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Un digestore delle acque reflue converte i solidi biodegradabili in un flusso di biosolidi più stabile producendo al contempo biogas ricco di metano. Negli impianti di trattamento delle acque reflue municipali, la digestione anaerobica viene comunemente utilizzata dopo la separazione dei solidi primari e secondari per ridurre i solidi volatili, gli odori, i livelli di agenti patogeni e la quantità di fanghi che richiedono la gestione finale.
Tuttavia, una digestione affidabile dipende da molto di più che dal semplice posizionamento dei fanghi in un serbatoio privo di ossigeno. La temperatura, il tempo di ritenzione idraulica, il carico organico, la miscelazione, l’alcalinità e la consistenza del mangime influenzano tutti la popolazione microbica che alla fine produce metano.
Per gli operatori e i progettisti del trattamento delle acque reflue, comprendere queste relazioni è essenziale quando si valuta la capacità del digestore, si risolvono i problemi di funzionamento instabile o si considera il recupero del biogas e la produzione di gas naturale rinnovabile.
La digestione anaerobica è un processo di conversione biologica effettuato da diversi gruppi di microrganismi che lavorano in sequenza. Il processo è normalmente descritto in quattro fasi.
1. Idrolisi
Grandi molecole organiche come proteine, carboidrati e grassi non possono essere utilizzate direttamente da molti microrganismi anaerobici. Durante l'idrolisi, gli enzimi extracellulari li scompongono in composti solubili più piccoli come aminoacidi, zuccheri e acidi grassi.
L'idrolisi può diventare la fase limitante quando i fanghi contengono materiale particolato lentamente biodegradabile.
2. Acidogenesi
I batteri acidogeni convertono i composti solubili in acidi grassi volatili (VFA), alcoli, idrogeno, anidride carbonica, ammoniaca e altri intermedi.
Questa fase avviene in tempi relativamente brevi. Se la produzione di acido diventa più veloce di quella che la popolazione metanogenica a valle può consumare gli intermedi, i VFA si accumulano e il pH del digestore può abbassarsi.
3. Acetogenesi
Gli organismi acetogeni convertono i VFA e gli alcoli superiori principalmente in acetato, idrogeno e anidride carbonica. Questi composti diventano i principali substrati per i microrganismi che formano metano.
4. Metanogenesi
Gli archaea metanogeni convertono l'acetato e l'idrogeno/anidride carbonica in metano. Crescono più lentamente e sono più sensibili alla temperatura, al pH, ai composti tossici e ai cambiamenti improvvisi di carico rispetto a molti organismi che formano acidi.
L’obiettivo generale quindi non è semplicemente la “decomposizione”. Un digestore ben gestito mantiene tutti e quattro gli stadi biologici in equilibrio in modo che i solidi volatili siano stabilizzati invece di consentire l’accumulo di acidi intermedi.
L'EPA rileva che la digestione anaerobica stabilizza i solidi delle acque reflue, riduce gli odori e gli agenti patogeni e converte parte della frazione dei solidi volatili in biogas.
Per la gestione dei biosolidi negli Stati Uniti, Riduzione dei solidi volatili del 38%. è anche un punto di riferimento importante perché è un metodo specificato in 40 CFR 503.33 per dimostrare la riduzione dell'attrazione vettoriale.
I digestori delle acque reflue vengono selezionati in base alle caratteristiche dei fanghi, alla concentrazione di solidi, all'impronta del sito, al tasso di carico e al recupero energetico desiderato.
Un reattore a serbatoio continuamente agitato, o CSTR , è una delle configurazioni più familiari per i fanghi delle acque reflue urbane.
La miscelazione mantiene i solidi in sospensione, distribuisce il calore e l'alimentazione in entrata e riduce i gradienti di acido o temperatura localizzati. I sistemi di riscaldamento sono comunemente utilizzati per mantenere una temperatura operativa stabile.
Per la digestione mesofila dei fanghi urbani, una temperatura vicina 35°C (95°F) è ampiamente utilizzato. Le linee guida EPA associano storicamente circa 15 giorni di permanenza a 35°C in un digestore ad alta velocità completamente miscelato con condizioni in grado di ottenere una sostanziale riduzione dei solidi volatili.
La progettazione effettiva della TOS è spesso più lunga e dovrebbe basarsi sulle caratteristiche dei fanghi, sul carico di solidi, sulla temperatura, sulla ridondanza e sugli obiettivi del trattamento.
An coltre di fanghi anaerobici a riflusso (UASB) il reattore funziona diversamente. Le acque reflue fluiscono verso l'alto attraverso una densa coltre di fanghi anaerobici contenenti biomassa granulare o flocculante.
I sistemi UASB sono particolarmente interessanti per le acque reflue industriali ad elevata resistenza perché possono trattenere una grande concentrazione di biomassa attiva pur operando con tempi di ritenzione idraulica relativamente brevi.
Sono generalmente più appropriati per le acque reflue solubili o facilmente biodegradabili che per i fanghi urbani densi contenenti alte concentrazioni di solidi sospesi.
Le lagune coperte forniscono un'opzione di minore complessità per i climi caldi e alcune acque reflue agricole o industriali. Una copertura flessibile cattura il biogas generato mentre la laguna fornisce il volume di digestione.
In genere richiedono più terreno e forniscono un minore controllo del processo rispetto ai digestori misti riscaldati.
Indipendentemente dalla configurazione, diversi parametri devono rimanere in equilibrio:
| Parametro operativo | Considerazione tipica |
|---|---|
| Temperatura mesofila | Circa 30–38°C |
| Temperatura termofila | Circa 50–57°C |
| pH del digestore | Comunemente intorno a 6,8–7,5 |
| HRT | Dipende fortemente dal tipo di reattore, dall'alimentazione e dalla temperatura |
| OLR | Deve corrispondere alla biomassa attiva e alla capacità di miscelazione |
| Alcalinità | Fornisce buffering contro l'accumulo di VFA |
| Miscelazione | Previene la stratificazione, gli strati di schiuma ed i sovraccarichi localizzati |
Questi numeri dovrebbero essere trattati come punti di partenza operativi piuttosto che come specifiche di progettazione universali.
Ad esempio, aumentare l’OLR senza considerare la HRT significa che più materiale biodegradabile entra nello stesso volume del reattore. Gli organismi acidificanti possono rispondere rapidamente, mentre i metanogeni non possono aumentare la loro attività alla stessa velocità.
Allo stesso modo, una buona miscelazione non può compensare un riscaldamento inadeguato, e un’elevata alcalinità non può compensare indefinitamente un grave sovraccarico organico.
Una digestione stabile deriva dal mantenimento della ambiente biologico combinato , non ottimizzando un parametro isolatamente.
La digestione anaerobica produce biogas contenente principalmente metano e anidride carbonica insieme a vapore acqueo, idrogeno solforato e tracce di contaminanti.
L'EPA descrive il biogas grezzo proveniente da sistemi anaerobici come comunemente contenente circa 45–65% di metano , sebbene la composizione effettiva dipenda fortemente dalla materia prima e dal funzionamento.
Negli impianti di trattamento delle acque reflue, questo gas può essere:
I soli fanghi urbani non sempre massimizzano il potenziale energetico di un digestore esistente.
L’aggiunta di rifiuti organici adeguati ad alta energia come residui della lavorazione alimentare, rifiuti alimentari, grassi, oli e grassi può aumentare il carico di carbonio biodegradabile e di conseguenza aumentare la produzione di biogas.
L’EPA identifica la co-digestione come un metodo che può aumentare la produzione di gas da materie prime altrimenti a basso rendimento. Uno ha citato un impianto statunitense per le acque reflue che accetta scarti della lavorazione alimentare e grassi, oli e grasso che ha quasi raddoppiato la sua produzione di biogas.
Ciò non significa che sia desiderabile la massima aggiunta di mangime. I substrati in entrata dovrebbero essere valutati per:
Il gas grezzo del digestore normalmente non è adatto per l'iniezione diretta in un gasdotto.
L'aggiornamento tipico prevede diverse fasi di trattamento:
Rimozione dell'idrogeno solforato: I mezzi a base di ferro, il carbone attivo, la desolforazione biologica o altre tecnologie rimuovono l'H2S corrosivo.
Rimozione dell'umidità: Il raffreddamento, la condensazione, l'essiccazione o l'adsorbimento riducono il vapore acqueo.
Separazione della CO2: La separazione della membrana, l'adsorbimento con oscillazione di pressione, il lavaggio con acqua o l'assorbimento chimico possono aumentare la concentrazione di metano.
Controllo dei contaminanti in tracce: Anche i silossani e i COV possono richiedere la rimozione a seconda della fonte delle acque reflue e delle specifiche del gas finale.
L'EPA riferisce che l'RNG aggiornato generalmente contiene almeno il 90% di metano, mentre l'RNG iniettato nel gasdotto raggiunge comunemente circa 96–98% di metano , soggetto alle specifiche di qualità del gas dell'azienda ricevente.
Per i progetti statunitensi, la qualificazione del GNC rinnovabile o del GNL prodotto dal biogas proveniente dai digestori comunali per il trattamento delle acque reflue può anche rientrare nei percorsi approvati all’interno dello standard federale sui combustibili rinnovabili.
Gli operatori dovrebbero rispondere alle tendenze prima che la produzione di metano crolli.
Schiumoso may result from filamentous organisms in the incoming sludge, rapid gas release, inadequate mixing, sudden loading changes, high concentrations of fats or proteins, or poor solids withdrawal.
I segnali di pericolo includono:
Le azioni correttive possono includere la riduzione del carico, il miglioramento della distribuzione della miscelazione, la gestione delle materie prime problematiche, la regolazione del ritiro dei fanghi e il controllo meccanico della schiuma persistente.
Un improvviso aumento del carico organico aumenta spesso la produzione di acido prima che gli organismi che producono metano possano rispondere.
I VFA iniziano ad accumularsi, l'alcalinità viene consumata e il pH alla fine diminuisce.
Tuttavia, Il solo pH è un indicatore tardivo perché il buffering del bicarbonato può nascondere lo sviluppo di instabilità.
Gli operatori quindi monitorano comunemente i VFA insieme all'alcalinità totale o del bicarbonato. Un numero in costante aumento Rapporto VFA/alcalinità è solitamente più importante di una lettura isolata. Come regola operativa pratica, valori inferiori a circa 0,3 indicano generalmente un buffering confortevole, mentre un movimento persistente verso circa 0,4-0,5 o superiore dovrebbe innescare un’indagine. Le tendenze storiche specifiche del sito dovrebbero sempre avere la priorità rispetto a un punto di allarme universale.
Le risposte possibili includono:
Le materie prime ricche di proteine rilasciano ammoniaca, mentre i rifiuti contenenti zolfo possono generare idrogeno solforato.
La frazione tossica dell’ammoniaca dipende fortemente dal pH e dalla temperatura, quindi una concentrazione di ammoniaca totale che funziona con successo in un impianto può causare inibizione in condizioni diverse.
Il solfuro presenta problemi sia biologici che operativi perché il solfuro disciolto può inibire i microrganismi mentre l'H2S gassoso crea seri problemi di corrosione e sicurezza.
Tendenza percentuale di metano, CO2, H2S, VFA, alcalinità, pH, produzione di gas e carico di mangime insieme fornisce un sistema di allarme rapido molto più efficace rispetto al solo affidamento sul volume del gas.
La digestione anaerobica non elimina i fanghi. Converte il materiale organico biodegradabile lasciando un digestato stabilizzato contenente acqua, solidi residui, azoto, fosforo e materiale inorganico.
Dopo la digestione, gli impianti di depurazione utilizzano comunemente centrifughe, filtropresse a nastro, presse a vite o altre apparecchiature di disidratazione per ridurre il volume di trasporto.
Il concentrato o filtrato liquido normalmente restituisce una quantità significativa di ammoniaca e fosforo solubile al processo di trattamento delle acque reflue. Negli impianti più grandi, questi carichi di nutrienti secondari possono giustificare un trattamento separato dell’azoto o il recupero del fosforo.
Un’opzione sempre più importante è il recupero del fosforo come prodotto fosfato utilizzabile anziché consentire la precipitazione incontrollata della struvite nei tubi, nelle pompe e nelle apparecchiature di disidratazione.
Anche la disposizione dei biosolidi deve essere considerata durante la progettazione del processo.
Secondo le norme EPA statunitensi, La Classe A e la Classe B si riferiscono principalmente ai requisiti di riduzione degli agenti patogeni e comportano requisiti di gestione diversi per l'applicazione del territorio. I biosolidi di Classe B possono ancora contenere agenti patogeni rilevabili e pertanto richiedono restrizioni del sito, mentre i biosolidi di Classe A soddisfano requisiti più rigorosi di riduzione degli agenti patogeni.
La digestione anaerobica di per sé non dovrebbe quindi essere automaticamente descritta come capace di produrre “biosolidi di classe A”. Il ciclo completo di trattamenti e i criteri applicabili della Parte 503 determinano la classificazione finale.
L’avvio dovrebbe essere graduale.
Una sequenza pratica include:
Caricare immediatamente un nuovo digestore alla piena capacità prevista può consentire alla produzione di acido di superare la popolazione metanogena in via di sviluppo.
Da un punto di vista economico, il miglior digestore delle acque reflue non è quindi necessariamente il reattore che produce il massimo biogas possibile. Gli operatori dovrebbero confrontare l’energia di riscaldamento e miscelazione, i risparmi nello smaltimento dei solidi, il consumo di prodotti chimici, la manutenzione, l’utilizzo del biogas, il trattamento del flusso secondario dei nutrienti e il potenziale RNG o le entrate energetiche come un unico equilibrio integrato.
Le prestazioni del digestore iniziano con un'accurata caratterizzazione delle acque reflue e dei fanghi.
Prima di selezionare un reattore, un sistema di miscelazione, un'unità di trattamento del gas o un'apparecchiatura associata per il trattamento delle acque reflue, definire il carico di solidi previsto, le caratteristiche del COD, la temperatura, il contenuto di zolfo e azoto, i requisiti di HRT, il percorso finale dei biosolidi e l'uso previsto del biogas.
Hangzhou Nihao Environmental Tech Co., Ltd. fornisce prodotti per il trattamento delle acque reflue e supporta progetti di trattamento municipali e industriali con una selezione di apparecchiature orientate al processo.
Se stai progettando un nuovo sistema di trattamento delle acque reflue o aggiornando un processo biologico esistente, contatta Acqua Nihao con la portata, le caratteristiche delle acque reflue, l'obiettivo del trattamento e le informazioni sul processo esistente. Il nostro team può aiutare a valutare configurazioni di trattamento adeguate e apparecchiature di supporto per l'intero treno di trattamento delle acque reflue.
Le quattro fasi sono idrolisi, acidogenesi, acetogenesi e metanogenesi. Il materiale organico complesso viene prima convertito in composti solubili, poi in acidi volatili e altri intermedi, seguiti da acetato e idrogeno e infine in metano e anidride carbonica.
La digestione mesofila normalmente funziona intorno ai 30–38°C, con circa 35°C ampiamente utilizzati per i digestori di fanghi comunali. La digestione termofila normalmente funziona intorno ai 50–57°C. I sistemi termofili possono fornire reazioni biologiche più rapide e una maggiore riduzione degli agenti patogeni, ma sono generalmente più sensibili ai cambiamenti di temperatura e ai disturbi del processo.
L'HRT determina per quanto tempo il materiale rimane nel reattore, mentre l'OLR rappresenta la quantità di materiale organico applicato per unità di volume del reattore al giorno. Un carico eccessivo combinato con una ritenzione insufficiente può causare un accumulo di VFA poiché la formazione di acido supera la capacità di conversione metanogenica.
Schiumoso may be associated with filamentous organisms, high protein or fat loading, rapid gas production, poor mixing, feed variations, and accumulated scum. Control measures include identifying the source, correcting loading or mixing conditions, managing feedstocks, and removing accumulated foam or scum where necessary.
Il biogas grezzo viene pulito per rimuovere acqua, idrogeno solforato, anidride carbonica e contaminanti come silossani e COV. Le tecnologie possono includere carbone attivo, mezzi ferrosi, membrane, sistemi di adsorbimento e lavaggio con oscillazione di pressione. L'RNG di qualità da pipeline richiede in genere una concentrazione di metano molto più elevata rispetto al gas di digestione non trattato.
Molti digestori comunali mirano alla distruzione di circa il 40-60% di solidi volatili a seconda della biodegradabilità dei fanghi e della progettazione del processo. Negli Stati Uniti, la riduzione del 38% dei solidi volatili è particolarmente importante perché è un'opzione EPA per dimostrare la riduzione dell'attrazione dei vettori ai sensi del 40 CFR Parte 503.
I rischi principali includono il rischio di incendio ed esplosione di metano, tossicità da idrogeno solforato, atmosfere carenti di ossigeno, gas pressurizzato, spazi confinati e apparecchiature in movimento. Le strutture dovrebbero utilizzare adeguati sistemi di rilevamento del gas, ventilazione, protezione da pressione e vuoto, controllo della fiamma, classificazione elettrica, procedure per spazi confinati, sistemi di arresto di emergenza e procedure operative specifiche del sito. OSHA, codice antincendio, codice elettrico e requisiti locali applicabili devono essere esaminati durante la progettazione e il funzionamento del sistema.
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