Differenze tra i processi IC anaerobici e UASB

1.1 Reattore UASB

1.1.1 Introduzione all'UASB

Il reattore anaerobico a flusso ascendente (UASB) è un metodo biologico anaerobico per il trattamento delle acque reflue, noto anche come reattore anaerobico a flusso ascendente, inventato dal professor Lettinga dei Paesi Bassi nel 1977.

Le acque reflue scorrono dal basso verso l'alto attraverso l'UASB. Sul fondo del reattore si trova un letto di fanghi altamente attivi e ad alta-concentrazione in cui la maggior parte degli inquinanti organici presenti nelle acque reflue subisce fermentazione anaerobica e degradazione in metano e anidride carbonica. A causa dell'agitazione del flusso d'acqua e delle bolle d'aria, sopra il letto di fango si forma uno strato di sospensione dei fanghi. Un separatore tri-fase è installato nella parte superiore del reattore per separare il gas del digestore, il liquido del digestore e le particelle di fango. Il gas del digestore viene scaricato dalla parte superiore del reattore; le particelle di fango scivolano automaticamente verso il basso e si depositano sul letto di fango sul fondo del reattore; il liquido del digestore viene scaricato dalla zona di chiarificazione.

UASB ha un'elevata capacità di carico ed è adatto al trattamento delle acque reflue organiche ad alta-concentrazione. Un UASB (Ultra-Anaerobic Sludge Bunker) ben funzionante presenta un elevato tasso di rimozione degli inquinanti organici, non richiede agitazione e può adattarsi a cambiamenti significativi di carico, temperatura e pH.

1.1.2 Struttura dell'UASB

L'UASB è caratterizzato dal suo sistema integrato di reazione biologica e sedimentazione, che lo rende un reattore anaerobico compatto. Il reattore è costituito principalmente da un sistema di distribuzione degli affluenti, una zona di reazione, un separatore tri-fase, una camera a gas e un sistema di scarico dell'acqua trattata.

1.1.3 Principio di funzionamento dell'UASB

Il processo di reazione anaerobica nel reattore UASB è simile ad altri processi di trattamento biologico anaerobico, tra cui idrolisi, acidificazione, produzione di acido acetico e metanogenesi. Diversi microrganismi partecipano al processo di trasformazione del substrato, convertendo il substrato nei prodotti finali-biogas, acqua e altre sostanze inorganiche.

L'UASB è costituito da tre parti: una zona di reazione dei fanghi, un separatore trifase gas-liquido-solido-(inclusa una zona di sedimentazione) e una camera a gas. Una grande quantità di fanghi anaerobici rimane nella zona di reazione del fondo e i fanghi con buone proprietà di sedimentazione e flocculazione formano uno strato di fanghi sul fondo. Le acque reflue da trattare confluiscono sul fondo del letto di fanghi anaerobico e si mescolano con i fanghi nello strato di fanghi. I microrganismi presenti nei fanghi decompongono la materia organica nelle acque reflue, convertendola in biogas. Il biogas viene continuamente rilasciato sotto forma di minuscole bollicine. Man mano che queste bolle salgono, si fondono, formando gradualmente bolle più grandi. Nella parte superiore del letto di fanghi, il biogas agita i fanghi, creando una miscela di fanghi-acqua relativamente diluita che sale insieme all'acqua nel separatore trifase-. Quando il biogas incontra la piastra riflettente sul fondo del separatore, viene deviato attorno alla piastra e poi passa attraverso lo strato d'acqua nella camera del gas, dove viene concentrato. Il biogas viene poi scaricato attraverso un condotto. La miscela solida-liquida, dopo la riflessione, entra nella zona di sedimentazione del separatore trifase-. I fanghi presenti nelle acque reflue flocculano, le particelle aumentano gradualmente di dimensioni e si depositano per gravità. I fanghi che si depositano sulla parete inclinata scivolano nuovamente nella zona di reazione anaerobica, provocando un grande accumulo di fanghi nella zona di reazione. L'effluente trattato, separato dai fanghi, trabocca dalla sommità dello stramazzo della zona di sedimentazione e viene quindi scaricato dal letto dei fanghi.

1.2 Reattore IC

1.2.1 Introduzione all'IC

Con le crescenti contraddizioni tra lo sviluppo della produzione e fattori quali il capitale, il consumo di energia e l'uso del territorio, gli addetti al trattamento delle acque devono sforzarsi di trovare processi anaerobici più ottimizzati dal punto di vista tecnico ed economico, soprattutto nella gestione delle nuove acque reflue organiche ad alta-concentrazione generate dallo sviluppo della produzione. Il reattore anaerobico a circolazione interna (IC) è un nuovo tipo di reattore emerso in questo contesto. È il prodotto della combinazione della teoria del trattamento anaerobico delle acque reflue e della pratica ingegneristica, che riflette i requisiti di sviluppo dei processi anaerobici stessi. Nel 1985, la società olandese PAQUES creò il primo reattore IC pilota su scala-e nel 1988 fu messo in funzione il primo reattore IC su scala di produzione-. Attualmente, i reattori IC sono stati applicati con successo al trattamento delle acque reflue industriali in settori quali la produzione di birra e la lavorazione degli alimenti. Grazie alla sua elevata capacità di trattamento, ai bassi investimenti, all’ingombro ridotto e al funzionamento stabile, ha attirato l’attenzione del personale addetto al trattamento delle acque in tutto il mondo e alcuni lo considerano una delle tecnologie rappresentative della terza generazione di reattori biologici anaerobici. L'ulteriore ricerca e sviluppo dei reattori IC e la promozione della loro applicazione sono diventati uno dei temi caldi nel trattamento anaerobico delle acque reflue.

1.2.2 Struttura del CI

Il reattore IC è costituito da due reattori UASB impilati verticalmente in serie, che raggiungono un'altezza di 16–25 m con un rapporto tra altezza-e-diametro tipicamente compreso tra 4 e 8. Comprende cinque parti fondamentali: una zona di miscelazione, una zona del letto espanso di fanghi granulari, una zona di finitura, un sistema di circolazione interna e una zona di effluente. Il sistema di circolazione interna è la struttura centrale del processo IC, costituito da un separatore primario trifase-, una colonna montante per il biogas, un separatore gas-liquido e un dispositivo di scarico dei fanghi.

1.2.3 Principio di funzionamento dell'IC

Le acque reflue di produzione, dopo la regolazione del pH e della temperatura, entrano prima nella zona di miscelazione sul fondo del reattore. Lì, viene accuratamente miscelato con la miscela di acqua di fanghi circolata internamente-dal downcomer prima di entrare nel letto espanso di fanghi granulari per la degradazione biochimica del COD. Qui il carico volumetrico di COD è molto elevato, la maggior parte del COD influente viene degradato, producendo una grande quantità di biogas. Il biogas viene raccolto dal separatore primario trifase-. Il lavoro di espansione svolto sul liquido durante la formazione delle bolle di biogas crea un effetto di sollevamento del gas, facendo sì che la miscela di biogas, fanghi e acqua salga lungo il tubo di sollevamento del biogas fino al separatore gas-liquido nella parte superiore del reattore. Qui il biogas si separa dai fanghi e dall'acqua e viene scaricato dal sistema di trattamento. La miscela di acqua-dei fanghi entra quindi nella zona di miscelazione sul fondo del reattore lungo l'uscita dei fanghi, dove si mescola completamente con l'affluente prima di entrare nella zona del letto espanso dei fanghi, formando la cosiddetta-circolazione interna. A seconda del carico di COD dell'affluente e della struttura del reattore, la portata della circolazione interna può raggiungere da 0,5 a 5 volte la portata dell'affluente. Dopo il trattamento mediante letto espanso, una parte delle acque reflue partecipa alla circolazione interna; le acque reflue rimanenti passano attraverso un separatore primario trifase- ed entrano nella zona del letto di fanghi granulari dell'area di trattamento fine per la degradazione del COD residuo e la produzione di biogas, migliorando e garantendo la qualità degli effluenti. Poiché la maggior parte del COD è stato degradato, il carico di COD nell'area di trattamento fine è basso e anche la produzione di biogas è ridotta. Il biogas qui prodotto viene raccolto da un separatore secondario trifase-, entra nel separatore gas-liquido attraverso un tubo di raccolta gas e viene scaricato dal sistema di trattamento. Dopo il trattamento nella zona di trattamento fine, le acque reflue passano attraverso un separatore a due-trifase-fase. Il surnatante viene scaricato attraverso la zona effluente, mentre i fanghi granulari vengono riportati al letto dei fanghi nella zona di trattamento fine.

Rispetto ai reattori anaerobici di seconda-generazione come UASB, i reattori IC presentano i seguenti vantaggi:<1>Elevato tasso di carico organico e breve tempo di ritenzione idraulica;<2>Ampio rapporto tra altezza-e-diametro, ingombro ridotto e minori investimenti in infrastrutture;<3>Effluente stabile e forte resistenza ai carichi d'urto. Sempre più produttori in Cina utilizzano ora reattori IC e anche il loro valore di recupero e utilizzo del biogas è significativo. La caratteristica più importante dei reattori IC è che hanno due camere di reazione anaerobica, che consentono la circolazione della miscela di fanghi-acqua all'interno del reattore. Ciò risolve l'impatto negativo dell'insufficiente contatto con l'acqua dei fanghi-nei reattori UASB, che indebolisce la capacità di trattamento biochimico dei fanghi granulari.

Pertanto, i reattori IC rappresentano una svolta nei moderni reattori anaerobici e hanno ampie prospettive di sviluppo nel trattamento delle acque reflue industriali degli inquinanti organici. Sostituiranno sempre più i reattori UASB e meriteranno ulteriore ricerca, sviluppo e promozione.