Controllo sull’umidità
1.4.3 Impianto per la Produzione di Biogas
La digestione anaerobica è un processo che avviene naturalmente, durante il quale dei microrganismi operano per abbattere la frazione organica della materia, in condizioni di assenza di ossigeno. Nei processi di digestione anaerobica progettati, la reazione prende luogo in specifici reattori, o camere chiuse, dove si mantiene il controllo su alcune condizioni ambientali critiche, come il contenuto di umidità, la temperatura e il livello di PH, col fine di massimizzare la produzione di biogas e il tasso di decomposizione dei rifiuti.
Uno dei sottoprodotti generati durante il processo di digestione è il biogas, che consiste in una miscela di metano (che rappresenta una frazione tra il 55% e il 70%) e anidride carbonica, utilizzato per la produzione di energia elettrica. Il beneficio principale della digestione anaerobica (Anaerobic digestion, AD) è la produzione netta di energia. Dell’energia prodotta dall’impianto al massimo il 20%, in funzione del tipo di tecnologia utilizzata, viene richiesta dallo stesso impianto, mentre la porzione restante può essere venduta o distribuita ad altri impianti, sottoforma di calore, vapore o energia elettrica.
La quantità di biogas prodotto dipende da parecchi fattori chiave, compresi la progettazione del processo, la quantità di solidi volatili nella carica del digestore e il rapporto carbonio/azoto (C:N) che caratterizza il materiale. Durante gli ultimi 20 anni, sono state sviluppate diverse tecnologie AD adatte a processare biomassa con origine diversa, le più usate sono descritte in Tabella 1.15.
CRITERI TIPI DI IMPIANTO CARATTERISTICHE
Processo termico Psicrofilia 20°C
Mesofilia 35-37°C
Termofilia 55°C
Frazione solida nel processo
Digestione umida 5-8% totale materiale solido Digestione semi-asciutta 8-20% totale materiale solido
Digestione asciutta >20% totale materiale solido Fasi biologiche Singola fase Tutte le reazioni chimiche avvengono
Carmen Bovi Pagina 36 nello stesso reattore
Fasi Separate La fase idrolitica e acidogenica avvengono separatamente rispetto alla
fase metanogenica
Modalità operativa Reazioni in continuo Il materiale è miscelato e collegato ad un sistema in continuo
Reazioni in batch Il materiale non è miscelato nelle celle
Tabella 1. 15: Tecnologie AD
1.4.3.1 Tecnologia selezionata
Data la grande quantità d’acqua richiesta e la mancanza, nel Waste Compound, di un Impianto di Trattamento delle Acque Reflue, che consenta di processare tutti gli scarichi provenienti dall’impianto, le tecnologie che prevedono una digestione umida e una digestione semi-asciutta, sono state scartate immediatamente. Fin dall’inizio, tra le tecnologie a flusso continuo, è stata valutata solo la tecnologia che prevede una digestione a secco (o asciutta), anche se essa richiederebbe in ingresso materiale di dimensioni non superiori a 40 mm, mentre il materiale organico proveniente dal MBTF viene selezionato attraverso un vaglio di dimensione 80 mm. Inoltre tale tecnologia richiederebbe alte competenze tecniche e manutentive, che in Libano non sono disponibili.
La sola tecnologia adatta che è stata individuata e selezionata per il Waste Compound è la Digestione Anaerobica a Secco in Batch. In Tabella 1.16 sono riassunte le ragioni di questa scelta.
Vantaggi Commenti Svantaggi Commenti
-Semplice gestione -Non ci sono restrizioni sulle dimensioni del materiale in ingresso
-Per la Gestione dei Rifiuti in Libano è meglio scegliere tecnologie facili da gestire
-Le dimensioni della biomassa proveniente dal MBTF sono comprese tra 0 e 80 mm
-Richiesta molta manodopera
-La manodopera in Libano costa poco
-Affidabilità - L’AD è la prima volta che viene adottata in Libano
-Minore produzione di biogas
-Il progetto è un progetto pilota, per il quale risulta più importante garantire affidabilità piuttosto che un’elevata produzione -I sistemi in batch sono modulari -Non richiede sistemi di tecnologia avanzata, poco
-Nel Paese non è diffusa molta tecnologia
avanzata
-Il progetto ha un budget
-Richiede molto spazio (se confrontato col compostaggio) -È disponibile uno spazio per un impianto pilota con due celle ed è stato
Carmen Bovi Pagina 37 diffusi -Bassi costi di costruzione -Non necessita di acqua da miscelare coi rifiuti limitato
-Fonti d’acqua non sono disponibili
già riservato uno spazio per future estensioni
Tabella 1. 16: Riassunto delle ragioni che hanno orientato la scelta verso una Digestione Anaerobica a Secco in Batch
In APPENDICE 4 è proposta una rappresentazione CAD del layout dell’impianto e dei suoi elementi.
1.4.3.2 Il processo
Il materiale organico, o i rifiuti organici, sono introdotti nel digestore con un substrato che è già stato fermentato. Nel digestore, dopo che questo è stato riempito, inizia la fermentazione in condizioni di carenza d’aria. La continua riproduzione batterica si verifica grazie al ricircolo del percolato liquido, che viene spruzzato sul materiale organico. Durante la fermentazione, non è necessaria nessuna ulteriore miscelazione, pompaggio o agitazione all’interno del digestore, e non deve essere introdotto altro materiale. L’eccesso di materiale liquido è raccolto attraverso un sistema di drenaggio, stoccato temporaneamente in un serbatoio, e poi ri-spruzzato sulla biomassa. La temperatura ottimale per una fermentazione ad opera di batteri mesofili è di 35-37°C, ed essa viene regolata mediante un sistema di riscaldamento delle pareti e del pavimento. Il biogas prodotto è poi pompato in un’unità di cogenerazione e consente di produrre elettricità. La produzione continua di biogas è garantita tramite due digestori che operano simultaneamente con produzione progressiva di biogas. Una volta che il processo di fermentazione è completato, i digestori vengono svuotati e la materia digerita subisce un ulteriore processo di compostaggio, o è essa stessa usata come compost. In APPENDICE 5 vi è un schema di tutti i flussi energetici e di materiale che interessano l’impianto per la Produzione di Biogas.
1.4.3.3 Espansione modulare
I digestori sono a tenuta di gas, oblunghi e di calcestruzzo e possono essere riempiti o svuotati mediante caricatori a ruota o pale gommate. Poiché gli Impianti di Fermentazione a Secco, trattano rifiuti con un contenuto davvero alto di materiale asciutto, essi sono costruiti in modo molto compatto. Dando un’impostazione modulare, però, la capacità dell’impianto potrebbe essere facilmente aumentata nel tempo, in funzione delle esigenze. Più digestori potrebbero essere costruiti vicini ai due che oggi costituiscono il sistema e lavorare simultaneamente e in progressione per garantire la produzione continua di biogas. Il sistema è, inoltre, perfettamente integrabile con l’impianto di compostaggio.
1.4.3.4 Sistema di riscaldamento a pareti e pavimento e le porte
Una temperatura di circa 35-37° è mantenuta e regolata, all’interno dei digestori, mediante l’utilizzo di un sistema di riscaldamento a pavimento e a pareti. Dei tubi per il riscaldamento
Carmen Bovi Pagina 38 sono stati integrati nelle pareti e nel pavimento dei reattori durante la loro costruzione. In aggiunta uno scambiatore di calore riscalda il liquido di percolazione con cui il digestore si autoalimenta. Tutto questo consente un controllo ottimale delle temperature all’interno del digestore. I digestori di Fermentazione a Secco hanno porte d’acciaio a saracinesca, controllate da un comando idraulico. Esse hanno un sigillo che, quando è aderente alle mura di cemento dell’ingresso, rende l’entrata a tenuta di gas. Prima che le porte siano aperte l’aria nel sigillo viene rilasciata e le porte vengono aperte muovendosi dall’alto verso il basso. Il sistema funziona sotto una pressione della luce di passaggio fino a 20 hPa, che previene ogni forma di esplosione gas-aria, anche in caso di perdita.
1.4.3.5 Interazioni con MBTF
L’impianto di biogas ha due zone di ingresso per:
I rifiuti provenienti dalla linea di separazione del MBTF, che hanno dunque origine da un rifiuto indifferenziato;
I rifiuti organici “puliti” come rifiuti da mercato, oli esausti, rifiuti da macello ecc., provenienti dall’esterno.
Si è presa in considerazione l’ipotesi di aggiungere, prima della digestione, materiale organico “pulito”, poiché il materiale organico proveniente dal MBTF non può essere considerato materiale “pulito”, infatti attraverso il processo di vagliatura, con il quale viene selezionato, passano anche molte impurità.
Va sottolineato che, tramite i rifiuti organici provenienti da un processo di raccolta con separazione alla fonte, sarebbe possibile ottenere una produzione media di biogas di 450-700 m3/t di rifiuti, che risulterebbe molto superiore alla produzione di 100 m3/t, ottenuti mediante la sola frazione di rifiuti organici provenienti da MBTF, e di 150 m3/t , raggiunti attraverso l’aggiunta di una frazione di biomassa “pulita”.
I rifiuti organici provenienti da MBTF vengono caricati su una pala gommata per essere inviati, nelle quantità richieste, alla zona di miscelazione. L’area di miscelazione include un’altra area di accesso e di stoccaggio, dove entra e viene conservato il materiale “pulito”, reso così disponibile per essere mescolato ai rifiuti organici, se necessario. La miscelazione avviene mediante la pala gommata; non esistono altre macchine di miscelazione. Quando l’Impianto per la Produzione di Biogas avrà ricevuto la quantità richiesta di rifiuti organici, la restante porzione sarà indirizzata direttamente all’area di compostaggio del MBTF. I rifiuti organici saranno scaricati sul pavimento di fronte alle celle di fermentazione. La movimentazione dei rifiuti avviene sempre in un’area coperta, come per il MBTF, col fine di ridurre l’emissione di odori sgradevoli. Siccome l’efficienza del processo dipende fortemente dalla dimensione e qualità dei rifiuti organici, potrebbe essere necessario, in futuro, installare una trituratrice, prima dell’area predisposta alla miscelazione con la biomassa “pulita”. Questo col fine di ridurre le dimensioni della carica in ingresso ai reattori ed aumentare, di conseguenza, il rendimento della produzione di biogas. Terminato il processo, il digestato viene rimandato indietro, mediante la pala gommata, al MBTF per essere compostato.
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1.4.3.6 Efficienza di funzionamento
Il principale vantaggio della tecnologia con fermentazione a secco è la mancata necessità di una continua miscelazione della biomassa. Infatti, non sono necessarie unità di pompaggio e agitazione, come per i processi in umido. Il substrato di fermentazione generalmente non richiede un pretrattamento. La tecnologia è, inoltre, molto semplice e robusta. Tuttavia, se il materiale organico in ingresso ha subito nel MBTF solo un processo di vagliatura, con diametro della maglia di 80 mm, è preferibile sottoporre tale materiale, come già detto, ad una pre-triturazione. In futuro una trituratrice andrebbe installata prima dell’area di miscelazione. I digestori a secco non presentano parti mobili. Inoltre i costi di usura e di rottura sono bassi, così come i costi di manutenzione e per il personale. Il consumo di energia del processo è minimo, e inoltre esso consente di trattare biomassa con basso tasso di umidità e con l’inclusione di diverse sostanze interferenti.
1.4.3.7 Controllo computerizzato
Il processo è monitorato e controllato con un sistema computerizzato (PLC). Tutti i parametri, relativi a ricircolo del percolato, riscaldamento e unità di cogenerazione, sono regolati per ogni digestore. Il costante monitoraggio e controllo dei parametri consente la continua ottimizzazione del processo e il raggiungimento delle massime performance di fermentazione all’interno dei digestori.
1.4.3.8 Sicurezza
L’impianto deve essere sottoposto ad un sofisticato sistema di sicurezza. In particolare, sono possibili esplosioni a causa del trasferimento di una porzione del metano prodotto in aria, durante lo svuotamento del digestore. Le miscele aria-metano sono infiammabili ed esplosive e devono essere evitate. È per questo che, durante il riempimento e lo svuotamento del digestore, si devono attivare i sistemi di ventilazione che garantiscono il costante getto d’aria fresca. L’aria entra nelle celle attraverso delle aperture a soffitto, con controllo pneumatico: ogni cella è provvista di 10 aperture a soffitto. Inoltre, una camera di controllo è stata progettata per garantire una visione diretta dei parametri di sicurezza durante tutto il processo di caricamento del digestore. In caso di sovrapproduzione di gas, esso viene stoccato in un serbatoio. Quando il serbatoio è pieno, il gas in eccesso viene bruciato attraverso una torcia. La fiamma è usata anche per bruciare il biogas prodotto all’inizio del processo, finché i sensori con controllo automatico non indicano una composizione del biogas con almeno il 60% di metano. L’impianto è provvisto di un impianto antincendio certificato.
1.4.3.9 Prodotti in uscita
Elettricità
L’elettricità è prodotta usando due cogeneratori da 100kW/h di potenza, collocati in una camera apposita. Una conduttura devia il biogas dal serbatoio ai motori. Il condotto per le emissioni esauste dei motori va diretto verso una delle celle dove, alla fine del processo, tali emissioni sono necessarie per neutralizzare il biogas ed evitare rischi di esplosioni, mentre si
Carmen Bovi Pagina 40 aprono le porte della cella. Se nessuna cella, in quel momento, necessita di essere aperta le emissioni vengono liberate in atmosfera. L’elettricità prodotta è in parte usata nell’impianto di biogas e in parte inviata agli altri impianti, in funzione delle loro richieste, attraverso una rete dedicata. Il motore viene raffreddato tramite un sistema di ricircolo del percolato.
Calore
L’impianto di cogenerazione fornisce anche la possibilità di distribuire calore. Attualmente non è disponibile una rete di riscaldamento che sfrutti questo calore ma, nel futuro, si potrebbero ottenere fondi per realizzare un sistema di riscaldamento che serva le vicine scuole o ospedali.
Digestato compostabile
Il materiale digestato è la frazione solida che rimane alla fine del processo AD. Le quantità di digestato possono variare a seconda della modalità di gestione del processo, della sua durata e della qualità dei rifiuti in ingresso. Si assume, in media, che esso costituisca il 65-70% in peso della biomassa in ingresso. Il digestato, alla fine del processo, è completamente stabilizzato e può essere inviato al processo di compostaggio, dove sarà unito a legno e altro materiale organico “secco e pulito”, per ottenere del compost.
Supponendo che il materiale selezionato con il vaglio rotativo sia per l’80% materiale organico, delle 8000 ton/anno rivolte al processo AD solo 6400 ton/anno sono effettivamente materiale organico. Per 6400 ton/anno di materiale organico in ingresso, si ottengono da tale processo 4480 ton/anno di digestato (Studio Azue, December 2011).