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
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
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.
Trasformazioni dell azoto
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
Tipologia di macchine
Cosa succede in separazione S/L?
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
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
Separazione solido-liquido di effluenti e digestati Efficienza di separazione nella frazione solida Tipologia di separatore Effluente Peso (%) Sostanza secca (%) Azoto (%) Fosforo (%) Vagli suino 3-5 20-25 4-7 8-12 Rulli Suino, bovino, 2-30 15-55 5-35 5-35 contrapposti digestato Compressione Suino, bovino, 2-25 15-55 5-30 10-35 elicoidale digestato Centrifuga Suino, bovino, 5-20 40-80 10-40 30-80 digestato Flottatore suino 15-35 40-70 20-35 40-80
Correlazione fra efficienza di separazione ST e contenuto di solidi totali
Correlazione fra efficienza di separazione NTK e contenuto di solidi totali
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 0 10 20 30 40 50 60 70 Concentrazione solidi totali (g/kg) Liquame suino e bovino Digestato
Caratteristiche chimiche di digestati
Caratteristiche delle frazioni solide
Caratteristiche delle frazioni chiarificate
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.
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)
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] 700 600 500 400 300 200 100 0 25 20 15 10 5 0 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 6,9 2.397 Totale 73,2 12,4 3.642 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) 64,5 80-85 5,500-5,700 3,000-3,200 (55% NTK)
Trattamento del digestato per evaporazione Digestato S/L Addensato Essiccazione e/o Evaporazione Solfato ammonio fertilizzante Solido essiccato Esportazione Chiarificato Uso agronomico
Evaporazione e azoto esportabile: esempio 1 La quantità di azoto esportabile raggiunge i limiti richiesti dalla normativa per i bonus solo in condizioni ottimali: 8.000 h/a di funzionamento CHP e consumo specifico ad alte prestazioni (< 0,9 kwh/kg H 2 O)
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
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 4,8 1.105 Letame bovino 19,7 3,6 811 Totale 78,9 8,4 1.917
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 17,1 5.890
Esempi di essiccatoi-evaporatori Essiccatoio a nastro (Fonte Scolari) Turboessiccatore (Fonte VOMM) Essiccatoio a nastro (Fonte Dorset) Evaporatore sottovuoto (Fonte Ecotecno)
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
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 13 13 16 12
Prove di bioessiccazione: andamento della temperatura nella massa (dati CRPA) 80 70 60 Temperature ( C) 50 40 30 20 10 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
Prove di bioessiccazione: bilancio di massa (Output/Input %, media di 3 repliche) (dati CRPA) DIGESTATO DIGESTATO + PALABILE PAGLIA (%) (%) TAL QUALE 85 59 SOSTANZA SECCA 83 75 SOLIDI VOLATILI 79 69 ACQUA 86 54 AZOTO- NTK 80 95 Entrambe le tesi hanno raggiunti elevati livelli di igienizzazione (rispetto dei limiti di legge per i fertilizzanti e per il Reg. 106909)
Esempio di impianto di bioessiccazione dinamica + essiccazione a dischi Alimentazione : 3000 t/a pollina ovaiole + 4000 t/a liquame bovino + 15000 t/a lettiera broiler e tacchini + 24000 t/a acqua 2 digestori da 3500 m3 ciascuno 1 post-digestore da 3500 m3 1 vasca stoccaggio coperta da 3500 m3 4800 m2 superfice impianto trattamento digestato Essiccamento finale 1 CHP 999 kwe
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
Tipologie impiantistiche - a flusso sommerso o sub-superficiale (SFS: Subsurface Flow System) orizzontale verticale
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 30-50 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
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 E45J10000060001) Le linee guida sono scaricabili gratuitamente in formato integrale nella sezione Pubblicazioni e-book sul sito internet www.crpa.it.
Grazie per l attenzione C.R.P.A. S.p.A. - Reggio Emilia Claudio Fabbri, Sergio Piccinini www.crpa.it c.fabbri@crpa.it Viale Timavo, 43/2 Reggio Emilia Tel 0522-436999 Fax 0522-435142