ITMI20081490A1 - Processo di estrazione dell'azoto ammoniacale da reflui liquidi - Google Patents

Description

Titolo:" Processo di estrazione dell’azoto ammoniacale da reflui liquidi."

La presente invenzione si riferisce ad un processo di estrazione dell’azoto ammoniacale da reflui liquidi.

La presente invenzione si inserisce nel settore tecnico dei trattamenti dei reflui contenenti azoto, in particolare dei reflui zootecnici contenenti deiezioni animali derivanti da allevamenti di suini, bovini, pollami ed altri animali, dei reflui civili e industriali, e dei percolati da discarica.

Con il passare del tempo, le normative ambientali nazionali ed internazionali hanno imposto e impongono limiti sempre più restrittivi alla quantità di azoto che à ̈ possibile distribuire nell’ambiente attraverso lo spandimento delle deiezioni animali su terreni agricoli. In particolare, sempre più restrittivi risultano i limiti imposti allo spandimento delle deiezioni in quelle aree agricole in cui le concentrazioni di nitrati nel terreno hanno raggiunto valori così elevati da qualificarle come “zone vulnerabili da nitrati†.

Ferme restando la quantità di deiezioni prodotte ed il loro contenuto d’azoto, la superficie complessiva dei terreni a disposizione per lo spandimento diventa quindi progressivamente insufficiente a garantire lo smaltimento delle deiezioni a meno di ridurne il contenuto di azoto.

Analogamente, anche lo smaltimento dei reflui civili, industriali e dei percolati da discarica rappresenta un grosso problema ambientale per via delle grosse quantità prodotte, ma anche degli onerosi costi che essi comportano.

Allo stato della tecnica sono noti ed impiegati diversi processi di trattamento dei reflui liquidi contenenti azoto finalizzati a rimuovere completamente o almeno a ridurne il contenuto di azoto. Nel caso dei reflui zootecnici provenienti da allevamenti suini, ad esempio, l’azoto à ̈ presente in concentrazioni variabili da 1000 a 6000 mg/l, secondo la specifica dieta utilizzata presso l’allevamento e la diluizione causata dai lavaggi più o meno frequenti effettuati per la pulizia della porcilaia.

Un allevamento di suini di medie dimensioni (3000-5000 capi) produce una quantità di tale refluo variabile da 30 a 50 m<3>/giorno.

Una pressoché completa rimozioni dell’azoto (98-99%) può essere ottenuta utilizzando processi di trattamento dei reflui di tipo biologico. Questi processi, che comprendono almeno una fase di ossidazione biologica del refluo seguita da una fase di denitrificazione, sono però molto complessi da gestire, oltre a richiedere la realizzazione di impianti piuttosto costosi.

Poiché la destinazione finale dei reflui zootecnici rimane prevalentemente lo spandimento su terreni agricoli, la rimozione dell’azoto non deve essere necessariamente completa o, comunque, molto elevata. Infatti già una riduzione del contenuto di azoto di un refluo pari al 50% in peso rispetto all’azoto totale sarebbe sufficiente a consentire lo spandimento di una quantità doppia di refluo sulla stessa superficie agricola (rispetto al refluo originario). Altrettanto importante, inoltre, risulta l’economicità del trattamento, ossia il rapporto tra il costo del trattamento e la sua efficacia.

Da questo punto di vista, una tipologia di processo di trattamento dei reflui che consente di ridurre il contenuto di azoto a livelli accettabili e, contemporaneamente, a costi contenuti rispetto ai processi noti allo stato della tecnica, à ̈ quella basata sull’estrazione (o stripping) dell’azoto contenuto nel refluo sotto forma di ammoniaca. Questo tipo di processo, che viene tipicamente condotto in torri a piatti o anelli rashling, prevede l’estrazione dell’azoto ammoniacale mediante l’insufflazione di una corrente d’aria (corrente di stripping) in controcorrente rispetto alla caduta del refluo liquido con conseguente allontanamento dell’ammoniaca gassosa. Per favorire lo sviluppo dell’ammoniaca gassosa, il refluo viene generalmente riscaldato e addizionato di agenti basificanti, come NaOH.

Solitamente il refluo deve essere anche vagliato o filtrato, eventualmente dopo l’aggiunta di agenti flocculanti, poiché la presenza di solidi, anche se di piccole dimensioni, può ostruire i fori dei piatti o sporcare gli anelli rashling, causando la fermata degli impianti. Inoltre, per permettere velocità di estrazione accettabili il refluo deve essere scaldato ad una temperatura superiore a 80°C con un dispendio energetico molto elevato.

La corrente di stripping contenente l’ammoniaca gassosa à ̈ generalmente trattata in torri di lavaggio, con soluzioni acide. Una volta assorbita l’ammoniaca gassosa nella soluzione di lavaggio, la corrente gassosa risultante priva di ammoniaca viene emessa in atmosfera.

Il trattamento basato sullo stripping, sebbene sufficientemente efficace nella rimozione dell’azoto contenuto nel refluo, comporta tuttavia consumi energetici piuttosto elevati e costi rilevanti legati all’impiego di additivi chimici. Per condurre il processo, infatti, sono necessarie grosse quantità di agenti basificanti e flocculanti, nonché di energia per movimentare la massa d’aria della corrente di stripping e per scaldare il refluo. Tutto ciò rende economicamente poco conveniente la realizzazione di impianti di trattamento presso gli allevamenti, soprattutto quelli di piccole dimensioni.

Una tipologia di processo di trattamento dei reflui che consente di superare gli inconvenienti sopra citati e che risulta energeticamente ed economicamente più conveniente dei processi dell’arte nota à ̈ quella descritta nella domanda italiana MI2007A0002448.

Questo processo prevede l’estrazione dell’azoto mediante la generazione di un flusso gassoso che passando sopra il pelo libero del refluo addizionato di un agente basificante, riesce a trascinare fuori dal reattore una corrente gassosa comprendente ammoniaca.

E’ stato ora trovato che abbinando al suddetto processo di estrazione l’uso di uno speciale sistema ad aria ionizzata à ̈ possibile ottenere un ulteriore incremento del rendimento globale di estrazione, nel senso sia della velocità di estrazione, sia nel limite della concentrazione finale dell’ammoniaca nel refluo trattato.

È quindi oggetto della presente invenzione un processo di estrazione dell’azoto ammoniacale da reflui liquidi, comprendente le seguenti fasi operative:

a) porre a contatto in un reattore il refluo con un agente basificante;

b) generare un flusso gassoso ionizzato sopra il refluo ed in particolare sopra il pelo libero del refluo e trascinare fuori dal reattore una corrente gassosa comprendente ammoniaca;

c) recuperare l’ammoniaca dalla corrente gassosa uscente dalla fase b) con formazione di una corrente gassosa depurata.

Preferibilmente, il processo à ̈ condotto utilizzando nella fase b) un flusso gassoso ionizzato immesso formata da uno o più gas e/o vapori scelti fra: aria, azoto e argon.

Il processo secondo la presente invenzione si applica ai reflui provenienti da allevamenti di varia natura, quali gli allevamenti di suini, bovini, pollame, ecc., e più in generale a tutti i reflui che contengono azoto in forma ammoniacale, ad esempio quelli risultanti dopo trattamento di digestione anaerobica (reflui industriali, civili, percolati di discariche).

I reflui raccolti presso gli insediamenti produttivi in cui vengono generati (ad es. all’interno di uno o più allevamenti, impianti di depurazione, discariche, ecc.) sono stoccati in una vasca di raccolta. Essi si presentano, generalmente, in uno stato liquido o liquido-fangoso e possono essere movimentati per mezzo dei sistemi di pompaggio tipicamente impiegati nel settore. Talvolta, secondo la natura dei reflui, prima di essere sottoposti a trattamento, i reflui possono essere miscelati tra di loro e/o diluiti con acqua sino a raggiungere la fluidità più idonea alla loro movimentazione con i suddetti sistemi di pompaggio.

Il processo secondo la presente invenzione à ̈ generalmente condotto in un unico reattore se si tratta della modalità discontinua, oppure in un apposito sistema comprendente più reattori con sviluppo preferenzialmente in verticale, se si tratta della modalità continua. All’interno di tale sistema i reflui sono caricati per mezzo di sistemi di pompaggio. In una forma di realizzazione preferita dell’invenzione, il caricamento dei reflui avviene in modo completamente automatizzato.

La fase a) del processo secondo la presente invenzione consiste nel porre a contatto il refluo caratterizzato da un pH neutro, che a seconda delle condizioni chimico-fisiche viene sottoposto ai necessari trattamenti preliminari (es. filtrazione, flocculazione), con una quantità di agente basificante in grado di alzare il valore del pH sino ad un valore variabile da 7,2 a 13, preferibilmente da 10,0 a 13.

Qualora il pH fosse già con un valore superiore a 10,00 si può procedere direttamente al trattamento di estrazione dell’azoto.

La Richiedente ha osservato che l’azione basificante à ̈ preferibilmente svolta da un agente basificante solido scelto tra CaO, MgO e/o loro miscele oppure scelto tra soluzioni acquose di Ca(OH)2, Mg(OH)2e/o loro miscele. Preferibilmente, l’agente basificante à ̈ in forma solida granulare. A differenza degli agenti basificanti usati nei processi dello stato della tecnica (es. NaOH), questi additivi hanno un costo decisamente più contenuto.

Agente basificante preferito à ̈ la calce viva cioà ̈ una miscela CaO/MgO. Questo per ciò che riguarda il trattamento dei reflui zootecnici,che dopo trattamento devono essere distribuiti (spandimento) sui terreni agricoli; qualora si tratti di percolati da discariche, possono essere utilizzati anche basificanti tradizionali (es. soda o potassa caustica).

La presente invenzione può comunque essere realizzata con gli stessi vantaggi, sia pure in forma limitata, anche con altri basificanti quali Na2O, K2O, NaOH, KOH, Na2CO3, K2CO3e/o loro miscele solide oppure con le rispettive soluzioni acquose e/o le loro miscele.

In generale, l’agente basificante può essere aggiunto al refluo da trattare in forma solida oppure come soluzione acquosa. Tipicamente, quando l’agente basificante à ̈ aggiunto in forma solida, il suo dosaggio varia da 5 a 20 kg di agente per m3di refluo da trattare. Quando à ̈ aggiunto in forma di soluzione acquosa, tipicamente al 30% in peso, il dosaggio varia da 30 a 50 litri/m3.

Per effetto dell’innalzamento del pH, l’azoto ammoniacale contenuto nel refluo, (nel quale à ̈ presente principalmente in forma di ioni NH4 ), tende a separarsi dal refluo sotto forma di NH3gassosa. La concentrazione dell’ammoniaca nel refluo liquido aumenta sino a che, alle specifiche condizioni operative di temperatura e pressione, tende spontaneamente a fuoriuscire dal refluo sino al raggiungimento di una condizione di equilibrio.

Generando all’interno del reattore un flusso gassoso che asporta l’ammoniaca che evolve dal refluo, si altera tale equilibrio e nuova ammoniaca viene prodotta nel refluo, la quale tenderà a fuoriuscire da esso per ristabilire l’equilibrio.

Si à ̈ osservato che tale fenomeno à ̈ particolarmente accentuato se il flusso gassoso à ̈ generato per immissione di un flusso gassoso ionizzato sopra il pelo libero del refluo, poiché in tal modo oltre ad asportare prontamente l’ammoniaca uscente si sfrutta la fortissima attrazione elettrostatica che il flusso gassoso ionizzato esercita nei confronti della molecola di tipo polare dell’ammoniaca. Viene così incrementata enormemente la velocità di fuoriuscita dell’ammoniaca e si favorisce la rapida evoluzione di nuova ammoniaca dal refluo.

La pressione del flusso gassoso generato per estrarre l’ammoniaca, à ̈ variabile da -100 mbar (reattore in depressione - corrente gassosa aspirata) a 100 mbar (corrente gassosa immessa), ossia il flusso gassoso che permette di estrarre la corrente gassosa comprendente ammoniaca può essere generato sia immettendo una corrente gassosa che scorre sopra il battente del refluo sia ponendo il reattore in depressione. In una forma di realizzazione preferita la pressione del flusso gassoso à ̈ scelta tra -10 e 10 mbar.

In entrambe le modalità operative, ossia utilizzando una corrente gassosa immessa oppure ponendo il reattore in depressione, il flusso gassoso generato à ̈ presente al di sopra della superficie del refluo senza gorgogliare al suo interno.

Non facendo gorgogliare enormi masse d’aria nel refluo, come avviene solitamente nei processi secondo lo stato della tecnica, si evita la formazione di schiuma, con conseguente riduzione dei costi di gestione derivanti dall’utilizzo di prodotti antischiuma.

Il flusso gassoso trascina l’ammoniaca, che a mano a mano si separa dal refluo, fuori dal reattore. La corrente gassosa comprendente l’ammoniaca à ̈, quindi, avviata alla successiva fase c) del processo.

Si à ̈ osservato che il processo di riduzione dell’azoto procede più rapidamente quando l’asportazione della fase gassosa à ̈ realizzata generando il flusso gassoso per mezzo di una corrente gassosa immessa anziché ponendo l’interno del reattore in depressione.

Si à ̈ osservato anche che l’estrazione dell’ammoniaca dal refluo à ̈ più rapida in reattori aventi forma tale da realizzare un’ampia superficie di scambio tra il refluo e la corrente gassosa.

Preferenzialmente i reattori sono costituiti da una o più vasche rettangolari a forma stretta e lunga, con entrata del flusso dell’aria ionizzata dal lato lungo.

Il flusso gassoso generato sopra il refluo ed in particolare sul pelo libero del refluo all’interno del reattore, essendo prodotto per mezzo di una corrente gassosa immessa a bassa pressione o ponendo in lieve depressione il reattore, comporta un modesto consumo energetico. Modesto à ̈ anche il consumo energetico per la ionizzazione di detto flusso.

Il processo oggetto della presente invenzione, pertanto, consente di ottenere la rimozione dell’azoto ammoniacale dal refluo a condizioni economicamente favorevoli rispetto ai processi noti allo stato della tecnica. Inoltre, per realizzare il processo secondo la presente invenzione, sono sufficienti mezzi di pompaggio di gas e/o vapori di modeste dimensioni e sistemi di ionizzazione di facile realizzazione o facilmente reperibili sul mercato a costi contenuti.

Per favorire il processo di estrazione dell’azoto dal refluo e diminuire la durata del trattamento, il refluo può essere riscaldato e mantenuto ad una temperatura di circa 50°C, ad esempio, tramite appositi elementi riscaldanti, quali dei serpentini immersi nel corpo del refluo. A questa temperatura si evita sia la formazione di schiuma, dovuta alla decomposizione dei bicarbonati, sia la precipitazione dei carbonati insolubili con conseguente formazione di incrostazioni calcaree sulle pareti del reattore e sui serpentini di riscaldamento. Nel caso dei reflui zootecnici, il riscaldamento può essere particolarmente utile nel periodo invernale dove i reflui raccolti sono ad una temperatura media di 15-20°C, mentre nel periodo estivo la temperatura di 40-50°C del refluo à ̈ facilmente raggiungibile. Inoltre, per effetto dell’aggiunta dell’agente basificante si ha un innalzamento della temperatura di 4-5°C dovuta all’esotermicità della reazione di dissoluzione.

Il processo di estrazione dell’azoto dal refluo secondo la presente invenzione procede ad una velocità accettabile anche in assenza di agitazione del refluo.

Al fine di aumentare ulteriormente la velocità di estrazione, à ̈ comunque utile effettuare un’agitazione intermittente mediante insufflazione del flusso gassoso utilizzato direttamente nel refluo stesso in modo da consentire una maggiore omogeneizzazione della massa o, alternativamente, mediante mezzi di agitazione meccanici, preferibilmente degli agitatori a pale.

L’agitazione può essere ottenuta anche mediante l’applicazione di ultrasuoni al refluo o attraverso il rilancio di una parte del refluo stesso, prelevandolo dal fondo del reattore e re-immettendolo in un secondo punto del reattore, posto al di sopra del battente del refluo, così da creare una turbolenza al suo interno.

Tipicamente, la portata di ricircolo del refluo varia da 0,2 a 3,5 ricircoli/ora, ossia à ̈ tale da ricircolare da 0,2 a 3,5 volte in un’ora il volume del refluo sottoposto a trattamento (ad esempio se il volume del refluo da trattare à ̈ 5000 litri, 2 ricircoli/ora corrispondono ad un volume ricircolato pari a 10.000 litri/ora).

In un’ulteriore forma di realizzazione dell’invenzione, in aggiunta all’effetto dei suddetti ricircoli, il refluo può essere mantenuto in agitazione anche per insufflazione di aria captata dall’esterno.

L’agitazione del refluo secondo le modalità sopra descritte permette di aumentare l’efficacia del processo incrementando la velocità di estrazione dell’ammoniaca.

Al fine di ridurre i consumi energetici complessivi del processo e di limitare le emissioni in atmosfera da esso derivanti, almeno una parte della corrente gassosa uscente dal reattore, una volta depurata dell’ammoniaca nella fase c) (anche solo parzialmente), può essere utilizzata come corrente gassosa immessa nella fase b). Preferibilmente, tutta la corrente gassosa depurata à ̈ riciclata alla fase b) del processo così da realizzare un ciclo chiuso di recupero.

Al termine del processo, il refluo viene scaricato dal reattore e stoccato in serbatoi in attesa di essere destinato allo spandimento su suoli agricoli e/o viene parzialmente utilizzato per pre-basificare del nuovo refluo da trattare. Se il refluo viene sparso sui terreni, può rendersi necessaria una correzione del suo pH al fine di renderne le caratteristiche conformi ai criteri stabiliti dalle normative ambientali in materia.

In una forma di realizzazione preferita dell’invenzione, la fine del trattamento à ̈ determinata in modo automatico per mezzo di un sistema di analisi in continuo che, determinando in continuo la concentrazione dell’azoto ancora presente nel refluo (ad esempio gli ioni ammonio) oppure di quello estratto in fase gassosa (ad esempio ammoniaca gassosa), à ̈ in grado di indicare il livello di riduzione dell’azoto raggiunto dal processo.

Il processo secondo la presente invenzione può essere realizzato in modalità discontinua ossia trattando quantità di refluo predefinite all’interno di un unico reattore sino al termine del processo o in modalità continua. Per il trattamento di reflui zootecnici à ̈ preferibile la versione discontinua, mentre per quelli industriali, civili e percolati à ̈ preferibile la versione continua. In pratica le modalità operative dipendono molto dalla concentrazione dell’ammoniaca nel refluo e dalla portata giornaliera da trattare, nonché dalla concentrazione finale richiesta.

Nella configurazione discontinua (figura 1) il flusso gassoso (aria) viene inviato da un ventilatore al sistema di ionizzazione, generando un flusso gassoso ionizzato, e da qui viene fatto passare con flusso orizzontale sul pelo libero del refluo da trattare. Tipicamente la portata del flusso gassoso ionizzato (aria) inviato varia da 1500 a 2000 Nm<3>/h per ogni m<3>/h di refluo da trattare.

Il sistema di ionizzazione à ̈ costituito da apparecchi disponibili in commercio, preferenzialmente viene utilizzato un sistema costituito da generatori di carica a polarità sia negativa che positiva, con tensione regolabile da 0÷40 KV e 50mA (max) in corrente continua, prodotto dalla Ditta Martignoni Elettrotecnica srl (Vanzaghello-MI).

Il sistema di ionizzazione del flusso gassoso (aria) à ̈ sostanzialmente così costituito: si ha un generatore di cariche (che possono essere negative o positive) che à ̈ un trasformatore in corrente continua ad alta tensione. Dal generatore esce poi il collegamento ad una barra di carica o barra ionizzatrice, barra che à ̈ costituita da una seria di punte metalliche una in fianco all’altra, annegate in una resina isolante con uno speciale circuito elettronico di regolazione che impedisce lo scoccare della scarica elettrica (per esempio quando il flusso d’aria diventa particolarmente conduttivo a causa dell’aumento dell’umidità); sempre in uscita dal generatore vi à ̈ poi la messa a terra che chiude il circuito (nel caso della presente invenzione essa viene collegata al liquido da trattare).

In conclusione si genera una ionizzazione negativa o positiva (a seconda del generatore che si utilizza), mentre la barra à ̈ sempre la stessa, posta a circa 15-20 cm dal pelo del liquido e all’ingresso di dove viene immessa l’aria o flusso gassoso da ionizzare, che (essendo il liquido collegato alla messa a terra del generatore) viene immediatamente ionizzata.

Preferenzialmente vengono utilizzate barre di lunghezza variabile a seconda delle dimensioni del reattore, poste a circa 15-20 cm sul pelo libero del refluo mentre la chiusura del circuito à ̈ stata realizzata direttamente nel liquido stesso; in questo modo, si ottiene un effetto di ionizzazione e di estrazione molto superiore a quello ottenibile utilizzando un contro elettrodo di chiusura del circuito di natura metallica (in pratica si à ̈ visto che tale contro elettrodo di natura metallica à ̈ efficacemente sostituito dall’impiego dello stesso refluo quale “contro elettrodo†).

Il flusso gassoso ionizzato viene diffuso all’interno del reattore immettendo il gas in un canale superiore realizzato praticando un’asolatura sul lato lungo del reattore. Nella parte superiore dell’asolatura per tutta la lunghezza della vasca viene posizionata la barra di carica (si possono realizzare anche barre di lunghezza da 4m). Appena sopra la barra viene realizzata una chiusura della vasca mediante una lastra in materiale plastico (vista la forte tensione utilizzata, tutte le parti del reattore devono essere rigorosamente in materiale plastico) che determina così la formazione di un “canale†di scorrimento dell’aria lungo la larghezza della vasca; dalla parte opposta della vasca (sempre sul lato lungo) à ̈ realizzata un’asolatura di uscita dell’aria esattamente uguale a quella dell’ingresso. La chiusura del circuito (come già detto in precedenza) avviene direttamente sul liquido da trattare in modo da avere un grado di ionizzazione il più elevato possibile, posto a pochi cm dal pelo libero stesso.

Il refluo viene alimentato al reattore che preferenzialmente à ̈ costituto da una vasca rettangolare a forma stretta e lunga, con entrata del flusso dell’aria ionizzata dal lato lungo, in modo da ridurre il più possibile la distanza fra ingresso ed uscita dell’aria e mantenere così una velocità elevata. Inoltre ad intervalli regolari, il refluo viene agitato per un certo tempo, al fine di mantenere l’uniformità della concentrazione dell’ammoniaca.

Nella configurazione continua (figura 2) il processo viene realizzato collegando in serie due o più reattori.

In questo caso il sistema di ionizzazione può essere costituito dalle barre di carica descritte precedentemente poste a pochi centimetri dal pelo libero del refluo. Preferenzialmente viene adottato il sistema a barre di carica.

In pratica su ogni vasca viene posizionata una barra di carica lungo il lato di immissione/ingresso (o passaggio) dell’aria con la chiusura del circuito (anche in questo caso) nel liquido stesso.

La barra di carica si à ̈ rivelata più efficace della rete ed inoltre ha il vantaggio di consentire in entrambi i sistemi di estrazione (continuodiscontinuo), la regolazione mediante un sistema elettronico della reale potenza necessaria in funzione della velocità di estrazione dell’ammoniaca.

Nel processo continuo (figura 2), il refluo viene pompato nella parte superiore di uno speciale reattore a vasche rettangolari sovrapposte. Le vasche contenenti il refluo sono alternate alle vasche di assorbimento dell’ammoniaca contenenti acqua acidulata mediante acidi di diversa natura (organici o inorganici).

La corrente gassosa uscente da una prima vasca, una volta depurata dell’ammoniaca, à ̈ introdotta nella vasca successiva, aumentando la velocità di rimozione dell’azoto dal refluo rispetto a quella del processo condotto in unico reattore (a parità di quantità di refluo trattato) e diminuendo, contemporaneamente, i consumi energetici specifici del processo.

Il numero di vasche e le loro dimensioni sono scelte dall’esperto del ramo in modo tale da ottenere un rapporto “superficie di evaporazione/volume del refluo†ottimale per massimizzare il rendimento di estrazione dell’ammoniaca e minimizzare i costi energetici e di additivi chimici da impiegare, anche in funzione della specifica composizione chimica del refluo.

In Figura 3 à ̈ esemplificata una possibile forma di realizzazione di una vasca per il trattamento del refluo (vasca liquame) e di una vasca per l’assorbimento dell’ammoniaca (vasca assorbimento ammoniaca).

I reattori possono essere costituiti in materiale plastico o composito, acciaio inossidabile, acciaio legato con trattamento anticorrosione oppure cemento armato impermeabilizzato.

Il risparmio energetico e di materia (additivi chimici) consentito dal processo secondo la presente invenzione risulta ancora più evidente se si considera che i processi secondo lo stato della tecnica prevedono l’insufflazione di notevoli masse d’aria pulita nel refluo, le quali devono essere necessariamente depurate prima di potere essere emesse in atmosfera alle condizioni previste dalle normative ambientali, con un costo energetico e di materiali decisamente elevato.

Il recupero dell’ammoniaca gassosa nella fase c) del processo secondo la presente invenzione può essere realizzato con diverse tecniche. Ad esempio la corrente gassosa proveniente dalla fase b) può essere fatta gorgogliare in una soluzione acida (neutralizzazione). In alternativa, la corrente gassosa à ̈ inviata ad una torre di lavaggio (scrubber) che utilizza un’analoga soluzione acida come liquido di lavaggio.

Nel processo discontinuo, il sistema di lavaggio à ̈ costituito (schema figura 1) da una vasca divisa da uno o più settori contenente acqua acidificata con acido e/o miscele di acidi (sia organici che inorganici). La corrente gassosa contenente ammoniaca dopo aver subito un primo lavaggio in un comparto viene inviata ad un secondo comparto per un ulteriore lavaggio. La suddivisione in settori permette di ottenere a seconda dell’acido utilizzato nei diversi comparti, diversi tipi di sali di ammonio come co-prodotto finale.

L’acqua che dopo l’assorbimento dell’ammoniaca presenta un pH compreso tra 7,0 – 7,5, viene inviata ad un serbatoio di raccolta dove il pH viene portato a valori compresi tra 6,0 – 6,5 mediante aggiunta di acidi e nuovamente inviata alla vasca di lavaggio.

In una forma di realizzazione dell’invenzione la corrente gassosa (aria) proveniente dalla fase b) del processo discontinuo, viene immessa perpendicolarmente nel liquido di assorbimento con un battente variabile da 1÷3 cm, in modo da consentire l’intimo contatto con la soluzione acida che ne cattura l’ammoniaca e la neutralizza formando il corrispondente sale d’ammonio, limitando però il più possibile le perdite di carico per evitare di ridurre la portata a valori troppi bassi che arresterebbero il processo.

La diffusione del flusso gassoso (aria) all’interno della soluzione di assorbimento, à ̈ ottenuta distribuendo lungo tutta la larghezza della vasca il flusso mediante dei tubi aventi diametro variabile da 1÷5 cm tali da non generare una riduzione della sezione totale, rispetto al diametro iniziale di immissione (la sezione totale del condotto principale, à ̈ uguale alla somma delle singole sezioni dei tubi di immissione sul liquido).

A seconda delle necessità (e quindi a seconda della lunghezza della vasca di assorbimento) à ̈ possibile realizzare 2 o più lavaggi della corrente gassosa.

In un’altra forma di realizzazione dell’invenzione che riguarda il sistema di estrazione di tipo continuo, le vasche di assorbimento dell’ammoniaca che si sviluppano preferenzialmente in verticale, sono intervallate alle vasche contenenti il refluo da trattare. Le vasche, come evidenziato nello schema di figura 2, possono essere leggermente inclinate in modo opposto l’una rispetto alla successiva. Viene così consentito lo scarico dei sedimenti eventualmente presenti e si evitano ostruzioni dei canali di collegamento tra una vasca e l’altra.

In questo caso il flusso gassoso (aria) viene immesso dal basso nella prima vasca del refluo passando sul pelo libero dello stesso, dove viene ionizzata dalla barra di carica posta a circa 15-20 cm sull’ingresso dell’aria; nella vasca di assorbimento successiva, l’aria uscente dalla prima vasca del refluo viene immessa sul lato lungo parallelamente al liquido di assorbimento (il sistema di diffusione à ̈ praticamente identico al caso discontinuo) e a circa 1÷2 cm sotto il pelo libero, per poi essere raccolta dalla parte opposta della vasca e inviata sulla successiva vasca del refluo, dove viene immessa dal basso per poi passare sul pelo libero dello stesso ed essere infine ionizzata dalla barra di carica, come descritto in precedenza. Il flusso dell’aria dalla vasca del refluo può proseguire verso un’ulteriore vasca di assorbimento sino a completamento dell’estrazione.

Il refluo che come detto viene immesso dall’alto del reattore, scorre verso il basso aiutato anche dalla gravità. E’ ipotizzabile che sia possibile realizzare all’incirca un sistema con 5 vasche di estrazione contenenti il refluo, ciascuna collegata ad una corrispondente vasca di assorbimento.

La differenza tra il sistema continuo e il sistema discontinuo sta nel fatto che operando in modo continuo, l’efficienza della ionizzazione dell’aria à ̈ molto maggiore, in quanto viene generata direttamente sul refluo e quindi non risente della lunghezza del percorso durante il quale si esaurisce l’effetto della ionizzazione.

Secondo la presente invenzione per l’assorbimento dell’ammoniaca à ̈ preferibile utilizzare una soluzione acquosa di un acido inorganico scelto tra acido solforico (H2SO4), fosforico (H3PO4), nitrico (HNO3), carbonico(H2CO3), cloridrico (HCl) e/o loro miscele oppure di un acido organico come ad esempio acido citrico, acetico, solfamico.

La soluzione risultante al termine dell’operazione di recupero dell’ammoniaca (gorgogliato o soluzione di lavaggio satura) à ̈ una soluzione acquosa contenente uno o più sali di ammonio, in funzione della miscela di acidi utilizzati per la neutralizzazione (ad esempio, utilizzando H2SO4si avrà (NH4)2SO4, utilizzando HNO3si avrà NH4NO3, utilizzando H2CO3si otterrà carbonato e/o bicarbonato d’ammonio). La soluzione di sali di ammonio può essere convenientemente impiegata come fertilizzante. Tipicamente, la concentrazione di sale di ammonio varia (a seconda della tipologia di acido utilizzato) da 150 a 350 g/l e la quantità di soluzione ottenibile da 1500 a 2000 litri al giorno, realizzando ad esempio il processo secondo la presente invenzione in un allevamento di 10.000 maiali.

Per recuperare l’ammoniaca nella fase c) à ̈ anche possibile far gorgogliare la corrente gassosa uscente dal reattore in acqua e/o sottoporla a lavaggio in torri di lavaggio ad acqua. Il prodotto di questo recupero à ̈ una soluzione di ammonio idrossido.

Secondo un’ulteriore alternativa, à ̈ possibile condensare l’ammoniaca attraverso sistemi a condensazione (es. torri a condensazione) ottenendo ammoniaca anidra.

È anche possibile prevedere la combustione della corrente gassosa uscente dal reattore e contenente l’ammoniaca. La corrente può essere impiegata sia tal quale sia in miscela con altri combustibili.

Preferibilmente, una frazione di tale corrente à ̈ avviata alla combustione e la frazione rimanente à ̈ utilizzata come reagente per neutralizzare gli ossidi di azoto (NOx) prodotti dalla combustione della prima frazione.

L’ammoniaca recuperata nella fase c) à ̈ altresì possibile sottoporre la corrente gassosa uscente dal reattore ad un processo di dissociazione dell’ammoniaca con formazione di H2e N2, stoccando poi l’H2in modo opportuno, ad esempio utilizzando idonei composti allo stato solido.

Un’ulteriore alternativa per il recupero dell’ammoniaca estratta dal refluo à ̈ quella della liquefazione. Comprimendo la corrente gassosa contenente l’ammoniaca, previa disidratazione ed impiegando idonee condizioni di temperatura e pressione, à ̈ possibile infatti ottenere la separazione dell’ammoniaca in forma liquida.

Per disidratare la corrente gassosa à ̈ utilizzabile CaO oppure MgO e/o le loro miscele solide. Realizzando ad esempio il processo secondo la presente invenzione in un allevamento di 10.000 maiali à ̈ possibile ottenere circa 150÷200 Kg/giorno di ammoniaca liquida.

A differenza della neutralizzazione, il recupero dell’ammoniaca tramite la sua liquefazione permette di ottenere un prodotto di elevato pregio commerciale, decisamente più elevato di quello del fertilizzante liquido e/o dell’idrossido di ammonio, in quanto l’ammoniaca liquida può essere impiegata come materia prima in altri processi industriali.

Il processo secondo la presente invenzione presenta diversi vantaggi rispetto ai processi per la riduzione del contenuto di azoto nei reflui zootecnici noti allo stato della tecnica.

Esso consente, innanzitutto, di ottenere un ulteriore incremento del rendimento globale di estrazione dell’azoto dai reflui. L’ottenimento di reflui trattati contenenti una minore quantità di azoto rende possibile lo spandimento di una maggiore quantità degli stessi su terreni agricoli qualificati come “zone vulnerabili da nitrati†. Tipicamente, in un refluo di origine suina l’azoto ammoniacale ammonta a circa il 50% dell’azoto totale presente.

Inoltre, l’utilizzazione di un flusso d’aria ionizzata a bassa pressione sopra il pelo libero del refluo, rende possibile ottenere velocità più elevate di trattamento del refluo a fronte di contenuti consumi energetici richiesti per generare tale flusso.

Questi vantaggi, unitamente al fatto che la realizzazione dell’apparecchiatura per l’attuazione del processo comporta costi modesti ed il suo esercizio può essere completamente automatizzato, rendono il processo secondo la presente invenzione particolarmente adatto ad essere sfruttato industrialmente nell’ambito degli allevamenti di suini, bovini, pollami ed altri animali.

Possibili forme di attuazione del processo secondo la presente invenzione sono riportate negli schemi di figura 1, 2 e 3, che illustrano rispettivamente il processo di estrazione discontinuo, il processo di estrazione continuo e due esempi di realizzazione delle vasche per il trattamento del refluo e l’assorbimento dell’ammoniaca.

I seguenti esempi di realizzazione sono forniti a mero scopo illustrativo della presente invenzione e non devono essere intesi in senso limitativo dell’ambito di protezione definito dalle accluse rivendicazioni.

Esempio 1

4000 litri di un refluo proveniente da allevamenti suini e contenente 4500 mg/l di azoto in forma ammoniacale, (pari al 68% dell’azoto totale del refluo), corrispondenti ad una quantità totale di 18 Kg di azoto in forma ammoniacale, à ̈ stato trattato per 1,5 ore in un impianto a reattore unico. Al refluo sono stati addizionati 40 kg di una miscela di CaO e MgO in granuli sino a portare il pH ad un valore pari a 11,2. La pressione della corrente gassosa immessa era pari a 5 mbar e la portata pari a 4000 Nm<3>/h.

L’aria immessa dal lato lungo del reattore à ̈ stata ionizzata mediante un generatore elettrostatico (mod.50 mA- 40KV dc della Ditta Martignoni Elettrotecnica srl) e relativa barra ionizzatrice posta sul lato lungo di immissione dell’aria, e con chiusura del circuito sul refluo stesso.

La portata del ricircolo del refluo à ̈ stata fissata a 800 litri/ora. La corrente gassosa contenente l’ammoniaca uscente dal reattore à ̈ stata fatta passare in un sistema di lavaggio a doppio stadio posto sopra la vasca stessa di estrazione, e più precisamente, immessa 2÷3 cm sotto il pelo libero della soluzione acida (avente volume di 500 litri) di H2SO4al 9,14% in peso.

Al termine del trattamento la concentrazione dell’ammonio nel refluo era di circa 300 mg/l; ciò significa che sono stati estratti dal refluo 4200 mg/l di ammonio, i quali hanno dato origine a 500 litri di soluzione al 12,5% in peso di solfato di ammonio.

Claims (17)

1. RIVENDICAZIONI 1. Processo di estrazione dell’azoto ammoniacale da reflui liquidi, comprendente le seguenti fasi operative: a) porre a contatto in un reattore il refluo con un agente basificante; b) generare un flusso gassoso ionizzato sopra il refluo ed in particolare sopra il pelo libero del refluo e trascinare fuori dal reattore una corrente gassosa comprendente ammoniaca; c) recuperare l’ammoniaca dalla corrente gassosa uscente dalla fase b) con formazione di una corrente gassosa depurata.
2. 2. Processo secondo la rivendicazione 1 in cui il flusso gassoso nella fase b) à ̈ generato per mezzo di una corrente gassosa immessa, preferibilmente costituita da uno o più gas e/o vapori scelti nel gruppo comprendente aria, azoto e argon.
3. 3. Processo secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni in cui il flusso gassoso immesso ha una pressione compresa tra -100 e 100 mbar, preferibilmente variabile da -10 a 10 mbar.
4. 4. Processo secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni in cui l’agente basificante à ̈ aggiunto in quantità tale da portare il pH ad un valore variabile da 7,2 a 13, preferibilmente variabile da 10,0 a 13.
5. 5. Processo secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni in cui l’agente basificante à ̈ scelto tra CaO, MgO e/o loro miscele oppure tra soluzioni acquose di Ca(OH)2, Mg(OH)2e/o loro miscele, preferibilmente à ̈ costituito da una miscela CaO/MgO.
6. 6. Processo secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni in cui la corrente gassosa depurata uscente dal reattore nella fase (c) Ã ̈ ricircolata totalmente come corrente gassosa immessa alla fase (b).
7. 7. Processo secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni in cui il refluo à ̈ mantenuto in agitazione nel reattore mediante agitatori a pale, oppure mediante l’applicazione di ultrasuoni, oppure mediante insufflazione del flusso gassoso utilizzato direttamente nel corpo del refluo stesso, oppure mediante insufflazione di aria captata dall’esterno, oppure estraendo una parte di detto refluo dal fondo del reattore e re-immettendola in un secondo punto del reattore al di sopra del battente del refluo.
8. 8. Processo secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni in cui il flusso gassoso ionizzato viene generato da un ventilatore che invia il flusso ad un sistema di ionizzazione.
9. 9. Processo secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni in cui la portata del flusso gassoso ionizzato varia da 1500 a 2000 Nm<3>/h per ogni m<3>/h di refluo da trattare.
10. 10. Processo secondo le rivendicazioni 8 o 9 in cui il sistema di ionizzazione à ̈ costituito da generatori di carica a polarità sia negativa che positiva, con tensione regolabile da 0÷40 KV e 50mA (max) in corrente continua, che trasferiscono la tensione generata alle barre.
11. 11. Processo secondo la rivendicazione 10, in cui le barre del sistema di ionizzazione sono poste a circa 10-20 cm dal pelo libero del refluo mentre la chiusura del circuito viene realizzata direttamente nel liquido stesso.
12. 12. Processo secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni caratterizzato dal fatto che esso à ̈ svolto contemporaneamente in due o più reattori oppure à ̈ realizzato in modalità continua collegando in serie due o più reattori.
13. 13. Processo secondo la rivendicazione 12, in cui la corrente gassosa depurata uscente da un primo reattore à ̈ utilizzata come corrente gassosa immessa nel processo condotto nel reattore successivo.
14. 14. Processo secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni in cui il recupero dell’ammoniaca nella fase c) à ̈ realizzato facendo passare la corrente gassosa proveniente dalla fase b) sul pelo libero di una soluzione acida oppure facendo passare la corrente gassosa proveniente dalla fase b) su un sistema costituito da una vasca divisa da uno o più settori contenente acqua acidificata con acido e/o miscele di acidi, oppure immettendo perpendicolarmente la corrente gassosa proveniente dalla fase b) nell’acqua acidificata con un battente variabile da 1÷3 cm.
15. 15. Processo secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni in cui vengono realizzati due o più processi di recupero dell’ammoniaca.
16. 16. Processo secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni, in cui il recupero dell’ammoniaca nella fase c) à ̈ realizzato facendo gorgogliare la corrente gassosa uscente dalla fase b) in acqua e/o sottoponendola a lavaggio in torri di lavaggio ad acqua, oppure per condensazione della corrente gassosa uscente dalla fase b), oppure per combustione della corrente gassosa uscente dalla fase b), oppure per liquefazione della corrente gassosa uscente dalla fase b, previa disidratazione.
17. 17. Processo secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni in cui parte del refluo trattato à ̈ utilizzato per pre-basificare il refluo da trattare.