Problematiche tecnicogestionali in impianti. alimentati a soli effluenti. Claudio Fabbri, Sergio Piccinini

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1 Problematiche tecnicogestionali in impianti alimentati a soli effluenti Claudio Fabbri, Sergio Piccinini

2 Digestione anaerobica: tecnologia di conversione energetica molto versatile La tecnologia della digestione anaerobica può utilizzare quello che altre tecnologie di conversione energetica non possono utilizzare. Può utilizzare, infatti, matrici vegetali e/o animali, sottoprodotti o colture dedicate con tenore di solidi totali e volatili dal 2% al 100%.

3 Tal quale (tq) Composizione delle matrici per biogas Acqua Solidi totali (ST) = sostanza secca Solidi volatili (SV) = sostanza organica Ceneri = ST- SV (10-98% tq) Si misurano come: g/kg o %p/p Ceneri + (2-50% ST) Solidi totali (2-90% tq) Indegradabile (10-70% SV) Solidi volatili (50-98% ST) Degradabile (30-90% SV)

4 Cosa succede agli SV in DA? Solidi totali iniziali 100 kg Valori tipici per effluenti zootecnici Biogas 37,5 kg SV Degradabile (50% SV) SVtot 75 kg Ceneri 25 kg Ingestato SV/ST SV/STiniziale iniziale 75% 75% SVind SVind 37,5 kg Ceneri 25 kg Ceneri 25 kg Digestore Digestato SV/ST SV/STfinale finale 60% 60% Efficienza EfficienzaDA DA 50% 50%

5 Procedura di quantificazione effluenti e Solidi Volatili Perdite SVr nel ricovero Pluviometria Mungitura Dipendono da tecniche di rimozione Quantificazione SV escreti = f(pv) Paddock Pascolo? Acque di processo: - lavaggio sala attesa - lavaggio impianti Acque meteoriche Paglia (Qp) Liquame Qliq e STliq Letame Letame Qlet e STlet Liquame SVliq AD SVlet SVAD= Qliq*STliq*SV/STliq + Qlet*STlet*SV/STlet-SVr

6 Disponibilità di biomassa in allevamento La produzione di effluenti oltre che dipendere dalla specie zootecnica e dal numero di animali presenti, dipende da: - stadio di accrescimento - coefficiente di trasformazione dell alimento - soluzione stabulativa - controllo idrico e raccolta acque meteoriche

7 Effluenti bovini: stabulazioni Libera Fissa

8 Effluenti suini: stabulazioni

9 Sostanza secca escreta: bovini da latte Escre zione di sostanz a secca [kg/giorno] 8,8 8,6 8,4 8,2 8 7,8 7,6 7,4 7, Produzione latte [kg/giorno] Nell'allevamento bovino la sostanza secca escreta con le feci dalle bovine in lattazione dipende strettamente dalla produzione di latte 34

10 Sostanza secca escreta: bovini da latte esempio di calcolo di una mandria da 100 capi produttivi Categoria animale Capi Sostanza secca escreta Sostanza secca disponibile Paglia [n ] [kg/gg.capo] [kg/gg] [kg/gg.capo] [kg/gg] [kg/gg] Vacche in lattazione 85 8, , Vacche in asciutta 15 4,5 68 1, Manze 15 1,9 29 4, Manzette 21 1,8 38 2, % 75 Vitelli 13 0,8 11 1, Totale 828

11 Sostanza secca escreta: suini ingrasso 4000 Escrezione (kg/tpv/a) Peso medio: 100 kg Peso vivo [kg]

12 Effluenti bovini (nel ricovero): caratteristiche chimiche Liquami Caratteristiche indicative (1) Letami Medio Intervallo Medio Intervallo Sostanza secca - ST(%) 8,2 5,7-10, Sostanza organica SV (%) Azoto totale NTK (%) 4,7 2,8-6,6 2,8 1,8-3,8 Produzione effluenti (t/tpv/anno) (2) Con lettiera Con cuccette Resa in biogas Biogas (di cui 54-56% CH4) (1) Valori indicativi riferiti a effluenti zootecnici "freschi" (fonte: banca dati CRPA). (2) Per maggiori dettagli si rimanda alla Tabella 1 dell'allegato 1 del Dlgs 07/04/06 del Ministero delle Politiche Agricole e Forestali

13 Effluenti suini: caratteristiche chimiche CARATTERISTICHE INDICATIVE LIQUAMI SUINI (1) Valore medio Intervallo Sostanza secca - ST (%) 4,4 2,8-6,0 Sostanza organica - SV (%) Azoto totale - NTK (% ST) 8,0 6,3-9,7 (2) Quantità Soluzione stabulativa A. (m3/anno * t p.v.) Pavimento totalmente o parzialmente fessurato Rimozione con acqua (pavimento pieno, gabbie, ecc.) CARATTERISTICHE DI PRODUZIONE 3 B. (m /anno * t p.v.) PRODUZIONE DI BIOGAS (m3/kg SV in ingresso) 0,45-0,55 (di cui il 60-65% metano) (1) Valori indicativi riferiti a effluenti zootecnici "freschi" (fonte: banca dati CRPA). (2) Per maggiori dettagli si rimanda alla Tabella 1 dell'allegato 1 del Dlgs 07/04/06 del Ministero delle Politiche Agricole e Forestali

14 Effluenti zootecnici: lettiera di polli da carne (dati CRPA) Unità di misura Corsia di abbeverata Corsia di alimentazione Corsia di smistamento Media [-] 7,7 ± 1,0 7,8 ± 0,6 8,0 ± 0,7 7,9 ± 0,5 Sostanza secca (ST) [g/kg tq] 574 ± ± ± ± 89 Sostanza organica (SV) [g/kg tq] 459 ± ± ± ± 78 [mg/kg tq] ± ± ± ± [%ST] 5,9 ± 0,8 6,0 ± 0,7 5,9 ± 1,0 5,7 ± 0, ± ± ± ± ,8 ± 12,8 9,6 ± 3,9 15,5 ± 6,5 14,5 ± 5,2 [mg/kg tq] ± ± ± ± [%NTK] 80,1 ± 12,8 90,3 ± 3,9 84,4 ± 6,5 85,5 ± 5,1 Parametro ph Azoto totale (NTK) Azoto ammoniacale [mg/kg tq] (NH4) [%NTK] Azoto organico (Norg) Produzione sostanza secca, compresa lettiera standard : 5,5 kg ST/posto/anno (17% ceneri 83% SV)

15 Effluenti avicoli: ovaiole (dati CRPA) Parametro ph ST SV NTK N-NH4+ Unità misura [-] [g/kg tq] [%tq] [g/kg tq] [%ST] [mg/kg tq] [%ST] [mg/kg tq] [%NTK] Nastro non ve ntilato Tunne l e ss iccazione 7,1±0,2 7,7±0,7 347±74 35±7,4 243±48 70±2, ±4047 6,4±0,4 2946±529 14±3,2 730±151 73±15,1 503±103 69± ±6755 5,1±0,4 2175±997 6±4 Produzione sostanza secca: 10,5 kg ST/posto/anno (25-30% ceneri, 70-75% SV)

16 Esempio di rese di effluenti bovini

17 Esempio di rese di effluenti avicoli e suini

18 Perdite di sostanza organica in allevamento Tempo di ritenzione idraulica nelle fosse (20-50% della disponibilità in base al tipo di effluente) nel liquame suino la degradabilità biologica è più rapida, nell'allevamento bovino è più lenta a causa della elevata quota di frazioni fibrose presenti Sistema di rimozione: Tracimazione continua: bassa efficienza, elevata sedimentazione (fino al 40-50%); - Vacuum system: media efficienza (20-30%), alta solo se rapporto fori/superficie è ben calibrata (15-20%) - Raschiatore: massima efficienza (5-10%)

19 Freschezza del liquame suinicolo Resa in biogas [Nm3/t SV] Reattore Liquame tracimazione Percentuale CH4 Resa in metano nel biogas [Nm3/t SV] [%] da ,5 269 Liquame da vacuum system , Un buon insilato di cereali produce 350 Nm!! Un buon insilato di cereali produce 350 Nm3CH CH4/tSV /tsv 4

20 Effetto reiduo antibiotici (ossitetraciclina) Resa in biogas [Nm3/t SV] Resa in metano [Nm3/t SV] Nessuna aggiunta di ossitetracicline Ossitetracicline dosate a 75 mg/l Ossitetracicline dosate a 300 mg/l

21 Co-digestione: i parametri essenziali di controllo processo Effluenti zootecnici Biomasse Sottoprodotti Carico organico volumetrico (kgsv/m3/gg): quantità di sostanza organica caricata giornalmente per unità di volume utile di digestore e per giorno Tempo di ritenzione idraulica (giorni): permanenza dei substrati all interno del digestore Rendimento elettrico CHP (%): permette di definire la potenza elettrica installabile Indici di analisi produttiva Produzione volumetrica (m3ch4/m3digestore/giorno): produzione giornaliera di metano per unità di volume utile di digestore per giorno Produzione biometano (Nm3/kgSV): produzione specifica di metano in riferimento alla sostanza organica caricata

22 Carico organico volumetrico (COV) 3 [kg SV/m /d] kg SV Corg kg SV d COV 3 = 3 m d V m digestore digestore digestore [ Oppure: Q ST SV COV = V ] Q=carico giornaliero (t/d) Corg = carico organico (kg/d) ST = solidi totali (% tq) SV = percentuale di SV (%ST) V = volume digestore (m3) Se Seèètroppo troppoalto: alto:accumulo accumulodidivfa, VFA,pH phacido, acido,blocco bloccodei deimetanigeni metanigeni Se Seèètroppo troppobasso: basso:ilildigestore digestoreèèsottoalimentato, sottoalimentato,ililcarico caricopuò puòessere essere aumentato aumentatoeecosì cosìlalaproduzione produzionedidibiogas. biogas.

23 Tempo di ritenzione idraulica (HRT) [giorni] [ ] V m HRT[ d ] = 3 digestore Q digestore 3 alimentati al digestore digestore m d All'aumentare All'aumentaredella dellaquantità quantitàdidiprodotto prodottocaricata caricatadiminuisce diminuisceililtempo tempodidi ritenzione ritenzioneidraulica idraulica HRT HRTtroppo troppobassi bassicomportano comportanouna unadegradazione degradazioneincompleta: incompleta:efficienza efficienza didiconversione bassa conversione bassa HRT HRT troppo troppo alti: alti: degradazione degradazione completa completa ma ma impianto impianto èè sovradimensionato sovradimensionato 22 77giorni: giorni: giorni: giorni: >>50 50giorni: giorni: solubili solubilirapidamente rapidamentebiodegradabili, biodegradabili,reflui refluiagroindustriali agroindustriali effluenti effluentizootecnici zootecnici matrici matriciligno-celluosiche ligno-celluosiche

24 Tempo di ritenzione idraulica (HRT)

25 Effetto della sostituzione in peso di matrici a parità di V e HRT V = 2000 m3 Q = 40 t/g letame ST = 20% SV = 78%ST CH4 = 200 m3/tsv Q1 = 15 t/g letame ST = 20% SV = 78%ST CH4 = 200 m3/tsv HRT = 50 gg COV = 3,1 kgsv/m3/g CH4 = m3/g Pe Pe== kWe kwe Q2 = 25 t/g liquame ST = 8% SV = 80%ST CH4 = 180 m3/tsv Q = Q1 + Q2 = 40 t/g HRT = 50 gg COV = 1,8 kgsv/m3/g CH4 = 724 m3/g Pe Pe== kWe kwe

26 Criticità della progettazione: bilancio termico (nelle condizioni critiche) 1000 kg Per riscaldare 1000 kg Da 5 C H2O 946 kg SVtot 40 kg Ceneri A 38 C Servono circa 38 kwht 80 80%%delle dellerisorse risorse energetiche energetiche servono servonoper per scaldare scaldareililliquame liquame alalcarico carico!! Si producono: 40 kgsv x 0,3 m3ch4 x 9,88 kwh/m3 =118 kwh/t Con rendimento termico 40% sono disponibili 118 kwh x 40% = 47 kwh/t Liquami Liquamimolto moltodiluiti diluitidovrebbero dovrebberoessere essere addensati addensatioointegrati integraticon conletami letami

27 Criticità della progettazione: miscelazione Tipologia: occorrono miscelatori ad elevata velocità che limitino la sedimentazione (liquami suini) o la flottazione (liquami/letami bovini), con molta paglia meglio rompicrosta superficiale e/o triturazione al carico Orientamento: i mixer devono poter essere orientabili e spostabili sull'asse verticale (la movimentazione dei miscelatori deve essere una operazione periodica e regolare per evitare di mettere in soluzione grandi quantità di SV improvvise) Temporizzazione: importante per limitare i consumi Ispezionare visivamente e giornalmente l'interno del digestore e lo stato della superficie del digestato!

28 Esempio: impianto liquami suinicoli Capi presenti: in ingrasso Liquame: m3/g Digestori: 2 x 1370 m3 HRT: 21 giorni Temperatura: C CHP: 2 x 90 kw kw COV: 1 kgsv/m3/gg

29 Controllo di processo: la variabilità esogena degli impianti in all. suinicoli /12 31/12 31/1 1/3 1/4 1/5 1/6 1/7 1/8 31/8 1/10 31/10 1/12 Potenza elettrica prodotta [kw] Peso vivo mediamente presente [t] / Peso vivo mediamente presente [t] La produzione di biogas dipende dal peso vivo presente!

30 Performances produttive Potenza elettrica media prodotta [kw] Potenza Potenzaelettrica elettricamedia media kW kw 40 0,105 0,105kW/t kw/tpv pv 20 0 dic-07 gen-08 feb-08 mar-08 apr-08 mag-08 giu-08 lug-08 ago-08 set-08 ott-08

31 Performances produttive Numero totale di animali n Carico organico da liquame tsv/mese 85,5 Potenza elettrica effettiva kw 116 kw/tpv presente ,105 Autoconsumi ausiliari % della produzione 4,3 Autoconsumi digestore % della produzione 15,4 Contenuto metano % Resa specifica Nm3biogas/kgSV 67 0,423

32 Impianto biogas a liquami bovini Consistenza zootecnica capi in lattazione (700): per il 70% circa dei capi su cuccette testa a testa con corsie di alimentazione e smistamento pulite con raschiatore quotidianamente e per il 30% restante su cuccette testa a testa con 1 corsia di alimentazione e 1 corsia di smistamento su fessurato; capi in asciutta (190): lettiera permanente e corsia di alimentazione pulita quotidianamente con raschiatore; Manze (310): Cuccette con fessurato e fossa sottostante di stoccaggio o lettiera permanente con corsia di alimentazione pulita con raschiatore Manzette (300): lettiera integrale

33 Schema impiantistico 14,5 t/gg Ivano 30,5 t/gg Letame CHP 330 kw Stoccaggio 3000 m3 F m3 Solido separato Ricircolo per diluizione carico Dosatore Antonio 70 t/gg Trasporto (2 km) Pompa trituratrice 115 t/gg F m3 HRT HRT gg gg 3 COV 3 COV2,3-2,5 2,3-2,5kgSV/m kgsv/m/gg /gg

34 Caratteristiche liquami Tipologia di effluente SV ST NTK [g/kg] [g/kg] [SV/ST] [%ST] Liquame con acque lavaggio sala mungitura 48,9 40,9 83,6% 4,6 Liquame senza acque lavaggio sala mungitura 80,4 63,4 78,8% 4,3 Letame 163,9 137,3 83,7% 2,9 Disponibilità Disponibilitàtotale totalesv: SV:9,7 9,7kg/capo kg/capoproduttivo/giorno produttivo/giorno

35 Caratteristiche liquami/digestato Tipologia di effluente ST SV NTK [g/kg] [g/kg] [%ST] [mg/kg] [%ST] 97 81,3 83, ,34 Digestato tal quale (n=19) 56,36 40,86 72, ,6 Digestato chiarificato (n=2) 45,9 29,18 63, ,47 Digestato solido separato (n=1) , ,97 Miscela media al carico Efficienza Efficienzadi didigestione: digestione:50,4% 50,4%

36 Caratteristiche liquami: variabilità gestionale Tipologia di effluente SV ST NTK [g/kg] [g/kg] [SV/ST] [%ST] Liquame con raffrescamento evaporativo 73,1 56,7 77,8 4,3 Liquame senza raffrescamento evaporativo 84,1 66,7 79,2 4,3 AAparità paritàdi dist, ST,incremento incrementodi divolume volumedel del15% 15% OVVERO OVVERO AAparità paritàdi dihrt HRT15% 15%ininmeno menodi dicov COV

37 Performances produttive Potenza Potenzaelettrica elettricamedia media kW kw 0,3 0,3kW/capo kw/capoproduttivo produttivo Produzione Produzionebiogas/metano biogas/metano m m/tsv /tsvalal54,5% 54,5%CH CH ,8-19,3 m 16,8-19,3 m3ch CH4/t4/teffluente effluente

38 Bilancio elettrico KWh/giorno % della produzione lorda Miscelazione+triturazione carico effluenti 335 5,1% Autoconsumi digestore 445 6,8% Ausiliari CHP 160 2,5% ,5% 122 1,9% Parametro Produzione lorda Produzione netta Trattamento separazione solido-liquido Produzione Produzioneannua annuastimata stimata MWh MWh Fatturato Fatturatoannuo annuoprevisto previsto ,4%

39 Conclusioni La variabilità della disponibilità degli effluenti è un elemento di valutazione fondamentale Il monitoraggio degli impianti è importante per ricostruire le cause di failure Sottoprodotti ed effluenti garantiscono buone performances a bassi costi ma attenzione alla corretta formulazione delle diete Corrette volumetrie garantiscono una buona efficienza

40 Grazie per l'attenzione