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ECOMONDO 2007
CRPA SpA- Reggio Emilia
Rese di co-digestione di scarti agro-industriali in reattori pilota a ciclo
continuo
Mariangela Soldano [email protected], Sergio Piccinini, Lorella Rossi, Nicola
Labartino
Centro Ricerche Produzioni Animali CRPA, Reggio Emilia
Riassunto
Il rendimento in biogas e quindi energetico del processo di digestione anaerobica è
molto variabile e dipende dalla biodegradabilità del substrato trattato.
Il CRPA ha sviluppato un impianto pilota da laboratorio per la determinazione della
biodegradabilità anaerobica delle matrici di interesse. La relazione presenta i risultati
delle prime prove di digestione anaerobica di diverse miscele costituite da scarti
organici dell’agro-industria, che il CRPA ha attivato nell’ambito del laboratorio
LITCAR. Si sono rilevate rese in biogas elevate (0,735 e 0,653 m3 di biogas per kg di
solidi volatili caricati).
Summary
Biogas and energetic yield of anaerobic digestion process is variable and it depends on
the biodegradability of the treated substrate. The CRPA has developed a pilot
laboratory plant to determinate the anaerobic biodegradability of organic fractions of
interest. The paper describes the first anaerobic digestion tests of different mixtures of
agro-industry organic residues. The CRPA has set up them within the LITCAR
laboratory. Biogas yields obtained were high (0,735 e 0,653 m3 of biogas for kg of
volatile solids added).
1.
Introduzione
La codigestione di effluenti zootecnici con altri scarti organici al fine di aumentare la
produzione di biogas è pratica standard in Europa ormai da diversi anni. L’interesse che
spinge gli operatori del settore verso la codigestione è costituito principalmente dal fatto
che la vendita della maggior quantità di elettricità prodotta, unitamente agli introiti
ricevuti dai produttori del rifiuto organico utilizzato come co-substrato, permette di
ottenere guadagni maggiori. Nelle piccole e medie strutture aziendali, in particolare,
l’utilizzo della codigestione può notevolmente migliorare l’economia globale in quanto
gli aumentati guadagni consentono di bilanciare anche i maggiori investimenti necessari
e i costi sostenuti per rendere idoneo l’impianto al trattamento di più scarti (alcuni dei
quali sono anche soggetti a restrizioni di legge che obbligano a costosi pre-trattamenti).
La miscelazione di diversi prodotti consente di compensare le fluttuazioni di massa
stagionali dei rifiuti, di evitare sovraccarichi o al contrario carichi inferiori alla capacità
stessa del digestore e di mantenere quindi più stabile e costante il processo.
Le matrici attualmente più utilizzate nella codigestione con effluenti zootecnici sono gli
scarti organici agroindustriali e le colture energetiche. Gli scarti organici da utilizzare
come co-substrati provengono dalle più svariate fonti e possiedono quindi forti
differenze nella composizione chimica e nella biodegradibiltà. Alcune sostanze (quali
percolati, acque reflue, fanghi, olii, grassi e siero) sono facilmente degradabili mediante
digestione anaerobica senza richiedere particolari pre-trattamenti, mentre altre (quali gli
1
ECOMONDO 2007
CRPA SpA- Reggio Emilia
scarti di macellazione, sostanze ad elevato tenore proteico) necessitano di essere
fortemente diluite con il substrato base (effluenti zootecnici liquidi), in quanto possono
formare metaboliti inibitori del processo (ad esempio l’ammoniaca). [1,2]
Poiché la produzione di energia da biomasse di scarto è una tematica attuale e di grande
valenza economica ed ambientale risulta interessante valutare l’efficienza energetica di
scarti organici dell’industria di trasformazione delle produzioni vegetali ed animali allo
scopo di valutare la co-digestione anaerobica come una soluzione gestionale al recupero
di questi scarti. Inoltre ai fini del dimensionamento degli impianti di biogas e del loro
studio di fattibilità risulta interessante la conoscenza delle rese in biogas dei diversi
substrati e delle miscele che alimentano gli impianti.
Il CRPA ha sviluppato un impianto pilota da laboratorio per la determinazione della
biodegradabilità anaerobica delle matrici di interesse in cui la misura della produzione
del biogas ottenuto viene effettuata sfruttando l’aumento di pressione che si genera
all’interno di un sistema chiuso.[3]
2.
Relazione
2.1
Descrizione sistema
È stato realizzato un sistema (Fig.1) costituito da una bottiglia Mariotte in vetro della
capacità di 22,5 litri provvista alla base di un’uscita attraverso cui vengono immesse le
sostanze da digerire e all’estremità superiore sono presenti tre uscite: una per
l’emissione del gas prodotto, una per l’immissione del gas di ricircolo con funzione di
miscelazione e una per il prelievo del digestato.
Il reattore è immerso in un bagno termostatato in acciaio inox dove viene mantenuto in
acqua riscaldata alla temperatura di processo (circa 38 °C se si opera in mesofilia e circa
55°C se si opera in termofilia).
Una copertura ispezionabile oscurata in policarbonato a tenuta termica permette di
mantenere lo spazio di testa del reattore alla stessa temperatura ed evitare l’ingresso
della luce; il gas viene raffreddato da una cella frigorifera e la condensa prodotta
raccolta in una trappola. Inoltre il sistema è dotato di un misuratore di pressione
differenziale che rileva le pressioni generate all’interno del digestore e da una guardia
idraulica che durante lo scarico del biogas non permette l’ingresso di aria ambiente nel
digestore. I reattori realizzati, come sopra descritto, sono tre.
Fig. 1 - Sistema digestori anaerobici da laboratorio
2
ECOMONDO 2007
2.2
CRPA SpA- Reggio Emilia
Descrizione prova
Sono state effettuati 2 cicli di prova di digestione anaerobica, della durata totale di 6
settimane, per determinare la biodegradabilità anaerobica di due miscele costituite da
scarti dell’agro-industria provenienti dalla ditta Caviro di Faenza. Nel digestore 1 è stato
caricato fango di flottazione refluo di un macello avicolo in miscela con la borlanda,
scarto prodotto in azienda durante il processo di distillazione. Per il digestore 2 la
miscela era composta da fango prodotto dall’industria di lavorazione del latte e fango
avicolo.
In tabella 1 vengono riportate le caratteristiche analitiche delle matrici caricate durante
la prova.
Interno
Fango flottato
Scarto lattiero
Borlanda
digestore
avicolo
caseario
Caviro
I° ciclo II° cicloI° ciclo-II° ciclo I° ciclo II° ciclo
7,8
5,7
5,6
4,9
7,6
7,6
pH [-]
26,4
88,1 103,8
36,1
48,3
51,9
ST [g/kg tq]
2,6
8,8
10,4
3,6
4,8
5,2
ST [% tq]
13,3
73,5
87,3
21,4
39,0
41,6
SV [g/kg tq]
50,4
83,4
84,0
59,3
80,8
80,0
SV [% ST]
18,9
81,7
87,8
19,76
43,8
32,2
SST [g/l]
71,6
92,7
84,6
54,69
90,8
62,0
SST [%ST]
1.718 5.096 6.123
997
2.837 2.907
NTK [mg/kg tq]
6,5
5,8
5,9
2,8
5,9
5,6
NTK [%ST]
645
1.561 1.359
56,3
1.551 1.633
N-NH4+ [mg/kg tq]
37,5
30,6
22,2
5,7
54,7
56,2
N-NH4+[% NTK]
20.384 153.790186.367
28.164
115.493100.923
COD [mg/l]
70,7
1.549 1.552
127
840
806
P tot [mg/kg tq]
2,68
1,76
1,5
0,35
1,7
1,6
Ptot [%ST]
75,6
146
139
2.950
248
264
K [mg/kg tq]
K [%ST]
0,29
0,17
0,1
8,16
0,5
0,5
Tab.1 – Caratteristiche analitiche delle matrici campionate
Le prove con le due miscele sono state effettuate in parallelo riempiendo ciascun
reattore con un volume noto di biomassa (10 kg) prelevata all’interno del digestore
dell’impianto di biogas presso la Caviro, quindi chiudendo ermeticamente il sistema ed
effettuando periodicamente carichi noti delle due miscele di cui sopra e scarichi di
quantitativi corrispondenti di materiale già digerito.
In tabella 2 sono riportate le caratteristiche analitiche delle due miscele e i rapporti
volumetrici delle matrici che le compongono.
3
ECOMONDO 2007
CRPA SpA- Reggio Emilia
MISCELA 1
Borlanda : Fango avicolo
MISCELA 2
Fango lattiero caseario : Fango avicolo
70% : 30 %
65% : 35%
75% : 25%
68% : 32%
I° ciclo
II° ciclo
I° ciclo
II° ciclo
pH [-]
5,5
5,5
7,2
6,6
ST [g/kg tq]
51,6
44,8
58,2
64,2
SV [g/kg tq]
37,0
33,3
47,6
52,3
72
75
82
81
2424
2454
3592
3851
NTK [%ST]
4,7
5,5
6,2
6,0
N-NH4+ [mg/kg tq]
501
544
1584
1628
N-NH4+ [% NTK]
21
22
44
43
SV [%tq]
NTK [mg/kg tq]
Tab 2 - Valori medi delle miscele di carico utilizzate nei due cicli
I parametri monitorati durante la prova sono stati i seguenti:
- quantitativo del substrato caricato e prelevato dai reattori;
- pressione all’interno del sistema, tramite misuratore di pressione che rileva i dati
in continuo, visualizzabili su PC;
- temperatura del gas nello spazio di testa, tramite apposito sensore di
temperatura;
- analisi qualitativa del biogas campionato tramite apposito analizzatore dei gas
Geotechnical Instruments, Modello Ga2000Plus, in grado di misurare le
percentuali in volume di CH4, CO2, O2, e le concentrazioni di H2S e NH3
espresse in ppm;
- caratteristiche chimiche del materiale caricato e del digestato scaricato nonché
dell’ interno digestore della Caviro caricato ad inizio prova.
In tabella 3 vengono riportati i parametri operativi relativi alla prova
MISCELA 1:
Borlanda
Matrice
+
1:
Fango flottato Borlanda
avicolo
I° CICLO
70%
II° CICLO
65%
MISCELA 2:
Fango lattiero
caseario
+
Fango flottato
avicolo
I° CICLO
II° CICLO
Matrice
2: Fango
flottato
avicolo
Temperatura
di
processo
[°C]
HRT
[d]
Carico
organico
volumetrico
[kg SV/m3d]
30%
35%
35,5
35,5
18
18
2,1
2,2
Matrice
1: Fango
lattiero
caseario
Matrice
2: Fango
flottato
avicolo
Temperatura
Di
processo
[°C]
HRT
[d]
Carico
organico
volumetrico
[kg SV/m3d]
75%
68%
25%
32%
35,5
35,5
20
22
2,4
2,2
Tab.3 – Parametri operativi relativi ai due cicli
4
ECOMONDO 2007
CRPA SpA- Reggio Emilia
Il biogas prodotto in condizione anaerobiche a seguito del carico viene accumulato nello
spazio di testa del digestore, generando un aumento di pressione rispetto alla situazione
iniziale, rilevato mediante il misuratore di pressione differenziale e registrato su PC.
3. Risultati
Dalle leggi che regolano il comportamento dei gas, è possibile ricavare le formule che
consentono di ottenere la massa di carbonio prodotta nello spazio di testa durante la
digestione anaerobica e dall’analisi delle composizioni percentuali in volume effettuate
con l’analizzatore, le corrispondenti masse di CH4 e CO2. Si possono quindi stimare le
rese in biogas e in metano delle miscele sottoposte a digestione anaerobica durante i due
cicli riportate in tabella 4 (valori medi e deviazioni standard del periodo). Le analisi
qualitative del biogas hanno evidenziato un valore medio in metano pari al 69% e al
71% rispettivamente per il reattore 1 e 2 durante i due cicli.
Percentuale
Resa in biogas Resa in biogas
CH
4 nel biogas
[m3/kg SV]
[m3/kg tq]
[%]
Digestore
Resa in
metano
[m3/kg SV]
Media
0,735
0,018
69
0,515
Dev.st
0,105
0,003
4
0,077
Media
0,653
0,023
71
0,456
Dev.st
0,162
0,005
4
0,116
1
2
Tab. 4 – Parametri rilevati a fine prova (valori medi)
In figura 2 si osservano gli andamenti delle rese in biogas delle due miscele. I valori
medi rilevati nell’intero periodo sono 0,735 e 0,653 m3 di biogas per kg di solidi volatili
caricati rispettivamente nei digestori 1 e 2.
Rese biogas
0,80
0,60
0,40
3
m biogas/kg S V
1,00
0,20
Digestore 1
0,00
14/6
21/6
28/6
Digestore 2
5/7
12/7
19/7
Fig. 2 – Andamento della resa in biogas durante i due cicli
5
ECOMONDO 2007
CRPA SpA- Reggio Emilia
1,000
27
0,900
25
0,800
23
0,700
21
0,600
m3/kg SV d
[g sv/d]
DIGESTORE 1
29
0,500
19
SV caricati giornalmente
Resa Biogas
0,400
18
/0
6/
20
20
07
/0
6/
20
22
07
/0
6/
20
24
07
/0
6/
20
26
07
/0
6/
20
28
07
/0
6/
20
30
07
/0
6/
20
02
07
/0
7/
20
04
07
/0
7/
20
06
07
/0
7/
20
08
07
/0
7/
20
10
07
/0
7/
20
12
07
/0
7/
20
14
07
/0
7/
20
16
07
/0
7/
20
18
07
/0
7/
20
07
17
Fig. 3- Andamento delle rese in biogas e del carico organico giornaliero nel digestore 1
Mentre nel digestore 1 si è osservato un andamento omogeneo tra la resa in biogas e il
carico di solidi volatili (Figura 3) nel digestore 2 (Figura 4) si nota una resa oscillante
pur mantenendo un valore medio sul periodo elevato. Tale oscillazione è probabilmente
da imputare ad un rapporto tra alcalinità e acidità volatile all’interno del digestore 2 più
basso (circa 4) rispetto a quello osservato nel digestore 1 (circa 30).
DIGESTORE 2
35
1,000
33
0,900
31
0,800
27
0,700
25
23
m3/kg SV d
[g sv/d]
29
0,600
21
SV caricati giornalmente
Resa Biogas
0,500
19
0,400
14
/0
6/
20
16
07
/0
6/
20
18
07
/0
6/
20
20
07
/0
6/
20
22
07
/0
6/
20
24
07
/0
6/
20
26
07
/0
6/
20
28
07
/0
6/
20
30
07
/0
6/
20
02
07
/0
7/
20
04
07
/0
7/
20
06
07
/0
7/
20
08
07
/0
7/
20
10
07
/0
7/
20
12
07
/0
7/
20
14
07
/0
7/
20
16
07
/0
7/
20
18
07
/0
7/
20
20
07
/0
7/
20
22
07
/0
7/
20
07
17
Fig.4- Andamento delle rese in biogas e del carico organico giornaliero nel digestore 2
6
ECOMONDO 2007
CRPA SpA- Reggio Emilia
4. Conclusioni
Quanto appena descritto permette di confermare la validità della co-digestione di
biomasse di scarto di diversa provenienza, garantendo rese in biogas elevate.
In regione Emilia Romagna dove sono presenti numerose distillerie, macelli e industrie
di trasformazione di prodotti vegetali e di conseguenza sono prodotte quantità
significative di scarti organici, potrebbero trovare una giusta valorizzazione l’uso di
questo tipo di miscele in digestione anaerobica.
5.
Bibliografia
[1]
CRPA (a cura di) (2007) “Energia dal biogas – Manuale pratico”, AIEL pp. 94;
[2]
M.Soldano, C. Fabbri, S. Piccinini “Co-digestion plant in dairy cattle farm in
Emilia Romagna region (Italy). Atti dell’ International Congress – Progress in Biogas,
Universitat Hohenheim, Stuttgart Germany, 18-20 Settembre 2007;
[3]
UNI 11734 (2004): “Valutazione della biodegradabilità anaerobica ultima di
composti organici in fanghi digeriti”.
7