ANALISI NUMERICA
CONCENTRAZIONE NEL DIGESTORE
PRIMARIO CONCENTRAZIONE NEL POST- DIGESTORE
Batteri idrolitici degli zuccheri X_su 9,714 5,689
Batteri idrolitici degli amminoacidi X_aa 1,098 0,691
Batteri idrolitici degli acidi grassi X_fa 0,216 0,146
Batteri idrolitici di butirrato e valerato X_c4 1,089 0,651
Batteri idrolitici del propionato X_pro 1,079 0,631
Batteri metanogeni acetoclasti X_ac 3,436 2,053
Batteri metanogeni idrogenotrofi X_h2 1,952 1,154
Tab. 3.22 – Concentrazione delle diverse classi di batteri nei due fermentantori del CS1, espresse in kgC O D/m
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Si nota una diminuzione della concentrazione di batteri per ogni classe dal 30% al 40%. Anche i flussi di carbonio legati al carbonio organico presente in sospensione e in soluzione diminuiscono, mentre aumenta il carbonio presente nelle frazioni di inerti provenienti dal materiale composito e dal decadimento cellulare. Nel complesso, data la frazione di carbonio che passa in fase gas sotto forma di metano e anidride carbonica, il carbonio totale in uscita viene abbattuto da 3009 kg/d a 2507 kg/d. Considerando i 7300 kg/d di carbonio in ingresso al digestore primario, il processo di digestione anaerobica, l’efficienza di abbattimento del carbonio organico misurata è del 66%. A differenza del carbonio, l’azoto rimane prevalentemente in fase liquida; la specie chimica più volatile dell’azoto, l’ammoniaca (NH3), presenta cinetiche di trasporto in fase gas trascurabili alle
concentrazioni e alle condizioni operative dei processi di produzione di biogas industriali. Si ha tuttavia una variazione nello stato di ossidazione medio dell’azoto; il rapporto N-NH3/TKN aumenta nel post-digestore e quindi nel digestato in uscita: la frazione di azoto organico presente nella biomassa batterica, ad opera dei fenomeni di decadimento cellulare, viene parzialmente ridotto ad azoto ammoniacale, fenomeno correttamente predetto dall’ADM1 (Tab. 3.23).
COMPONENTE VALORE UNITA’ % SUL
TOTALE
N organico batterico 69 kgN/d 30,3%
N organico decadimento batterico (N_xp) 12 kgN/d 1,8%
N organico inerti (N_xI) 69 kgN/d 17,5%
N organico substrato indigerito 3 kgN/d 6,6%
N ammoniacale 238 kgN/d 43,7%
N totale in uscita 391 kgN/d 100%
106 Confrontando i dati con la Tab. 3.19, risulta evidente che l’azoto cellulare si dimezza, così come diminuisce l’azoto presente nel materiale composito indigerito; sebbene ci sia un aumento dell’azoto organico presente nei prodotti del decadimento cellulare, questi risultano trascurabili e l’effetto prevalente è un aumento dell’azoto ammoniacale da 171 kgN/d nel digestore primario a 238 kgN/d.
Infine, la portata in uscita dall’impianto di idrogeno simulata è pari al 91% del dato sperimentale. La modifica della ks_h2 proposta permette una buona approssimazione dell’ordine di grandezza dei fenomeni di produzione di idrogeno nel suo complesso, a discapito di un accumulo di acidi grassi volatili nel digestore primario che non si verifica nell’impianto oggetto di studio.
3.6.2 CONFRONTO CON MODELLO PARAMETRICO
I dati sperimentali e i dati ottenuti dalle simulazioni dell’impianto CS1 sono stati confrontati con il modello parametrico basato sulla massima produzione, comunemente usato per la progettazione e il dimensionamento di impianti industriali di digestione anaerobica (Par. 1.3.5.1). Questo modello si basa sul principio che le biomasse alimentate al fermentatore producano una quantità di metano e biogas pari al loro potenziale biochimico (BMP, par. 3.1). Considerando i valori di BMP in tabella 3.2 (114 m3CH4/ton tq per l’insilato di mais, 70 m3CH4/ton tq per l’insilato di triticale) e i
dati sperimentali in ingresso descritti nel par. 3.6.1 dell’impianto CS1, sono stati calcolati i valori dei parametri di processo riassunti in Tabella 3.24.
La produzione di biogas, metano e anidride carbonica è sottostimata, così come la risultante potenza elettrica del co-generatore.
Sottostimando la produzione di biogas, si sovrastima di conseguenza la concentrazione di solidi totali nel materiale in digestione, parametro importante per il dimensionamento dei digestori, di un’eventuale portata di ricircolo di separato liquido, nonché della potenza di miscelazione da istallare. La produzione di idrogeno non viene simulata, non essendo presenti in questo tipo di modello nessun dettaglio sul processo biochimico; non si hanno quindi informazioni sul pH del materiale in digestione, sulla concentrazione di acidi grassi volatili e sulla frazione di azoto ammoniacale, parametri fondamentali per prevedere la stabilità biologica del processo di digestione anaerobica.
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PARAMETRI UNITA’ EXP ADM1 PRESTAZIONE
MASSIMA Q in m3/d 90 90 90 Q out m3/d 77 78 78 Q biogas Nm3/d 11600 11192 10082 Produzione CH4 kg/d 3380 3306 ND Produzione CO2 kg/d 8460 8246 7439 Produzione H2 kg/d 0,531 0,483 ND
Prod. volumetrica media kg CH4/m3 0,527 0,503 0,462
Potenza kW 999 989 892
OLR Digestore primario kgSV/m3/d 5,0 5,0 5,0
HRT g 77 77 70
%ST digestore primario % 8,0% 8,4% 8,8%
pH digestore primario - 7,5 7,4 ND
Solidi totali in uscita kg/d 5467 5491 6864
Acido acetico kg/d 8,47 2,15 ND Acido propionico kg/d <1,54 0,07 ND Acido valerico kg/d <1,54 0,07 ND Acido butirrico kg/d <1,54 0,04 ND Altri acidi kg/d <1,54 0,58 ND C-tot in kg/d 7370 7342 7370 C-ton out kg/d 7342 7234 ND N-tot in kg/d 371 378 370 N-tot out kg/d 354 376 370 N-NH3 out kg/d 181 214 ND N-org out kg/d 173 162 ND
Tab. 3.24 – Confronto dati sperimentali e simulazione ADM1 con modello parametrico.
L’ADM1 permette la simulazione dei parametri di processo con maggiore accuratezza rispetto ad un modello basato sulla prestazione massima. L’ADM1 inoltre fornisce un migliore dettaglio sul processo biochimico, permettendo di valutare eventuali problemi di stabilità del processo (capacità tampone, rapporto C/N, concentrazione di azoto ammoniacale, accumulo di intermedi inibenti, ecc).
Dai parametri implementati nell’ADM1 è possibile calcolare altri valori utili per la progettazione o per il monitoraggio di impianti industriali di digestione anaerobica. Schoen et al. (2009) propongono il calcolo dei seguenti parametri:
108 - FOS (o VOA), concentrazione di acidi grassi volatili (mg acetato eq./L): un aumento di questo valore è indice di un disequilibrio tra la fase idrolitica e la fase metanogenica del processo di digestione anaerobica
- TAC (o ALK), capacità tampone del digestante (mg CaCO3 eq./L): una diminuzione di questo
valore è indice di una scarsa capacità del materiale in digestione di tamponare l’acidità dovuta all’accumulo di metaboliti
- FOS/TAC: un aumento di questo rapporto indica un accumulo di acidità a discapito del potere tampone; operativamente un valore minore di 0,3-0,4 è indice di equilibrio del processo di digestione anaerobica
- ACN (acetate capacity number): rapporto tra la velocità massima di utilizzo dell’acetato e la velocità di produzione di acetato; valori minori di 1 sono indice di instabilità del processo.
L’analisi FOS/TAC è una titolazione acido base effettuata come descritto nel Par.2.1. Le formule proposte per il calcolo dei parametri elencati sono:
$"8 = (S64 +n• S112 +Š‹z 160 +SŒ• 208) ∗ 60 ∗ 1000SŽn ;! = •8 3+ 8 + 8• ‘+864 +’“” 8112 +a• ’“” 8160 +–’“” 8208 ˜ ∗ 50 ∗ 1000— ’“” ;!B = ∑ MF_* ∗ (1 − š_*) ∗ U_NG_*&< MF_11_ N% ›œ MF_11_ max = _ _NG ∗ #_NG ∗ ?_11 MF_* ∗ (1 − š_*) ∗ U_NG_* &< ›œ = MF_5 ∗ (1 − š_JH) ∗ U_NG_JH + MF_6 ∗ (1 − š_NN) ∗ U_NG_NN + MF_7 ∗ (1 − š_UN) ∗ U_NG_UN + MF_8 ∗ (1 − š_WN) ∗ U_NG_WN + MF_9 ∗ (1 − š_KH) ∗ U_NG_KH + MF_10 ∗ (1 − š_ MF) ∗ U_NG_ MF
i = 5-10 si riferiscono ai processi descritti nell’ADM1 (5 = su, 6 = aa, 7 = fa, 8 = va, 9 = bu, 10 = pro).
Il valore di FOS calcolato come proposto da Schoen et al. è pari a 236 mg acetato eq./L. il valore sperimentale è di 2700 mg acetato eq./L. Negli oltre 30 impianti monitorati, i valori di concentrazione di acidi grassi volatili misurati in GC sono mediamente di un ordine di grandezza
109 più bassi rispetto al valore di FOS. La formula proposta non risulta predire correttamente i dati sperimentali raccolti negli impianti industriali sotto esame.
Il valore di TAC calcolato è di 15100 mg CaCO3 eq./L, 1,19 volte maggiore del dato misurato. Dato
che il calcolo si basa sulla concentrazione di anioni e cationi di non facile stima, la stima può essere considerata soddisfacente. Tuttavia il rapporto FOS/TAC, a causa della sottostima del FOS, si discosta sensibilmente dai dati sperimentali e non può essere considerato come parametro predittivo di controllo della stabilità del processo.
Il rapporto ACN calcolato è pari a 8,3, indice di una velocità di consumo massima di acetato maggiore della velocità di produzione. Sebbene non si abbia la possibilità di misurare il dato sperimentale, il rapporto può essere facilmente calcolato in ADM1 e può essere utilizzato come parametro predittivo per verificare l’equilibrio tra la fase idrolitica della DA a la fase metanogenica.
L’ADM1 permette la stima di numerosi parametri legando le reazioni biochimiche fondamentali per lo studio della stabilità del processo biologico nel suo complesso con i parametri fisico-chimici macroscopici che servono alla corretta progettazione dei volumi e delle apparecchiature elettro- meccaniche necessarie. L’ADM1 si presenta quindi come strumento efficace, semplice e completo per la descrizione di DA su scala industriale e può essere ulteriormente implementato per studiare casi specifici o per ampliare il numero di parametri calcolati (es. bilanci dello zolfo e del fosforo, Galì et al., 2009)