ITTO20080275A1 - Processo ed impianto di depurazione di biogas da discarica mediante sistema biofiltrante, e biofiltro per la depurazione di biogas da discarica. - Google Patents

Description

Descrizione del Brevetto per Invenzione Industriale avente per titolo "Processo ed impianto di depurazione di biogas da discarica mediante sistema biofiltrante, e biofiltro per la depurazione di biogas da discarica",

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un processo di depurazione dei biogas prodotti nei corpi di discarica mediante sistema biofiltrante.

La presente invenzione si riferisce inoltre ad un impianto comprendente almeno un biofiltro utilizzato per la depurazione di detti biogas.

La presente invenzione si riferisce infine ad un biofiltro utilizzato per la depurazione di detti biogas.

I biogas che si sviluppano nelle discariche per rifiuti solidi urbani (RSU) vengono normalmente captati da una rete di raccolta.

Inizialmente, il biogas viene prodotto in quantità e concentrazioni di contaminanti combustibili tali da poter essere utilizzato per la produzione di energia elettrica; successivamente, diminuendone la concentrazione, il biogas da discarica viene ossidato in fiamma; nella fase finale, verificandosi un ulteriore calo di produzione, il biogas da discarica non è più nemmeno in grado di tenere accesa la fiamma e, abitualmente, viene rilasciato all’atmosfera.

La depurazione dei biogas prodotti nei corpi di discarica, ed in particolare dei biogas che risultano insufficienti, per quantità e/o concentrazioni di contaminanti combustibili, per essere utilizzati per la produzione di energia elettrica od abbattuti mediante fiamma libera, è un problema noto nel settore tecnico di riferimento nonché ampiamente descritto in letteratura.

I biogas sviluppati nell’ultima fase, come anzidetto, sono generalmente “poveri” in quanto caratterizzati da una concentrazione di CH4inferiore al 15% v/v; esistono studi che considerano l’opportunità del loro abbattimento mediante biofiltrazione prima del rilascio definitivo all’atmosfera.

Secondo gli studi condotti da Cuhls et al. (2002), la degradabilità del CH4mediante biofiltrazione è fortemente limitata da carenze di ossigeno od eccessi di umidità.

Una sperimentazione condotta con un biofiltro riempito di argilla espansa (Gebert et al. , 2003) evidenzia la dipendenza della degradazione del CH4dalla temperatura, con un optimum di efficienza a 37 °C; il contenuto d’acqua non sembra essere un fattore limitante, mentre sono da considerare tali la salinità ed il pH.

Streese et al. (2003) propongono un dimensionamento dei biofiltri asserviti a discariche di molto superiore rispetto a quello indicato per il trattamento degli odori, a parità di flusso. Nel loro lavoro, segnalando l’inadeguatezza dei biofiltri tradizionali composti da legno cippato o compost, hanno provato una miscela equipartita di legno cippato, compost e torba ed una disposizione stratificata di strati di compost intramezzati da strati di legno cippato; in particolare, la miscela è stata testata sia in laboratorio che su una discarica chiusa, miscelando il biogas con aria ambiente fino ad ottenere un contenuto di CH4dello 0,2 – 2,5% e con un dimensionamento del biofiltro pari a circa 5 m<3>/(h/m<3>). I risultati confermano l’inefficienza della torba ed indicano che l’efficienza di rimozione del compost, fino a circa 70 g/(m<3>/h) in funzione della concentrazione di CH4, sono superiori sia alla miscela legno/compost/torba sia alla disposizione stratificata compost/legno. Inoltre, la miscela legno/compost/torba dimostra di essere il miglior materiale su lungo periodo (fino a 350 giorni) grazie ad una minor sensibilità nei confronti delle sostanze cellulari extra-polimeriche (EPS), che sono formate dai batteri metanotrofi e che tendono ad intasare il substrato. Lo studio evidenzia anche che il biofiltro a compost presenta un potenziale di ossidazione più elevato del biofiltro a materiale misto, ma ha un trasferimento di massa più inefficiente, la prestazione del secondo risultando pertanto complessivamente migliore. Tra i problemi emersi nel corso di questo studio, uno dei più significativi è costituito dal disseccamento delle matrici filtranti, dovuto al riscaldamento da ossidazione del CH4(fino a circa 50 °C) non compensato da elevati flussi d’aria.

La letteratura tecnica di settore cita anche la possibilità di utilizzare biofiltri operanti con ventilazione passiva creata dalla differenza di pressione tra corpo di discarica ed ambiente esterno; tuttavia, questa soluzione presenta degli inconvenienti legati all’irregolarità del flusso (Straka et al., 1999; Gebert et al., 2001) ed al prelievo di ossigeno dalla superficie in controcorrente rispetto al flusso di biogas.

Sussiste ancora, pertanto, il bisogno di individuare una soluzione per il trattamento biologico dei biogas “poveri” estratti da discariche che superi gli inconvenienti sopra descritti e che tenga in considerazione la tipologia di matrice filtrante, la necessità di diluizione del biogas con aria ambiente, il dimensionamento del biofiltro, l’influenza della temperatura, l’esplosività del CH4, la formazione di EPS ed i possibili problemi causati da altri contaminanti, come H2S.

Il Richiedente ha individuato (i) un processo di depurazione dei biogas prodotti nei corpi di discarica mediante sistema biofiltrante, (ii) un impianto comprendente almeno un biofiltro utilizzato per la depurazione di detti biogas, e (iii) un biofiltro utilizzato per la depurazione di detti biogas, che superano gli inconvenienti sopra descritti grazie alla previsione di un telo di copertura semipermeabile ad azione filtrante posto su detto almeno un biofiltro.

Una forma di realizzazione preferita dell’impianto comprendente almeno un biofiltro nonché del biofiltro secondo l’invenzione verrà ora descritta con riferimento alle seguenti figure, fornite a titolo di esempio non limitativo, in cui:

- la FIG. 1 è una rappresentazione schematica dell’impianto di trattamento dei biogas comprendente almeno un biofiltro secondo l’invenzione;

- la FIG. 2 è una vista prospettica di un biofiltro, privo del telo di copertura semipermeabile, secondo l’invenzione;

- la FIG. 3 è una vista prospettica dell’impianto di trattamento dei biogas illustrante il sistema di adduzione del biogas ai biofiltri secondo l’invenzione;

- la FIG. 4 è una vista prospettica dell’impianto di FIG. 3 illustrante i biofiltri, dotati del telo di copertura semipermeabile, secondo l’invenzione;

- la FIG. 5 è una rappresentazione schematica del layout dell’impianto sperimentale di trattamento dei biogas secondo l’invenzione; e

- le FIGG. 6a, 6b, 6c e 6d sono grafici rappresentanti l’evoluzione dei profili di temperatura rilevati a due differenti profondità nella matrice biofiltrante rispettivamente nel primo, nel secondo nel terzo e nel quarto biofiltro del sistema biofiltrante nell’impianto sperimentale. Con riferimento alla FIG. 1, è visibile un impianto di trattamento dei biogas comprendente almeno un biofiltro 1 secondo l’invenzione.

Detto almeno un biofiltro 1 è preferibilmente costituito da un modulo biofiltrante scarrabile, come illustrato in FIG. 2.

Preferibilmente, detto modulo biofiltrante scarrabile è realizzato in acciaio, più preferibilmente in acciaio COR-TEN; di preferenza, detto modulo presenta dimensioni pari a 6,5 m x 2,5 m x 2,7 m, pari ad un volume interno utile di circa 25 m<3>.

Detto biofiltro 1 comprende una camera di calma, o plenum, (non mostrata) posizionata sulla sua parte inferiore; in detta camera viene insufflato il gas da depurare 4, preferibilmente attraverso ingressi laterali 9, come illustrato in FIG. 3.

Tornando alla FIG. 1, si osserva che, in base alle esigenze dell’applicazione, l’impianto comprendente l’almeno un biofiltro 1 può essere dotato di un dispositivo di prediluizione, o miscelatore, 2 del biogas da trattare 4 con aria ambiente 5, al fine di formare una miscela 6 in cui la concentrazione di metano in ingresso a detto biofiltro 1 risulta indicativamente entro il limite del 3%; detti biogas 4 vengono alimentati a detto miscelatore 2 preferibilmente attraverso un ventilatore 3, e detta miscela biogas/aria 6 viene quindi inviata al biofiltro 1, che ne effettua la depurazione e da cui fuoriesce aria depurata 7.

Al di sopra del plenum e da esso separata tramite una pavimentazione forata (non mostrata), viene deposta la matrice biofiltrante (non mostrata).

Detta matrice biofiltrante è preferibilmente formata da una miscela precostituita, comprendente sovvallo ligno-cellulosico preattivato proveniente da impianti di compostaggio, compost e torba.

Detta matrice biofiltrante occupa preferibilmente un volume pari a circa 22 m<3>, ciò comportando una capacità di trattamento di circa 100 m<3>/h di detta miscela biogas/aria 6 nel limite di concentrazione di metano sopra indicato.

Detta matrice biofiltrante può essere periodicamente umidificata, ad esempio con acqua preferibilmente proveniente da un sistema di ugelli 8, preferibilmente ad apertura temporizzata, installati al di sopra della superficie di detta matrice biofiltrante, come illustrato nella FIG. 2; la frequenza e l’intensità della bagnatura possono essere stabilite e modificate in funzione delle esigenze dell’applicazione specifica.

L’attività del materiale biofiltrante può essere monitorata attraverso la misura di parametri quali temperatura ed umidità relativa del biogas in ingresso e della matrice biofiltrante, concentrazione del metano in ingresso al sistema ed in uscita dalla matrice biofiltrante, portata di biogas e di aria di miscelazione.

Facendo ora riferimento alla FIG. 4, si osserva, in particolare, una batteria di biofiltri 1 caricati con le miscele di matrici biologicamente descritte in precedenza ed ai quali è applicato, al di sopra di detta matrice, un telo di copertura semipermeabile ad azione filtrante 10.

Preferibilmente, detto telo 10 è posizionato al di sopra di detto sistema di ugelli 8.

Detto telo 10 è realizzato in un tessuto sintetico dalle alte capacità sia impermeabili che traspiranti; preferibilmente detto tessuto sintetico è composto da politetrafluoroetilene (PTFE) espanso termomeccanicamente.

Detto tessuto presenta circa 9 miliardi di microscopici fori per pollice quadrato; ciascun foro è circa 20.000 volte più piccolo di una goccia d'acqua, ma permette il passaggio del vapore acqueo prodotto dall’evaporazione, rendendo il tessuto traspirante.

Il Richiedente ha sorprendentemente scoperto che l’impiego di detto telo 10 consente di effettuare un’ulteriore filtrazione dei biogas, ciò determinando un miglioramento complessivo dell’efficienza dell’impianto.

Il Richiedente ha verificato sperimentalmente la validità della presente invenzione, attività sperimentale che verrà ora illustrata con riferimento alle FIGG. 5 e 6.

Le attività sperimentali eseguite hanno previsto, oltre alle attività manutentive atte al mantenimento delle ottimali condizioni di lavoro dei biofiltri, anche il monitoraggio dei principali parametri operativi, quali portate e temperature del biogas, temperature e stato di colonizzazione microbica della matrice biofiltrante, concentrazione di metano a monte e a valle del sistema biofiltrante.

L’impianto sperimentale, illustrato in FIG. 5, comprendeva una batteria di quattro biofiltri 1 secondo la presente invenzione, caricati con opportune miscele di matrici biologicamente attive, un sistema di linee di adduzione del biogas 9 ed un sistema di rilevazione/monitoraggio/regolazione 11 dei principali parametri operativi collegato a detti biofiltri 1.

Il biogas inviato all’impianto sperimentale presentava una concentrazione di metano mediamente inferiore al 15% v/v ed una portata media totale pari a circa 400 m<3>/h.

Durante la prima fase dell’attività sperimentale tre biofiltri sono stati lasciati scoperti mentre al quarto è stato applicato un telo di copertura semipermeabile ad azione filtrante; tale telo di copertura veniva applicato anche ai primi tre biofiltri nella seconda fase dell’attività sperimentale, ciò consentendo ad aumentare le portate di biogas fornite a ciascun biofiltro.

Durante la sperimentazione, il monitoraggio in continuo delle condizioni operative dell’impianto ha evidenziato che la percentuale media di metano in uscita dall’impianto si attestava su valori compresi nell’intervallo 6% - 9% v/v, con una riduzione media del 9% - 6% v/v rispetto al contenuto in ingresso all’impianto.

La verifica del corretto funzionamento del sistema biofiltrante, oltre che con la stima dell’efficienza di abbattimento del metano, è stata condotta mediante misurazioni periodiche delle temperature dei biofiltri, precisamente delle matrici biofiltranti, a due differenti profondità, di 30 cm e 100 cm rispettivamente; l’evoluzione dei profili di temperatura rilevati a dette due differenti profondità, rispettivamente nel primo, nel secondo nel terzo e nel quarto biofiltro del sistema biofiltrante nell’impianto sperimentale, è illustrata nelle FIGG. 6a, 6b, 6c e 6d.

Tutti i biofiltri componenti l’impianto sperimentale evidenziano andamenti simili delle temperature, in diminuzione nel periodo invernale ed in ripresa a partire dal mese di marzo; in particolare, si è osservato che la presenza del telo di copertura semipermeabile ha comportato, nei mesi invernali, il mantenimento di temperature mediamente elevate, grazie alla miglior conservazione dell’umidità ed anche del calore effluente dalla matrice biofiltrante.

Le temperature rilevate a 30 cm di profondità hanno sempre mostrato valori superiori rispetto a quelle rilevate a 100 cm di profondità; si ritiene, senza voler essere vincolati da questa ipotesi, che esista una maggiore attività microbica nella porzione superiore della matrice biofiltrante, dovuta al contributo dell’aria ambiente nello scambio di gas, quali O2e CO2, con il materiale biologicamente attivo.

Inoltre, la verifica del corretto funzionamento del sistema biofiltrante è stata condotta mediante misurazioni periodiche dello stato di colonizzazione microbica delle matrici; più precisamente, sono state determinate sia l’evoluzione quantitativa del consorzio microbico espresso come “carica batterica totale” che l’evoluzione quantitativa del consorzio microbico espresso come “carica micetica totale”. Per quanto riguarda la colonizzazione microbica, da un punto di vista sia della carica batterica che della carica micetica, non si sono riscontrati sintomi di avvelenamento della matrice biofiltrante causate dal biogas sottoposto a trattamento; l’evoluzione della consistenza delle popolazioni microbiche sembra indicare una selezione a favore della componente batterica, di cui fanno parte i microrganismi metanotrofi.

I dati rilevati hanno anche dimostrato la validità dell’applicazione del telo semipermeabile mentre, al contrario, l’uso di un telo totalmente impermeabile avrebbe portato all’estinzione delle colonie microbiche nella matrice biologicamente attiva.

Infine, sono state effettuate delle analisi sul percolato prodotto dai biofiltri dell’impianto sperimentale, che hanno dimostrato una bassissima presenza di inquinanti.

Sulla base delle misurazioni effettuate, è stato possibile individuare una relazione tra le portate di biogas alimentate ai biofiltri e la capacità di degradazione del metano contenuto nel biogas; da dette misurazioni si evince la diretta correlazione tra le portate di biogas fornite al sistema biofiltrante e, rispettivamente, il metano degradato e l’efficienza di abbattimento.

Inoltre, considerando i risultati medi relativi ai quattro biofiltri dell’impianto sperimentale, si osserva una leggera diminuzione dell’efficienza di abbattimento del metano passando da portate di biogas più basse a quelle più elevate, come risulta dalla tabella sottostante:

Dalla sperimentazione condotta dal Richiedente risulta, inoltre, che la combinazione di matrice biofiltrante e telo di copertura semipermeabile consente l’ottenimento di elevati abbattimenti dell’impatto odorigeno del biogas; le indagini olfattometriche eseguite secondo la norma UNI EN 13725-2004 hanno infatti evidenziato eccellenti livelli di abbattimento, generalmente superiori al 90% delle unità olfattometriche in entrata, e valori inferiori al limite soglia comunemente considerato di 300 UO/Nm<3>.

In conclusione, si è scoperto che l’applicazione del telo di copertura semipermeabile ad azione filtrante esplica un’attività depurativa fondamentale, che agisce migliorando l’abbattimento sia del metano che degli odori.

Tale sorprendente risultato è confermato dalle analisi microbiologiche effettuate sul film acquoso che si forma nell’intradosso del telo semipermeabile applicato ai biofiltro, riportate nella tabella sottostante, da cui si deduce una significativa presenza di popolazioni microbiche attive:

Il Richiedente ritiene che la formazione di detto film acquoso, costituito da goccioline d’acqua contenenti colonie microbiche attive, contribuisca significativamente al miglioramento dell’efficienza del biofiltro in termini di depurazione del biogas, in quanto in detto film si verificherebbe una filtrazione aggiuntiva.

Per quanto riguarda il processo di depurazione dei biogas secondo l’invenzione, esso comprende le seguenti fasi:

- predisporre almeno un biofiltro 1 avente le caratteristiche sopra descritte;

- posizionare un telo di copertura semipermeabile ad azione filtrante 10 su detto almeno un biofiltro 1;

- predisporre un sistema di rilevazione/monitoraggio/regolazione 11 dei principali parametri operativi collegato a detto almeno un biofiltro 1;

- alimentare i biogas 4 a detto almeno un biofiltro 1, preferibilmente attraverso un ventilatore 3;

- consentire la depurazione di detti biogas 4 in detto almeno un biofiltro 1; e

- consentire la fuoriuscita di aria depurata 7 da detto almeno un biofiltro 1.

Facoltativamente, detto processo di depurazione dei biogas comprende inoltre la seguente fase:

- miscelare il biogas da trattare 4 con aria ambiente 5 in un miscelatore 3, al fine di formare una miscela biogas/aria 6, che viene quindi inviata al biofiltro 1.

Facoltativamente, detto processo di depurazione dei biogas comprende inoltre la seguente fase:

- irrorare periodicamente detto almeno un biofiltro 1, e precisamente la matrice biologicamente attiva in esso contenuta, con acqua preferibilmente proveniente da un sistema di ugelli 8, preferibilmente ad apertura temporizzata, installati al di sopra della superficie di detta matrice.

Facoltativamente, detto processo di depurazione dei biogas comprende inoltre la seguente fase:

- consentire la formazione di un film acquoso contenente colonie microbiche attive nell’intradosso di detto telo di copertura semipermeabile ad azione filtrante 10 di detto biofiltro 1.

Dalla descrizione sopra dettagliatamente esposta, risultano evidenti i vantaggi derivanti dal processo di depurazione dei biogas prodotti nei corpi di discarica mediante sistema biofiltrante, dall’impianto comprendente almeno un biofiltro utilizzato per la depurazione di detti biogas e dal biofiltro utilizzato per la depurazione di detti biogas secondo la presente invenzione; in particolare:

- la drastica diminuzione dei composti metanici rilasciati all’atmosfera che, come noto, hanno un effetto sul cambiamento climatico di ben 20 volte superiore rispetto a quello della CO2a parità di quantità; in tal senso, la presente invenzione coopera significativamente al soddisfacimento del Protocollo di Kyoto;

- la possibilità di operare in modo sicuro ed efficiente la depurazione dei biogas provenienti da discariche, riducendone così l’impatto ambientale complessivo;

- la mobilità e la modularità del sistema biofiltrante, che consente di dimensionarlo per soddisfare le effettive esigenze di trattamento, di posizionarlo in prossimità del sistema di captazione dei biogas e di adattarlo facilmente all’applicazione specifica;

- i limitati costi di investimento;

- i contenuti costi di esercizio e di manutenzione;

- la semplicità e la compattezza costruttiva;

- la semplicità di manutenzione; ed

- il funzionamento continuo ed affidabile.

È evidente che il processo di depurazione dei biogas prodotti nei corpi di discarica mediante sistema biofiltrante, l’impianto comprendente almeno un biofiltro utilizzato per la depurazione di detti biogas ed il biofiltro utilizzato per la depurazione di detti biogas secondo la presente invenzione, qui descritti mediante una forma di realizzazione preferita fornita a titolo esemplificativo non limitativo, possono essere modificati secondo modalità note all'esperto del settore tecnico senza per questo fuoriuscire dall'ambito protettivo della presente invenzione.

Claims (21)

1. RIVENDICAZIONI 1. Biofiltro (1) comprendente: - un modulo contenente una matrice biologicamente attiva; ed - un telo di copertura semipermeabile ad azione filtrante (10) applicato su detto modulo.
2. 2. Biofiltro secondo la rivendicazione 1, in cui detto biofiltro (1) comprende inoltre un sistema di ugelli (8) installati al di sopra della superficie di detta matrice biologicamente attiva per effettuarne la periodica umidificazione con acqua proveniente da detti ugelli (8).
3. 3. Biofiltro secondo la rivendicazione 2, in cui detti ugelli (8) sono ad apertura temporizzata.
4. 4. Biofiltro secondo le rivendicazioni 1 e 2, in cui detto telo di copertura semipermeabile ad azione filtrante (10) è posizionato al di sopra di detto sistema di ugelli (8).
5. 5. Biofiltro secondo la rivendicazione 1, in cui detto telo di copertura semipermeabile ad azione filtrante (10) è realizzato in un tessuto sintetico dalle alte capacità sia impermeabili che traspiranti.
6. 6. Biofiltro secondo la rivendicazione 5, in cui detto tessuto sintetico è composto da politetrafluoroetilene (PTFE) espanso termomeccanicamente.
7. 7. Biofiltro secondo la rivendicazione 6, in cui detto tessuto sintetico presenta circa 9 miliardi di microscopici fori per pollice quadrato, ciascun foro essendo circa 20.000 volte più piccolo di una goccia d'acqua.
8. 8. Biofiltro secondo la rivendicazione 1, in cui detto telo di copertura semipermeabile ad azione filtrante (10) comprende, nel suo intradosso, un film acquoso contenente colonie microbiche attive.
9. 9. Biofiltro secondo la rivendicazione 1, in cui detto modulo è un dispositivo scarrabile.
10. 10. Biofiltro secondo la rivendicazione 1, in cui detta matrice biologicamente attiva è formata da una miscela precostituita, comprendente sovvallo lignocellulosico preattivato proveniente da impianti di compostaggio, compost e torba.
11. 11. Impianto di depurazione di biogas comprendente almeno un biofiltro (1) secondo una delle rivendicazioni da 1 a 10.
12. 12. Impianto secondo la rivendicazione 11, comprendente inoltre un ventilatore (3) per l’alimentazione dei biogas da trattare (4).
13. 13. Impianto secondo la rivendicazione 11 o 12, in cui l’alimentazione dei biogas da trattare avviene attraverso ingressi laterali (9).
14. 14. Impianto secondo la rivendicazione 11, 12 o 13, comprendente inoltre almeno un dispositivo di prediluizione, o miscelatore, (2) del biogas da trattare (4) con aria ambiente (5).
15. 15. Processo di depurazione di biogas comprendente le fasi di: - predisporre almeno un biofiltro (1) secondo una delle rivendicazioni da 1 a 10; - posizionare un telo di copertura semipermeabile ad azione filtrante (10) su detto almeno un biofiltro (1); - predisporre un sistema di rilevazione/monitoraggio/regolazione (11) dei principali parametri operativi collegato a detto almeno un biofiltro (1); - alimentare i biogas (4) a detto almeno un biofiltro (1) - consentire la depurazione di detti biogas (4) in detto almeno un biofiltro (1); e - consentire la fuoriuscita di aria depurata (7) da detto almeno un biofiltro (1).
16. 16. Processo secondo la rivendicazione 15, in cui l’alimentazione dei biogas (4) a detto almeno un biofiltro (1) avviene attraverso un ventilatore (3).
17. 17. Processo secondo la rivendicazione 15 o 16, comprendente inoltre la fase di: - miscelare il biogas da trattare (4) con aria ambiente (5) in un miscelatore (3), al fine di formare una miscela biogas/aria (6), che viene quindi inviata al biofiltro (1).
18. 18. Processo secondo la rivendicazione 15, 16 o 17, comprendente inoltre la fase di: - irrorare periodicamente detto almeno un biofiltro (1), e precisamente la matrice biologicamente attiva in esso contenuta, con acqua.
19. 19. Processo secondo la rivendicazione 18, in cui l’acqua di irrorazione proviene da un sistema di ugelli (8) installati al di sopra della superficie di detta matrice.
20. 20. Processo secondo la rivendicazione 19, in cui detto sistema di ugelli (8) è un sistema ad apertura temporizzata.
21. 21. Processo secondo la rivendicazione 15, 16, 17 o 18, comprendente inoltre la fase di: - consentire la formazione di un film acquoso contenente colonie microbiche attive nell’intradosso di detto telo (10) di detto almeno un biofiltro (1).