Strippaggio ed Assorbimento Ammoniaca

Lo strippaggio dell’ammoniaca tramite flusso d’aria è una delle tecniche di rimozione e recupero dell’azoto. In questo processo l'aria viene soffiata attraverso il liquido e l'ammoniaca libera si trasferisce nella fase gassosa che viene catturata per assorbimento in una soluzione a valle. Si è constatato che la rimozione più rapida si verifica a temperatura, portata di gas e pH elevati (Lei et al., 2007). L'importanza di questi parametri può essere spiegata tenendo in considerazione le variazioni di equilibrio occasionate dalle variazioni di pH ed i cambiamenti di fase. Ossia il pH modifica il comportamentodell'ammoniaca durante le fasi di rimozione in quanto sposta l'equilibrio tra ammoniaca libera, forma volatile e sali di ammonio non volatili. La temperatura altera leggermente lo stesso equilibrio visto che il suo aumento causa l’aumento della frazione di ammoniaca libera. Inoltre, ha anche un effetto fisico in quanto aumenta la pressione di vapore saturo dell'ammoniaca libera aumentando così la forza motrice che consente la volatilizzazione della specie NH3.

Lo strippaggio dell'ammoniaca viene solitamente abbinato alla digestione anaerobica degli effluenti zootecnici a causa dell’elevata concentrazione di ammoniaca presente nel digestato. L’ottimale rimozione dell’ammoniaca richiede l’aggiunta di alcali per aumentare il pH e calore per aumentare la temperatura e consentire la volatizzazione dell'ammoniaca libera (NH3) (Bonmatı́, & Flotats, 2003) (Figura 14). Quando lo strippaggio è abbinato alla

digestione anaerobica, il biogas prodotto può fornire il calore residuo di cogenerazione necessario per lo strippaggio ad alta temperatura. Lo strippaggio dell'ammoniaca è già

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ampiamente utilizzato su scala industriale, ai digestati dei fanghi da depurazione, dei percolati di discarica e delle acque reflue industriali. È stato anche testato con esito positivo in laboratorio per il trattamento dei liquami suini chiarificati e del digestato da liquami di bovine da latte, con la rimozione di oltre il 90% di ammoniaca (Bonmatı́, & Flotats, 2003); (Laureni et. al, 2013); (Jiang, et al., 2014). Nel settore dell'allevamento zootecnico, lo strippaggio è stato applicato sia come pre sia come post-trattamento (Ukwuani & Tao, 2016) alla digestione anaerobica, ai liquami suinicoli, bovini e avicoli, con un ampio intervallo di efficienze di rimozione segnalate (Laureni et al., 2013).

Figura 14. Schema dell’impianto di strippaggio/assorbimento dell’ammoniaca.

Il processo viene condotto su colonne verticali dove la fase liquida ricca in ammoniaca viene introdotta nella parte superiore mentre la l’aria viene insufflata in controcorrente dal basso. Per aumentare la superficie di contatto tra le due fasi le colonne vengono riempite con corpi di riempimento di materiale inerte. L' ammoniaca strippata viene assorbita in una seconda colonna, contenente soluzione di acido solforico in controcorrente ottenendo una soluzione di solfato di ammonio. Il sale viene successivamente essiccato ed utilizzato come fertilizzante (Törnwall et al., 2017).

Durante il processo di strippaggio il pH viene mantenuto tra 9 e 10 tramite l’aggiunta di una base. Per quanto riguarda le temperature di lavoro sono inferiori ai 100°C se viene

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insufflata aria, mentre raggiunge temperature più elevate nel caso di strippaggio con vapore. Il consumo energetico è direttamente correlato all'efficienza del processo. In condizioni ottimali si può ottenere fino al 95% di rimozione dell'azoto ammoniacale con successivo recupero dell'ammoniaca mediante assorbimento in soluzione acida, con una quantità di acido di poco superiore a quella stechiometrica.

Lo strippaggio dell’ammoniaca è stato valutato da (Walker et al., 2011) utilizzando diverse conformazioni di impianti ed in tutte le prove è stato possibile ridurre la concentrazione di azoto totale nel digestato e conseguentemente alleviare la tossicità dell'ammoniaca. A 35 e 55 °C il tempo di rimozione arrivava a 600 h, mentre a 70 °C questo a circa 15-17 ore con una portata adeguata. Inoltre, regolando il pH mediante l'aggiunta di NaOH è stato possibile ridurre il tempo necessario a circa 3,9 ore a 70 °C.

Lyu et al., 2018 hanno studiato le prestazioni del trattamento ed il meccanismo di rimozione dell'azoto dal digestato impiegando flusso orizzontale. I risultati hanno chiaramente supportato il fatto che il rapporto di aerazione più elevato e la presenza di un ricircolo sono importanti per migliorare la rimozione.

Un altro approccio è quello utilizzato da (Provolo, et al., 2017), che impiega una tecnica per rimuovere l'azoto dai rifiuti organici digeriti basandosi su un basso rilascio di ammoniaca, che è favorito dalla miscelazione continua del digestato e dall'erogazione di un flusso d'aria continuo attraverso la superficie del liquido. L’aria carica di ammoniaca fuoriesce dal contenitore e viene raccolta e fatta gorgogliare in una soluzione. Impiegando questa tecnica si possono ottenere efficienze di rimozione dell’azoto ammoniacale rilevanti e paragonabili a quelle ottenibili in impianti più complessi. Le efficienze di rimozione aumentano con la temperatura e con l’incremento del pH iniziale. Alte efficienze di rimozione dell’ammonica possono essere ottenute con un pH vicino 8 e a temperatura ambiente, assicurando un adeguando tempo di ritenzione idraulica. Inoltre, considerando che questo trattamento può essere gestito come un processo batch, allora esso potrebbe essere facilmente integrato alle vasche di stoccaggio, specialmente a quelle coperte. Inoltre, il fabbisogno di energia elettrica per il funzionamento del processo è limitato (stimato in 3,8 kWh/m3 _{di digestato).}

Dorset Srl ha sviluppato lo strippaggio dell’ammoniaca senza flusso d’aria. Si tratta del sistema LGL (Liquid to Gas to Liquid) dove nella prima fase l’ammoniaca evapora dal digestato liquido e diventa gas, mentre nella seconda fase, l’ammoniaca è ricatturata dalla sua forma gassosa utilizzando acido solforico. I prodotti finali sono digestato liquido con

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abbattimento massimo dell’ammoniaca dell’80% e solfato d’ammonio liquido concentrato. Attraverso questo sistema non ci sono emissioni di ammoniaca nell’ambiente; inoltre non essendoci flussi d’aria non sono presenti ventilatori e quindi non vi è consumo di elettricità, ma soltanto un asse di rotazione da 1 kW/h. A completamento del sistema vi sono pompe, sistema di controllo e due depositi, uno per l’acido solforico e l’altro per il digestato liquido. Il sistema è composto da dischi rotanti che si immergono parzialmente sia nel digestato liquido sia nella soluzione di acido solforico. I dischi rotanti fanno sì che l’ammoniaca proveniente dalla fase gassosa venga immediatamente assorbita dagli altri dischi con l’acido solforico. Il livello di ammoniaca e la sua velocità all’interno del sistema dipendono dal valore del pH e dalla temperatura del digestato.

Tra i vantaggi dello strippaggio rispetto alle varie tecniche di rimozione dell’azoto si possono citare la semplicità impiantistica ed il recupero dell’azoto come solfato di ammonio. Inoltre, l’abbinamento di questa tecnologia alla produzione di biogas consente di ottenere l’incremento della quantità di azoto presente nel liquame sotto forma di ammoniaca e l’elevata disponibilità di energia termica originaria dall’impianto stesso.