INTEGRAZIONE DEL PROCESSO AEROBICO CON UN PROCESSO ... · 1 San Zeno (Ar) - 30 Maggio 2015....

Francesco Di Maria, Laboratorio LAR – Dipartimento di Ingegneria – Università di Perugia

INTEGRAZIONE DEL PROCESSO AEROBICO CON UN PROCESSO ANAEROBICO PER IRIFIUTI ORGANICI:

BENEFICI ENERGETICI ED AMBIENTALI

INTEGRAZIONE DEL PROCESSO AEROBICO CON UN PROCESSO ANAEROBICO PER IRIFIUTI ORGANICI:

BENEFICI ENERGETICI ED AMBIENTALI

Francesco Di Maria

Laboratorio LAR5

Dipartimento di Ingegneria Università di Perugia

e.mail: [email protected]: www.lar.dii.unipg.it

Web: www.emares.it

1San Zeno (Ar) - 30 Maggio 2015


LA FRAZIONE ORGANICA DEI RIFIUTI: L’IMPIANTO DI TRATTAMENTO AEROBICO DI SAN ZENO

LA FRAZIONE ORGANICA DEI RIFIUTI: L’IMPIANTO DI TRATTAMENTO AEROBICO DI SAN ZENO


Termovalorizzatore40.000 t/anno RSU

Selezione meccanica

Trattamento meccanico-biologico aerobico(Compostaggio eBiostabilizzazione)


LA FRAZIONE ORGANICA DEI RIFIUTI: CARATTERISTICHE E PRODUZIONE

LA FRAZIONE ORGANICA DEI RIFIUTI: CARATTERISTICHE E PRODUZIONE

Circa 9.000.000 t/anno (Italia)Circa 100.000.000 t/anno (EU27)


Produzione pro capite = 150 kg/a/ab

Parametro FORSUUmidità (%ww-1) 72.7SV (% SS) 93.3EC (mScm-1) 1.98pH 4.97TOC (% SS) 29.1TKN (% SS) 2.67N organic (% SS) 2.64P (% SS) 1.55Cu (ppm SS) 11.4Zn (ppm SS) 38.7Pb (ppm SS) 29.2

Da Raccolta Differenziata (RD)


LA FRAZIONE ORGANICA DEI RIFIUTI: LA GESTIONE -ASPETTI NORMATIVI (1)



La gerarchia nella gestione dei rifiuti.

D.Lgs. 152/06 Art. 179 Parte IV Comma 1

a) Prevenzione

b) Preparazione per il riutilizzo

c) Riciclaggio

d) Recupero di altro tipo,per es. recupero di energia

e) Smaltimento

All. C (Recupero di Materia)

Non

Rifi

uto Massima protezione

dell’ambiente





ALLEGATO C: OPERAZIONI DI RECUPEROR1 Utilizzazione principale come combustibile o come altro mezzo per produrre energiaR2 Rigenerazione/recupero di solventiR3 Riciclo/recupero delle sostanze organiche non utilizzate come solventi (comprese le operazioni di compostaggio e altre trasformazioni biologiche) = Ammendante compostato mistoR4 Riciclo/recupero dei metalli e dei composti metalliciR5 Riciclo/recupero di altre sostanze inorganicheR6 Rigenerazione degli acidi o delle basiR7 Recupero dei prodotti che servono a captare gli inquinantiR8 Recupero dei prodotti provenienti dai catalizzatoriR9 Rigenerazione o altri reimpieghi degli oliR10 Spandimento sul suolo a beneficio dell’agricoltura o dell’ecologia (come fanghi da depurazione)R11 Utilizzazione di rifiuti ottenuti da una delle operazioni da R1 a R10R12 Scambio di rifiuti per sottoporli a una delle operazioni indicate da R1 a R11R13 Messa in riserva di rifiuti per sottoporli a una delle operazioni indicate nei punti da R1 a R12(escluso il deposito temporaneo, prima della raccolta, nel luogo in cui sono prodotti)


LA FRAZIONE ORGANICA DEI RIFIUTI: IL RECUPERO -ASPETTI NORMATIVI (1)



[R3: Riciclo/recupero delle sostanze organiche non utilizzate come solventi (comprese le operazioni di compostaggio e altre trasformazioni biologiche)]

Condizione R3 = cessazione stato di rifiuto

Prescrizioni/criteri per ottenere R3• Origine del rifiuto;• Processi per il trattamento;• Parametri di processo (Temperature e tempi);• Caratteristiche chimico-fisiche e biologiche;• Effettivo utilizzo.





Quadro normativo nazionale e comunitario

• D.M. 05/02/1998 All. 1 – Sub.1 punti 15 e 16 (IT)• D.Lgs. 75/2010 sui fertilizzanti (IT)• Criteri End of Waste (EOW) (EU)






D.M. 05/02/1998 All. 1 – Sub.1 punti 15 e 16 (IT)•Punto 15 processo di digestione anaerobica per recupero biogas;•Punto 16 processo di compostaggio, per produzione ammendante (D.Lgs. n.75/2010) (R3);•Punto 16, parametri processo aerobico (compostaggio): durata ≥90gg; T≥ 55°C t≥3gg;•Punto 16, origine dei rifiuti: rifiuti provenienti dalla raccolta differenziata e/o selettiva





Quadro normativo nazionale e comunitarioD.Lgs. 75/2010 sui fertilizzanti (IT)•Caratteristiche Ammendante Compostato Misto N° 5 Tab. Ammendanti

Concentrazione Metalli mg/kg s.sPiombo totale 140Cadmio totale 1,5Nichel totale 100Zinco totale 500Rame totale 230Mercurio totale 1,5Cromo esavalente totale 0,5

Principali caratteristicheUmidità max 50%pH 6-8,5Corg 20% ssC umico+fulv. 7%ssN org ss ≥ 80% NtotC/N max 25G.I. (dil. 30%) ≥60%






EOW (UE)Criteri per cessazione stato di rifiuto• Origine del rifiuto: Rifiuti organici biodegradabili da attività domestiche ed altri…;• Tipologia di raccolta: differenziata con sacchi biodegradabili;• Requisiti dei trattamenti, parametri del processo:

- Trattamento aerobico: T≥65°C t≥5gg; T≥60°C t≥7gg; T≥55°C t≥14gg;- Digestione anaerobica: T=55°C per 24h HRT≥20gg; T=55°C con pastorizzazione 70°C 1h; T=55°C o 37°C con successivo compostaggio.

•Rispetto normative fertilizzanti nazionali.


IL TRATTAMENTO AEROBICO: PARAMETRI E TRASFORMAZIONI DELLA MATERIA

IL TRATTAMENTO AEROBICO: PARAMETRI E TRASFORMAZIONI DELLA MATERIA


0 5 10 15 20 250

10

20

30

40

50

60

70

80

Fase

mes

ofila

CO

2, va

pore

, pH

=4-5

Fase di maturazionepH=7.4

Fase termofiladisinf., pH=8

Cumuli rivoltati Cumuli statici

[°C]

GiorniMiscelazione con materiale ligneo-cellulosico Andamento temperatura

Trasformazionibiochimiche

Ossidazione accelerataCirca 28 gg

Maturazione>60gg

Consumo materia organica


IL TRATTAMENTO BIOLOGICO AEROBICO: L’IMPIANTO ESISTENTE

IL TRATTAMENTO BIOLOGICO AEROBICO: L’IMPIANTO ESISTENTE


Scopo del processo: produzione di un fertilizzante organico (ammendantecompostato misto)

Aria (30-50kWh/t)Energia per ventilatori

Fase di ossidazione accelerataFase di maturazione

R3


LA DIGESTIONE ANAEROBICA: PROCESSO E PRODOTTILA DIGESTIONE ANAEROBICA: PROCESSO E PRODOTTI


ABP

0200400600800

100012001400

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100days

ml b

ioga

s*g T

S-1Rifiuti organici

(Ingestato)

Digestato

Biogas80-160 Nm3/tEnergia recuperabile140-320 kWh/t

60% CH440% CO2

Batteri

Durata=20-30ggT=37°C-55°C

Digestore

Schema impiantoRecupero di Energia €

Liquido, a smaltimento

Solido, a recupero R3 (ammendante)

Elemento di criticità !!


LA DIGESTIONE ANAEROBICA: LE TECNOLOGIELA DIGESTIONE ANAEROBICA: LE TECNOLOGIE


A umido = SS≤15% - Umidità ≥ 85%A secco = 15≤ SS≤20% - 80≤ Umidità≤85%

Allo stato solido = 25≤ SS≤35% - 65≤ Umidità≤75%


LA DIGESTIONE ANAEROBICA: LE TECNOLOGIE A UMIDOLA DIGESTIONE ANAEROBICA: LE TECNOLOGIE A UMIDO


A umido = SS≤15% - Umidità ≥ 85%

Vantaggi• Elevata resa di biogas per ton di rifiuto• Elevata stabilità del processo• Processi in continuo (elevata automazione fasi di

carico e scarico dig.)Svantaggi• Elevato pretrattamento del rifiuto (impianti ed

energia = costi);• Elevati quantitativi di digestato liquido (costi per

smaltimento)


LA DIGESTIONE ANAEROBICA: LE TECNOLOGIE A SECCOLA DIGESTIONE ANAEROBICA: LE TECNOLOGIE A SECCO


A secco = 15≤ SS≤20% - 80≤ Umidità≤85%

Vantaggi• Buona resa di biogas per ton di rifiuto• Buona stabilità del processo• Processi in continuo (elevata automazione fasi di

carico e scarico dig.)Svantaggi• Pretrattamento del rifiuto (impianti ed energia =

costi);• Quantitativi di digestato liquido (costi per

smaltimento)


LA DIGESTIONE ANAEROBICA: LE TECNOLOGIE ALLO STATO SOLIDO

LA DIGESTIONE ANAEROBICA: LE TECNOLOGIE ALLO STATO SOLIDO


Vantaggi• Blando pretrattamento del rifiuto;• Ridotti quantitativi di digestato liquido (costi per

smaltimento).Svantaggi• Rischi di instabilità del processo;• Processi in discontinuo (benne);• Minore resa di biogas per ton di rifiuto.

Allo stato solido = 25≤ SS≤35% - 65≤ Umidità≤75%


INTEGRAZIONE DEL TRATTAMENTO AEROBICO CON L’ANAEROBICO ALLO STATO SOLIDO

INTEGRAZIONE DEL TRATTAMENTO AEROBICO CON L’ANAEROBICO ALLO STATO SOLIDO


Digestato liquido

Digestato solido

Frazione organica

Ammendante (R3)

Biogas+Energia


INTEGRAZIONE DEL TRATTAMENTO AEROBICO CON L’ANAEROBICO : SINERGIE DI PROCESSO – EFFETTI

ENERGETICI E AMBIENTALI

INTEGRAZIONE DEL TRATTAMENTO AEROBICO CON L’ANAEROBICO : SINERGIE DI PROCESSO – EFFETTI

ENERGETICI E AMBIENTALI


• Conduzione di tutte le fasi più attive in ambienti confinati e controllati;

• Riduzione delle emissioni odorigene;• Ridotta reattività biologica del digestato;• Produzione di energia e riduzione consumi trattamento aerobico;• Bilancio energetico fortemente positivo;• L’inserimento della D.A. in un processo di trattamento biologico dei

rifiuti è una BAT (Tabella 5.1 – IPPC, D.M. 29/01/2007).


LA DIGESTIONE ANAEROBICA: RECUPERO DI ENERGIA ELETTRICA E TERMICA

LA DIGESTIONE ANAEROBICA: RECUPERO DI ENERGIA ELETTRICA E TERMICA


Biogas (60%CH4 + 40 CO2)

Calore300-650 kWh/t

Motori a combustione(Tradizionale)

Elettricità rinnovabile140-320kWh/t


LA DIGESTIONE ANAEROBICA: IL BIOMETANOLA DIGESTIONE ANAEROBICA: IL BIOMETANO


Biogas60%CH440%CO2

Biometano95%CH4

Rete GN

Processi di Purificazione

CO2 CAR

D.M. 05/12/2013 Biometano


LA DIGESTIONE ANAEROBICA: IL BIOMETANO –TECNOLOGIE PER L’UPGRADING (1)



Lavaggio mediante assorbimento chimico-fisico





Membrane polimeriche semipermeabili


LA DIGESTIONE ANAEROBICA ED IL TRATTAMENTO AEROBICO: DIGESTATO SOLIDO

LA DIGESTIONE ANAEROBICA ED IL TRATTAMENTO AEROBICO: DIGESTATO SOLIDO

24San Zeno (Ar) - 27 Marzo 2015

Parametero Fraz. Org. DigestatoLimiti D.Lgs.

75/2010Umidità (%) 72.67 62.67 <50SV (% SS) 93.27 76.71 -

pH 4.97 8.71 6.0-8.5EC (mScm-1) 1.98 2.27 -TOC (% SS) 29.09 49.96 >20TKN (% SS) 2.67 1.76 -

N organic (%SS) 2.64 1.52 >80% of TKNC/N 11.40 28 <25

Cu (ppm SS) 38.75 36.40 <150Zn (ppm SS) 29.22 121.5 <500Pb (ppm SS) 1.55 34.10 <140

GI (%) - 51.3 >60

Caratteristiche del digestato (30gg di trattamento)

• Necessità di un successivo blando trattamento aerobico

• Minori consumi di energia


LA DIGESTIONE ANAEROBICA ED IL TRATTAMENTO AEROBICO: ASPETTI AMBIENTALI

LA DIGESTIONE ANAEROBICA ED IL TRATTAMENTO AEROBICO: ASPETTI AMBIENTALI


Digestato liquido

Digestato solido+Eneregia

Frazione organica

Ammendante (R3)

2.1) Biogas+Energia2.2) Biometano

Ammendante (R3)Frazione organica+Energia

1) Solo aerobico

2) Anaerobico+aerobico


L’ANALISI DEL CICLO DI VITA: LCAL’ANALISI DEL CICLO DI VITA: LCA


LCA è uno strumento oggettivo di valutazione ambientale per analizzare e quantificare le implicazioni ambientali di beni durante tutte le fasi del ciclo di vita; dall’estrazione delle materie prime, alla produzione industriale fino

all’uso dei beni, incluso lo smaltimento a fine vita “dalla-culla-alla-tomba”.


PRINCIPALI FASI DELLO STUDIO DI LCAPRINCIPALI FASI DELLO STUDIO DI LCA



PRINCIPALI FASI DELLO STUDIO DI LCA: L’INVENTARIOPRINCIPALI FASI DELLO STUDIO DI LCA: L’INVENTARIO


EMISSIONE

CLASSIFICAZIONE

CARATTERIZZAZIONE

NORMALIZZAZIONE

Esempio: Stralcio inventario emissioni processodi produzione di 1 kg di carta

Emissions to airHeat, waste high. pop. 12,6 MJ Lognormale 1,13Carbon dioxide, biogenic high. pop. 0,193 kg Lognormale 1,63Carbon dioxide, fossil high. pop. 0,406 kg Lognormale 1,13Nitrogenoxides high. pop. 0,000694 kg Lognormale 1,52Sulfurdioxide high. pop. 0,000734 kg Lognormale 1,13Particulates, < 2.5 um high. pop. 0,000214 kg Lognormale 3,02Particulates, > 10 um high. pop. 0,000025 kg Lognormale 1,52Carbon monoxide, fossil high. pop. 2,31E-05 kg Lognormale 5,37Ammonia high. pop. 3,54E-06 kg Lognormale 1,88Arsenic high. pop. 3,44E-08 kg Lognormale 1,88Benzene high. pop. 2,92E-06 kg Lognormale 1,88Benzene, ethyl- high. pop. 6,09E-08 kg Lognormale 1,88Benzene, hexachloro- high. pop. 1,46E-14 kg Lognormale 1,88……….

Emissions to waterAOX, Adsorbable Organic Halogen as Cl river 7,9E-07 kg Lognormale 1,52BOD5, BiologicalOxygenDemand river 0,00568 kg Lognormale 1,52COD, ChemicalOxygenDemand river 0,00659 kg Lognormale 1,52Sulfate river 0,00346 kg Lognormale 1,52Nitrogen river 3,16E-05 kg Lognormale 1,52Phosphorus river 3,95E-06 kg Lognormale 1,52Suspendedsolids, unspecified river 0,00179 kg Lognormale 1,52…………….


PRINCIPALI FASI DELLO STUDIO DI LCA: VALUTAZIONE DELL’IMPATTO – METODO CML 2001

PRINCIPALI FASI DELLO STUDIO DI LCA: VALUTAZIONE DELL’IMPATTO – METODO CML 2001


Categoria di impatto Acronimo Unità di misura

Fattori di Normalizzazi

oneUnità di misura

Consumo di risorse ADP kg Sbeq 1.56E+ 11 kgSb eq./a

Acidificazione AP kg SO2eq 3.22E+ 11 kgSO2 eq./a

Eutrofizzazione EP kg PO=4 1.32E +11 kgPO4 eq./a

Riscaldamento globale GWP Kg CO2eq 4.15E+ 13 kgCO2 eq./a

Assottigliamento ozono stratosferico OLDP kg CFC-11eq 5.15E+ 8 kgCFC-11 eq./a

Tossicità umana HTP kg 1,4-DBeq 5.71E+ 13 kg1,4-DB eq./a

Formazione fotochimica di ozono POP kg C2H4eq 9.69E+ 10 kgC2H2 eq./a

Ecotossicità Terrestre TEP kg 1,4-Dbeq 2.69E+ 11 kg1,4-DB eq./a


PRINCIPALI FASI DELLO STUDIO DI LCA: VALUTAZIONE DELL’IMPATTO – CLASSIFICAZIONE E

CARATTERIZZAZIONE

PRINCIPALI FASI DELLO STUDIO DI LCA: VALUTAZIONE DELL’IMPATTO – CLASSIFICAZIONE E

CARATTERIZZAZIONE



CONFRONTO – LCA PER TONNELLATA TRATTATA CONFRONTO – LCA PER TONNELLATA TRATTATA


ADP GWP OLDP HTP TEP POP AP EP-1,00E-011

-8,00E-012

-6,00E-012

-4,00E-012

-1,00E-012

0,00E+000

1,00E-012

Impa

tto n

orm

aliz

zato

Categoria di Impatto

Dig.Ana.+Compost.+Elettr. Compostaggio Dig. An.+Compost.+Biomet.

Per tonnelata di rifiuto


CONFRONTO – LCA PER kWh PRODOTTO/CONSUMATOCONFRONTO – LCA PER kWh PRODOTTO/CONSUMATO


ADP GWP OLDP HTP TEP POP AP EP-4,00E-014

-3,00E-014

-2,00E-014

-1,00E-014

0,00E+000

1,00E-014

2,00E-014

3,00E-014

Impa

tto n

orm

aliz

zato

Categoria di Impatto

Dig.An.+Compost.+Elettr. Compost. Dig.An.+Compost.+Biomet.

Per kWh elettrico


Stato attuale

Compostaggio Biostabilizzazione

Stato di progetto

BiostabilizzazioneCompostaggio

Pre-trattamentoAnaerobico (BAT)

LA DIGESTIONE ANAEROBICA ED IL TRATTAMENTO AEROBICO: IL PROGETTO SAN ZENO

LA DIGESTIONE ANAEROBICA ED IL TRATTAMENTO AEROBICO: IL PROGETTO SAN ZENO



LA DIGESTIONE ANAEROBICA ED IL TRATTAMENTO AEROBICO: IL PROGETTO SAN ZENO - PRESTAZIONILA DIGESTIONE ANAEROBICA ED IL TRATTAMENTO AEROBICO: IL PROGETTO SAN ZENO - PRESTAZIONI


• FORSU trattabile, 25.000-28.000 t/anno;

• Biogas producibile, 2.500.000 Nm3/anno – 3.300.000 Nm3/anno;

• Energia elettrica producibile, 4.400 MWh/anno-5.800 MWh/anno;

• Biometano producibile, 1.400.000 Nm3/anno – 1.900.000 Nm3/anno.


CONCLUSIONICONCLUSIONI


1) L’utilizzo della digestione anaerobica per il pretrattamento della frazioneorganica è una BAT;

2) L’introduzione della digestione anaerobica comporta notevoli beneficienergetici ed ambientali;

3) L’attuale impiantistica di San Zeno può essere integrata tramite larealizzazione di una nuova sezione di pretrattamento anaerobico con impattiurbanistici trascurabili.


GRAZIE PER L’ATTENZONE!GRAZIE PER L’ATTENZONE!


Francesco Di Maria

Laboratorio LAR5

Dipartimento di Ingegneria Università di Perugia

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Web: www.emares.it

INTEGRAZIONE DEL PROCESSO AEROBICO CON UN PROCESSO ... · 1 San Zeno (Ar) - 30 Maggio 2015....

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