BonusBiogas: azoto e CAR

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1 BonusBiogas: azoto e CAR C.R.P.A. S.p.A. - Reggio Emilia Tecnologie per la concentrazione e la riduzione dell'azoto (Parte I) Verona, 21 marzo 2013 Claudio Fabbri, Sergio Piccinini Centro Ricerche Produzioni Animali - RE

2 Le forme azotate degli effluenti zootecnici Negli effluenti l'azoto è presente in due forme: azoto organico e azoto ammoniacale; Le percentuali di queste due forme azotate dipendono da molteplici fattori (tipo di effluente, età di stoccaggio, trattamenti, ph, temperatura...) L'azoto ammoniacale a sua volta può essere presente come ione ammoniacale (N-NH 4 + ) o come ammoniaca gassosa libera (NH 3 ); Solo l'ammoniaca gassosa libera (NH 3 ) è volatile

3 Effetti della digestione anaerobica Il processo di digestione anaerobica: Determina una riduzione della sostanza organica meno stabile; Non riduce i quantitativi di azoto e fosforo; Trasforma parte dell'azoto organico in azoto ammoniacale.

4 Trasformazioni dell azoto

5 Separazione solido-liquido E' una tecnica utilizzata per segregare le componenti particellari più o meno fini, presenti in un effluente, in una frazione palabile; A seconda delle finalità e della tipologia di effluente è possibile applicare diversi tipi di macchine; La stessa macchina può avere efficienze diverse a seconda della regolazione e del effluente su cui lavora

6 Tipologia di macchine

7 Cosa succede in separazione S/L?

8 Efficienza di separazione frazione del singolo elemento (peso, azoto totale, azoto ammoniacale, solidi totali, fosforo, ecc.) che viene separata/segregata nella frazione solida/addensata rispetto alla quantità dello stesso elemento avviata al trattamento

9 Tecnologie di separazione Tipologia di separatore Tipo di solidi separati Effluente trattato (in genere) Vagli grossolani (>0,1 mm) suino Rulli contrapposti grossolani bovino, digestato Compressione elicoidale grossolani bovino, digestato Centrifuga grossolani e fini suino, digestato Flottatore grossolani e fini suino

10 Separazione solido-liquido di effluenti e digestati Efficienza di separazione nella frazione solida Tipologia di separatore Effluente Peso (%) Sostanza secca (%) Azoto (%) Fosforo (%) Vagli suino Rulli Suino, bovino, contrapposti digestato Compressione Suino, bovino, elicoidale digestato Centrifuga Suino, bovino, digestato Flottatore suino

11 Correlazione fra efficienza di separazione ST e contenuto di solidi totali

12 Correlazione fra efficienza di separazione NTK e contenuto di solidi totali

13 Correlazione fra efficienza di separazione NTK e contenuto di solidi totali Efficienza rimozione azoto (%) 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Centrifuga orizzontale Con polielettroliti Senza polielettroliti Concentrazione solidi totali (g/kg) Liquame suino e bovino Digestato

14 Caratteristiche chimiche di digestati

15 Caratteristiche delle frazioni solide

16 Caratteristiche delle frazioni chiarificate

17 Bilancio energetico impianto biogas Il bilancio energetico di un impianto di biogas dipende da: energia per riscaldare la biomassa al carico (mediamente da T ambiente alla T di processo) perdite di conduzione/convezione/irraggiamento della struttura La quantità di «energia disponibile» dipende da: contenuto energetico della biomassa utilizzata; rendimento elettrico e termico del cogeneratore.

18 Contenuto energetico delle biomasse a DA Ogni biomassa ha un potenziale energetico, espresso come CH 4 (kwh/t), diverso e un contenuto di acqua differente che si traduce in una disponibilità energetica per l evaporazione/essiccazione differente (kwh/kg H2O)

19 Bilancio energetico di un impianto da 600 kw (esempio 1): perdite di sistema e potenza recuperabile Bilancio termico della potenza disponibile per gli usi esterni Potenza termica [kw] Temperatura esterna [ C] Circa 550 vacche in lattazione + 30% in peso da colture dedicate Biomassa Quantità (t/g) Solidi volatili (t/g) Metano (Nm 3 /g) Liquame bovino 38,4 3,1 718 Letame bovino 12,8 2,3 527 Insilato 22 6, Totale 73,2 12, Ripartizione della potenza disponibile (kw e %) Potenza necessaria per l'impianto Temperatura esterna media Potenza disponibile per la vendita Digestato producibile Quantità (t/g) Solidi totali (g/kg) Azoto tot.- NTK (mg/kg) Azoto N-NH4+ (mg/kg) 64, ,500-5,700 3,000-3,200 (55% NTK)

20 Trattamento del digestato per evaporazione Digestato S/L Addensato Essiccazione e/o Evaporazione Solfato ammonio fertilizzante Solido essiccato Esportazione Chiarificato Uso agronomico

21 Evaporazione e azoto esportabile: esempio 1 La quantità di azoto esportabile raggiunge i limiti richiesti dalla normativa per i bonus solo in condizioni ottimali: h/a di funzionamento CHP e consumo specifico ad alte prestazioni (< 0,9 kwh/kg H 2 O)

22 Risultati conseguibili: bilancio azotato nello scenario 1 con 0,4 kwh/kg H 2 O Azoto caricato Azoto esportabile 134,8 t/a 77,4 t/a 57,5% dell Input Azoto residuo da spandere in azienda 57,3 t/a 42,5 % dell Input

23 Evaporazione e azoto esportabile di un impianto da 300 kw a solo liquame e letame (esempio 2) Non viene raggiunto il limite minimo per beneficiare del bonus Biomassa Quantità (t/g) Solidi volatili (t/g) Metano (Nm 3 /g) Liquame bovino 59,2 4, Letame bovino 19,7 3,6 811 Totale 78,9 8,

24 Evaporazione e azoto esportabile di un impianto da 1MW a sole colture dedicate (esempio 3) Può essere sempre raggiunto il limite minimo per beneficiare del bonus Biomassa Quantità (t/g) Solidi volatili (t/g) Metano (Nm 3 /g) Insilato mais 54 17,

25 Esempi di essiccatoi-evaporatori Essiccatoio a nastro (Fonte Scolari) Turboessiccatore (Fonte VOMM) Essiccatoio a nastro (Fonte Dorset) Evaporatore sottovuoto (Fonte Ecotecno)

26 Bioessiccazione: impianto pilota CRPA a reattori STATICI aerati 6 REATTORI (V= 1 m 3 ) coibentati 6 VENTILATORI CENTRIFUGHI CON INVERTER ( P= 0,75 kw) 6 CONTALITRI con emettitori di impulsi 6 SONDE PT100 per misura temperatura PLC dedicato per gestione del processo e registrazione in continuo di tutti i parametri

27 Bioessiccazione: dati analitici iniziali e finali Digestato palabile tal quale Digestato + 10% PAGLIA Inizio ciclo Fine ciclo Inizio ciclo Fine ciclo PARAMETRI MEDIA MEDIA MEDIA MEDIA ph 8,79 8,58 8,65 8,50 ST (%) 18,53 17,97 23,02 29,13 SV (% ST) 82,33 79,29 85,85 78,99 NTK (% ST) 3,19 3,11 2,58 3,30 N-NH4 (% NTK) 29,01 4,61 29,02 1,31 TOC (% ST) 40,73 39,68 41,67 40,68 C/N

28 Prove di bioessiccazione: andamento della temperatura nella massa (dati CRPA) Temperature ( C) Ambiente D1 D2 D3 D+P1 D+P2 D+P3 0 30/8 4/9 9/9 14/9 19/9 24/9 29/9 4/10 9/1

29 Prove di bioessiccazione: bilancio di massa (Output/Input %, media di 3 repliche) (dati CRPA) DIGESTATO DIGESTATO + PALABILE PAGLIA (%) (%) TAL QUALE SOSTANZA SECCA SOLIDI VOLATILI ACQUA AZOTO- NTK Entrambe le tesi hanno raggiunti elevati livelli di igienizzazione (rispetto dei limiti di legge per i fertilizzanti e per il Reg )

30 Esempio di impianto di bioessiccazione dinamica + essiccazione a dischi Alimentazione : 3000 t/a pollina ovaiole t/a liquame bovino t/a lettiera broiler e tacchini t/a acqua 2 digestori da 3500 m3 ciascuno 1 post-digestore da 3500 m3 1 vasca stoccaggio coperta da 3500 m m2 superfice impianto trattamento digestato Essiccamento finale 1 CHP 999 kwe

31 Fitodepurazione degli effluenti zootecnici e digestato La fitodepurazione nell ambito zootecnico può essere applicata per il trattamento di: - reflui diluiti, come le acque della zona di mungitura (dopo sedimentazione); - liquami che hanno già subito un trattamento depurativo (come finissaggio). Solidi sospesi totali in ingresso dovrebbero essere < 1 g/l Azoto totale in ingresso dovrebbe essere < 0,5 g/l

32 Tipologie impiantistiche - a flusso sommerso o sub-superficiale (SFS: Subsurface Flow System) orizzontale verticale

33 Fitodepurazione degli effluenti zootecnici La concentrazione di azoto nel refluo può essere ridotta del 50-60% ed il tasso di rimozione può raggiungere 2 g N/m 2 /giorno. Questo significa che un impianto delle dimensioni di 1000 m 2, che tratterà m 3 refluo/giorno, può rimuovere non più di: 2 g N/m 2 /giorno x 1000 m 2 x 365 giorni/anno 700 kg N/anno

34 Una linea guida per la costruzione e gestione di impianti Si tratta di uno strumento di lavoro sia per gli allevatori che intendono orientarsi alla costruzione e gestione di un impianto di biogas che per i professionisti che devono progettare. Il lavoro è stato realizzato da CRPA nell'ambito dell'incarico ricevuto dalla Direzione Agricoltura della Regione Emilia-Romagna per la conduzione di Attività di informazione e documentazione sulle opportunità e sulle tecniche da utilizzare nel settore agro-energetico (CIG E45J ) Le linee guida sono scaricabili gratuitamente in formato integrale nella sezione Pubblicazioni e-book sul sito internet

35 Grazie per l attenzione C.R.P.A. S.p.A. - Reggio Emilia Claudio Fabbri, Sergio Piccinini [email protected] Viale Timavo, 43/2 Reggio Emilia Tel Fax