Il progetto CONAN: La codigestione di fanghi biologici e rifiuti organici

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1 Workshop INNOVAZIONE TECNOLOGICA NELLA DEPURAZIONE DELLE ACQUE Festival dell Acqua, L Aquila 10 Ottobre 2013 Il progetto CONAN: La codigestione di fanghi biologici e rifiuti organici Claudio Lubello Università di Firenze 1

2 LA DIGESTIONE ANAEROBICA La digestione anaerobica è un processo biologico che, in assenza di ossigeno, trasforma la sostanza organica in biogas(una miscela di metano e anidride carbonica). I processi anaerobici sono complessi e coinvolgono molti step intermedi sviluppati da numerose classi di microrganismi. La digestione anaerobica è idonea al trattamento dei rifiuti ad alta biodegradabilità come la FORSU, gli scarti delle industrie agro-alimentari, i fanghi della depurazione ecc. Sono da considerarsi poco biodegradabili le matrici lignino-cellulosiche (rifiuti verdi, scartidipotature,..). Il pieno sviluppo della digestione anaerobica in Europa potrebbe portare al recupero di circa MWh elettrici e MWh termici. 2

3 LE BIOMASSE INTERESSATE ALLA DIGESTIONE ANAEROBICA Materiali SGP m 3 biogas/ t SV fed Deiezioni animali (suini, bovini, avicunicoli) Residui colturali (paglia, colletti di barbabietole..) Scarti organici agroindustria (siero, scarti vegetali, lieviti, fanghi e reflui di distillerie, birrerie e cantine..) Scarti organici macellazione (grassi, contenuto stomacale ed intestinale, sangue, fanghi di flottazione ) Fanghi di depurazione Frazione organica rifiuti urbani FORSU Colture energetiche (mais, sorgo zuccherino )

4 LA CODIGESTIONE ANAEROBICA NEGLI IMPIANTI DI DEPURAZIONE DELLE ACQUE REFLUE Negli impianti di depurazione delle acque reflue i digestori anaerobici (circa in funzione in Europa), sono generalmente sovradimensionati a causa di: Basso carico organico nelle acque di scarico civili By-pass dei sedimentatori primari. Il risultato è un maggior dispendio energetico per l ossidazione del carico lentamente biodegradabile. Età del fango elevate in linea acque 4

5 Alte età del fango determinano un incremento della spesa energetica. Si riduce la frazione attiva (biomasse eterotrofe ed autotrofe) nei fanghi e aumenta la frazione di COD particolato inerte. La resa di biogas Y biogas (m 3 di biogas prodotto per kg TVS) è inversamente proporzionale all età del fango della linea acque. Le rese di biogas osservate nei digestori anaerobici degli impianti di depurazione municipali sono generalmente minori di 0.2 m 3 /kgvs fed 5

6 LA CODIGESTIONE ANAEROBICA NEGLI IMPIANTI DI DEPURAZIONE DELLE ACQUE REFLUE La codigestione anaerobica come utilizzo del processo anaerobico per il trattamento combinato dei fanghi di supero dagli impianti di depurazione e di altri matrici organiche come la FORSU, i fanghi delle fosse biologiche, reflui zootecnici ecc. è applicata in Italia e diffusamente in molte realtà europee. La codigestione anaerobica dei fanghi di supero con la frazione organica dei rifiuti solidi urbani consente la crescita della resa di produzione di biogas da 0.1 a 0.6 m 3 /kgvs fed. L incremento della resa di biogas è tanto maggiore quanto il carico specifico applicato aumenta in codigestione, fino a valori anche di 5-6 kgtvs/m 3 /d (Bolzonella et al., 2006). 6

7 I principali vantaggi della codigestione anaerobica sono: 1. Miglioramento del bilancio energetico degli impianti di depurazione. 2. Costituisce una valida alternativa per il trattamento della frazione umida dei rifiuti solidi urbani e di altre matrici organiche. Il compostaggio comporta una spesa di energia elettrica di circa 50 kwh/ton di FORSU. La digestione anaerobica con la cogenerazione produce circa 160 kwh/ton di energia elettrica e circa 300 kwh/ton di calore. 3. I costi di investimento sono minimizzati se si sfrutta la potenzialità residua di impianti esistenti. 7

8 I principali limiti della codigestione nei depuratori invece sono: 1) Crescita dei carichi di TKN e dei fosfati ricircolati in testa con i surnatanti estratti nella disidratazione finale del fango digerito. Aree sensibili, dir. CEE 91/271 e Dlgs 152/06. 2) Inserimento della sezione di pretrattamento spinto dei rifiuti solidi: raccolta, triturazione, deferrizzazione, separazione delle frazioni leggere (plastiche) e pesanti (vetro). 3) Adeguamento dei sistemi di miscelazione dei digestori (ricircolo del fango, ricircolo del biogas compresso, miscelazione meccanica) 4) Possibili restrizioni sul riutilizzo dei fanghi digeriti in agricoltura. 8

9 PRODUZIONE DI NUTRIENTI DALLA CODIGESTIONE ANAEROBICA Dal punto vista ambientale il problema della codigestione è il trasferimento dei nutrienti dalla matrice solida a quella liquida. Si introduce uno sbilanciamento del rapporto COD/nutrienti nella linea acque degli impianti di depurazione biologica. I surnatanti o side-streams che tornano in testa agli impianti municipali costituiscono una percentuale variabile tra il 10 e il 20% del carico di azoto e di fosforo influente. Approccio integrato: codigestione anaerobica (recupero energetico, riduzione della frazione organica dei rifiuti) e BNR (rimozione biologica dei nutrienti. Negli impianti di depurazione la codigestione diventa applicabile solo se combinata a processi sostenibili di rimozione dei nutrienti. 9

10 PROGETTO CONAN : COntrollo Nutrienti ArNo Extraflussi ( FORSU, OMW, fosse settiche) BIOGAS (Cogenerazione, biocarburanti) CO-DIGESTIONE ANAEROBICA Sali di Mg 90% N 2 Disidratazione Smaltimento Finale RIMOZIONE FOSFORO N-NH 4 + P-PO 4 Struvite (P, NH 4 ) NITRIFICAZIONE PARZIALE 50% N-NH % N-NO 2 - ANAMMOX Fanghi di supero IMPIANTO di S.Colombano (FI) 10% N-NO 3-10

11 FORMAZIONE DI STRUVITE DAL SURNATANTE ANAEROBICO Ortofosfato di ammonio e magnesio di forma ortorombica La struvite precipita spontaneamente in diverse sezioni dell impianto, specialmente nel comparto anaerobico La struvite presenta ottime caratteristiche come fertilizzante Dato il rapido esaurimento delle miniere di fosforo, è necessario trovare fonti alternative. MgNH 4 PO 4 6H 2 O La formazione di struvite in condizioni controllate permette al contempo la rimozione del fosforo ed il suo recupero sotto-forma di un fertilizzante Reflui Normativa In letteratura il recupero di fosforo tramite struvite è stato sperimentato su flussi concentrati quali reflui zootecnici e surnatanti anaerobici In Italia la struvite non è inserita nell elenco dei fertilizzanti certificati, esperienze positive di utilizzo si sono avute in altri Paesi (Germania, Giappone) 11

12 PROGETTO CONAN : COntrollo Nutrienti ArNo IMPIANTO S. COLOMBANO basso rapporto COD/N in ingresso (COD tot /N tot = 6.1 BCOD/N tot = 3.6, RBCOD/N tot = 1.6) Arno area sensibile (D.Lgs. 152/2006) > 50% di capacità residua comparto anaerobico OBIETTIVI: Miglioramento della qualità dello scarico Rispetto dei limiti normativi (Arno area sensibile) Risparmio energetico (ossigeno e COD) Minor produzione di fanghi Possibilità di trattare reflui concentrati ricchi di azoto ammoniacale Possibilità di sfruttare la capacità residua dei digestori anaerobici Rimozione e recupero del fosforo (struvite) 12

13 Misura della biodegradabilità anaerobica di matrici organiche 0.60 Fango attivo addensato Rifiuto_cucina OMW Ortofrutta fango+ortof Produzione netta [lt biogas/g CODfed] t [d] 13

14 CONAN : POSSIBILI SVILUPPI Produzione annua di RSU nella Provincia di Firenze: ton Raccolta differenziata: rappresenta il 32% in peso FORSU = ton/anno Tutta questa massa di rifiuti organici è trattabile in codigestione con i fanghi del depuratore di S.Colombano utilizzando complessivamente 3 dei 6 digestori esistenti. Incremento di circa 13 volte la produzione di biogas attuale fino a 7000 Nmc/d di metano. Il potenziale di produzione energetica annuo risulta intorno ai 4000 MWh elettrici e 7000 MWh termici. 14

15 CONAN : POSSIBILI SVILUPPI L incremento del carico di azoto dovuto al trattamento della FORSU risulterebbe pari al 20%, quello di fosforo pari al 90% del carico totale attuale. L approccio integrato del CONAN è applicabile a qualunque processo anaerobico come digestori e discariche. In particolare il progetto è idoneo al trattamento anaerobico dei reflui zootecnici, della FORSU e di altre biomasse di scarto. Il processo Anammox è il più promettente per la rimozione dell azoto dai percolati e dai digestati liquidi. Ad oggi esistono solo 7 impianti in piena scala. 15

16 Grazie per l attenzione 16

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