CSTR

Nei prossimi paragrafi verranno descritti:

 L’andamento dei parametri di stabilità per l’intera durata del test;

 L’andamento dei parametri di caratterizzazione;

 L’andamento delle produzioni specifiche di biogas e di metano.

I parametri di stabilità sono quei parametri che mi indicano quando e per quanto tempo il processo risulta essere stabile. Un’iniziale periodo di start-up è stato avviato solo con digestato, liquame bovino ed acqua del periodo di circa tre settimane.

Successivamente è stata addizionata la feccia (il volume è rimasto costante, è stata ridotta la quantità di acqua) arrivando ad avere un carico organico (OLR) più significativo (2,28 KgCOD/m3d). Il carico è stato calcolato considerando il COD dei substrati in ingresso. Circa 30 giorni sono stati spesi per lo start-up del processo; l’acqua è stata poi completamente sostituita dal Lolium Perenne, (3,3 KgCOD/m3d) e così il sistema ha continuato a lavorare per un HRT (39,8g).

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Fig.25. Andamento dell’ORL durante la prova

Fig. 26. Percentuali (%) dei singoli substrati nella miscela in entrata nel reattore

Il parametro di stabilità più semplice da misurare è il pH. Dopo un iniziale periodo di assestamento che corrisponde circa al periodo di adattamento dei microganismi al reattore e ai primi substrati, si vede poi come il pH si assesta ad un valore medio attorno al 7,8, valore in accordo con dati di letteratura relativi a liquame bovino e colture erbacee annuali.

Minime variazioni settimanali possono essere legate alla misura effettuata il lunedì vista l’assenza di carico il sabato e la domenica.

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Fig.27. Andamento del pH durante il test (misurato giornalmente)

Importante parametro di controllo di stabilità è l’ammoniaca, espressa come mgN-NH4/gTS. Come detto, concentrazioni superiori a 1500mg/L possono avere effetti inibitori sui microrganismi e quindi sulla produzione di metano. Questi effetti però non provocheranno danni particolarmente gravi se la concentrazione rimane entro i 3000mg/L e il pH non scende al di sotto di 7,4.

Tab.19. Valori medi ammoniaca nelle ultime quattro settimane del test (misurati 3 volte alla settimana)

MEDIA MIN MAX Dev St

Ammoniaca mgN-NH4/gTS 1358,77 1333,00 1380,78 4,5

I parametri di caratterizzazione, misurati settimanalmente, vedono come prima valutazione la considerazione dei Solidi totali (TS) e dei solidi volatili totali (TVS). All’aumentare della produzione di gas durante il test corrisponde una diminuzione globale dei solidi volatili in uscita dal reattore.

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Si può notare dal grafico come vi sia una tendenza alla diminuzione dei solidi totali, in accordo con il normale processo di digestione anaerobica. Il cambiamento nella composizione della miscela in ingresso porta ad un aumento momentaneo dei solidi.

Ciò è dovuto al fatto che i substrati che andavano a sostituire l’acqua avevano un contenuto di solidi sicuramente maggiore rispetto alla stessa (Feccia Vinicola TS 22,05 grTS/KgTQ e

Lolium Perenne 183,50 grTS/KgTQ). I valori elevati si riscontrano finchè i microrganismi non

di adattano al nuovo substrato.

Tab.20. Valori medi parametri caratterizzazione nelle ultime quattro settimane del test (misurati 1 volte alla settimana)

MEDIA MIN MAX DevSt

TKN mgN-NH4/gTS 28,18 27,50 28,9 0,72

P mgP-PO4/gTS 4,15 3,69 4,76 0,47

COD mgO2/gTS 605,14 585,30 620,82 -

La valutazione della produzione specifica di biogas può essere fatta considerando i due periodi di diversa alimentazione più prolungati:

 Liquame, Feccia vinicola e acqua (1° fase)

 Liquame, Feccia vinicola e Lolium Perenne (2° fase).

Una considerazione generale può essere fatta osservando l’andamento della produzione di biogas e di metano dal momento di cambio carico, soffermandosi poi in maniera più dettagliata sulle ultime tre settimane dell’ultimo carico, in cui il processo viene considerato pseudo-stabile/stabile.

 1° Fase:

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Osservando il grafico si vede come l’andamento della produzione specifica di biogas inizi a stabilizzarsi attorno al 18° giorno circa, e questo è in accordo con i risultati trovati nel test in discontinuo. La feccia infatti iniziava una produzione specifica di gas in maniera sostenuta attorno al 9° giorno, mentre il liquame attorno al 23° giorno, in codigestione i tempi tendono a mediarsi. L’SGP a fine periodo tendeva ad assestarsi a valori intorno al 0,5 m3/KgTVS.

Fig. 30. Andamento SMP con substrati: Liquame, feccia vinicola e acqua

La percentuale media di metano misurata nel biogas prodotto nella 1° fase è pari a 64% ed è in accordo con dati di letteratura in merito alla digestione anaerobica di liquame e di feccia, prese singolarmente. La tendenza in questo caso è di “stabilizzarsi” attorno allo 0,35 m3CH4/KgTVS.

 2° Fase:

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In questo caso una tendenza alla stabilità può essere già visibile attorno al 15° giorno, anche se mostra ancora una leggera crescita, e anche in questo caso si può trovare un accordo con il test condotto in discontinuo. Si nota comunque che valori non discostano di molto rispetto alla precedente miscela.

Fig. 32. Andamento SMP con substrati: Liquame, feccia vinicola e Lolium Perenne

La percentuale di metano rivenuta nel biogas prodotto con l’addizione di Lolium Perenne è rimasta stazionaria al 70% durante tutto il periodo di carico. Il risultato consiste in un valore medio di SMP maggiore (attorno al 0,4 m3CH4/KgTVS).

Per le ultime tre settimane di test si possono osservare in maniera più dettagliata i valori di SGP e di SMP trovati. In questo periodo si considera raggiunta una pseudo-stabiltà del processo.

Tab.21. Valori medi di SGP ed SMP ultime tre settimane del test

MEDIA MIN MAX DevSt

SGP m3/KgTVS 0,497 0,415 0,552 0,042

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Bilanci di massa:

I bilanci di massa sono stati calcolati considerando i valori medi di parametri quali TS, TVS, COD, P ed N. Le valutazioni sono state fatte su un valore medio di gas prodotto nelle ultime quattro settimane di test (4,127L). Gli ingressi (IN) sono stati calcolati come il contributo di ogni substrato, mentre le uscite (OUT), sulla base del volume totale rimosso, considerando solo le ultime quattro settimane, come nel caso del biogas prodotto.

TS:

In Out

Per i TS, una percentuale abbastanza elevata rimane all’interno del reattore, pari al 25,38% che corrispondono a 2,62g di TS. Questo può essere spiegato dalla grande quantità di sostanza inerte contenuta nel Lolium e dalle difficoltà incontrate con una miscelazione solo di tipo verticale.

Tab.22. contenuti di TS nei singoli substrati in ingresso nel reattore IN reattore

sperimentale (g)

Substrati sul totale (g) g TS

Lolium Perenne 113 28 5,02

Feccia 113 40 1,50

Liquame 113 45 3,80

Nel caso dei solidi volatili totali (TVS) la situazione è invece leggermente differente, la percentuale che ne rimane nel reattore è inferiore al 20%, e questo può essere spiegato perché a differenza della frazione inerte, questa è la componente che viene convertita in

TS g/d = 10,32 TVS g/d = 8,30 COD g/d = 14,15 P g/d = 0,056 TS g/d = 4,20 TVS g/d = 4,20 COD g/d = 11,79 TS g/d = 3,49 TVS g/d = 2,45 COD g/d = 2,11 P g/d = 0,020

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biogas. Questa situazione potrebbe confermare l’ipotesi di una così alta ritenzione di solidi totali, la frazione inerte è abbastanza consistente.

Tab.23. contenuti di TVS nei singoli substrati in ingresso nel reattore IN reattore

sperimentale (g)

Substrati sul totale (g) g TVS

Lolium Perenne 113 28 4,35

Feccia 113 40 1,01

Liquame 113 45 2,93

La percentuale di rimozione dei TS è pari al 41%, mentre quella dei TVS al 51%.

Considerando il fattore di conversione COD-CH4: 0,35 sono stati calcolati i g di COD degradati nella produzione del quantitativo di gas considerato. In questo caso l’errore è pari al 4,2%. L’efficienza di rimozione è pari all’81%, e tenendo conto che il 70% del gas è metano, di questa percentuale di COD convertito, il 57% viene convertito in CH4.

Tab.24. Riassunto dei bilanci di massa