PRODUZIONE DI BIOGAS
Leachate and gas evolution in a landfill (Kristensen & Kjeldsen (1989) Phase I: Aerobic phase Phase II: Acid phase Phase III: Intermediate methanogenic phase Phase IV: Stabilized methanogenic phase Phase V: Final aerobic phase
Molti fattori influenzano la produzione di biogas. Essi possono essere distinti in tre gruppi in funzione delle: caratteristiche ambientali (precipitazioni, temperatura, ecc.); caratteristiche dei rifiuti (composizione, umidità, eventuali pretrattamenti, ecc.); modalità gestionali della discarica (materiali di copertura, ricircolo, modalità di deposito dei rifiuti, ecc.).
Produzione: fattori di influenza Biodegradabilità
Produzione: fattori di influenza Compattazione rifiuti: effetti contrastanti perché all'aumentare del grado di compattazione dei rifiuti: - la capacità di campo varia - la superficie reattiva della frazione solida diminuisce.
Produzione: fattori di influenza Temperatura: influenza la velocità di tutti i processi biologici, provocando possibili alterazioni della composizione della popolazione batterica Ottimale: 40 45 C. Pezzatura rifiuti: effetti contrastanti. La riduzione della pezzatura aumenta la superficie reattiva e favorisce l idrolisi ma anche la formazione di acidi grassi volatili. Inoltre influisce sulla densità
ASPETTI MODELLISTICI MODELLI STATISTICI - grande disponibilità di dati - descrizione caratteristiche input ed output - nessuna conoscenza del sistema - nessuna relazione causa-effetto MODELLI DETERMINISTICI - richiede la conoscenza del sistema - descrizione meccanismi sistema con equazioni matematiche semplici o complesse
MODELLI EMPIRICI - sistemi black box - relazione matematica tra input ed output basata su elaborazione probabilistica di dati statistici (es. percolato = 0,3 precipitazione) MODELLI STECHIOMETRICI - basati su una reazione stechiometrica globale - rifiuti rappresentati da una formula generale - produzioni di biogas elevate MODELLI BIOCHIMICI - considera le differenti componenti dei rifiuti in termini di diversa biodegradabilità MODELLI ECOLOGICI - interrelazioni complesse tra componenti ecosistema
Struttura modello SOTTOMODELLO STECHIOMETRICO - massima quantità di biogas da unità di massa di substrato - modello statico SOTTOMODELLO CINETICO - evoluzione temporale della produzione di biogas - modello dinamico - generalmente deterministico: degradazione delle varie frazioni - a volte ecologico: evoluzione dinamica substrato, biomassa, parametri di influenza SOTTOMODELLO DIFFUSIVO - variazioni temporali e spaziali pressione in discarica e composizione biogas - modello dinamico
REAZIONE STECHIOMETRICA GENERALE C a H b O c N d + nh 2 O ------> xch 4 + yco 2 + wnh 3 + zc 5 H 7 O 2 N + energia C a H b O c N d C 5 H 7 O 2 N frazione biodegradabile rifiuti biomassa (4% della sostanza organica degradabile) Trascurando la conversione in biomassa C a H b O c N d + (4a - b - 2c +3d) / 4 H 2 O ----> > (4a + b - 2c +3d) / 8 CH 4 + (4a - b - 2c +3d) / 8 CO 2 + dnh 3 1 mole C org. = 1 mole (CH 4 +CO 2 )
1 mole C org.. = 1 mole (CH 4 + CO 2 ) a 0 C e 1 atm: 1mole C = 22,4 l (CH 4 + CO 2 ) in peso: 1 g C = 1,867 l (CH 4 + CO 2 ) produzione max di biogas da C organico CH 4 = 0,55-0,6 0,6 1,867 l
CONTENUTO CARBONIO ORGANICO NEI RIFIUTI (Sottomodello Chimico-fisico) per componente i-esima (CO b ) i = C i f b (1 -u i ) p i (kg C/kg RSU) C i = C organico componente i (kg C/kg i secco) f b = frazione C i biodegradabile (%) u i = umidità componente i (% su peso umido) p i = peso umido del componente i (kg i umido/kg RSU) f b proporzionale al contenuto di lignina f b = 0,83-0,028 LC (% sui SV) LC: contenuto lignina dei SV
u i (kg/ kg i umida) CO i (kg C / kg i secca) f bi Alimentari 0,6 0,48 0,8 Rifiuti giardino Carta e cartone Plastica e gomma 0,5 0,48 0,7 0,08 0,44 0,5 0,02 0,7 0,0 Tessuti 0,1 0,55 0,2 Legno 0,2 0,5 0,5 SV (% ST) LC (% SV) f bi (% SV) Alimentari 7-15 0,4 0,82 Giornali 94 21,9 0,22 Carta ufficio 96,4 0,4 0,82 Cartone 94 12,9 0,47 Rifiuti giardino 50-90 4,1 0,72
CARBONIO ORGANICO EFFETTIVAMENTE BIOGASSIFICABILE proporzionale alla temperatura (CO eb ) i = (CO( b ) i (0,014 T + 0,28) (kg C/kg RSU) PRODUZIONE BIOGAS Y i = 1,867 (CO( eb ) i (m 3 / kg RSU) CO eb
CINETICA DI PRODUZIONE (Sottomodello Bio-chimico) Tasso e durata della produzione Espressione generale dc / dt = f (t, C n ) C: substrato biogassificabile o biogas generato n: ordine della cinetica Primo ordine: maggioranza dei casi (anche se altri fattori hanno influenza: temperatura, umidità, pezzatura) Ordine zero: rateo di produzione indipendente da substrato rimasto o gas generato Ipotizzabile per fase più attiva della produzione
d(co ( C O ) ( C O ) g e i g i (CO g ) i : carbonio organico gassificato (kg C/kg RSU umido) ) i = k i dt (CO e ) i : quantità di carbonio organico effettivamente biogassificabile (kg C/kg RSU umido) k i : costante di biodegradazione globale (da idrolisi a gassificazione completa) componente i (anni) -1 andrebbe corretto in funzione di T t: tempo (anni)
a i = (u) i /(u s ) rapporto fra umidità effettiva e di saturazione b i = (SR) i /(SRmax) i (SR) i = superficie reattiva del componente i nelle effettive condizioni di deposito (m 2 ) (SRmax) i = superficie reattiva massima del componente i (m 2 ) k ie = a i b i k i
Per semplicità tre sole frazioni: - rapidamente biodegradabili - mediamente biodegradabili - lentamente biodegradabili ognuna con diverso k k = In 2/ t 50 t 50 : t per ridurre del 50% la sostanza organica biodegradabile Sperimentalmente: - rapidamente biodegradabile: t 50 = 1 anno; k i = 0,693 anni -1 - mediamente biodegradabile: t 50 = 5 anni; k i = 0,139 anni -1 - lentamente biodegradabile: t 50 = 15 anni; k i = 0,046 anni -1.
Produzione biogas (m 3 /t RSU ) 3 k ie t G t = 1, 8 6 8 (C O e ) i ( 1 e ) i = 1 Produzione massima teorica (t = ) 3 G = m a x 1, 8 6 8 ( C O e ) i i= 1 Produzione specifica (m 3 /t RSU anno) g = dg dt t = 3 i = 1 1,868(CO e ) i k ie e - k ie t
anno 1 anno 2 anno 3 anno 4 anno 5 Nm 3/ y 824793.804 824793.804 534300.664 824793.804 1359094.47 356633.424 534300.664 824793.804 1715727.89 246959.757 356633.424 534300.664 824793.804 1962687.65 178355.664 246959.757 356633.424 534300.664 824793.804 2141043.31 134643.376 178355.664 246959.757 356633.424 534300.664 1450892.89 106094.38 134643.376 178355.664 246959.757 356633.424 1022686.6 86851.3468 106094.38 134643.376 178355.664 246959.757 752904.524 73381.2868 86851.3468 106094.38 134643.376 178355.664 579326.054 63547.3761 73381.2868 86851.3468 106094.38 134643.376 464517.765 56051.9677 63547.3761 73381.2868 86851.3468 106094.38 385926.357 50102.2923 56051.9677 63547.3761 73381.2868 86851.3468 329934.27 45209.7729 50102.2923 56051.9677 63547.3761 73381.2868 288292.696 41069.5099 45209.7729 50102.2923 56051.9677 63547.3761 255980.919 37487.8717 41069.5099 45209.7729 50102.2923 56051.9677 229921.414 34338.9573 37487.8717 41069.5099 45209.7729 50102.2923 208208.404 31538.3868 34338.9573 37487.8717 41069.5099 45209.7729 189644.499 29027.4973 31538.3868 34338.9573 37487.8717 41069.5099 173462.223 26763.787 29027.4973 31538.3868 34338.9573 37487.8717 159156.5 24715.1163 26763.787 29027.4973 31538.3868 34338.9573 146383.745 22856.1671 24715.1163 26763.787 29027.4973 31538.3868 134900.955 21166.2642 22856.1671 24715.1163 26763.787 29027.4973 124528.832 19628.0175 21166.2642 22856.1671 24715.1163 26763.787 115129.352 18226.4619 19628.0175 21166.2642 22856.1671 24715.1163 106592.027 16948.4997 18226.4619 19628.0175 21166.2642 22856.1671 98825.4104 15782.529 16948.4997 18226.4619 19628.0175 21166.2642 91751.7723 14718.1856 15782.529 16948.4997 18226.4619 19628.0175 85303.6937 13746.1575 14718.1856 15782.529 16948.4997 18226.4619 79421.8337 12858.0458 13746.1575 14718.1856 15782.529 16948.4997 74053.4177 12046.2545 12858.0458 13746.1575 14718.1856 15782.529 69151.1725 11303 9022 12046 2545 12858 0458 13746 1575 14718 1856 64672 5457
Discarica da 45000 t/y - 5 anni di coltivazione Nm3/y 2500000 2000000 1500000 1000000 500000 0 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 anni produzione Nm3/h 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Portata oraria captabile 1 4 7 1 0 1 3 1 6 1 9 2 2 2 5 2 8 3 1 3 4 anni
TEMPO DI GENERAZIONE 10-30 anni 4 anni climi molto umidi 50 anni climi molto secchi LAG TIME da poche settimane a 1 anno RANGE DI ERRORE 30% parlare sempre in termini di probabilità INCERTEZZE E PUNTI DELICATI Stima di k e CO b più che ordine della cinetica
u i u si C i f b a i Res.al. 0,6 0,7 0,48 0,8 0,86 Res.veg. 0,5 0,6 0,48 0,7 0,83 Carta 0,08 0,7 0,44 0,5 0,14 Plastica 0,02 0,04 0,7 0 - - Tessili 0,1 0,5 0,55 0,2 0,2 Legno 0,2 0,2 0,5 0,5 1 Vetro 0,03 0,04 0 0 - - Metalli 0,03 0,04 0 0 - - α i = (u) i /(u s ) rapporto fra umidità effettiva e di saturazione β i = (SR) i /(SRmax) i = 0-1 (SR) i = superficie reattiva del componente i nelle effettive condizioni di deposito (m 2 ); (SRmax) i = superficie reattiva massima del componente i (m 2 ).