Criteri di dimensionamento e tipologie di impianti per la ... del tecnico/atti... · può essere...

Digestione anaerobica di reflui e biomasse: metodi e tecniche per la produzione di biogas Palazzo Cittanova, Cremona 8 giugno 2011

Criteri di dimensionamento e tipologie di impianti per la produzione di biogasproduzione di biogasF. Malpei, R. Canzianif l i@ li i [email protected]

DIIAR Politecnico di Milano

2Indice

1. Biodegradabilità anaerobica

2. Criteri di dimensionamento Parametrici

Cinetici

3. Tipologie e classificazione degli impianti

4. Alcuni benchmark

DIIAR – Sezione Ambientale Malpei & Canziani

Produzione biogas in un digestore:da cosa dipende?

degradabilità anaerobica dei substrati alimentati

t i di di i t fi i parametri di dimensionamento e configurazione adottata per l’impianto

Efficienza e stabilità del digestoredi d d t li t idipendono da tali parametri


Degradabilità anaerobica intrinseca

• La degradabilità anaerobica intrinseca o fattore di biodegradabilita’ indica la frazione della sostanza organica contenuta nel substrato che può essere biodegradata per via anaerobicapuò essere biodegradata per via anaerobica

• F = BMP/(Sin • 0,35)( , )

• Sin (kgCODin) pari alla quantità di substrato del campioneBMP (N 3CH ) i d i di t tt ibil d l• BMP (Nm3CH4) massima produzione di metano ottenibile dal campione in condizioni ottimali

• F = BMP/(Sin • •0,35)

• S (kgSVin) pari alla quantità di substrato del campione• Sin (kgSVin) pari alla quantità di substrato del campione • (kgCOD/kgSV) parametro che indica il rapporto tra COD e SV del

substrato


• BMP (Nm3CH4) produzione di metano ottenibile dal campione

Degradabilità anaerobica intrinseca

• F varia in un’ampio intervallo: 0 4 0 99• F varia in un’ampio intervallo: 0,4 – 0,99

• Il fattore di biodegradabilità è una caratteristica intrinseca del substrato, non può essere modificato, se non:

• attraverso pre-trattamenti atti a rendere attaccabili e biodegradabili i composti recalcitrantibiodegradabili i composti recalcitranti

d d d li i d i f tt i i ib ti l ti l• prevedendo ed eliminando i fattori inibenti legati al substrato stesso (NH3, H2S, …..)


Valori di benchmark per BMP(Nm3CH4/tSV) Al Saedi et al., (2008)

F = 1 per substrato con


Al Saedi et al., (2008)pcomposizione tale per cui 1 gSV = 1 gCOD

7TECNICHE POSSIBILI DI PRE-TRATTAMENTO

( & )


(Pérez-Elvura & Fdz-Polanco, 2009)

8PRE-TRATTAMENTI PER AUMENTARE L’IDROLISI

Confronto velocità di produzione (gCOD/L/d) degli acidi volatili tra DIGESTORI ANAEROBICI PROCESSI ENZIMATICI NATURALI (G i tDIGESTORI ANAEROBICI e PROCESSI ENZIMATICI NATURALI (Guiot, 2009):

Combinazione di in digestori: 6 nel rumine: 18

Combinazione di •Attività enzimatica•Variazioni di pH

nell’intestino delle termiti: 225 (!!)p

•Azione meccanica

Miglioramenti del processo ottenibili:Miglioramenti del processo ottenibili: Creando condizioni che stimolino la produzione endogena di enzimi

Aggiungendo enzimi idrolitici dall’esterno Aggiungendo enzimi idrolitici dall esterno

… (Ricerca!!)


Pre-trattamenti meccanici (triturazione, sfibratura,..)

• Rendono più rapido il processo, ma non cambiano il BMP

BMP

Velocità

Paglia di frumento - Dumas et al 2010

idrolisi


Paglia di frumento - Dumas et al., 2010.

Dal BMP al dimensionamento e all’efficienza dei digestori

Obiettivi del dimensionamento: massima efficienza degradativa:degradativa:

SMPR* / BMP 1R

*SMPR = produzione effettiva di metano del digestore (Nm3CH4/kgSVin)

Obiettivi della gestione:

1 per t = 0 – 365 giorni;

oppure:• VFA valore benchmark


VFA valore benchmark• H-Ac valore benchmark

Le quattro fasi in seriePROTEINE GRASSI CARBOIDRATIPROTEINE GRASSI CARBOIDRATImacromolecole

organiche complesse

rolis

i

1A

AMMINOACIDI ACIDI GRASSI MONOSACCARIDIidr

nesi

RO

FIC

Aag

gio’ ALCOLI, CHETONINH3

acid

ogen2

TEN

A T

Ri ‘

smon

ta

ogen

esi

3

ACIDI GRASSI VOLATILI

•C

AT

•o

di

acet

oes

i

ACIDO ACETICO

4

met

anog

en


CH4 CO2+ CH4H2 + CO2

m

biogas

Bilancio della velocità delle singole fasi

IDROLISI/ACIDOGENSIk = α

ACETOGENESIkacetogenesi = β

(kgCOD /d)

METANOGENESIkmetanogenesi = γ

kacidificazione = α(kgCODVFA/d)

(kgCODacetato/d) (kgCODCH4/d)

α ≤ β ≤γ

• squilibrio tra la velocità >>>• squilibrio tra la velocità >>>• accumulo prodotti intermedi >>>

• tossicità e inibizione a carico di una o più fasi


tossicità e inibizione a carico di una o più fasi

DIMENSIONAMENTO DEL PROCESSO

• Determinare il volume del o dei digestori, nell’ambito e in funzione di altre scelte progettuali (temperatura, numero di stadi o p g ( p ,fasi, configurazione reattore, tenore SST, ecc.)

t dgarantendo

• adeguata capacità metabolica del reattore ( carico di substrato alimentato nell’unità di tempo )substrato alimentato nell unità di tempo )

• adeguato tempo di permanenza nel reattore• adeguato tempo di permanenza nel reattore


DIMENSIONAMENTO PARAMETRICO

Sulla base di:

• carico organico volumetrico (CV o OLR organic loadingrate kgSV·m-3

di t ·d-1)rate, kgSV m digestore d )

• tempo di residenza nel reattore (HRT espresso in giorni)tempo di residenza nel reattore (HRT, espresso in giorni)

Approccio di ampio e generale utilizzo

Semplicità e numerosi riferimenti, pur sussistendo ampi intervalli di valori


Carico organico volumetrico (Cv o OLR)Carico organico volumetrico (Cv o OLR)

SVkgC

3digestoredigestore

org

3digestore

SV

mVd

C

dmkgOLR

ggg

Troppo alto: accumulo di VFA, pH acido, blocco dei t i imetanigeni

Troppo basso: il digestore è sottoalimentato, il carico può essere aumentato e così la produzione di biogaspuò essere aumentato e così la produzione di biogas.


Tempo di permanenza idraulico (HRT)Tempo di permanenza idraulico (HRT)

mV 3di tdi t

dm

Q

mVdHRT 3

digestore al alimentatidigestore

digestoredigestore

Troppo basso: degradazione non completa, rischio dil t bi

dilavamento biomassa Troppo alto: degradazione completa e massima

produzione di biogas I volumi del digestore sono peròproduzione di biogas. I volumi del digestore sono però molto elevati

2 – 7 giorni: solubili rapidamente biodegradabili, reflui agroindustriali 15 – 30 giorni: reflui zootecnici > 50 giorni: matrici ligno-cellulosiche


50 giorni: matrici ligno cellulosiche


OLR ed HRT sono tra loro dipendenti, in proporzione inversa in ragione della concentrazione C (kgSV/m3) inversa, in ragione della concentrazione C (kgSV/m )

presente nel substrato:

OLR = Portataalim·Calim/Vdigestore = Calim/HRT



12 014,016,0

ore/

d) Xs (2%)Xs (4%)Xs (8%)

8 010,012,0

m3

reat

to Xs (8%)Xs (12%)Xs (16%)

4,06,08,0

kgSV

/m Xs (20%)

0,02,0

CV

(k

0 20 40 60 80 100HRT (giorni)


Parametro limitante: OLR o HRT ?

• Nella digestione anaerobica di substrati semplici (carboidrati semplici, amidi, permeato del siero, ..) il(carboidrati semplici, amidi, permeato del siero, ..) il processo limitante è la METANOGENESI ►► OLR

• Nella digestione anaerobica di substrati “complessi” g p(particolati, fibrosi, elevato tenore di cellulosa, …) il processo più lento e limitante è l’ IDROLISI –ACIDIFICAZIONE ►► HRT


DIGESTORI AGRO-ZOOTECNICI

Effetto del carico organico volumetrico sull’efficienza di Effetto del carico organico volumetrico sull’efficienza di degradazione, rispetto al massimo raggiungibiledegradazione, rispetto al massimo raggiungibile

(Linke & Mahnert, 2005)


BMP

Rendimento di degradazione vs. portata specifica volumetrica


LIMITI DEL DIMENSIONAMENTO PARAMETRICO

• non correla il dimensionamento all’efficienza di degradazione richiesta;

• non include l’effetto delle condizioni operative (T°, pH), né di eventuali fattori inibenti;

• non consente di prevedere l’effetto di variazioni di carico o di HRT o di biodegradabilità anaerobica del substratodi HRT o di biodegradabilità anaerobica del substrato sull’efficacia del processo e sulla produzione di biogas;

ff l li i ll i ll• offre pertanto solo limitato supporto nella gestione e nella ottimizzazione del processo.


DIMENSIONAMENTO CINETICO

• I limiti del sistema parametrico possono essere superati con l’adozione di criteri di dimensionamento e gestione basati sulla valutazione ed il calcolo della velocità con cui avvengono i vari processi o i principali e più vincolanti di questi

• Modelli a 1 componente (substrato in alimento, COD o SV), 1 biomassa batterica, 1 processo (= 1 equazione di bilancio)

• Modelli a 2 substrati (substrato in alimento + VFA) 2 biomasse e 2• Modelli a 2 substrati (substrato in alimento + VFA), 2 biomasse e 2 processi (= 4 equazioni di bilancio) A MO CO Model (FAIR

• Modelli generali e completi del processo Anaerobic Digestion Model 1 – IWA


FM1

Diapositiva 23

FM1 Advanced Monitoring and Control of anaerobic digestionFrancesca Malpei; 21/02/2011

ELEMENTI DI CONFRONTO TRA I DUE CRITERI

Il dimensionamento con metodi parametrici offre molti i ( li i à di ibili à di i divantaggi (semplicità, disponibilità di parametri di

riferimento, ecc.), ma ha dei limiti che si manifestano soprattutto nel caso di ampia e continua variabilità dellesoprattutto nel caso di ampia e continua variabilità delle condizioni di carico, dimensionamento ad elevati OLR ed ottimizzazione spinta del processo.p p

Il dimensionamento (e soprattutto la gestione) sulla base delle cinetiche delle varie fasi del processo offre molti vantaggi teorici in termini di ottimizzazione e controllo del processo.


Classificazione/tipologia dei digestori (1)

I b l di diIn base al numero di stadi:

MONO-STADIO

BI STADIO (metanogenesi + BI-STADIO (metanogenesi + metanogenesi/campana)

S (id li i/ id i) BI-FASE (idrolisi/acidog. + metanogenesi)

PLURI-STADIO (idro/acid.+metano+ metano/campana)


Schema semplificato monostadio, senza riscaldamento

b t i di t irotovaglio

biogas agli utilizzi

serbatoio di stoccaggiorotovaglio

sistema galleggiante di lt

frazione solida

raccolta gas

vasca di raccolta lagone o vasca di accumuloe sollevamento

Circa 25 m3/anno biogas per 100 kg di peso vivo suino(CRPA)


Digestore semplificato (plug-flow) per solo liquame

s is tem a di copertura e

rotovaglio

praccolta biogas a s ingola

o a doppia m em brana

biogas agli utilizziCostruzione semplice ed economica (HRT = 20 – 60 d)

frazione solida

L’assenza di miscelazione comporta:

di ità di °T H b tt ifrazione solida

vasca di raccolta e sollevam ento

energia elettrica

acqua calda• disomogeneità di °T, pH, conc. batterica• formazione crosta superficiale • elevato contenuto di organico in uscita

s is tem a di riscaldam ento

elettrica

biogas

cogeneratore

Impiego limitato agli allevamenti cogeneratore

Circa 35 m3/anno biogas per 100 kg di peso vivo suino


Circa 35 m /anno biogas per 100 kg di peso vivo suino(fonte CRPA)

Monostadio con copertura gasometrica


BI-STADIO (solo parziale separazione delle fasi)

Schema impiantistico più comune

Ali i i l i iAlimentazione e miscelazione continue

Separazione dell’alimentazione tra liquame e matrici solidi (necessario corretto bilanciamento tra le due)

La separazione delle fasi (idrolisi/fermentazione e p ( /acetogenesi/metanogenesi) NON E’ NETTA

Sistema molto stabile, grazie a lunghi tempi di

Schema di riferimento delle linee guida EU AgroBiogas

Sistema molto stabile, grazie a lunghi tempi di permanenza


Schema di riferimento delle linee guida EU AgroBiogas

Digestore a due fasi

PROTEINE

GRASSI

CARBOIDRATI

Primo reattore

idrolisi/acidogenesi

ACIDI GRASSI MONOSACCARIDIAMMINOACIDI

idrolisi/acidogenesi

- basso HRT

- alto OLR > 10 kgVS/m3dALCOLI,CHETONI

ACIDI GRASSIVOLATILI,

C C

NH3

Secondo reattore

H2 + CO2 ACIDOACETICO

C3 , C4

ACIDOFORMICO

Secondo reattore

metanogenesi

- alto HRT

CO2CH4CH4

- basso OLR < 4 kgVS/m3d



In base al valore di carico organico alimentato (OLR):

Agro-zootecnia

BASSO OLR (< 4-5 kgSV/m3/d)

Agro zootecnia

BASSO OLR (< 4 5 kgSV/m /d)

ALTO OLR (> 5 – 10 kgSV/m3/d)


Sistemi alto carico per reflui industriali

Tecnologie di digestione sviluppate DA DIVERSI ANNI per trattare scarichi ad elevate concentrazioni di sostanza organica in formascarichi ad elevate concentrazioni di sostanza organica, in forma

prevalentemente disciolta:

Formazione di un letto di fango e granulazione della biomassa (UASB e derivati)

Sistemi a biomassa adesa Sistemi a biomassa adesa

• Filtri anaerobici up-flow o down-flow• Letti fluidiLetti fluidi

MBR anaerobici

OLR compresi nell’intervallo:


5 – 40 kgSV/m3/d

Reattore UASB (Lettinga)


AnMBR al servizio di un caseificio (Daisy Brand, Texas)

Siero e acque lavaggio

Mesofilia

Q = 190 m3/d

Rendimento = 99,7 %

CH4 prodotto ≈ 4000 Nm3/dQ = 190 m3/d

CODin = 60 kg/m3

4 p

~ 14.000 kWhel/d


CODout = 0,2 kg/m3


In base alla temperatura:

MESOFILIA

TERMOFILIA TERMOFILIA


38Vantaggi termofilia

d l ù d d b l Idrolisi e conversione più rapida di substrati complessi (biomasse vegetali)

Più elevata resa di degradazione a pari volume reattore Più elevata resa di degradazione, a pari volume reattore (maggior abbattimento SV, minori concentrazioni SV nell’effluente)

Produzioni potenziali massime (BMP) più elevate (da p ( ) p (approfondire caso per caso)

Più elevato abbattimento microrganismi patogeni (CLASS A Bi lid d EPA)Biosolids secondo norma EPA)

Minor sviluppo schiume


39Svantaggi termofilia

Fabbisogni termici più elevati, maggiori superfici di scambio per riscaldamento

Tenori inferiori di metano nel biogas (+ vapor acqueo e + CO2)Indipendentemente dalla condizione di processo

d tt t EVITARE VARIAZIONI DI T° / 1 2 °C Maggior concentrazione NH3 disciolta > rischio i ibi i

adottata, EVITARE VARIAZIONI DI T° > +/- 1 - 2 °C

inibizione

M i i hi t l bi di ti Maggior arricchimento nel biogas di composti organici volatili



In base al tenore di SST/SSV in alimento/nel reattore:reattore:

AD UMIDO (SSV digestore < 10 %)Maggior diffusione inAD UMIDO (SSV digestore < 10 %)

A SECCO (SSV digestore > 20 %)diffusione in ambito agro-zootecnico

Efficacia della digestione sul contenuto di SSV nel digestore (e nel digestato):(e nel digestato):

efficacia elevata: SSVdigestore << SSV alimento

efficacia modesta: SSV digestore < SSV alimento


Funzionalità ed oneri della miscelazione

Digestori a secco Schemi impiantistici semplificati (OLR > 8 kgCOD/m3/d)

A. Dranco; B. Kompogass; C. Valorga

Ambito agro-zootecnico (AN)

Impianto bi stadio con primario a seccoImpianto bi-stadio con primario a secco

Letame bovino, insilati, paglia, ..www.eisenmann.com/


www.eisenmann.com/

www.terra-viva.it/default.asp?idm=10


In base al regime idraulico:

A MISCELAZIONE COMPLETA (CSTR)In teoria, a pari volume, maggiori rese nel flusso a pistone

FLUSSO A PISTONE (PLUG-FLOW)rispetto a CSTR ma, nella pratica:

•Necessario ricircolo o inoculo

inputinput

biogasbiogas

M•Sedimentazione materiale solido particolato > accumuli

re-inoculation

inputinputll compostcompostss

liq idliq id

•Efficace negli impianti a SECCO

liquid fertilizerliquid fertilizer


Benckmark – DA digestori austrici (Pfeiffer, 2007)

500 kWel

Mais insilato + suinoMais insilato + suino

•56/34 in termini di massa in ingresso (+ 10% acqua)


•95,6/4,4 in termini di energia in ingresso

Benckmark – DA digestori tedeschi (Piccinini, 2008, dati FAL Federal Agricultural Research Centre)


Censimento/Benchmark impianti DAin Provincia di Cremona

In provincia di Cremona, al 2010, 51 impianti (in esercizio, in autorizzazione):

ANNO RICHIESTA

DOMANDA

N° IMPIANTI

2006 32006 3

2007 4

2008 42008 4

2009 10

2010 302010 30



BIOMASSA IN INGRESSO N° IMPIANTI

Trinciati 5

Reflui animali 0

Trinciati + Reflui animali 32

Sottoprodotti agroindustriali + trinciati 3Sottoprodotti agroindustriali + trinciati 3

Trinciati + Reflui animali +Sottoprodotti 7

Scarti macellazione 1

FORSU + sottoprodotti + reflui + insilati 2

G ll d 1Granella verde 1

Non disponibile 1



• Principali caratteristiche dei digestori:

N° DIGESTORI N° IMPIANTI

1 3

FORMA N° IMPIANTI

1 3

2 28

3 16

Cilindrica 45

Rettangolare 5

4 4 Ad anello 1

TEMPERATURA

PROCESSO

N° IMPIANTI

Mesofilo (30-40°C) 33

SISTEMA DI

RISCALDAMENTO

N° IMPIANTI

Interno 37( )

Termofilo (50-57°C) 3

Mesofilo e Termofilo 3

D ti di ibili 12

Interno 37

Esterno 7

Dati non disponibili 4


Dati non disponibili 12

Finanziata come Progetto Emblematico da Fondazione Cariplo


Tre linee di azione

Linea di ricerca applicata: Pre-trattamenti per aumento degradabilità; Sviluppo di nuove tecniche per la rimozione dell’ammoniaca dal

digestato Modellistica e controllo per miglioramento delle rese energetiche degli p g g g

impianti ……

Linea servizi Valutazione ed ottimizzazione del processo Supporto all’avvio e alla conduzione Analisi di routine Studi di fattibilità Studi di fattibilità Testing e collaudiIndagini e censimenti


…...

Linea “osservatorio”

L’Osservatorio, rivolto a soggetti pubblici e privati, riunisce i di i t t i di i t i i i t di f tdiversi portatori di interessi in un unico punto di confronto, propone azioni formative, monitora gli andamenti del settore ed i nuovi trend tecnologici ed economici emergenti, rende disponibili tutte le conoscenze ed esperienze maturate nei diversi ambiti di Fabbrica.


http://www.fabbricabioenergia.polimi.it

Grazie per l’attenzione

[email protected]


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