TRATTAMENTO ANAEROBICO DEI RIFIUTI CIVILI, INDUSTRIALI E AGRICOLI

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1 TRATTAMENTO ANAEROBICO DEI RIFIUTI CIVILI, INDUTRIALI E AGRICOLI 1

2 Trattamenti anaerobici vs aerobici Vantaggi Produzione di biogas Riduzione fango prodotto Abbattimento patogeni Controllo odori tabilizzazione sostanza organica Riduzione dei tempi di posttrattamento per solidi Efficienza indipendente dalla temperatura ambiente vantaggi Complessità costruttiva Necessità di riscaldamento Gestione dell emissione del biogas Tempi di trattamento lunghi ensibilità a sostanze tossiche Effluente con problemi di odore 2

3 La diffusione in Europa Per il 2002 la produzione di biogas nei Paesi dell UE stimata di 2762 ktep (32 milioni di MWh); circa il 38% è biogas da discariche di RU (Observ ER, 2003). La biomassa prodotta annualmente nei paesi dell Unione Europea ammonta a circa 1200 milioni di tonnellate (Christensen J., 1997), di cui circa il 90% è costituito da deiezioni animali e il resto da rifiuti organici urbani e industriali. L energia potenzialmente recuperabile annualmente dalla biomassa avviabile a digestione anaerobica nei 15 paesi della Unione Europea è di circa 209 milioni di MWh 3

4 La situazione in Italia EurObserv ER stima per l Italia una produzione di biogas nel 2002 di 155 ktep (circa 1,8 milioni di MWh). Oltre un terzo di questa produzione è dovuta al recupero di biogas dalle discariche per RU. 4

5 La situazione in Italia Impianti di biogas per liquami zootecnici Un censimento condotto nel 1999 mostrava che 72 impianti di biogas funzionavano con liquami zootecnici in Italia. Cinque di questi sono impianti centralizzati e 67 sono impianti aziendali. La quasi totalità degli impianti è localizzata nelle regioni del nord (39 in Lombardia, 7 in Emilia-Romagna, 12 in Trentino-Alto-Adige) Attualmente, fine 2003, gli impianti sono oltre 100 di cui circa 70 sono impianti semplificati e a basso costo, realizzati sovrapponendo una copertura di materiale plastico ad una vasca di stoccaggio dei liquami zootecnici. 5

6 6

7 La situazione in Italia Impianti di biogas per liquami zootecnici Nel corso degli ultimi anni anche in Italia si è mostrato interesse alla codigestione dei liquami zootecnici con le colture energetiche (mais e sorgo zuccherino) e attualmente alcuni impianti sono già in costruzione e/o in fase di progettazione. 7

8 Costo dello smaltimento dei rifiuti 200 / ton o 115 /abitante 39% Costi generali 32% Raccolta e trasporto 24% Trattamento 5% Investimenti 8

9 chema emplificato del Processo della Digestione Anaerobica Fasi della Digestione Anaerobica Idrolisi ostanza Organica Complessa Carboidrati, Proteine, Lipidi Batteri Idrolitici ostanza Organica solubile Zuccheri, Aminoacidi, Acidi Grassi Principali Ceppi Batterici Batteroidi Clostridium Ruminococcus Butyrivibrio Bacillus Fermentazione Acidogenesi Batteri 20% 5% Fermentativi 75% Acidi Grassi Alcoli Clostridium elonomonas Ruminococcus Acetogenesi Batteri Acetogeni Acetato H 2, CO 2 Batteri Omoacetogeni Desulfovibrio yntrophomonas yntrophobacter Acetobacterium Clostridium Metanogenesi Metanogeni Acetoclasti CH 4 + CO 2 72% 28% Metanogeni Idrogenotrofi CH 4 +H 2 O Methanosarcina Methanosaeta Methanobacterium Methanococcus 9

10 Per quanto concerne la formazione del metano si hanno due possibili meccanismi alternativi. Nel meccanismo principale si ha formazione di metano a spese del gruppo metilico presente in substrati organici a basso peso molecolare (acido acetico) attraverso una reazione di transmetilazione: CH 3 COOH + R H R CH 3 +2H + + CO 2 R CH 3 + 2H + CH 4 + R H Globalmente: CH 3 COOH CH 4 + CO 2 10

11 Nell altro caso il CH4 si forma in seguito alla riduzione del carbonio della CO2 secondo le seguenti reazioni: CO 2 + R H R COOH R COOH + 2H R CHO + H 2 O R CHO+ 2H R CH 2 OH R CH 2 OH + 2H R CH 3 + H 2 O R CH 3 + 2H CH 4 + R H La reazione complessiva è, pertanto: CO H 2 CH 4 + 2H 2 O 11

12 Nel caso di molecole più complesse le molecole che si vengono a formare sono diverse: Processo di fermentazione dei carboidrati C 6 H 12 O 6 3CH 4 + 3CO 2 Nel caso di proteine, come ad esempio la cisteina, si avrà: 4C 3 H 7 O 2 N + H 2 O 4CH 4 + 6CO 2 + NH 3 + H 2 + CH 3 COOH Mentre l equazione complessiva di degradazione di un acido grasso è data da: C x H y O z + (x y/4 z/2)h 2 O (x/2 y/8 + z/4)co 2 + (x/2 + y/8 z/4)ch 4 12

13 Parametri di processo e controllo COD TOC BOD T V T V TA OLR HRT VFA Domanda chimica di ossigeno Carbonio Organico Totale Domanda biologica di ossigeno olidi totali olidi volatili olidi ospesi Totali olidi ospesi Volatili Alcalinità totale Carico organico Tempo di ritenzione idraulica Acidi grassi volatili 13

14 Calcolo della produzione di metano da molecole organiche 14

15 techiometria della respirazione e calcolo del COD di una molecola C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O Pm COD g mole -1 = (32*6)= 192 g mole -1 15

16 techiometria della digestione anaerobica C 6 H 12 O 6 3CH 4 + 3CO 2 Pm Moli di metano per kg di COD: 3*1000/192 = moli metano 16

17 Biogas prodotto moli CH4 *22.4 l/mole stp =350 l CH4 kg -1 COD rim 350 / 70% = 500 l biogas kg -1 COD rim 17

18 Nel caso di materiale solido o semisolido m 3 CH4 /kg V m 3 biogas /kg V 18

19 Le tecniche di digestione La digestione anaerobica può essere condotta in condizioni: mesofile (circa 35 C), con tempi di residenza di giorni, termofile (circa 55 C), con tempi di residenza inferiori ai giorni. psicrofile (10-25 C), con tempi di residenza superiori ai 30 giorni in impianti semplificati 19

20 Test di biometanazione Camera termostatata a 35 o 55 C Rifiuto da trattare Fango anaerobico 20

21 Misura del metano prodotto mediante bottiglie mariotte La CO 2 si discioglie nella soluzione di NaOH Il metano si muove verso lo spazio di testa e sposta la soluzione Rilascio del biogas prodotto e trasporto verso la bottiglia con l NaOH ml di soluzione di NaOH=ml di CH 4 prodotto 21

22 Produzione cumulativa di metano in ml Produzione di metano da substrato lentamente biodegradabile Fine del substrato Produzione di metano da substrato prontamente biodegradabile Tempo 22

23 Informazioni ottenute Potenziale di biometanazione Massimo carico specifico Tossicità Cinetiche batteriche 23

24 Cinetiche di reazione Velocità di crescita netta della biomasssa su un substrato dx dt = Y d dx/dt = velocità di crescita dei microrganismi [massa volume -1 tempo -1 ] Y = coefficiente di rendimento di crescita [massa microrganismi formati massa -1 substrato utilizzato ] d/dt = velocità di utilizzazione del substrato da parte dei microrganismi [massa volume -1 tempo -1 ] k d = coefficiente di decadimento mocrorganismi [tempo -1 ] X = concentrazione di microrganismi [massa volume -1 ] dt K d X 24

25 Cinetiche microbiologiche di reazione Velocità di utilizzo di un substrato d dt = K M X d/dt = velocità di utilizzazione del substrato da parte dei microrganismi [massa volume -1 tempo -1 ] K M = Velocità max utilizzazione substrato per unità di massa microrganismi [tempo -1 ] X = concentrazione di microrganismi [massa volume -1 ] = concentrazione del substrato a contatto dei microrganismi [massa volume -1 ] k = coefficiente di semisaturazione [massa volume -1 ] K + 25

26 Cinetiche microbiologiche di reazione 26

27 Cinetiche microbiologiche di Velocità specifica di crescita reazione 1 X dx dt = K M Y K 1 dx µ = µ max = K M Y X dt + k d µ = µ max kd µ = µ max kd K + K 27

28 Effetto della temperatura sulle popolazioni batteriche V = V e ϕ ( T T 0 ) T 0 28

29 Effetto della temperatura sui tempi di trattamento Tempi di digestione, per varie temperature. Per una corretta interpretazione di tali indicazioni è necessario tener presente che esse sono state ricavate su prove di laboratorio di piccola scala su fanghi civili. 29

30 Valori medi dei coefficienti Idrolisi cinetici R X = K R X = velocità specifica di idrolisi [massa volume-1 tempo-1] K = massima velocità specifica [tempo -1 ] = concentrazione del substrato [massa volume -1 ] Carboidrati K = (d -1 ) Lipidi K = (d -1 ) Proteine K = (d -1 ) 30

31 Valori medi dei coefficienti Acidogenesi µ cinetici µ = max K + k d Carboidrati µ max = 3 9 (d -1 ) K max = (g COD /g COD d) K s = (mg/l) Y = (g V /g COD ) K d = (d -1 ) 31

32 Valori medi dei coefficienti Acetogenesi cinetici µ = µ max K + k Costante Unità di misura LCFA VFA µ max d K max g COD /g COD d K s mg/l Y g V /g COD K d d

33 Valori medi dei coefficienti cinetici Metanogenesi Acetoclastica I = Concentrazione inibente KI = concentrazione di semisaturazione dell inibente Idrogenotrofa 1 = conc. idrogeno µ = 2 = conc. biossido di carbonio µ max µ = µ max K (1 + I K I ) K 2 + K1 = conc. di semisaturazione idrogeno K2 = conc. di semisaturazione biossido di carbonio K 2 33

34 Valori medi dei coefficienti cinetici Costante Unità di Acetoclastica Idrogenotrofa misura µ max d K max g COD /g COD d K s mg COD /l Y g V /g COD K d d

35 Fattori che influenzano la crescita batterica Tossicità Da substrato Affinità di substrato Eccesso di intermedi metabolici Da elementi inibenti Di origine esogena (antibiotici, disinfettanti, metalli, salinità etc.) Di origine endogena (H 2, NH 4 ) Carenza di sostanze nutritive ali minerali Vitamine microelementi 35

36 Parametri di gestione di un reattore Tempo di ritenzione idraulica Tempo di ritenzione del fango HRT = V Q RT = V X W Carico organico volumetrico Fattore di carico biomassa OLR = Q V CF = Q V X 36

37 Parametri di gestione di un reattore Produzione di gas specifica GP = Q biogas Q Velocità di produzione del gas GPR = Q biogas V Efficienza di rimozione substrato Percentuale di rimozione dei V η = Q inf Q Q inf eff Rim V V inf eff V % = Vinf ( Vinf Veff )

38 Indici di stabilità del processo ph (opt accett ) Alcalinità (suff. a tamponare acidità >1000mg Ca(CO 3 ) 2 /l) Acidi Grassi Volatili (VFA) evitare la presenza di butirrico e limitare il propionico Idrogeno e P p di idrogeno 500ppm Rapporto VFA/TA circa 0.3 o minore Produzione e composizione biogas 38

39 Alcalinità-pH-acidità 39

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