INTEGRAZIONE DEL PROCESSO AEROBICO CON UN PROCESSO ANAEROBICO PER IRIFIUTI ORGANICI: BENEFICI ENERGETICI ED AMBIENTALI. Francesco Di Maria

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1 INTEGRAZIONE DEL PROCESSO AEROBICO CON UN PROCESSO ANAEROBICO PER IRIFIUTI ORGANICI: BENEFICI ENERGETICI ED AMBIENTALI Francesco Di Maria Laboratorio LAR 5 Dipartimento di Ingegneria Università di Perugia e.mail: francesco.dimaria@unipg.it Web: Web: 1

2 LA FRAZIONE ORGANICA DEI RIFIUTI: L IMPIANTO DI TRATTAMENTO AEROBICO DI SAN ZENO Selezione meccanica Termovalorizzatore t/anno RSU Trattamento meccanicobiologico aerobico (Compostaggio e Biostabilizzazione) 2

3 LA FRAZIONE ORGANICA DEI RIFIUTI: CARATTERISTICHE E PRODUZIONE Da Raccolta Differenziata (RD) Parametro FORSU Umidità (%ww -1 ) 72.7 SV (% SS) 93.3 EC (mscm -1 ) 1.98 ph 4.97 TOC (% SS) 29.1 TKN (% SS) 2.67 N organic (% SS) 2.64 P (% SS) 1.55 Cu (ppm SS) 11.4 Zn (ppm SS) 38.7 Pb (ppm SS) 29.2 Produzione pro capite = 150 kg/a/ab Circa t/anno (Italia) Circa t/anno (EU27) 3

4 LA FRAZIONE ORGANICA DEI RIFIUTI: LA GESTIONE - ASPETTI NORMATIVI (1) La gerarchia nella gestione dei rifiuti. D.Lgs. 152/06 Art. 179 Parte IV Comma 1 a) Prevenzione b) Preparazione per il riutilizzo c) Riciclaggio Non Rifiuto Massima protezione dell ambiente d) Recupero di altro tipo, per es. recupero di energia e) Smaltimento All. C (Recupero di Materia) 4

5 LA FRAZIONE ORGANICA DEI RIFIUTI: LA GESTIONE - ASPETTI NORMATIVI (2) ALLEGATO C: OPERAZIONI DI RECUPERO R1 Utilizzazione principale come combustibile o come altro mezzo per produrre energia R2 Rigenerazione/recupero di solventi R3 Riciclo/recupero delle sostanze organiche non utilizzate come solventi (comprese le operazioni di compostaggio e altre trasformazioni biologiche) = Ammendante compostato misto R4 Riciclo/recupero dei metalli e dei composti metallici R5 Riciclo/recupero di altre sostanze inorganiche R6 Rigenerazione degli acidi o delle basi R7 Recupero dei prodotti che servono a captare gli inquinanti R8 Recupero dei prodotti provenienti dai catalizzatori R9 Rigenerazione o altri reimpieghi degli oli R10 Spandimento sul suolo a beneficio dell agricoltura o dell ecologia (come fanghi da depurazione) R11 Utilizzazione di rifiuti ottenuti da una delle operazioni da R1 a R10 R12 Scambio di rifiuti per sottoporli a una delle operazioni indicate da R1 a R11 R13 Messa in riserva di rifiuti per sottoporli a una delle operazioni indicate nei punti da R1 a R12 (escluso il deposito temporaneo, prima della raccolta, nel luogo in cui sono prodotti) 5

6 LA FRAZIONE ORGANICA DEI RIFIUTI: IL RECUPERO - ASPETTI NORMATIVI (1) Condizione R3 = cessazione stato di rifiuto [R3: Riciclo/recupero delle sostanze organiche non utilizzate come solventi (comprese le operazioni di compostaggio e altre trasformazioni biologiche)] Prescrizioni/criteri per ottenere R3 Origine del rifiuto; Processi per il trattamento; Parametri di processo (Temperature e tempi); Caratteristiche chimico-fisiche e biologiche; Effettivo utilizzo. 6

7 LA FRAZIONE ORGANICA DEI RIFIUTI: IL RECUPERO - ASPETTI NORMATIVI (2) Quadro normativo nazionale e comunitario D.M. 05/02/1998 All. 1 Sub.1 punti 15 e 16 (IT) D.Lgs. 75/2010 sui fertilizzanti (IT) Criteri End of Waste (EOW) (EU) 7

8 LA FRAZIONE ORGANICA DEI RIFIUTI: IL RECUPERO - ASPETTI NORMATIVI (3) Quadro normativo nazionale e comunitario D.M. 05/02/1998 All. 1 Sub.1 punti 15 e 16 (IT) Punto 15 processo di digestione anaerobica per recupero biogas; Punto 16 processo di compostaggio, per produzione ammendante (D.Lgs. n.75/2010) (R3); Punto 16, parametri processo aerobico (compostaggio): durata 90gg; T 55 C t 3gg; Punto 16, origine dei rifiuti: rifiuti provenienti dalla raccolta differenziata e/o selettiva 8

9 LA FRAZIONE ORGANICA DEI RIFIUTI: IL RECUPERO - ASPETTI NORMATIVI (4) Quadro normativo nazionale e comunitario D.Lgs. 75/2010 sui fertilizzanti (IT) Caratteristiche Ammendante Compostato Misto N 5 Tab. Ammendanti Concentrazione Metalli mg/kg s.s Piombo totale 140 Cadmio totale 1,5 Nichel totale 100 Zinco totale 500 Rame totale 230 Mercurio totale 1,5 Cromo esavalente totale 0,5 Principali caratteristiche Umidità max 50% ph 6-8,5 Corg 20% ss C umico+fulv. 7%ss N org ss 80% Ntot C/N max 25 G.I. (dil. 30%) 60% 9

10 LA FRAZIONE ORGANICA DEI RIFIUTI: IL RECUPERO - ASPETTI NORMATIVI (5) EOW (UE) Quadro normativo nazionale e comunitario Criteri per cessazione stato di rifiuto Origine del rifiuto: Rifiuti organici biodegradabili da attività domestiche ed altri ; Tipologia di raccolta: differenziata con sacchi biodegradabili; Requisiti dei trattamenti, parametri del processo: - Trattamento aerobico: T 65 C t 5gg; T 60 C t 7gg; T 55 C t 14gg; - Digestione anaerobica: T=55 C per 24h HRT 20gg; T=55 C con pastorizzazione 70 C 1h; T=55 C o 37 C con successivo compostaggio. Rispetto normative fertilizzanti nazionali. 10

11 IL TRATTAMENTO AEROBICO: PARAMETRI E TRASFORMAZIONI DELLA MATERIA Fase mesofila CO 2, vapore, ph=4-5 Fase termofila disinf., ph=8 Fase di maturazione ph=7.4 [ C] Cumuli rivoltati Cumuli statici 10 Miscelazione con materiale ligneo-cellulosico Giorni Andamento temperatura Trasformazioni biochimiche Maturazione >60gg Consumo materia organica Ossidazione accelerata Circa 28 gg 11

12 IL TRATTAMENTO BIOLOGICO AEROBICO: L IMPIANTO ESISTENTE Scopo del processo: produzione di un fertilizzante organico (ammendante compostato misto) Fase di ossidazione accelerata Fase di maturazione Aria (30-50kWh/t) Energia per ventilatori R3 12

13 LA DIGESTIONE ANAEROBICA: PROCESSO E PRODOTTI Rifiuti organici (Ingestato) Schema impianto Digestore Batteri Durata=20-30gg T=37 C-55 C Biogas Nm 3 /t Energia recuperabile kwh/t 60% CH 4 40% CO 2 Recupero di Energia ml biogas*gts -1 ABP days Digestato Liquido, a smaltimento Elemento di criticità!! Solido, a recupero R3 (ammendante) 13

14 LA DIGESTIONE ANAEROBICA: LE TECNOLOGIE A umido = SS 15% - Umidità 85% A secco = 15 SS 20% - 80 Umidità 85% Allo stato solido = 25 SS 35% - 65 Umidità 75% 14

15 LA DIGESTIONE ANAEROBICA: LE TECNOLOGIE A UMIDO A umido = SS 15% - Umidità 85% Vantaggi Elevata resa di biogas per ton di rifiuto Elevata stabilità del processo Processi in continuo (elevata automazione fasi di carico e scarico dig.) Svantaggi Elevato pretrattamento del rifiuto (impianti ed energia = costi); Elevati quantitativi di digestato liquido (costi per smaltimento) 15

16 LA DIGESTIONE ANAEROBICA: LE TECNOLOGIE A SECCO A secco = 15 SS 20% - 80 Umidità 85% Vantaggi Buona resa di biogas per ton di rifiuto Buona stabilità del processo Processi in continuo (elevata automazione fasi di carico e scarico dig.) Svantaggi Pretrattamento del rifiuto (impianti ed energia = costi); Quantitativi di digestato liquido (costi per smaltimento) 16

17 LA DIGESTIONE ANAEROBICA: LE TECNOLOGIE ALLO STATO SOLIDO Allo stato solido = 25 SS 35% - 65 Umidità 75% Vantaggi Blando pretrattamento del rifiuto; Ridotti quantitativi di digestato liquido (costi per smaltimento). Svantaggi Rischi di instabilità del processo; Processi in discontinuo (benne); Minore resa di biogas per ton di rifiuto. 17

18 INTEGRAZIONE DEL TRATTAMENTO AEROBICO CON L ANAEROBICO ALLO STATO SOLIDO Frazione organica Biogas+Energia Digestato solido Digestato liquido Ammendante (R3) 18

19 INTEGRAZIONE DEL TRATTAMENTO AEROBICO CON L ANAEROBICO : SINERGIE DI PROCESSO EFFETTI ENERGETICI E AMBIENTALI Conduzione di tutte le fasi più attive in ambienti confinati e controllati; Riduzione delle emissioni odorigene; Ridotta reattività biologica del digestato; Produzione di energia e riduzione consumi trattamento aerobico; Bilancio energetico fortemente positivo; L inserimento della D.A. in un processo di trattamento biologico dei rifiuti è una BAT (Tabella 5.1 IPPC, D.M. 29/01/2007). 19

20 LA DIGESTIONE ANAEROBICA: RECUPERO DI ENERGIA ELETTRICA E TERMICA Biogas (60%CH CO 2 ) Elettricità rinnovabile kWh/t Calore kwh/t Motori a combustione (Tradizionale) 20

21 LA DIGESTIONE ANAEROBICA: IL BIOMETANO D.M. 05/12/2013 Biometano Rete GN Biogas 60%CH 4 40%CO 2 Processi di Purificazione Biometano 95%CH 4 CO 2 CAR 21

22 LA DIGESTIONE ANAEROBICA: IL BIOMETANO TECNOLOGIE PER L UPGRADING (1) Lavaggio mediante assorbimento chimico-fisico 22

23 LA DIGESTIONE ANAEROBICA: IL BIOMETANO TECNOLOGIE PER L UPGRADING (2) Membrane polimeriche semipermeabili 23

24 LA DIGESTIONE ANAEROBICA ED IL TRATTAMENTO AEROBICO: DIGESTATO SOLIDO Caratteristiche del digestato (30gg di trattamento) Parametero Fraz. Org. Digestato Limiti D.Lgs. 75/2010 Umidità (%) <50 SV (% SS) ph EC (mscm -1 ) TOC (% SS) >20 TKN (% SS) N organic (%SS) >80% of TKN C/N <25 Cu (ppm SS) <150 Zn (ppm SS) <500 Pb (ppm SS) <140 GI (%) >60 Necessità di un successivo blando trattamento aerobico Minori consumi di energia San Zeno (Ar) - 27 Marzo

25 LA DIGESTIONE ANAEROBICA ED IL TRATTAMENTO AEROBICO: ASPETTI AMBIENTALI 1) Solo aerobico Frazione organica+ Energia Ammendante (R3) 2) Anaerobico+aerobico Frazione organica 2.1) Biogas+Energia 2.2) Biometano Digestato solido+ Eneregia Digestato liquido Ammendante (R3) 25

26 L ANALISI DEL CICLO DI VITA: LCA LCA è uno strumento oggettivo di valutazione ambientale per analizzare e quantificare le implicazioni ambientali di beni durante tutte le fasi del ciclo di vita; dall estrazione delle materie prime, alla produzione industriale fino all uso dei beni, incluso lo smaltimento a fine vita dalla-culla-alla-tomba. 26

27 PRINCIPALI FASI DELLO STUDIO DI LCA 27

28 PRINCIPALI FASI DELLO STUDIO DI LCA: L INVENTARIO Esempio: Stralcio inventario emissioni processo di produzione di 1 kg di carta EMISSIONE CLASSIFICAZIONE CARATTERIZZAZIONE NORMALIZZAZIONE Emissions to air Heat, waste high. pop. 12,6 MJ Lognormale 1,13 Carbon dioxide, biogenic high. pop. 0,193 kg Lognormale 1,63 Carbon dioxide, fossil high. pop. 0,406 kg Lognormale 1,13 Nitrogenoxides high. pop. 0, kg Lognormale 1,52 Sulfurdioxide high. pop. 0, kg Lognormale 1,13 Particulates, < 2.5 um high. pop. 0, kg Lognormale 3,02 Particulates, > 10 um high. pop. 0, kg Lognormale 1,52 Carbon monoxide, fossil high. pop. 2,31E-05 kg Lognormale 5,37 Ammonia high. pop. 3,54E-06 kg Lognormale 1,88 Arsenic high. pop. 3,44E-08 kg Lognormale 1,88 Benzene high. pop. 2,92E-06 kg Lognormale 1,88 Benzene, ethyl- high. pop. 6,09E-08 kg Lognormale 1,88 Benzene, hexachloro- high. pop. 1,46E-14 kg Lognormale 1,88. Emissions to water AOX, Adsorbable Organic Halogen as Cl river 7,9E-07 kg Lognormale 1,52 BOD5, BiologicalOxygenDemand river 0,00568 kg Lognormale 1,52 COD, ChemicalOxygenDemand river 0,00659 kg Lognormale 1,52 Sulfate river 0,00346 kg Lognormale 1,52 Nitrogen river 3,16E-05 kg Lognormale 1,52 Phosphorus river 3,95E-06 kg Lognormale 1,52 Suspendedsolids, unspecified river 0,00179 kg Lognormale 1,52. 28

29 PRINCIPALI FASI DELLO STUDIO DI LCA: VALUTAZIONE DELL IMPATTO METODO CML 2001 Categoria di impatto Acronimo Unità di misura Fattori di Normalizzazi one Unità di misura Consumo di risorse ADP kg Sbeq 1.56E+ 11 kgsb eq./a Acidificazione AP kg SO2eq 3.22E+ 11 kgso 2 eq./a Eutrofizzazione EP kg PO = E +11 kgpo 4 eq./a Riscaldamento globale GWP Kg CO2eq 4.15E+ 13 kgco 2 eq./a Assottigliamento ozono stratosferico OLDP kg CFC-11eq 5.15E+ 8 kgcfc-11 eq./a Tossicità umana HTP kg 1,4-DBeq 5.71E+ 13 kg1,4-db eq./a Formazione fotochimica di ozono POP kg C 2 H 4 eq 9.69E+ 10 kgc 2 H 2 eq./a Ecotossicità Terrestre TEP kg 1,4-Dbeq 2.69E+ 11 kg1,4-db eq./a 29

30 PRINCIPALI FASI DELLO STUDIO DI LCA: VALUTAZIONE DELL IMPATTO CLASSIFICAZIONE E CARATTERIZZAZIONE 30

31 CONFRONTO LCA PER TONNELLATA TRATTATA 1,00E-012 Per tonnelata di rifiuto Impatto normalizzato 0,00E+000-1,00E-012-4,00E-012-6,00E-012-8,00E-012-1,00E-011 Dig.Ana.+Compost.+Elettr. Compostaggio Dig. An.+Compost.+Biomet. ADP GWP OLDP HTP TEP POP AP EP Categoria di Impatto 31

32 CONFRONTO LCA PER kwh PRODOTTO/CONSUMATO 3,00E-014 2,00E-014 Per kwh elettrico Impatto normalizzato 1,00E-014 0,00E+000-1,00E-014-2,00E-014-3,00E-014 Dig.An.+Compost.+Elettr. Compost. Dig.An.+Compost.+Biomet. -4,00E-014 ADP GWP OLDP HTP TEP POP AP EP Categoria di Impatto 32

33 LA DIGESTIONE ANAEROBICA ED IL TRATTAMENTO AEROBICO: IL PROGETTO SAN ZENO Stato attuale Compostaggio Biostabilizzazione Compostaggio Biostabilizzazione Stato di progetto Pre-trattamento Anaerobico (BAT) 33

34 LA DIGESTIONE ANAEROBICA ED IL TRATTAMENTO AEROBICO: IL PROGETTO SAN ZENO - PRESTAZIONI FORSU trattabile, t/anno; Biogas producibile, Nm 3 /anno Nm 3 /anno; Energia elettrica producibile, MWh/anno MWh/anno; Biometano producibile, Nm 3 /anno Nm 3 /anno. 34

35 CONCLUSIONI 1) L utilizzo della digestione anaerobica per il pretrattamento della frazione organica è una BAT; 2) L introduzione della digestione anaerobica comporta notevoli benefici energetici ed ambientali; 3) L attuale impiantistica di San Zeno può essere integrata tramite la realizzazione di una nuova sezione di pretrattamento anaerobico con impatti urbanistici trascurabili. 35

36 GRAZIE PER L ATTENZONE! Francesco Di Maria Laboratorio LAR 5 Dipartimento di Ingegneria Università di Perugia e.mail: francesco.dimaria@unipg.it Web: Web: 36