defi nizione del potenziale metanigeno aziendale e, quindi, della potenza elet- trica e/o termica installabile.
Le ragioni della variabilità degli effl uenti zootecnici
A diff erenza delle matrici organiche dedicate (insilati di cereali, sottoprodotti sfarinati, mangimi energetici, ecc.), la va- riabilità degli effl uenti zootecnici è molto elevata e dipende principalmente da:
specie animale allevata: la conoscenza del tipo di allevamento (da carne, da latte o da uova) e la fase di accrescimento degli animali presenti in ogni singolo ricovero è fondamentale per defi nire la tipologia di effl uente e, in prima istanza, la quantità di solidi volatili disponibili;
coeffi ciente di conversione dell’alimen- to: quanto maggiore è l’effi cienza di con- versione tanto minore è la disponibilità di materia organica per l’impianto. Si tratta di un parametro diffi cilmente valutabile sen- za indagini di laboratorio approfondite;
tipologia di stabulazione: è una del- le variabili che maggiormente infl uenza la quantità e la qualità degli effl uenti. Da questa dipendono la freschezza della ma- teria organica, la presenza o meno di let- time (paglia, segatura, truciolo, ecc.) e le caratteristiche fi siche del prodotto;
controllo idrico delle acque di proces- so e meteoriche: il liquame prodotto può essere diluito da 1 a 5 volte considerando le acque di processo (lavaggio sala attesa, lavaggio sala mungitura, lavaggio pavi- menti, perdite di abbeveratoio) e le acque meteoriche (presenza di paddock esterni, di grondaie, di piazzali impermeabilizzati con convogliamento separato o meno).
Disponibilità di solidi volatili
La fi gura 1 illustra in sintesi la comples- sità gestionale che può essere riscontrata in un allevamento bovino, ma che può, con le dovute modifi che, essere applicata anche ad altre tipologie di allevamenti.
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Soluzioni per gestire al meglio i piccoli impianti di biogas
di Claudio Fabbri, Sergio Piccinini
L
a produzione di biogas in im- pianti di piccola scala è quasi sempre associata allo sfrutta- mento di materia organica di scarto aziendale, che nel caso del setto- re zootecnico è data da liquami, letami e scarti di mangiatoia. Di conseguenza, la produzione diretta e la gestione di que- sti residui a monte ha importanza nellaPROBLEMATICHE RELATIVE ALLA DIGESTIONE ANAEROBICA DEGLI EFFLUENTI ZOOTECNICI
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Gli impianti di biogas di piccola taglia alimentati a refl ui zootecnici godono di una certa stabilità di processo biologico, ma risentono
della variabilità legata alla gestione
dell’allevamento, alle biomasse di scarto e alle condizioni meteo. Per questo sono necessarie una progettazione che abbia ben analizzato le caratteristiche aziendali e un’attenta
sorveglianza impiantistica da parte del gestore
Questo artico- lo è stato realiz- zato nell’ambito del programma di divulgazione del Progetto Sebe (Su- stainable and innovative european biogas environment), di cui il Crpa è partner. Sebe è fi nanziato dall’Unio- ne Europea nell’ambito del Program-
ma Central Europe.
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Paddock Acque meteoriche
s.v.liquame Liquame
Letame
s.v.letame Paglia (Qp)
Pioggia Perdite di s.v. nel ricovero che dipendono da tecniche di rimozione
Liquame
Qliquame e s.t.liquame Digestione
anaerobica Quantificazione
dei s.v. escreti in funzione del peso vivo
Letame Qletame e s.t.letame Le acque di processo
derivano dal lavaggio:
della sala di attesa e degli impianti
Stalla mungituraSala
FIGURA 1 - Schema della gestione degli effl uenti zootecnici in un allevamento bovino
La produzione di biogas in un allevamento bovino dipende strettamente dalla quantità di solidi volatili disponibili, mentre la dimensione del digestore dipende dalle quantità di liquame-letame prodotti. Una corretta analisi dimensionale deve partire dalla defi nizione dei singoli fl ussi di materia.
S.t. = solidi totali: contenuto di sostanza solida in un composto al netto dell’umidità;
s.v. = solidi volatili: la frazione solida di una sostanza che volatilizza se sottoposta a combustione a 650 °C. Equivale alla frazione organica della sostanza.
Q = quantità e/o portata di liquame, letame e paglia.
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Una volta individuati in termini quan- titativi e qualitativi gli effl uenti che ver- ranno avviati al digestore, la digestione anaerobica opera, con una serie molto complessa di modifi che della materia or- ganica, la loro degradazione e trasforma- zione in biogas: in fi gura 2 viene ripor- tato uno schema classico di conversione di solidi volatili in biogas.
La tabella 1 mostra un calcolo indica- tivo della quantità di materiale organico disponibile in un classico allevamento bo- vino da latte con 100 capi produttivi (85 bovini da latte e 15 bovini in asciutta):
dalla lettura della tabella si evince che cir- ca l’80% dei solidi totali disponibili con le feci proviene dai bovini in lattazione;
tale percentuale sale a 90 se vengono con- siderati anche i capi in asciutta, mentre la paglia rappresenta circa il 25% dei solidi totali complessivamente disponibili. Si tenga presente, però, che tali percentuali possono modifi carsi in modo signifi ca- tivo qualora sia la quota di rimonta sia la quantità di paglia fossero diff erenti.
In merito alla paglia, occorre conside- rare che l’allevamento di bovini da latte può essere gestito in diverse condizioni:
da una condizione di assenza di paglia (cuccette con materassino) a una in cui i capi in lattazione sono allevati su lettiera permanente. Ciò signifi ca che la dispo- nibilità di solidi totali e volatili al dige- store può essere da 1 a 2 volte superiore a parità di capi allevati.
Fattori che infl uiscono sulla producibilità
di metano
Una volta individuata la disponibili- tà di solidi volatili, la producibilità di biogas-metano dipende molto dalla sua qualità. In termini quantitativi la produ- zione di metano degli effl uenti zootecni- ci è generalmente buona e mediamente compresa fra 120-150 Nm3/t s.v. e 300- 350 Nm3/t s.v. (grafi co 1).
La quantità di digestato che risulta dal processo è pari, in prima approssimazio- ne, alla quantità di effl uente utilizzato meno la quantità di biogas prodotto.
In termini di metano, le performan- ce produttive di un effl uente zootecnico possono variare molto in base a quanto sopra spiegato e divergere anche signifi - cativamente dal potenziale metanigeno massimo. Le ragioni e l’intensità di tale divergenza sono molteplici, ma ricondu- cibili spesso ai seguenti aspetti.
Freschezza del liquame.
La ma- teria organica indigerita dagli animali allevati viene escreta in una condizione TABELLA 1 - Esempio di calcolo della quantità di materale organicoin un allevamento di vacche da latte di 100 capi produttivi Categoria animale Capi
(n.)
Sostanza secca escreta Paglia Sostanza
secca totale (kg/giorno) kg/giorno/
capo kg/giorno kg/giorno/capo kg/giorno Capi produttivi:
vacche in lattazione 85 8,0 683 1,5 115 798
vacche in asciutta 15 4,5 68 1,5 20 88
Manze 15 1,9 29 4,5 61 90
Manzette 21 1,8 38 2,0 38 75
Vitelli 13 0,8 11 1,5 18 28
Totale 828 251 1.079
Circa l’80% della sostanza secca escreta, e quindi dei solidi totali, proviene dalle feci dei bovini in lattazione.
250 200 150 100 50 Produzione potenziale 3di metano (m CH/t s.v.)4 0
0 10 20 30 40 50
Giorni (n.)
350 300 250 200 150 100 50 Produzione potenziale 3di metano (m CH/t s.v.)4 0
0 10 20 30 40 50
Liquame bovino Bovino (solido separato) Letame bovino
Giorni (n.) Pollina Lettiera avicoli Liquame suino GRAFICO 1 - Esempi di produzione potenziale di metano di alcuni effl uenti zootecnici
Se il liquame bovino in 50 giorni raggiunge una produzione potenziale di circa 200 m3 CH4/t s.v., quello di suino nello stesso intervallo di tempo arriva a circa 300 m3 CH4/t s.v.
Valori tipici per effluenti zootecnici
Ingestato
=
Digestore Digestato
Biogas = 37,5 kg (s.v. indegradabili =
50% s.v. totali)
Efficienza digestione anaerobica 50%
s.v. indegradati 37,5 kg
Ceneri 25 kg inizialis.t.
100 kg
totales.v.
75 kg
s.v./s.t. iniziale 75% s.v./s.t. finale 60%
s.v.
indegradati Ceneri
25 kg Ceneri
25 kg
FIGURA 2 - Schema della conversione in biogas dei solidi volatili contenuti negli effl uenti zootenici
Nel caso, ad esempio, di un liquame con rapporto s.v./s.t. iniziale del 75%, con una degradazione del 50% dei solidi volatili in biogas il rapporto s.v./s.t. fi nale scende al 60%.
S.v. = solidi volatili; s.t. = solidi totali.
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di fatto già anaerobica e contiene tutta la fl ora batterica in grado di continuare la degradazione nei sistemi di stoccaggio presenti in stalla. In tabella 2 viene ripor- tata la produzione di metano di un liqua- me suinicolo gestito con fossa a tracima- zione continua, di età media di 30 giorni circa, rispetto a un liquame gestito con la tecnica del vacuum system e di età media di circa 7 giorni: la produzione specifi ca di metano passa da 269 a 375 Nm3 CH4/t s.v., ovvero aumenta del 40%.
Quantifi cazione degli effl uenti zootecnici.
È importante defi nire con la maggiore correttezza possibile i volu- mi di effl uenti disponibili, ovvero il loro grado di diluizione.Dimensionamento del sistema di riscaldamento.
Negli impianti ali- mentati a effl uenti, a parità di potenza elettrica producibile, la quantità di bio- massa da caricare e quindi da riscaldare è molto più elevata di quella presente in un impianto a colture dedicate. Spesso accade che la potenza termica disponi- bile al cogeneratore non sia suffi ciente a termostatare il digestore o che lo scam- biatore di calore interno sia troppo pic- colo. A tal riguardo, si tenga presente, ad esempio, che in un liquame suinicolo contenente il 4% di solidi volatili e con un potenziale metanigeno di 300 Nm3 CH4/t s.v., la potenza termica recupera- bile dalla combustione in cogenerazio-TABELLA 2 - Produzione di metano da liquame suino fresco
Tecnica di gestione del liquame
Resa in biogas (Nm3/t s.v.)
Metano (CH4) nel biogas
(%)
Resa in metano (Nm3/t s.v.)
Liquame da tracimazione 392 68,5 269
Liquame da vacuum system 557 67,2 375
Dal liquame suini gestito con la tecnica del vacuum system si ottengono 375 Nm3 CH4/t s.v., il 40% in più rispetto ai 269 Nm3 CH4/t s.v. ottenuti da liquame gestito con fossa a tracimazione continua.
TABELLA 3 - Caratteristiche del liquame
in due aziende ma con separazione delle acque di lavaggio e l’altra senza
Liquame S.t.
(g/kg) S.v.
(g/kg) S.v./s.t.
(%) N totale (% s.t.) Con acque lavaggio sala mungitura 48,9 40,9 83,6 4,6 Senza acque lavaggio sala mungitura 80,4 63,4 78,8 4,3
S.t. = solidi totali; s.v. = solidi volatili; N = azoto.
Nel caso in cui le acque di lavaggio della sala di mungitura non vengano separate dal liquame la quantità di materia prima da portare al digestore è il 65% in più rispetto alla stalla in cui avviene la separazione.
TABELLA 4 - Come cambia la qualità del liquame in due allevamenti, con e senza raffrescamento evaporativo
Liquame S.t.
(g/kg) S.v.
(g/kg)S.v./s.t.
(%) N totale (% s.t.) Con raffrescamento evaporativo 73,1 56,7 77,8 4,3 Senza raffrescamento evaporativo 84,1 66,7 79,2 4,3
S.t. = solidi totali; s.v. = solidi volatili; N = azoto.
La concentrazione dei solidi totali passa da 73,1 g/kg in una stalla che usa il raffrescamento evaporativo a 84,1 g/kg in una stalla che non lo usa.
ne del relativo biogas prodotto è pari a circa 50-60 kWht/m3 di liquame utiliz- zato, mentre la potenza termica per ri- scaldare, da 5 a 38 °C, lo stesso m3 al ca- rico può arrivare a 40-50 kWht, ovvero il 70-90% delle disponibilità complessive.
La restante parte della potenza termica deve essere suffi ciente a compensare le dispersioni termiche del reattore. Il raf- freddamento del digestore comporta una riduzione di produzione e quindi una ri- duzione di disponibilità di potenza ter- mica per riscaldare.
Presenza di sistemi di colletta- mento delle acque di lavaggio della sala mungitura.
In tabella 3 sono riportate le concentrazioni di soli- di totali di due aziende bovine adiacen- ti, una con separazione delle acque di la- vaggio e l’altra senza. Considerando che la produzione di solidi totali per unità produttiva bovina in stalla sia la mede- sima, ne deriva che nel caso senza sepa- razione la quantità di liquame da veico- lare al digestore anaerobico è maggiore del 65% rispetto al caso con separazione.Come conseguenza, volendo assegnare lo stesso tempo di ritenzione idraulica alla biomassa, anche la volumetria del dige- store anaerobico sarà del 65% superiore e così, in prima approssimazione, anche i fabbisogni termici saranno il 65% su- periori. Essendo però la potenza termica disponibile la medesima, nel caso senza
separazione delle acque di lavaggio il ri- schio di raff reddamento invernale sarà decisamente superiore.
Presenza di sistemi di raffresca- mento estivo dei bovini.
La con- solidata tecnica di raff rescamento esti- vo (ottenuta con tecniche evaporative o più semplicemente con doccette sul dorso degli animali) comporta l’utiliz- zo di una signifi cativa quantità di acqua immessa nella stalla e quindi nei liqua- mi. In tabella 4 si riporta la diff erenza di concentrazione di solidi totali dei liqua- mi prodotti in una stalla che utilizza il raff rescamento evaporativo: il contenuto di solidi totali passa dall’8,4 al 7,3%, con diff erenze di circa il 15% in volume. Se il digestore era stato dimensionato per la condizione media senza utilizzo di raf- frescamento evaporativo, nel momento in cui si attiva tale dispositivo e non si modifi ca la portata al carico la produzio- ne di biogas si riduce automaticamente del 15%. In altre parole, se si modifi ca il carico il tempo di ritenzione idraulica si riduce del 15%.La disponibilità di biomasse ne- gli allevamenti all’ingrasso è va- riabile in funzione del peso vivo mediamente presente.
Nel grafi co 2 viene illustrato l’andamento del peso vi- vo di un grosso allevamento suinicolo al- l’ingrasso. Quando esce un lotto di suini grassi inevitabilmente la quantità di fe- La presenza di antibiotico nei refl ui zootecnici può inibire la produzione di biogas ma, a meno che non si tratti di un allevamento intensivo, la loro conentrazione non è tale da essere considerata la causa della riduzione di produzione di biogas11
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1.600 1.400 1.200 1.000 800 Peso vivo mediamente presente (t) 600
Dic. Gen. Feb. Mar. Apr. Mag. Giu. Lug. Ago. Set. Ott. Nov. Dic.
Periodo di monitoraggio
GRAFICO 2 - Andamento nel tempo del peso vivo di un grosso allevamento suinicolo all’ingrasso
Quando esce dall’allevamento un lotto di suini grassi, la quantità di feci diminuisce drasticamente e, di conseguenza, anche la produzione di biogas cala, venendo a mancare la materia prima.
ci prodotte diminuisce e di conseguen- za anche la produzione di biogas cala.
Per prevenire riduzioni della produzio- ne di biogas, in impianti di questo tipo è indispensabile prevedere sistemi di ali- mentazione con prodotti di integrazione compatibili con l’idraulica del digestore (occorre considerare i sistemi di carico e scarico, la miscelabilità, le tecniche di desolforazione) e i tempi di ritenzione idraulici disponibili.
Autoconsumi per gli ausiliari.
A diff erenza di quanto accade per gli im- pianti di digestione anaerobica di grandi dimensioni alimentati a colture dedica- te, gli autoconsumi per gli impianti di piccola taglia e alimentati prevalente- mente a effl uenti zootecnici sono, nella maggior parte dei casi, percentualmente superiori. Ciò è dovuto essenzialmente all’elevata diluizione dei liqua-mi, alla conseguente bassa pro- duzione specifi ca (in termini di m3 di biogas per m3 di digesto- re), alle maggiori esigenze, per unità di produzione energetica, di energia elettrica per le fasi di carico, miscelazione e sca- rico. Ovviamente la presenza di pretrattamenti di triturazio- ne della paglia presente nell’ef- fl uente elevano ulteriormente tali autoconsumi.
Presenza di antibioti- ci.
La presenza di antibiotici è uno dei problemi più comu- nemente sentiti dai gestori di impianti di biogas. Ovviamen- te la presenza di elevate quanti- tà di sostanze attive nel liqua- me è causa di riduzione della produzione di biogas. Tuttavia, molto spesso si attribuisce al-la presenza di questi composti respon- sabilità che non corrispondono al vero.
L’eff etto inibente, infatti, dipende dalla sostanza attiva e dalla dose: le molecole di antibiotico si degradano e perdono ef- fi cacia molto rapidamente nell’ambiente e, di norma, gli effl uenti ne contengono quantità non in grado di infl uire signifi - cativamente sulla produzione di biogas.
Nei casi di trattamento intensivo è co- munque buona norma isolare il ricovero trattato e bypassare il liquame da questo prodotto direttamente allo stoccaggio.
Gestione della ronda ispettiva.
Gli impianti di biogas sono macchine complesse che devono consentire ai bat- teri di riprodursi in un ambiente favore- vole e al cogeneratore di sfruttare al mas- simo il biogas da essi prodotto. Tutti gli aspetti meccanici che possono avere ef-
fetto su questa condizione sono pertanto importanti e devono essere regolarmente controllati. Ogni impianto di biogas do- vrebbe avere una ronda ispettiva con ca- denze giornaliere, settimanali, mensili e semestrali a seconda del dispositivo: il ri- spetto della ronda ispettiva è importante per prevenire guasti e blocchi impianti- stici che si ripercuotono sempre e pesan- temente sull’equilibrio biologico.
Il successo di un piccolo impianto dipende da progettista e gestore
In defi nitiva, la costruzione e la gestio- ne di un impianto di biogas di piccola taglia alimentato a effl uenti zootecnici e integrato o meno con sottoprodotti o
La materia organica indigerita dagli animali allevati contiene già tutta la fl ora batterica necessaria al processo
di digestione aaerobica
colture dedicate è, almeno sot- to il profi lo teorico, più stabi- le di un processo a sole coltu- re dedicate, ma richiede una progettazione molto più atten- ta e accurata rispetto a un im- pianto a colture dedicate. In questa tipologia di impianti, infatti, viene a ricadere tutta la variabilità gestionale degli allevamenti, delle biomasse di scarto e delle condizioni me- teorologiche.
Il buon successo di un pro- getto dipende sia dal proget- tista, che avrà analizzato con cura l’azienda e previsto tutte le condizioni operative nonché le dotazioni elettromeccaniche per fronteggiarle, ma anche e soprattutto dal gestore, che deve garantire la sorveglian- za impiantistica e sapere quali manovre mettere in atto per fronteggiare gli in- convenienti.
A tale scopo, Crpa, su incarico della Regione Emilia-Romagna, ha predispo- sto una linea guida per impianti di bio- gas in allevamenti bovini, disponibile in formato elettronico nel proprio sito (www.crpa.it), nella sezione «Pubblica- zioni/e-book».
Claudio Fabbri Sergio Piccinini Crpa, Reggio Emilia
Per commenti all’articolo, chiarimenti o suggerimenti scrivi a:
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