ITTO20080394A1 - Impianto per la stabilizzazione anaerobica della frazione organica di rifiuti solidi urbani - Google Patents

Description

Descrizione dell’Invenzione Industriale dal titolo:

“Impianto per la stabilizzazione anaerobica della frazione organica di rifiuti solidi urbani”

Descrizione

Il presente trovato si riferisce a un impianto per la stabilizzazione anaerobica della frazione organica di rifiuti solidi urbani.

Come noto, i rifiuti solidi urbani sono un materiale altamente eterogeneo che risulta molto difficile da trattare. Tale materiale contiene tipicamente un 40% di biomassa organica umida ed un 60% di materia solida. E' noto, in particolare dal Brevetto Italiano No.1 255 197, di comprimere i rifiuti solidi urbani a pressioni elevatissime in modo da separare mediante estrusione la biomassa umida, che prende la forma di un gel, dal contenuto secco, che può essere utilizzato, p.es., come combustibile.

Dopo la separazione, il gel di materia organica viene sottoposto a un processo di digestione anaerobica in silo, dove viene degradato in assenza di ossigeno da diversi gruppi di microorganismi costituiti quasi esclusivamente da batteri anaerobici e facoltativi, grazie ai quali si genera un processo di reazioni che permettono di trasformare la sostanza organica in composti intermedi (principalmente acido acetico, anidride carbonica ed idrogeno), successivamente utilizzati come substrato per la produzione di metano.

Il silo di digestione presenta convenzionalmente una parete laterale cilindrica ed un fondo troncoconico chiuso all'estremità inferiore da una valvola apribile per scaricare il materiale al termine della digestione. Poiché è essenziale che il silo abbia un'elevata capacità ma al contempo è necessario limitare gli ingombri verticali, il silo viene di norma realizzato con un diametro relativamente grande ed un'altezza relativamente ridotta, con un rapporto volume/diametro tipicamente dell'ordine di 150-200 (benché tale rapporto andrebbe espresso in m<2>, nel ramo viene convenzionalmente espresso come fattore privo di unità di misura in quanto, riferendosi a una forma sostanzialmente cilindrica, la geometria da esso determinata è univocamente definita).

Tuttavia, come noto al tecnico del ramo, tale conformazione compromette l'efficienza dell'impianto poiché più è grande il diametro del silo, più è facile che all'interno della massa da digerire si creino sacche isolate di materiale inerte, soprattutto nelle zone periferiche, che non partecipano al processo di fermentazione e rimangono bloccate all'interno del silo. Ciò porta anche alla formazione di percorsi preferenziali nei quali tende a confluire il materiale fresco immesso nel silo, impedendo che quest'ultimo si mescoli in modo uniforme con l'intera massa così da compromettere l'omogeneità del prodotto finale.

Inoltre, sarebbe desiderabile disporre di un impianto che presenti una maggiore flessibilità di regolazione, in particolare consentendo di controllare e modificare un maggior numero di parametri di processo al fine di ottimizzare l'efficienza.

Pertanto, lo scopo principale del presente trovato è quello di realizzare un impianto per la stabilizzazione anaerobica della frazione organica di rifiuti solidi urbani che presenti una maggiore efficienza, una maggiore flessibilità ed una maggiore controllabilità rispetto agli impianti noti.

Un ulteriore scopo del trovato è quello di realizzare un impianto che, a pari capacità di carico, presenti ingombri ridotti rispetto agli impianti noti.

I suddetti scopi ed altri vantaggi, quali appariranno più chiaramente dal seguito della descrizione, sono raggiunti dall'impianto avente le caratteristiche esposte nella rivendicazione 1, mentre le rivendicazioni subordinate definiscono altre caratteristiche vantaggiose del trovato, ancorché secondarie.

Si descriverà ora in maggior dettaglio il trovato, con riferimento ad una sua forma di esecuzione preferita ma non esclusiva, illustrata a titolo d'esempio non limitativo negli uniti disegni in cui:

la Fig.1 è una vista in elevazione laterale dell'impianto di stabilizzazione secondo il trovato;

la Fig.2 è una vista in maggior scala di un primo particolare di Fig.1;

la Fig.3 è una vista in maggior scala di un secondo particolare di Fig.1;

la Fig. 4 è una vista simile alla Fig. 3, illustrante una realizzazione alternativa dell'impianto secondo il trovato.

Con riferimento iniziale alle Figg. 1-3, è illustrato un impianto 10 per la stabilizzazione anaerobica della frazione organica di rifiuti solidi urbani, particolarmente ma non esclusivamente idoneo al trattamento di materiale organico in forma di gel separato dai rifiuti solidi urbani mediante estrusione sotto pressione, preferibilmente mediante una macchina del tipo descritto nel Brevetto d'Invenzione No.1 255 197.

Nell'impianto 10, il gel 12 viene scaricato in un tramoggia coperta 14, nella quale il materiale può essere stoccato per un periodo di tempo predeterminato. Al fondo della tramoggia 14 è disposta una coclea di prelevamento 16 che estrae il gel 12 dalla tramoggia e lo indirizza verso una coclea di alimentazione 18 disposta inclinata verso l'alto. In cima alla coclea di alimentazione 18 è disposto un frangitore a coltelli 20 (Fig. 2) atto a sminuzzare il materiale in uscita dalla coclea.

Il materiale sminuzzato proveniente dal frangitore a coltelli 20 alimenta per caduta un silo di miscelazione 22, come illustrato in dettaglio in Fig. 2. Il silo di miscelazione 22 comprende un contenitore cilindrico 24 di acciaio inossidabile con un fondo troncoconico 26 rastremato verso il basso. Il fondo troncoconico 26 presenta una bocca di scarico 28 alla sua estremità inferiore, che è chiusa da una valvola a ghigliottina 30. All'interno del silo 22 è disposto un miscelatore a pale motorizzato 32. L'estremità superiore del silo di miscelazione 22 è chiusa da un coperchio 33 presentante una bocca di carico 33a allineata sotto la sezione d'uscita del frangitore a coltelli 20 per ricevere il materiale da esso, ed una bocca di ricircolo 33b. Il silo di miscelazione è circondato da una terna di fasce riscaldanti cave 34 nelle quali circola fluido caldo che, preferibilmente, proviene dalla caldaia (non illustrata) utilizzante il biogas prodotto dall'impianto. Il silo di miscelazione 22 è anche provvisto di un sensore 35 per la misurazione del livello del materiale nel silo.

Il materiale scaricato dal silo di miscelazione 22 viene trasferito ad una stazione di digestione 36 tramite una coclea che è ricevuta in un condotto di alimentazione riscaldato 38 al fine di limitare le dispersioni di calore. Anche il riscaldamento del condotto di alimentazione 38 è preferibilmente ottenuto sfruttando il fluido caldo proveniente dalla caldaia. Dal condotto di alimentazione 38 si diparte una diramazione 39 munita di un'elettrovalvola 39a, che è normalmente chiusa ma è apribile per lo svuotamento del silo.

La stazione di digestione 36 (Fig. 3) comprende una coppia di silos di digestione 40, 42 di dimensioni molto maggiori rispetto al silo di miscelazione 22. Ognuno dei silos di digestione è costituito da un contenitore cilindrico 44 di acciaio inossidabile con un fondo troncoconico 46 presentante una bocca di scarico 48 alla sua estremità inferiore, chiusa da una valvola a ghigliottina 50. L'estremità superiore del silo è chiusa da un coperchio 53 presentante una bocca di carico 53a ed una bocca di estrazione del biogas 53b. Anche i silos di digestione 40, 42 sono circondati ognuno da una terna di fasce riscaldanti cave 54 nelle quali circola fluido caldo proveniente dalla caldaia, e sono provvisti di rispettivi sensori di livello 55.

Vantaggiosamente, ognuno dei due silos 40, 42, presenta un volume inferiore rispetto ai silos di digestione convenzionali, per esempio nell'intervallo 100-500 m<3>, nonché una forma più allungata, con un rapporto volume/diametro nell'intervallo 15 a 50, preferibilmente 35. Ciò consente al materiale di fluire liberamente in direzione verticale dalla bocca di carico 53a alla bocca di scarico 48, coinvolgendo tutto il materiale contenuto nei silos anche senza l'ausilio di agitatori supplementari.

I due silos di digestione 40, 42 sono collegati a una rete di tubazioni che consente loro di operare sia in serie che in parallelo, permettendo di controllare con elevata flessibilità il processo di digestione e di ottimizzare l'efficienza dell'impianto. In particolare, i due silos 40, 42 sono alimentati da rispettive diramazioni 38a, 38b del condotto riscaldato 38, provviste di rubinetti Ra, Rb. Le bocche di scarico dei due silos sono invece interconnesse da una coclea di estrazione coibentata 58 che è azionabile selettivamente nei due sensi, per gli scopi che saranno chiariti nel seguito. Preferibilmente, la coclea di estrazione 58 presenta un diametro relativamente grande al fine di permettere la completa estrazione del materiale prevenendo eventuali inceppamenti. In particolare, il rapporto tra diametro della coclea di estrazione 58 e diametro del silo di digestione 40, 42 rientra preferibilmente nell'intervallo 1/20-1/10.

Parte del materiale estratto dai due silos può essere rimesso in circolo tramite una coclea di ricircolo coibentata 60 che si estende dalla bocca di scarico 48 del primo silo di digestione 40 alla bocca di ricircolo 33b del silo di miscelazione 22. La parte restante del materiale estratto dai due silos viene invece definitivamente estratta da una coclea di allontanamento 64 e scaricata su uno scarrabile 62. Le due bocche di estrazione del biogas sono collegate ad un condotto di scarico del biogas 65 confluente in un gasometro G (solo schematizzato nelle Figg. 1 e 3). Dal gasometro G il biogas viene trasferito ad un impianto di cogenerazione (non illustrato) di tipo convenzionale.

Nel funzionamento, il gel 12 scaricato nella tramoggia 14 viene periodicamente trasferito al silo di miscelazione 22 tramite la coclea di estrazione 16 e la coclea di alimentazione 18. Prima di entrare nel silo di miscelazione, il materiale viene triturato dal frangitore a coltelli 20 in modo da migliorare il contatto tra la popolazione microbica ed il substrato da trattare.

Nel silo di miscelazione 22, il materiale viene omogeneizzato dal miscelatore a pale 32 e riscaldato dalle fasce 34 ad una temperatura preferibilmente compresa nell'intervallo 35-55 °C. Come accennato, nel silo di miscelazione può essere ricircolata una portata dosata di materiale già trattato attraverso la bocca di ricircolo 33b, secondo rapporti di miscelazione che dipendono dalle caratteristiche chimiche ed organolettiche del materiale sottoposto a trattamento. Il miscelatore consente pertanto di introdurre nella stazione di digestione un materiale omogeneo già riscaldato ad una temperatura desiderata, così da ottimizzare la resa del processo di digestione.

Aprendo la valvola a ghigliottina 30, il materiale nel silo di miscelazione 22 viene inviato alla stazione di digestione attraverso il condotto riscaldato 38. Come sopra accennato, l'impianto secondo il trovato può essere utilizzato in diversi modi, per esempio utilizzando uno solo dei due silos di digestione 40, 42 qualora il carico giornaliero fosse inferiore a quello nominale previsto, oppure utilizzando i due silos di digestione in modo da operare in serie, in parallelo, o in modo combinato serie/parallelo. La scelta del modo di operare dell'impianto può essere stabilita in base a parametri operativi del sistema di digestione, anche al fine di prevenire fenomeni di accumulo di acidi grassi volatili con conseguente abbassamento del pH nel silo di digestione.

In caso di elevate quantità di materiale da trattare, in genere sarà conveniente utilizzare i due silos di digestione in parallelo. In tal caso, il materiale proveniente dal silo di miscelazione 22 viene alimentato simultaneamente ad entrambi i silos di digestione tenendo aperti entrambi i rubinetti Ra, Rb. Dopo un periodo di fermentazione prefissato, il materiale nei due silos viene scaricato aprendo le valvole a ghigliottina 50, e viene allontanato azionando la coclea di estrazione 58 verso destra e la coclea di allontanamento 64. Come accennato, parte del materiale può anche essere rimesso in circolo azionando la coclea di estrazione 58 verso sinistra in Fig. 1 e la coclea di ricircolo 60.

Nell'uso in serie, invece, il materiale organico in una prima fase viene alimentato solo nel primo silo 40, chiudendo il rubinetto Rb di alimentazione al secondo silo 42. Dopo un periodo di digestione prestabilito, il materiale viene reintrodotto nel silo di miscelazione 22 attraverso la coclea di ricircolo 60, e da esso viene alimentato solo al secondo silo 42, chiudendo il rubinetto Ra di alimentazione al primo silo.

In ogni caso, durante la digestione, il materiale viene riscaldato dalle fasce 54 ad una temperatura preferibilmente compresa nell'intervallo 35-55 °C.

Naturalmente, le varie parti dell'impianto sono controllate da una centralina (non illustrata) programmabile in modo convenzionale nel ramo per gestire il processo sopra descritto in modo automatizzato.

La Fig. 4 illustra una realizzazione alternativa del trovato, in cui la stazione di digestione 136 comprende tre silos 140, 142, 143 collegati in modo del tutto equivalente a quanto descritto nella realizzazione precedente. In particolare, i tre i silos sono alimentati dal condotto di alimentazione 138 tramite rispettive diramazioni 138a, 138b, 138c, cedono il materiale digerito ad una coclea di estrazione 158 configurata per ricevere il materiale dalle loro tre bocche di scarico ed azionabile nei due sensi, e scaricano biogas in un condotto di scarico 165.

Come l'esperto del ramo comprenderà immediatamente, l'impianto secondo il trovato consente di trattare elevati volumi di materiale organico in modo altamente efficiente pur limitando gli ingombri. Infatti, contrariamente alla prassi comune, l'impianto fa uso di più silos di digestione di forma allungata collegati in serie o in parallelo, invece che di un unico silo di forma ribassata e di diametro molto grande che, come menzionato in precedenza, presenta degli svantaggi in termini di efficienza. Il collegamento in serie/parallelo dei silos rende l'impianto molto flessibile e consente di effettuare molteplici regolazioni, p.es., in funzione delle caratteristiche e della quantità del materiale da smaltire. Un ulteriore vantaggio dell'impianto secondo il trovato è che, particolarmente quando alimentato con materiale organico in forma di gel separato dai rifiuti solidi urbani, la quantità di acqua di ricircolo richiesta per diluire il materiale trattato è molto inferiore rispetto alla quantità necessaria negli impianti convenzionali, e in taluni casi può addirittura non essere necessario diluire il materiale. Preferibilmente, tale percentuale di acqua di diluizione sarà tale per cui la miscela in ingresso al digestore presenta un quantitativo di sostanza secca (TS) compreso tra il 16% e il 35%.

Si è descritta una realizzazione preferita del trovato, ma naturalmente il tecnico del ramo potrà apportare diverse modifiche e varianti nell'ambito delle rivendicazioni. In particolare, la stazione di digestione potrà prevedere un numero maggiore di silos rispetto a quanto descritto, p.es., 4, 5, o anche più silos, collegati in modo equivalente a quanto illustrato nelle realizzazioni descritte. Inoltre, alcune parti dell'impianto potranno essere sostituite da altre in grado di svolgere la medesima funzione in modo simile. Per esempio, il frangitore a coltelli 20 potrà essere sostituito da mezzi di triturazione diversi quali ad esempio trituratori a lame, o altri simili. Inoltre, benché nella realizzazione preferita i silos siano preferibilmente realizzati di acciao inox, essi potranno anche essere realizzati di altro materiale simile o idoneo, per esempio, per esempio ferro. Cionondimeno, è sottinteso che il numero di fasce riscaldanti utilizzate per riscaldare il silos potrà essere maggiore o minore rispetto a quanto indicato, ed inoltre in luogo delle suddette fasce potranno essere utilizzati mezzi riscaldanti diversi quali ad esempio camicie continue estendentisi per l'intera altezza del silo.

Claims (22)

1. Rivendicazioni 1. Impianto (10) per la stabilizzazione anaerobica di materiale organico (12) proveniente da rifiuti solidi urbani, caratterizzato dal fatto di comprendere: - un silo di miscelazione (22) nel quale il materiale organico da trattare viene preliminarmente omogeneizzato, ed - una stazione di digestione (36) comprendente almeno una coppia di silos di digestione (40, 42) collegabili in serie o in parallelo per ricevere materiale organico da detto silo di miscelazione (22) e cederlo dopo un periodo di digestione prestabilito.
2. 2. Impianto secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto silo di miscelazione (22) è provvisto di mezzi di riscaldamento (34).
3. 3. Impianto secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di riscaldamento del silo di miscelazione comprendono fasce riscaldanti (34) nelle quali è in circolazione fluido caldo.
4. 4. Impianto secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto silo di miscelazione (22) è munito di un miscelatore a pale motorizzato (32).
5. 5. Impianto secondo una delle rivendicazioni 1-4, caratterizzato dal fatto che ognuno di detti silos di digestione (40, 42) comprende un contenitore allungato sostanzialmente cilindrico (44) presentante un rapporto volume/-diametro nell'intervallo 15 a 50.
6. 6. Impianto secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che il rapporto volume/diametro di ognuno di detti silos di digestione è pari a 35.
7. 7. Impianto secondo la rivendicazione 5 o 6, caratterizzato dal fatto che il volume di ognuno di detti silos di digestione (40, 42) è nell'intervallo 100-500 m<3>.
8. 8. Impianto secondo una delle rivendicazioni 1-7, caratterizzato dal fatto che ognuno di detti silos di digestione (40, 42) è provvisto di una bocca di estrazione (53b) per l'estrazione del biogas prodotto durante il processo di digestione.
9. 9. Impianto secondo una delle rivendicazioni 1-8, caratterizzato dal fatto che ognuno di detti silos di digestione (40, 42) è provvisto di mezzi di riscaldamento (54).
10. 10. Impianto secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di riscaldamento del silo di digestione comprendono fasce riscaldanti cave (54) nelle quali è in circolazione fluido caldo.
11. 11. Impianto secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere una coclea di alimentazione (18) collegata per prelevare materiale organico da trattare da una tramoggia (14) ed alimentarlo a detto silo di miscelazione (22).
12. 12. Impianto secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che al fondo di detta tramoggia (14) è disposta una coclea di prelevamento (16) azionabile per prelevare il materiale organico dalla tramoggia e indirizzarlo verso detta coclea di alimentazione (18).
13. 13. Impianto secondo la rivendicazione 11 o 12, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi di triturazione (20) disposti per sminuzzare il materiale in ingresso nel silo di miscelazione.
14. 14. Impianto secondo la rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di triturazione comprendono un frangitore a coltelli (20).
15. 15. Impianto secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti silos di digestione (40, 42) sono collegati per ricevere materiale da detto silo di miscelazione (22) tramite un condotto di alimentazione riscaldato (38).
16. 16. Impianto secondo una delle rivendicazioni 1-15, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi di ricircolo (58, 60) collegati per reimmettere almeno una frazione del materiale scaricato dai silos di digestione (40, 42) nel silo di miscelazione (22).
17. 17. Impianto secondo la rivendicazione 16, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di ricircolo consistono in una una coclea (60).
18. 18. Impianto secondo la rivendicazione 16 o 17, caratterizzato dal fatto che detti silos di digestione (40, 42) sono interconnessi da una coclea di estrazione (58) azionabile selettivamente nei due sensi per inviare il materiale digerito verso detti mezzi di ricircolo (60) o verso mezzi di allontanamento (64) confluenti in una zona di raccolta (62).
19. 19. Impianto secondo la rivendicazione 18, caratterizzato dal fatto che il rapporto tra il diametro di detta coclea di estrazione (58) e il diametro di detto silo di digestione (40, 42) è nell'intervallo 1/20-1/10.
20. 20. Processo per la stabilizzazione anaerobica di materiale organico (12) proveniente da rifiuti solidi urbani, caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti fasi: - omogeneizzare il materiale organico in un silo di miscelazione riscaldato (22) munito di mezzi di miscelazione (32), e - lasciare fermentare per un periodo prestabilito il materiale omogeneizzato proveniente dal silo di miscelazione (22) in una stazione di digestione provvista di almeno due silos di digestione riscaldati (40, 42) collegabili tra loro in serie o in parallelo.
21. 21. Processo secondo la rivendicazione 20, caratterizzato dal fatto che una frazione del materiale digerito in detta stazione di digestione viene ricircolato nel silo di miscelazione (22).
22. 22. Processo secondo la rivendicazione 20 o 21, caratterizzato dal fatto che il materiale nel silo di miscelazione viene diluito con una percentuale di acqua inferiore tale per cui la miscela in ingresso al digestore presenta un quantitativo di sostanza secca compreso tra il 16% e il 35%.