Trattamenti del digestato finalizzati all utilizzo agronomico

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1 CORSO LA FILIERA BIOGAS IL DIGESTATO: caratteristiche, trattamenti e utilizzo agronomico Ferrara, 20 Maggio 2011 Trattamenti del digestato finalizzati all utilizzo agronomico Claudio Fabbri, Sergio Piccinini Centro Ricerche Produzioni Animali - Reggio Emilia

2 Azoto negli effluenti zootecnici effetti della DA Azoto IN = /40 sospeso 60/75 liquido 40/60 ammoniacale Precipitazione come STRUVITE: MgNH 4 PO 4 6H 2 O dipende da ph e da contenuto di P e Mg Idrolisi proteine e conversione ad ammoniaca QUANTO azoto c è? dipende dal flusso alimentato NON dalla DA Strippaggio ed emissione di NH 3 con il biogas dipende da ph e T ( C) del digestore Azoto OUT ~ /15 sospeso 85/90 liquido 50/80 ammoniacale In che rapporti? in che concentrazione? dipende anche dal processo (efficienza di idrolisi, portata di liquido di diluizione)

3 Tecnologie di rimozione dell azoto Processi fisico-chimici separazione solido/liquido strippaggio dell ammoniaca evaporazione precipitazione chimica di sali di ammonio (struvite) filtrazione a membrana (osmosi inversa) Processi biochimici nitrificazione/denitrificazione convenzionale processi biologici innovativi (DENO2, Sharon, Anammox, Canon..)

4 SEPARAZIONE SOLIDO/LIQUIDO Alternative disponibili (Fonte: Burton, 2007) F = alimento, L = frazione liquida, S = frazione solida I, II, III, VI = vagli, stacci IV: presse a vite; V: filtropressa a nastro; F VII. VII: centrifuga L S

5 Separatori meccanici

6 Alternative disponibili a confronto: efficienze e consumi DM = ST; TP = P tot ; TN = N tot Fonte: Mǿller et al., (2002)

7 Dispositivi di separazione: possibilità di applicazione, efficienze ottenibili nella rimozione della sostanza secca e dei nutrienti (N e P) e caratteristiche della frazione solida separata (dati CRPA, 2001). Dispositivo di separazione Liquami trattabili Efficienza di separazione Frazione solida o densa separata bovini suini SS (%) N (%) P (%) SS (%) N (kg/t) P (kg/t) Vibro-rotovaglio NO SI ,0-4,6 1,2-2, Separatore cilindrico SI ,0-5,5 5,0-8, rotante SI ,3-4,5 0,8-1, Separatore a SI ,1-4,9 3,3-4, compressione elicoidale SI ,5-3,2 0,5-1, Separatore per flottazione + vaglio cilindrico rotativo kg/m 3 liquame NO SI ,9-5,4 3,9-4, Flottatore NO SI ,4-4,8 2,1-3, Bacini di NO SI ,0-6,0 3,6-5, sedimentazione in serie Centrifuga ad asse SI ,0-11,0 6,0-10, orizzontale SI

8 La DA riduce SV ( biogas) e converte parte dell N organico a NH 4 /NH /NH 3 e diminuisce l'efficienza di separazione dell'azoto totale.

9 SEPARAZIONE SOLIDO/LIQUIDO Efficienza di separazione in impianti di digestione anaerobica Prove di separazione in 3 Aziende, differenti per tipo di impianto di biogas e miscela di matrici in alimentazione al digestore. Il sistema di separazione solido-liquido è uguale in tutte le aziende (separatore a compressione elicoidale) ma di 3 distinte ditte fornitrici. primo impianto: impianto termofilo alimentato per un primo periodo con sole colture dedicate (insilato di mais) e successivamente con una miscela di colture dedicate e sottoprodotti di origine vegetale e animale; secondo impianto: impianto mesofilo alimentato con sole colture dedicate (insilato di mais e sorgo); terzo impianto: impianto mesofilo alimentato prevalentemente con colture dedicate (insilato di mais e sorgo) e sottoprodotti dell'agroindustria.

10 L'efficienza di separazione dei ST è in stretta correlazione con la concentrazione di ST nell'effluente trattato

11 La quantità di solido separato dipende dal contenuto di ST dell'effluente trattato

12 L efficienza di separazione dei ST e dell NTK sono strettamente correlati

13 SEPARAZIONE SOLIDO/LIQUIDO Rimozione di N dipende da: % di N in forma sospesa efficienza di separazione dei solidi del dispositivo tipo di matrice e suo pretrattamento (stoccaggio/digestione) Centrifughe: maggiori efficienze di separazione - trattengono anche le particelle più fini (0,02 mm) Consumo energetico: cresce con l efficienza di separazione ottenibile (su liquami zootecnici: attorno a 5 kwh/t per la centrifuga e 1 kwh/t per le presse a vite)

14 STRIPPAGGIO dell Ammoniaca Separazione dell azoto ammoniacale come AMMONIACA GASSOSA da soluzione alcalina (ph > 9) 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 NH 4 N NH N 3 N-NH 4+ /N Tot T = 30 C T= 5 N-NH 3 /N Tot se T aumenta ph e T 10 ph NH4 Ca( OH ) 2 HCO3 NH3 CaCO3 2H 2O 2 NH ) 3 H 2SO4 ( NH4 2 SO4

15 STRIPPAGGIO dell Ammoniaca Condizioni operative: ALTO ph, ALTA T C Per alzare il ph: aggiunta di reagente alcalino: Ca(OH) 2, NaOH (dose media: 7kg di reagente/kg di N) Per alzare la temperatura: Strippaggio con vapore + ricondensazione del vapore arricchito di NH 3 2 NH3 H2SO4 ( NH4) 2SO4 Strippaggio con aria calda in torri di strippaggio con rapporti aria/liquido 20/1 o superiori + ricondensazione in acido solforico al 40% sale utilizzabile come fertilizzante

16 Strippaggio + adsorbimento in soluzione acida

17 Strippaggio/cristallizzazione/salificazione del 60% N Vantaggi: Svantaggi: Maggiore efficienza di abbattimento Possibilità di vendita (?) fertilizzante granulato Maggiore complessità impiantistica Maggiori costi di investimento Maggiori costi di gestione, personale separatore meccanico LIQUAMI Allevamento trinciato acqua BIOGAS COGENERATORE Allevamento LETAME LETAME LIQUAMI DA DIGESTATO separatore meccanico LIQUIDI NaOH rimozione 60% di azoto strippaggio N salificazione (NH 4 ) 2 SO 4 LIQUIDI capacità <180 giorni storage Allevamento LIQUAMI solido stabilizzato Silo Sali N LETAME al campo vendita fertilizzante granulato? al campo max 170 kg N / ha

18 STRIPPAGGIO dell Ammoniaca Efficienze e consumi: Possibile raggiungere efficienze di rimozione dell ammoniaca > del 90% Costi elevati determinati da: Dosaggio reagenti (elevati dosaggi calce per aumentare il ph) Consumi energetici (per riscaldamento ed aerazione) Trattamento e smaltimento residui (impossibile o difficile commerciabilità) Attenzione: incrostazioni legate all aggiunta di calce manutenzione significativa (Fonti: Liao et al., 1995; Viel, 1996 )

19 STRIPPAGGIO dell Ammoniaca a caldo Prototipo usato per le prove CRPA Recircolo di aria SemiBatch Scrubber acido Temp: C HRT: 6 ore Capacità reattore: 1 m 3 of liquame Q aria insufflazione= m 3 /h.m 3 liquame In collaborazione con la ditta Rota Guido

20 Impianto pilota di strippaggio Sistema anti schiuma Insufflazione aria Scambiatore di calore

21 STRIPPAGGIO dell Ammoniaca a caldo Attività sperimentali CRPA su chiarificato suino 21

22 STRIPPAGGIO dell Ammoniaca a caldo Attività sperimentali CRPA: chiarificato bovino digestato e no 22

23 STRIPPAGGIO dell Ammoniaca a caldo Attività sperimentali CRPA: effetto della temperatura 23 45% 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0%

24 STRIPPAGGIO dell Ammoniaca a caldo Strippaggio su liquami addensati e digeriti 24 Liquame Flottatore Chiarificato Uso agronomico Flottato Digestione anaerobica Energia termica Digestato chiarificato Strippaggio Soluzione Sali d ammonio Chiarificato deammonificato Uso agronomico Ind. fertilizzanti

25 STRIPPAGGIO dell Ammoniaca a caldo Strippaggio a caldo dell azoto da digestato addensato suino Liquame: 152 t N-tot di cui 106 t N-NH4 Flottatore Chiarificato:106,4 t N-tot di cui 87,8 t N-NH4 Uso agronomico 25 Flottato: 45,6 t N-tot /m 3 di cui 18,2 t N-NH4 /m 3 Digestione anaerobica Digestato Strippaggio Chiarificato Deammonificato 35,3 t N-tot di cui 7,9 t N-NH4 ε strippaggio = 60% % trattabile = 94% Soluzione Sali d ammonio 10,3 t N-NH4 6,7% di N

26 STRIPPAGGIO dell Ammoniaca a caldo 26 Liquame e biomassa dopo codigestione Digestione anaerobica Energia termica Digestato Separazione S/L Strippaggio Soluzione Sali d ammonio Chiarificato deammonificato Uso agronomico Solido separato Uso agronomico Compostaggio (opzionale) Ind. Fertilizzanti

27 STRIPPAGGIO dell Ammoniaca a caldo Strippaggio a caldo dell azoto da digestato di liquame e colture dedicate Liquame 152 t N-tot di cui 106 t N-NH4 Biomasse 77 t N-tot di cui 0 t N-NH4 Chiarificato Deammonificato 102 t N-tot di cui 38,8 t N-NH4 27 Digestione anaerobica Strippaggio Digestato 229 t N-tot di cui 121,1 t N-NH4 Chiarificato* ε strippaggio = 60% % trattabile = 100% Soluzione Sali d ammonio 58,3 t N-NH4 25,4% Separazione S/L Solido separato 68,5 t N-tot di cui 24 t N-NH4 *Attenzione: il chiarificato contiene da 30 a 50 gss/l

28 STRIPPAGGIO dell Ammoniaca a caldo Conclusioni tecniche 28 Si volatilizza solo la quota ammoniacale; L'efficienza di strippaggio aumenta con la concentrazione di azoto ammoniacale il ph (dosaggio di alcalinizzanti) La temperatura Il rapporto di insufflazione aria/liquame Un elevato contenuto di sostanza secca riduce la portata insufflabile e peggiora i rendimenti

29 STRIPPAGGIO dell Ammoniaca a caldo Conclusioni operative 29 Occorre energia termica gratuita (digestione anaerobica biogas cogenerazione); Energia termica da digestione di soli effluenti zootecnici non basta per raggiungere efficienze di strippaggio significative; L utilizzo di colture dedicate aumenta la disponibilità termica ma anche le quantità di azoto da gestire in azienda; Occorre individuare un destino per il prodotto ottenuto (fertilizzante? compostaggio?.)

30 30 EVAPORAZIONE del digestato La tecnica può essere applicata sia al solido separato digestato che al digestato tal quale. Con l'evaporazione dell'acqua si ha una emissione più che proporzionale di ammoniaca che deve essere catturata in scrubber acidi. Essiccatoio per digestato liquido (Fonte BTS) Consente di produrre un solido essiccato ricco di azoto organico, buon ammendante, e una soluzione di sali di ammonio, ottimo fertilizzante.

31 EVAPORAZIONE del digestato Sistema di essiccamento Digestione Anaerobica Digestato Scrubber Aria con ammoniaca Frazione secca Fertilizzante Azotato liquido Fertilizzante organico

32 32 EVAPORAZIONE del digestato Occorre energia termica gratuita (digestione anaerobica biogas cogenerazione); Energia termica utile è inversamente proporzionale ai volumi caricati nel digestore L utilizzo di colture dedicate in co-digestione aumenta la disponibilità termica ma al contempo anche le quantità di azoto; Le quantità di acqua evaporabile sono mediamente pari a m 3 /anno per un impianto da 1000 kw

33 33 EVAPORAZIONE del digestato 1 caso - Co-digestione Emissioni in atmosfera 3,10% Azoto strippato 21,30% Impianto di biogas da 1000 kwe 55,30% Azoto nel digestato liquido 20,30% Azoto nel digestato essiccato Digestato da co-digestione fra effluenti (30%) e colture dedicate (70%): quantità di digestato pari a t/a

34 34 EVAPORAZIONE del digestato 2 caso - solo colture dedicate Azoto nel digestato liquido 23,60% Emissioni in atmosfera 4,40% Azoto strippato 37,30% Impianto di biogas da 1000 kwe Digestato da sole colture dedicate: quantità di digestato pari a t/a 34,70% Azoto nel digestato essiccato

35 Grazie per l attenzionel http//sebe.crpa.it s.piccinini@crpa.it c.fabbri@crpa.it