Rese di co-digestione di scarti agro-industriali in reattori pilota a ciclo continuo

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1 Rese di co-digestione di scarti agro-industriali in reattori pilota a ciclo continuo Mariangela Soldano m.soldano@crpa.it, Sergio Piccinini, Lorella Rossi, Nicola Labartino Centro Ricerche Produzioni Animali CRPA, Reggio Emilia Riassunto Il rendimento in biogas e quindi energetico del processo di digestione anaerobica è molto variabile e dipende dalla biodegradabilità del substrato trattato. Il CRPA ha sviluppato un impianto pilota da laboratorio per la determinazione della biodegradabilità anaerobica delle matrici di interesse. La relazione presenta i risultati delle prime prove di digestione anaerobica di diverse miscele costituite da scarti organici dell agro-industria, che il CRPA ha attivato nell ambito del laboratorio LITCAR. Si sono rilevate rese in biogas elevate (0,735 e 0,653 m 3 di biogas per kg di solidi volatili caricati). Summary Biogas and energetic yield of anaerobic digestion process is variable and it depends on the biodegradability of the treated substrate. The CRPA has developed a pilot laboratory plant to determinate the anaerobic biodegradability of organic fractions of interest. The paper describes the first anaerobic digestion tests of different mixtures of agro-industry organic residues. The CRPA has set up them within the LITCAR laboratory. Biogas yields obtained were high (0,735 e 0,653 m 3 of biogas for kg of volatile solids added). 1. Introduzione La codigestione di effluenti zootecnici con altri scarti organici al fine di aumentare la produzione di biogas è pratica standard in Europa ormai da diversi anni. L interesse che spinge gli operatori del settore verso la codigestione è costituito principalmente dal fatto che la vendita della maggior quantità di elettricità prodotta, unitamente agli introiti ricevuti dai produttori del rifiuto organico utilizzato come co-substrato, permette di ottenere guadagni maggiori. Nelle piccole e medie strutture aziendali, in particolare, l utilizzo della codigestione può notevolmente migliorare l economia globale in quanto gli aumentati guadagni consentono di bilanciare anche i maggiori investimenti necessari e i costi sostenuti per rendere idoneo l impianto al trattamento di più scarti (alcuni dei quali sono anche soggetti a restrizioni di legge che obbligano a costosi pre-trattamenti). La miscelazione di diversi prodotti consente di compensare le fluttuazioni di massa stagionali dei rifiuti, di evitare sovraccarichi o al contrario carichi inferiori alla capacità stessa del digestore e di mantenere quindi più stabile e costante il processo. Le matrici attualmente più utilizzate nella codigestione con effluenti zootecnici sono gli scarti organici agroindustriali e le colture energetiche. Gli scarti organici da utilizzare come co-substrati provengono dalle più svariate fonti e possiedono quindi forti differenze nella composizione chimica e nella biodegradibiltà. Alcune sostanze (quali percolati, acque reflue, fanghi, olii, grassi e siero) sono facilmente degradabili mediante digestione anaerobica senza richiedere particolari pre-trattamenti, mentre altre (quali gli 1

2 scarti di macellazione, sostanze ad elevato tenore proteico) necessitano di essere fortemente diluite con il substrato base (effluenti zootecnici liquidi), in quanto possono formare metaboliti inibitori del processo (ad esempio l ammoniaca). [1,2] Poiché la produzione di energia da biomasse di scarto è una tematica attuale e di grande valenza economica ed ambientale risulta interessante valutare l efficienza energetica di scarti organici dell industria di trasformazione delle produzioni vegetali ed animali allo scopo di valutare la co-digestione anaerobica come una soluzione gestionale al recupero di questi scarti. Inoltre ai fini del dimensionamento degli impianti di biogas e del loro studio di fattibilità risulta interessante la conoscenza delle rese in biogas dei diversi substrati e delle miscele che alimentano gli impianti. Il CRPA ha sviluppato un impianto pilota da laboratorio per la determinazione della biodegradabilità anaerobica delle matrici di interesse in cui la misura della produzione del biogas ottenuto viene effettuata sfruttando l aumento di pressione che si genera all interno di un sistema chiuso.[3] 2. Relazione 2.1 Descrizione sistema È stato realizzato un sistema (Fig.1) costituito da una bottiglia Mariotte in vetro della capacità di 22,5 litri provvista alla base di un uscita attraverso cui vengono immesse le sostanze da digerire e all estremità superiore sono presenti tre uscite: una per l emissione del gas prodotto, una per l immissione del gas di ricircolo con funzione di miscelazione e una per il prelievo del digestato. Il reattore è immerso in un bagno termostatato in acciaio inox dove viene mantenuto in acqua riscaldata alla temperatura di processo (circa 38 C se si opera in mesofilia e circa 55 C se si opera in termofilia). Una copertura ispezionabile oscurata in policarbonato a tenuta termica permette di mantenere lo spazio di testa del reattore alla stessa temperatura ed evitare l ingresso della luce; il gas viene raffreddato da una cella frigorifera e la condensa prodotta raccolta in una trappola. Inoltre il sistema è dotato di un misuratore di pressione differenziale che rileva le pressioni generate all interno del digestore e da una guardia idraulica che durante lo scarico del biogas non permette l ingresso di aria ambiente nel digestore. I reattori realizzati, come sopra descritto, sono tre. Fig. 1 - Sistema digestori anaerobici da laboratorio 2

3 2.2 Descrizione prova Sono state effettuati 2 cicli di prova di digestione anaerobica, della durata totale di 6 settimane, per determinare la biodegradabilità anaerobica di due miscele costituite da scarti dell agro-industria provenienti dalla ditta Caviro di Faenza. Nel digestore 1 è stato caricato fango di flottazione refluo di un macello in miscela con la borlanda, scarto prodotto in azienda durante il processo di distillazione. Per il digestore 2 la miscela era composta da fango prodotto dall industria di lavorazione del latte e fango. In tabella 1 vengono riportate le caratteristiche analitiche delle matrici caricate durante la prova. Interno Fango flottato digestore Caviro Borlanda Scarto lattiero caseario I ciclo II cicloi ciclo-ii ciclo I ciclo II ciclo ph [-] 7,8 5,7 5,6 4,9 7,6 7,6 ST [g/kg tq] 26,4 88,1 103,8 36,1 48,3 51,9 ST [% tq] 2,6 8,8 10,4 3,6 4,8 5,2 SV [g/kg tq] 13,3 73,5 87,3 21,4 39,0 41,6 SV [% ST] 50,4 83,4 84,0 59,3 80,8 80,0 SST [g/l] 18,9 81,7 87,8 19,76 43,8 32,2 SST [%ST] 71,6 92,7 84,6 54,69 90,8 62,0 NTK [mg/kg tq] NTK [%ST] 6,5 5,8 5,9 2,8 5,9 5,6 N-NH + 4 [mg/kg tq] , N-NH 4 + [% NTK] 37,5 30,6 22,2 5,7 54,7 56,2 COD [mg/l] P tot [mg/kg tq] 70, Ptot [%ST] 2,68 1,76 1,5 0,35 1,7 1,6 K [mg/kg tq] 75, K [%ST] 0,29 0,17 0,1 8,16 0,5 0,5 Tab.1 Caratteristiche analitiche delle matrici campionate Le prove con le due miscele sono state effettuate in parallelo riempiendo ciascun reattore con un volume noto di biomassa (10 kg) prelevata all interno del digestore dell impianto di biogas presso la Caviro, quindi chiudendo ermeticamente il sistema ed effettuando periodicamente carichi noti delle due miscele di cui sopra e scarichi di quantitativi corrispondenti di materiale già digerito. In tabella 2 sono riportate le caratteristiche analitiche delle due miscele e i rapporti volumetrici delle matrici che le compongono. 3

4 MISCELA 1 Borlanda : Fango MISCELA 2 Fango lattiero caseario : Fango 70% : 30 % 65% : 35% 75% : 25% 68% : 32% I ciclo II ciclo I ciclo II ciclo ph [-] 5,5 5,5 7,2 6,6 ST [g/kg tq] 51,6 44,8 58,2 64,2 SV [g/kg tq] 37,0 33,3 47,6 52,3 SV [%tq] NTK [mg/kg tq] NTK [%ST] 4,7 5,5 6,2 6,0 N-NH4+ [mg/kg tq] N-NH4+ [% NTK] Tab 2 - Valori medi delle miscele di carico utilizzate nei due cicli I parametri monitorati durante la prova sono stati i seguenti: - quantitativo del substrato caricato e prelevato dai reattori; - pressione all interno del sistema, tramite misuratore di pressione che rileva i dati in continuo, visualizzabili su PC; - temperatura del gas nello spazio di testa, tramite apposito sensore di temperatura; - analisi qualitativa del biogas campionato tramite apposito analizzatore dei gas Geotechnical Instruments, Modello Ga2000Plus, in grado di misurare le percentuali in volume di CH 4, CO 2, O 2, e le concentrazioni di H 2 S e NH 3 espresse in ppm; - caratteristiche chimiche del materiale caricato e del digestato scaricato nonché dell interno digestore della Caviro caricato ad inizio prova. In tabella 3 vengono riportati i parametri operativi relativi alla prova MISCELA 1: Borlanda + Fango flottato 1: Borlanda 2: Fango flottato Temperatura di processo [ C] HRT [d] Carico organico volumetrico [kg SV/m 3 d] I CICLO 70% 30% 35,5 18 2,1 II CICLO 65% 35% 35,5 18 2,2 MISCELA 2: Fango lattiero caseario + Fango flottato 1: Fango lattiero caseario 2: Fango flottato Temperatura Di processo [ C] HRT [d] Carico organico volumetrico [kg SV/m 3 d] I CICLO 75% 25% 35,5 20 2,4 II CICLO 68% 32% 35,5 22 2,2 Tab.3 Parametri operativi relativi ai due cicli 4

5 Il biogas prodotto in condizione anaerobiche a seguito del carico viene accumulato nello spazio di testa del digestore, generando un aumento di pressione rispetto alla situazione iniziale, rilevato mediante il misuratore di pressione differenziale e registrato su PC. 3. Risultati Dalle leggi che regolano il comportamento dei gas, è possibile ricavare le formule che consentono di ottenere la massa di carbonio prodotta nello spazio di testa durante la digestione anaerobica e dall analisi delle composizioni percentuali in volume effettuate con l analizzatore, le corrispondenti masse di CH 4 e CO 2. Si possono quindi stimare le rese in biogas e in metano delle miscele sottoposte a digestione anaerobica durante i due cicli riportate in tabella 4 (valori medi e deviazioni standard del periodo). Le analisi qualitative del biogas hanno evidenziato un valore medio in metano pari al 69% e al 71% rispettivamente per il reattore 1 e 2 durante i due cicli. Digestore Resa in biogas [m 3 /kg SV] Resa in biogas [m 3 /kg tq] Percentuale CH 4 nel biogas [%] Resa in metano [m 3 /kg SV] 1 Media 0,735 0, ,515 Dev.st 0,105 0, ,077 2 Media 0,653 0, ,456 Dev.st 0,162 0, ,116 Tab. 4 Parametri rilevati a fine prova (valori medi) In figura 2 si osservano gli andamenti delle rese in biogas delle due miscele. I valori medi rilevati nell intero periodo sono 0,735 e 0,653 m 3 di biogas per kg di solidi volatili caricati rispettivamente nei digestori 1 e 2. 1,00 Rese biogas m 3 biogas/kg SV 0,80 0,60 0,40 0,20 Digestore 1 Digestore 2 0,00 14/6 21/6 28/6 5/7 12/7 19/7 Fig. 2 Andamento della resa in biogas durante i due cicli 5

6 29 DIGESTORE 1 1, ,900 [g sv/d] ,800 0,700 0,600 m3/kg SV d 19 SV caricati giornalmente Resa Biogas 0, ,400 18/06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /07/ /07/ /07/ /07/ /07/ /07/ /07/ /07/ /07/2007 Fig. 3- Andamento delle rese in biogas e del carico organico giornaliero nel digestore 1 Mentre nel digestore 1 si è osservato un andamento omogeneo tra la resa in biogas e il carico di solidi volatili (Figura 3) nel digestore 2 (Figura 4) si nota una resa oscillante pur mantenendo un valore medio sul periodo elevato. Tale oscillazione è probabilmente da imputare ad un rapporto tra alcalinità e acidità volatile all interno del digestore 2 più basso (circa 4) rispetto a quello osservato nel digestore 1 (circa 30) DIGESTORE 2 1,000 0,900 0,800 [g sv/d] ,700 m3/kg SV d 23 0, SV caricati giornalmente Resa Biogas 0, ,400 14/06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /07/ /07/ /07/ /07/ /07/ /07/ /07/ /07/ /07/ /07/ /07/2007 Fig.4- Andamento delle rese in biogas e del carico organico giornaliero nel digestore 2 6

7 4. Conclusioni Quanto appena descritto permette di confermare la validità della co-digestione di biomasse di scarto di diversa provenienza, garantendo rese in biogas elevate. In regione Emilia Romagna dove sono presenti numerose distillerie, macelli e industrie di trasformazione di prodotti vegetali e di conseguenza sono prodotte quantità significative di scarti organici, potrebbero trovare una giusta valorizzazione l uso di questo tipo di miscele in digestione anaerobica. 5. Bibliografia [1] CRPA (a cura di) (2007) Energia dal biogas Manuale pratico, AIEL pp. 94; [2] M.Soldano, C. Fabbri, S. Piccinini Co-digestion plant in dairy cattle farm in Emilia Romagna region (Italy). Atti dell International Congress Progress in Biogas, Universitat Hohenheim, Stuttgart Germany, Settembre 2007; [3] UNI (2004): Valutazione della biodegradabilità anaerobica ultima di composti organici in fanghi digeriti. 7