BIO DIGESTORI. Elementi tecnologici per una scelta consapevole 2010

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1 BIO DIGESTORI Elementi tecnologici per una scelta consapevole 2010

2 Indice 1. Definizione di bio digestore 2. Un esempio per chiarire 3. Schemi i biodigestori 4. Tipi di impianti: classificazione 5. L alimentazione del bio digestore 6. Processi chimici interni 7. Degradazione massima del substrato 8. Rese bio digestori 9. Relazione tra produzione di biogas e tempo di ritenzione 10. Fattori inibenti il processo di digestione anaerobica 11. Decomposizione della materia organica in un bio digestore 12. Frazione organica Forsu e acque reflue 13. Pretrattamento del substrato 14. Preparazione del substrato in ingresso 15. Substrato in uscita 16. Schema interno di un biodigestore 17. Sistemi di agitazione del substrato interno 18. Esempi di bio digestore 19. Flussi in un bio digestore 20. Esempio di sinottico di biodigestore 21. Motori produzione energia 22. Costi d investimento impianto bio digestore 23. Biogas 24. Biogas in discarica

3 Definizione di bio digestione La digestione anaerobica è un complesso processo biologico nel quale, in assenza di ossigeno, la sostanza organica viene trasformata in biogas da batteri.. Esempi di diversi batteri

4 Un esempio per chiarire il concetto Il processo è simile a ciò che succede nella digestione di una mucca

5 Schema di impianto bio digestore per biomasse

6 Schema bio digestore per biomasse

7 Schema di impianto bio digestore per residui zootecnici

8 Schema di impianto bio digestione per rifiuti organici

9 Tipologia di digestione anaerobica Classificazioni In funzione della temperatura a cui si svolge il processo e del tipo di microorganismi coinvolti: Digestione psicrofila (10 25 C) Digestione mesofila (circa 35 C) Digestione termofila (circa 55 C). All aumentare della temperatura del processo, diminuisce proporzionalmente anche il tempo necessario a decomporre la materia organica. In funzione della tecnica di digestione utilizzata: Digestione a secco (dry) Digestione a umido (wet) Nella digestione a secco, la materia organica in ingresso ha un contenuto di sostanza secca superiore al 20%, mentre nella digestione ad umido la materia organica in ingresso ha un contenuto di sostanza secca inferiore al 10%.

10 L alimentazione del bio digestore

11 Processi chimici interni

12 Degradazione massima del substrato

13 Rese bio digestore

14 Rese per tipologia di processo

15 Rese biogas per tipo di substrato Fonte:

16 Rese biogas per substrato

17 Relazione tra produzione di gas e tempo di ritenzione Lt di biogas prodotto per kg di sostanze solide totali inserite al giorno Nota: Il contenuto di solidi totali giornaliero è pari a 15 25% RT= periodo di tempo che il substrato rimane nel digestore prima di andare allo scarico

18 Fattori inibenti il processo di digestione anaerobica Fattori inibenti e tossici L ottimizzazione del processo di digestione anaerobica deve considerare alcuni fattori che possono inibire o limitare sia la crescita del consorzio batterico che la resa di trasformazione del substrato nel prodotto finale. I parametri che possono avere un influenza negativa sono rappresentati dal substrato stesso, quando troppo abbondante o molto reattivo, ed eventuali elementi inibenti quali metalli pesanti, sali, azoto ammoniacale, residui di pesticidi e prodotti farmaceutici, detergenti e disinfettanti, solventi, inibitori da trattamenti chimici per la conservazione di cibi, ecc.

19 Fattori inibenti il processo di digestione anaerobica Il nutrimento dei batteri è assicurato da carbonio azoto fosforo e zolfo che non devono mai mancare. Perché si abbia un rendimento in metano ottimale il rapporto Carbonio/Azoto non deve mai superare il 35 con un ottimo di trenta. La paglie ed il legno (segatura, trucioli) hanno un valore di questo rapporto superiore a 100 e quindi le quantità vanno accuratamente dosate in funzione della qualità del rimanente substrato. Infatti le deiezioni animali hanno un C/N relativamente elevato di tollerando poca paglia mentre i residui vegetali (C/N medio 15) ed i residui animali (C/N medio 10) possono essere miscelati con paglia o segatura per correggere il tenore di solidi. ph ed alcalinità (effetto tampone) Il ph indica se l ambiente del digestore è favorevole alla reazione. Per valori di ph compresi tra 6.5 e 7.5 il processo di digestione è stabile. In fase acidogena i batteri producono acidi grassi e quindi fanno diminuire il ph e già a ph=6,2 i batteri metanogeni sono inibiti mentre gli acidogeni lavorano fino ad un ph di 4,5. Bisogna quindi bloccare la produzione di acidi grassi in modo che il ph non scenda sotto a 6,2, questa operazione viene fatta con il controllo dell alcalinità.

20 Fattori inibenti il processo di digestione anaerobica Ne deriva la necessità di controllare con particolare la temperatura interna del reattore con due sistemi riscaldamento dall esterno; riscaldamento dall interno. Nel primo caso viene sfruttata la radiazione solare per il riscaldamento della biomassa. I digestori sono nella parte inferiore sommersi, per evitare la loro esposizione al vento che farebbe aumentare le perdite di calore verso l esterno, mentre la parte superiore, con bassa resistenza termica per permettere il passaggio del calore, è esposta alla radiazione solare. Nel secondo caso riscaldamento dall interno viene ottenuto mediante l utilizzo di serpentine disposte all interno del digestore e contenenti del fluido a temperatura prefissata. Per il riscaldamento del fluido si può utilizzare parte della produzione di biogas, la cogenerazione o altra fonte di energia.

21 Fattori inibenti il processo di digestione anaerobica L alcalinità rappresenta la capacità di neutralizzare gli ione idrogeno ed è generalmente espressa come concentrazione di carbonato di calcio. Valori di alcalinità dell ordine di mg CaCO3 per litro sono tipici per i digestori anaerobici operanti in condizioni stabili. Questo parametro è di fondamentale importanza nei processi anaerobici considerando che i tassi di crescita della biomassa metanigena sono estremamente ridotti. Può capitare che in occasione di un incremento del carico organico, le aumentate capacità idrolitiche ed acidificanti del sistema determinino uno sbilanciamento della popolazione batterica a favore della componente acidogenica e quindi a sfavore della componente metanigena. Durante questa fase si osserva un aumento di concentrazione degli acidi grassi volatili e proprio allora la capacità tamponante del sistema, che deve essere in grado di neutralizzare l abbassamento di ph. Nel caso in cui l acidità esaurisca l effetto tampone del bicarbonato l ammoniaca, originata dalla degradazione di proteine, sciogliendosi in acqua come idrato d ammonio riassorbe l acido facendo ripartire la reazione.

22 Fattori inibenti il processo di digestione anaerobica La concentrazione degli acidi volatili, generalmente espresso in termini di acido acetico o di COD, dipende dal tipo di substrato trattato, e varia da circa 200 fino a 2000 mgac/l. La concentrazione degli acidi grassi volatili e l alcalinità sono i due parametri che mostrano una più rapida variazione quando il sistema tende ad allontanarsi da condizioni di stabilità. Dal momento che, in caso di problemi, la concentrazione degli acidi grassi tende ad aumentare mentre l alcalinità tende a diminuire, un utile parametro da considerare è il rapporto tra queste due grandezze: valori del rapporto intorno a 0.3 indicano un digestore stabile, mentre valori superiori possono indicare l insorgere di problemi di stabilità. La variazione della composizione (almeno in termini di metano e biossido di carbonio) del biogas permette di monitorare la stabilità del processo di digestione anaerobica. Una diminuzione nella produzione complessiva di biogas ed un aumento nella percentuale di CO2 indicano inibizione della componente metanigena dovuti all eccessiva presenza di acidi grassi volatili. Temperatura e riscaldamento L attività dei batteri metanogeni è influenzata dalla temperatura: temperature molto basse, al di sotto di 10 C, implicano un attività ridotta mentre temperature molto alte, superiori a 65 C comportano la morte dei batteri.

23 Fattori inibenti il processo di digestione anaerobica L attività dei batteri tuttavia aumenta all aumentare della temperatura per cui per alte temperature, diventando la produzione di gas più rapida, risulta un minor tempo di ritenzione del materiale all interno del digestore. La temperatura ottimale per la maggior parte dei batteri metanigeni è di C; la temperatura deve essere inoltre il più possibile costante, in quanto i batteri metanigeni sono molto sensibili ad improvvise variazioni termiche. Gli intervalli tipici di temperatura incontrati nei reattori di digestione anaerobica sono: il mesofilo, il termofilo, e lo psicrofilo. Quando si passa da un regime di temperatura ad un altro si osserva un vero e proprio cambiamento nella composizione della comunità batterica che presenta dei picchi in corrispondenza di ben definiti intervalli di temperatura, differenti per ciascuna specie. Una variazione di temperatura, all interno di un certo intervallo, e, quindi, per una data popolazione, determina una variazione nelle velocità di reazione

24 Decomposizione della materia organica in un digestore

25 Frazione organica Forsu e aque reflue

26 Pretrattamento del substrato Il rifiuto va inizialmente stoccato, in attesa di trattamento in fossa o in piazzale (in base alla natura del rifiuto). La presenza di un certo quantitativo di rifiuti garantisce la continuità del processo di digestione anaerobica anche nel caso di occasionale interruzione nel flusso di ingresso dei rifiuti. Il pretrattamento prevede innanzitutto la rottura, tramite appositi mulini, dei contenitori usati per la raccolta e il conferimento dei rifiuti. Seguono operazioni di preparazione, quali l eliminazione della frazione non degradabile (metalli, inerti, plastiche) e l omogeneizzazione della granulometria, con eventuale triturazione nel caso la pezzatura iniziale risulti eccessiva.

27 Pretrattamenti del substrato

28 Preparazione del substrato in ingresso La preparazione del substrato consiste nell ottenimento delle caratteristiche fisico chimiche ottimali per l immissione nel digestore. La regolazione del contenuto di umidità, viene effettuata tramite agitatori e miscelatori; può essere eseguita anche un eventuale diluizione con fanghi e acqua, in base al contenuto dei solidi previsto per il processo (umido, semisecco, secco). La regolazione della temperatura può essere operata all esterno o all interno del digestore, in base al regime termico previsto per l impianto. Nei reattori mesofili la durata del processo (tempo di residenza) è di giorni; nei termofili il tempo è circa giorni.

29 Substrato in uscita Il materiale in uscita dal digestore è un fango liquido (Frazione Solida: 5 25%) che non è completamente stabilizzato (la materia organica non è completamente degradata). Deve essere sottoposto a stabilizzazione aerobica, e per questo deve essere disidratato (serve una FS del 45% circa) mediante tecnologie quali pressa a vite, nastropressa, centrifuga. La frazione liquida può essere sottoposta a trattamento di depurazione, o essere ricircolata nel processo di digestione. La stabilizzazione del fango pressato avviene attraverso i due stadi di biossidazione accelerata e post maturazione. Il materiale così biostabilizzato può essere ulteriormente raffinato ad esempio per l utilizzo in agricoltura (vengono rimossi eventuali inerti, metalli..) e appositamente stoccato.

30 Digestato Il digestato acidogenico è un materiale organico stabile composto prevalentemente da lignina e cellulosa, ma anche da una varietà di componenti minerali e da una matrice di cellule batteriche morte; possono essere presenti anche alcune materie plastiche. Questo digestato somiglia al compost domestico e può essere utilizzato quale suo succedaneo o per produrre materiale da costruzione derivato da fibre di legno. Fig.: digestato acidogenico Il digestato metanogenico è il terzo sottoprodotto della digestione anaerobica e, in relazione alla qualità del materiale sottoposto a digestione, può rappresentare un fertilizzante eccellente e ricco di nutrienti. Se il materiale digerito contiene basse quantità di sostanze tossiche quali i metalli pesanti o composti organici di sintesi quali i fitofarmaci o i bifenili policlorurati, la digestione è in grado di concentrare significativamente tali sostanze nella fase liquida. In questi casi sono necessari ulteriori trattamenti appropriati. In casi estremi, e in particolare riguardo alle acque degli scarichi industriali, i costi di abbattimento dei tossici e i rischi ambientali possono superare il vantaggio nel produrre biogas.

31 Schema interno bio digestore

32 Schema interno bio digestore Movimentazione digestato tramite soffi d aria

33 Schema di un bio digestore

34 Sistemi di agitazione nel bio digestore

35 Sistemi di agitazione nel bio digestore

36 Sistemi di agitazione nel bio digestore I sistemi di agitazione del substrato all interno del digestore sono molto importanti per l efficienza del sistema e contribuiscono, assieme alla corretta gestione dell impianto, ad un miglioramento della resa di produzione di biogas

37 Esempio di biodigestore Ditta Paver

38 Interno del biodigestore

39 Flussi in un bio digestore

40 Esempio di sinottico impianto bio digestore

41 Motori produzione energia

42 Motori Man per cogenerazione

43 Esempi di generatori di EE per biogas

44 Costi investimento / m 3 di digestore anaerobico Fonte: /kw el installato in cogenerazione

45 Splittaggio costi investimento

46 Impianto per Forsu

47 Impianto per Forsu

48 Biogas Il biogas ricavato dal processo di digestione è composto mediamente da: 50 80% metano CH % anidride carbonica CO 2 5% altri gas ( soprattutto idrogeno e azoto). Il biogas è un combustibile gassoso rinnovabile e dotato di un buon potere calorifico. Per la produzione di calore ed elettricità con motori cogenerativi, il biogas può essere utilizzato tal quale. Con 1 m 3 di biogas è possibile produrre: circa 1,2 1,8 kwh di energia elettrica circa 2 3 kwh di energia termica

49 Il ciclo BIOGAS di vita del biogas

50 Schema bio energetico

51 Bilancio teorico della CO2

52 Biogas e riduzione CO2 Uno fra i più importanti benefici ambientali apportati dagli impianti co generativi a biogas, consiste in un importante contributo alla riduzione delle emissioni di gas serra in atmosfera. Infatti una quota consistente delle emissioni globali di metano (le stime parlano di un 15 18%) deriva proprio dai processi digestivi e dalle deiezioni animali, soprattutto bovini e suini. Gli impianti di biogas intercettano e trasformano parte di questo metano in energia rinnovabile. Ogni m 3 di biogas corrisponde a circa 10 kg di CO 2 evitati all atmosfera

53 La produzione di biogas in Europa

54 Biogas in Italia

55 Mappa parziale bio digestori Principali localizzazioni degli impianti di bio digestione

56 Impianti alimentati a biogas in Italia fonte: GSE In Italia, tra il 1997 e il 2008 gli impianti alimentati da biogas sono aumentati secondo un tasso medio annuo pari al 12,3% (fonte: GSE). Dai 67 impianti del 1997 si arriva ai 239 del La potenza installata aumenta secondo un tasso medio annuo pari al 13%.

57 Produzione annua di biogas in Italia fonte: GSE Nello stesso periodo, la produzione annua di biogas è passata da 372,8 a 1599,5 GWh, con un tasso medio annuo di crescita del 14,2%.

58 Situazione italiana al 1999

59 Impianti a biomasse

60 Biogas in discarica

61 Schema produzione di biogas in una discarica