Convegno conclusivo. Le tecnologie di pretrattamento delle biomasse avviate a digestione anaerobica

Transcript

1 POR-FESR ASSE 1 Ricerca e innovazione Progetto GoBioM Ottimizzazione tecnologica filiera biometano Le tecnologie di pretrattamento delle biomasse avviate a digestione anaerobica Antonio Giuliano, Luigi Petta - LEA Mirco Garuti, Claudio Fabbri - CRPA Lab Convegno conclusivo Mercoledì, 11 luglio 2018 Tecnopolo di Reggio Emilia

2 Tecnologie di pretrattamento delle biomasse ATTIVITÀ PREVISTE DALL OR2 Task 2.1 Task 2.2 Task 2.3 Task 2.4 Task 2.5 Analisi della letteratura inerente le tecnologie di pretrattamento Verifica delle prestazione di diverse tecnologie di pretrattamento in piena scala Verifica in scala di laboratorio dell effetto di un pretrattamento sequenziale meccanico+biologico sui sottoprodotti di maggiore interesse Sperimentazione in scala pilota del processo di idrolisi acida alimentato con diversi mix di matrici di origine agroindustriale pretrattate mediante cavitazione idrodinamica Definizione di logiche di controllo automatico del processo di idrolisi biologica basato su acquisizione dati on-line

3 Livello di sviluppo delle tecnologie di pretrattamento FANGHI DI DEPURAZIONE SOTTOPRODOTTI DI ORIGINE ANIMALE (SOA) EFFLUENTI ZOOTECNICI FORSU RESIDUI AGRICOLI E COLTURE DEDICATE ALGHE MECCANICO TERMICO CHIMICO BIOLOGICO Sonicazione / cavitazione Alta pressione Lisi in centrifuga Impulsi elettrici Triturazione Macinazione Triturazione Macinazione Sonicazione/Cavitazione Estrusione Steam Explosion Trattamento idrotermico Trattamento idrotermico Pastorizzazione Steam explosion Steam explosion Saponificazione Precompostaggio Triturazione Alta pressione Steam explosion Precompostaggio Estrusione Macinazione Triturazione Estrusione Sonicazione / Cavitazione Impulsi elettrici Alta pressione Steam explosion Trattamento idrotermico Additivi Acidi / basi Ozonolisi CO2 explosion SCALA INDUSTRIALE SCALA PILOTA SCALA DI LABORATORIO Adattamento da Carrere et al. (2016) Bioresource Technology, 199, pp Enzimi Insilamento DA 2 fasi Precompostaggio Funghi

4 Aumentare la flessibilità dell impianto e gestire le biomasse Silotriticale Silosorgo Paglie Stocchi Liquami aziendali + Silomais Siero, Scarti di frutta/verdura, sansa PRETRATT. / IDROLISI Additivi 0,85-1 Nm 3 CH 4 / (m 3. giorno) Liquami aziendali & Liquiletami trattati interaziendali Sansa di oliva due fasi, siero... 1,1-1,7 Nm 3 CH 4 / (m 3. giorno) Pollina + Liq. suino Pretrattamenti applicati a specifiche biomasse (es. alto contenuto fibroso) Differenziazione degli stadi di processo (es. Idrolisi ) Linee di carico diversificate (es.: biomasse liquide / solide) Considerare criticità e caratteristiche fisico-chimiche dei substrati(es.: sedimenti, contenuto N) Additivi usati in base alle effettive esigenze

5 Prestazioni di diverse tecnologie di pretrattamento in piena scala Casi studio analizzati 1. Estrusione 2. Triturazione con catene 3. Cavitazione idrodinamica 4. Omogeneizzazione con pulper e triturazione 5. Trattamento enzimatico

6 Tecnologie di pretrattamento meccanico Tipologia di pretrattamento Biomasse Solidi con >3,15mm (%ST) Non trattato Trattato Non trattato Trattato Estrusione Triturazione con catene silotriticale, silofrumento, silomais, pastone di mais, pollina silofrumento, silomais, farina di cereali 37,12% 17,65% 47,56% 32,84% Cavitazione idrodinamica Omogeneizz. con pulper e triturazione silosorgo, silomais, digestato chiarificato silofrumento, silomais, liquame suino 37,96% 18,19% 25,37% 24,76%

7 Pretrattamenti sequenziali: meccanico + biologico Biomassa Acqua Analisi chimiche BMP granulometria - Valutazione del singolo trattamento meccanico «CAVITAZIONE IDRODINAMICA» e del trattamento sequenziale meccanico+biologico Lorem ipsum«cavitazione + IDROLISI» - Identificazione delle migliori condizioni operative per avere idrolisi biologica acida stabile - Identificazione degli acidi grassi volatili prodotti - Scale-up in impianto pilota e monitoraggio del processo Mix della biomassa cavitata Digestato in uscita Analisi chimiche BMP granulometria Analisi chimiche giornaliere (5) Fermentazione idrolisi acida Analisi chimiche BMP Granulometria (1) Caricamento biomasse (2) pompa (3) cavitatore (4) Punto di campionamento (5) Fermentatore idrolitico/acidogenico (12 CRPA Lab, 250 LEA)

8 Pretrattamenti sequenziali: cavitazione + idrolisi

9 Pretrattamenti sequenziali: cavitazione + idrolisi (scala di laboratorio) Stocchi di mais Buccette di pomodoro Letame bovino Vinacce esauste Semi di orticole Spremuta di FORSU Scarti di fieno Lettiera di tacchino CH 4 nel biogas 17% 15% 54% 13% 14% 26% 18% 6,5% ph 5,41 5,32 7,31 5,24 5,25 5,10 5,87 6,11 Carico Organico Volumetrico (kgsv/m 3 *digestore) 8,66 12,81 12,16 12,48 13,18 12,39 4,07 12,61 Tempo Ritenzione Idraulica (giorni) 5,22 5,19 5,19 5,18 5,19 5,19 5,19 6,19 Valutazione stabilità idrolisi /- +/- *Dati medi raggiunti durante la fermentazione acidogenica a regime FASE IDROLITICA/ACIDOGENICA* BMP (Nm 3 CH 4 /tsv) FASE METANOGENICA Non trattato Cavitazione ND Idrolisi Biologica Biomasse valutate anche da laboratorio LEA con scale-up a 250 litri. Una terza prova è stata eseguita con miscele di biomasse.

10 Buccette di pomodoro: potenziale metanigeno e cinetica (scala di laboratorio) cavitazione e cavitazione+idrolisi permettono un incremento di circa 26% e 41% rispetto alla biomassa non trattata. Tempo [Giorni] La cinetica di produzione migliora, raggiungendo 29,4 e 38,5 m 3 CH 4 /(tsv*giorno) rispetto al campione non trattato che si ferma a 25,6 Nm 3 CH 4 /(tsv*giorno)

11 Buccette di pomodoro: analisi granulometrica (scala di laboratorio) Non Trattato D=2mm Cavitazione Non Trattato Cavitazione D=2mm D=2mm D=2mm

12 Produzione di acidi grassi volatili (scala di laboratorio) l acido acetico costituisce il 45-65% degli acidi organici a catena corta (AGV) totali mentre l acido propionico rappresenta il 12-17% degli AGV totali gli acidi C4, C5 e C6 sono rispettivamente il 13-22%, 11-15%, 6-12% degli AGV totali Dati medi raggiunti durante la fermentazione acidogenica a regime

13 Implementazione su scala pilota del processo di idrolisi biologica accoppiato a cavitazione idrodinamica LINEA DI ALIMENTAZIONE E STOCCAGGIO MATRICI ORGANICHE Serbatoio stoccaggio matrici cavitate Pompa per il trasferimento matrici al carico Serbatoio di digestato chiarificato per simulare ricircolo dalla fase di metanogenesi Serbatoio stoccaggio matrici fermentate UNITA DI FERMENTAZIONE BIOLOGICA Reattore da 250 litri Linea di ricircolo interno con possibilità di insufflazione aria Pompa monovite per effettuare ricircolo interno Sonde di misurazione del ph, ORP, Conducibilità SISTEMA DI ACQUISIZIONE DATI E GESTIONE DI PROCESSO Strumenti di acquisizione segnali on line (ph, T, ORP, conducibilità, portata biogas, carichi) Quadro elettrico e pannello di controllo Software di gestione in remoto

14 ph Ricircolo (% input) Buccette di pomodoro: effetto del ricircolo (scala pilota) L aumento del carico organico volumetrico determina un abbassamento del ph. L abbassamento del ph può essere bilanciato con l aumento dell alcalinità per ottenere condizioni stabili di idrolisi (ph 5-6, acidità/alcalinità tra 3-15). L aumento dell alcalinità ( mgcaco 3 eq /L) si può ottenere con substrati alcalini, agenti tamponanti (es.: bicarbonato di sodio) o utilizzo del ricircolo di digestato. L uso del ricircolo (10-30% del flusso in ingresso) permette di regolare il tempo di ritenzione (HRT 5-6 giorni) e anche l avanzamento del substrato idrolizzato verso la fase di metanogenesi; può essere un parametro operativo per regolare la produzione di biogas.

15 Buccette di pomodoro: produzione di acidi grassi volatili (scala pilota) Ripartizione media degli Acidi Grassi Volatili (AGV) durante la fermentazione Dati medi raggiunti durante la fermentazione acidogenica a regime

16 Conclusioni Lo studio condotto su tecnologie di pretrattamento di tipo meccanico installate su impianti di biogas ha evidenziato che è possibile ridurre la frazione fibrosa aumentando la superficie specifica fino al 50%, favorendo il contatto con la flora batterica e la miscelazione all interno del digestore; tuttavia, con le biomasse utilizzate, non sono state registrate variazioni significative in termini di produzione di biometano. La fase di sviluppo sperimentale ha visto l implementazione di una linea di pretrattamento meccanico-biologico costituita dal trattamento sequenziale delle biomasse con cavitazione idrodinamica e idrolisi biologica.

17 Conclusioni Lo scale-up dalla scala di laboratorio (12 L) a pilota (250 L) ha confermato la fattibilità del processo anche su matrici organiche fibrose difficilmente impiegabili tal quali, assicurando un flusso omogeneo in ingresso alla fase di metanogenesi, sia in termini granulometrici che dal punto di vista chimico. Sono stati individuati i parametri gestionali della fase idrolitica/acidogenica: ph tra 5-6, rapporto acidità/alcalinità tra 3-15, %CH 4 nel biogas < 30%, COV >12 kg SV/(m 3 *g), HRT di 5-6 giorni. La ripartizione degli acidi organici riscontrati a valle dell unità idrolisi, apre la strada allo sviluppo di processi di valorizzazione di tali biomasse per il recupero di materia in ottica di bioeconomia circolare.

18 POR-FESR ASSE 1 Ricerca e innovazione Progetto GoBioM Ottimizzazione tecnologica filiera biometano Grazie per l'attenzione gobiom.crpa.it Convegno conclusivo Mercoledì, 11 luglio 2018 Tecnopolo di Reggio Emilia Mirco Garuti m.garuti@crpa.it