Disidratazione dei fanghi: metodi, tecnologie e sistemi per il trattamento delle acque reflue

Che cos'è la disidratazione e perché è importante per la gestione dei fanghi

La disidratazione è la rimozione meccanica o fisica dell'acqua da una miscela solido-liquido per ridurne il volume e aumentarne il contenuto di solidi. Nel contesto del trattamento delle acque reflue, la disidratazione si riferisce specificamente al processo di separazione dell'acqua dai fanghi (il sottoprodotto semisolido generato durante le fasi di trattamento primario, secondario e terziario) per produrre un pannello maneggiabile e trasportabile adatto allo smaltimento, all'applicazione sul terreno o all'ulteriore lavorazione.

La questione economica e operativa della disidratazione è semplice. I fanghi delle acque reflue grezze in genere contengono 95–99% di acqua in peso . La riduzione del contenuto di umidità dal 97% al 75% attraverso la disidratazione meccanica riduce il volume dei fanghi di circa l’88%, riducendo drasticamente i costi di trasporto, le tariffe di deposito in discarica e il consumo di energia nel trattamento termico a valle. Per un impianto di trattamento delle acque reflue municipali di medie dimensioni che tratta 50.000 m³/giorno, questa riduzione di volume può tradursi in un risparmio di diverse centinaia di migliaia di dollari all’anno solo sui costi di smaltimento dei fanghi.

Oltre alla riduzione del volume, la disidratazione stabilizza anche i fanghi per la movimentazione: un panello ben disidratato con il 20-25% di solidi totali (TS) può essere trasportato tramite nastro o coclea senza pompaggio, impilato per lo stoccaggio temporaneo e caricato su camion senza attrezzature specializzate.

Ispessimento dei fanghi e disidratazione: comprendere la differenza

L'ispessimento e la disidratazione dei fanghi sono operazioni sequenziali ma distinte in un treno completo di gestione dei fanghi. Confondere le due cose porta a una scelta errata delle apparecchiature e a inefficienze dei processi.

Ispessimento è un processo meccanico a gravità o a basso taglio che concentra i fanghi diluiti dallo 0,5–2% TS a circa il 3–8% TS. Non si tratta di una fase di disidratazione finale: il fango addensato rimane pompabile e scorrevole. Lo scopo principale è ridurre il volume alimentato ai digestori a valle o alle apparecchiature di disidratazione, riducendone il dimensionamento e i costi operativi. Le tecnologie di ispessimento comuni includono addensatori a gravità, addensatori con flottazione ad aria disciolta (DAF), addensatori a tamburo rotante e addensatori a nastro a gravità.

Disidratazione segue l'ispessimento e utilizza la pressione meccanica, il vuoto o la forza centrifuga per spingere il contenuto di solidi dei fanghi dall'intervallo 3–8% TS fino al 15–35% TS, producendo una torta semisolida. A questo contenuto di solidi, il materiale passa da un fluido che deve essere pompato a un solido che può essere convogliato, impilato e trasportato con mezzi convenzionali.

La sequenza combinata di ispessimento e disidratazione dei fanghi è la spina dorsale della moderna gestione dei biosolidi. Se si evita l'ispessimento e si alimentano i fanghi diluiti direttamente alle apparecchiature di disidratazione, si ottengono macchine sovradimensionate e sovraccariche con scarsa secchezza del panello e elevato consumo di polimeri.

Tecnologie di disidratazione dei fanghi: una panoramica comparativa

Molteplici tecnologie di disidratazione dei fanghi sono in uso commerciale. Ciascuno funziona secondo principi fisici diversi e fornisce livelli diversi di secchezza della torta, richiesta di polimeri, ingombro e consumo di energia. La selezione dipende dal tipo di fango, dalle dimensioni dell'impianto, dal percorso di smaltimento finale e dalle priorità dei costi di capitale rispetto a quelli operativi.

Filtropressa a nastro

La filtropressa a nastro (BFP) è una delle tecnologie di disidratazione più diffuse a livello globale, in particolare nelle applicazioni per le acque reflue municipali. I fanghi condizionati vengono alimentati tra due nastri porosi in continuo movimento che prima drenano per gravità, poi comprimono i fanghi attraverso una serie di rulli con pressione progressivamente crescente. Il contenuto di solidi della torta varia tipicamente da 18-25% ST per fanghi urbani misti. I BFP hanno un basso consumo energetico (1–2 kWh/tonnellata di solidi secchi) ma richiedono una quantità significativa di acqua di lavaggio (3–10 m³/ora per metro di larghezza del nastro) e sono sensibili alla variabilità dei fanghi di alimentazione.

Decanter centrifugo

Le centrifughe decanter utilizzano la forza centrifuga (tipicamente 1.500–4.000 × g) per separare i solidi dei fanghi dalla fase liquida ad alta velocità. Consegnano 20–30% di secchezza della torta TS per i fanghi urbani digeriti e sono particolarmente adatti al funzionamento continuo con volumi elevati. Le centrifughe sono compatte, completamente chiuse (importanti per il controllo degli odori) e in gran parte automatizzate, ma il loro consumo energetico è significativamente più elevato rispetto alle BFP, in genere 15-30 kWh/tonnellata di solidi secchi, e i costi di manutenzione sono elevati a causa dell'usura dei fanghi abrasivi.

Pressa a vite

La pressa a coclea alimenta i fanghi in un vaglio cilindrico e li fa avanzare tramite una coclea rotante a passo progressivamente decrescente, spremendo l'acqua libera attraverso il vaglio mentre il panello viene scaricato all'uscita. Le moderne presse a vite multidisco hanno guadagnato rapidamente quote di mercato grazie alla loro consumo energetico molto basso (2–5 kWh/tonnellata DS), minima attenzione da parte dell'operatore, bassi requisiti di acqua di lavaggio e idoneità per impianti di piccole e medie dimensioni. Il grado di secchezza del panello è in genere pari al 15-22% TS, ovvero inferiore a quello delle centrifughe, ma per le applicazioni in cui i risparmi sui costi di smaltimento giustificano il panello leggermente più umido, il vantaggio in termini di costi operativi è convincente.

Filtropressa (piastra e telaio)

Le filtropresse a piastre e telaio ad alta pressione forniscono il panello più secco di qualsiasi tecnologia di disidratazione meccanica, in genere 35-45% ST — rendendoli la scelta preferita laddove i fanghi sono destinati all'incenerimento, alla co-combustione o laddove i costi di discarica sono estremamente elevati. Il funzionamento batch, l'ingombro elevato e gli elevati costi di capitale ne limitano l'uso ai fanghi industriali, ai fanghi urbani condizionati con calce e alle applicazioni in cui un livello di secchezza molto elevato è un requisito difficile. Le filtropresse a membrana che gonfiano i diaframmi flessibili dopo il riempimento possono spingere il livello di secchezza del panello oltre il 50% TS in alcune applicazioni per fanghi industriali.

Filtro rotativo a vuoto

Un tempo la tecnologia dominante per la disidratazione dei fanghi di depurazione, i filtri rotanti sottovuoto sono stati in gran parte sostituiti da presse a nastro e centrifughe nelle nuove installazioni a causa della loro relativamente scarsa secchezza (12-18% TS), elevati requisiti energetici e di manutenzione e design aperto. Rimangono in servizio negli impianti municipali più vecchi e in alcune applicazioni industriali dove il loro funzionamento delicato e continuo è adatto ai tipi di fanghi fragili o fibrosi.

Disidratazione dei fanghi DAF: gestione dei sottoprodotti dell'unità di flottazione

Le unità di flottazione ad aria disciolta (DAF) sono ampiamente utilizzate nel trattamento delle acque reflue sia industriali che municipali per rimuovere solidi sospesi, grassi, oli e grassi attaccando microscopiche bolle d'aria alle particelle e facendole galleggiare in superficie come un galleggiante scremato. I fanghi DAF risultanti presentano sfide di disidratazione uniche che differiscono significativamente dai fanghi biologici primari o secondari depositati.

Il galleggiante DAF arriva tipicamente alla fase di disidratazione 1–5% TS — paragonabile ai fanghi biologici ispessiti — ma le sue caratteristiche fisiche sono fondamentalmente diverse. I fanghi DAF provenienti dalla lavorazione alimentare, dal rendering o dalle cartiere sono spesso altamente comprimibili, gelatinosi e ricchi di grassi e proteine ​​che resistono al drenaggio. Il condizionamento polimerico standard che funziona bene per i fanghi attivi può funzionare male sul galleggiante DAF; Spesso sono necessari programmi a doppio polimero che combinano polimeri cationici e anionici o l'aggiunta di coagulanti come cloruro ferrico o solfato di alluminio prima del condizionamento del polimero.

Per la disidratazione dei fanghi DAF, le centrifughe decanter e le filtropresse a nastro sono le tecnologie più comunemente applicate. Le centrifughe gestiscono l'elevato contenuto di grassi in modo più affidabile: l'accumulo di grasso sui tessuti delle presse a nastro è un problema operativo cronico nelle applicazioni DAF dell'industria alimentare. Anche le presse a vite hanno mostrato buoni risultati sui float DAF provenienti da impianti municipali in cui il contenuto di lipidi è inferiore. Secchezza della torta del 12–20% TS è tipico dei fanghi DAF dell'industria alimentare, sostanzialmente inferiore a quello dei fanghi biologici, a causa della natura comprimibile e idrofila dei solidi.

Negli ambienti industriali in cui DAF viene utilizzato per il trattamento delle acque reflue delle vernici, i fanghi di verniciatura risultanti presentano ulteriori complicazioni. I solidi della vernice, in particolare quelli derivanti da basi a base acqua contenenti resine e pigmenti, formano una torta appiccicosa e adesiva che può accecare rapidamente i mezzi filtranti e sporcare le tazze della centrifuga. I sistemi di disidratazione dei fanghi di verniciatura dedicati spesso utilizzano filtropresse con tele filtranti sintetiche classificate per cicli di pulizia con solventi o essiccatori di fanghi appositamente progettati che combinano la disidratazione meccanica con l'essiccazione termica in una singola unità per raggiungere l'80-90% di TS per la classificazione come rifiuti solidi non pericolosi.

Sistemi di disidratazione dei liquami nelle applicazioni industriali

Oltre al trattamento delle acque reflue municipali, i sistemi di disidratazione dei liquami sono fondamentali per un'ampia gamma di operazioni di processo industriale. Il termine "liquame" descrive tipicamente una miscela con una concentrazione di solidi più elevata e più uniforme rispetto ai fanghi delle acque reflue - spesso 10-40% di solidi in peso - e può coinvolgere particelle inorganiche (minerali, ceramica, metalli) piuttosto che materiale biologico.

Le principali applicazioni di disidratazione dei liquami industriali includono:

• Estrazione e lavorazione dei minerali — disidratazione degli sterili mediante addensatori, filtropresse o filtri a nastro sottovuoto; il recupero dell’acqua di processo per il riciclaggio nelle regioni con scarsità d’acqua è un fattore primario
• Costruzione e tunneling — i liquami di bentonite e il fango di perforazione derivanti dalle operazioni di scavo di gallerie richiedono una rapida disidratazione in cantiere utilizzando filtri pressa mobili o sistemi centrifughi prima che l'acqua recuperata possa essere scaricata o riutilizzata
• Produzione ceramica e vetro — i fanghi con particelle fini derivanti dalle operazioni di macinazione e lucidatura a umido vengono disidratati mediante filtri a disco sotto vuoto o filtri a pressione per recuperare materiale prezioso e ridurre i volumi di scarico delle acque reflue
• Generazione di energia — le ceneri volanti e i fanghi di ceneri pesanti provenienti dalla combustione del carbone vengono disidratati utilizzando filtri a nastro sottovuoto o filtropresse come parte dei sistemi di trattamento delle ceneri secche o semisecche richiesti dalle normative ambientali
• Lavorazione di alimenti e bevande — la sansa di frutta, le borlande di cereali e i liquami di amido vengono disidratati prima dell'essiccazione o della lavorazione dei mangimi per animali, con presse a vite e centrifughe decanter che costituiscono le attrezzature dominanti

La progettazione del sistema di disidratazione dei liquami industriali deve tenere conto dell'abrasività (che impone materiali resistenti all'usura nelle centrifughe e nelle pompe), della distribuzione delle dimensioni delle particelle (le particelle fini inferiori a 5 µm resistono al drenaggio e possono richiedere coadiuvanti di filtrazione) e della compatibilità chimica tra i liquami e le superfici bagnate dell'attrezzatura di disidratazione.

Condizionamento dei polimeri: la variabile che controlla le prestazioni di disidratazione

Praticamente in tutti i metodi di disidratazione dei fanghi, il condizionamento dei polimeri è la fase a monte che determina se le apparecchiature di disidratazione meccanica operano entro l'intervallo di progettazione o faticano a produrre un livello di secchezza del panello accettabile. Ottenere il giusto condizionamento è spesso più efficace della scelta dell’attrezzatura.

I polielettroliti, più comunemente poliacrilammidi cationici, funzionano neutralizzando la carica superficiale negativa delle particelle di fango e collegando le particelle insieme in fiocchi più grandi che rilasciano acqua. I parametri chiave da ottimizzare in qualsiasi sistema di disidratazione dei fanghi sono:

• Dose di polimero — tipicamente 3-10 kg di polimero attivo per tonnellata di solidi secchi per i fanghi secondari urbani; il dosaggio eccessivo comporta uno spreco di costi chimici e può invertire la carica, riducendo le prestazioni
• Diluizione e trucco — i polimeri in emulsione devono essere diluiti in una soluzione allo 0,1–0,5% prima dell'iniezione; Una diluizione inadeguata dà come risultato un polimero non attivato che passa attraverso la fase di disidratazione senza condizionare i fanghi
• Miscelazione di energia e tempo di contatto — è necessario un taglio sufficiente per disperdere il polimero nei fanghi, ma un taglio eccessivo dopo la formazione dei fiocchi rompe i fiocchi e non può essere invertito; i miscelatori statici in linea o i miscelatori dinamici a basso taglio sono preferiti rispetto alle giranti ad alta velocità
• Variabilità dei fanghi — cambiamenti nella composizione dei fanghi di alimentazione (ad esempio, dopo un evento temporalesco che diluisce i fanghi primari, o dopo cambiamenti nel trattamento biologico) alterano il tipo e la dose ottimali di polimero; i sistemi automatizzati di dosaggio dei polimeri con controllo feedback della torbidità o del tempo di aspirazione capillare (CST) migliorano significativamente la consistenza

Per la disidratazione dei fanghi di depurazione negli impianti municipali, i costi dei polimeri rappresentano tipicamente il 30-50% del costo operativo totale di disidratazione. Una riduzione del 10% del consumo specifico di polimeri attraverso una migliore ottimizzazione del condizionamento è spesso ottenibile e offre risparmi significativi sul budget senza investimenti di capitale.