to per sfruttare al meglio il potenziale energetico delle biomasse è quello di dimensionare i digestori in modo ta- le da garantire un tempo di ritenzione idraulica suffi ciente ai batteri per de- gradare le molecole organiche: nel ca- so degli effl uenti suinicoli, ad esempio,
si dimensionano i digestori con tempi di ritenzione di 20-25 giorni; nel caso degli effl uenti bovini di 35-40 giorni;
nel caso di biomasse dedicate di alme- no 50-70 giorni.
Quando si deve cambiare biomassa
Tuttavia, spesso accade che la tipologia di matrici organiche, inizialmente pre- viste nel piano di approvvigionamento dell’impianto, debba essere modifi cata anche in modo radicale. Le cause sono molteplici: cattivo andamento stagiona- le che determina una scadente qualità delle biomasse dedicate prodotte (come successo ad esempio nell’ultima annata agraria), variazioni importanti dei costi di approvvigionamento, nuove possibi- lità di utilizzare sottoprodotti agroindu- striali, ecc. Tutte queste condizioni com- portano, inevitabilmente, una modifi ca delle quantità e della qualità delle matri- ci al carico e una conseguente modifi ca delle caratteristiche chimico-fi siche del- la dieta. Non sempre le tecnologie di ali- mentazione, di miscelazione del digesto- re, di scarico del digestato e, non ultimo, i tempi di ritenzione disponibili sono tali da garantire il mantenimento di buone performance di conversione.
Per aumentare la fl essibilità impian- tistica, e quindi garantire l’allargamento delle possibilità di approvvigionamento, sono state proposte molte tecniche di pre- trattamento delle matrici: fi siche (estru- sione, triturazione, disgregazione con pul- per, ecc.), termiche, chimiche, enzima- tiche, tutte con lo scopo di accelerare il processo di degradazione della sostanza organica, ovvero velocizzare la fase idroli- tica, o rendere maggiormente disponibili determinati composti organici.
Ultrasuoni per accelerare la digestione
Fra le tecniche note al settore vi è an- che quella che prevede l’applicazione de- gli ultrasuoni, cioè onde disponibili in un campo di frequenze compreso fra 20 e 10.000 kHz. Proprio l’ampio intervallo di
Pretrattare la biomassa migliora la digestione
di Claudio Fabbri, Sergio Piccinini
I
l processo di digestione anaerobica consiste, come noto, in primo luo- go nella degradazione della sostan- za organica in composti semplici e successivamente nella conversione di questi in biogas. Ogni fase del proces- so è infl uenzata da molti parametri chi- mici e fi sici, nonché complessi equilibri microbiologici. A seconda delle matrici organiche caricate nei digestori il pro- cesso può essere più o meno veloce e ciò dipende essenzialmente dalla comples- sità delle molecole che costituiscono le matrici organiche utilizzate: composti semplici come gli acidi organici e gli zuc- cheri semplici si degradano molto rapi- damente, composti più complessi come gli aminoacidi, le frazioni fi brose e i li- pidi richiedono tempi più lunghi.La velocità di degradazione rappre- senta uno dei parametri più importanti nel dimensionamento della volumetria dei digestori e/o nella scelta delle tec- nologie impiantistiche. In linea gene- rale, l’approccio normalmente utilizza-
I VANTAGGI DELLA CAVITAZIONE CONTROLLATA
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Principali benefi ci della cavitazione controllata sono:
riduzione
della pezzatura e della viscosità della biomassa con relativa facilità di miscelazione, aumento
dell’omogeneità e della pompabilità.
Per questo trova applicazione nelle situazioni
con matrici diffi cilmente degradabili
o di pezzatura elevata
Alcuni studi hanno dimostrato che tramite la cavitazione la velocità
di degradazione batterica può accelerare fi no a 4 volte rispetto al trattamento convenzionale
VANTAGGI DELLA TECNICA DI CAVITAZIONE
Disponibilità dei succhi cellulari Accelerazione dei processi di idrolisi Accelerazione del processo
di digestione anaerobica
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frequenze disponibili consente di utilizzare tale tecnica in molteplici settori: dal bio- medicale, al trattamento di depurazione.
Tuttavia il campo di frequenze maggior- mente utilizzato, ogniqualvolta si inten- de trattare un prodotto per ottenere una modifi ca chimica o fi sica della materia, è quello compreso fra 20 e 100 kHz.
Cavitazione
La generazione di ultrasuoni può essere ottenuta in diversi modi, compresa la cavi- tazione. Durante la cavitazione, l’energia utilizzata per il trattamento viene con- vertita in una alternanza di formazione e implosione di microbolle che genera, a sua volta, una sequenza di onde d’urto (ultrasuoni). Tale alternanza è responsa- bile di un’intensa attività meccanica e ter- mica sulla sostanza organica presente in soluzione acquosa che ne determina una parziale destrutturazione fi sica, una lisi delle pareti cellulari e il conseguente ri- lascio del contenuto intracellulare.
Questa azione si traduce in una mag- giore disponibilità dei succhi cellulari, in una accelerazione dei processi di idrolisi e, di conseguenza, in una ac- celerazione del processo di digestione anaerobica nel suo complesso: diversi studi già condotti hanno dimostrato
che la velocità di degradazione batteri- ca può accelerare fi no a 4 volte rispetto al trattamento convenzionale.
Cavitazione controllata
Recentemente è comparsa sul mercato del biogas la tecnologia innovativa di ca- vitazione idrodinamica controllata (reat- tore Spr, acronimo del termine inglese ShockWave power reactor), già presente in altri settori industriali, che consiste in un cilindro di acciaio con cavità cieche e rotante all’interno di una chiocciola. La sua rotazione determina all’interno dei fori presenti sul cilindro stesso una dif- ferenza di pressione, che a sua volta porta alla formazione e successiva implosione di microbolle.
Localmente e istantaneamente si pos- sono raggiungere pressioni di diverse mi- gliaia di bar e temperature dell’ordine di diverse centinaia di gradi. L’estensione e il diametro del cilindro, il numero e diame- tro delle cavità, nonché la frequenza di ro- tazione del cilindro e lo spazio compreso fra il cilindro e la chiocciola esterna sono i fattori che determinano il funzionamen- to e l’effi cienza della macchina.
Ciò garantisce alcuni vantaggi di or- dine meccanico e funzionale:
non vi sono organi in movimento con
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attriti meccanici: l’unico elemento in movimento è rappresentato dal rotore.
Ciò consente di avere bassi costi di ma- nutenzione e bassi rischi di rottura;
compattezza, semplicità di uso e instal- lazione ed elevata fl essibilità di utilizzo (al variare della frequenza di rotazione può essere impressa più o meno energia alla biomassa da trattare e quindi mag- giore o minore effi cienza di trattamento) sono gli elementi più importanti che la caratterizzano.
I principali benefi ci prevedibili sono legati alla riduzione della pezzatura del materiale organico, alla riduzione della viscosità del digestato e alla conseguen- te facilità nella miscelazione interna al digestore, oltre all’aumento dell’omoge- neità del digestato e alla migliore pom- pabilità.
La tecnologia potrebbe essere applica- ta in digestione anaerobica con diverse confi gurazioni impiantistiche:
in ricircolo sul digestore: una pompa aspira il digestato da un punto del dige- store, lo invia al reattore Spr per il trat- tamento e lo reimmette nel digestore in un secondo punto. Con questa confi gu- razione è possibile trattare e migliorare il funzionamento di un digestore esisten- te, normalmente il digestore primario, riducendo in tempi abbastanza rapidi anche eventuali accumuli di frazioni fi - brose indegradate. In tale confi gurazione l’effi cienza del trattamento non è mas- simizzata, in quanto parte del digestato presente viene trattato più volte;
in scarico del digestore primario: con-
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TABELLA 1 - Distribuzione (%) della pezzatura delle particelle di sostanza secca
Digestato Pezzatura (mm)
> 5 3,3-5 2-3,3 1-2 0,5-1 < 0,5
Non trattato 15,55 13,93 6,81 5,64 4,44 53,62
Cavitato 0,14 0,65 7,02 8,94 7,05 76,19
80 70 60 50 40 30 20 10 0
Solidi totali (%)
> 5 3,3-5 2-3,3 1-2 0,5-1 < 0,5 Granulometria (mm) Digestato
non trattato Digestato cavitato GRAFICO 1 - Granulometria di un digestato trattato e non con reattore Spr
Il trattamento ha un impatto evidente:
la pezzatura superiore a 3 mm non è praticamente più presente nel digestato trattato, mentre la frazione < 0,5 mm è superiore al 42% nel digestato trattato rispetto al testimone.
Reattore Spr nella confi gurazione pilota utilizzato per la conduzione dei test di cavitazione controllata
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supplemento a L’Informatore Agrario •48/2012BIOGAS
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fi gurazione simile a quella precedente con la diff erenza che il prodotto viene trattato un’unica volta e scaricato nel post digestore. Questa confi gurazione consente di massimizzare l’effi cienza del post digestore;
trattamento della biomassa al carico: la biomassa al carico può essere miscelata a un vettore idraulico (liquame, digestato o acqua) e avviata al reattore Spr per la di- sgregazione prima del carico. A seconda della tipologia di impianti, della tipologia di biomasse utilizzate e dell’intensità del trattamento che si intende ottenere, la tecnologia può essere applicata su tutta la biomassa caricata o solo su una parte (tipicamente le biomasse caratterizza- te da matrici fi brose e particolarmente complesse da degradare).
Prove dell’applicazione
Il Crpa ha condotto alcuni test di ve- rifi ca dell’applicazione di questa tecno- logia a scala di pilota da laboratorio. Il pilota utilizzato per il trattamento era composto da una macchina di piccola dimensione in grado di trattare al mas- simo 1 m3/ora di miscela e non attrezzata per valutare con suffi ciente precisione i consumi energetici.
In tabella 1 e grafi co 1 vengono ripor- tata la distribuzione per dimensioni della sostanza secca di un digestato prelevato da un impianto alimentato con liquami e colture dedicate e trattato con il reat- tore Spr (di cavitazione idrodinamica controllata), a confronto con lo stesso di- gestato non trattato. È evidente l’elevato impatto che il trattamento ha sulla com- posizione della pezzatura della sostanza secca presente: la pezzatura superiore a 3,3 mm non è praticamente più presente nel digestato trattato (circa il 30% della sostanza secca presente nel testimone), mentre la frazione con diametro < 0,5 mm (composti soluti e disciolti) è supe- riore del 42% nel digestato trattato ri- spetto al digestato testimone.
Potenziale metanigeno
Per facilitare la comprensione dell’ef- fetto che il trattamento ha avuto sulla materia organica utilizzata, sono state condotte anche due prove di misura del potenziale metanigeno: nel primo caso è stato prelevato un digestato da un di- gestore primario di un impianto di bio- gas che trattava liquame e colture dedi- cate ed è stato trattato con reattore Spr;
nel secondo caso è stato addizionato allo stesso digestato una quantità di insilato
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di mais equivalente a quella del carico giornaliero dello stesso digestore (6 kg s.v./m3/giorno) che è stato trattato con reattore Spr.
Scopo dei due confronti era quello di verifi care come il trattamento avesse ef- fetto sulla biomassa già parzialmente attaccata in digestione anaerobica (con- fi gurazione in ricircolo sul digestore pri-
mario) e sulla miscela al carico (confi - gurazione in trattamento completo della biomassa al carico con vettore idraulico costituito da digestato). Ovviamente so- no stati condotti gli stessi test sui mate- riali non trattati con il reattore Spr.
In tabella 2 e grafi co 2 sono riporta- ti i risultati di questo test preliminare.
L’analisi dei risultati porta alle seguenti La tecnologia della cavitazione può essere applicata a tutta la biomassa o solo su una parte, solitamente la più fi brosa e complessa da degradare
TABELLA 2 - Confronto di potenziale produttivo di metano
fra digestato trattato e non e tra digestato + insilato trattato e non
Tesi Biogas
(Nm3/t s.v.) Metano
(Nm3/t s.v.) Metano
(%) Degradabilità s.v. (%) Digestato
Testimone 178,22 94,85 53,2 23,3
Trattato con reattore Spr 214,13 116,07 54,2 27,7
Differenza (%) 120 122 102 119
Digestato + insilato di mais
Testimone 302,34 164,68 54,5 39,1
Trattato con reattore Spr 344,06 188,80 54,9 44,3
Differenza (%) 114 115 101 113
s.v. = solidi volatili.
Il potenziale metanigeno del digestato trattato è risultato superiore del 22%, quello della miscela digestato + insilato di mais trattata del 15%.
Nella composizione del biogas non è stata riscontrata una differenza signifi cativa.
200180 160140 120100 8060 4020 0 BMP (m3/t s.v.)
Giorni Digestato
tal quale Digestato
trattato Digestato +
insilato mais trattato Digestato +
insilato mais tal quale
0 5 10 15 20 25
GRAFICO 2 - Confronto di potenziale produttivo di metano
fra digestato trattato e non e tra digestato + insilato trattato e non
s.v. = solidi volatili.
osservazioni:
il digestato tal quale non trattato ha evidenziato un potenziale metanigeno residuo di circa 95 Nm3 CH4/t s.v., che è stato incrementato a 116 Nm3 CH4/t s.v.
dopo il trattamento con reattore Spr. L’ef- fetto del trattamento si è visto a partire dal 3° giorno del test, quando la velocità di degradazione è aumentata e si è man-
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tenuta superiore fi no al termine del test (25 giorni): il potenziale metanigeno del digestato trattato è risultato com- plessivamente superiore del 22%. Il bi- lancio di massa del test ha confermato una degradazione dei solidi volatili su- periore (+19%);
il digestato tal quale non trattato addi- zionato di una quantità di silomais pari al carico organico volumetrico giorna- liero ha evidenziato un potenziale meta- nigeno di circa 164,7 Nm3CH4/t s.v., che è stato incrementato a 188,8 Nm3 CH4/t s.v. dopo il trattamento con reattore Spr.
L’eff etto del trattamento si è visto a par- tire dal 2° giorno del test, quando la ve- locità di degradazione è aumentata e si è mantenuta superiore fi no al termine del test (25 giorni): il potenziale meta- nigeno della miscela trattata è risultato complessivamente superiore del 15%. Il bilancio di massa del test ha confermato una degradazione dei solidi volatili su- periore (+13%);
non è stata riscontrata nessuna diff e- renza signifi cativa nella composizione del biogas in entrambi i test condotti (tratta- to e non trattato con reattore Spr).
La riduzione di effi cienza del test del secondo confronto mette chiaramente
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in evidenza il fatto che parte della so- stanza organica facilmente degradabile, soprattutto quella presente nel silomais, non è infl uenzata dal trattamento e che pertanto la tecnica trova maggiore spa- zio di applicazione in tutte le situazioni in cui il carico viene condotto con ma- trici più diffi cilmente degradabili (stoc- chi di mais, triticale, letame paglioso) o di pezzatura elevata.
Oltre agli eff etti migliorativi sull’effi - cienza di digestione, rimangono da va- gliare e verifi care la fl essibilità e l’affi da- bilità funzionale nel tempo, i consumi energetici e gli eff etti sulla miscelazione del digestato nelle diverse confi gurazio- ni impiantistiche.
A tale scopo, il Crpa sta per avviare una campagna di monitoraggio su un impianto in scala reale.
Claudio Fabbri, Sergio Piccinini Crpa - Centro ricerche produzioni animali Reggio Emilia
Per commenti all’articolo, chiarimenti o suggerimenti scrivi a:
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trattato con cavitazione controllata è stato superiore del 22%
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