Dai rifiuti organici al compost attraverso la digestione anaerobica

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1 Dai rifiuti organici al compost attraverso la digestione anaerobica Andrea Cristoforetti,, Daniela Bona, Lorenzo Forlin,, Silvia Silvestri Fondazione Edmund Mach Istituto Agrario di San Michele all Adige Rimini, 8 novembre 2012

2 Unità Biomasse ed Energie Rinnovabili Progetti di ricerca Studi e sperimentazioni sulla produzione di energia da fonti rinnovabili (biomasse) Sperimentazione processi digestione e compostaggio ) Indagini conoscitive, studi di fattibilità Partecipazione a tavoli tecnici e gruppi di lavoro. Formazione Valutazione impatto ambientale impianti trattamento biomasse (olfattometria, naso elettronico)

3 Prove sperimentali di digestione anaerobica a secco e compostaggio del digestato Obiettivi: verificare l affidabilità e l efficacia del processo di digestione anaerobica a secco della FORSU in reattore discontinuo; mettere a punto tecniche di pretrattamento della FORSU tali da garantire stabilità al processo ed elevate rese produttive; valutare l influenza delle metodologie di processo sulle rese produttive di biogas (quantità di ricircolo, modalità di impiego del percolato, durata delle fasi); individuare tecniche e metodologie di compostaggio del digestato idonee a garantire il controllo degli odori, la rapida stabilizzazione dei materiali a processo e la qualità dei prodotti finiti.

4 Digestore anaerobico a secco installato presso impianto pilota FEM * - Volume utile circa 17 mc - Coibentato e riscaldato per mantenimento condizioni mesofile - Sistema di recupero, accumulo e riscaldamento del percolato - Impianto di irrigazione alimentabile con percolato - Monitoraggio in continuo: pressione interna, temperatura della massa in 2 punti e del percolato in 3 punti, O 2, CO 2, CH 4, H 2 S (4 punti di misura ciascuno), portata gas - Gestione processo mediante software dedicato e controllo remoto * Acquisito con finanziamento Servizio Energia Provincia Autonoma di Trento

5 Strumenti per la valutazione quali-quantitativa del biogas Analizzatore di gas CO 2 CH 4 celle a infrarosso NDIR H 2 S O 2 celle elettrochimiche Taratura con gas a concentrazione nota a inizio prova Misuratore di portata Strumento con principio di misura massico termico, valori corretti in continuo in base alla concentrazione di CH4. Verifica periodica con misuratori di portata (anemometri)

6 Attività sperimentale in scala reale 3 anni di prove, gestione di oltre 20 processi con circa 150 t di biomasse trattate Prima fase: Seconda fase: Terza fase: messa a punto dei processi verifica della ripetibilità dei risultati in corso, ulteriori verifiche su aspetti specifici Articolazione dei processi così come messi a punto e verificati (3 ripetizioni) FORSU + Stutturante Mix F+S Fase aerobica Mix F+S + Fase anaerobica Digestato Compostaggio Digestato Digestato Ricircolo

7 Preparazione del mix fase aerobica FORSU da r.d. porta a porta in Ecosac s.s. = 28,7 % S.V. = 82,19 % s.s. ph = 5,01 H 2 O e S.V. FORSU (14 campioni - 30 mesi) 60% p/p 40% p/p Strutturante (ramaglie da potatura del verde) s.s. = 59,16 % S.V. = 45,13 % s.s. ph = 7, H2O% SV % Mix input fase aerobica preliminare s.s. = 44,5 % S.V. = 58,8 % s.s. ph = 5,8 Valori medi di 3 prove

8 Fase aerobica preliminare La fase aerobica: aumenta la temperatura delle masse; conferisce alla FORSU condizioni standard stabili e pronte alla trasformazione anaerobica; riduce la fase di latenza ed aumenta le rese totali dovute alla maggiore degradabilità dei materiali (unitamente al trattamento alcalino). T 50 C Aerazione forzata 5 gg Bilancio di materia (da materie prime a mix output fase) Calo peso tal quale: 21,4 % Calo peso s.s.: 15,7 % Calo peso S.V.: 18,9 % Valori medi di 3 prove

9 Preparazione del mix fase anaerobica Mix output fase aerobica s.s. = 44,67 % S.V. = 56,19 % s.s. ph = 5, % p/p % p/p Digestato s.s. = 42,17 % S.V. = 50,4 % s.s. ph = 7,9 Calce idrata Mix input fase anaerobica s.s. = 43,97 % S.V. = 54,44 % s.s. ph = 7,7 Valori medi di 3 prove

10 Effetti della correzione con calce idrata 9 8,5 8 7,5 7 6,5 6 5,5 5 4,5 4 Valori di ph dei mix di diverse prove Prove con correzione Prove senza correzione Costo correzione: 0,7 / t mix Il trattamento alcalino: determina un miglioramento della degradabilità della FORSU; crea condizioni superficiali che rendono più facile l attacco enzimatico; mantiene le condizioni ottimali di alcalinità durante la digestione anaerobica successiva; garantisce una produzione più costante di metano. (Lopez-Torres and Espinosa Llorens, 2008). Fonte: Fassa Bortolo

11 a b c

12 Caratteristiche analitiche dei mix Parametro s.s. % S.V. % s.s. ph Prova a b c a b c a b c FORSU 25,11 32,33 28,61 83,67 80,7 85,37 4,99 5,18 4,72 Legno 64,61 62,64 50,12 51,8 43,62 39,98 6,44 6,87 8,29 Mix input fase aerobica 45,15 39,43 48,93 61,2 61,33 53,87 6,08 5,34 6 Mix output fase aerobica 45,45 42,19 46,47 57,21 57,69 53,66 5,56 5,22 5,54 Digestato in 39,82 41,77 44,52 54,55 55,9 40,71 7,11 7,68 9,01 Mix input digestione 43,39 43,39 45,12 55,3 54,4 53,63 6,92 7,96 8,24 Digestato out 41,77 44,52 44,46 55,9 40,7 47,27 7,96 9,01 8,62 Il progressivo aumento del ph nei mix in input è conseguenza di un analogo aumento nel digestato ricircolato, dovuto alla riduzione dell acidità nei processi anaerobici dai quali deriva

13 Fase anaerobica Altezza del materiale fino a 1,5 1,8 m Alimentazione del digestore Creazione di condizioni anaerobiche

14 Evoluzione dei processi Durata delle prove a : 36 gg b : 50 gg c : 45 gg Gestione delle irrigazioni con percolato riscaldato (37 C) Prova a Prova b Prova c Giorni irrigazione Litri/giorno Litri/t mix Assenza irrigazioni: processo non evolve

15 Range ottimale: C

16 Consumo dell O 2 = entro 14 ore Idrolisi e acidificazione Acetogenesi Produzione di CO 2 =concentrazione 80% dopo 2 giorni, volume prodotto nelle primissime fasi pari a circa 10% del totale biogas

17 Metanogenesi Produzione di CH 4 = inizio entro 15 ore, dopo 4-8 gg > 50% Per buona parte del processo il CH 4 è superiore a 60 %, la media complessiva è attorno a 59% del biogas prodotto

18 Le rese in biogas sono elevate in tutte le prove, differente è invece la collocazione temporale della produzione (prova a: in misura maggiore nella seconda fase del processo; prova b e c: concentrata nei primi giorni)

19 La fase aerobica preliminare riduce sensibilmente i tempi di latenza (prove b e c)

20 Produzione di biogas Prova a Prova b Prova c Tonnellate mix input 15,8 14,94 12,6 Tonnellate S.V. mix input 3,79 3,53 3,05 Nmc di biogas prodotto Nmc di biogas prodotto a 30 gg

21 Produzione specifica Biogas (S.V. mix) Nmc Biogas/t S.V. mix wet FORSU a a 30 gg b b 30 gg c c 30 gg Bibliografia tecnico-scientifica: carenza dati su produzione biogas da FORSU in processi dry batch, come confronto utilizzati dati relativi a digestione FORSU wet

22 N.B.: il mix è composto per il 50% da digestato, è lecito supporre che la produzione di biogas sia imputabile in misura maggiore alla frazione di mix fresco se il digestato ha potenzialità produttiva nulla o ridotta Produzione specifica Biogas (S.V. mix fresco) Nmc Biogas/t S.V. mix fresco wet FORSU a a 30 gg b b 30 gg c c 30 gg Digestato impiegato nel mix con potenzialità produttiva residua da prove precedenti Digestato impiegato nel mix con ridotta potenzialità produttiva

23 Produz ione specifica di biogas da FORSU con diverse tecnologie dry Discontinuo 50 gg Discontinuo 35 gg Continuo 20 gg Continuo 25 gg Biogas (Nmc/t VS) Continuo 30 gg Continuo 24 gg Prove FEM 30 gg Prova FEM c 30 gg Le produzioni specifiche ottenute nelle prove sono poste a confronto con i valori indicati per diverse tecnologie dry (tratto da: Trockenfermentation Brücke zwischen Abfallbehandlung und Landwirtschaft? Kraft, 2004).

24 Compostaggio del digestato Preparazione dei mix % p/p % p/p Digestato s.s. = 38,8 % S.V. = 58,2 % s.s. Strutturante (ramaglie da potatura del verde) s.s. = 62,2% S.V. = 41,9 s.s. Valori medi di 3 prove Mix input compostaggio s.s. = 46,8% S.V. = 55,9 % s.s.

25 Gestione dei processi Prova 1 Platea aerata 21 gg Cumulo 24 gg (3 rivoltamenti) Raffinazione Prove 2 e 3 Cumulo 40 gg (6 e 7 rivoltamenti) Raffinazione

26 Prova 1: rapida riduzione dell indice respirometrico, calo repentino delle temperature, scomparsa degli odori entro pochi giorni possibile semplificazione dei processi Prova 2: massima semplificazione trattamento in cumulo rivoltato: conferma aspetti emersi in prova 1 Prova 3: ripetizione prova 2 con analisi olfattometrica per verifica dinamica emissioni

27 Prova 3: Parametri di processo Età Umidità S.V. gg % % mg O2 kg SV -1 h -1 Digestato * ph IR Analisi olfattometriche sul cumulo Età (gg) Unità odorimetriche/mc Digestato * Compost raffinato

28 Indice respirometrico nei processi di compostaggio del digestato (media di 3 prove) a confronto con quello di una miscela FORSU + strutturante, 21 gg in cella aerata e maturazione in cumulo Età campione (gg) Compostaggio digestato IR mg O2 kg SV -1 h -1 Compostaggio FORSU E evidente la differente velocità di degradazione e stabilizzazione della sostanza organica nei due processi. Per un digestato come quello ottenuto nelle prove è ipotizzabile un dimezzamento temporale della fase di compostaggio rispetto ai 90 giorni adottati usualmente per matrici fresche e previsti dal DM 5 febbraio 98. Per la fase intensiva in reattori chiusi si ipotizzano non più di 7-10 giorni di durata.

29 Conclusioni Digestione dry-batch si dimostra efficace per il trattamento della FORSU Tecniche di pretrattamento e metodologie di gestione del processo Rese produttive soddisfacenti, più elevate di quanto finora assunto Confronto con digestione wet: certamente POSSIBILE Compostaggio del digestato: dinamiche molto diverse da compostaggio FORSU Semplificazione di processi e ADEGUAMENTO NORMATIVO

30 Attività in corso e future Verifica dei bilanci di materia su t.q., s.s. e S.V. Verifica bilancio dei reflui liquidi Prove di riduzione del digestato ricircolato Prove a carico di biomasse diverse dalla FORSU Caratterizzazione e utilizzi del biogas?

31 Grazie per l attenzionel andrea.cristoforetti@fmach.it