ITMI970045A1 - Reattore biologico a biomassa fissata costituito da un contattore rotante ad azionamento idrostatico - Google Patents

Description

La presente invenzione riguarda la realizzazione di un reattore del tipo a biomassa fissata costituito da un innovativo contattore biologico rotante. Tale contattore rotante è caratterizzato dalla particolare conformazione strutturale che associata alla spinta idrostatica di un gas consente la messa in rotazione dello stesso contattore: il tutto comporta un elevato coefficente di scambio gas-liquido, alti rendimenti e consistenti risparmi energetici. I reattori biologici sono delle apparecchiature costituite da un serbatoio aperto o chiuso contenente il liquido di coltura, sistemi di agitazione, termostatazione, insufflazione di aria e strumenti di controllo.

Tali reattori trovano larga applicazione nella microbiologia industriale per la produzione di sostanze chimiche e farmaceutiche, nonché nella depurazione biologica di acque reflue civili o industriali.

Una categoria particolare di reattori è rappresentata dai contattori biologici rotanti (RBC), normalmente azionati meccanicamente. Questi contattori vengono largamente utilizzati nella depurazione delle acque reflue.

I contattori attualmente sul mercato sono costituiti da una struttura sostanzialmente cilindrica, generalmente di materia plastica, fissata su di un albero centrale di acciaio ad asse orizzontale. Il contattore, azionato da un motori duttore, ruota attorno all'asse orizzontale in un serbatoio nel quale transita il liquame da depurare con una immersione di circa il 40% della superficie attiva. I contattori con diametri di 3,6 metri hanno una velocità di rotazione compresa tra 1 e 2 giri al minuto primo. Velocità di rotazione superiori comportano consumi energetici eccessivi, peraltro senza fornire vantaggi proporzionali in termini di rendimento depurativo. Subito dopo ravviamento vari microrganismi colonizzano la superficie del contattore e si moltiplicano sino a che, in poco tempo, l'intera superficie viene ricoperta da uno strato abbastanza consistente di biomassa (biofilm). Durante la rotazione, il contattore trasporta una pellicola di liquame a contatto con l'atmosfera, la pellicola sgocciola lungo le superfici esposte e assorbe ossigeno atmosferico.

Operando in questo modo, il contattore svolge diverse funzioni: fornisce un mezzo per la crescita di biomassa fissata, il contatto della biomassa con il liquame e l'aerazione dello stesso. Le forze di taglio esercitate dal liquido sulla biomassa provocano il distacco di parte di quest'ultima. L'azione mescolante del contattore tiene in sospensione i solidi distaccatisi sino all'uscita dal serbatoio di reazione.

La maggior parte dei problemi e delle critiche riguardanti l'impiego dei contattori azionati meccanicamente nella depurazione aerobica delle acque possono essere attribuiti alla proliferazione di specie microbiche indesiderate per la mancanza di flessibilità operativa che permetta il controllo di queste ultime. Allorché si verifica un sovraccarico di inquinante, il forte sviluppo della biomassa che ne deriva è dovuto principalmente agli inefficienti microrganismi anaerobici i quali formano una consistente massa gelatinosa che riduce significativamente il trasporto dell'ossigeno molecolare nel biofilm inibendo, quindi, la crescita dei microrganismi aerobici. Inoltre, lo strato anaerobico può essere ulteriormente controproducente generando acidi volatili che accrescono il carico di BOD (Domanda Biologica di Ossigeno) solubile su una già sovraccarica biomassa.

Per ridurre tali inconvenienti sono stati sviluppati contattori rotanti sotto i quali viene insufflata dell'aria. Negli anni settanta la statunitense Autotrol Co. ha sviluppato tali contattori basandosi sugli esistenti modelli azionati meccanicamente. Questi sono costituiti da schiere di dischi piani, alternati a dischi corrugati, entrambi posti trasversalmente lungo l'asse di rotazione. Le corrugazioni dei dischi, che formano degli archi di cerchio concentrici rispetto all'asse di rotazione, concorrono ad aumentare la superfice attiva disponibile ma, nel contempo, non solo non facilitano la penetrazione nel contattore dell'aria insufflata sotto di esso ma risultano indifferenti alla spinta idrostatica che possa indurre la rotazione dello stesso. Per tale ragione sono state fissate tangenzialmente, lungo il perimetro esterno del contattore, apposite tazze le quali, riempiendosi con l'aria insufflata provocano la spinta necessaria per indurre la rotazione (US Patent n.

3.886.074). Va evidenziato che tali tazze rappresentano una modestissima percentuale, sia in volume che in superfice, del contattore nel suo complesso e, secondo la stessa Autotrol, circa 1*80% dell'aria insufflata viene catturata dalle tazze periferiche per imprimere la rotazione, mentre il rimanente 20%, in tutto o in parte, penetra all'interno del contattore attraverso canali orientati radialmente rispetto all’asse di rotazione (Bollettino Autotrol 1980 "state-of-the-art in RBC technology - thè AERO - SURF process"). Con tale accorgimento, rispetto ai contattori azionati meccanicamente, l'aumento di capacità operativa del sistema, a parità di superfice specifica, rimane relativamente modesto, cioè nell'ordine del 8-9%, in quanto l'ossigenazione del biofilm avviene, analogamente ai contattori azionati meccanicamente, essenzialmente durante la fase di emersione del contattore. Come già accennato, l'aumento della velocità di rotazione dei suddetti contattori aerati, a fronte di insopportabili aumenti dei consumi energetici, non apporta sostanziali miglioramenti al sistema. In conseguenza di quanto detto sopra è stata concepita la realizzazione di un reattore che utilizza l'innovativo contattore biologico rotante oggetto della presente invenzione: la svolta tecnica sostanziale si ottiene superando la concezione originaria dei contattori rotanti in cui si accetta che l'attività metabolica aerobica avvenga al massimo sul 60% della superficie mentre con il nuovo contattore biologico rotante l'attività metabolica aerobica avviene sul 100% della sua superficie. Inoltre, con il nuovo contattore biologico rotante, in virtù delle sue caratteristiche strutturali, vengono superate le limitazioni operative caratteristiche dei contattori attualmente esistenti, compreso quelli azionati con aria: da ciò derivano consistenti vantaggi sia in termini tecnici che economici.

Il nuovo contattore biologico rotante ha una struttura costituita per la massima da canalette posizionate orizzontalmente e supportate da dischi perpendicolari all'asse di rotazione. Tali canalette sono disposte in modo tale che possono ricevere con continuità sia una adeguata spinta idrostatica dall'aria insufflata per ottenere la rotazione dell'intera struttura, sia essere completamente avvolte, in qualsiasi posizione, dall'aria necessaria all'attività metabolica aerobica ottenendosi, così, rendimenti prossimi al teorico.

Anche qualora il nuovo contattore rotante venga impiegato in ambiente chiuso, parzialmente o totalmente sommerso nel liquido, per trasformazioni anaerobiche, non vengono meno i vantaggi conseguibili in quanto l’azione diretta delle bolle di gas su tutta la superficie del contattore comporta un favorevole andamento della dinamica microbiologica grazie all'efficienza degli scambi gas-liquido.

Il nuovo contattore biologico rotante oggetto della presente invenzione può trovare conveniente applicazione nella depurazione delle acque reflue. Tuttavia, tale applicazione rappresenta solo un caso particolare di impiego e, poiché il contattore rotante oggetto della presente invenzione può trovare applicazione, indifferentemente, sia in processi microbiologici aerobici che anaerobici, qualsiasi utilizzo di questo reattore nel campo della microbiologia industriale ricade nei relativi diritti brevettuali.

Si procede, ora, a fornire una migliore illustrazione della presente invenzione e, pertanto, si otterrà una migliore comprensione della presente invenzione osservando gli allegati disegni che riportano dei riferimenti numerici ripresi nella descrizione scritta.

La FIG. 1 è la rappresentazione semplificata, vista in sezione trasversale, di una realizzazione impiantistica di tipo aperto, con lo speciale contattore biologico rotante parzialmente sommerso dal liquido.

La FIG. 2 è la rappresentazione semplificata, vista in sezione trasversale, di una realizzazione impiantistica di tipo chiuso, con lo speciale contattore biologico rotante completamente sommerso dal liquido.

La FIG. 3 è la rappresentazione, con viste frontali e laterali, dello speciale contattore biologico rotante oggetto di rivendicazione brevettuale.

La FIG.4 è la rappresentazione, con vista laterale e in sezione, di alcuni esempi di canalette, oggetto di rivendicazione brevettuale, che possono essere utilizzate per la costruzione dello speciale contattore biologico rotante.

Una tipica realizzazione prevede l'utilizzo del nuovo contattore biologico rotante ad asse orizzontale (1) che combina una struttura a cavità costituite da canalette (2), disposte spazialmente in modo opportuno, con l'insufflazione di aria, ottenuta mediante un compressore (3), attraverso appositi diffusori (4), posti al di sotto del contattore .

Per sostenersi, le canalette vengono disposte, parallelamente rispetto all'asse di rotazione (6), su dischi distanziatori, generalmente piani (5), a loro volta posti trasversalmente e convenientemente distanziati sull'asse del contattore, il tutto disposto a formare una struttura monolitica.

La misura della sezione trasversale di ogni canal etta può variare da qualche millimetro in su, preferibilmente, ma non limitatamente, tra 5 e 50 mm. Le spaziature tra le canalette possono essere ridotte al minimo geometrico, generalmente, ma non limitatamente, con valori compresi tra 2 e 30 mm. Il contattore biologico rotante può essere sommerso parzialmente o totalmente nel serbatoio (7) dal liquido che entra attraverso il condotto (8) e fuoriesce attraverso il condotto (9).

Il contattore biologico rotante oggetto della presente invenzione, avendo praticamente tutta la sua struttura costituita da una pluralità di canalette disposte parallelamente all'asse di rotazione, consente alla quasi totalità deH'aria insufflata di penetrare fino alle parti inteme della struttura in modo da fornire, non solo la spinta rotazionale, ma anche di favorire un efficace scambio gas-liquido in tutta la massa del contattore. Trattandosi di un processo biologico in cui tali scambi gas-liquido sono fondamentali, ne deriva che qualsiasi incremento di tali scambi non può che giovare ai processi metabolici.

Questa modalità operativa assume particolare importanza nelle fermentazioni aerobiche in quanto affranca il contattore biologico dalla necessità di mantenere la velocità di rotazione entro i limiti ristretti dei tradizionali contattori: infatti, anche nella fase sommersa esistono condizioni tali da impedire l'instaurarsi di fenomeni settici e, quindi, anche con il contattore quasi fermo, il processo può avvenire normalmente.

Grazie alla particolare disposizione delle canalette, la cui parte concava è orientata in senso contrario al moto di rotazione, l'insufflazione d'aria può avvenire nelle migliori condizioni, anche investendo tutta la proiezione geometrica del contattore sul piano orizzontale e ciò senza minimamente impedire la rotazione del contattore. Quando, a causa della rotazione, le stesse canalette vengono a trovarsi con la concavità rivolta verso l'alto, esse non si oppongono alla spinta idrostatica ma vengono, comunque, investite dalla corrente gassosa ascendente. A differenza dei contattori tradizionali le bolle di aria che penetrano nel contattore hanno così la possibilità di investire tutte le superfici attive ricoperte di biomassa, anche con basse portate d'aria e, quindi, oltre alla completa ossigenazione della biomassa, le bolle d'aria possono svolgere una efficace azione di asporto nonché un'azione miscelante e di allontanamento della biomassa spogliatasi dal supporto. Con la disposizione proposta la percentuale di aria che penetra all 'interno del contattore biologico rotante raggiunge valori notevolmente superiori rispetto ai tradizionali contattori in cui la maggior parte dell'aria viene confinata nelle tazze periferiche.

In complesso, il contattore biologico rotante oggetto della presente invenzione compie la sua funzione anche quando viene completamente sommerso dai liquami: da qui un deciso miglioramento di operatività ed efficienza del sistema rispetto ai tradizionali contattori.

Le canalette e la loro disposizione all'interno del contattore biologico rotante, oggetto delle rivendicazioni brevettuali, sono costituite da manufatti di qualsiasi materiale, anche composito. Le canalette possono essere lisce, forate, presentare ondulazioni, bombature e curvature, sia in senso longitudinale che in senso trasversale, di qualsiasi forma geometrica in sezione, anche in forma irregolare. La corrugazione delle canalette consente di avere una maggiore superficie a disposizione per lo sviluppo della biomassa nonché di aumentare gli scambi gas-liquido. In tal modo, il contattore risultante potrà disporre di una superfice specifica non inferiore a 100 m<2>/m<3>.

La realizzazione della struttura nel suo complesso può essere ottenuta con qualsiasi tecnica, sia per montaggio di singole parti, sia attraverso l'assemblaggio di settori prefabbricati con tecniche di formatura per stampaggio, estrusione o fusione.

Nell'ambito dello stesso contattore biologico rotante si può anche prevedere l'impiego contemporaneo di canalette di diversa geometria, dimensione e disposizione al fine di stabilire particolari ripartizioni del flusso gassoso insufflato al'interno del contattore.

Nelle applicazioni in condizioni aerobiche il serbatoio di reazione sarà di tipo aperto, con insufflazione di aria, mentre nelle applicazioni in condizioni anaerobiche il serbatoio sarà di tipo chiuso e i gas insufflati saranno sostanzialmente privi di ossigeno. Si potrà quindi impiegare, ad esempio, l'azoto liberato durante il processo di denitrificazione.

In generale, va sottolineato che impiegando il contattore biologico rotante oggetto della presente invenzione vengono a ridursi le superfici specifiche necessarie per ottenere pari prestazioni, quindi minori costi di investimento, sia nei riguardi degli attuali contattori azionati ad aria sia, a maggior ragione, nei riguardi degli attuali contattori azionati meccanicamente.

Inoltre, grazie all'efficiente utilizzo del gas insufflato, si ottengono risparmi nei consumi di energia necessari al funzionamento del contattore. Ovviamente, sono possibili numerose modifiche e variazioni dell'esempio riportato. Pertanto è espressamente inteso che possono essere apportate tali modifiche e variazioni senza scostarsi dallo spirito e dallo scopo dell'invenzione come definito nelle seguenti rivendicazioni.

Claims (1)

1. Rivendicazioni 1- Reattore biologico a biomassa fissata, comprendente: un serbatoio aperto o chiuso (7) avente un condotto di ingresso (8) e un condotto di uscita (9) per il liquido di reazione; un contattore biologico rotante (1) disposto su di un asse orizzontale (6) e sistemato in tale serbatoio per una parziale o totale sommersione nel liquido di reazione; una pluralità di canalette (2) disposte all'interno di detto contattore biologico rotante in modo tale da catturare il gas insufflato dal fondo del serbatoio di reazione, con ciò ottenendosi la rotazione del contattore stesso; una pluralità di dischi distanziatori (5) disposti e fissati a conveniente distanza lungo l'asse di rotazione in modo da mantenere in posizione le suddette canalette. una pluralità di diffusori di gas (4) posti al di sotto del contattore biologico rotante; un compressore per gas (3) in grado di fornire la pressione sufficiente a vincere il battente idraulico esistente nel serbatoio di reazione nonché le perdite di carico attraverso i diffusori; 2 - Contattore biologico rotante come rivendicato al punto 1-, in cui è disposta una pluralità di canalette (2) il cui asse trasversale è orientato in senso perpendicolare rispetto all'asse di rotazione del contattore (6), mentre l'asse longitudinale delle stesse canalette è orientato in senso parallelo all'asse di rotazione del contattore, il tutto comportante una forma cilindrica ad asse orizzontale. 3 - Contattore biologico rotante come rivendicato nei punti precedenti, in cui il contattore viene realizzato disponendo su di un asse orizzontale (6) una serie di dischi distanziatori trasversali (5) rispetto a tale asse orizzontale, tali dischi distanziatori essendo fissati solidalmente sullo stesso asse orizzontale a distanza opportuna e in cui sono ricavate delle aperture attraverso le quali vengono alloggiate le canalette con la parte concava orientata in senso contrario al senso di rotazione, il tutto a formare una struttura cilindrica orizzontale. 4 - Contattore biologico rotante come rivendicato nei punti 1 e 2, in cui il contattore rotante viene realizzato fissando radialmente su di un asse orizzontale (6) una pluralità di elementi prefabbricati a forma di spicchi concentrici all'asse orizzontale su cui sono fissate delle canalette (2) che risultano parallele all'asse di rotazione e rivolte in modo contrario al senso di rotazione, il tutto comportante una struttura monolitica cilindrica orizzontale. 5 - Contattore biologico rotante come rivendicato nei punti precedenti, in cui la rotazione del contattore viene ottenuta tramite insufflazione di gas al di sotto del contattore stesso. 6 - Contattore biologico rotante come rivendicato nei punti precedenti, in cui lo stesso contattore risulta parzialmente immerso nel liquido di reazione. 7 - Contattore biologico rotante come rivendicato nei punti da 1 a 5, in cui Io stesso contattore viene completamente sommerso dal liquido di reazione. 8 - Contattore biologico rotante come rivendicato nei punti precedenti, in cui Io stesso contattore sia posto al di fuori del contatto atmosferico e possa operare con un gas parzialmente o totalmente privo di ossigeno. 9 - Contattore biologico rotante come rivendicato nei punti precedenti, in cui le canalette (2) hanno la parte concava orientata in senso contrario al senso di rotazione del contattore stesso. 10 - contattore biologico rotante come rivendicato in tutti i punti precedenti, in cui le canalette (2) possono presentare una superficie liscia o corrugata, avendo tali corrugazioni forme e dimensioni di qualsiasi tipo, sia in senso longitudinale sia trasversale, nonché su entrambe le facce. 1 1 - Contattore biologico rotante come rivendicato nei punti precedenti, in cui le canalette (2) possono presentare forature di varie dimensioni.