Allegato A. Modello per la stima della produzione di una discarica gestita a bioreattore

Transcript

1 Modello per la stma della produzone d una dscarca gestta a boreattore 1

2 Produzone d Bogas Nella letteratura tecnca sono stat propost dvers modell per stmare la produzone d bogas sulla base della qualtà de rfut e della cnetca d degradazone. In questo studo, l modello proposto è l cosddetto modello teorco. II modello teorco è costtuto da due sottomodell, d tpo dverso, n grado d tener conto sa delle caratterstche chmco-fsche de rfut (modello chmco-fsco) sa della attvtà d bodegradazone anaerobca ad opera de mcrorgansm present nella dscarca (modello bochmco, Eress et al., 1991). Tale modello è sostanzalmente teorco, n quanto s svluppa attraverso equazon matematche, corrette con dat emprc relatv al tpo d rfut ed alla loro degradabltà nel tempo. In partcolare la relazone che esprme la produzone specfca (g) d bogas nel tempo, rferta alla untà d volume de rfut è : g dg t = = Θ Corge) dt e ket ( k e (1) Dove Corg e rappresenta la frazone bogassfcable del carbono presente nella componente -esma del rfuto, k e è l coeffcente d bodegradazone della componente -esma ed nfne Θ rappresenta produzone specfca d bogas per untà d carbono organco bogassfcable. Nel seguto vene descrtto nel dettaglo l modello e come s pervene alla relazone fnale. Affnché la degradazone de rfut n una dscarca sa pù vcna alla realtà e s possa segurne l'evoluzone spazo-temporale, s può pensare d dscretzzare l volume dell'mpanto n pù celle, la cu dmensone mnma può essere rappresentata dalla quanttà d rfut smaltt gornalmente, mentre la dmensone massma può essere un ntero strato d rfut. Naturalmente le dmenson delle celle possono dfferenzars tra loro ad esempo per la dversa morfologa del sto. I dat d ngresso della cella contenente rfut, consderata come un reattore bologco d tpo batch sono le nfltrazon meteorche e l'eventuale rcrcolo del percolato, mentre valor d uscta sono costtut dal percolato e dal bogas. Nella cella convvono pù fas: la fase solda, costtuta da rfut come peso secco, la fase lquda (fssata per capllartà), che ha orgne dall'umdtà de rfut stess, dalle nfltrazon (acque meteorche) e dal percolato, ed nfne la fase gassosa costtuta da vuot present nell'nterno della massa de rfut. Dalla fase solda provene la maggor parte degl element che costtuscono l substrato per mcrorgansm responsabl della degradazone, cu 2

3 catabolt n gran parte sono component del bogas. Per una corretta modellzzazone della metanogenes s devono pertanto consderare due seguent aspett: la coesstenza d fas dfferent, con partcolare attenzone al passaggo dalla fase solda alla fase lquda tramte drols del substrato; l'eterogenetà de substrat present, caratterzzat da dfferent grad d bodegradabltà. D seguto vengono approfondt gl aspett applcatv de due sottomodell. Sottomodello chmco-fsco Dalla anals della composzone de rfut rsulta che l 50-70% de RSU su base secca è sostanza organca e che l 50% d questa è costtuta da carbono organco. Inoltre s è dmostrato che crca l 50% della frazone organca, su base secca, è convertble n bogas (metano e andrde carbonca). In realtà nfatt solo un pccola percentuale d carbono organco è faclmente bodegradable, mentre v sono materal lgneocellulos che resstono alla degradazone. La frazone d carbono bodegradable per cascuna componente merceologca del rfuto può essere espressa tramte una equazone del tpo: b b [( u ) p ] ( Corg ) = C f 1 (2) dove: (Corg b ) = Carbono organco bodegradable presente nella componente de rfut (kg C/kg RSU umdo); C f b u p = Carbono organco del componente su base secca de RSU (kg C/kg componente ); = Frazone d C bodegradable; = Contenuto d acqua della componente (rferta all'umdtà d peso umdo); = peso umdo della componente (kg componente /kg RSU umdo) La sommatora del carbono organco rferto ad ogn sngola componente merceologca fornsce la quanttà totale d carbono organco bodegradable presente ne rfut: [( u ) p ] Corg b = ( Corg b) = C fb 1 (3) 3

4 Per una prma valutazone s può rcorrere a dat d letteratura relatv alle caratterstche merceologche de rfut, come llustrate n Tab. 1. Tab. 1: Valor d umdtà effettva (u ) e capllare (u s ), contenuto d carbono organco (C ), frazone bodegradable d C (f b ) e coeffcente α (I SL /I SL max ) per la quantfcazone della frazone organca d carbono bodegradable (Andreottola e Cossu, 1988) Composzone de rfut u (%) u s (%) C (kg C/kg ) f b (%) I SL /I SLmax Resdu almentar 0,6 0,7 0,48 0,8 0,86 Resdu d gardn 0,5 0,6 0,48 0,7 0,83 Carta e cartone 0,08 0,7 0,44 0,5 0,14 Plastca e gomma 0,02 0,04 0, Tessl e cuoo 0,1 0,5 0,55 0,2 0,2 Legno 0,2 0,2 0,5 0,5 1 L'nfluenza d determnat fattor sulla degradazone anaerobca de rfut, qual ad esempo umdtà, denstà e granulometra, vene consderata con l'adozone d opportun coeffcent correttv rcavat dal rapporto tra la stuazone reale e quella ottmale. In questo modo s assume un coeffcente correttvo dato dal rapporto tra nterfacca soldo-lqudo effettvo (I SL ) e quello deale rferto alla condzone d capactà d campo (I SLmax ), ed un altro che tene conto della superfce reattva, par qund al rapporto tra la superfce totale reattva reale (SR) ed ottmale (SR max ). I coeffcent, che possono essere nterpretat come rendment della degradazone, esprmbl per cascuna componente del rfuto sono così defnt: ( ISL ) ( I SL max ) α = (4) ( SR) ( SRmax ) β = (5) La determnazone d quest coeffcent è comunque complessa e per semplfcare s può assumere che α sa par al rapporto tra l contenuto d umdtà effettvo u e la capactà d campo (u s ). In tal modo l coeffcente tene conto anche della compattazone del rfuto. 4

5 In defntva Corg b, α e β, dedott con l sottomodello fsco-chmco, costtuscono gl nput del sottomodello bochmco che descrve matematcamente meccansm bologc che sono alla base della metanogenes. Sottomodello bochmco La gassfcazone de rfut può essere descrtta con una cnetca del 1 ordne con la seguente relazone: d ( Corg g ) ( Corg ) ( Corg ) e g = k dt (6) dove: (Corg g ) = Carbono organco della componente gassfcato al tempo t (kg C/kg RSU umdo); (Corg e ) = Carbono organco effettvamente bogassfcable contenuto nella componente al tempo t = 0 (kg C/kg RSU umdo); k = Coeffcente d bodegradazone della componente (ann) -1 ; t = Tempo n ann. Come detto n precedenza, l carbono bogassfcable è solo una frazone d quello bodegradable n quanto una parte del carbono vene utlzzata per la sntes cellulare. La frazone bogassfcable è funzone crescente con la temperatura per l fatto che l tasso d assmlazone cresce pù lentamente della veloctà d dssmlazone, per cu l carbono vene maggormente gassfcato. La relazone è esprmble come segue: ( Corg ) = ( Corg ) ( 0,014T + 0,28) e b (7) E' noto però che la temperatura n una dscarca controllata non è costante nel tempo, né nello spazo: nfatt subto dopo l deposto de rfut, la breve fase aerobca è causa d un brusco nnalzamento della temperatura, seguto dalla sua dmnuzone all'nstaurars della degradazone anaerobca. In genere, comunque, la temperatura d una dscarca controllata è funzone delle condzon clmatche, della composzone e della modaltà d smaltmento de rfut, nonché delle caratterstche dello strato d copertura fnale. D regola la degradazone 5

6 metangena de rfut è mesofla, percu le temperature che s nstaurano nel corpo della dscarca sono comprese fra 20 e 42 C. Tuttava non è da scartare la possbltà che s nstaurno, almeno localmente, temperature superor, tpche della degradazone termofla (40-70 C). Tenuto conto della bassa esotermctà de process d degradazone anaerobc, è poco probable che una zona termofla possa nstaurars lungo la superfce perferca della dscarca, a contatto con l terreno naturale genercamente pù freddo. Per contro s sono rscontrate temperature elevate (oltre 60 C) n zone perferche da mputars a process ossdatv d matera organca e/o d bogas. Anche l coeffcente k è nfluenzato dalla temperatura, ma nella sua determnazone, n fase d taratura del modello tale nfluenza vene gà consderata. Sulla base delle suesposte consderazon, la produzone specfca d bogas è par a m 3 bogas/kg Corg bogassfcable. Da qu, nota la quanttà d carbono bogassfcable, s può dedurre la quanttà totale d bogas generable da una dscarca. E' oltremodo utle conoscere l'andamento nel tempo del bogas: ad ogn stante qund s devono sommare dvers contrbut fornt dalle frazon organche pù o meno bodegradabl. Queste, con una certa semplfcazone del modello, possono essere suddvse n tre component: faclmente bodegradable (rfut almentar), medamente bodegradable (scart d gardno) e lentamente bodegradable (carta, carton, legno, tessut). Ad ognuna d queste frazon vene assocato un dverso coeffcente d bodegradazone 'k', legato al tempo d semtrasformazone 't 1/2 ' (ossa quel tempo necessaro per la trasformazone d metà della sostanza organca bodegradable consderata): ln 2 k = (8) t 1/ 2 In realtà valor effettv della veloctà d bodegradazone sono mnor d quell teorc per va dell'nfluenza della umdtà, denstà e pezzatura: k = α β (9) e k dove: k e = coeffcente effettvo d reazone della frazone ; k = coeffcente massmo d reazone della frazone. 6

7 Da dat d letteratura (Damano ed al., Gestone del bogas da dscarche controllate) per valor d k delle sngole frazon organche d dversa degradabltà s possono assumere seguent (sulla base d valor med d umdtà, denstà e pezzatura): rapdamente bodegradable t 1/2 = 1 anno k = ann -1 medamente bodegradable t 1/2 = 5 ann k = ann -1 lentamente bodegradable t 1/2 =15 ann k = ann -1 In conclusone la produzone cumulata d bogas, G t espressa n m /t RSU, rsulta dalla somma de sngol contrbut: ket ( Corg ) ( e ) G = (10) t e La produzone specfca d bogas (g tot ) espressa n m 3 /t RSU/anno, può essere valutata come segue: dgt ket g = = ( Corge ) ke e (11) dt Per pratctà, nel modello s consdererà una temperatura d 20 C. Secondo dat d letteratura (Benson ed altr, Waste Managemente, 2006) process d degradazone all nterno d una dscarca boreattore vedono esaurrs n 7 ann, mentre nel modello sopraesposto coeffcent k d reazone delle frazon sono tarat per una dscarca tradzonale. Quest coeffcent verranno qund tarat, conservando rapport esstent tra d ess, n modo da comprmere quest process da 30 ann a 7 ann. I coeffcent k a confronto tra d loro sono mostrat n tabella 2. Tab. 2: k delle sngole frazon organche d dversa degradabltà per una dscarca tradzonale e per una dscarca boreattore. k (ann -1 ) Dscarca tradzonale Dscarca boreattore Rapdamente bodegradable 0,693 1,500 Medamente bodegradable 0,139 0,6 Lentamente bodegradable 0,046 0,35 7

8 Come detto n precedenza, le dmenson d cascuna cella del boreattore equvalgono a crca 3-4 mes d confermento, d conseguenza la cella s comporterà per 4 mes successv al prmo mese d confermento come una dscarca tradzonale dopodché, venendo attvata con rcrcolo del percolato, l suo comportamento muterà n dscarca boreattore. Tab. 3: Dat relatv al modello presentato, sulla base d un confermento costante d rfut n dscarca ed ad una composzone merceologca relatva all anno 2013 così come prevsto dal Pano Regonale de rfut dell Umbra. Composzone merceologca Umdtà Contenuto d Carbono organco (kg C/kg ) Component degradabl Sovvallo Sottovaglo organco 9,2% 30,6% 60% 0,48 Velocemente 30,6% verde 6,2% 20,4% 50% 0,48 Medamente 20,4% carta e cartone 37,9% 7,8% 8% 0,44 Lentamente 26,6% Plastca 24,6% 9,0% Vetro 4,0% 13,0% Metall 1,3% 0,3% tessl 6,1% 1,3% 10% 0,55 legno 1,8% 2,9% 20% 0,50 altro 8,8% 14,7% 10% 0,50 Totale 100% 100% Fg. 1: Produzone d bogas (m 3 /mese) per cella 8

9 Passamo nfne al confronto tra la produzone d bogas d una dscarca tradzonale ed una boreattore per le qual valgono le stesse condzon sopractate, ovvero, confermento costante per tre mes e composzone merceologca così come da tab. 3. Fg. 2: Confronto tra la produzone d bogas d una dscarca tradzonale ed una boreattore. 9

10 Come s evnce dal grafco, dopo l 4 mese e qund, dopo l attvazone della cella, s ha un pcco nella produzone d bogas che s esaursce nell arco d mes In questo lasso d tempo process d stablzzazone della frazone lentamente bodegradable sono quell che subscono una maggore nfluenza per opera del funzonamento della dscarca come boreattore. Infatt nella dscarca tradzonale la frazone lentamente bodegradable segue l suo decorso naturale mentre quella nel boreattore, essendo sottoposta a process pù accelerat, tende molto repentnamente ad una completa degradazone e d conseguenza ad una produzone d bogas non pù sgnfcatva dopo poch ann dalla sua attvazone. 10