettuare la determinazione del COD, è necessario aggiungere un acido allo scopo di ottenere un pH sostanzialmente neutro. Inoltre, per non causare interferenze con l'analisi del COD, è altresì opportuno addizionare una soluzione di nitrato d'argento allo scopo di eliminare dalla soluzione gli ioni cloruro residui tramite precipitazione di AgCl . Gli eventuali residui di ipoclorito vengono invece eliminati grazie all'aggiunta dell'acido.

Da notare inoltre che nei processi chimici comunemente attuati per l'ossidazione del percolato tramite aggiunta di perossido d'idrogeno, i residui di quest'ultimo possono interferire pesantemente con la determinazione del COD, oltre ad essere essi stessi inquinanti, in quanto durante la titolazione il perossido si decompone in acqua ed ossigeno.

Come indicato sopra, al catodo si sviluppa idrogeno gassoso, il quale può essere eventualmente recuperato per altri impieghi. In alternativa, onde evitare accumuli potenzialmente pericolosi, l'idrogeno viene smaltito tramite ventilazione forzata.

Lo sviluppo gassoso al catodo può provocare un intenso schiumeggiamento del bagno elettrolitico, per cui a quest'ultimo viene preferibilmente aggiunto un agente antischiuma, ad esempio un prodotto siliconico idrosolubile, in particolare un'emulsione acquosa di un composto organo-siliconico (ad esempio polidimetilsilossano) . Si vedano ad esempio i prodotti commercializzati dalle ditte Chemical Roadmaster Italia sas, ACC Silicones Ltd. ed Industria Chimica Mar snc. L'agente antischiuma consente inoltre di mantenere gli elettrodi puliti per un tempo più lungo, senza richiedere continui interventi di manutenzione per la rimozione dei residui che tendono ad aderire agli elettrodi stessi, soprattutto nella porzione superiore dove si può formare schiuma.

La quantità di agente antischiuma può variare entro ampi limiti, soprattutto in relazione alla composizione del percolato stesso. Tale quantità è in genere compresa tra 0,05% e 2% in peso, più preferibilmente tra 0,1% e 1% in peso, rispetto alla massa del percolato trattato.

Per quanto riguarda gli elettrodi, questi sono in genere in metallo, e sono preferibilmente realizzati in forma di rete o di lamiera forata, allo scopo di aumentare la superficie utile, consentire la circolazione del liquido da trattare nell'interspazio tra catodo ed anodo, ed agevolare l'allontanamento dell'idrogeno prodotto al catodo, così da evitare che le bollicine di gas in formazione riducano eccessivamente la superficie elettrodica attiva. Preferibilmente, gli elettrodi sono predisposti in serie alternata catodo-anodo, tra loro separati da un interspazio di dimensioni opportune (dell'ordine di alcuni millimetri).

Per quanto riguarda il catodo, questo può essere di tipo metallico (ad esempio acciaio inox o titanio) oppure di grafite.

L'anodo è preferibilmente realizzato in titanio rivestito con almeno un ossido di un metallo nobile, il quale consente di ridurre i fenomeni di polarizzazione, ad esempio ossido di rutenio.

Per quanto riguarda il generatore di corrente continua, questo può essere di qualunque tipo, ad esempio switching oppure a trasformatore e raddrizzatore. Si vedano ad esempio i generatori delle ditte Alintel Srl ed A.S. Elettrica Srl. Non è in genere necessario che la corrente in uscita sia particolarmente esente da ripple residui. La corrente assorbita complessivamente dal sistema corrisponde preferibilmente ad una densità di corrente elettrodica da 100 a 220 A/m<2>, più preferibilmente da 120 a 180 A/m<2>.

La differenza di potenziale applicata ai capi di ciascuna cella è in genere da 3 a 5 V. Tale potenziale deriva dalla somma di vari contributi: la somma dei potenziali redox delle due semireazioni (I) e (II), i potenziali di sovratensione dovuti ai materiali scelti per gli elettrodi, i potenziali di polarizzazione di varia natura e il potenziale relativo alla caduta ohmica prodotta dalla soluzione elettrolitica che dipende principalmente dalla velocità di diffusione delle specie ioniche tra un elettrodo e l'altro. In particolare, quest'ultimo è uno dei più importanti tanto che la sua minimizzazione influisce sia sulla geometria della cella che sul rendimento energetico del processo.

Poiché, come sopra detto, i potenziali da applicare sono piuttosto esigui, in generale è preferibile che il sistema si componga di una serie di celle onde poterlo alimentare con la più alta tensione finale possibile. Questo significa anche avere il minor rapporto di trasformazione possibile rispetto alle normali tensioni di distribuzione della potenza elettrica, ciò al fine di ridurre anche di molto i costi dell'alimentatore. Per esempio, al limite, con una serie di circa 45-50 celle si può pensare di alimentare il sistema partendo dalla comune rete a 230 VAC, utilizzando un semplice ponte raddrizzatore a diodi e senza la necessità di condensatori in parallelo. Il carico, tra l'altro, avrebbe una caratteristica tipicamente resistiva.

Al termine del trattamento elettrolitico, il liquido trattato si presenta sostanzialmente privo di solidi in sospensione, per cui è generalmente trasparente, di colore da chiaro a giallo paglierino. Una certa turbidità può essere riscontrata nel caso in cui il percolato iniziale contenga metalli che precipitano come idrossidi in ambiente alcalino, oppure altre sostanze, magari non inquinanti, che possono dare torbidità in ambiente alcalino e che non possono essere trasformate tramite il processo secondo l'invenzione.

La presente invenzione verrà ora ulteriormente illustrata con un esempio di realizzazione, il quale viene fornito a solo scopo illustrativo ma non limitativo dell'invenzione.

ESEMPIO.

Ad un campione di percolato (6 litri) fornito da una discarica di rifiuti urbani è stato aggiunto: circa 1% in peso di sodio ipoclorito (prodotto commerciale in soluzione acquosa, la quantità è riferito al NaClO effettivamente contenuto prodotto); 0,5% in peso di cloruro di sodio; 3 grammi circa di polvere antischiuma. II liquido così formulato è stato introdotto all'interno di una cella elettrolitica. L'analisi sul percolato originale forniva un valore di COD pari a 3000 unità. Dopo circa 6 ore di trattamento, sottoponendo il liquido ad una tensione di 4,5 V e rilevando una corrente media di 40 A, è stato ottenuto un liquido finale avente un COD pari a 470 unità. Il consumo energetico della cella è stato pari a circa 0.2 KWh/Kg dato che la cella era in grado di caricare circa 6 litri (approssimativamente 6 Kg) di percolato. Sottoponendo il prodotto ottenuto ad un secondo ciclo di trattamento di altre circa 6 ore nelle medesime condizioni e senza aggiungere nessun altro additivo, è stato misurato un valore finale di COD pari a 42 unità.

Claims (13)

1. RIVENDICAZIONI 1. Processo per il trattamento di percolato, in particolare derivante da discariche di rifiuti, che comprende sottoporre il percolato ad elettrolisi tramite almeno un catodo ed almeno un anodo immersi nel percolato e collegati ad un generatore di corrente continua.
2. 2. Processo secondo la rivendicazione 1, in cui il passaggio di corrente viene mantenuto per un tempo tale da ottenere un valore di COD nel liquido finale inferiore a 500 mg/1-02, preferibilmente inferiore a 150 mg/l-02.
3. 3. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui al percolato da trattare viene aggiunto un cloruro di un metallo alcalino od alcalino-terroso solubile in acqua, preferibilmente scelto tra: sodio cloruro (NaCl), potassio cloruro (KC1) e loro miscele.
4. 4. Processo secondo la rivendicazione 3, in cui la quantità di cloruro (espressa come NaCl) addizionata è compresa tra 0,2% e 4% in peso, preferibilmente tra 0,5% e 2% in peso, rispetto al peso della massa del percolato.
5. 5. Processo secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui al percolato da trattare viene aggiunto un ipoclorito, in particolare ipoclorito di sodio o di potassio.
6. 6. Processo secondo la rivendicazione 5, in cui la quantità di ipoclorito addizionata è compresa tra 0,2% e 5% in peso, preferibilmente tra 0,5% e 3% in peso, rispetto al peso della massa del percolato.
7. 7. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui al percolato da trattare viene aggiunto un agente antischiuma.
8. 8. Processo secondo la rivendicazione 7, in cui l'agente antischiuma è un prodotto siliconico idrosolubile.
9. 9. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'elettrolisi viene realizzata tramite una pluralità di elettrodi predisposti in serie alternata catodo-anodo, tra loro separati da un interspazio di dimensioni opportune.
10. 10. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto almeno un catodo è metallico (ad esempio acciaio inox o titanio) oppure in grafite.
11. 11. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto almeno un anodo è realizzato in titanio rivestito con almeno un ossido di un metallo nobile, ad esempio ossido di rutenio.
12. 12. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la corrente assorbita complessivamente corrisponde ad una densità di corrente elettrodica da 100 a 220 A/m<2>, preferibilmente da 120 a 180 A/m<2>.
13. 13. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui ai capi di ciascuna cella è applicata una differenza di potenziale da 3 a 5 V.