MISURA Generale Biogas prodotto

Energia lorda prodotta Autoconsumi impianto Autoconsumi co-generatore Ore motore Anomalie Nm3/d MWh/d MWh/d MWh/d h/d - Alimentazione Solidi caricati (totali e per digestore)

Liquidi caricati (totali e per digestore) Integratori energetici (totali e per digestore) Additivi

t/d m3/d m3/d kg/d Analisi T media giornaliera (per ogni digestore)

Biogas (per ogni digestore):

- CH4

- CO2

- O2

- H2

- H2S

Materiale in digestione (per ogni digestore) - pH - FOS - TAC - FOS/TAC °C % % % ppm ppm -

mgac. acetico eq./l

mgCaCO3 eq./l

- Tab.3.3 – Parametri di processo riportati nell’operation journal

Mediamente gli impianti presi in esame alimentano dalle 60 alle 90 ton/giorno di biomasse, comprensive di una quota parte di digestato separato liquido ricircolato in impianto per diluire il materiale in digestione, qualora la sostanza secca in ingresso sia elevata, in modo da garantire una corretta miscelazione all’interno dei digestori.

In questa sezione vengono anche registrati eventuali prodotti che vanno aggiunti al processo di DA per equilibrarlo.

Nella sezione “Analisi” vengono riportati, per ogni digestore, i parametri fisici e chimici misurabili in impianto, ovvero la temperatura, la qualità del biogas e le analisi FOS/TAC. Gli impianti presi in esame lavorano con temperature comprese tra i 40°C (mesofilia) e 55°C termofilia. Il metano è presente solitamente in percentuali maggiori al 50%; un abbassamento di questo parametro è associato ad un disequilibrio tra la fase acidogenica e la fase metanogenica della digestione anaerobica, in particolare la velocità di produzione di acidi grassi volatili e di anidride carbonica è maggiore dell’utilizzo da parte delle due classi di metanogeni acetogeni e idrogenotrofi.

79 L’abbassamento della concentrazione di metano si accompagna ad un aumento della concentrazione di idrogeno molecolare, che solitamente presenta valori di 300-600 ppm.

L’ossigeno viene mantenuto tra 0,2 e 0,8% per favorire l’ossidazione dell’acido solfidrico a zolfo metallico. La concentrazione di H2S varia a seconda del contenuto in zolfo delle biomasse in

ingresso e deve essere controllato a seconda delle specifiche tecniche dei sistemi di trasformazione del biogas in energia elettrica o bio-metano, per evitare fenomeni di corrosione. Valori tipici riscontrati sono nell’ordine di 100 ppm.

Le analisi chimiche che comunemente sono svolte in impianto sono il pH e il FOS/TAC. Il primo parametro presenta valori basici, compresi tra 7,2 e 8,0. I valori di FOS riscontrati in impianti che presentano un processo di DA equilibrato sono compresi tra 1500 e 4000 mgac.acetico eq./l, per il TAC

sono compresi tra 9000 e 18000 mgCaCO3 eq./l. Nel materiale in digestione il rapporto FOS/TAC è di

0,20-0,40, con massimi di 0,8-1,0 in concomitanza con stati transitori dovuti a manutenzioni, avviamento, scarsa qualità delle biomasse o presenza di inibitori (es. antibiotici). Il vantaggio di queste analisi chimiche è la velocità con cui possono essere eseguite e valori di risposta di facile comprensione per il gestore di impianto.

Con cadenza periodica il materiale in digestione è stato analizzato presso laboratori accreditati per la valutazione dei parametri riportati in tabella 3.4.

PARAMETRO UNITA’ DI MISURA SENSIBILITA’

Acido acetico mg/kg 20 Acido propionico mg/kg 20 Acido butirrico mg/kg 20 Acido iso-butirrico mg/kg 20 Acido valerico mg/kg 20 Acido iso-valerico mg/kg 20

Acidità totale equivalente mg/kg -

pH - 0,1

Sostanza secca (SS) %tq 0,1

Sostanza organica (SV) %SS 0,1

Azoto totale g/kg 0,1

Azoto ammoniacale mg/kg 10

Carbonio organico totale g/kg 0,1

Conducibilità elettrica mS/cm 0,1

Macro- e micro-elementi mg/kg *

Tab. 3.4 – Parametri misurati nel materiale in digestione. *, la sensibilità dell’analisi dipende dal metallo in esame

80 A differenza dell’analisi FOS/TAC, la concentrazione dei singoli acidi organici fornisce informazioni riguardo le cinetiche metaboliche nel processo di digestione anaerobica. Se il processo è equilibrato mediamente si hanno concentrazioni di acido acetico nell’ordine di centinaia di mg/kg e acidi a catena più lunga inferiori ai limiti di rilevazione. L’aumento di acido acetico è indice del fatto che i batteri metanogeni acetoclasti non riescano a trasformare il loro substrato in metano. Questo può essere dovuto a un carico organico troppo elevato per la concentrazione di metanogeni presenti, alla presenza d’inibitori (es. ammoniaca), oppure alla carenza di microelementi necessari alla proliferazione batterica. L’aumento degli acidi grassi secondari può essere legato a fenomeni di inibizione da ammoniaca, alte pressione parziali di H2, carenza di

microelementi.

La sostanza secca è un parametro fondamentale per il controllo della densità del materiale in digestione. I digestori industriali della Sebigas S.p.A., grazie alla disposizione e al profilo della pale dei miscelatori utilizzati, sono progettati per miscelare soluzioni con una sostanza secca fino al 10%; mediamente la sostanza secca viene mantenuta tra il 7% e il 9%. La sostanza secca organica è un indice della conversione dei solidi volatili in metano, così come il COD: maggiore è la sostanza organica in uscita e minore è l’efficienza di trasformazione. Mediamente i solidi volatili sono compresi tra il 70% e l’80% della sostanza secca. La concentrazione di azoto misurata varia dallo 0,3 allo 0,6% p/p. L’azoto ammoniacale rappresenta tra il 40% e il 60% dell’azoto totale. Un eccesso di azoto ammoniacale, come già citato, può progressivamente inibire la velocità di crescita dei batteri metanogeni acetoclasti, mentre una carenza di azoto inibisce la velocità di crescita di tutte le specie batteriche.

3.3 STUDIO DELL'ADM1 E LETTERATURA PER RIPRODURRE IL BENCHMARK IN

FOGLI DI CALCOLO: RISULTATI OTTENUTI E LIMITI

Il modello Anaerobic Digestion Model 1 (ADM1) è stato scelto come modello per la descrizione del processo industriale di digestione anaerobica di biomasse e sottoprodotti agroalimentari e zootecnici. Le tabelle di Patterson fornite nel modello (Batstone, 2002) sono state trascritte in:

- bilanci di massa dei singoli composti e microorganismi coinvolti (Tab.B1), - velocità di reazione (Tab.B2),

- equazioni di inibizione dei processi biologici (Tab.B3), - equazioni di trasporto fase liquida – fase gas (Tab.B4),

81 - equazioni di fase gas (Tab.B5)

- coefficienti del bilancio del carbonio (Tab.B6) - equazioni di calcolo del pH (Tab.B7)

I parametri considerati nelle equazioni del modello sono stati classificati in: - parametri stechiometrici (Tab.B8)

- parametri biochimici (Tab.B9) - parametri chimico-fisici (Tab.B10) - parametri fisici (Tab.B11)

VARIABILE DI INPUT VALORE UNITA’ DI