ITPC20120008A1 - Metodo ed impianto per il trattamento chimico-fisico di fanghi biologici di depurazione - Google Patents

Description

METODO ED IMPIANTO PER IL TRATTAMENTO CHIMICO-FISICO DI FANGHI

BIOLOGICI DI DEPURAZIONE

DESCRIZIONE

La presente invenzione à ̈ relativa a metodo ed impianto per il trattamento chimico-fisico di fanghi biologici di depurazione. Più in particolare, la presente invenzione à ̈ relativa ad un metodo ed impianto per il trattamento chimico-fisico di fanghi biologici di depurazione finalizzato all’aumento della disidratabilità, alla riduzione della concentrazione di metalli pesanti, composti organici inquinanti ed alla eliminazione degli organismi patogeni.

Come noto, i fanghi biologici di depurazione possono rappresentare un valido contributo all’ammendamento dei terreni ed alla nutrizione delle piante. In tali materiali infatti, oltre alla sostanza organica, sono contenute considerevoli quantità di azoto, fosforo, potassio, calcio e zolfo.

Tuttavia, nei fanghi di depurazione, possono anche essere contenuti inquinanti di varia natura e sostanze indesiderabili derivanti dal trattamento di acque e/o reflui e/o rifiuti liquidi di origine industriale e, quando vi sono contenuti in alte concentrazioni, possono inibire il successivo utilizzo agronomico dei fanghi stessi o dei prodotti ad uso agricolo da essi derivati. Sinteticamente, detti inquinanti sono rappresentati da:

• metalli pesanti;

• composti organici di sintesi;

• batteri patogeni.

Sono noti diversi processi per il trattamento chimico e/o fisico dei fanghi biologici di depurazione volti ad eliminare uno o più degli inquinanti sopra citati, che tuttavia non sono in grado di fornire nel complesso risultati totalmente soddisfacenti anche in vista di un possibile reimpiego dei fanghi trattati e purificati.

Sarebbe pertanto desiderabile avere un processo che fosse in grado di risolvere il problema dalla purificazione dei fanghi biologici in vista di un utilizzo ulteriore dei fanghi purificati. Compito della presente invenzione à ̈ quindi quello di fornire un metodo per il trattamento chimico-fisico di fanghi biologici di acque reflue, atto a ridurre o eliminare la presenza di detti contaminanti.

All’interno di questo compito, uno degli scopi della presente invenzione à ̈ quindi quello di fornire un metodo per il trattamento chimico-fisico di fanghi biologici di acque reflue atto ad aumentare la sostanza secca.

Un ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire un metodo per il trattamento chimico-fisico di fanghi biologici di acque reflue che favorisca il recupero delle sostanze utili attraverso il reimpiego dei fanghi, direttamente in agricoltura o come componenti/precursori di prodotti fertilizzanti.

Ancora uno scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire un impianto per il trattamento chimico-fisico di fanghi biologici di acque reflue che sia atto a mettere in pratica suddetto metodo.

Non ultimo scopo della presente invenzione à ̈ di fornire un metodo e un impianto per il trattamento chimico-fisico di fanghi biologici di acque reflue che offrano garanzie di sicurezza, affidabilità, facilità di manutenzione e che consentano di essere operati a costi competitivi.

Gli scopi sopra menzionati sono raggiunti mediante un metodo per il trattamento chimicofisico di fanghi biologici di depurazione che comprende:

- una prima fase di fluidificazione di detti fanghi sino a ottenere un contenuto di sostanza secca compreso fra 1 % al 20%;

- una seconda fase di abbattimento di composti organici di sintesi contenuti in detti fanghi e di parziale mineralizzazione della sostanza organica;

- una terza fase di acidificazione del prodotto ottenuto in detta seconda fase;

- una quarta fase di filtratura del prodotto ottenuto in detta seconda fase;

- una quinta fase in cui il liquido separato dal fango (“leachate†) nella fase precedentemente viene recuperato introducendolo in apposito serbatoio e riutilizzato per la parte occorrente alla diluizione di altro fango nella prima fase iniziale;

- una sesta fase in cui liquido separato dal fango (“leachate†), dopo essere stato utilizzato per alcuni cicli di diluizione, viene demetallizzato per via elettrochimica e/o chimica;

- una settima fase in cui il “leachate†demetallizzato ottenuto nella fase precedente viene trattato con un comune processo chimico-fisico per la depurazione di acque reflue al fine di poter essere scaricato in pubblica fognatura o corpo idrico superficiale.

Si à ̈ visto che operando con il metodo secondo la presente invenzione à ̈ possibile ridurre o eliminare la presenza dei contaminanti dai fanghi biologici di acque reflue, aumentando la sostanza secca e favorendo al tempo stesso il recupero delle sostanze utili attraverso il reimpiego dei fanghi, direttamente in agricoltura o come componenti/precursori di prodotti fertilizzanti.

Preferibilmente, in detta prima fase, il fango così come comunemente prodotto dagli impianti di disidratazione dei depuratori, viene diluito fino a raggiungere un tenore di sostanza secca compreso fra 5 % al 10%.

In detta seconda fase, il fango fluidificato, viene preferibilmente pompato all’interno di un reattore chimico dove viene effettuata una reazione di Fenton per l’abbattimento dei composti organici di sintesi e la parziale mineralizzazione della sostanza organica secondo quanto descritto nella domanda di brevetto PC2011A000014, dal titolo “Metodo per la preparazione di un precursore di correttivi agricoli e relativo prodotto†, la cui descrizione viene qui incorporata per riferimento.

In pratica, al fango tenuto in agitazione, viene aggiunto acido solforico al 50% fino al raggiungimento di pH compreso fra 3,4 a 4,2. Quindi viene introdotta una soluzione di solfato ferroso ed infine di perossido d’idrogeno. La reazione si completa normalmente in circa 60 minuti.

Preferibilmente detta terza fase viene condotta in un secondo reattore chimico in cui viene scaricato il vango dopo essere stato sottoposto alla reazione di Fenton. In questo modo il reattore della fase precedente à ̈ vuoto e può ricevere altro fango per un nuovo trattamento. In detto secondo reattore quindi aggiunto altro acido solforico al 50% fino ad avere pH 2. Tale pH à ̈ controllato e mantenuto per un tempo definito, con progressive immissioni di acido. A tali condizioni di pH i metalli pesanti contenuti nel fango si trovano in soluzione come ioni e possono essere allontanati mediante separazione della fase liquida che si effettua nella successiva fase.

Nella quarta fase, preferibilmente il fango viene inviato ad una filtropressa e filtrato ad una pressione compresa fra 10 e 15 bar. Il fango disidratato à ̈ trasferito in uno stoccaggio da un nastro trasportatore. Mediante i trattamenti subiti sono state abbattute, nella frazione solida, le concentrazioni di metalli pesanti e di inquinanti organici. Inoltre à ̈ stato sanificato, essendo stati distrutti i batteri patogeni. Si ottiene anche l’aumento della sostanza secca rispetto a quella del fango prima del trattamento fino a tenori compresi fra 50 e 60%. Tale materiale costituisce il precursore di correttivi agricoli di cui alla succitata domanda di brevetto PC2011A000014.

Preferibilmente, nella quinta fase, il liquido separato dal fango (“leachate†) viene recuperato introducendolo in apposito serbatoio e riutilizzato per la parte occorrente alla diluizione di altro fango nella prima fase iniziale.

Dopo alcuni cicli di trattamento la concentrazione di metalli pesanti nel “leachate†à ̈ tale da dover essere abbattuta, preferibilmente attraverso la fase seguente.

Il “leachate†, dopo essere stato utilizzato per alcuni cicli di trattamento, viene pompato dal serbatoio in una cella elettrolitica. Essendo un ottimo conduttore, l’applicazione di corrente continua innalza il pH del liquido. Una parte dei metalli presenti à ̈ precipitata come idrossidi, un’altra parte si deposita al catodo in forma metallica. Il processo di rimozione dei metalli, può essere reso più efficiente aggiungendo al “leachate†, al termine del trattamento elettrochimico, sodio solfuro che ne aumenta la precipitazione. Tali fanghi chimici precipitati, sono rimossi dalla cella elettrolitica e inviati ad un filtro a sacchi. Il liquido che si separa dai sacchi filtranti ed il surnatante presente nella cella sono pompati in un serbatoio per essere sottoposti alla settima fase.

Preferibilmente, nella settima fase, il “leachate†demetallizzato per via elettrochimica e/o chimica, che presenta un pH prossimo alla neutralità e bassissime concentrazioni di metalli pesanti, viene trattato con un comune processo chimico-fisico per la depurazione di acque reflue, non essendo ancora idoneo allo scarico in pubblica fognatura o corpo idrico superficiale. In pratica, mantenuto in agitazione il “leachate†, si porta il pH alla completa neutralità con sodio idrossido o latte di calce, quindi si introduce ferro cloruro come coagulante e un polielettrolita per precipitare i fanghi chimici. I fanghi sono pompati nello stesso filtro a sacchi citato nella sesta fase, il surnatante à ̈ scaricato, previo passaggio su di un filtro a sabbia. L’efficienza della depurazione determinerà la scelta di scaricare in fognatura o in un corso d’acqua.

In un suo ulteriore aspetto, la presente invenzione à ̈ relativa ad un impianto per l’attuazione di un metodo per il trattamento chimico-fisico di fanghi biologici di depurazione come precedentemente descritto, caratterizzato dal fatto di comprendere:

- un miscelatore per la diluizione di detti fanghi;

- un primo reattore per detta seconda fase di abbattimento di composti organici di sintesi contenuti in detti fanghi;

- un secondo reattore per detta terza fase di acidificazione del prodotto ottenuto in detta seconda fase;

- una filtropressa per detta quarta fase di filtratura del prodotto ottenuto in detta terza fase - un terzo serbatoio per la raccolta di detto liquido separato dal fango (“leachate†);

- una cella elettrochimica per detta sesta fase di demetallizzazione di detto liquido separato dal fango (“leachate†);

- un quarto serbatoio per detta settima fase di depurazione;

- un filtro a sabbia per la filtrazione dei fanghi ottenuti dal “leachate†.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno evidenti dalla descrizione della forma di realizzazione preferita, illustrate a titolo esemplificativo e non limitativo nelle allegate figure, in cui:

- la Figura 1 à ̈ una vista prospettica di una forma di realizzazione di un impianto per il trattamento chimico-fisico di fanghi biologici di depurazione secondo la presente invenzione; - la Figura 2 à ̈ una vista in pianta del’impianto di Figura 1;

- la Figura 3 Ã ̈ una rappresentazione schematica di una forma di realizzazione del metodo per il trattamento chimico-fisico di fanghi biologici di depurazione secondo la presente invenzione.

Con riferimento alle allegate figure, segue ora una descrizione di dettaglio di una possibile forma di realizzazione del metodo ed impianto 100 per il trattamento chimico-fisico di fanghi biologici di depurazione secondo la presente invenzione

I tempi e le modalità di trattamento descritte successivamente e relative alle varie fasi, dipendono dalle caratteristiche stesse del fango da trattare. Sarà quindi indispensabile analizzare i fanghi, determinando la percentuale di sostanza secca, di carbonio organico, il tenore di metalli pesanti, di sostanze organiche di sintesi e la carica microbiologica, in modo da poter calibrare il trattamento e le quantità di reattivi, al fine di massimizzarne l’efficienza. FASE 1

Ogni fase del trattamento à ̈ pensata studiata per operare con un materiale fluido. I fanghi biologici di depurazione, così come vengono prodotti dai depuratori, all’uscita delle linee di disidratazione, hanno tenori di secco mediamente compresi fra 15 e 30%. Sono palabili e si prestano quindi ad essere movimentati con pale gommate o benne mordenti, sono pompabili con grandi difficoltà e forti consumi energetici. In tale stato fisico non si prestano a facile miscelazione con reattivi chimici. Risulta quindi necessario fluidificarli per sottoporli al trattamento.

All’inizio del ciclo una dose definita di fango viene posta all’interno di una tramoggia 1 dotata di una coclea di fondo che lo rimescola, mentre una condotta aggiunge acqua. Viene introdotta una quantità d’acqua sino ad ottenere un secco compreso fra 6 e 8%. Con questa densità il fango risulta essere pompabile con pompe monovite o a lobi 10 e può essere successivamente mantenuto in miscelazione con eliche in modo, da ottenere una perfetta interazione con i reattivi chimici liquidi che verranno introdotti.

Il volume iniziale del fango, per la diluizione con acqua, aumenta quindi dalle 3 alle 4 volte, secondo la percentuale di sostanza secca di partenza.

La miscela viene quindi introdotta in un serbatoio attraverso la coclea di fondo della tramoggia, aprendo una saracinesca a baionetta.

FASE 2

Il carico à ̈ completo quando il volume di fango fluido, introdotto, à ̈ circa la metà della capacità geometrica del reattore, costituito da una cisterna 2 in vetroresina di forma cilindrica, posta in orizzontale.

Questo accorgimento à ̈ necessario al fine di garantire nel reattore un tirante d’aria sufficiente a contenere le schiume che si generano in questa fase. La massa introdotta viene mantenuta in lenta agitazione mediante un’elica, mossa da un motore esterno.

All’interno del reattore, nella parte superiore libera dal liquido, sono posizionati degli ugelli che spruzzano acqua, in piccole gocce per l’abbattimento delle schiume, che si formano durante la reazione ossidativa.

All’interno del reattore si svolge la reazione ossidativa dei fanghi con acqua ossigenata e ioni ferro, in coerenza alla succitata domanda di brevetto PC2011A000014 dal titolo “Metodo per la preparazione di un precursore di correttivi agricoli e relativo prodotto†.

Infatti, nel fango di depurazione, oltre alla stabilizzazione chimica, cioà ̈ la denaturazione/idrolisi delle proteine e la riduzione percentuale del Carbonio organico, oggetto della suddetta richiesta di brevetto, avvengono congiuntamente altre utili reazioni.

E’ noto che l’impiego dell’H2O2 (in questo caso contenuta nel serbatoio 14) e ione ferro (in questo caso contenuta nel serbatoio 13) in particolare nelle acque reflue e nei rifiuti liquidi, conosciuto con il nome di processo “Fenton†, sia talora applicato con vantaggio per l’eliminazione o la riduzione di vari inquinanti organici ed inorganici quali: solventi aromatici, acidi formico, tartarico, lattico, propionico, ammine, chetoni, fenoli, pesticidi, cianuri, ipocloriti, ecc.

È applicato con buoni risultati in soluzioni acide (pH compreso nell’intervallo 3-5), ed à ̈ controllato anche dal rapporto Fe2+:H2O2 e dal contenuto in Fe2+.

Le fasi di trattamento di tipo chimico-fisico, trovano ampia applicazione in quei casi in cui il refluo da trattare, sia caratterizzato da un contenuto di sostanze inquinanti prevalentemente di tipo inorganico, od organico difficilmente o non biodegradabile.

Molti metalli hanno speciali proprietà di trasferire l’ossigeno migliorando l’efficacia dell’acqua ossigenata.

Tra questi, il più comune à ̈ il ferro, che, usato in un determinato modo, favorisce la formazione di radicali ossidrilici (OH) altamente reattivi.

Il processo Fenton à ̈ utilizzato per il trattamento di una varietà di reflui industriali, contenenti le più svariate tipologie di composti tossici (fenolo, formaldeide, pesticidi, additivi plastici). Attraverso determinazioni in laboratorio si à ̈ accertato che il processo può essere applicato ai fanghi con i seguenti ulteriori effetti:

• Denaturazione/idrolisi delle proteine

• Riduzione percentuale del contenuto di carbonio organico

• Rottura delle molecole organiche inquinanti;

• Riduzione della tossicità;

• Miglioramento della filtrabilità;

• Riduzione del BOD/COD;

Per ottimizzare i risultati della reazione ossidativa sui fanghi di depurazione allo stato fluido, sono state testate in laboratorio le seguenti condizioni di processo:

• pH ideale allo sviluppo della reazione nei fanghi in un range tra 3 e 5;

• concentrazione del catalizzatore Fe nella miscela (ad esempio come FeSO4);

• concentrazione dell’H2O2

• tempo di reazione

Dalla sperimentazione condotta à ̈ stato compreso che:

• pH: per il trattamento ottimale di un fango biologico allo stato fluido à ̈ necessario mantenere la reazione all’interno di un ristretto range di pH.

• Concentrazione di Fe: la velocità di reazione del processo à ̈ condizionata dalla velocità di formazione dei radicali OH (cioà ̈, concentrazione del catalizzatore ferro). Il radicale ossidrilico à ̈ una delle specie chimiche ossidanti più energiche, secondo solo al fluoro elementare, con un potenziale redox di 2.06. In assenza di ferro non c’à ̈ formazione del radicale ossidrilico e quando, per esempio, H2O2 à ̈ aggiunta al fango, non avvengono riduzioni di rilievo di contaminanti organici. Quando la concentrazione del livello di ferro subisce un aumento, la riduzione dei contaminanti organici à ̈ accelerata fino a raggiungere un punto tale in cui un’ulteriore aggiunta di ferro diventa assolutamente ininfluente.

• Concentrazione di H2O2: gli effetti attesi dalla reazione sui fanghi si verificano solamente in un preciso range di concentrazione di H2O2 nella miscela.

• Tempo di reazione: dipende dal tipo di fango trattato e, ovviamente, dalla concentrazione dei vari reagenti. In condizioni non ottimizzate i tempi di reazione possono variare da pochi minuti a svariate ore. Spesso, osservando le variazioni di colore, si può valutare il progredire della reazione. Generalmente, dopo il trattamento, il refluo di colore scuro si chiarifica, quando la reazione giunge a compimento.

In seguito alle sperimentazioni sono state stabilite le condizioni di trattamento per quanto attiene alla reazione ossidativa che si sviluppa nella Fase 2 a carico di fanghi biologici di depurazione di acque reflue.

Esse sono riassunte nella seguente tabella.

Parametri di processo Condizioni di processo

Sostanza secca in % del fango da sottoporre a

processo ossidativo<Dal 5 % al 10%>

Range di pH da raggiungere con immissione di H2SO4

(fig.2 - f)Da 3,4 a 4,2

Percentuale in peso di ferro (es. FeSO4) da introdurre

nel reattore (fig.2 - 2), in funzione del peso della Da 0,25 % a 0,6%

sostanza secca del fango introdotto

Percentuale in peso di H2O2 a 130 Volumi da

introdurre nel reattore, in funzione del peso della Dal 10 % al 25 %

sostanza secca del fango introdotto (fig.2 - e)

Tempo di reazione Da 30 minuti a 90 minuti

Al termine del trattamento della Fase 2, il fango à ̈ inodore, sono state ridotte le percentuali di eventuali composti organici di sintesi inquinanti, La reazione di Fenton ha denaturato le proteine, parte del carbonio organico à ̈ stato demolito e parte dei metalli pesanti contenuti nel fango sono passati in soluzione a causa del pH basso.

Il fango così trattato viene trasferito in un secondo reattore 3 per il trattamento acido nella successiva Fase 3. Il primo reattore 2 à ̈ quindi vuoto e pronto per un nuovo ciclo di trattamento.

FASE 3

Il reattore 3 dove viene eseguita la Fase 3 à ̈ strutturalmente identico a quello precedente. Viene mantenuto all’interno un tirante d’aria pari a circa metà del volume geometrico del serbatoio ed il fango viene mantenuto in lenta agitazione con un elica mossa da un motore esterno. Dal serbatoio 15 viene quindi aggiunto acido solforico al 50% fino ad un pH ottimale compreso fra 1,5 e 2,2, affinché i metalli pesanti passino dal fango, alla soluzione. Il pH à ̈ controllato e mantenuto per un tempo definito con progressive immissioni di acido, mediante una pompa controllata automaticamente da un pHmetro. Il mantenimento di un preciso range di pH à ̈ una condizione essenziale del processo in quanto, à ̈ stato accertato in laboratorio, che, al di fuori di tale range, non esistono le condizioni chimiche affinché la maggior parte dei metalli pesanti possa passare alla forma ionica e quindi in soluzione.

Parametri di processo Condizioni di processo Range di pH da raggiungere con immissione di H2SO4

al 50%Da 1,5 a 2,2

Tempo di reazione Da 60 minuti a 90 minuti

FASE 4

Al termine della Fase 3 il trattamento chimico del fango à ̈ completo. Le proteine sono denaturate, grandi percentuali di metalli sono passati in soluzione dalla materia organica, sono stati eliminati i batteri patogeni ed à ̈ aumentata la filtrabilità della massa.

Nella Fase 4 viene separata la frazione solida dal liquido di processo per mezzo di un sistema di filtrazione industriale. Tale sistema può essere sia una filtropressa 4, sia una nastropressa, ma realizzata con accorgimenti costruttivi che permettano all’apparato di resistere all’acidità del fango trattato.

Dalle prove di laboratorio si à ̈ appreso che la filtrazione à ̈ ottimizzata quando al fango che grava sui teli di filtraggio à ̈ applicata una pressione compresa fra 10 e 15 bar.

Per quanto attiene alla filtrazione con filtropressa la camera fra i teli, nella quale viene pompato il fango, non deve eccedere i 40 mm.

Parametri di processo Condizioni di processo

Pressione di filtrazione 10 – 15 kg/cm2

Condizionamento del fango Policloruro di Alluminio

Dalle prove sperimentali, in condizioni di trattamento ideali, si à ̈ misurata una percentuale di sostanza secca sul filtrato pari a 57% con una pressione di filtrazione di 14 kg/cm2.

Il materiale filtrato ha quindi un secco molto superiore a quello del fango di partenza e si presta facilmente a successive lavorazioni.

Il materiale filtrato viene quindi inviato tramite un nastro di scarico 11 ad una vasca 12 di accumulo del fango trattato.

La sostanza organica à ̈ stata mineralizzata e stabilizzata dal trattamento con perossido di idrogeno più ioni ferro ed il fango, così trattato, à ̈ il precursore di correttivi agricoli in coerenza alla domanda di brevetto PC2011A000014, dal titolo “Metodo per la preparazione di un precursore di correttivi agricoli e relativo prodotto†.

Detto precursore trova impiego anche per la produzione dei correttivi agricoli di cui: • brevetto n° 0001364037 del 20 Luglio 2009 dal titolo “impianto per la produzione del correttivo agricolo denominato gesso di defecazione†;

• domanda di brevetto PC2010A000024, depositata in data 10/12/2010 dal titolo “Metodo e impianto per la preparazione di correttivi agricoli “.

FASE 5

Il liquido separato dal fango durante la filtrazione (“leachate†) viene raccolto in un terzo serbatoio 5.

Esso contiene i metalli pesanti estratti dal trattamento del fango, ma il pH à ̈ stato mantenuto ad un valore pari a 2 e dunque i metalli si trovano in soluzione ed à ̈ quindi possibile il suo riutilizzo per la diluizione del fango iniziale della prima fase.

Una volta a contatto con il fango fresco del successivo ciclo l’acido solforico residuo reagisce e si consuma, il pH si innalza e una pompa dosatrice si attiva per raggiungere le condizioni di processo descritte nella fase 2. Il riutilizzo del liquido derivante dalla filtrazione può essere effettuato solo per alcuni cicli.

Il loro numero dipende dalla concentrazione di metalli pesanti nel fango di partenza.

Dalle prove di laboratorio si à ̈ compreso che 3 – 4 cicli di riutilizzo sono possibili quando si tratta un fango con medie concentrazioni di metalli (es. Zn< 2500 ppm)

A motivo della disidratazione spinta del materiale nella fase di filtrazione, la differenza di umidità fra fango di partenza e materiale trattato va ad incrementare il liquido circolante e una quantità, pari a questo incremento, sarà depurata e scaricata ad ogni ciclo, dopo aver provveduto alla separazione dei metalli pesanti, come descritto nella seguente fase 6.

FASE 6

In questa fase à ̈ trattato il “leachate†, per separare i metalli pesanti estratti dai fanghi attraverso l’estrazione elettrochimica e precipitazione chimica effettuata con reattivi.

Il “leachate†, dal serbatoio di accumulo 5, viene pompato in una cella elettrolitica 6, realizzata con il fondo tronco piramidale per favorire l’evacuazione dei fanghi elettrodici e dei fanghi chimici di precipitazione. Il basso pH permette la rapida separazione dei metalli tramite l’applicazione alla cella di corrente continua.

Nella cella sono posti da 5 a 10 metri cubi di “leachate†da processare a contatto diretto con due elettrodi piani di circa 1 mq.

Il catodo à ̈ realizzato con una comune lamiera di acciaio al carbonio dello spessore di 5 mm, mentre l’anodo à ̈ realizzato in grafite.

Viene introdotta corrente continua da un raddrizzatore connesso in rete, secondo le condizioni riportate nella tabella seguente.

Parametri di processo Condizioni di processo

Volume di “leachate†in cella Da 5 a 10 mc

Intensità di corrente applicata alla cella Da 0,1 a 0,5 Ampere/dmq

Differenza di potenziale applicata Da 2 a 20 Volt

Materiali elettrodici Anodo in grafite – Catodo in ferro

Tempo di estrazione elettrochimica Da 1 a 2 ore

Controllo del pH con reattivi (CaO, NaOH) per la

precipitazione chimica<Da 7 a 7,5>

Con il passare dei minuti il pH si innalza ed avvengono due fenomeni:

• una parte dei metalli presenti precipita sul fondo della cella sotto forma di idrossidi;

• un’altra parte degli ioni metallici si scarica a contatto del catodo e, in forma metallica, rimane adesa allo stesso o precipita anch’essa.

Se il pH non raggiunge la neutralità con la reazione elettrochimica, possono essere introdotte soluzioni alcaline che favoriscono l’ulteriore precipitazione dei metalli o anche sodio solfuro con medesimo effetto.

I fanghi chimici di fondo sono pompati ad una batteria di sacchi filtranti 19 che trattengono i fanghi addensandoli e drenano il liquido che viene pompato ad una cisterna 7.

Per i sacchi colmi à ̈ previsto lo smaltimento in discarica o un eventuale recupero industriale dei metalli, mentre il liquido separato viene trattato con un sistema di depurazione chimicofisico, per il rispetto dei limiti di legge previsti per lo scarico in fognatura o in corpo idrico superficiale. Il trattamento à ̈ descritto nella fase seguente.

FASE 7

L’ultima fase di trattamento prima dello scarico del “leachate†, à ̈ la depurazione chimicofisica. Nella precedente fase 6, per via elettrochimica e attraverso la precipitazione chimica à ̈ stata abbattuta la concentrazione dei metalli pesanti nel liquido.

Per raggiungere i limiti previsti dalla Legge per lo scarico in corpo idrico superficiale o fognatura à ̈ necessario affinare l’abbattimento attraverso la presente fase 7.

Dalla cella elettrochimica, il “leachate†demetallizzato à ̈ pompato in una cisterna 7 e mantenuto in agitazione attraverso un elica.

Il pH à ̈ ora prossimo alla neutralità e viene corretto ad un pH adeguato al reattivo coagulante che si intende utilizzare. Infatti i vari coagulanti commerciali, sono attivi in specifici range di pH. Utilizzando cloruro ferrico, che ha un campo d’azione piuttosto vasto (4<pH<10), non sarà necessario correggere, mentre, decidendo di utilizzare il cloruro di zinco, che à ̈ attivo in un campo di pH molto ristretto (7,8<pH<8,5), sarà necessario effettuare un dosaggio di precisione.

L’agente alcalino per la neutralizzazione à ̈ convenientemente contenuto in un serbatoio 17. Mantenendo in lenta agitazione il “leachate†, si introduce il coagulante dal serbatoio 16, si attendono 15 minuti, quindi si aggiunge il polielettrolita dal serbatoio 18 per migliorare le caratteristiche di sedimentabilità dei fanghi.

Prima di iniziare la depurazione à ̈ necessario verificare il dosaggio del coagulante e del polielettrolita con un apposito test di laboratorio (Jar Test), che definisce condizioni ideali e quantità di reattivi da introdurre, al fine di ottenere la migliore precipitazione possibile e la depurazione più efficiente.

Dal serbatoio 7 ove si à ̈ effettuata la reazione, il liquido à ̈ infine pompato in un sedimentatore a gravità 8. Il surnatante liquido, si separa e fluisce in un filtro a sabbia 9 per la separazione di eventuali schiume o materiali galleggianti ancora presenti ed infine scaricato, ad esempio in un pozzetto di scarico 20.

L’efficienza della depurazione determinerà la scelta di scaricare in fognatura o in un corso d’acqua. Nel cono di fondo del sedimentato resi concentrano i fanghi di precipitazione chimica che sono allontanati pompandoli nei filtri a sacchi 19 precedentemente descritti.

La depurazione finale del “leachate†avviene secondo le condizioni riportate nella tabella seguente.

Parametri di processo Condizioni di processo

Volume di “leachate†in cella Da 5 a 10 mc

Controllo del pH con reattivi (FeCl3; ZnCl2; ecc.) per la pH variabile in funzione del preparazione della coagulazione coagulante da immettere.

Agitazione moderata Sequenza di introduzione reattivi: Introduzione di coagulante e polielettrolita coagulante

attesa per 2 minuti polielettrolita

Tempo di reazione di coagulazione 15 minuti

Verifica delle condizioni mediante Tutti i parametri

Jar Test

PROVE SPERIMENTALI

Le seguenti prove sono state svolte con lo scopo di mettere a punto un trattamento chimico efficace nell’abbattere il contenuto in metalli pesanti dei fanghi di depurazione e nell’aumentare la capacità del fango di perdere acqua innalzando quindi la quota di sostanza secca.

Le caratteristiche del fango che à ̈ stato sottoposto ai trattamenti, sono mostrate nella seguente tabella:

s.s. 105°C Zn Ni Cd Pb Cu Cr

% mg/Kg s.s mg/Kg s.s mg/Kg s.s mg/Kg s.s mg/Kg s.s mg/Kg s.s 21,7 1175,61 76,26 3,69 94,01 682,97 149,69

Il fango così caratterizzato à ̈ stato diluito con acqua fino ad un valore di sostanza secca pari al 7%.

La miscela ottenuta à ̈ stata sottoposta a due tipologie di trattamenti che hanno attaccato il fango con H2SO4 e H2O2.

Il primo trattamento ha previsto l’acidificazione della soluzione per acido solforico al 50% fino a pH = 4, mentre nel secondo si à ̈ invece raggiunto il pH 2.

Entrambi i trattamenti prevedono aggiunte crescenti di acqua ossigenata al 40% m/v, nelle percentuali del 2%, 5% e 10% sulla massa iniziale di fango trattato.

Riassumendo, le prove sono state effettuate secondo le tesi esposte nella seguente tabella:

<pH 4>pH 4 pH 4<pH 2 2%>pH 2 pH 2 pH 4

2% H2O25% HpH 2

2O210% H2O2 H2O25% H2O210% H2O2Per ogni tesi sono stati analizzati i metalli rimasti nel fango, in seguito alla disidratazione effettuata su filtro a vuoto, seguita da pressatura ad una pressione di 14 kg/cm2, dopo aver collocato il campione fra due teli drenanti.

L’efficacia del trattamento à ̈ stata valutata anche in funzione del tempo.

Le analisi infatti sono state eseguite su aliquote di campione prelevate dopo 1 ora di trattamento, dopo 3 ore di trattamento, dopo 12 e 24 ore di trattamento.

I risultati, riassunti nella griglia sottostante, confermano le ipotesi di partenza, cioà ̈ che l’ambiente acido favorisce la solubilizzazione dei metalli e che l’acqua ossigenata promuove tale processo.

I valori tabellari sono da considerarsi percentuali di demetallizzazione (per esempio “-15†indica che il fango ha perso il 15% della concentrazione di metallo che aveva prima del trattamento).

Zn (%) Ni (%) Cd (%) Pb (%) Cu (%) Cr (%) pH 4 1 h 5,79 2,66 -15,35 1,45 1,55 6,46 pH 4 3 h 6,22 1,24 -13,87 3,71 1,56 3,17 pH 4 12 h 1,81 -0,57 -10,91 -0,50 0,01 1,69 pH 4 24 h -3,03 -6,47 -17,49 -5,45 -6,76 -3,75

Zn (%) Ni (%) Cd (%) Pb (%) Cu (%) Cr (%) pH 4 2% H2O2+ 1 h -5,05 -9,01 -9,66 2,29 -0,47 -0,53 pH 4 2% H2O2+ 3 h -2,02 -3,32 -7,01 -1,52 -3,50 -5,84 pH 4 2% H2O2+ 12 h -2,00 -0,10 -6,45 -3,79 -4,27 -0,26 pH 4 2% H2O2+ 24 h -4,38 -4,31 -15,27 -6,30 -4,21 -4,54

Zn (%) Ni (%) Cd (%) Pb (%) Cu (%) Cr (%) pH 4 5% H2O2+ 1 h -7,86 -6,79 -7,07 1,15 -2,55 0,52 pH 4 5% H2O2+ 3 h -8,12 -8,21 -5,44 -2,42 0,65 -3,37 pH 4 5% H2O2+ 12 h -7,11 -8,19 -3,92 -0,88 -1,00 -4,67 pH 4 5% H2O2+ 24 h -11,49 -7,08 -8,05 -7,00 -6,45 -2,56

Zn (%) Ni (%) Cd (%) Pb (%) Cu (%) Cr (%) pH 4 10% H2O2+ 1 h -46,70 -19,06 -6,76 -9,59 -8,68 -6,42 pH 4 10% H2O2+ 3 h -43,18 -17,66 -6,94 -8,98 -7,82 -1,13 pH 4 10% H2O2+12 h -44,91 -22,64 -5,57 -6,36 -7,27 -8,02 pH 4 10% H2O2+24 h -43,58 -16,94 -6,88 -7,32 -7,46 -3,28

Zn (%) Ni (%) Cd (%) Pb (%) Cu (%) Cr (%) pH 2 1 h -8,10 -13,77 -25,44 -1,03 -9,87 -14,25 pH 2 3 h -13,72 -17,14 -24,32 -6,14 -9,33 -14,07 pH 2 12 h -16,53 -19,83 -22,93 -1,94 -5,86 -8,88 pH 2 24 h -17,78 -22,99 -30,97 -19,98 -23,02 -19,40

Zn (%) Ni (%) Cd (%) Pb (%) Cu (%) Cr (%) pH 2 2% H2O2+ 1 h -36,97 -23,61 -18,79 0,44 -0,44 -6,57 pH 2 2% H2O2+ 3 h -41,03 -26,26 -21,70 3,25 -1,41 -8,45 pH 2 2% H2O2+ 12 h -44,81 -25,94 -21,78 0,31 -4,64 -9,34 pH 2 2% H2O2+ 24 h -48,37 -27,90 -25,32 -2,09 -8,24 -12,32

Zn (%) Ni (%) Cd (%) Pb (%) Cu (%) Cr (%) pH 2 5% H2O2+ 1 h -62,04 -28,49 -12,39 0,20 -28,46 -9,19 pH 2 5% H2O2+ 3 h -57,77 -29,32 -8,98 3,13 -23,46 -10,67 pH 2 5% H2O2+ 12 h -64,04 -31,42 -18,39 1,68 -19,97 -10,38 pH 2 5% H2O2+ 24 h -64,36 -30,50 -21,66 -2,13 -17,69 -9,94

Zn (%) Ni (%) Cd (%) Pb (%) Cu (%) Cr (%) pH 2 10% H2O2+ 1h -68,55 -29,67 0,01 -3,71 -52,58 -12,82 pH 2 10% H2O2+ 3 h -65,64 -29,41 -6,37 -5,12 -52,72 -11,33 pH 2 10% H2O2+12 h -67,61 -33,11 -11,61 -3,47 -54,18 -17,10 pH 2 10% H2O2+24h -64,60 -32,28 -12,22 -5,53 -52,25 -15,98

Il trattamento a pH 2 si à ̈ dimostrato particolarmente efficace per la demetallizzazione, e la riduzione più importante à ̈ stata ottenuta con la dose massima di acqua ossigenata.

Le condizioni acide ed ossidanti della soluzione hanno permesso infatti la rimozione del 65.64% di Zinco, del 29.41% di Nichel, del 6.37% di Cadmio, del 5.12% di Piombo, del 52.72% di Rame e dell’11.33% di Cromo, già entro le 3 ore di trattamento.

L’analisi dei risultati da un punto di vista di reale fattibilità pratica ed economica ha portato a prediligere il trattamento a pH 2 5% di acqua ossigenata, meno aggressivo ma comunque efficiente.

Si à ̈ deciso quindi di approfondire l’effetto di queste condizioni sperimentali sui metalli e sul tenore di sostanza secca raggiunto dal fango trattato in seguito a pressatura. La prova à ̈ stata svolta utilizzando il medesimo fango e seguendo la metodica illustrata, ma solo sul trattamento a pH 2 5% di acqua ossigenata, con tempi di trattamento di 1 ora e 3 ore. Un tempo massimo di 3 ore à ̈ stato considerato sufficiente per ottenere risultati idonei.

Nella tabella sottostante sono riportati i valori di sostanza secca raggiunti dal fango trattato (pH 2 5% H2O2) dopo pressatura e le percentuali di demetallizzazione.

Zn (%) Ni (%) Cd (%) Pb (%) Cu (%) Cr (%)<s.s. 105°C>(%)pH 2 5% H2O2

+ 1 ora-80,99 -62,84 -15,50 -4,90 -35,31 -10,55 57,32 pH 2 5% H2O2

+ 3 ore-77,19 -63,11 -19,75 -4,96 -21,35 -9,52 57,84

La percentuale di sostanza secca riportata in tabella à ̈ il valore medio tra 10 replicati effettuati della stessa prova, per quanto riguarda le percentuali di demetallizzazione rappresentano il valore medio calcolato tra 5 replicati.

Il trattamento scelto permette di ottenere un prodotto con contenuto in metalli decisamente inferiori, rispetto allo stesso fango non trattato, per quanto riguarda Zn, Ni e Cu, mentre Cd, Pb e Cr rispondono al trattamento con una diminuzione meno evidente.

E’ importante invece sottolineare l’effetto del trattamento sul tenore in sostanza secca.

Il fango non trattato, dopo pressatura, raggiunge una percentuale di secco del 26.80% (media tra 10 replicati), il trattamento consente di eliminare una maggiore quantità d’acqua dal fango portandolo ad un secco superiore al 57% .

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Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un metodo per il trattamento chimico-fisico di fanghi biologici di depurazione caratterizzato dal fatto di comprendere: - una prima fase di fluidificazione di detti fanghi sino a ottenere un contenuto di sostanza secca compreso fra 1 % al 20%; - una seconda fase di abbattimento di composti organici di sintesi contenuti in detti fanghi e di parziale mineralizzazione della sostanza organica; - una terza fase di acidificazione del prodotto ottenuto in detta seconda fase; - una quarta fase di filtratura del prodotto ottenuto in detta terza fase; - una quinta fase in cui il liquido separato dal fango (“leachate†) nella fase precedentemente viene recuperato introducendolo in apposito serbatoio e riutilizzato per la parte occorrente alla diluizione di altro fango nella prima fase iniziale; - una sesta fase in cui liquido separato dal fango (“leachate†), dopo essere stato utilizzato per alcuni cicli di diluizione, viene demetallizzato per via elettrochimica e/o chimica; - una settima fase in cui il “leachate†demetallizzato ottenuto nella fase precedente viene trattato con un comune processo chimico-fisico per la depurazione di acque reflue.
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che in detta prima fase, detti fanghi sono diluiti fino a raggiungere un tenore di sostanza secca compreso fra 5 % al 10%.
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che in detta seconda fase il fango fluidificato viene pompato all’interno di un primo reattore chimico e ad esso viene aggiunto acido solforico fino al raggiungimento di pH compreso fra 3,4 a 4,2, quindi una soluzione di solfato ferroso ed infine di perossido d’idrogeno.
4. 4. Metodo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che in detta terza fase il fango ottenuto dalla fase precedente viene introdotto in un secondo reattore chimico cui viene aggiunto acido solforico fino ad avere pH 2, controllando e mantenendo tale pH per un tempo definito.
5. 5. Metodo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il fango ottenuto da detta quarta fase viene inviato ad una filtropressa e filtrato ad una pressione compresa fra 10 e 15 bar, trasferendo successivamente il fango disidratato così ottenuto in uno stoccaggio tramite un nastro trasportatore.
6. 6. Metodo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il liquido separato dal fango (“leachate†) viene recuperato introducendolo in un terzo serbatoio e riutilizzato per la parte occorrente alla diluizione di altro fango nella prima fase iniziale.
7. 7. Metodo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che, in detta sesta fase, il “leachate†, dopo essere stato utilizzato per alcuni cicli di trattamento, viene pompato da detto terzo serbatoio in una cella elettrolitica e sottoposto a trattamento elettrochimico di demetallizzazione.
8. 8. Metodo secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che al termine di detto trattamento elettrochimico, detto “leachate†viene trattato con sodio solfuro.
9. 9. Metodo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che, in detta settima fase il pH del “leachate†viene portato alla completa neutralità con sodio idrossido o latte di calce, introducendo quindi ferro cloruro come coagulante e un polielettrolita per precipitare i fanghi chimici.
10. 10. Impianto (100) per l’attuazione di un metodo per il trattamento chimico-fisico di fanghi biologici di depurazione secondo una o più delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto di comprendere: - un miscelatore (1) per la diluizione di detti fanghi; - un primo reattore (2) per detta seconda fase di abbattimento di composti organici di sintesi contenuti in detti fanghi; - un secondo reattore (3) per detta terza fase di acidificazione del prodotto ottenuto in detta seconda fase; - una filtropressa (4) per detta quarta fase di filtratura del prodotto ottenuto in detta terza fase - un terzo serbatoio (5) per la raccolta di detto liquido separato dal fango (“leachate†); - una cella elettrochimica (7) per detta sesta fase di demetallizzazione di detto liquido separato dal fango (“leachate†); - un quarto serbatoio (8) per detta settima fase di depurazione; - un filtro a sabbia (9) per la filtrazione dei fanghi ottenuti dal “leachate†.