ITMI942323A1 - Processo a letto fisso per la depurazione delle acque di rifiuto - Google Patents
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Abstract
L'invenzione riguarda un processo a letto fisso per la riduzione simultanea della richiesta di ossigeno biologica e chimica (BOD5/COD), per la nitrificazione e la denitrificazione di acque di rifiuto.
Description
Descrizione dell’invenzione avente per titolo:
"PROCESSO A LETTO FISSO PER LA DEPURAZIONE DELLE ACQUE DI RIFIUTO"
DESCRIZIONE
L'invenzione riguarda un processo a letto fisso per la riduzione simultanea della richiesta di ossigeno biologica e chimica (BOD5/COD), per la nitrificazione e la denitrificazione di acque di rifiuto.
Le sostanze contenute nelle acque di rifiuto domestiche, urbane e industriali possono venire suddivise tra l'altro nei due seguenti gruppi essenziali:
- un carico organico, che comprende sostanzialmente i composti del carbonio organici,
- un carico inorganico, che contiene in sostanza composti azotati (ammonio).
Ulteriori sostanze dannose che caratterizzano la qualità di un'acqua di rifiuto e devono venire degradate sono fosforo o rispettivamente composti del fosforo.
La degradazione biologica di queste sostanze richiede diversi microorganismi che di volta in volta sono però a loro volta efficaci solo in condizioni ambientali completamente differenti.
La riduzione del carbonio organico viene effettuata preferenzialmente in condizioni aerobiche. In condizioni di apporto di aria/ossigeno, si formano microorganismi eterotrofi (aerobi) che metabolizzano la fonte organica di carbonio in CO2 e H2O. Corrispondentemente, si riduce il carico di BOD5 e COD.
Per l'ossidazione dell'ammonio (N in forma NH4) a dare nitrato (N in forma NO3), dunque per la cosiddetta nitrificazione, occorrono parimenti condizioni ambientali aerobiche. I nitrificanti in questo procedimento impiegano, al posto di sostanze organiche, rammonio come donatore di H.
All'ossidazione dell'ammonio a dare nitrato, partecipano sempre due gruppi di batteri, e per la precisione i cosiddetti Nitrosomonas (I) e i cosiddetti Nitrobacter (II), che portano al seguente decorso di reazione:
Per di più, i nitrificanti utilizzano la CO2 come sorgente inorganica di carbonio, per cui essi vengono assegnati ai batteri autotrofi.
Da quanto precede consegue che la nitrificazione viene di preferenza disposta a valle di una riduzione della BOD5/COD o rispettivamente una sua eliminazione per preparare la fonte inorganica di carbonio e quindi le condizioni ambientali occorrenti per i nitrificanti.
La denitrificazione, dunque la riduzione del nitrato (N in forma NO3) ad azoto elementare (N2) è un procedimento di riduzione che richiede come condizione preliminare condizioni anossiche delle acque di rifiuto. Nelle acque di rifiuto non deve dunque essere presente ossigeno disciolto. Contemporaneamente devono essere presenti substrati organici biologicamente degradabili come donatori di H. Nei limiti in cui questi sono stati precedentemente eliminati durante l'eliminazione di BOD5-COD, sorgono pertanto dei problemi perchè allora non sono più presenti fonti di carbonio organiche, o non in quantità sufficiente.
I batteri per i processi precedentemente citati possono venire impiegati sia nella forma di una biologia di sospensione (processo a fanghi attivati) come pure nella forma di un sistema biologico a letto fisso. Finora sono in primo piano i processi di attivazione. In questi processi, la biomassa viene mantenuta in sospensione. Il processo richiede un bacino di sedimentazione nel quale la biomassa viene decantata per venire successivamente riciclata nuovamente nel reattore a fanghi attivati con elevati tassi di riciclo (parecchie centinaia di punti percentuali). Solo una piccola parte viene rimossa come cosiddetto fango in eccesso.
Processi a fango attivato di questo tipo richiedono un notevole costo di misurazione e regolazione per il riciclo dei fanghi.
Al contrario, un processo a letto fisso (processi a corpi immersi e processi a corpi sgocciolanti) offre dei vantaggi sostanziali. In un processo a letto fisso vengono messe a disposizione superfici di sviluppo per i microorganismi. Fondamentalmente non è indispensabilmente necessario un bacino di sedimentazione perchè i microorganismi non possono venire portati in sospensione.
Ricerche sulla nitrificazione e sulla denitrificazione in impianti di attivazione a uno stadio e a due stadi sono descritte da Decker in "Korrespondenz Abwasser", anno 39, quaderno 2/92, 197.
Per preparare la fonte di carbonio organico occorrente per la denitrificazione, in reattori a stadi multipli sarebbe fondamentalmente possibile trasferire nel bacino di denitrificazione una corrente parziale proveniente dal primo reattore che serve alla riduzione della BOD5/COD. In questo procedimento sorge però il pericolo che nel bacino di denitrificazione venga trasferito un eccesso di carico organico e che pertanto non sia più possibile ottenere acque di rifiuto pulite. Questa tecnica di processo richiede per di più per ogni reattore parziale un riciclo dei fanghi.
Anche l'inserimento dello stadio di denitrificazione a monte (prima dello stadio di riduzione della BOD5-COD) non produce qui alcuna facilitazione per quanto riguarda le tecniche di misurazione e regolazione.
Nei limiti in cui la depurazione biologica delle acque di rifiuto avvenga in un unico reattore, sarebbe possibile pensare di lasciare decorrere la riduzione della BOD5-COD e la nitrificazione con apporto di ossigeno e successivamente -dopo interruzione dell’apporto di aria - la denitrificazione. Anche questo richiede però nuovamente un notevole costo di misurazione e regolazione per assicurare che nello stadio di denitrificazione siano presenti come donatori di H substrati organici biologicamente degradabili in quantità sufficiente.
Alla base dell'invenzione vi è il compito di presentare una possibilità per eseguire, con una tecnica di processo quanto più possibile semplice, una depurazione delle acque di rifiuto biologica per la riduzione simultanea della richiesta d'ossigeno biologica e chimica per la nitrificazione e la denitrificazione, dove preferenzialmente si cerca di ottenere contemporaneamente un'eliminazione di fosforo e composti del fosforo.
Alla base dell’invenzione vi è il fatto di avere sorprendentemente riconosciuto che questo obiettivo può venire ottenuto, nel quadro di un processo a letto fisso, in una maniera sbalorditivamente semplice mediante aerazione intermittente di almeno un reattore a letto fisso, nei limiti in cui vengano rispettati i seguenti criteri:
- durante un primo intervallo di tempo per la riduzione di BOD5 e COD il o i reattori a letto fisso vengono aerati fino alla nitrificazione nel reattore, - durante un successivo secondo intervallo di tempo, il reattore a letto fisso viene caricato, o rispettivamente i reattori a letto fisso vengono caricati, con nuove acque di rifiuto,
- durante il caricamento del/dei reattori con nuove acque di rifiuto l'aerazione viene interrotta almeno temporaneamente.
Il processo conforme all’ invenzione può venire realizzato in maniera particolarmente vantaggiosa secondo una forma di esecuzione se le acque di rifiuto vengono trattate in un reattore costituito da più reattori parziali (camere) collegati in serie in senso fluidodinamico.
A questo riguardo, per esempio, un primo reattore parziale serve alla degradazione del carico organico, un secondo reattore parziale serve per l'ulteriore riduzione della richiesta biologica e chimica di ossigeno nonché, parallelamente a ciò, per la nitrificazione, un terzo reattore parziale serve per la nitrificazione, un quarto reattore parziale serve per l'ulteriore nitrificazione e una parallela denitrificazione, e inoltre un quinto ed eventualmente un sesto reattore servono per la denitrificazione. A questo proposito, le acque di rifiuto sporche vengono alimentate al primo reattore parziale, e dall'ultimo reattore parziale vengono prelevate acque di rifiuto depurate.
L'esecuzione del processo avviene allora in modo tale che i reattori parziali di volta in volta equipaggiati di letti fissi per prima cosa vengono aerati durante una prima fase di trattamento (primo intervallo di tempo). In questa operazione avviene la riduzione/eliminazione del carico organico nonché la nitrificazione nei corrispondenti reattori parziali. Una denitrificazione nelle condizioni ambientali date (ossidanti) non è inizialmente possibile.
Durante un successivo secondo intervallo di tempo, il reattore (primo reattore parziale) viene caricato con nuove acque di rifiuto, operazione nella quale la corrente delle acque di rifiuto si sposta ulteriormente da reattore parziale a reattore parziale in direzione dell’estremità di uscita, dunque anche negli stadi di denitrificazione previsti ai fini della denitrificazione. Durante questa fase di caricamento con nuove acque di rifiuto (sporche), l'aerazione viene interrotta almeno tempo raneamene.
A questo riguardo, l'interruzione può avvenire contemporaneamente per tutti i reattori, però almeno nelle camere parziali che servono alla denitrificazione. Mediante il caricamento in parallelo del reattore con nuove acque di rifiuto, allo stesso tempo viene assicurato che negli stadi di denitrificazione venga portata una certa quantità di carico organico, dunque di substrati organici biologicamente degradabili, che sono presenti come donatori di H e che permetta la riduzione di composti azotati ossidati (nitrato, nitrito) ad azoto elementare (N2).
Dopo di ciò il processo ricomincia dall’inizio, dunque con una fase di aerazione durante la quale il caricamento del reattore con nuove acque di rifiuto è interrotto.
Sorprendentemente è stato stabilito che il carico organico preparato in questa maniera negli stadi di denitrificazione è sufficiente anche in un processo a letto fisso (senza riciclo dei fanghi) a creare le condizioni ambientali necessarie per i microorganismi nello stadio di denitrificazione. L'effetto può venire osservato otticamente per la risalita di CO2 e N2 in forma gassosa.
I denitrificanti nell’ambiente aerobico non si differenziano da altri batteri eterotrofi. La capacità di metabolizzare il nitrato è tuttavia presente in molte specie batteriche che vengono utilizzate nel caso presente per eseguire una denitrificazione in un "processo simultaneo" unitario. I corrispondenti microorganismi eterotrofi si formano nello stadio di nitrificazione che precede e vengono portati nelle celle di denitrificazione durante il caricamento del reattore (delle camere del reattore).
In questa operazione, l'aerazione durante l'intero secondo intervallo di tempo (caricamento del reattore con nuove acque di rifiuto) può venire interrotta. Di regola sarà però sufficiente se l'aerazione viene interrotta solo temporaneamente durante il caricamento.
II caricamento del reattore pluristadio con nuove acque di rifiuto durante il secondo intervallo di tempo può avvenire conformemente all'invenzione secondo tre procedimenti alternativi:
Secondo una prima alternativa, il caricamento avviene in correnti parziali nei reattori parziali che servono alla riduzione di BOD5/COD e alla denitrificazione all'inizio e al termine del percorso di flusso.
Secondo una seconda forma di esecuzione, il caricamento nel reattore con nuove acque di rifiuto avviene durante il secondo intervallo di tempo in correnti parziali in tutti i reattori parziali.
Fondamentalmente è però sufficiente, come spiegato precedentemente su, caricare il reattore con nuove acque di rifiuto solo attraverso la prima camera parziale e contemporaneamente aprire i percorsi di flusso tra i singoli reattori parziali di modo che le acque di rifiuto fluiscano fino ai reattori parziali che servono alla denitrificazione. In questa maniera, la quantità occorrente di carico organico viene portata nei reattori di denitrificazione. La denitrificazione decorre poi in condizioni anossiche (con la aerazione interrotta). Nei limiti in cui ciò sia necessario, all'ultimo reattore parziale può venire collegata una chiarificazione secondaria.
Mediante l'impiego di reattori a letto fisso - come spiegato - si può fare a meno di qualsiasi tipo di riciclo dei fanghi. In questa maniera si riduce notevolmente il costo di misurazione e di regolazione. Gli stati anaerobici (anossici) e aerobici che si alternano nei reattori parziali permettono allo stesso tempo un’eliminazione biologica del fosforo.
L'invenzione viene nel seguito illustrata con maggior precisione sulla base di un esempio di esecuzione.
A questo proposito, la Figura 1 mostra - in una rappresentazione schematizzata - un reattore a letto fisso costituito complessivamente da sei reattori parziali.
In Figura 2 sono rappresentati i valori del carico organico, di ammonio, nitrato, bilancio totale dell'azoto e azoto elementare per i singoli reattori parziali con aerazione continua mediante linee a tratto continuo.
La Figura 2 mostra parimenti in forma di diagramma l'andamento di principio dei valori per le sostanze suddette contenute nel reattore con l'impiego del processo conforme all'invenzione, e per la precisione con linee tratteggiate. In Figura 1 è rappresentato un impianto di chiarificazione smembrato in sei reattori parziali, dove i singoli reattori parziali da FI a F6 sono disposti in successione dal punto di vista fluidodinamico.
Mentre le acque di rifiuto (non depurate) fluiscono nel punto A nel primo reattore parziale FI, le acque di rifiuto depurate vengono prelevate al termine dell' ultimo reattore parziale F6 nel punto B, dove qui eventualmente può essere collegato ancora un (usuale) stadio di post-chiarificazione.
Nell'impianto di chiarificazione rappresentato schematicamente in Figura 1 , può trattarsi per esempio di un impianto di chiarificazione compatto conforme a DE 39. 29. 510. C2. Pertanto non è necessario che i singoli reattori parziali da FI a F6 siano completamente separati uno dall'altro; piuttosto è sufficiente separare uno dall'altro i singoli reattori parziali (camere) mediante pareti, dove in queste pareti sono disposte aperture di flusso per le acque di rifiuto, oppure le acque di rifiuto fluiscono di volta in volta nella camera successiva sopra agli spigoli superiori delle pareti di separazione.
Tutti i reattori parziali da FI a F6 sono di volta in volta realizzati con letti fissi e con un dispositivo di aerazione. Anche a questo riguardo la DE 39. 29. 510. C2 indica forme di esecuzione adatte, di modo che i reattori a letto fisso di per sè noti non vengono qui rappresentati ulteriormente.
L'impianto di chiarificazione è configurato in modo tale che i singoli reattori parziali da FI a F6 possano svolgere le seguenti funzioni:
FI : riduzione/eliminazione del carico organico (BOD5/COD)
F2: ulteriore eliminazione del carico organico e/o camera di nitrificazione
F3 : camera di nitrificazione
F4: camera di nitrificazione e/o denitrificazione
F5: camera di denitrificazione
F6: camera di denitrificazione.
Perchè i singoli reattori parziali da FI a F6 possano assumere le funzioni precedentemente citate, è necessario impostare nei singoli reattori parziali le corrispondenti condizioni ambientali delle acque di rifiuto, come rappresentato sopra.
Per una migliore comprensione del meccanismo di azione con l impiego del processo conforme all' invenzione, nel seguito viene per prima cosa descritta con maggior precisione una costellazione di casi in cui i singoli reattori da FI a F6 sono aerati in continuo (come in un reattore puro di nitrifìcazione).
In Figura 2 a questo scopo sono rappresentati schematicamente i valori del carbonio organico, del'ammonio, del nitrato e dell'azoto elementare sui singoli reattori parziali mediante linee a tratto continuo.
Si può riconoscere che i valori del carico organico (carbonio organico) cadono da un massimo nella zona del reattore parziale 1 attraverso il reattore parziale 2 a un valore approssimativamente di 0.
Circa parallelamente a ciò (minimamente verso destra, dunque spostato sui reattori parziali 2, 3, ed eventualmente 4) variano i valori delle concentrazioni di ammonio nelle acque di rifiuto.
Corrispondentemente alla nitrifìcazione nei reattori parziali 2, 3 e 4, i valori del nitrato nelle acque di rifiuto tra il primo reattore parziale FI e il quarto reattore parziale F4 crescono da 0 ad un valore massimo.
Poiché nello stato continuamente aerato dei reattori parziali da FI a F6 non sono presenti condizioni anossiche e dopo una riduzione di BOD5/COD e nitrificazione complete nella massima estensione non sono presenti substrati organici biologicamente degradatoli come donatori di H, non è possibile una denitrificazione, per cui i microorganismi eterotrofi non trovano condizioni ambientali necessarie per il metabolismo dei nitrati e corrispondentemente non può avvenire alcuna reazione a dare azoto elementare, per cui i valori indicati in Figura 2 per l'azoto elementare sono continuamente pari a zero e quelli per il contenuto totale di azoto (Ng) delle acque di rifiuto sono continuamente pari al massimo (perchè non sfugge N2).
I valori rappresentati in Figura 2 con linee a tratto continuo non cambiano fondamentalmente neanche quando l'impianto di chiarificazione viene caricato in maniera intermittente con nuove acque di rifiuto. Eventualmente la riduzione della degradazione del carico organico e dell'ammonio nonché l'aumento del contenuto di nitrati vengono spostati nella direzione di flusso verso i reattori parziali disposti più a valle.
Un andamento completamente differente è mostrato al contrario dalle curve nel caso del funzionamento conforme all'invenzione dell'impianto di chiarificazione.
Se ora, dopo un primo intervallo di tempo nel quale i singoli reattori parziali da FI a F6 vengono ventilati, il reattore nel punto A viene caricato con nuove acque di rifiuto e durante questo caricamento viene interrotta l'aerazione (qui si assume: in modo completo), allora la curva per la degradazione del carico organico si sposta verso destra (nella direzione verso i reattori parziali da F3 a F6), mentre contemporaneamente una certa quantità parziale di carico organico viene portata nel reattore parziale F4 ed eventualmente nei reattori parziali F5 ed F6. Poiché a questo punto l'aerazione è interrotta, vengono create simultaneamente condizioni ambientali anossiche nei reattori da F4 a F6, per cui i reattori parziali da F4 a F6 diventano camere di denitrificazione.
In questa maniera è possibile ottenere, in un processo a letto fisso semplice da controllare dal punto di vista dell'ingegneria di processo, un'eliminazione di BOD5/COD e una nitrificazione simultanee e una successiva denitrificazione.
L'andamento dei valori per il carico organico, per l ammonio e il nitrato che si osserva con l'impiego del processo conforme all' invenzione è rappresentato in Figura 2 con linee tratteggiate.
I valori per l'azoto elementare stabiliscono che all’inizio del reattore parziale 4 diventa attiva la denitrificazione in quanto, grazie al metabolismo dei nitrati da parte dei denitrifìcanti, viene formato azoto elementare secondo la reazione seguente, che può venire osservata visivamente per la risalita di CO2 e N2 in forma gassosa:
In maniera corrispondente si riduce il contenuto totale di azoto nelle acque di rifiuto.
A seconda del carico delle acque di rifiuto nonché del calcolo dell'impianto di chiarificazione e dei suoi reattori parziali, può essere sufficiente interrompere la reazione solo durante una parte del secondo intervallo parziale (caricamento deirimpianto con nuove acque di rifiuto).
Dopo interruzione del caricamento con nuove acque di rifiuto, l'impianto viene nuovamente fatto funzionare con alimentazione di ossigeno (attraverso i ventilatori) per creare le condizioni ambientali ossidanti che occorrono per la riduzione del carico organico e per la nitrificazione. A questo punto segue nuovamente l’ulteriore stadio di processo almeno parzialmente non ventilato. Pertanto il processo può venire eseguito in modo "quasi continuo". Mediante l'alternanza delle condizioni al contorno anossiche e aerobiche nei singoli reattori parziali, viene resa possibile allo stesso tempo un'eliminazione biologica del fosforo.
Nel quadro dell'invenzione - anche se ciò dal punto di vista dell' ingegneria di processo è affetto da svantaggi - è compreso anche di realizzare il primo reattore parziale F2 nella forma di un bacino di attivazione, cioè senza letto fisso, però con un riciclo dei fanghi.
In linea di principio è anche possibile eseguire il processo conforme all' invenzione in un unico reattore, dove però, in accordo con il concetto che sta alla base dell' invenzione, bisogna in ogni caso assicurare che, dopo un primo intervallo di tempo nel quale il reattore equipaggiato di letti fissi viene aerato, durante un secondo intervallo di tempo il reattore venga caricato con acque di rifiuto e contemporaneamente, durante il caricamento, la aerazione venga interrotta almeno temporaneamente. Il meccanismo di reazione a questo proposito ha un andamento analogo a quanto precedentemente descritto; mediante la realizzazione del reattore in singole camere parziali, il meccanismo di azione del processo conforme all'invenzione viene tuttavia ottimizzato in maniera particolarmente vantaggiosa.
Claims (10)
- RIVENDICAZIONI 1. Processo a letto fisso per la riduzione simultanea della richiesta biologica e chimica di ossigeno (BOD5/COD), per la nitrificazione e la denitrificazione di acque di rifiuto, mediante aerazione intermittente di almeno un reattore a letto fisso in modo tale che le acque di rifiuto 1.1 durante un primo intervallo di tempo vengono aerate per la riduzione di BOD5 e COD fino alla nitrificazione nel reattore, 1 .2 durante un successivo intervallo di tempo il reattore viene caricato con nuove acque di rifiuto, e 1.3 durante il caricamento del reattore con nuove acque di rifiuto l'aerazione viene interrotta almeno temporaneamente.
- 2. Processo secondo la rivendicazione 1 nel quale le acque di rifiuto vengono trattate in un reattore costituito da più reattori parziali (camere) collegati in serie in senso fluidodinamico.
- 3. Processo secondo la rivendicazione 2 nel quale durante il caricamento del reattore con nuove acque di rifiuto l'aerazione viene interrotta almeno parzialmente nei reattori parziali al termine del percorso di flusso che servono alla denitrificazione.
- 4. Processo secondo la rivendicazione 2 o 3 nel quale durante il caricamento del reattore con nuove acque di rifiuto l'aerazione viene interrotta almeno temporaneamente in tutti i reattori parziali.
- 5. Processo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 4 nel quale l'aerazione viene interrotta durante l'intero secondo intervallo di tempo (caricamento del reattore con nuove acque di rifiuto).
- 6. Processo secondo una delle rivendicazioni da 2 a 5 nel quale il caricamento del reattore con nuove acque di rifiuto avviene durante il secondo intervallo di tempo in correnti parziali che portano nei reattori parziali che servono alla riduzione di BOD5/COD e alla denitrificazione all' inizio e al termine del percorso della corrente.
- 7. Processo secondo una delle rivendicazioni da 2 a 5 nel quale il caricamento del reattore con nuove acque di rifiuto avviene durante il secondo intervallo di tempo, in correnti parziali, in tutti i reattori parziali.
- 8. Processo secondo una delle rivendicazioni da 2 a 5 nel quale il caricamento del reattore con nuove acque di rifiuto avviene durante il secondo intervallo di tempo, attraverso il primo reattore parziale nella direzione di flusso delle acque di rifiuto, e di lì attraverso i reattori parziali collegati a valle.
- 9. Processo secondo una delle rivendicazioni da 2 a 8 nel quale le acque di rifiuto vengono trattate in un reattore costituito da almeno cinque, preferenzialmente sei, reattori parziali, dove, se osservati nella direzione di flusso delle acque di rifiuto, nel primo o nei primi due reattori parziali avviene la riduzione di BOD5/COD, nel secondo e terzo o dal secondo al quarto reattore parziale avviene la nitrificazione e nel quarto e quinto o dal quarto al sesto reattore parziale avviene la denitrificazione, e le acque di rifiuto depurate vengono asportate attraverso l'ultimo reattore parziale.
- 10. Processo secondo una delle rivendicazioni da 2 a 9 nel quale le acque di rifiuto rimosse dall'ultimo reattore parziale - osservato nella direzione di flusso delle acque di rifiuto - vengono sottoposte ad una chiarificazione secondaria.
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