La produzione di energia da rifiuti solidi urbani e scarti dell‘industria zootecnica e agroalimentare unitamente alla necessità di gestire in maniera adeguata i loro flussi all‘interno dei contesti territoriali locali, gioca un ruolo di primaria importanza nella ricerca di fonti energetiche alternative a quelle di origine fossile. A causa dell‘alto contenuto di umidità che caratterizza tali flussi l‘unico metodo di trattamento che consente di chiudere in positivo il bilancio energetico è la conversione biochimica in biogas mediante la tecnologia della digestione anaerobica.
Ottimizzazione del processo di produzione di bio-hythane. Nel contesto delle strategie di
ottimizzazione dei processi di digestione anaeobica, una configurazione impiantistica che si è andata diffondendo negli ultimi anni è quella che prevede la separazione delle due principali fasi della catena trofica anaerobica, ossia la fermentazione (l‘idrolisi e l‘acidogenesi) dalla dall‘ acetogenesi e metanognesi (metanogenesi), in modo tale da ottimizzare in reattori differenti le condizioni di crescita delle due principali classi di microrganismi ( fermentativi e metanigeni) che compongono il complesso ecosistema anaerobico. Mantenendo il primo reattore in opportune condizioni operative è possibile indirizzare le reazioni della prima fase della catenza trofica verso la produzione di idrogeno (Dark Fermentation). La configurazione a doppia fase prevede che l‘effluente del primo reattore viene impiegato per alimentare un secondo reattore nel quale i prodotti della fermantazione vengono vengono in biogas (Figura 18).
Figura 18: Schema di processo per la produzione accoppiata idrogeno (via dark fermentation) e metano
46 In modo del tutto analogo allo schema evidenziato in Figura 18, uno degli obiettivi della presente tesi di dottorato è stato quello di sviluppare in reattori CSTR su scala pilota di grossa taglia, un processo di digestione anaerobica termofilo a doppia fase separata utilizzando come substrato di partenza la frazione organica dei rifiuti solidi urbani. Il processo di ottimizzazione era mirato allo sviluppo di un processo continuo di produzione di biogas arricchito con una quota di H2 pari al 5-
15% del volume totale del gas prodotto. La misela così ottenuta prende il nome di bio-hythane la quale a seguito del processo di combustione comporta dei vantaggi rispetto al classico biogas sia dal punto di vista ambientale che motoristico al classico biogas ( minor rilascio di gas ad effetto serra e maggiore efficienza dei motori a combustione interna rispettivamente).
L‘analisi critica della letteratura ha evidenziato una discordanza di opinioni in merito al carico organico ottimale per la produzione di bio-hythane. Per tanto nella prima fase di studio sono stati tre RUNs sperimentali caratterizzati da tre differenti carici organici al fine di definire quello ottimale in riferimento alle qualità e alla quantità della miscela totale di gas prodotta.
Come evdenziato nella figura 18, lo schema di processo ha previsto l‘applicazione del ricircolo in testa processo della frazione liquida dell‘effluente del reattore di metanogenesi con l‘obiettivo primario di sfruttare la sua capacità tamponante ed evitare quindi di ricorrere all‘utilizzo di un buffer esterno al processo necessario a tamponare il pH intorno al valore ottimale per la produzione di idrogeno (5.5) nella fase di dark fermantation. Tale approccio consente di ridurre l‘apporto di alcalinità esterna quindi ridurre i costi di gestione del processo. D‘altro canto, in modo particolare per i processi termofili, la presenza di ammoniaca nel flusso di ricircolo può essere causa di fenomeni di sbilanciamento della catena trofica anaerobica per via della tossicità esercitata quando l‘ammoniaca libera raggiunge determinate concentrazioni ( ~ 700mg/L). Per tanto la seconda fase di studio è stata caratterizzata da un lungo periodo sperimentale dove è stata valutata la stabilità del processo di produzione di bio-hythane a un lungo termine in cui è stata testata la possibilità di implementare un sistema di controllo automatico.
Confronto tra diversi sistemi di pretrattamento della FORSU. Un secondo obiettivo della tesi è
stato quello di confrontare diversi sistemi di pretrattamento meccanico della frazione organica dei rifiuti solidi urbani necessari per ridurre la quota di materiale inerte da inviare alla successiva sezione di stabilizzazione anaerobica. La necessità di tale sperimentazione deriva dal fatto che i sistemi di pretrattamento installati negli maggior parte degli impianti di digestione anaerobica della FORSU sono stati concepiti in tempi in cui la raccolta differenziata non aveva raggiunto i livelli odierni di efficienza per tanto, dovendo trattare flussi più eterogenei ad alto contenuto di materiale inerte, sono caratterizzati da tecnologie ad elevato consumo specifico. Inoltre sistemi di questo tipo sono spesso caratterizati da bassa efficienza di separazione comportando quindi un‘elevata
47 dispersione di materiale inerte a valle del pretrattramento. Ciò a sua volta comporta repentini interventi di mantenzione sulle componeti meccaniche, intasatura dei sistemi di pompaggio liquido e, in assenza di adeguati sistemi di mescolamento, di riduzione del volume utile di reazione all‘interno dei reattori per via dell‘innescarsi di fenomeni di sedimentazione. L‘attività di studio condotta ha visto quindi il confronto qualitativo dei flussi generati da 4 sistemi di pretrattamento della FORSU attualmente disponibili sul mercato.
Ottimizzazione dei processi i co-digestione anaerobica nel settore zootecnico. Infine per quanto
riguarda il settore zootecnico è stata condotta un‘ attività di ricerca mirata all‘ottimizzazione dei processi di co-digestione anaerobica di effluenti d‘allevamento con matrici tipiche del settore agroinustriale. In Italia negli ultimi anni, così come in Europa, c‘è stato un brusco incremento del numero di impianti finalizzati alla produzione di biogas nel settore zootecnico. Poiché il trattamento anaerobico dei soli effluenti d‘allevamento non consente delle rese in termini di biogas tali da sfruttare al massimo gli incentivi previsti sulle energie di rinnovabili (280€/MW fino al 31/12/2012), la maggior parte degli impianti di digestione anaerobica che trattano effluenti d‘allevamento opera in regime di co-digestione con matrici che consentono delle rese più interessanti. Si tratta essenzialemte di colture dedicate (energy crops), quali ad esempio quelle appartenenti alla famigia dei cereali ( insilato di mais, triticale, loietto etc…), che richiedono grossi consumi in termini di acqua, energia e fertilizzanti. Il piano di incentivazione previsto per i nuovi impianti, recependo le direttive europee, a partire dal 1 gennaio 2013 ( DM sulle energie rinnovabili del 6 luglio 2012) penalizza l‘utilizzo di energy crops a vantaggio di sottoprodotti dell‘industria agroalimentare. Per il settore zootecnico è stata condotta una sperimentazione che ha visto l‘impiego in parallelo di quattro reattori (CSTR) di grossa taglia, volta alla definizione delle migliori condizioni operative in termini di temperatura, carico organico, tempo di residenza idraulico e substrato di partenza. In particolare sono stati condotti tre RUNs sperimentali caratterizzati da tre diverse miscele di partenza: effluenti d‘allevamento bovino (RUN1) ; effluenti d‘allevamento bovino ed insilato di mais (RUN2) ; effluenti d‘allevamento bovino, insilato di mais e sottoprodotti vegetali dell‘industria agroalimentare (RUN3). Poiché la maggior parte degli impianti operativi sono ubicati in area sensibile (Bacino scolante nell‘area della laguna di Venezia) e per tanto gli operatori sono soggetti a procedure più restrittive (Applicazione dellaa Direttiva Nitrati) per effettuare lo spandimento in campo dei surnatanti anaerobici, la sperimentazione ha avuto lo scopo di definire le migliori condizioni operative non solo dal punto di vista delle rese di processo in termini di biogas ma anche in merito alla qualità degli effluenti generati, con riferimento particolare alla distribuzione delle forme azotate.
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