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Biogas in aree alpine: Post-trattamento

Gestione sostenibile del digestato: panoramica sulle tecniche di trattamento – Klima Energy 27.03.2015

Post-trattamento – Il perché

Generale

In base alla matrice scelta…

Tipologia Variabili

Biomassa

Effluenti zootecnci

Scelta delle matrici organiche da usare nel processo di digestione

anaerobica (mono o co-substrati)

Biomasse da colture dedicate

Fanghi di depurazione Frazione organica dei rifiuti urbani (FORSU) Residui agricoli Residui agro-industriali e della produzione alimentare

Dipende da:

Scelta di dare priorità a effluenti o residui aziendali

Fattori che influiscono sulle scelte, basate su

specifiche e strategiche logiche gestionali

Possibilità di trovare biomasse dedicate Abilità nel trovare substrati adatti a basso prezzo Trasporto e gestione delle matrici organiche utilizzate Produttività in termini di biogas prodotto

Impianto biogas a RIFIUTI Digestato = Rifiuto speciale = Costo per recupero/smaltimento • Importante ridurre frazione da smaltire • Possibilitá di scarico in acque superficiali o in

fognatura

Impianto biogas AGRICOLO

Digestato = Fertilizzante

• Molte regioni hanno un surplus d‘azoto/scarsità di SAU – DIRETTIVA NITRATI

3


Generale

…problematiche da affrontare

Obiettivo: proteggere la qualità delle acque superficiali e sotterranee in Europa, prevenendo inquinamento da nitrati di origine agricola e promuovendo l’uso di buone pratiche agricole

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Direttiva Nitrati (91/676/CE)

Generale

Recepimento Italia: • D.lgs. 152/1999 • D.M. 7 aprile 2006 • D.M. 19 aprile 1999 Limite annuo massimo di spargimento dei reflui degli allevamenti e di quelli provenienti dalle piccole aziende agroalimentari, fino a: - 170 kg (N)/ha in ZVN (deroga 250 kg) - 340 kg (N)/ha in OZ Regolamentazione dell’utilizzo agronomico degli effluenti zootecnici e dei reflui aziendali

Obblighi derivanti dalla direttiva • Monitoraggio delle acque • Designazione di Zone Vulnerabili da Nitrati (ZVN) di

origine agricola • Predisposizione ed attuazione di Programmi d’azione

nelle Zone Vulnerabili

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Direttiva Nitrati (91/676/CE)

Generale

Europa ed Italia

Fonte: European Commission, Joint Research Centre Base Maps

ZVN = 45% del territorio UE-27

Danimarca, Germania, Irlanda, Lituania, Lussemburgo, Malta,

Olanda, Austria, Slovenia e Finlandia = 100% ZVN

Fonte: DG Environment - dati 2012

Direttiva Nitrati (91/6767CE)

Generale

ZVN e surplus di azoto

ZVN = 12,9% del

territorio nazionale

Piemonte, Lombardia, Emilia

Romagna e Veneto = 66,6%

ZVN italiana e 50% area di

pianura bacino Po

Fonte: DG Environment - dati 2012

Fonte: CRPA, 2012

Generale

Ottimizzare il ciclo dei nutrienti

Impianto biogas

Spandimento

Coltivazione biomasse

Alimentazione

Refluo zootecnico

Ciclo chiuso - esempio • Allevamento con 1.000 UBA

• Produzione liquame: 23.700 t/a

• N prodotto: 61.700 kg/a

• SAU necc. in ZVN: 363 ha

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Generale

• Le limitazioni sui quantitativi di N distribuibili in campo penalizzano gli allevamenti che insistono su territori ad elevata densità zootecnica e magari in Zone Vulnerabili.

• Il problema è più grave negli allevamenti senza terra o con insufficiente dotazione di terreni, magari molto distanti, nei quali distribuire correttamente gli effluenti.

• Caso tipico degli allevamenti avicoli o suini in cui l’approvvigionamento alimentare è prevalentemente extra-aziendale.

• L’affitto di terreni supplementare su cui distribuire causa l’aumento dei costi dell’operazione spesso ben oltre la convenienza economica.

• In alternativa si può percorrere la strada dei trattamenti in grado di ridurre la quota di N da utilizzare in campo e/o rendere sostenibile il trasferimento a lunga distanza su terreni extra-aziendali.

Generale

Le tecniche per la rimozione/riduzione dei nutrienti sono tecnologie basate su processi meccanici, fisico-chimici e biologici, a cui il refluo/digestato é sottoposto prima di

essere utilizzato in campo

Processi chimico-fisici

Processi biologici Separazione

solido/liquido

Classificazione dei trattamenti

• Su materiale non palabile (liquame, digestato) • Su materiale palabile (letame, frazioni solide separate, pollina)

• Trattamenti conservativi: non eliminano i nutrienti (N e P) , ma agiscono ripartendoli in una frazione

concentrata a volume ridotto che può essere esportata e valorizzata sul mercato come concime organico o nella distribuzione agronomica con la riduzione dei costi di trasporto

• Trattamenti riduttivi: riducono il tenore di N trasformandolo in N molecolare e quindi gassoso e inerte in atmosfera

Trattamenti

Tecnologie meccaniche che non coinvolgono un atttuale riduzione del contenuto totale di nutrienti, ma solo una loro differente allocazione in due diverse frazioni - una liquida (chiarificata, pompabile) - una solida (palabile). Le due frazioni hanno caratteristiche diverse, che le rendono adatte a diversi utilizzi, facilitandone la gestione in azienda. I separatori sono normalmente integrati e collocati a monte di trattamenti per il reale abbattimento dei nutrienti e a valle dei digestori anaerobici

Separazione solido/liquido

FRAZIONE SOLIDA

- Trasportata fuori dall‘azienda

- Compostaggio… N

FRAZIONE LIQUIDA

- Ulteriori trattamenti di abbattimento nutrienti

- Fertirrigazione…

Trattamenti


Sommer et al., 2012

Trattamenti

Separazione solido/liquido (⊘ ≥ 0.1 mm)

(⊘ ≤ 0.1 mm)

- Separatori a bassa efficienza: vagli, vibrovagli, sepratori elicoidali e a rulli contro rotanti.

- Costi di investimento 25-40.000 €; costi di gestione: 0.05-1 €/m3

Fonte: ERSAF

- Separatori ad alta efficienza: nastro-pressa, centrifuga, sedimentatori, flocculatori + coagulanti/flocculanti.

- Costi di investimento 80-150.000 €; costi di gestione: 0.35-1.2 €/m3

Trattamenti


13 13

Al compostaggio

Digestione Substrati in ingresso Separazione

solido/liquido

Utilizzo agronomico

Compostaggio

FRAZIONE LIQUIDA

Trattamenti


TRATTAMENTI BIOLOGICI - riduttivi Stabilizzazione aerobica (e anossica) Nitrificazione biologica Denitrificazione biologica Processi innovativi TRATTAMENTI TERMICI - conservativi Strippaggio Evaporazione Essiccamento TRATTAMENTI A MEMBRANA - conservativi Ultrafiltrazione Osmosi inversa

Trattamenti della fase liquida

FRAZIONE LIQUIDA

Trattamenti biologici

1. FASE AEROBICA: AMMONIACA VIENE OSSIDATA A NITRATO • Batteri autotrofi aerobi

2. FASE ANAEROBICA: NITRATO VIENE RIDOTTO AD AZOTO MOLECOLARE • Batteri eterotrofi • Necessita di una adeguata disponibilità di

sostanze organiche degradabili

Nitrificazione/Denitrificazione

NITRO/DENITRO = processo già da tempo utilizzato per il

trattamento di liquami zootecnici

3. SEDIMENTAZIONE • Separazione dei solidi fini e della biomassa

microbica parzialmente ricircolati per mantenere stabile il processo


Nitrificazione/denitrificazione – in continuo o multifase

Processo particolarmente costoso a causa della richiesta di energia e ossigeno per la nitrificazione. I costi variano secondo ERSAF tra 5 e 7 €/m³ Viene separato anche il FOSFORO

Fonte: ERSAF

L’azoto non viene recuperato ma trasformato in forma molecolare


Nitrificazione/denitrificazione – Sequenced Batch Reactor (SBR)

SBR = processo discontinuo a monofase

La tecnologia discontinua, rispetto a quella tradizionale, punta a una riduzione dei volumi dell’impianto tramite un’ottimizzazione delle sequenze operative. È necessaria un’automazione più spinta - I costi operativi + di automazione non trascurabili.

Fonte: ERSAF


Nitrificazione/denitrificazione – Membrane Batch Reactor (MBR)

MBR = Sistema molto compatto – possibile la containerizzazione

SBR + microfiltrazione = effluente ultra-chiarificato e privo di batteri

All‘uscita del reattore batch viene installata una membrana, che aumenta il tempo di ritenzione (HRT) dei microorganismi e dei solidi

Fonte: ERSAF

Due sistemi diversi: filtrazione interna/esterna Importante fabbisogno d‘energia elettrica – aumenta con la diminuzione della permeabilità della membrana a causa di fenomeni di intasamento

Trattamenti biologici innovativi

Sharon e Heminiff Obiettivo: RIMOZIONE DELL‘AZOTO ACCORCIANDO IL CICLO NITRO/DENITRO - L‘ossidazione dell‘Ammoniaca a Nitrato richiede molta energia - La denitrificazione da Nitrato ad Azoto molecolare richiede carbonio organico SI STANNO STUDIANO PROCESSI ALTERNATIVI A MINORE IMPATTO ENERGETICO

Fonte: ERSAF

• Processo SHARON® (Single Reactor system for

High Activity Ammonia Removal Over Nitrite) = esempio di ossidazione arrestata a Nitrito (nitrosazione).

• Basi del processo: a temperature abbastanza elevate (30 – 40 °C) i microorganismi nitrito-ossidanti hanno tassi di crescita inferiori rispetto ai microrganismi ammonio-ossidanti. In normali condizioni la temperatura deriva dal processo AD stesso.


Sharon e Heminiff

Fonte: ERSAF

Il processo permette un risparmio: • del 25% dell’energia necessaria all’ossigenazione della biomassa e • del 40% di fonte di carbonio esterna per la crescita dei batteri

denitrificanti. • Tempi di ritenzione del fango molto brevi. • Volume di reazione ridotto rispetto alla normale nitro-denitro. ANCORA IN FASE DI SPERIMENTAZIONE

• Processo HEMINIFF® (HEMI-

nitrification on Fixed Film) = associate ad una seconda vasca di denitrificazione e consiste nella nitrosazione condotta in un reattore a letto fisso sommerso o semovente. Più efficiente dello SHARON

• L’uso di corpi di riempimento determina una maggior concentrazione di biomassa, permettendo di lavorare a maggiori ORL.


Anammox

Fonte: ERSAF

PROCESSO ANAMMOX®

- Processo Anammox® (ANoxic AMMonium

Oxidation) = processo di rimozione dell’ azoto completamente autotrofico.

- Ossidazione anaerobica dell’ Ammonio ad Azoto molecolare, utilizzando come accettore di elettroni il Nitrito.

• Il processo viene svolto da microorganismi specifici – organismi «ANAMMOX» (Planctomycetes):

• Batteri autotrofi anaerobici • Sono stati osservati la prima volta nel 1995 • Contribuiscono al 70% del ciclo dell’azoto negli oceani.

Nitrificazione (parziale): 2NH4+ + 1.5O2 => NH4

+ + NO2- + H2O + 2H+

Anammox: NH4+ + NO2

- => N2 + 2H2O


Anammox

Fonte: ERSAF

VANTAGGI • Riduzione degli spazi necessari alla realizzazione dell’impianto • I consumi di energia si riducono di circa il 60% • Non si ha necessità di fonti esterne di carbonio (-100%) • Produzione di fanghi di supero è minima (-85%).

SVANTAGGI - Lenta crescita della popolazione di microrganismi ANAMMOX - Tempi di duplicazione batterica: ogni due settimane - Causa tempi di start-up estremamente lunghi per gli impianti

Primo impianto ANAMMOX nei Paesi Bassi


Sharon/Anammox

Fonte: ERSAF

I processi Sharon/Anammox possono essere combinati per la rimozione autotrofa dell‘azoto

Processo SHARON converte circa metá (50-60%) del carico di ammonio a nitrito la miscela di azoto nitroso e ammoniacale deve essere in proporzione molare 1:1. Processo ANAMMOX converte l‘ammonio e il nitrito in N2 e acqua

Attualmente esistono 4 impianti „full scale“ nel mondo, tutti in depuratori

Trattamenti termici

Strippaggio

• Abbattimento dell’azoto attraverso un processo chimico di desorbimento che produce ammoniaca in fase gassosa.

• Per rendere possibile lo strippaggio, è necessario elevare i valori di pH (10,5 – 11,5) e di temperatura. Aggiunta di una base (calce).

• L’ammoniaca prodotta viene mandata in una colonna di lavaggio (scrubber) dalla quale esce in forma i sale (solfato di ammonio).

• Il sale in uscita dallo scrubber, il solfato di ammonio (generalmente liquido, soluzione), può essere utilizzato come fertilizzante (N% = 6).

Fonte: ERSAF

Trattamenti termici

Strippaggio

Costi indicati da ERSAF = 9 – 12 €/m³ (Con energia termica a costo zero si può ridurre a 2 – 4 €/m³)

Fonte: ERSAF

Questa tecnica non viene contemplata nelle BAT

• Costi di investimento e operativi (reagenti chimici, separazione) elevati

• Tecnologia, benché consolidata a livello industriale, relativamente nuova per quanto riguarda l’applicazione sui reflui zootecnici/digestato

• Non è chiara l’entità e la tipologia delle eventuali emissioni gassose dovute al processo normativa emissioni cambia da regione a regione

• L’utilizzo del solfato d’ammonio che si ottiene dal procedimento non è ancora adeguatamente normato

SVANTAGGI

Trattamenti termici

Evaporazione/concentrazione

• Nuove tecnologie usano evaporatori sotto vuoto. • La frazione evaporata --> condensazione per

raffreddamento: si ottiene il distillato (60-80% refluo). • La frazione mantenuta nel reattore tende a

concentrarsi progressivamente: rappresenta il concentrato (ST% = 15-63). Non palabile.

• Al fine di impedire l’evaporazione dell’Ammoniaca, che altrimenti sarebbe convogliato nel distillato, si può abbassare a valori di 5-6 il pH delle matrici in ingresso con acido solforico o fosforico.

Riduzioni volumi fino al 90% Ammoniaca rimane concentrata nel chiarificato Trattamento chiarificato con acido (pH 5,5 - 6) Forti consumi termici

Fonte: ERSAF

Trattamenti chimico-fisici

Precipitazione come Struvite

La procedura di estrazione dell’Azoto come Struvite consiste nell’ aggiunta di Magnesio (Mg) alla frazione liquida del refluo, così da formare un composto cristallino chiamato Struvite o MAP (Magnesium Ammonium Phosphate hexa-hydrate, NH4MgPO4*6H2O), che può essere utilizzato come fertilizzante fosfatico e/o a lento rilascio di Azoto.

Mg2+ + NH4+ + H2PO4

- + 6H2O -> MgNH4PO4*6H2O + 2H+

Fonte: ERSAF

Cristallizzazione della Struvite – REAZIONE:

I principali parametri per la cristallizzazione della Struvite sono rappresentati: • pH (ideale 8 – 9) • grado di saturazione • Temperatura • presenza di altri ioni in soluzione (in particolare ioni di Calcio) • Rapporto Mg:N:P = 3:1:1

Trattamenti chimico-fisici

Precipitazione come Struvite

Fonte: ERSAF

Questa tecnica non viene contemplata nelle BAT

SVANTAGGI Costi operativi (reagenti chimici) elevati - I costi orientativi: 15-20 €/m³ di liquame trattato. La tecnologia, applicata sui reflui zootecnici si dimostra molto più efficace in termini di abbattimento del FOSFORO che dell’AZOTO. È incerta la possibilità di commercializzare la Struvite come ammendante fosfatico e/o azotato in quanto, ad oggi, non è riconosciuta dalla normativa nazionale vigente in materia.

Trattamenti termici

Essiccamento/disidratazione L’essiccazione avviene con processi convettivi ad opera di aria riscaldata con l’energia termica recuperata dal motore e dai fumi del cogeneratore. Prodotti finali: materiale solido essiccato (N = 19%) e solfato d’ammonio (15%)

Nel processo si hanno non trascurabili emissioni di azoto

ammoniacale: ciò rende necessario il trattamento dell’aria

in uscita dall’impianto con un sistema di abbattimento

(scrubbing).

Fonte: ERSAF

Costo di investimento: 400-500.000 € per impianti da 8.000 m3/h Costo di gestione: 3-6 €/m3

Scrubber (NH4)2SO2

Trattamenti termici

Essiccamento/disidratazione

Essiccamento solare

Essiccamento a nastro

Disidratazione

Fonte: ERSAF

Trattamenti a membrana

Ultrafiltrazione e osmosi inversa

Fonte: ERSAF

• Microfiltrazione (MF): 0.1-5 micron • Ultrafiltrazione (UF): 0.001-0.05

micron • Nanofiltrazione (NF): > 200-400 Da

e basse pressioni (0,5-1,7 MPa) • Osmosi inversa (OI): trattiene

teoricamente tutti i sali e le molecole organiche disciolte con un peso molecolare intorno ai 100 Da. Lavora a pressioni che possono arrivare fino a 10 MPa.

Tecnologie che si basano sull’applicazione di una differenza di carico idrostatico su membrane semipermeabili che agiscono da barriera selettiva, consentendo il passaggio di determinati componenti del liquido (permeato o filtrato) e trattenendone altri (concentrato o ritentato).



Fonte: ERSAF

MF, UF, NF: basse pressioni (0.35 to 1.7 MPa)

OI: alte pressioni 100-150 MPa

Elettrodialisi applicazione di una differenza di potenziale elettrico: i soluti ionici presenti in soluzione sono selettivamente purificati attraverso la mebrana, sotto l’azione di un campo elettrico


Fonte: ERSAF


CICLO

PROBLEMATICHE Fouling = sporcamento delle membrana per effetto di vari fattori (accumulo di solidi sospesi, precipitazione di Sali, crescita biologica sulla membrana) – aumenta la resistenza al flusso. Per questo devono essere previsti sistemi di separazione prima della osmosi inversa e sono previsti sistemi di pulizia.

Grazie per l’attenzione!

Conclusione

35

Generale

Fonte: Mazzetto, Bietresato, Nardin, 2013

36

Generale

Evoluzione del settore agricolo nel tempo

Adattato da Makkar, 2011

Generale Le fonti primarie di emissioni di ammoniaca sono le stalle, le strutture per lo stoccaggio e la gestione dei reflui, e le fasi di applicazione dei reflui in campo.

4. Il risultato indica che solo ca. 52% o meno dell’ N

escreto é potenzialmente riciclato come fertilizzante

per le piante.

1. Circa 30% dell’ N escreto viene perso dalle stalle e

durante lo stoccaggio dei reflui.

2. Di questo: 19% é perso come NH3 (gas), 7% come emissioni di

altri composti azotati (NOx, e 4% via leaching e run-off.

3. Un ulteriore 18% é perso come NH3 (gas) dopo

l’applicazione dei reflui in campo.

Fixen, 2009

Generale

+N

Provolo, 2012; Tasser et al., 2012; Vismara et al., 2011; Peratoner et al., 2010

L’agricoltura è la prima fonte di emissioni di Ammoniaca. L’Ammoniaca contribuisce all’acidificazione ed eutrofizzazione degli ecosistemi naturali, provocando cambiamenti in termini di perdita di biodiversità e riducendo la richezza di specie vegetali.

N surplus da

razioni

alimentari

esterne (grano/

concentrati)

Trattamenti

Tipo di separatore Commenti

Efficienza di separazione (%)

Solidi totali (ST)

Azoto (N)

Vagli

Separatori a bassa

efficienza

20-46 6-34

Separatore a rulli contro-

rotanti 22-54 8-29

Separatori elicoidale 15-48 5-18

Centrifuga

Separatori ad alta

efficienza

39-71 14-43

Nastro-pressa 36-67 7-54

Sedimentazione 31-88 9-53

Folottazione 70-90 20-26

Drenaggio + polielettroliti 75-80 56-66

1. Caratteristiche operative

Le efficienze di separazione che si possono ottenere sui liquami suini sono orientativamente le

seguenti:

liquame bovino liquame suino liquido palabile liquido palabile % % % %

Volume 75–85 15-25 90-95 5-10

Solidi 60-70 30-40 65-80 20-35

Azoto 65-75 25-35 85-95 5-15

Fosforo 60-75 25-40 83-90 10-17

Il palabile che si ottiene ha un contenuto in solidi del 18-20%.

2. Principio di funzionamento Il liquame viene convogliato all’interno di un tamburo cilindrico o tronco-conico la cui superficie è

costituita da una rete con maglie di acciaio inossidabile con fori generalmente da 0,8 a 2,0 mm.

Il movimento rotativo consente la fuoriuscita della parte liquida dal tamburo verso la zona

sottostante dove viene raccolto e inviato all’uscita. I solidi che non riescono ad attraversare le

maglie vengono progressivamente portati verso l’estremità opposta all’ingresso fino a fuoriuscire

dal tamburo per gravità.

ingresso

liquame

uscita

liquido

uscita

palabile

vaglio rotante

3. Schema di installazione Lo schema di installazione è quello riportato per le attrezzature per la separazione dei solidi

grossolani nella scheda SO-01 a cui si rimanda. (mettere link)

4. Prestazioni in condizioni operative e costi

I separatori rotativi (che possono essere chiamati anche rototovagli o rotostacci) vengono

generalmente utilizzati per la rimozione della parte più grossalana dei solidi per evitare intasamenti

nelle successive operazioni di pompaggio dei liquami. Non vengono consigliati quando si vuole

ottenere una separazione meccanica dei solidi per destinarli al trasporto delle eccedenza al di fuori

dell’azienda o per il compostaggio.

I costi orientativi sono attribuibili per buona parte all’ammortamento, ma sono contenuti sotto gli

0,5 euro per metro cubo di liquame trattato.

Separatore a compressione elicoidale

Separatore a rulli contro-

rotanti compressione

Vibrovaglio (no compressione)

Vaglio rotativo (no compressione)

Centrifuga

Flottatore

Nastro-pressa

Sedimentatori

Fonte: ERSAF


Nitrificazione/denitrificazione – Membrane Batch Reactor (MBR)

MBR = Sistema molto compatto – possibile la containerizzazione

SBR + microfiltrazione = effluente ultra-chiarificato e privo di batteri

Due sistemi diversi: filtrazione interna/esterna

Fonte: ERSAF

Ingresso

Aria

Permeato

Permeato Ingresso

Aria

Trattamenti termici

Strippaggio

Fonte: ERSAF

Per eliminare il 50% dell’N dal digestato che passa nella soluzione di solfato ammonico al 30-35% servono: 6-7 l di acido solforico e 6-7-kg di soda per m3 di liquame

Trattamenti termici

Strippaggio

VANTAGGI • Altamente efficiente con substrati a basso tenore di solidi, alta temperatura e pH • L’azoto viene (in parte) recuperato • Energia termica derivante da CHP se posto a valle di un digestore anaerobico

Fonte: ERSAF

Fitodepurazione

Fonte: ERSAF

SISTEMI A FLUSSO SUPERFICIALE

Macrofite acquatiche:

Scirpus Lacustris(giunco di palude)

Eichornia crassipes(Giacinto d'acqua)

Lemna minor(Lenticchia d'acqua)

Trapa natans(castagna d'acqua)

SISTEMI A FLUSSO SUB-SUPERFICIALE

Macrofite terrestri:

Arundo donax (Canna comune)

Phragmites australis (Cannuccia)

Typha angustifolia


Fonte: ERSAF


Acqua depurata / Permeato dalla osmosi / dalla ultrafiltrazione

RISULTATI

TIPI DI FILTRO

Filtro a tubo

Filtro a microtubi

Filtro a cartuccia

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