I pre e post trattamenti: innovazione e prospettive

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1 12-13 Febbraio 2015 Rimini Fiera WORKSHOP INNOVAZIONE TECNOLOGICA AL SERVIZIO DEL BIOGAS FATTO BENE Sergio Piccinini, Claudio Fabbri Centro Ricerche Produzioni Animali Reggio Emilia 12 Febbraio 2015 Sala Ravezzi 1 Centro Ricerche Produzioni Animali C.R.P.A. S.p.A.

2 L di sviluppo della filiera biogas

3 Tecniche di pretrattamento Obiettivi Riduzione dei costi e maggiore flessibilità della DA riduzione/ottimizzazione nell uso di biomasse approvvigionamento di sottoprodotti agro industriali (paglia, sanse, letami, lettiere, etc ) abbassamento dei costi di gestione dell impianto ottimizzazione dell idraulica di processo miglioramento globale del processo fermentativo

4 Tecniche di pretrattamento Obiettivi Effetto del pretrattamento sulle biomasse a) substrato senza pretrattamento b) incremento nella velocità di produzione di biogas c) aumento nella quantità di biogas prodotto d) incremento della velocità di produzione e della quantità di biogas Adattamento da Montgomery et al. (2014) IEA Task 37 Technical Brochure.

5 Tecniche di pretrattamento Panoramica Fisico Chimico Biologico Combinato Meccanico Termico Disintegrazione elettrocinetica Acido Basico Microbiologico Enzimatico Estrusione Steam Explosion Termochimico Ultrasuoni Cavitazione idrodinamica

6 Come valutare i pretrattamenti Informazioni ottenute COD,sCOD test in batch viscosità, granulometria test in continuo Impianto pilota Tempo e investimento nella sperimentazione scala reale

7 Caso Studio 1: Cavitazione idrodinamica controllata Pilli et al (2011), Ultrasonics Sonochemistry Nella cavitazione controllata le particelle di materiale organico vengono disgregate grazie ad azioni di collassamento che possono raggiungere puntualmente temperature di 5000 C e 2000 atm. Modalità di installazione e gestione devono essere attentamente valutate per ottimizzare il consumo energetico Lehne et al. (2001) Water Science and Technology, 43(1)

8 Cavitazione idrodinamica controllata: principali modalità di installazione Installazione in ricircolo BIOMASSE IN INGRESSO Installazione al carico CAVITAZIONE BIOMASSE SOLIDE IN INGRESSO CAVITAZIONE digestato chiarificato Installazione in linea (tra due digestori) BIOMASSE IN INGRESSO CAVITAZIONE

9 Sperimentazione in laboratorio: esempio di effetto della cavitazione Trattamento su digestato tq e miscela di digestato e biomassa Aumento della resa in metano Incremento nella cinetica di produzione + 14,6% + 22,4% (in collaborazione con Three-ES)

10 Monitoraggio in scala reale: analisi granulometrica del digestato trattato con sistemi di disgregazione L applicazione della cavitazione a diversi energy rate riduce progressivamente le frazioni più grossolane spostando la pezzatura media verso i valori più bassi e, quindi, maggiore superficie di attacco enzimatico Granulometrie utilizzate (mm) > 5,0 3,15<F<5,0 2,0< F <3,15 1,0< F <2,0 0,5< F < 1,0 0,3< F < 0,5 0,3< F < 0,1 < 0,1 A Ingresso 14,15% 6,89% + 7,26% 3,47% 9,21% 6,52% 3,77% 5,45% 57,44% B SPR 256 kj/kgst 1,97% 3,95% 7,43% 8,88% 7,11% 4,36% 5,74% 60,56% C SPR 396 kj/kgst 1,47% 1,83% 5,99% 10,24% 6,92% 5,01% 5,96% 62,59% D SPR 496 kj/kgst 1,01% 2,54% 3,74% 12,18% 5,93% 4,61% 6,46% 63,54% E SPR 620 kj/kgst 2,56% 0,53% 2,03% 6,61% 8,65% 8,11% 4,77% 6,31% 62,99% + (in collaborazione con Three-ES)

11 Monitoraggio in scala reale: effetto della cavitazione sulla viscosità Sulla base dell energy rate applicato la viscosità può scendere dal 20% al 40%, con evidenti effetti sulla miscelazione e la conseguente ottimizzazione idraulicobiologica (in collaborazione con Three-ES)

12 Caso Studio 2: Idrolisi acida L idrolisi è la prima fase del processo di digestione anaerobica ed avviene in tutti gli impianti grazie all azione di enzimi esocellulari che disgregano le macromolecole. L efficienza idrolitica si massimizza in ambiente acido (ph=5,5-6,0) e viene consigliata per matrici ricche di frazioni fibrose e lipidiche. Il controllo di un digestore idrolitico può essere fatto solo in presenza di idonea: configurazione impiantistica: miscelatori, ritenzione idraulica (minore di 3-5 giorni) tipologia di biomassa (caratteristiche chimico-fisiche): incidono sulla miscelazione e sui pompaggi pompaggi: più bassi possibile per ridurre alcalinità L idrolisi acida in fase separata è una «condizione gestionale» che esige un elevato standard di controllo analitico e operativo.

13 Idrolisi acida: esempio di applicazione in scala reale Transizione alla fase idrolitica MANCANZA DI IDROLISI Variabilità del 22% nel COV IDROLISI Variabilità del 6,5% nel COV La transizione all idrolisi è stata effettuata in circa giorni monitorando costantemente il processo biologico. MANCANZA DI IDROLISI IDROLISI La transizione all idrolisi ha permesso di abbassare il COV da 2,53 a 2,38 kgsv/m3 digestore e stabilizzare il flusso al carico.

14 Idrolisi: controllare e mantenere l idrolisi Impianti di biogas bifase (idrolisi + metanogenesi) necessitano di controlli più attenti per mantenere due tipi di biologia differenti Il parametro guida dell idrolisi è il ph (ottimale tra 5,3 6,3) E necessario un tempo di ritenzione idraulica minore di 3 5 giorni; È necessario ridurre al massimo il ritorno di alcalinità con i ripompaggi Stati di transizione tra idrolisi e metanogenesi possono provocare temporanee diminuzione nella produzione di biogas e insorgenza di schiume L idrolisi permette di stabilizzare l intero processo di produzione di biogas e favorisce alimentazioni diversificate

15 Tecniche di post-trattamento: tecnologie di recupero/rimozione azoto e fosforo 15 Processi fisico-chimici separazione solido/liquido strippaggio dell ammoniaca evaporazione/essiccamento precipitazione chimica di sali di ammonio e di fosforo (struvite) filtrazione con membrana (micro-ultrafiltrazione/osmosi inversa) Processi biochimici nitrificazione/denitrificazione convenzionale processi biologici innovativi (DENO2, Sharon, Anammox, Canon..)

16 Caso studio 1: STRIPPAGGIO Ammoniaca a caldo dopo codigestione Liquame e biomassa Digestione anaerobica Energia termica Digestato Separazione S/L Solido separato Strippaggio Soluzione Sali d ammonio Chiarificato deammonificato Uso agronomico Uso agronomico Compostaggio (opzionale) Ind. Fertilizzanti

17 Efficienza di rimozione dell N-NH4 e NTK osservata in 27 test condotti in 9 impianti di biogas da CRPA (valori medi e dev.st. di tre ripetizioni) Types of clarified digestates from 9 A.D. plants Clarified digestate to stripping Effluent after stripping NH + 4 N initial NH + 4 N final N removal efficiency NH 4 + N TKN Power [dm 3 ] [dm 3 ] [g] [%] [%] A.D. plant 1 (330 kwel) 310 (11) 263 (6) 603 (19) 276 (12) 54.3 (1.5) 31.6 (1.1) A.D. plant 2 (999 kwel) A.D. plant 3 (999 kwel) A.D. plant 4 (630 kwel) A.D. plant 5 (999 kwel) A.D. plant 6 (250 kwel) A.D. plant 7 (60 kwel) A.D. plant 8 (999 kwel) A.D. plant 9 (250 kwel) 301 (2) 289 (4) 780 (4) 435 (3) 44.3 (0.7) 26.6 (0.6) 301 (2) 262 (11) 641 (21) 328 (12) 48.8 (0.8) 24 (0.6) 301 (2) 276 (24) 1135 (11) 600 (87) 47.1 (8.2) 32.5 (6.5) 303 (8) 245 (8) 674 (42) 317 (32) 52.9 (2.5) 25.2 (1) 316 (14) 205 (53) 506 (19) 162 (44) 68.1 (7.8) 51.7 (5.4) 339 (5) 273 (4) 463 (14) 254 (6) 45 (0.6) 25.7 (0.9) 320 (9) 275 (22) 617 (3) 362 (53) 41.3 (8.3) 22.7 (5) 318 (7) 211 (19) 433 (24) 160 (7) 63 (0.5) 49.2 (3.7) Impianto pilota di strippaggio (collaborazione con ROTA) Temp: 60 C SemiBatch HRT: 6 ore Capacità reattore: 1 m 3 Flusso aria = m 3 /h.m 3 digest.

18 Digestori Impianto aziendale: DA+S/L+ Essiccamento +Strippaggio (in collaborazione con BTS ) Impianto biogas da 1MWe alimentato con liquame suino, effluenti avicoli, insilati di cereali. S/L+Essiccamento Strippaggio Solido finale

19 STRIPPAGGIO dell Ammoniaca 19 Strippaggio a caldo dell azoto da digestato di liquame e colture dedicate Liquame 152 t N-tot di cui 106 t N-NH4 Biomasse 77 t N-tot di cui 0 t N-NH4 ε strippaggio = 60% Chiarificato Deammonificato 102 t N-tot di cui 38,8 t N-NH4 % trattabile = 100% Digestione anaerobica Strippaggio Digestato 229 t N-tot di cui 121,1 t N-NH4 Chiarificato* Soluzione Sali d ammonio 58,3 t N-NH4 25,4% Separazione S/L Solido separato 68,5 t N-tot di cui 24 t N-NH4 *Attenzione: il chiarificato contiene da 30 a 50 gss/l

20 STRIPPAGGIO dell Ammoniaca Conclusioni tecniche/operative Si volatilizza solo la quota ammoniacale; L'efficienza di strippaggio aumenta con 20 la concentrazione di azoto ammoniacale il ph (dosaggio di alcalinizzanti) La temperatura Il rapporto di insufflazione aria/liquame Un elevato contenuto di sostanza secca riduce la portata insufflabile e peggiora i rendimenti Occorre energia termica gratuita (digestione anaerobica biogas cogenerazione) Occorre individuare un destino per il prodotto ottenuto (fertilizzante? compostaggio?.)

21 Caso studio 2: EVAPORAZIONE del digestato La tecnica può essere applicata sia al solido separato digestato che al digestato tal quale. Con l'evaporazione dell'acqua si ha una emissione più che proporzionale di ammoniaca che deve essere catturata in scrubber acidi. Consente di produrre un solido essiccato ricco di azoto organico e fosforo, buon ammendante, e una soluzione di sali di ammonio, ottimo fertilizzante. Essiccatoio per digestato liquido (Fonte BTS)

22 EVAPORAZIONE del digestato 22 Emissioni in atmosfera 55,30% Azoto nel digestato liquido 3,10% Azoto strippato 21,30% 20,30% Azoto nel digestato essiccato Caso - Co-digestione Impianto di biogas da 1000 kwe Digestato da co-digestione fra effluenti (30%) e colture dedicate (70%): quantità di digestato pari a t/a

23 EVAPORAZIONE del digestato 23 Occorre energia termica gratuita (digestione anaerobica biogas cogenerazione); Energia termica utile è inversamente proporzionale ai volumi caricati nel digestore L utilizzo di colture dedicate in co-digestione aumenta la disponibilità termica ma al contempo anche le quantità di azoto; Le quantità di acqua evaporabile sono mediamente pari a m 3 /anno per un impianto da 1000 kw

24 Caso studio 3: PROCESSI BIOLOGICI INNOVATIVI Alternative più promettenti Processi che ne derivano Nitrificazione arrestata a nitrito + (1) denitrificazione da nitrito ad N 2 (microrganismi classici ) (2) ossidazione dell ammonio con nitrito (microrganismi specifici)

25 Impianto pilota aziendale: processo SHARON (in collaborazione con SIBA) Schema del processo SHARON di nitrificazione arrestata a nitrito Risparmio 25% O 2 e 40% COD V= 2,4 m 3

26 Efficienza di rimozione media sull intero periodo sperimentale Condizioni ottimali: Temp C; ph 7,5-8,3; O2 disc. 1,2 mg/l; HRT 2,6 giorni; SRT giorni; SSV nel reattore g/l

27 Prospettive future AD Energy

28 Ricerca Industriale E un laboratorio dedicato alla Ricerca Industriale Rete Alta Tecnologia della Regione Emilia-Romagna Sezione AMBIENTE ed ENERGIA

29 12-13 Febbraio 2015 Rimini Fiera WORKSHOP INNOVAZIONE TECNOLOGICA AL SERVIZIO DEL BIOGAS FATTO BENE Grazie per l attenzione s.piccinini@crpa.it c.fabbri@crpa.it 12 Febbraio 2015 Sala Ravezzi 1 Centro Ricerche Produzioni Animali C.R.P.A. S.p.A.