LE CAPACITÀ TECNOLOGICHE ENEA A DISPOSIZIONE DELLE IMPRESE NEL SETTORE ENERGIE RINNOVABILI E EFFICIENZA ENERGETICA Tecnologie per la produzione di biogas e miglioramento dell efficienza Roberto Farina ENEA Milano, 5 ottobre 2016 Assolombarda Confindustria Milano Monza e Brianza
DIGESTIONE ANAEROBICA Processo di trattamento biologico tramite il quale la sostanza organica dei substrati viene trasformata principalmente in metano ed anidride carbonica BIOGAS IDROLISI materiale organico ACETOGENESI o fermentazione ad acetato e idrogeno METANOGENESI
Colture dedicate per la produzione di Biocarburanti BIOFUELS DRIVEN BIOREFINERIES Arundo donax Glucan 34.75 Xylan 20.10 Galactan 0.27 Arabinan 2.12 Mannan 0 Lignin 22.0 BIOCHEMICALS DRIVEN DRIVEN BIOREFINERIES SEEDS VEGETABLE OILS BIOLYFE "Second BIOethanol process: demonstration scale for the step of of lignocellulosic hydrolysisand fermentation Glucan 35 Xylan 14 Galactan 1,7 Arabinan 2,2 Mannan 1,1 Lignin 25 Residue from Cardoon HO BDO O O 5-HMF polyesters H AZELAIC ACID PELARGONIC ACID Bioplastics, Biolubricants..
Tecniche di pretrattamento di biomasse dedicate o di scarto 1 2 PRETREATMENT BIOMASS HYDROLYZATE 3 ENZYMATIC HYDROLYSIS 1. Optimizazion of the biomass pretreatment/fractionation 2. Development of high gravity bioprocesses 4
Azienda e Reflui Cooperativa agricola operante nel settore alimentare che produce principalmente succhi di frutta limpidi e concentrati, aromi, frutta essiccati e frutta IV gamma. REFLUO QUANTITA COD mg/l SV g/kg Acque lavaggio filtri e frutta 360-480 m 3 /d 4000-4500 2-3 Fanghi di supero n.d. n.d. 3-4,5 Bucce triturate e pressate Acque di prima pioggia 30 q/d n.d. 246 variabile n.d. n.d.
Situazione di partenza dell azienda Valorizzazione energetica dei reflui e dei rifiuti nel processo produttivo del lo stabilimento, attraverso prove di laboratorio condotte su diversi scarti aziendali, al fine di aumentare la loro biometanazione. Rifiuti Acque di pioggia Reflui Toilette BIOGAS Fanghi a digestione PRODUZIONE EQUALIZZATORE FILTRO ANAEROBICO Effluente AREA DI RINATURALIZZAZIONE Riciclo Fanghi Aria Canale di scarico reflui SEDIMENTATORE VASCHE A FANGHI ATTIVI
Interno del vecchio digestore
Analisi aziendale effettuata Acque di pioggia Toilette Caratterizzazione dei reflui da trattare Ottimizzazione processo in laboratorio BIOGAS Rifiuti Reflui Fanghi a digestione PRODUZIONE EQUALIZZATORE FILTRO ANAEROBICO Effluente AREA DI RINATURALIZZAZIONE Riciclo Fanghi Aria SEDIMENTATORE VASCHE A FANGHI ATTIVI Canale di scarico reflui
Substrati Trattati REFLUO 1 : acque di lavaggio filtri e frutta, acque di prima pioggia REFLUO 2 : refluo 1 + fanghi aerobici di supero REFLUO 3 : refluo 2 + substrato solido PARAMETRI MONITORATI : COD SOLIDI TOTALI e VOLATILI SOLIDI SOSPESI TOTALI e VOLATILI CONCENTRAZIONE AZOTO TOTALE e AMMONIACALE ph ALCALINITA TOTALE CONCENTRAZIONE ACIDI GRASSI VOLATILI (gascromatografia rilevatore FID) QUALITA BIOGAS (gascromatografia con rilevatore TCD) INGRESSO e USCITA REATTORE
CARATTERIZZAZIONE dei REFLUI da TRATTARE Refluo 1 Refluo 2 Refluo liquido 3 Bucce refluo 3 COD totale mg/l 4970 3330 3550 COD disciolto mg/l 4020 2180 2230 Solidi Totali g/kg 4.5 3.45 3.93 250 Solidi Volatili g/kg 3.03 2.07 2.71 246 Soldi sospesi tot g/l 2.45 0.61 1.9 Solidi sospesi vol g/l 1.126 0.5 1.3 Azoto ammoniacale mg/l 13 25.6 14 Azoto totale mg/l 14 67.4 57 1600 g/kg ph 4.2 4.8 4.6 3.7
Prove di Biometanazione La CO 2 si discioglie nella soluzione di NaOH Il metano si muove verso lo spazio di testa e sposta la soluzione Rilascio del biogas prodotto e trasporto verso la bottiglia contenente l NaOH ml di soluzione di NaOH=ml di CH 4 prodotto
Prove di Laboratorio L IMPIANTO SPERIMENTALE UASB ADOTTATO L attività è stata svolta su un impianto sperimentale di 24 litri
Prove di Laboratorio
RISULTATI : BIOMETANAZIONE in continuo su IMPIANTO UASB Refluo 3, condizioni psicrofile (22 C), carico organico medio 3 kg COD/m 3 d PRETRATTAMENTO Confronto produzione di biogas TRITURAZIONE giornaliera e PREMISCELAZIONE con il refluo te orica e registrata liquido MISCELA BUCCE:REFLUO 1:7 Litri biogas/giorno 33 30 27 24 21 18 15 12 9 6 3 0 Produzione biogas giornaliera REGISTRATA Produzione biogas giornaliera TEORICA 24/11/10 26/11/10 28/11/10 30/11/10 2/12/10 4/12/10 PRODUZIONE SPECIFICA MEDIA : 0.2 m 3 biogas/kg COD IPOTESI : Necessità di maggiori tempi di trattamento Produzione specifica refluo 3: alimentazione continua 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 Lgas/g COD in Lgas/g COD abb 0,1 0,05 0 23-nov 25-nov 27-nov 29-nov 01-dic 03-dic 05-dic
RISULTATI : BIOMETANAZIONE in continuo su IMPIANTO UASB CARATTERISTICHE del REFLUO 3 in psicrofilia dopo il TRATTAMENTO PARAMETRO COD Solidi Totali Solidi Volatili Solidi Sospesi Totali Solidi Sospesi Volatili VALORE PARAMETRO 170 mg/l 1.82 g/kg 0.97 g/kg 0.16 g/l 0.14 g/l Azoto ammoniacale 13 mg/l Azoto Totale 17.5 mg/l ph 7 Prestazioni : Abbattimento del carico organico : 96 % Abbattimento dei solidi totali : 49 % Qualità del biogas : 88 % Bilanciamento nutrienti : COD/N = 72 Concentrazione di acido acetico = 30 mg/l
RISULTATI : BIOMETANAZIONE su IMPIANTO UASB Refluo 3, condizioni mesofile (38 C), carico organico medio 3 kg COD/m 3 d Confronto produzione biogas giornaliera teorica e registrata Litri biogas/giorno 50 40 30 20 10 0 26/1/10 27/1/10 PRODUZIONE SPECIFICA MEDIA : 0.39 m 3 biogas/kg COD 28/1/10 29/1/10 30/1/10 31/1/10 1/2/10 2/2/10 3/2/10 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 4/2/10 5/2/10 Produzione biogas giornaliera TEORICA Produzione biogas giornaliera Produzione specifica del refluo 3 in mesofilia Lgas/g COD in Lgas/g COD abb 0,1 0 24-gen 26-gen 28-gen 30-gen 01-feb 03-feb 05-feb 07-feb
RISULTATI : BIOMETANAZIONE su IMPIANTO UASB CARATTERISTICHE del REFLUO 3 dopo il TRATTAMENTO PARAMETRO VALORE PARAMETRO COD 110 mg/l Solidi Totali 1.89 g/kg Solidi Volatili 0.84 g/kg Solidi Sospesi Totali 0.09 g/l Solidi sospesi Volatili 0.09 g/l Azoto ammoniacale 26 mg/l Azoto totale 30 mg/l ph 7 Prestazioni : Abbattimento del carico organico : 98 % Abbattimento dei soldi totali : 49 % Qualità del biogas : 85 % CH 4
Nuovo ciclo aziendale proposto peeling Acque di pioggia Concentrated wastewaters Toilette BIOGAS Fanghi a digestione PRODUZIONE EQUALIZZATORE FILTRO ANAEROBICO Diluted wastewaters Effluente in flu e nte a lim e n ta z io n e a tte s a r e a z io n e AREA DI RINATURALIZZAZIONE sc a ric o efflue nte s c a ric o f a ng o s c a r ic o s e d im e n ta z io n e Canale di scarico reflui
Risultato finale
CONCLUSIONI I dati raccolti dal trattamento del refluo 1 suggeriscono che il reattore in scala reale è attualmente fortemente sottocaricato a causa di un suo dimensionamento poco mirato alle reali necessità dell azienda. L utilizzo del refluo 3 porterebbe l azienda ad ottenere un risparmio nell approvvigionamento energetico pari rispettivamente al 3% e al 12% in psicrofilia e in mesofilia I dati raccolti dal trattamento del refluo 3 dimostrano che l aumento della temperatura di lavoro consente di aumentare la produzione di biogas, ma i costi derivanti da tale operazione non la rendono economicamente conveniente. il trattamento in mesofilia porta comunque al raggiungimento dei parametri tabellari per quanto riguarda il COD e mentre per le forme azotate il valore è abbastanza prossimo, rendendo pressoché inutile il trattamento aerobico a fanghi attivi
Grazie per l attenzione
Obiettivi della ricerca Recupero energetico da scarti di origine agroindustriale mediante trattamenti biologici e valorizzazione agronomica Realizzazione di un impianto di digestione anaerobica e successivo compostaggio aerobico Sperimentazione di diverse condizioni operative Sperimentazione di possibili pre-trattamenti Valutazione della qualità del compost prodotto 22
Scelta dell impianto Digestore anaerobico Plug-flow inclinato di 30 Alimentazione discontinua Volume del reattore circa 1 m 3 Temperatura di esercizio 35 C o 55 C Compostaggio Platea aerata mediante insufflazione di aria Volume utile circa 0.8 m 3 23
24
25
Parametri del processo anaerobico Carico giornaliero 30-65 kg di scarti HRT da 40 a 15 gg OLR da 4 a 20 Kg COD/m 3 /d 26
Caratteristiche matrici usate matrice matrice vegetali misti amidacea Solidi Totali (%del peso umido) 15.6 49.0 Solidi Volatili Totali (% dei ST) 95.5 98.0 Proteine (g/kg) 27 Lipidi (g/kg) 2 25 Carboidrati (g/kg) 104 Amido (g/kg) 9 ph 7 COD (g/g peso umido) 0.185 0.566 6 27
Fasi della sperimentazione Start up con fango anaerobico e matrice vegetale Fase I e II utilizzo di matrici vegetali Fase III aumento del carico e introduzione pretrattamento Fase IV introduzione della matrice amidacea 28
Fase II 4500 4000 Biogas VFA 1 3500 0.8 litri/giorno/m 3 3000 2500 2000 1500 0.6 0.4 g VFA/ litro 1000 0.2 500 0 0 90 94 98 102 106 110 114 118 122 126 130 tempo dall'inoculo (giorni) 29
Caratteristiche dell effluente tempo ph solidi totali solidi volatili Azoto Amm Azoto Totale CODtot VFA VFA (giorno dall inoculo) (%) (% ST) (g/l) (g/l) (g/l) (gcod/l ) (g/l) 96 8 2.62 26.1 1.29 0.7 105 8 2.60 68.3 0.13 0.1 108 8 2.36 66.4 112 8 2.73 5.87 0.15 0.1 117 8 2.48 67.6 0.07 0.1 122 8 2.34 66.1 2.98 4.62 20.8 30
FASE 3 6000 1 5000 Biogas VFA 0.8 litri/giorno/m 3 4000 3000 2000 0.6 0.4 g VFA/l 1000 0.2 31 0 0 126 131 136 141 146 tempo dall'inoculo (giorni)
Caratteristiche effluente fase III tempo ph solidi totali solidi volatili Azoto Ammoniacale Azoto Totale COD tot COD solubile VFA VFA (giorno dall inoculo ) (%) (% dei ST) (g/l) (g/l) (g/l) (g/l) (gcod/l) (g/l) 126 8 2.30 66.1 129 8 2.50 68.7 21.2 133 8 2.57 136 8 2.55 67.8 3.19 4.71 137 8 2.68 69.4 0.38 0.24 140 8 2.68 69.9 2.86 5.78 22.8 5.82 0.28 0.20 143 8 2.77 73.2 3.00 4.66 0.27 0.19 32
Rapporto OLR/efficienza Efficienza (%) 100 5000 90 80 70 y = -4.6355x + 113.77 R 2 = 0.9656 4500 4000 60 50 3500 40 30 3000 20 2500 10 efficienza BIOGAS Lineare (efficienza) 0 2000 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 kgcod/giorno/m 3 litri/giorno/m3 33
Conclusioni Per valori di OLR inferiori a 6.4kgCOD/m 3 /d l efficienza di trasformazione si mantiene sempre superiore all 80% Il reattore ha dimostrato una buona capacità di trattenere i solidi e idrolizzarli, questo concede una maggiore produzione di biogas, ma rende più difficoltoso il compostaggio 34