ITTN20120005A1 - PROCESS FOR THE REDUCTION OF NITROGEN CONTAINED IN A WASTE OF ORGANIC ORIGIN - Google Patents
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Description
Processo per la riduzione dell’azoto contenuto in reflui di origine organica, Process for the reduction of nitrogen contained in organic waste,
TESTO DELLA DESCRIZIONE TEXT OF THE DESCRIPTION
La dispersione dei liquami di origine animale nei campi quale fertilizzante à ̈ una pratica in uso dai tempi più antichi. Il passaggio da una produzione agricola di mera sussistenza ad una produzione organizzata su scala industriale, ha comportato la necessità di disporre di terreni agricoli di sempre più vaste dimensioni. The dispersion of animal sewage in the fields as fertilizer is a practice in use since ancient times. The passage from a mere subsistence agricultural production to an organized production on an industrial scale, has entailed the need for increasingly large agricultural land.
Lo sfruttamento intensivo di queste aree di dispersione di liquami ha comportato carichi superiori a quelli che il terreno à ̈ in grado di sostenere naturalmente e soprattutto il rischio dell'inquinamento delle falde acquifere. I nitrati che si formano da detti liquami possono infatti, per via della loro solubilità e mobilità , penetrare il terreno fino a raggiungere le falde acquifere con conseguente inquinamento delle stesse. The intensive exploitation of these areas of sewage dispersion has led to loads higher than those that the ground is able to sustain naturally and above all the risk of pollution of the aquifers. The nitrates that are formed from said sewage can in fact, due to their solubility and mobility, penetrate the ground until they reach the aquifers with consequent pollution of the same.
In tale ottica l'Unione Europea, ha emesso la direttiva comunitaria 91/676/CEE, recepita in Italia con il D.lgs 152/99, che stabilisce una limitazione nello spandimento dei liquami ed un limite superiore per la quantità dispersa di Azoto, fissata in 170 Kg/ha. With this in mind, the European Union has issued the community directive 91/676 / EEC, implemented in Italy with Legislative Decree 152/99, which establishes a limitation in the spreading of sewage and an upper limit for the dispersed quantity of nitrogen, fixed at 170 Kg / ha.
La direttiva ha inoltre previsto l'individuazione di zone vulnerabili da Nitrati di origine agricola, le cosiddette ZVN, dove questo limite permane in vigore, ed i programmi di azione con i quali vengono disposte le modalità di effettuazione degli spandimenti. The directive also provided for the identification of vulnerable areas from Nitrates of agricultural origin, the so-called ZVN, where this limit remains in force, and the action programs with which the methods for carrying out the spreading are arranged.
La necessità di ridurre il quantitativo dell'azoto prima dello spandimento à ̈ diventata pertanto impellente, specie per le aziende che non dispongono di sufficienti aree di dispersione in rapporto al numero di capi d'allevamento. The need to reduce the quantity of nitrogen before spreading has therefore become urgent, especially for farms that do not have sufficient dispersion areas in relation to the number of livestock.
Le attuali tecnologie consolidate offrono principalmente due tipi di trattamento: quello biologico e quello chimico/fìsico. Current consolidated technologies mainly offer two types of treatment: biological and chemical / physical.
Nel primo caso, vengono realizzati impianti di depurazione biologici con una sezione di nitrificazione/denitrificazione opportunamente dimensionata. Si tratta di tecnologie concettualmente semplici, che rispecchiano il naturale meccanismo batterico di nitrificazione/denitrifìcazione. Il loro limite à ̈ costituito dal fatto che richiedono una gestione fortemente controllata, in quanto i microorganismi utilizzati sono molto sensibili ai cambi di temperatura, al pH ed alle sostanze nocive per i batteri medesimi. Questo richiede personale specializzato e costi di gestione spesso non sostenibili individualmente dalle singole aziende agricole. Nel secondo caso, nell'ambito delle tecnologie chimico-fisiche, la tecnica che viene utilizzata, in molteplici varianti, à ̈ quella della gassificazione. In questa, nel primo stadio del processo, in difetto di ossigeno, l'azoto viene rilasciato come ammoniaca e/o animine e viene poi successivamente rimosso. Trattandosi in questo caso di impianti chimici, più complessi di quelli biologici, l'onere economico di realizzazione e di gestione risulta spesso maggiore. In the first case, biological purification plants are built with an appropriately sized nitrification / denitrification section. These are conceptually simple technologies, which reflect the natural bacterial mechanism of nitrification / denitrifìcation. Their limit is constituted by the fact that they require a highly controlled management, as the microorganisms used are very sensitive to changes in temperature, pH and substances harmful to the bacteria themselves. This requires specialized personnel and management costs that are often not sustainable individually by individual farms. In the second case, in the context of chemical-physical technologies, the technique that is used, in many variations, is that of gasification. In this, in the first stage of the process, in lack of oxygen, nitrogen is released as ammonia and / or animins and is then subsequently removed. In this case, as chemical plants are more complex than biological ones, the economic burden of construction and management is often greater.
Per il momento molti imprenditori agricoli stanno sfruttando le deroghe di legge ο hanno optato per la soluzione transitoria di trasportare i liquami in altri siti, dove non sussistono limitazioni oppure in impianti di trattamento remoti. For the moment, many farmers are taking advantage of the derogations of the law ο they have opted for the transitional solution of transporting the sewage to other sites, where there are no restrictions or to remote treatment plants.
In entrambi i casi si tratta di soluzioni temporanee e non estendibili nel tempo. La tecnologia Denitrex offre invece una soluzione al problema immediata, semplice, dai costi ridotti, e gestibile da personale non specializzato. In both cases, these are temporary solutions and cannot be extended over time. Denitrex technology, on the other hand, offers an immediate, simple, low-cost solution to the problem that can be managed by unskilled personnel.
La dimensione degli impianti consente inoltre la localizzazione in qualsiasi tipo di località ed à ̈ indipendente dalle condizioni climatiche. The size of the plants also allows for localization in any type of location and is independent of the climatic conditions.
Il costo di trattamento à ̈ estremamente basso ed offre tempistiche di processo compatibili con il contenimento delle quantità di azoto limite richieste dall'attuale normativa. The treatment cost is extremely low and offers process times compatible with the containment of the limit nitrogen quantities required by current legislation.
La tecnologia Denitrex à ̈ basata sulla nitrificazione dell'azoto presente nei liquami tramite tecniche utilizzanti ultrasuoni. Denitrex technology is based on the nitrification of the nitrogen present in the sewage through techniques using ultrasound.
Sottoponendo un liquame fortemente aerato all'irraggiamento con ultrasuoni si realizzano tutti i diversi passaggi necessari alla formazione dei nitrati in tempi ridotti. By subjecting a strongly aerated sewage to irradiation with ultrasound, all the different steps necessary for the formation of nitrates are carried out in a short time.
I nitrati, una volta prodotti, possono successivamente essere demoliti dai batteri denitrificanti secondo un processo biologico controllato. Once produced, nitrates can subsequently be broken down by denitrifying bacteria according to a controlled biological process.
E' noto che nelle sostanze organiche l'azoto à ̈ presente inizialmente come ammoniacale sotto forma di composti organici complessi quali proteine e basi azotate, che sono costituenti fondamentali delle cellule e degli organismi viventi. In natura la loro degradazione avviene inizialmente per ossidazione biologica che porta ad ammoniaca. It is known that in organic substances nitrogen is initially present as ammonia in the form of complex organic compounds such as proteins and nitrogenous bases, which are fundamental constituents of cells and living organisms. In nature their degradation occurs initially by biological oxidation which leads to ammonia.
Le reazioni sono molto complesse ma possono essere esemplificate dalla seguente reazione: The reactions are very complex but can be exemplified by the following reaction:
C5H7O2N 502→ 5C02+ 2H20 NH3 (Riferimento 1) C5H7O2N 502â † ’5C02 + 2H20 NH3 (Reference 1)
L'azoto ammoniacale a sua volta prodotto viene ossidato biologicamente prima ad azoto nitroso e poi a nitrato, attraverso due serie di batteri strettamente aerobi autotrofi: denitrosomonas e nitrobacter. The ammonia nitrogen produced in turn is biologically oxidized first to nitrous nitrogen and then to nitrate, through two series of strictly aerobic autotrophic bacteria: denitrosomonas and nitrobacter.
Essi lavorano in sequenza secondo le seguenti reazioni: They work in sequence according to the following reactions:
1 ) NH3+ 30: → 2NO: 2H<+>+2H2O 1) NH3 + 30: â † ’2NO: 2H <+> + 2H2O
2) 2N02<'>+ 202→ 2N03<">2) 2N02 <'> + 202â † ’2N03 <">
che complessivamente possono essere conglobate come which as a whole can be combined as
3) NH3+ 20: → NO/+ H<+>+H20 3) NH3 + 20: â † ’NO / + H <+> + H20
Dalla formula (3) si deduce la necessità della presenza di ossigeno/aria per questa reazione. From formula (3) we deduce the need for the presence of oxygen / air for this reaction.
La reazione globale di nitrazione, partendo dall'azoto organico, prevede tutta una serie di reazioni le quali liberano prima l'Ammoniaca, che poi può essere utilizzata. The global nitration reaction, starting from organic nitrogen, involves a whole series of reactions which first release the ammonia, which can then be used.
I batteri che operano per la formazione dell'Ammoniaca dalle sostanze organiche, hanno una velocità di riproduzione ridotta e questo costituisce il fattore limitante del complesso di reazioni nitrazione/denitrificazione. The bacteria that work for the formation of ammonia from organic substances have a reduced reproduction speed and this constitutes the limiting factor of the complex of nitration / denitrification reactions.
Per questo motivo si à ̈ scelto di realizzare il processo di ossidazione attraverso l'ausilio di tecnologie moderne quali gli ultrasuoni. For this reason it was decided to carry out the oxidation process through the aid of modern technologies such as ultrasound.
E' infatti stato riscontrato sperimentalmente che in presenza di gruppi amminici, quando la sonicazione à ̈ svolta in un liquido saturato con aria, la formazione di H202à ̈ accompagnata dalla generazione di ioni NOf e NO3. In fact, it has been experimentally found that in the presence of amino groups, when the sonication is carried out in a liquid saturated with air, the formation of H202à is accompanied by the generation of NOf and NO3 ions.
Queste specie hanno origine dall'ossidazione dell'azoto tramite O- e OH· all'interno delle bollicine (Riferimenti 2 e 3). These species originate from the oxidation of nitrogen by O- and OH · inside the bubbles (References 2 and 3).
Inizialmente si formano N02e H202, poi quest'ultimo composto tende a sparire e cominciano ad apparire i nitrati N03. Initially N02 and H202 are formed, then the latter compound tends to disappear and N03 nitrates begin to appear.
Questo dimostra che N02e H202sono i prodotti principali dell'equilibrio di sonicazione aria/acqua e che i nitrati sono originati dall'ossidazione di N02con H2O2. This demonstrates that N02 and H202 are the main products of the air / water sonication equilibrium and that nitrates originate from the oxidation of N02 with H2O2.
Per realizzare tale processo sono possibili diverse configurazioni, sia a ciclo aperto che a ciclo chiuso. La configurazione prescelta à ̈ quella rappresentata nella Tavola 1, che di seguito viene descritta: To carry out this process, different configurations are possible, both in open and closed cycle. The chosen configuration is the one represented in Table 1, which is described below:
il liquame viene introdotto in un serbatoio di stoccaggio ( 1); da questo viene prelevato tramite una pompa (3) che lo miscela con aria pompata dal compressore (4) nel mixer (6) nella misura fissata dalla valvola dosatrice (5); il liquame aerato passa poi ai reattori in serie (7) e (8), nei quali viene irradiato dai generatori di ultrasuoni (Sonotrodi) (9) e (10) in controcorrente. Da questi il liquame irradiato ritorna al serbatoio di stoccaggio (1 ). Il liquame, quando à ̈ pronto per lo spandimento può essere prelevato tramite la valvola a 3 vie (2). Il processo viene svolto con cicli di irraggiamento alternati a cicli di riposo. I primi servono alla nitrazione i secondi servono per la fase di denitrificazione che à ̈ quella che rimuove l'azoto dal liquame. the sewage is introduced into a storage tank (1); it is taken from this by means of a pump (3) which mixes it with air pumped by the compressor (4) into the mixer (6) to the extent set by the metering valve (5); the aerated sewage then passes to the series reactors (7) and (8), in which it is irradiated by the ultrasonic generators (Sonotrodes) (9) and (10) in countercurrent. From these the irradiated sewage returns to the storage tank (1). The slurry, when it is ready for spreading, can be removed via the 3-way valve (2). The process is carried out with cycles of irradiation alternating with cycles of rest. The former are used for nitration, the latter are used for the denitrification phase which is the one that removes nitrogen from the sewage.
Tra i vari tipi di sonotrodi risulta particolarmente efficace quello rotante, in quanto dispone di una superfìcie radiante più estesa. Among the various types of sonotrodes, the rotating one is particularly effective, as it has a larger radiant surface.
Nell'ambito dei sonotrodi a superfìcie planare invece, risulta notevolmente funzionale quello dotato di un foro che consente di introdurre miscele e/o liquidi puri nella zona di reazione. In the field of planar surface sonotrodes, on the other hand, the one equipped with a hole that allows the introduction of mixtures and / or pure liquids in the reaction zone is remarkably functional.
La configurazione descritta à ̈ stata testata in un sito zootecnico/agricolo su liquame misto dove l impianto descritto precedentemente ha lavorato su una vasca da 5.000 me che fungeva da serbatoio di stoccaggio (1). Nella stessa vasca, in posizioni diametralmente opposte, erano presenti il prelievo e il ritorno. The configuration described was tested in a livestock / agricultural site on mixed slurry where the plant described above worked on a 5,000 m tank that served as a storage tank (1). In the same tank, in diametrically opposite positions, there were the withdrawal and the return.
I generatori di ultrasuoni e i sonotrodi utilizzati erano di potenza pari ad 8 KW ed hanno operato per 70 ore complessive, distribuite in cicli consistenti 10 ore di irraggiamento, seguite da 16 ore di stasi (con generatori di ultrasuoni, pompe e compressore spenti) per un periodo di 5 giorni. The ultrasonic generators and sonotrodes used were of 8 kW power and operated for a total of 70 hours, distributed in cycles consisting of 10 hours of irradiation, followed by 16 hours of stasis (with ultrasonic generators, pumps and compressor off) for a 5 day period.
In tale sperimentazione si à ̈ ottenuta, alle condizioni sopra citate, una rimozione dell'azoto superiore allo 80%. In this experimentation, under the conditions mentioned above, a nitrogen removal of more than 80% was obtained.
Dalle verifiche sperimentali à ̈ stato riscontrato che questa percentuale può essere aumentata proseguendo il trattamento per periodi più estesi. From the experimental tests it has been found that this percentage can be increased by continuing the treatment for longer periods.
L'utilizzo di ultrasuoni nella nitrifìcazione del liquame fortemente aerato consente di realizzare una nitrifìcazione rapida e praticamente completa. Il liquame, una volta nitrifìcato, viene lasciato in condizioni controllate a svolgere la denitrificazione batterica, nella quale i nitrati vengono trasformati e rilasciati come azoto molecolare. Tale tecnologia, a differenza di quelle attualmente in uso, consente di ottenere un'accelerazione dei tempi di processo e rendimenti nell'abbattimento dell'azoto superiori al 90%. La tecnologia permette inoltre una soluzione della problematica dell'abbattimento dell'azoto, semplice, dai costi ridotti, e gestibile da personale non specializzato. La dimensione ridotta degli impianti ne consente poi l'insediamento in qualsiasi tipo di area ed à ̈ indipendente dalle condizioni climatiche. The use of ultrasounds in the nitrifying of highly aerated sewage allows for rapid and practically complete nitrifying. The sewage, once nitrified, is left under controlled conditions to carry out bacterial denitrification, in which the nitrates are transformed and released as molecular nitrogen. This technology, unlike those currently in use, allows to obtain an acceleration of the process times and yields in nitrogen abatement exceeding 90%. The technology also allows a solution to the problem of nitrogen abatement, simple, with reduced costs, and manageable by unskilled personnel. The small size of the plants allows them to be installed in any type of area and is independent of the climatic conditions.
Riferimenti: References:
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