LINEE GUIDA E PARAMETRI OPERATIVI PER LA GESTIONE DI IMPIANTO

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1 Digestione anaerobica di reflui e biomasse: metodi e tecniche per la produzione di biogas Polo di Cremona, 8 giugno 2011 LINEE GUIDA E PARAMETRI OPERATIVI PER LA GESTIONE DI IMPIANTO 2

2 La problematica 3 Lo scopo impianto a biogas per agro-zootecnia produrre quantità biogas da garantire i ritorni economici attesi dall utilizzo e vendita di energia elettrica e, possibilmente, calore Occorre garantire un efficace ed efficiente funzionamento di: 1) Macchine e impiantistica a servizio dell impianto Prassi consolidata 2) Processo biologico di produzione del biogas non sempre si è in grado di intervenire sulla regolazione del processo biologico avendo a disposizione delle procedure codificate che rispondano alle domande: PERCHÉ DIMINUISCE IL BIOGAS/PERCENTUALE DI CH 4? COSA DEVO FARE PER RIPORTARE IL PROCESSO A BUON FINE? La problematica 4 Numero di guasti/anno Approvvigionamento substrato Fughe di biogas Sminuzzamento substrato Sistema di riscaldamento Edificio di cogenerazione Depurazione biogas Altro Tecnologia di controllo e processo Fluttuazione del voltaggio Stoccaggio di biogas Interruzioni di corrente elettrica Tecniche di misura Processo biologico Sistema di miscelazione Pompaggio e tubazioni Alimentazione di materiale solido Unità di cogenerazione Distribuzione dei guasti documentati su 31 impianti tedeschi a biogas nell anno 2008 (KTBL, 2009)

3 Le fasi del processo di digestione anaerobica 5 Le fasi del processo di digestione anaerobica 6 Le quattro fasi biochimiche principali del processo di digestione anaerobica (idrolisi, acidogenesi, acetogenesi, metanogenesi) ciascuna caratterizzata da un proprio metabolismo e da ottimali condizioni in termini di temperatura o ph L idrolisi e l acidogenesi si svolgono più rapidamente ed efficacemente a ph acidi e con elevate concentrazione di substrato, mentre la metanogenesi è inibita a ph acidi e da elevate concentrazioni di acidi indissociati, come appunto si riscontrano a ph acidi La maggior parte dei digestori in Italia utilizza un processo monostadio nessuno degli stadi della digestione avviene in condizioni ottimali e quindi con le massime cinetiche, ma le condizioni operative che si instaurano sono un compromesso che consente lo svolgersi della sequenza di fasi, in particolar modo della fase metanigena, la più sensibile ai parametri di processo

4 I benchmark di processo da Pfeifer et al., Descrizione Contenuto di sostanza secca (nella miscela di alimentazione) Contenuto di sostanza secca organica (SV ) Unità di misura Benchmark % in peso umido % in peso secco <12 > 90 Temperatura del digestore (primario/secondario) ph (digestore primario/secondario) Produzione specifica di biogas Contenuto di CH 4 nel biogas (prima del motore a gas) Contenuto di H 2 S nel biogas (prima del motore a gas) Contenuto di H 2 O nel biogas (prima del motore a gas) Tasso di conversione del carbonio IN/OUT Tasso di conversione della sostanza organica secca Rapporto C/N in ingresso Carico volumetrico del digestore (complessivo) Carico volumetrico del digestore (primario) Tempo di ritenzione idraulica (complessivo) Richiesta ausiliaria di elettricità Richiesta ausiliaria di calore Ore operative a pieno carico Efficienza termica annua Efficienza elettrica annua Efficienza complessiva annua Disponibilità dell impianto (per 8760 h/a) C - Nm 3 d /kg SV alim % volume % volume % volume % % kmol/kmol (kg SV /d)/m 3 (kg SV /d)/m 3 d % % h/a % % % % 38-40/ / > 50 il minore possibile <0.03 il minore possibile <6% > 80 > (in Italia >25 d, n.d.a.) (? n.d.a.) 7900 > 35 > 25 > 60 > 90 Produzione di metano dipende soprattutto da tre fattori. 8 La tipologia dei substrati alimentati: esistono in letteratura ampi riferimenti ai valori di biogas producibile (in termini di m 3 biogas /kgsv) che dipendono dalla composizione chimica dei substrati. E sempre poi possibile fare effettuare ad un laboratorio specializzato un test di producibilità sperimentale La concentrazione di sostanza organica biodegradabile nella miscela di alimentazione al digestore. A parità di massa liquida, una maggiore concentrazione di secco in alimentazione produrrà una maggiore produzione di biogas in termini di m 3 /d, ma non si può però aumentare molto tale concentrazione per non ostacolare l efficacia di miscelazione nel reattore Il carico di sostanza organica alimentato al digestore: Più il digestore viene alimentato (kg SV/d) e più biogas si produce (m 3 biogas d -1 ). Ciò è vero fino a un punto critico oltre il quale il processo si blocca per sovraccarico e la produzione di biogas crolla. La conoscenza di questo punto critico è della massima importanza i quanto il blocco del processo può protrarsi per diversi giorni prima del ripristino delle condizioni di produzione voluta.

5 Principali parametri di processo 9 Sostanza secca, SS (kgss m -3 ) Sostanza secca organica, SV (kgsv m -3 ) COD totale (solubile e sospeso, mg O 2 L -1 ) COD solubile (mg O 2 L -1 ) Carico organico giornaliero, CO (kgsv d -1 ) Carico organico volumetrico, COV (kg SV m -3 d -1 ) Tempo di residenza idraulico (HRT) Principali parametri di processo 10

6 Relazione tra parametri di processo 11 La produzione giornaliera di biogas (linea 2) aumenta all aumentare del COV La produzione specifica di biogas (m 3 kg SV) diminuisce all aumentare del COV. La linea 2 mostra un andamento crescente della produzione giornaliera di biogas (m 3 gas/ m -3 d -1 ) all aumentare del COV, crollando oltre il punto di instabilità (linea3), mostrando che un sovraccarico del sistema porta ad inefficienze nella produzione di biogas. Avviamento e monitoraggio 12 Definizione delle condizioni iniziali di avvio Tempo di avviamento variabile da diverse settimane fino a 6 8 mesi (o anche più, in situazioni particolari quali l assenza di inoculo, la presenza di substrati particolari o se condotta in maniera non adeguata). Obiettivi: 1) garantire il rapido instaurarsi di consorzio batterico che consenta di raggiungere in tempi sufficientemente brevi le condizioni operative e la produzione di biogas di progetto 2) evitare l instaurarsi di problemi operativi associati a crescita sbilanciata dei microrganismi con velocità di idrolisi maggiori della velocità di metanizzazione accumulo di VFA o acido acetico inibizione dei metanigeni lunghi tempi di recupero o necessità di interventi correttivi (aggiunta alcali, la diluizione, la re-inoculazione)

7 Avviamento e monitoraggio 13 Caratterizzazione del substrato SV/ST, COD, composizione (proteine, carboidrati, grassi, fibre, ceneri), N e P ( + eventuale misura di BMP per evidenziare effetti inibitori sulla biomassa e velocità di idrolisi) Scelta del tipo di inoculo in base alla natura del substrato inoculo ideale: da digestore con substrati analoghi e operante nello stesso intervallo di temperatura. In alternativa inoculo da più digestori ( max biodiversità). Quantitativamente maggiore è l inoculo, minori sono i tempi di avviamento avvio ideale: digestore riempito completamente con inoculo da digestore che opera nelle stesse condizioni. Il fabbisogno di inoculo cresce con la putrescibilità del substrato e diminuisce con la presenza di biomassa metanigena nel substrato (es: deiezioni zootecniche o biomasse insilate da diversi mesi). Rapporto COD:N:P attorno a 300:5:1 Predisporre quanto necessario per dosare alcali bicarbonato di sodio, acidi (in funzione del substrato) o nutrienti Avviamento e monitoraggio 14 Protocollo di avvio e monitoraggio Digestore riempito completamente o parzialmente con fango di inoculo e portato a temperatura. Avvio del carico COV inferiore a quello di progetto e funzione dell inoculo presente, con valori proporzionalmente simili a quelli previsti a regime se l inoculo è già acclimatato, altrimenti valori più prudenti (eventualmente verificare velocità di idrolisi e capacità metanogenica dell inoculo impiegato, es: test BMP) Se la configurazione del digestore lo consente, proseguire senza estrarre il digestato fino al raggiungimento del volume di progetto e poi ricircolare il fango digerito ispessito per aumentare più rapidamente la biomassa Stabilire un protocollo di incremento del carico, che va poi costantemente rivalutato in base agli esiti delle misure di monitoraggio

8 Avviamento e monitoraggio 15 Esempio di protocollo di incremento del carico: 1 a settimana: caricare solo il primo giorno e miscelare la biomassa con l inoculo per favorire fenomeni di adattamento Successive 2 settimane: carico costante con caricamento giornaliero. Successive 2 settimane: incrementi di carico limitati (es: 5% ogni 2 giorni), Successive 2 settimane: incremento di carico dal 5 al 10% ogni due giorni. Giornalmente monitorare: ph, il rapporto acido volatili/alcalinità, concentrazione di acido acetico, propionico e butirrico, portata e composizione del metano (soprattutto CH 4, CO 2, H 2 ), concentrazione di ammoniaca libera (utile prevedere misure frequenti di attività metanogenica specifica su campioni di miscela estratti dal digestore deve sempre essere superiore di un 30-40% al carico applicato di sostanza organica applicata per evitare accumuli di acidi volatili). Conduzione del digestore 16 Parametri da quantificare durante la conduzione ordinaria : COV = kgsv alimentati m -3 digestore d -1 HRT = d Alcalinità/VFA Velocità produzione biogas: Nm 3 biogas m 3 digestore d -1 Resa in biogas prodotto: Nm 3 biogas kgsv -1 Resa degradazione SV: (Q in. SV in Q. out SV out )/(Q. in SV in ) Tenore in metano del biogas (γ) Resa utilizzo biogas: (Q biogas out digestore Q biogas in CHP )/ Q biogas out digestore Resa energetica biogas: Energia prodotta (elettrica o termica) /(γ. PCI. Q biogas in CHP )

9 Esempio di protocollo di monitoraggio 17 Ulteriori verifiche di efficienza 18 Bilancio dei solidi e del COD rispetto al metano prodotto Verificare corrispondenza tra i SV o il COD rimossi e il metano prodotto bilancio su COD rimosso 0,35 Nm3CH4 kg CODdegradato -1 ) Su substrati disomogenei e con elevata concentrazione di SSV opportuno effettuare ripetute analisi in doppio di SV/COD valori medi rappresentativi. Se scarto chiusura del bilancio > 20% approfondire processo BMP (Biochemical Methane Potential) test Verifica dell efficienza del processo effettuato sul digestato e sul substrato alimentato confronto della produzione effettiva di metano con il BMP del substrato processo ben funzionante: 75 90% Per valori inferiori ulteriori verifiche: Verifica dell HRT (es: con dosaggio di tracciante) Verifica della presenza di sostanze inibenti o di concentrazioni che possono risultare inibenti (VFA, ammoniaca, H2S, ecc.) Verifica presenza macronutrienti

10 Le procedure di controllo del processo 19 Variabili che controllano il processo (input): Variabili regolabili o dominabili (manipulated variables) variabili che l operatore può cambiare attivando il funzionamento di macchine o regolazioni di setpoint di processo (es: la temperatura di riscaldamento del reattore, gli intervalli di miscelazione, la posizione dei mixer, aumento/diminuzione del carico con le pompe, ecc.) Variabili perturbanti (disturbants) input che non possono essere regolati, ma solo subiti (es: temperatura ambiente esterna, la esatta composizione dei substrati alimentati, se provengono da fonti non completamente controllabili). Variabili (parametri) di controllo di processo parametri che è possibile misurare e verificarne la congruenza con i valori di setpoint riferiti a un processo ben funzionante. Primo livello di controllo: Livello impiantistico 20 VERIFICHE 0. Vi è una produzione giornaliera di biogas < 30% del setpoint? 1.Verifica dell alimentazione al digestore: 1. Le pompe di alimentazione hanno funzionato per i tempi previsti? 2. La composizione della miscela alimentata è variata? 3. La concentrazione della miscela alimentata è più concentrata? 4. Nella miscela sono presenti dei contaminanti che possono inibire la fermentazione (i.e. antibiotici, disinfettanti, muffe )? 2.Verifica del sistema di pompaggio/tubazioni 1. Il sistema di pompaggio funziona correttamente? 2. L acqua calda di riscaldamento del digestore non circola? 3. Ci sono perdite nel sistema di riscaldamento? 4. Vi è un occlusione/perdita di biogas nel circuito digestore/gasometro? 5. È iniettata troppa aria nel sistema di desolforazione del processo? 6. Caduta/aumento di pressione nel gasometro? 7. Caduta/aumento di pressione nel digestore? 8. Sono state verificate le perdite di gas da dispositivi di sicurezza contro la sovrapressione? 9. E stato verificato lo stato delle tubazioni in PVC?

11 Primo livello di controllo: Livello impiantistico 21 VERIFICHE 3. Verifica del sistema di miscelazione: 1. I miscelatori nel digestore non si sono attivati? 2. Si è formato del cappellaccio flottante? 3. C è stato un sovraccarico in termini di % di secco? 4. Le pale dei miscelatori sono rotte, corrose, disconnesse dal motore? 5. C è un errore di configurazione dell azione mescolante (posizionamento, timer, potenza)? 6. Ci sono problemi agli organi di comando del miscelatore (timer, ecc.)? 4. Processo di digestione: 1. La temperatura del reattore è calata di oltre 5 C? 2. L acqua calda di riscaldamento del digestore non è abbastanza calda? 3. Vi è una variazione importante del livello liquido nel digestore? 4. Vi è accumulo di inerti sul fondo/materiale flottante in superficie del digestore che ne diminuiscono il volume utile e impediscono la raccolta di biogas? 5. Vi sono schiume in superficie che possono aver occluso le tubazioni di collegamento digestore/gasometro/motori? Secondo livello di controllo: Livello gestionale 22 VERIFICHE 1.Verifiche sul carico in ingresso: 1.Si è alimentato un carico molto (doppio) alto di solidi rispetto all usuale? 2.E stato operato un carico eccessivo in una volta sola? 3.Vi è stato un cambiamento troppo repentino nella composizione dell alimento? 4.Vi è stato un errore nella miscelazione dei substrati in alimentazione? 2. Temperatura del digestore: 1. Il substrato alimentato è troppo freddo/caldo? 2. Si è immessa troppa acqua fredda di reintegro? 3. Entra aria nel digestore per mezzo del substrato? 3. Si è svuotato troppo il reattore di digestato prima della ricarica facendo venire meno l effetto di inoculo e riducendo l SRT?

12 Terzo livello di controllo: Parametri di processo 23 ph non è un parametro efficace per il monitoraggio del processo (quando viene misurata la variazione di ph potrebbe essere troppo tardi per operazioni di intervento) fortemente legato alla tipologia di substrato in ingresso un calo di ph associato a un incremento di CO 2 nel biogas è indice di instabilità nel processo crollo ph potrebbe essere legato a eccessiva alimentazione di substrato in ingresso aggiungere sostanze neutralizzanti (es: Na 2 CO 3, CaO, Ca(OH) 2, NaOH) o sospendere alimentazione Alcalinità Nei sistemi a biogas principalmente correlata con la concentrazione in carbonato/bicarbonato, ammoniaca e fosforo L alcalinità consente di tamponare l inevitabile acidificazione dovuta alla formazione di acidi grassi volatili e di acidi organici tramite carbonati attivi alcalini Terzo livello di controllo: Parametri di processo 24 Acidi grassi volatili (VFA, mg/l AcEq) acido formico, acido acetico, acido propionico, acido butirrico e acido valerico buon indicatore di processo sono i principali intermedi tra acidogenesi e acetogenesi verificare il valor medio specifico di ciascun impianto e, sulla base di questo, osservare le variazioni accumulo di VFA accelerazione dei primi tre step DA (idrolisi, acidogenesi, acetogenesi), senza adeguamento processo di metanogenesi diminuzione del ph per un impianto che opera in modo stabile: VFA < 4000 mg/l AcEq (valori medi attorno a 2000 mg/l AcEq: Progetto AGROBIOGAS, 2008) acido acetico < mg/l rapporto ideale acido acetico/propionico 2:1

13 Terzo livello di controllo: Parametri di processo 25 VOA/TIC (Capacità di tamponamento alcalina). consente di valutare la stabilità del processo di fermentazione e di rilevare prima eventuali malfunzionamenti nel processo valori ottimali VOA/TIC ~ 0,3-0,8. VOA/TIC > 0,6-0,8 alto COV sospendere/diminuire alimentazione; VOA/TIC < 0,2-0,3 basso COV aumentare carico alimentazione Ammoniaca e azoto ammoniacale (mg L -1 ) Elevate concentrazioni NH 3 degradazione di composti a base di azoto (proteine) possibili inibizione e di tossicità Inibizione se: concentrazioni totali NH 3 e NH 4 + > 3000 mg/l concentrazione NH 3 > 80 mg/l (tossicità per conc. > 150 mg/l) Equilibrio NH 3 /NH 4 + funzione di ph aumenta con ph e T Inibizione da NH 3 aggiungere substrati carboniosi (es. paglia) o diminuire T digestore. Terzo livello di controllo: Parametri di processo 26 Temperatura Repentine variazioni di T shock termico (soprattutto per digestione termofila); All aumentare di T aumento NH 3, H 2 S C/N/P/S Il substrato deve contenere un idoneo apporto di nutrienti E sufficiente un rapporto di nutrienti C/N/P/S è pari a /15-20/5/3 o un rapporto di sostanza organica COD/N/P/S pari a 800/5/1/0,5. Se la quantità di carbonio è molto superiore agli altri elementi, non tutto il carbonio organico è degradato il potenziale di metano non è sfruttato al massimo. Inoltre, la mancanza di azoto ha effetti negativi sul metabolismo dei microrganismi Se l azoto predomina in modo eccessivo, la formazione di ammoniaca può inibire la crescita dei microrganismi e quindi la produzione di metano (es: le paglie presentano un rapporto C/N attorno a 100, per i reflui animali C/N più basso possono correggere il rapporto C/N di miscele carenti di N (es: colture agricole).

14 Terzo livello di controllo: Parametri di processo 27 Micronutrienti (mg/l) In generale la loro presenza è assicurata alimentando l impianto con frazioni anche piccole di effluenti zootecnici Carenza di micronutrienti soprattutto nei digestori con un unico tipo di substrato (es: monofermentazione di colture energetiche) e in presenza di un elevata concentrazione di zolfo (reagisce con i microelementi formando solfuri metallici, poco solubili in acqua, sottraendoli ai microrganismi) La carenza di micronutrienti può inibire la fermentazione e causare l acidificazione del substrato. Terzo livello di controllo: Parametri di processo 28 Presenza di sostanze inibenti L inibizione dipende dalla concentrazione degli inibitori, dalla composizione del substrato e dalla capacità di adattamento dei batteri all inibitore Alcuni composti intermedi del metabolismo possono determinare un inibizione che può trasformarsi in tossicità alle alte concentrazioni Differenti e spesso contraddittori giudizi riguardo le sostanze inibenti perché: I microrganismi si adattano al loro ambiente in modo più o meno rapido in funzione della composizione della biocenosi Uno stesso inibitore può avere effetti diversi in funzione del fatto che sia presente in modo continuo o meno, del tipo di fermentatore, dall interazione con gli elementi presenti

15 Azioni di rimedio 29 Prevenzione dei malfunzionamenti legati al processo: controllo routinario dei parametri di processo gestione prudente delle discontinuità (es: variazioni nell alimentazione, episodi di rottura del sistema di riscaldamento, ecc.) verifica puntuale della composizione di substrati nuovi o di provenienza non controllabile Non esiste una strategia vincente È comunque importante non arrivare mai al blocco totale del processo (a meno di alimentazione accidentale di tossici). A scopo diagnostico è utile, ( ma dispendioso): prelevare campioni di digestato su cui effettuare un analisi chimica completa per la ricerca di elementi tossici. Azioni di rimedio 30 Tipiche misure di primo intervento Ristabilire rapidamente ph e la temperatura i digestori dovrebbero prevedere un sistema di dosaggio di alcalinità (soda, bicarbonato, calce) e un sistema di riscaldamento (con combustibile ausiliario) Riduzione/sospensione del carico più che proporzionale rispetto alla riduzione della produzione dei metano/incremento di acidi volatili Caso peggiore: blocco totale del processo causato dall ingresso di sostanze tossiche o fortemente inibenti (es: metalli pesanti, antibiotici), in elevate concentrazioni allontanamento della sostanza inibente e, in molti casi, inoculazione Allontanamento della sostanza tossica riduzione del tempo di residenza idraulico del digestore per lavaggio del fango Es: inibizione da un eccessivo tenore di acidi grassi a lunga catena utile prevedere l aggiunta di sostanze fibrose (come la paglia), che fungono da adsorbente per gli acidi grassi a lunga catena Es: inibizione da eccessivo carico proteico (incremento di azoto ammoniacale) aumento HRT per ridurre la concentrazione di azoto ammoniacale e il ph attorno a 7,0 per ridurre la frazione di ammoniaca libera

16 Azioni di rimedio 31 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12 R13 R14 R15 R16 R17 R18 R19 R20 R21 R22 R23 R24 R25 Azioni di rimedio Ripristina la funzionalità della macchina Ripristina i valori di setpoint Aumenta i tempi di miscelazione Sostituisci le lame dello sminuzzatore Ripara/Sostituisci pale mescolatrici Verifica configurazione sistema miscelazione Cambia la posizione dei mixer Verifica l intasamento delle pompe Pulisci tubi gas dalle schiume Verifica la tenuta di pressione del gasometro Verifica la tenuta di pressione del digestore Elimina i grumi galleggianti nel mixer liquor Elimina cappellaccio flottante Rimuovi le schiume Dosa antischiuma Controlla la temperatura del digestore Abbassa il flusso di calore al digestore Alza il flusso di calore al digestore Aumenta il contenuto di acqua nella miscela Riduci il carico o la portata di alimentazione Aggiungi co-substrati selezionati per aumentare la capacità tampone del substrato Sospendi il carico di alimentazione per 1-3 giorni Dosa un flusso di N/P/S (quali pollina per N e sali agricoli per P) Dosa un flusso di micronutrienti (per mezzo di reflui zootecnici) Aggiungere sostanze neutralizzanti (CaO, Ca(OH) 2, Na 2 CO 3, NaOH) Azioni di rimedio 32