Digestione anaerobica da rifiuti Fonti rinnovabili di energia Prof. Andrea Corti ing. Isabella Pecorini Dipartimento di Energetica "Sergio Stecco" Università degli Studi di Firenze via di S. Marta 3 - 50139 Firenze (Italy) Tel +39 055 4796473, Fax +39 055 4796342 E-Mail: isabella.pecorini@gmail.com Web: http://vega.de.unifi.it/staff.htm

Sommario Cos’è la Digestione Anaerobica Principi del processo di DA Tipologie di impianti di DA Processo integrato aerobico/anaerobico Caso di studio Prodotti del processo di DA La DA in Europa La DA in Italia Valutazioni economiche e ambientali

La Digestione Anaerobica…. è un processo di trasformazione biochimica che avviene in assenza di ossigeno all'interno di reattori chiusi e che porta alla degradazione di sostanze organiche complesse con formazione di biogas e “digestato”. Il biogas, sfruttabile a fini energetici, è costituito per il 65-70% da metano (CH4) e per il resto soprattutto da anidride carbonica (CO2). Il digestato, invece, è un materiale semistabilizzato che può essere avviato a compostaggio (trattamento aerobico) per produrre fertilizzante. ha come scopo la riduzione di massa, la mineralizzazione delle componenti organiche maggiormente degradabili, l’igienizzazione dei prodotti e, infine, il recupero energetico e di materiale. è condotta in reattori (digestori), opportunamente concepiti per evitare il contatto tra la massa e l'ossigeno atmosferico e mantenere una temperatura costante.

La Digestione Anaerobica… SUBSTRATI INVIABILI A DIGESTIONE ANAEROBICA Deiezioni animali: tipo di effluente caratterizzato da contenuti di sostanza secca e solidi volatili molto variabile a seconda delle differenti tipologie di allevamenti (liquame suino, bovino, eiezioni avicole, ecc.); Residui colturali: provenienti da raccolti agricoli quali foraggi, frutta e vegetali di scarsa qualità; Colture ad uso energetico: coltivazione di piante specifiche da avviare alla DA per la produzione di biogas (mais, sorgo, foraggi). La Politica Agricola Comunitaria incentiva queste colture 45 euro/ha); Scarti organici e acque reflue dell’agro industria: reflui provenienti da lavorazioni di prodotti agricoli (siero del latte, lavorazioni di succhi di frutta, distillazione di alcool, scarti e sangue di macellazione, ….). La DA di queste materie produce un digestato di ottima qualità per i terreni poiché fornisce molti nutrienti; FORSU: frazione organica umida contenuta nei rifiuti urbani domestici (da selezione e RD) la presenza di piccole quantità di plastica e vetro è in genere inferiore al 5% sul totale. Queste frazioni organiche presentano un elevato grado di putrescibilità ed umidità (> 65%) che le rendono adatte alla digestione anaerobica; Fanghi di depurazione: sono il residuo del processo di depurazione delle acque reflue urbane e industriali. Sono costituiti da biomassa batterica e da sostanza inerte, organica ed inorganica.

La Digestione Anaerobica… Biomasse e scarti organici che si possono avviare a Digestione Anaerobica e loro resa in Biogas (m3 a tonnellata di solidi volatili): Materiali m3 biogas/t SV Deiezioni animali (suini, bovini, avicunicoli) 200 - 500 Residui colturali (paglia, colletti, barbabietole..) 350 – 400 Scarti organici agroindustria (siero, scarti vegetali, lieviti, fanghi e reflui di distillerie, birrerie e cantine..) 400 – 800 Scarti organici macellazione (grassi, contenuto stomacale ed intestinale,sangue, fanghi di flottazione…) 550 – 1000 Fanghi di depurazione 250 – 400 Frazione organica rifiuti urbani 400 – 600 Colture energetiche (mais, sorgo zuccherino…) 550 – 750 Liquame prodotto da una vacca da latte del peso vivo medio di 500 kg 0,750 m3 biogas/d Liquame prodotto da un suino del peso vivo medio di 500 kg 0,1 m3 biogas/d

Principi del processo di DA Schema riassuntivo di decomposizione delle sostanze organiche durante il processo di digestione anaerobica

Principi del processo di DA Schema del processo biologico di digestione anaerobica

Principi del processo di DA L’attività biologica anaerobica è stata evidenziata in un ampio intervallo di temperatura: tra –5 e + 70°C. Esistono differenti specie di microrganismi classificabili in base all’intervallo termico ottimale di crescita: psicrofili, con temperature inferiori a 20 °C; mesofili, con temperature comprese tra i 20 °C ed i 40 °C; termofili, con temperature superiori ai 45 °C. La conversione di substrati organici complessi in ambiente anaerobico avviene attraverso una catena di processi biologici diversi. Ad essa partecipano almeno tre gruppi metabolici distinti di microrganismi che si differenziano sia per i substrati che per i prodotti del loro metabolismo. Nel corso del processo biodegradativo si hanno in particolare quattro stadi: idrolisi acidogenesi acetogenesi metanogenesi

Principi del processo di DA Il processo biodegradativo si compone delle seguenti fasi: una prima fase di idrolisi nella quale, per intervento di diversi gruppi batterici, si ha la degradazione di substrati organici complessi particolati o solubili, quali proteine, grassi e carboidrati, con formazione di composti semplici, quali aminoacidi, acidi grassi e monosaccaridi in forma solubile. una successiva fase acetogenica, in cui, a partire dagli acidi grassi, si ha la formazione di acido acetico, acido formico, biossido di carbonio ed idrogeno molecolare; ed, infine, un’ultima fase in cui, a partire dai prodotti della fase precedente, si osserva la metanizzazione, cioè la formazione di metano a partire dall’acido acetico o attraverso la riduzione del biossido di carbonio utilizzando l’idrogeno come co-substrato.

Principi del processo di DA I principali parametri che permettono di dimensionare, valutare e gestire il processo di digestione anaerobica si possono suddividere in due categorie: parametri di operazione del reattore: definiscono l’esercizio in termini di tempi di permanenza della massa alimentata nel reattore, di concentrazione dei microrganismi, di rese di produzione di biogas in relazione al volume del reattore ed alle caratteristiche del substrato trattato. parametri di stabilità dei processi biologici: obiettivo è il mantenimento di condizioni operative ottimali e stabili. Per la digestione anaerobica la fase controllante l’intero processo, cioè la metanogenesi, risulta particolarmente sensibile alle variazioni ambientali del mezzo di reazione. Di particolare importanza risultano parametri quali il pH, la concentrazione di acidi grassi volatili (VFA), l’alcalinità, il rapporto tra acidi grassi volatili ed alcalinità, la produzione e composizione percentuale del biogas, la temperatura ;

Principi del processo di DA GESTIONE REATTORE: tempo medio di residenza idraulico (HRT), [giorni]: rappresenta il tempo di permanenza di ogni elemento di fluido all’interno di un reattore. Ciò è vero in senso stretto per i soli reattori ideali, mentre nel caso dei reattori reali assumerà il senso di tempo di permanenza medio per i vari elementi di fluido. (compreso tra 10 e 30 giorni) tempo medio di residenza dei solidi, in prima approssimazione, o dei microrganismi (SRT) [giorni]; carico organico riferito al volume del reattore (OLR) [kg substrato/m3 reattore giorno]: Il carico organico volumetrico di substrato applicato al reattore è definito come la quantità di substrato entrante nel reattore riferita all’unità di volume del reattore stesso ed al tempo. produzione specifica di gas (SGP) [m3 biogas/kg substrato VS alimentato]: Questo parametro rappresenta la quantità di biogas che viene prodotta per quantità di sostanza volatile alimentata al reattore ed è strettamente correlato alla biodegradabilità del substrato trattato (valori tipici 0.2 – 0.6). velocità di produzione del biogas (GPR) [m3 biogas/m3 reattore giorno]: definita come la portata di biogas prodotto rispetto al volume del reattore efficienza di rimozione del substrato [%] (40-70%). Miscelazione: favorire il contatto tra batteri e substrato, omogeneizzare le temperature, ottimizzare il rilascio di biogas, evitare la decantazione delle frazioni più pesanti.

Principi del processo di DA STABILITA’ DEL REATTORE: pH: fornisce un’indicazione sulla stabilità della reazione. In processi di DA stabili in genere il pH si attesta su valori compresi tra 6,5-7,5 Alcalinità: rappresenta la capacità di un sistema di neutralizzare cambiamenti indotti nel suo pH Produzione e composizione del biogas: il monitoraggio di questi due parametri è di fondamentale importanza per il controllo della stabilità del processo di digestione anaerobica. Se il reattore sta operando in condizioni di stabilità la produzione e la composizione del biogas risultano costanti. Temperatura: dato che i processi di degradazione anaerobica sono determinati dall’attività di popolazioni microbiche eterogenee l’effetto delle variazioni di temperatura è particolarmente importante.

Tipologie di Impianti 90% WET SEMI-DRY DRY 10% I processi anaerobici possono essere classificati in base al: regime termico del reattore (mesofilia 35°C o termofilia 55°C) tenore in solidi nel rifiuto trattato numero di fasi presenti nel processo (una o due)

Tipologie di Impianti – regime termico Dato che i processi di degradazione anaerobica sono determinati dall’attività di popolazioni microbiche eterogenee l’effetto delle variazioni di temperatura è particolarmente importante. Variazioni di soli 2-3 °C possono influire sulle prestazioni generali del processo, specialmente in prossimità dei limiti dell’intervallo operativo. Quando si passa da un regime di temperatura ad un altro si osserva un vero e proprio cambiamento nella composizione della comunità batterica.

Tipologie di Impianti – numero fasi Nel digestore le fasi idrolitica, acetogenica e metanogenica possono avvenire: Tutte e tre simultaneamente Digestori a una fase Con l’ultima fase separata dalle altre due Digestori a due fasi

Tipologie di Impianti - WET Nei processi di tipo wet la sostanza organica di partenza viene opportunamente trattato e diluito al fine di raggiungere un tenore in solidi totali inferiore al 10% attraverso il ricorso a diluizione con acqua così da poter poi utilizzare un classico reattore completamente miscelato del tipo applicato nella stabilizzazione dei fanghi biologici negli impianti di depurazione. In generale, il processo prevede, dopo la fase di pre-trattamento del rifiuto (finalizzato a rimuovere le parti più grossolane che potrebbero danneggiare gli organi meccanici), uno stadio di miscelazione in cui si ottiene una miscela con caratteristiche omogenee e l’opportuno contenuto in solidi. La diluizione può avvenire tramite aggiunta di acqua di rete o dal parziale ricircolo dell’effluente del reattore.

Tipologie di Impianti - WET La fase a densità intermedia è quella in cui avvengono per lo più le effettive reazioni di degradazione e produzione del biogas. Nella gestione di impianto sono generalmente previste saltuarie rimozioni sia dello strato più pesante, presente sul fondo del reattore, che di quello leggero.

Tipologie di Impianti – SEMI-DRY In questo caso il contenuto di sostanza solida che caratterizza il rifiuto trattato si pone nell’intervallo intermedio rispetto ai processi wet e dry, opera infatti con rifiuti con un contenuto in solidi del 15-20%. Dal punto di vista impiantistico la soluzione adottata è quella di un reattore miscelato (CSTR) che può operare tanto in regime mesofilo che termofilo. Anche in questo processo, come nei processi di tipo wet, si osserva la formazione di tre fasi distinte all’interno del reattore, anche se, in generale, il fenomeno è meno accentuato. Sarà comunque necessario prevedere, di tanto in tanto, lo svuotamento e la pulizia del fondo del reattore. Il sistema di miscelazione è generalmente garantito da miscelatori meccanici che possono essere inoltre coadiuvati da lance a gas che provvedono a ricircolare il biogas prodotto per incrementare l’efficienza di miscelazione. Può essere inoltre previsto il ricircolo del materiale presente nel digestore inviato alla caldaia e poi reimmesso nei digestori

Tipologie di Impianti – SEMI-DRY Schema di impianto di biogas a reattore orizzontale, cilindrico, miscelato

Tipologie di Impianti – DRY Nei processi dry il tenore in solidi del rifiuto alimentato al digestore è generalmente nell’intervallo 25-40% e pertanto solamente particolari rifiuti con elevato tenore di solidi (>50%) necessitano di essere diluiti con acqua per poter essere convenientemente trattati. Ciò non comporta significative variazioni dal punto di vista biochimico e microbiologico nel processo anaerobico ma determina la necessità di una completa revisione dei metodi di trattamento per quanto concerne la tecnologia dei reattori. Sono infatti necessari particolari metodi di pompaggio e miscelazione. Infatti, a causa delle proprietà dei flussi trattati, il materiale organico viene trasportato con nastri e pompato attraverso il ricorso a speciali pompe appositamente progettate per operare con flussi molto viscosi. Ciò incide sui costi di realizzazione di questo tipo di impianti. Questi sistemi sono in grado di operare con flussi di materiale molto concentrati e resistono ai possibili problemi causati da sassi, vetro o legno che non causano inceppamenti o danni. L’unico pre-trattamento richiesto è una preliminare vagliatura al fine di rimuovere il materiale con dimensioni superiori ai 40 mm.

Tipologie di Impianti – DRY

Tipologie di Impianti ECOPARC I – BARCELLONA Tecnologia LINDE – WET 4 digestori X 6300 M3 140.000 t/anno totali ECOPARC II – BARCELLONA Tecnologia VALORGA – DRY 3 digestori X 4500 M3 80.000 t/anno totali

Processo integrato aerobico/anaerobico Il fatto che, a fronte del consolidamento del ruolo del compostaggio aerobico, anche la digestione anaerobica stia ottenendo sempre maggiore attenzione tra le tecnologie per il trattamento dei rifiuti solidi organici, ha invogliato, in particolare in questi ultimi anni, sempre più i progettisti ad esaminare le possibili integrazioni dei due processi al fine di ottimizzarne i rispettivi pregi e minimizzarne gli svantaggi.

Processo integrato aerobico/anaerobico VANTAGGI Miglioramento del bilancio energetico dell’impianto: nella fase anaerobica si ha in genere la produzione di un surplus di energia rispetto al fabbisogno dell’intero impianto; Riduzione e controllo dei problemi olfattivi: le fasi maggiormente odorigene sono gestite in reattore chiuso; il digestato è già un materiale semi-stabilizzato e quindi gli impatti olfattivi durante il post-compostaggio sono ridotti; Minor impegno di superficie a parità di rifiuto trattato; Riduzione di emissione di CO2 in atmosfera; Minore necessità di matrici “strutturali” quali gli scarti vegetali; Gestione di una parte importante delle acque di scarto della digestione grazie alle capacità evaporative del compostaggio; La maturazione aerobica mediante compostaggio esalta le proprietà ammendanti del digestato, ne massimizza le capacità di fissazione del C nei suoli; Il compostaggio del digestato consente di acquisire lo “status” legale e commerciale di prodotto (ai sensi della legge nazionale sui Fertilizzanti)

Processo integrato aerobico/anaerobico SVANTAGGI Gli investimenti iniziali alti, superiori a quelli del solo compostaggio; La gestione delle acque di processo che necessitano di trattamenti specifici e presuppongono una buona integrazione con i centri di depurazione;

Processo integrato aerobico/anaerobico Schema e bilancio di massa del sistema di trattamento integrato anaerobico/aerobico per il solo rifiuto organico da raccolta differenziata

Processo integrato aerobico/anaerobico – Caso di Studio IMPIANTO DI CAMPOSANPIETRO (PD) Impianti: depurazione biologica; codigestione anaerobica; Cogenerazione; compostaggio aerobico Sono strettamente interconnessi in modo da sfruttare al massimo le sinergie gestionali e di processo rese possibili dalle tecnologie utilizzate.

Processo integrato aerobico/anaerobico – Caso di Studio Può trattare…. Consente di produrre…. acqua depurata riutilizzabile anche in irrigazione; energia elettrica e termica che andranno autoconsumate all’interno degli impianti o resi disponibili per utilizzatori esterni; da 10.000 a 15.000 t/a di compost di qualità; fino a 90.000 t/a di frazione liquida stabilizzata ricca di azoto e quindi riutilizzabile in fertirrigazione. liquami civili e industriali per una capacità depurativa di 35.000 A.E. (ampliabile fino a 70.000 A.E.); fino a 16.000 t/a di frazione organica dei rifiuti solidi urbani (FORSU) e scarti vegetali(erba, ramaglie, ecc.); da 25.000 a 50.000 t/a di reflui zootecnici; da 12.500 a 25.000 t/a di fanghi dalla depurazione biologica;

Processo integrato aerobico/anaerobico – Caso di Studio

Processo integrato aerobico/anaerobico – Caso di Studio Schema di impianto di codigestione anaerobica dell’impianto di Camposanpietro

Prodotti finali del processo di DA La digestione anaerobica consente una gestione ordinata degli scarti organici trasformandoli in una fonte energetica pienamente rinnovabile e in una componente organica che può essere maturata e restituita al suolo per i piani di ripristino della fertilità organica dei suoli. GAS COMBUSTIBILE Potere calorifico medio di 23 MJ/Nm3 costituito da: Metano 65-70 %; Anidride carbonica la restante parte in funzione del tipo di sostanza digerita e dalle condizioni di processo DIGESTATO Può essere di composizione diversa a seconda del tipo di materiale trattato e soprattutto del processo adottato; Ottimo fertilizzante poiché  parte dell'azoto che avrebbe potuto andare perduto sotto forma di ammoniaca è in una forma fissata e quindi direttamente utilizzabile dalle piante;

Prodotti del processo di DA - Biogas La digestione anaerobica di circa 25mila ton/anno di rifiuto organico da RD è in grado di alimentare un generatore della potenza di 1MWe (in grado di soddisfare il fabbisogno energetico di circa 2.500 famiglie). La trasformazione del biogas in energia può avvenire per: combustione diretta in caldaia, con produzione di sola energia termica; combustione in motori azionanti gruppi elettrogeni per la produzione di energia elettrica; combustione in cogeneratori per la produzione combinata di energia elettrica e di energia termica; uso per autotrazione come metano al 95% (utilizzo avanzato nei soprattutto nei paesi del Nord Europa)

Prodotti del processo di DA - Digestato Compost di qualità Commercializzato con le indicazioni e i limiti indicati nella legge sui Fertilizzanti (D. Lgs. 217/06); Il Consorzio Italiano Compostatori (CIC) è promotore e Ente Certificatore della certificazione volontaria; Il Marchio di Qualità rappresenta uno strumento utile sia ai produttori di ammendante per monitorare la produzione e la qualità del prodotto, sia ai consumatori potenziali per verificare la qualità dell’ammendante richiesto e/o utilizzato.

La DA in Europa Circa 1600 digestori operativi nella stabilizzazione dei fanghi di depurazione. Circa 400 impianti di biogas per il trattamento delle acque reflue industriali ad alto carico organico. Oltre 3000 impianti operanti su liquami zootecnici in particolare in Germania, Austria, Svizzera, Italia, Danimarca e Svezia. Circa 130 impianti di digestione anaerobica trattano ciascuno più di 2500 t/anno di frazione organica di rifiuti urbani e/o residui organici industriali.

La DA in Italia e Europa Volume di digestione: 6600 m3 (2 reattori da 3300 m3 ciascuno) Temperatura di processo: 50FC Tempo di ritenzione (HRT): 16 giorni Liquami zootecnici 90000 t/anno, scarti organici agro-industriali 20-25000 t/anno, FORSU 4000 t/anno Produzione di biogas: circa 3,5 milioni di m3/anno

La DA in Italia 306 impianti 154 reflui zootecnici – agroalimentare – colture energetiche 121 depuratori civili 9 rifiuto organico 22 industria alimentare EurObserv’ER stima per l’Italia una produzione di biogas nel 2006 di 353 ktep (circa 4 milioni di MWh); Circa l’80% di questa produzione è dovuta al recupero di biogas dalle discariche per RU; Il fabbisogno di Energia Elettrica in Italia per il 2006 è stato di 337 milioni di MWh 306 impianti

La DA in Italia La maggior parte (oltre 100) sono operativi in allevamenti zootecnici, in particolare suini, e sono di tipo aziendale; Quasi tutti, poi, operano al nord, in particolare in Lombardia, Trentino-Alto Adige, Emilia-Romagna e Veneto; Alta diffusione di impianti per la stabilizzazione dei fanghi di supero dei depuratori delle acque reflue urbane  possibilità di codigerire anche liquami zootecnici e/o altri scarti agroindustriali, con un importante beneficio energetico (aumento del biogas prodotto) e in certi casi anche con un miglioramento dell’efficienza del processo di depurazione stessa.

La DA in Italia e Europa

Valutazioni economiche

Valutazioni economiche I COSTI DI INVESTIMENTO dipendono: dalle caratteristiche dell’impianto (di tipo semplificato, completamente miscelato, coibentato e riscaldato ecc.); dai materiali avviati a digestione (solo liquami zootecnici, liquami zootecnici + colture energetiche e/o scarti agroindustriali ecc.); Impianto completo di DA dotato di pretrattamento, reattore, cogenerazione, maturazione aerobica, depurazione reflui 400 – 800 euro/t anno Solo impianto di compostaggio 200 – 500 euro/t anno *(ton . Anno = potenzialità annua dell’intero sistema di trattamento) Valori più bassi su impianti di grandi dimensioni con potenzialità maggiori di 50-70.000 ton/anno. Il tempo di ripagamento dell’investimento (pbt) è in genere di circa 4-8 anni.

Valutazioni economiche Fondamentale importanza hanno, nel conto di esercizio dell’impianto, i certificati verdi Tale incentivo deve essere sommato, solo per la parte di energia ceduta all’esterno e quindi al netto degli autoconsumi, al prezzo di cessione dell’EE al gestore EE netta prodotta = 1.159.000 kWh/anno Ricavi: Valore EE ceduta (0,075 € /kWh) = 98.555 € /anno Valore CV (0,109 euro/kWh) = 140.363 € /anno Totale ricavi = 238.878 €/anno Costi esercizio: Service cogeneratore (0,02 €/kWh) = 25.755 €/anno Esercizio impianto = 40.000 €/anno Produzione mais = 17.900 €/anno Totale esercizio = 83.655 €/anno Costo investimento circa 670.000 ` PBT=4,3 anni (3 anni con un contributo del 30%) ESEMPIO (dati CV 2006) Az. Mengoli Castenaso (BO) Bovini da latte (100 capi in produzione) 2 digestori (1200 m3 ciascuno) 1 cogeneratore da 110 kWe

Valutazioni economiche e Ambientali Il contributo alla riduzione delle emissioni serra in EUROPA: Si stima per paesi dell’Unione Europea una potenziale riduzione, grazie all’applicazione della Digestiona Anaerobica, delle emissioni dimetano di circa 20 milioni di m3/giorno; Ciò significa una riduzione di circa 300.000 t/giorno di CO2 equivalente, un valore che corrisponde a circa il 3,6% dell’emissione globale (a livello UE) di CO2 o a circa il 50% della prevista riduzione di emssioni di CO2 per i paesi della UE secondo gli accordi della Conferenza di Kyoto.