Renato Vismara - R. Salvetti

Transcript

Digestione anaerobica di reflui e
biomasse: metodi e tecniche per la
produzione di biogas
Polo di Cremona, 8 giugno 2011
LINEE GUIDA E PARAMETRI OPERATIVI PER LA
GESTIONE DI IMPIANTO
R. Vismara, R. Salvetti
2
La problematica
3
Lo scopo impianto a biogas per agro-zootecnia Æ produrre quantità biogas
da garantire i ritorni economici attesi dall’utilizzo e vendita di energia elettrica
e, possibilmente, calore
Occorre garantire un efficace ed efficiente funzionamento di:
1) Macchine e impiantistica a servizio dell’impianto
Prassi consolidata
2) Processo biologico di produzione del biogas
non sempre si è in grado di intervenire sulla regolazione del processo
biologico avendo a disposizione delle procedure codificate che rispondano
alle domande:
PERCHÉ DIMINUISCE IL BIOGAS/PERCENTUALE DI CH4? COSA DEVO
FARE PER RIPORTARE IL PROCESSO A BUON FINE?
4
1000
100
10
Sistema di
miscelazione
Pompaggio e
tubazioni
Alimentazione di
materiale solido
Unità di
cogenerazione
Processo biologico
Tecniche di misura
Interruzioni di
corrente elettrica
Stoccaggio di biogas
Tecnologia di
controllo e processo
Fluttuazione del
voltaggio
Altro
Depurazione biogas
Sminuzzamento
substrato
Sistema di
riscaldamento
Edificio di
cogenerazione
Fughe di biogas
1
Approvvigionamento
substrato
Numero di guasti/anno
La problematica
Distribuzione dei guasti documentati su 31 impianti tedeschi a biogas nell’anno
2008 (KTBL, 2009)
Le fasi del processo di digestione anaerobica
5
Le fasi del processo di digestione anaerobica
6
• Le quattro fasi biochimiche principali del processo di digestione
anaerobica (idrolisi, acidogenesi, acetogenesi, metanogenesi)
ciascuna caratterizzata da un proprio metabolismo e da ottimali
condizioni in termini di temperatura o pH
• L’idrolisi e l’acidogenesi si svolgono più rapidamente ed
efficacemente a pH acidi e con elevate concentrazione di substrato,
mentre la metanogenesi è inibita a pH acidi e da elevate
concentrazioni di acidi indissociati, come appunto si riscontrano a pH
acidi
• La maggior parte dei digestori in Italia utilizza un processo
monostadio Ænessuno degli stadi della digestione avviene in
condizioni ottimali e quindi con le massime cinetiche, ma le condizioni
operative che si instaurano sono un “compromesso” che consente lo
svolgersi della sequenza di fasi, in particolar modo della fase
metanigena, la più sensibile ai parametri di processo
I benchmark di processo
7
da Pfeifer et al., 2007
Descrizione
Contenuto di sostanza secca (nella miscela di
alimentazione)
Contenuto di sostanza secca organica (SV )
Unità di misura Benchmark
% in peso umido
<12
% in peso secco
> 90
°C
Nm3d/kgSV alim
% volume
% volume
% volume
%
%
kmol/kmol
(kgSV/d)/m3
(kgSV/d)/m3
d
%
%
h/a
%
%
%
38-40/38-40
6-8 / 6-8
0.5-0.8
> 50
il minore possibile <0.03
il minore possibile <6%
> 80
> 70
10-40
2-3
3-8
50-90 (in Italia >25 d, n.d.a.)
3-9
2-40 (? n.d.a.)
7900
> 35
> 25
> 60
%
> 90
Temperatura del digestore (primario/secondario)
pH (digestore primario/secondario)
Produzione specifica di biogas
Contenuto di CH4 nel biogas (prima del motore a gas)
Contenuto di H2S nel biogas (prima del motore a gas)
Contenuto di H2O nel biogas (prima del motore a gas)
Tasso di conversione del carbonio IN/OUT
Tasso di conversione della sostanza organica secca
Rapporto C/N in ingresso
Carico volumetrico del digestore (complessivo)
Carico volumetrico del digestore (primario)
Tempo di ritenzione idraulica (complessivo)
Richiesta ausiliaria di elettricità
Richiesta ausiliaria di calore
Ore operative a pieno carico
Efficienza termica annua
Efficienza elettrica annua
Efficienza complessiva annua
Disponibilità dell’impianto (per 8760 h/a)
Produzione di metano dipende soprattutto da tre fattori.
8
• La tipologia dei substrati alimentati: esistono in letteratura ampi riferimenti
ai valori di biogas producibile (in termini di m3 biogas /kgSV) che dipendono
dalla composizione chimica dei substrati. E’ sempre poi possibile fare
effettuare ad un laboratorio specializzato un test di producibilità sperimentale
• La concentrazione di sostanza organica biodegradabile nella miscela di
alimentazione al digestore. A parità di massa liquida, una maggiore
concentrazione di secco in alimentazione produrrà una maggiore produzione
di biogas in termini di m3/d, ma non si può però aumentare molto tale
concentrazione per non ostacolare l’efficacia di miscelazione nel reattore
• Il carico di sostanza organica alimentato al digestore: Più il digestore
viene alimentato (kg SV/d) e più biogas si produce (m3 biogas d-1). Ciò è vero
fino a un punto critico oltre il quale il processo si blocca per sovraccarico e la
produzione di biogas crolla. La conoscenza di questo punto critico è della
massima importanza i quanto il blocco del processo può protrarsi per diversi
giorni prima del ripristino delle condizioni di produzione voluta.
Principali parametri di processo
9
• Sostanza secca, SS (kgSS m-3)
• Sostanza secca organica, SV (kgSV m-3)
• COD totale (solubile e sospeso, mg O2 L-1)
• COD solubile (mg O2 L-1)
• Carico organico giornaliero, CO (kgSV d-1)
• Carico organico volumetrico, COV (kg SV m-3 d-1)
• Tempo di residenza idraulico (HRT)
Principali parametri di processo
www.nq-biogas.com
10
Relazione tra parametri di processo
11
• La produzione giornaliera di biogas (linea 2) aumenta
all’aumentare del COV
•La produzione specifica di biogas (m3 kg SV) diminuisce
all’aumentare del COV.
• La linea 2 mostra un andamento crescente della
produzione giornaliera di biogas (m3gas/ m-3 d-1)
all’aumentare del COV, crollando oltre il punto di instabilità
(linea3), mostrando che un sovraccarico del sistema porta
ad inefficienze nella produzione di biogas.
Avviamento e monitoraggio
12
Definizione delle condizioni iniziali di avvio
• Tempo di avviamento variabile da diverse settimane fino a 6 –
8 mesi (o anche più, in situazioni particolari quali l’assenza di
inoculo, la presenza di substrati particolari o se condotta in
maniera non adeguata).
• Obiettivi:
1) garantire il rapido instaurarsi di consorzio batterico che
consenta di raggiungere in tempi sufficientemente brevi le
condizioni operative e la produzione di biogas di progetto
2) evitare l’instaurarsi di problemi operativi associati a crescita
sbilanciata dei microrganismi con velocità di idrolisi maggiori
della velocità di metanizzazione Æ accumulo di VFA o acido
acetico Æ inibizione dei metanigeni Æ lunghi tempi di recupero
o necessità di interventi correttivi (aggiunta alcali, la diluizione,
la re-inoculazione)
•
•
•
•
•
13
Caratterizzazione del substrato Æ SV/ST, COD, composizione
(proteine, carboidrati, grassi, fibre, ceneri), N e P ( + eventuale
misura di BMP per evidenziare effetti inibitori sulla biomassa e
velocità di idrolisi)
Scelta del tipo di inoculo in base alla natura del substratoÆ inoculo
ideale: da digestore con substrati analoghi e operante nello stesso
intervallo di temperatura. In alternativa Æ inoculo da più digestori (Æ
max biodiversità).
Quantitativamente maggiore è l’inoculo, minori sono i tempi di
avviamento Æ avvio ideale: digestore riempito completamente con
inoculo da digestore che opera nelle stesse condizioni. Il fabbisogno
di inoculo cresce con la putrescibilità del substrato e diminuisce con
la presenza di biomassa metanigena nel substrato (es: deiezioni
zootecniche o biomasse insilate da diversi mesi).
Rapporto COD:N:P attorno a 300:5:1
Predisporre quanto necessario per dosare alcali bicarbonato di
sodio, acidi (in funzione del substrato) o nutrienti
14
Protocollo di avvio e monitoraggio
• Digestore riempito completamente o parzialmente con fango di
inoculo e portato a temperatura.
• Avvio del carico Æ COV inferiore a quello di progetto e funzione
dell’inoculo presente, con valori proporzionalmente simili a quelli
previsti a regime se l’inoculo è già acclimatato, altrimenti valori più
prudenti (eventualmente verificare velocità di idrolisi e capacità
metanogenica dell’inoculo impiegato, es: test BMP)
• Se la configurazione del digestore lo consente, proseguire senza
estrarre il digestato fino al raggiungimento del volume di progetto e
poi ricircolare il fango digerito ispessito per aumentare più
rapidamente la biomassa
• Stabilire un protocollo di incremento del carico, che va poi
costantemente rivalutato in base agli esiti delle misure di
monitoraggio
15
Esempio di protocollo di incremento del carico:
• 1a settimana: caricare solo il primo giorno e miscelare la biomassa
con l’inoculo per favorire fenomeni di adattamento
• Successive 2 settimane: carico costante con caricamento giornaliero.
• Successive 2 settimane: incrementi di carico limitati (es: 5% ogni 2
giorni),
• Successive 2 settimane: incremento di carico dal 5 al 10% ogni due
giorni.
• Giornalmente monitorare: pH, il rapporto acido volatili/alcalinità,
concentrazione di acido acetico, propionico e butirrico, portata e
composizione del metano (soprattutto CH4, CO2, H2), concentrazione
di ammoniaca libera (utile prevedere misure frequenti di attività
metanogenica specifica su campioni di miscela estratti dal
digestoreÆ deve sempre essere superiore di un 30-40% al carico
applicato di sostanza organica applicata per evitare accumuli di acidi
volatili).
Conduzione del digestore
16
• Parametri da quantificare durante la conduzione ordinaria :
• COV = kgSValimentati m-3digestore d-1
• HRT = d
• Alcalinità/VFA
• Velocità produzione biogas: Nm3biogas m3digestore d-1
• Resa in biogas prodotto: Nm3biogas kgSV-1
• Resa degradazione SV: (Qin . SVin – Qout . SVout)/(Qin . SVin)
• Tenore in metano del biogas (γ)
• Resa utilizzo biogas:
(Qbiogas out digestore – Qbiogas in CHP)/ Qbiogas out digestore
• Resa energetica biogas:
Energia prodotta(elettrica o termica) /(γ . PCI . Qbiogas in CHP)
Esempio di protocollo di monitoraggio
17
Ulteriori verifiche di efficienza
18
Bilancio dei solidi e del COD rispetto al metano prodotto
Verificare corrispondenza tra i SV o il COD rimossi e il metano prodotto
Æ bilancio su COD rimosso Æ 0,35 Nm3CH4 kgCODdegradato-1)
Su substrati disomogenei e con elevata concentrazione di SSV
opportuno effettuare ripetute analisi in doppio di SV/COD Æ valori medi
rappresentativi.
ÆSe scarto chiusura del bilancio > 20% Æ approfondire processo
BMP (Biochemical Methane Potential) test
Verifica dell’efficienza del processo Æ effettuato sul digestato e sul
substrato alimentato Æ confronto della produzione effettiva di metano
con il BMP del substrato Æ processo ben funzionante: 75 – 90%
Per valori inferiori Æ ulteriori verifiche:
• Verifica dell’HRT (es: con dosaggio di tracciante)
• Verifica della presenza di sostanze inibenti o di concentrazioni che
possono risultare inibenti (VFA, ammoniaca, H2S, ecc.)
• Verifica presenza macronutrienti
Le procedure di controllo del processo
19
Variabili che controllano il processo (input):
Variabili regolabili o dominabili (manipulated variables) Æ
variabili che l’operatore può cambiare attivando il
funzionamento di macchine o regolazioni di setpoint di
processo (es: la temperatura di riscaldamento del reattore, gli
intervalli di miscelazione, la posizione dei mixer,
aumento/diminuzione del carico con le pompe, ecc.)
Variabili perturbanti (disturbants) Æ input che non possono
essere regolati, ma solo subiti (es: temperatura ambiente
esterna, la esatta composizione dei substrati alimentati, se
provengono da fonti non completamente controllabili).
Variabili (parametri) di controllo di processo Æ parametri che
è possibile misurare e verificarne la congruenza con i valori di
setpoint riferiti a un processo ben funzionante.
Primo livello di controllo: Livello impiantistico
20
VERIFICHE
0. Vi è una produzione giornaliera di biogas < 30% del setpoint?
1.Verifica dell’alimentazione al digestore:
1. Le pompe di alimentazione hanno funzionato per i tempi previsti?
2. La composizione della miscela alimentata è variata?
3. La concentrazione della miscela alimentata è più concentrata?
4. Nella miscela sono presenti dei contaminanti che possono inibire la
fermentazione (i.e. antibiotici, disinfettanti, muffe…)?
2.Verifica del sistema di pompaggio/tubazioni
1. Il sistema di pompaggio funziona correttamente?
2. L’acqua calda di riscaldamento del digestore non circola?
3. Ci sono perdite nel sistema di riscaldamento?
4. Vi è un’occlusione/perdita di biogas nel circuito digestore/gasometro?
5. È iniettata troppa aria nel sistema di desolforazione del processo?
6. Caduta/aumento di pressione nel gasometro?
7. Caduta/aumento di pressione nel digestore?
8. Sono state verificate le perdite di gas da dispositivi di sicurezza contro la
sovrapressione?
9. E’ stato verificato lo stato delle tubazioni in PVC?
Primo livello di controllo: Livello impiantistico
21
VERIFICHE
3. Verifica del sistema di miscelazione:
1. I miscelatori nel digestore non si sono attivati?
2. Si è formato del cappellaccio flottante?
3. C’è stato un sovraccarico in termini di % di secco?
4. Le pale dei miscelatori sono rotte, corrose, disconnesse dal motore?
5. C’è un errore di configurazione dell’azione mescolante (posizionamento,
timer, potenza)?
6. Ci sono problemi agli organi di comando del miscelatore (timer, ecc.)?
4. Processo di digestione:
1. La temperatura del reattore è calata di oltre 5 °C?
2. L’acqua calda di riscaldamento del digestore non è abbastanza calda?
3. Vi è una variazione importante del livello liquido nel digestore?
4. Vi è accumulo di inerti sul fondo/materiale flottante in superficie del
digestore che ne diminuiscono il volume utile e impediscono la raccolta
di biogas?
5. Vi sono schiume in superficie che possono aver occluso le tubazioni di
collegamento digestore/gasometro/motori?
Secondo livello di controllo: Livello gestionale
22
VERIFICHE
1.Verifiche sul carico in ingresso:
1.Si è alimentato un carico molto (doppio) alto di solidi rispetto
all’usuale?
2.E’ stato operato un carico eccessivo in una volta sola?
3.Vi è stato un cambiamento troppo repentino nella composizione
dell’alimento?
4.Vi è stato un errore nella miscelazione dei substrati in alimentazione?
2. Temperatura del digestore:
1. Il substrato alimentato è troppo freddo/caldo?
2. Si è immessa troppa acqua fredda di reintegro?
3. Entra aria nel digestore per mezzo del substrato?
3. Si è svuotato troppo il reattore di digestato prima della ricarica facendo
venire meno l’effetto di inoculo e riducendo l’SRT?
Terzo livello di controllo: Parametri di processo
23
pH
• non è un parametro efficace per il monitoraggio del processo
(quando viene misurata la variazione di pH potrebbe essere troppo
tardi per operazioni di intervento)
• fortemente legato alla tipologia di substrato in ingresso
• un calo di pH associato a un incremento di CO2 nel biogas è
indice di instabilità nel processo
• crollo pH potrebbe essere legato a eccessiva alimentazione di
substrato in ingresso Æ aggiungere sostanze neutralizzanti (es:
Na2CO3, CaO, Ca(OH)2, NaOH) o sospendere alimentazione
Alcalinità
•Nei sistemi a biogas principalmente correlata con la
concentrazione in carbonato/bicarbonato, ammoniaca e fosforo
•L’alcalinità consente di tamponare l’inevitabile acidificazione
dovuta alla formazione di acidi grassi volatili e di acidi organici
tramite carbonati attivi alcalini
24
Acidi grassi volatili (VFA, mg/L AcEq)
• acido formico, acido acetico, acido propionico, acido butirrico e acido
valerico
• buon indicatore di processo Æ sono i principali intermedi tra
acidogenesi e acetogenesi
• verificare il valor medio specifico di ciascun impianto e, sulla
base di questo, osservare le variazioni
• accumulo di VFA Æ accelerazione dei primi tre step DA (idrolisi,
acidogenesi, acetogenesi), senza adeguamento processo di
metanogenesi Æ diminuzione del pH
• per un impianto che opera in modo stabile:
•VFA < 4000 mg/L AcEq (valori medi attorno a 2000 mg/L AcEq:
Progetto AGROBIOGAS, 2008)
•acido acetico < 100 – 200 mg/L
• rapporto ideale acido acetico/propionico 2:1
25
VOA/TIC (Capacità di tamponamento alcalina).
• consente di valutare la stabilità del processo di fermentazione e di
rilevare prima eventuali malfunzionamenti nel processo
• valori ottimali VOA/TIC ~ 0,3-0,8.
• VOA/TIC > 0,6-0,8 Æ alto COV Æ sospendere/diminuire
alimentazione;
• VOA/TIC < 0,2-0,3 Æ basso COV Æ aumentare carico alimentazione
Ammoniaca e azoto ammoniacale (mg L-1)
• Elevate concentrazioni NH3 Æ degradazione di composti a base di
azoto (proteine) Æ possibili inibizione e di tossicità
• Inibizione se:
• concentrazioni totali NH3 e NH4+ > 3000 mg/L
• concentrazione NH3 > 80 mg/L (tossicità per conc. > 150 mg/L)
• Equilibrio NH3/NH4+ funzione di pH Æ aumenta con pH e T
• Inibizione da NH3 Æ aggiungere substrati carboniosi (es. paglia) o
diminuire T digestore.
Terzo livello di controllo: Parametri di
processo
26
Temperatura
•Repentine variazioni di T Æ shock termico (soprattutto per digestione
termofila);
•All’aumentare di T Æ aumento NH3, H2S
C/N/P/S
• Il substrato deve contenere un idoneo apporto di nutrienti
• E’sufficiente un rapporto di nutrienti C/N/P/S è pari a 500-1000/15-20/5/3 o
un rapporto di sostanza organica COD/N/P/S pari a 800/5/1/0,5.
• Se la quantità di carbonio è molto superiore agli altri elementi, non tutto il
carbonio organico è degradato Æ il potenziale di metano non è sfruttato al
massimo. Inoltre, la mancanza di azoto ha effetti negativi sul metabolismo dei
microrganismi
• Se l’azoto predomina in modo eccessivo, la formazione di ammoniaca può
inibire la crescita dei microrganismi e quindi la produzione di metano (es: le
paglie presentano un rapporto C/N attorno a 100, per i reflui animali C/N più
bassoÆ possono correggere il rapporto C/N di miscele carenti di N (es:
colture agricole).
27
Micronutrienti (mg/L)
• In generale la loro presenza è assicurata alimentando l’impianto con frazioni
anche piccole di effluenti zootecnici
• Carenza di micronutrienti Æ soprattutto nei digestori con un unico tipo di
substrato (es: monofermentazione di colture energetiche) e in presenza di
un’elevata concentrazione di zolfo (reagisce con i microelementi formando
solfuri metallici, poco solubili in acqua, sottraendoli ai microrganismi)
•La carenza di micronutrienti può inibire la fermentazione e causare
l’acidificazione del substrato.
28
Presenza di sostanze inibenti
• L’inibizione dipende dalla concentrazione degli inibitori, dalla composizione
del substrato e dalla capacità di adattamento dei batteri all’inibitore
• Alcuni composti intermedi del metabolismo possono determinare
un’inibizione che può trasformarsi in tossicità alle alte concentrazioni
• Differenti e spesso contraddittori giudizi riguardo le sostanze inibenti perché:
• I microrganismi si adattano al loro ambiente in modo più o
meno rapido in funzione della composizione della biocenosi
• Uno stesso inibitore può avere effetti diversi in funzione del fatto che sia
presente in modo continuo o meno, del tipo di fermentatore, dall’interazione
con gli elementi presenti
29
Azioni di rimedio
Prevenzione dei malfunzionamenti legati al processo:
• controllo routinario dei parametri di processo
• gestione “prudente” delle discontinuità (es: variazioni nell’alimentazione,
episodi di rottura del sistema di riscaldamento, ecc.)
• verifica puntuale della composizione di substrati “nuovi” o di provenienza
non controllabile
• Non esiste una strategia “vincente”
• È comunque importante non arrivare mai al blocco totale del processo (a
meno di alimentazione accidentale di tossici).
• A scopo diagnostico è utile , ( ma dispendioso):
• prelevare campioni di digestato su cui effettuare un’analisi chimica
completa per la ricerca di elementi tossici.
30
Azioni di rimedio
Tipiche misure di “primo intervento”
• Ristabilire rapidamente pH e la temperatura Æ i digestori dovrebbero
prevedere un sistema di dosaggio di alcalinità (soda, bicarbonato, calce) e un
sistema di riscaldamento (con combustibile ausiliario) Riduzione/sospensione
del carico più che proporzionale rispetto alla riduzione della produzione dei
metano/incremento di acidi volatili
•Caso peggiore: blocco totale del processo causato dall’ingresso di sostanze
tossiche o fortemente inibenti (es: metalli pesanti, antibiotici), in elevate
concentrazioni Æ allontanamento della sostanza inibente e, in molti casi,
inoculazione
• Allontanamento della sostanza tossica Æ riduzione del tempo di residenza
idraulico del digestore per lavaggio del fango
• Es: inibizione da un eccessivo tenore di acidi grassi a lunga catena Æ utile
prevedere l’aggiunta di sostanze fibrose (come la paglia), che fungono da
adsorbente per gli acidi grassi a lunga catena
• Es: inibizione da eccessivo carico proteico (incremento di azoto ammoniacale)
Æ aumento HRT per ridurre la concentrazione di azoto ammoniacale e il pH
attorno a 7,0 per ridurre la frazione di ammoniaca libera
31
Azioni di rimedio
Azioni di rimedio
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
R8
R9
R10
R11
R12
R13
R14
R15
R16
R17
R18
R19
R20
R21
R22
R23
R24
R25
Ripristina la funzionalità della macchina
Ripristina i valori di setpoint
Aumenta i tempi di miscelazione
Sostituisci le lame dello sminuzzatore
Ripara/Sostituisci pale mescolatrici
Verifica configurazione sistema miscelazione
Cambia la posizione dei mixer
Verifica l’intasamento delle pompe
Pulisci tubi gas dalle schiume
Verifica la tenuta di pressione del gasometro
Verifica la tenuta di pressione del digestore
Elimina i grumi galleggianti nel mixer liquor
Elimina cappellaccio flottante
Rimuovi le schiume
Dosa antischiuma
Controlla la temperatura del digestore
Abbassa il flusso di calore al digestore
Alza il flusso di calore al digestore
Aumenta il contenuto di acqua nella miscela
Riduci il carico o la portata di alimentazione
Aggiungi co-substrati selezionati per aumentare la capacità tampone del substrato
Sospendi il carico di alimentazione per 1-3 giorni
Dosa un flusso di N/P/S (quali pollina per N e sali agricoli per P)
Dosa un flusso di micronutrienti (per mezzo di reflui zootecnici)
Aggiungere sostanze neutralizzanti (CaO, Ca(OH)2, Na2CO3, NaOH)
Azioni di rimedio
32

Renato Vismara - R. Salvetti

Transcript

Documenti analoghi

Febbraio 2010 - angelo salvetti

il programma completo

Vismara Marine a Cannes

Scarica il volantino

camillo vismara sa

la collezione vismara

Co-digestion plant in dairy cattle farm in Emilia Romagna region (Italy)

inizio stagione 2016-2017