SIMULAZIONE PREDITTIVA IMPIANTO 1 MW A BIOMASSE STUDIATE IN BATCH

La possibilità di utilizzare il modello ADM1 con le modifiche apportate nel paragrafo 3.6.1 è stata valutata simulando il processo di digestione anaerobica del Napier Grass.

PARAMETRI PRIMARIO POST

Q in m3/d 80 74 Q out m3/d 74 74 Q biogas Nm3/d 5467 566 Produzione CH4 kg/d 1513 170 Produzione CO2 kg/d 4274 400 Produzione H2 kg/d 0,32 0,01 Produzione volumetrica CH4 kgCH4/m3 0,465 0,054

Produzione volumetrica CH4 media kgCH4/m3 0,260

Produzione totale CH4 kg/d 1683 Potenza kW 506 OLR kgSV/m3/d 3,6 HRT d 41 43 Volume totale m3 ₆₄₆₉ HRT totale d 83 %ST %tq 10,1% 9,4% pH - 6,9 7,1 Solidi totali kg/d 7506 6950 Acido acetico kg/d 1,36 0,26 Acido propionico kg/d 0,40 0,06 Acido valerico kg/d 0,33 0,06 Acido butirrico kg/d 0,12 0,02 Altri acidi kg/d 0,00 0,00 C-tot in kg/d 5267 3320 C-ton out kg/d 5618 3291 N-tot in kg/d 126 145 N-tot out kg/d 145 145 N-NH3 kg/d 12,8 37,6 N-org kg/d 132 108

126 Per confrontare i risultati ottenuti nella simulazione con i dati ottenuti nell’impanto CS1 è stata mantenuta la stessa portata in ingresso di biomassa (50 m3/d) aggiungendo una quantità di ricircolo sufficiente a portare il contenuto di sostanza secca nel digestore primario pari al 10% (30 m3/d).

La concentrazione di azoto ammoniacale in ingresso (S_IN_in 0.010244 kgCOD/m3) è stata calcolata

in modo reiterativo fino a raggiungere l’equilibrio tra l’azoto in uscita nel post-digestore e l’azoto nel separato liquido ricircolato, considerando una sostanza secca del separato liquido del 4,5% e una concentrazione di azoto ammoniacale nel separato liquido dell’80% rispetto al digestato tal quale. I parametri di composizione della corrente in ingresso sono riportati nella Tabella 3.12, par. 3.5. Nella Tabella 3.36 sono riportati i valori ottenuti nella simulazione in Octave per i principali parametri di processo.

La portata volumetrica in uscita è il 92,5% della portata in ingresso, anche in questa caso avendo un substrato con un elevato contenuto di sostanza secca si ha un flusso di massa in fase gas che rende la diminuzione della portata volumetrica significativa. La produzione di metano è pari a circa 1700 kg/d, che corrisponde ad una potenza elettrica di circa 500 kW, poco più della metà della potenza annotata nell’impianto CS1. La minor produzione è giustificata in parte dal maggior contenuto medio in acqua dell’insilato di napier rispetto alla miscela di insilati di mais e triticale, in parte alla minore digeribilità e valori di BMP dell’insilato di Napier. I valori riportati in tabella 3.2 di potenziale metanigeno sono 45 m3CH4/ton tq stimato e 54 m3CH4/ton tq misurato: il modello ADM1

stima una produzione di metano di 60 m3CH4/ton tq. E’ interessante notare che la differenza tra il

valore sperimentale e la stima secondo il metodo Baserga è del 17%, mentre tra la simulazione in ADM1 e lo sperimentale è minore del 10%. Come già sottolineato, essendo la produzione di metano l’unica fonte di reddito per gli impianti industriali di biogas, è fondamentale che la previsione sia il più accurata possibile in corso di studio di fattibilità. L’ADM1 si presenta quindi, a parità di informazioni iniziali, come un miglior metodo per la valutazione della produzione di biogas da substrati innovativi, fornendo inoltre una serie di parametri di processo aggiuntivi che modelli parametrici non contemplano.

Il carico organico nella simulazione è di 3,6 kgSV/m3/d, al di sotto dei valori critici per la digestione

anaerobica ad umido; il tempo di ritenzione idraulica totale è superiore agli 80 giorni, un tempo ampiamente sufficiente affinchè si verifichi una conversione dell’organico in ingresso vicina al 100%. E’ da notare tuttavia che la concentrazione di solidi totali non varia sensibilmente nel post-

127 digestore: questo dato indica che la trasformazione dei solidi volatili avviene principalmente nel digestore primario, dato confermato anche dalla ripartizione della produzione di biogas, 90% nel primario. Una sostanza secca del 9,4% nel post-digestore indica inoltre che una frazione di sostanza secca organica, principalmente carboidrati fibrosi, rimane in sospensione nel materiale in digestione. Queste informazioni ci lasciano supporre che il processo potrebbe essere ottimizzato andando a migliorare la capacità del sistema biologico di accedere a tale frazione attraverso trattamenti fisico-chimici o enzimatici.

I valori di pH in entrambi i digestori si avvicinano ai limiti di inibizione dei batteri metanogeni, fissato a 7,0 in ADM1. Questi valori sono legati ad una bassa concentrazione di azoto totale (1,96 g/L) e azoto ammoniacale (0,17 g/L nel primario, 0,51 nel post-digestore). Il processo potrebbe mostrare instabilità dovuta ad un rapporto C/N elevato, che si ripercuote in una carenza di azoto per la crescita microbica nel digestore primario e in basso potere tampone, ovvero un pH soggetto a possibili variazioni relativamente veloci in caso di accumulo di acidi grassi volatili.

La concentrazione di acidi grassi volatili è relativamente bassa, in particolare nel post-digestore si hanno tracce di acido acetico, propionico e butirrico e assenza di acidi grassi a catena lunga, indice di una completa degradazione del materiale organico del substrato. I bilanci di azoto e carbonio sono rispettati, con errori rispettivamente del 13% e del 7% nel primario e prossimi allo 0% nel post-digestore.

Possiamo aggiungere che simulazioni effettuate ripristinando i valori di default delle costanti cinetiche di idrolisi non generano modifiche sostanziali nei risultati. Le costanti cinetiche sono fondamentali per lo studio dei fenomeni transitori del processo, come l’avviamento, mentre influiscono in minor maniera sul processo all’equilibrio, in particolare in questo caso in cui si hanno tempi di ritenzione relativamente lunghi.

Il software sviluppato basato sull’ADM1, integrato con le modifiche proposte nel lavoro di ricerca, può essere considerato a tutti gli effetti uno strumento efficace per la previsione di processi di digestione anaerobica: partendo da semplici dati di caratterizzazione chimica della biomasse si possono stimare la maggior parte dei parametri di processo fondamentali per la gestione dei processi industriali di digestione anaerobica.

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4. CONCLUSIONI