ITPD20090399A1 - "reattori multifunzionali e sistemi di elettroprecipitazione / elettrossidazione avanzata e chimici per il trattamento di acque" - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Stato dell’arte

I processi classici de trattamento delle acque reflui si basano generalmente sulla capacità dei prodotti coagulanti e flocculanti di agglomerare le materie sospese e degli organismi microbiologici di poter assimilare la materia organica biodegradabile. Ciò avviene durante i processi di biodegradazione aerobica o anaerobi, dove l’assimilazione della materia organica inquinante è effettuata da organismi in presenza o assenza di ossigeno. È anche un processo che spesso viene combinato con il processo di coagulazione -flocculazione, che è un metodo fisico dove l’inquinamento viene imprigionato in un fiocco che maturando precipita ed è eliminato dopo per flottazione, decantazione ed/o filtrazione. Il tutto finisce con l’eliminazione dei microbi, in generale, da loro stessi o per ausenza di elementi nutritivi, alla fine del processo. Tali metodi hanno purtroppo restrizioni come quelle di biodegradabilità, di concentrazione limiti all’ingresso del depuratore civile, ed dei cosi dei percolati che risultano delle scariche di fanghi di depurazione, gli alti valori di COD di cui testimonino il fatto che buona parte dell’ inquinamento non è infatti distrutto. Altri processi riguardano i metodi chimico - fisici ed elettrochimici di rimozione della materia inquinante. Fino la recente apparizione dei così detti metodi di ossidazione avanzata che possono arrivare sino a mineralizzazione dei inquinanti, i metodi elettrochimici si risultavano in l’elettroflottazione. In tanto questi metodi avranno tutti bisogno di uno studio piuttosto approfondito per rendere i processi applicabili nel punto di visto sia ambientale sia economico. Alla fine di tali processi, si aspetta che l’inquinamento dell’effluente sia mineralizzato od al meno ridotto a composti biodegradabili, risultato che permetterebbe mandare tali acque a depurazione.

Generalmente gli attività industriali ed agropastorale, e tra di loro quelle della concia al cromo ed al vegetale, coinvolgono grandi problemi di inquinamento delle acque da inquinamenti organici ed inorganici in concentrazioni altissimi, e da metalli pesanti, specialmente cromo. Un inquietante disaggio, collegato alla pratica industriale, è legato alla tossicità, ai mali odori emananti non solo da questi tipi di acque ma anche dalle scariche del dopo trattamento da dove escono percolati che costituiscono un grande risorse di contaminazione ambientale. Il trattamento distruttivo o di riciclaggio di effluenti di tali processi si posa come obbiettivo principale per ridurre l’inquinamento derivante dei processi industriali, agropastorali e civili.

Tenendo conto dell’impatto negativo e delle leggi esistenti relative alla protezione dell’ambiente, devono essere impiegati metodi e tecnologie efficaci di trattamento effettivo delle acque reflue allo scopo di evitare la contaminazione delle riserve acquifere. Sono stati suggeriti ultimamente vari metodi biologici, fisici, chimico - fisici, elettrochimici o chimici relativi al trattamento delle acque reflue industriale che guardano per esempio la rimozione biologica per i microrganismi [CN1356964, W00032522, CN1132184] per la rimozione di DBO (demanda biologica in ossigeno) e DCO e/o la riduzione dei fanghi, la filtrazione delle acque si ben caricate di conceria [GB 2131V11], per il ricupero del sodio solfuro o per il solito trattamento con filtro pressa. Nonostante gli sforzi ed i miglioramenti, la DCO ed la DBO rimangano abbastanza alte, ed il processo di filtrazione diretto al momento attuale non dona soddisfazione per il trattamento delle acque con sospensione molto sottile che aderisce alla superficie del filtro e tende ad incassarlo. I metodi chimici sono anche utilizzati nel settore del trattamento delle acque reflue, ma si vedono con certe ristrizzione per causa della tossicità dei prodotti e composti; si vuole Γ utilizzazione di prodotti amichevole all’ambiente. I metodi elettrochimici hanno promosso una vera rivoluzione nelle tentative di destruzione ed eliminazione deH’inquinamiento tanto organico come inorganico grazie aH’eliminazione e la destruzione della contaminazione senza necessità di usare prodotti chimici da giungere dentro del mezzo a trattare. La patente CA 2 505 011 riporta una elletrocoagulatore / elettroflotatore di forma cubico dove il flusso di acqua a trattare è verticale ascendente e descendente in continuo circulazione nelle subcompartimenti della stessa cella. Il processo e l’apparechio riportati sirvono per la rimozione delle materie coagulabili. Nella patente US 20050224338A1, si describe una reattore cilindrico de elettrrocoagulazione ed elettrossidazione avanzata (basata sulla reazzione di Fenton con aerazione e presenza di acqua ossigenata ed ioni ferro) per il trattamento di acque rifiuti. Gli elettrodi sono in forma di foglie di metalli ivoltate in un tubo cilindrico che forma il corpus della cella di elettrolisi. Il reattore è stato inventato per le simutanee elettrocoagulazione ed ossidazione avanzata. Le concentrazioni di DCO riportate come esempi di illustrazione sono, nonostante, molto bassi ed a levello di qualche milliaia di ppb. Il brevetto US20090008269A1 riporta un reattore a spirale che include il montaggio degli elettrodi fogli avvolti a spirale e spaziate in un tubo cilindrico che ne costituisce il corpus.

L’invenzione che si riporta riguarda un reattore multifunzionale che permette di realizzare una elettroprecipitazione avanzata (EPA) delle materie sospese con colaterale elettrossidazione (EO) del carbono organico e dell’inquinamento inorganico ossidabile; lo stesso reattore potendo funzionare in modo di elettrossidazione avvanzata a base di Fenton una volta il primo stadio di EPA-EO realizzato ed il chiarificato libero di solidi sospesi (SS). La cella realizzata permette di reallizzare un metodo semplice, rapido ed economicamente redditizio di trattamento e riciclaggio delle acque rifiuti, ad esempio di percolati, acque di curtido (dissalaggio, rinverdimiento, rifinizione, al vegetale), ecc.

Il reattore, nella sua forma elettrochimica, si costituisce di una cella specialmente disgnata per per poter collegarsi ad un generatore di corrente continua con un intervallo di voltagio da 0-60 V, ditta cella potendo funcionare tanto in modo di EPA-EO corno in modo di elettrossidazione avanzata (EOA) a base di fotoelectro-Fenton. Il reattore, nei suei due formi, è concevuto per trattare acque di ogni nature con concentrazioni basse ed alti, siendo trattate carriche da qualche centinaie fino 300000 ppm di DCO. L’effetto di tratamiento del reattore nella forma di EPA-OA si solda di rendimiento in rimozione ed ossidazione della contaminazione sino il 90% in termine di DCO e composti organici, 95-99% in SS, 99% o più in turbidità; i vari metalli sono rimossi dalle acque con resi di 75-99%. Tempi di residenza di meno di 3 min sono necessarie per il primo trattamento. Un complessivo di ca. 99% di rimozione/destruzione dell’inquinamiento organico ed inorganico è assicurato per la combinazione dei due tipi di reattore. Il secondo trattamento è quello incaricato di distruggere gli acidi organici più ricalcitrante all’ossidazione, per ciò si richiede tempi di residenza di 0.5-5 ori.

Il reattore, nella sua forma chimica, funzione a base di ossidazione di tipo Fenton accompagnata da un processo di coagulazione / precipitazione. Dopo la neutralizzazione e la filtrazione delle soluzioni ottenute, le acque sono riutilizzabili nel ciclo produttivo. Alla fine del processo, ed in poco meno di un’ora, l’acqua ottenuta è trasparente e con il 75% del COD eliminato. Un ulteriore invecchiamento della soluzione presenta un’eliminazione che avvicina l’85% del COD eliminato in cinque ore di trattamento; inoltre, rimane possibile una degradazione più avanzata, che richiederebbe più tempo di reazione.

Gli elettrodi, nella forma di EPA-EO, sono generalmente di acciaio (da dolce sino inox), di ferro o, non preferibilmente, aluminio. Nella forma di EOA gli elettrodi sono stabili (Zr, Ti-Pt, Ti, Ti-Ce, Grafito, C, BDD, di diffusione di ossigeno (02-D), ecc.).

L’acqua ottenuta dopo ogni trattamento proposto è trasparente ed adatta all’immediato riutilizzo nella rete tecnologica. Tali risultati sono ottenuti con costi di trattamento piutosto bassi, sino 1.5-4.5 volte di meno di quelli applicati nella depurazione biologica tradizionale e in molti altri processi. Il fango di dopo filtrazione, a quest’instante è ricco in proteine. Un ulteriore trattamento permette di trasformare il COD imprigionato ed il fango in compost di alta qualità que sirve di fertilizzante per l’agricoltura. Complementari processi, esistenti, permettono di ricuperare i metalli pesanti. Nel caso delle acque di rifinizione, per esempio, con oltre 30000 ppm di COD, sono trattate in ca. 0.5 ori col reattore chimico, e l’acqua ottenuta, dopo il processo proposto, è trasparente e pronta ad un riutilizzo ulteriore; in questo caso, il precipitato solido plastico ottenuto è ritrattabile e riutilizzabile per altri impieghi. Gli analisi effettuati per la determinazione della concentrazione di metalli, come il ferro (utilizzato per fomentare il processo di ossidazione), nelle acque trattate hanno determinato infinite tracce non dannose per il successivo trattamento di nuove pelli, per esempio..

Inoltre, il reattore proposto in questa invenzione ha il merito di fornire acque tecnologiche con ottime caratteristiche, incluso un tenore in sale sufficiente da non necessitare ulteriori aggiunte almeno nel primo riciclo e, soprattutto, di ridurne il consumo. Si risulta quindi una tecnologia di facile applicabilità industriale, di semplice gestione, di basso costo e con effetto gradevole sulla qualità sia delle acque dei fiumi di scarico sia sull’acqua in genere sia sull’ambiente.

Contenuto dell’invenzione

L’invenzione ha, come scopo principale, quello di proporre un reattore multifunzionale che porge un processo tecnologico di riciclaggio delle acque industriali, agropastorali e civili per il loro riutilizzo nelle reti tecnologiche delle industrie, nell’ agricoltura, l’irrigazione ecc.

Nel suo funzionamento elettrochimico, il reattore favorisce una elettroprecipitazione avvanzata grazie alla realizzazione dell’elettroprecipitazione assitita con insofflazione di ossigeno o aire e con l’aggiunto di H202od ozono in linea, dopo elettrogenerazione nella conduzione di arrivo dell’acque a trattare, o iniettata all’intrata della cella. In funzione dal trattamento che si vuole realizzare si opta per electrodi sacrificiali (Fe o Al, nel caso di EPA-EO) o stabili nel caso dell’EOA. Nel primo caso il precipitato, dopo di neutralizzazione a pH 8.0-9.5, con possibilità di giungere flocculante, è separato con metodi esistenti di separazione S-L. Si opta per il pH 8.0-9.5 essendo questo il valore dove si precipita gli ioni di ferro. Nel caso di EOA, il pH ottimo è nel rango di 3-4.5 e si opta per elettodi stabili ricoperti di catalizzatori, catalisi a base di Fe<2+>(Cu<+>, Ce<2+>, ecc., e luce UV o solare) e promotori di ossidazione (02(industriale o aire), 03e H O ).

Nel suo funzionamento chimico, il reattore fornisce un processo basato, in un primo tempo, sull’attacco di Fenton che consiste nell 'aggiungere il solfato di ferro, preferibilmente ferroso ed il perossido d’idrogeno (fornitrice di radicali ossidanti). Gli ioni ferrosi catalizzano la produzione di radicali OH<">(reazione di Fenton), che provocano un’ossidazione parziale dei contaminanti. Si nota anche una coagulazione / flocculazione. Inoltre, l’aggiunta d’ ipoclorito permette una maggiore rimozione del COD assieme alla decolorazione dell’acqua..

Successivamente le acque sono filtrate e neutralizzate. È preferibile la filtrazione che la semplice decantazione, visto che il precipitato si può rimescolare nella soluzione. Un’altro variante consiste nella flttazione dei coaguli e la loro ulteriore separazione del chiarificato.

In ultimo la soluzione ottenuta è neutralizzata, preferibilmente con idrossido di sodio. Il ferro restante nell’acqua precipita sotto forma di ferro(IIT) ed è eliminato dal mezzo dopo una rapida filtrazione o decantazione.

Il reattore tecnologico proposto è risultato molto efficace per la rimozione della COD (BOD) e metalli pesanti dalle acque industriali. Un fatto molto importante è che, alla fine del trattamento, le acque sono limpide presentando ottime caratteristiche chimiche e fisiche.

I reagenti utilizzati nel processo proposto sono: acido solforico concentrato, solfato ferroso eptaidrato, perossido d’idrogeno, idrossido di sodio per la neutralizzazione. L’uso di polielettrolita permette di avere maggior effetto di precipitazione durante la neutralizzazione. Piccoli dosi di reagenti sono necessarie per arrivare al risultato : quantità di ca.10 mi d’acido solforico per litro d’effluente secondo il tipo, da 0.1 a 5% (voi.) di perossido d’idrogeno.

Una formazione di schiuma è stata osservata durante il trattamento d’acque come quelle molto concentrate della concia al vegetale o della tintura e dei percolati.

L’obiettivo dell’invenzione è di proporre un reattore multifunzionale che permette realizzare un processo tecnologico ed ecologico in cui: (/) le acque tecnologiche o gli effluenti acquosi subiscono un’elettrossidazione/elettroprecipitazione, la quale è seguita da ulteriori fasi di filtrazione e neutralizzazione; (ii) le acque tecnologiche, gli effluenti acquosi o acque già trattate subiscono un’elettrossidazione avanzata catalitica per la mineralizzazione della componente organica catene corte (C1-C4); (Hi) si practica un processo anche chimico simplice che permette la congiunta ossidazione-coagulazione dell’inquinamiento in modo di Fenton.

Questi aspetti insieme, e con l’eliminazione dei cattivi odori, della tossicità e del pericolo sanitario ed ambientale, costituiscono parte dei molti vantaggi dell’invenzione, assieme ad altri che saranno riportati più avanti.

Descrizione dettagliata delVinvenzione

Il reattore multifunzionale riportato in questa invenzione, rappresentato nella figura 1, è frutto di ricerca applicata su acque sintetiche e reali, industriali, agropastorale e civili.

Nella sua forma elettrochimica, il reattore si costituisce di una cuva cubica (01) non condottore (potendolo essere nei casi quando si richiede) specialmente concevuta per ricevere gli elettrodi (02) di realizzazione dei processi di EPA-EO ed EOA con una configurazione che permette Tacque a trattare di seguire un camino horizontale in forma di esse allo stesso momento che i compartimenti (sub-celli) unitari si riempiono di acque da basso ad alto; ciò assicura una ricircolazione interna della acque a trattare ed una residenza maggiore in funzione dell’ inquinamento. Gli elettrodi sono collegati ad un generatori di corrente continua (03) automatico che permette revertire la corrente per scopi di lavvagio e di alternanza di polarità. Il reattore è dotato di lampade di luce UV (04) in tutte le game assorbanza, essendo anche dotato di separatori (06) tra una o qualche lampada che forzano l’acqua a seguire il camino horizontale allo stesso tempo che riempiono le sub-celle con movimento ascendente. Anche il serbatoio di acque trattate (05) è dotato di lampade UV per la complessiva destruzione delTinquinamento. Una pompa di alimentazione (07) assicura l’ingresso dell’effluente a trattare. Il sistema comprende anche una ricirculazione dell’acque trattata dal serbatoio (05) di uscita (08) per mezzo di una pompa (09). Un compressore (10) assicura Talimetazione in ossigeno o aire (1-10 l/min) ed/o ozono (di sorta ad assicurare ca. 50 ppm); quest’ultimo potendo essere elettrogenerato nel mezzo direttamente nella conduzione all’ingresso del reactore. L’exceso di gaz è recirculato nella conduzione (11) di gaz via il compressore (10). Un diffusore (12) nella parte bassa del reattore sirve distributore dell’aire in bolle fine nella soluzione ad elettrolizare. Il copercio della cella contiene spaziatori (13) dove intranno le parte superiori di collegamento degli elettrodi all generatore di corrente continua, esso si può fare in cuarzo per tale di favorire la fotoossidazione anche per luce soler; da li l’eccesso di fluido gaseoso di diffusione è ripreso e ricirculato nella rete dal punto di partenza da un compressore. Equipi complementari di separazione S-L (flottatori/decantatori (14), filtri di arena, o nastropresso, o di membrane, ecc. (15-17) sono collegati al reattore multifunzionale per un secundario o terciario trattamente. Il reattore assicura anche una desinfezzione dell’acqua trattata (AT). I fanghi sono compostati o somessi a ricuperazione dei metalli od altri composti utili. I catalizzatori sono riconcentrati e ricuperati nel caso di EOA per il suo riutilizzo in ammonte del reattore multifunzionale.

Il metodo proposto per il trattamento complessivo delle acque consiste anche in una tecnologia molto semplice con tempi brevi. Il metodo proposto in questa invenzione permette un’importante riduzione dei costi gestionali dovuta dopo il riciclaggio.

La semplicità ed il basso costo (si veda più avanti) del processo proposto in quest’invenzione costituiscono naturalmente un gran vantaggio per la sua applicazione su scala industriale.

Nel caso del trattamento elettrochimico, in funzione dell’acque a trattare, si può richiedere un iniziale acidificazione sin pH 4.5, preferibilmente con acido solforico. Dopo il trattamento del reattore di EPA-EO, sirve utilizzare idrossido di sodio/calcio per la neutralizzazione/basificazione, ed altemativamente/complementariamente folcculante flottazione per la separazione delle fasi S-L. I reagenti utilizzati nel trattamento chimico hanno in concentrazione variabile secondo che siano gli effluenti, in particolare le acque di dissalaggio o di rifinizione : acido solforico concentrato (96%), da 1-10 ml/1; solfa ferroso eptaidrato, ca. 1.5 g/1; perossido d’idrogeno (35%), tra 1 e massimo 10% (voi.); idrossido di sodio per la neutralizzazione (ca. 1 g/1); ed opzionale aggiunta d’ipoclorito di sodio (10-20%), fino a 10% (voi.). Questi ranghi di concentrazioni sirvono anche per altri effluenti industriali, civili e silvopastorali, come percolati.

Serie di sperimenti sono stati condotte sulle acque di dissalaggio (COD ca. 15000 ppm) e quelle di rifinizione (COD > 30000 ppm). Un’eccellente risultato é ottenuto, inoltre, con le acque di rifinizione che sono trattate in tempo record di circa mezza ora con l’aggiunta di H2S04, con solo l’acidificazione Al fondo del reattore, si forma un precipitato plastico malleabile e decantabile.

I successivi esperimenti hanno evidenziato la potenza dell’accoppiamento della reazione di Fenton al processo di coagulazione/precipitazione [Birame Boye, Mor M. Dieng, Enric Brillas, Environmental Science and Technology 2002, 36, 3030-3035; Birame Boye, Giuseppe Farnia, Giancarlo Sandonà, Anseimo Buso, Monica Giorno, J. Appi. Electrochem. 2005, 35, 369-374],

II precipitato formato, in fine processo, è generalmente rosso, tipico di quelle ottenute dopo la reazione di perossicoagulazione e presenta tracce di carbonio organico [Birame Boye, Mor Marième Dieng and Enric Brillas, Electrochimica Acta 2003, 48, 781-790.].

Il processo globale per il trattamento di tali acque tecnologiche dura da 1 ad un massimo di ca. 7 ore. L’invenzione mette a disposizione dell’ industria un nuovo istrumento che permette di riciclare le acque contribuendo così efficacemente alla preservazione degli ecosistemi.

Il processo proposto costituisce una tecnologia a basso costo perché le concentrazioni ottimali dei principali reagenti (perossido d’idrogeno, acido solforico e solfato ferroso) sono ridotte.

Breve descrizione del processo tecnologico

Il reattore di quest’invenzione è multifunzionale, compatto e simplice di acopiare alla rete di trattamento dei rifiuti acuosi con varianti ad utilizzo elettrochimico di elettroprecipitazione, (foto)elettro-Fenton e simplici processo chimico verde a base di Fenton. La messa in applicazione dell’invenzione sugli effluenti industriai, agropastorali e civili acquosi richiede al massimo di un recipiente di preparazione / recupero, il reattore (o due accopiati), un filtro (o qualsiasi equipo di separazione S-L) ed un serbatoio di acque trattate. Nel caso della rifinizione serve un solo reattore, dove è anche realizzata la decantazione. Il primo stadio corrisponde all’acidificazione o l’attacco di ossidazione rispettivamente della rifinizione o del dissalaggio o delle acque refiuti. Seguono le fase di EPA-EO, nel caso quando si necessita EOA, di separazione S-L, di filtrazione/decantazione e di neutralizzazione. L’acqua ottenuta in seguito è trasparente ed è mandata in riuso nella rete. Il precipitato è ricco in proteine ed è utilizzato per alti scopi come compostaggio o ricupero de elementi. Il costo del trattamento tecnologico proposto in quest’invenzione è di 0.50 ÷ 2.50 €/ m<3>.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI Come risultato di una dettagliata ricerca applicata sulle possibilità e relative varianti del processo tecnologico proposto, rivendichiamo: 1. Un reattore multifunzionale dove si può realizzare una elettroprecipitazione avanzata con complementaria elettrossidazione, e successivamente una elettrossidazione avanzata di tipo foto-elettro-Fenton; la cella sirvendo di realizzare un processo simplice di ossidazione e cogulazione a base di Fenton, funzionando con elettrodi di ferro, aluminio, preferibilmente, e successivamente una elettrossidazione avanzata di tipo foto-elettro-Fenton, con anodi estabili (acciao, Ti(Pt), BDD, carbono, ecc.) e catodi, anche estabili o di diffusione di ossigeno/aire a carbono o altri materiali..
2. 2. Un reattore multifunzionale come nella rivindicazione 1 fornito di plaque di diffusione di fluidi gaseosi, preferibilmente aire, ossigeno od ozono e con un sistema di distribuzione e ricirculazione di questi fluidi.
3. 3. Un reattore multifunzionale come nelle rivindicazioni 1-2 anche equipato di lampe di radiazione UV immerse para la complentaria ossidazione della contaminazione.
4. 4. Un reattore multifunzionale come nelle rivindicazioni 1-3, il coperchio e parte delle lati verticali di quale sono alternativamente fatto di cuarzo per favorire l’absorbanza della luce solare per l’ossidazione della contaminazione.
5. 5. Un reattore multifunzionale come nelle rivindicazioni 1-4 e figure 1-2 accopiato ad un generatore di corrente continuo, a serbatoli, pompe di alimentazione ed/o ricirculazione, compressore, apparechi di medizione e separazione S-L, conduzioni.
6. 6. Un sistema come nelle rivindicazioni 1-5 con uso elettrochimico o simplemente chimico per il trattamento di rifiuti aquosi da diversi origini con come risultato acque trattate di qualità e linea di trattamenti dei fanghi, per ottenere compost o per riciclare prodotti contenuti nei questi, come metalli, proteini, sali, ecc.
7. 7. Un nuovo metodo chimico e chimico - fisico basato sul così detto “Enhanced Fenton Process” che comprende: a) l’attacco di “Enhanced Fenton Process” che provoca un’ossidazione / coagulazione / precipitazione delle materie in sospensione e di parte dei sottoprodotti; b) la primaria filtrazione (oppure decantazione) della sospensione ottenuta; c) la neutralizzazione del filtrato; d) la filtrazione delle acque neutralizzate.
8. 8. Il processo tecnologico [Fig. 2J inerente al metodo rivendicato in 7.
9. 9. Un metodo chimico e chimico - fisico per il trattamento delle acque di rifinizione che comprende: a) il trattamento d’acidificazione delle acque di rifinizione; b) il trattamento di decantazione o filtrazione delle acque di rifinizione trattate.
10. 10. Il processo tecnologico [Fig. 31 inerente al metodo rivendicato in 7.