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Biogas - Impianto

IMPIANTI

Tipologia
Il reattore più semplice in assoluto è discontinuo e viene alimentato con il substrato ed il suo inoculo, naturale o procurato, aspettando che il processo avanzi fino all’ esaurimento del substrato.
Un digestore continuo elementare è un reattore monofase con flusso a pistone con alimentazione (continua o semi-continua) da un lato, avanzamento verso l’uscita, senza subire mescolamenti lungo questa direzione; l’unico mescolamento possibile è quello in direzione ortogonale rispetto all’asse di avanzamento del substrato che ha il duplice scopo di miscelare la biomassa senza interrompere le fasi di digestione movimentando all’interno di essa il biogas già prodotto come inoculo.
Il tempo di residenza di ogni elemento di liquido corrisponde effettivamente al tempo di residenza idraulico e la concentrazione dei composti lungo l’asse di avanzamento sarà quindi variabile. Il ricircolo della biomassa viene particolarmente utilizzato con matrici ad elevato contenuto di solidi dal momento che, in questo modo, si superano le difficoltà legate ad una corretta miscelazione.
Per la crescita ottimale dei batteri idrolitici/acidificanti e di quelli metanigeni sono necessarie condizioni differenti e dunque la separazione delle fasi in reattori distinti appare una soluzione ideale per incrementare le rese dei due processi. Lo schema complessivo di processo prevede una prima fase, quella di idrolisi ed acidificazione, che avviene in reattori di dimensioni più ridotte, dal momento che i tempi di ritenzione possono essere bassi (anche alcune ore) seguita poi da una seconda fase, in reattori di dimensioni maggiori, in cui si ha la metanogenesi.


Dimensionamento
I criteri per dimensionare un digestore anaerobico continuo o semicontinuo sono due:

a) Si considera esclusivamente il carico volumetrico alimentato giornalmente (l’unico parametro da considerare in questo caso è il tempo di ritenzione idraulico); Il dimensionamento effettuato sulla base del tempo di residenza volumetrica (HRT) non è sufficiente a garantire il rispetto delle specifiche di esercizio, ma può essere eseguito solo in prima approssimazione e deve servire come verifica della compatibilità tra la geometria del digestore ed il tipo di materia da trattare.

b) Si considera il carico organico applicabile al processo, in modo da garantire il giusto apporto di substrato alla biomassa che deve operare la digestione, tenendo conto del genere di batteri (mesofili, termofili) , della tipologia di impianto e della reattività della biomassa..

Per la determinazione del tempo di residenza idraulica si applica il seguente schema:

1) Determinazione dei flussi di massa in ingresso

Le quantità in ingresso sono calcolate in funzione della provenienza della biomassa (Deiezioni animali, Culture dedicate; Frazione organica dei rifiuti, fanghi da acque reflue) e delle diluizioni o degli ispessimenti richiesti

2) Determinazione del carico organico per m³ di reattore e calcolo del volume utile

Considerando i dati a disposizione, si sceglie un carico organico ottimale da applicare al digestore, in base agli intervalli utili di carico ed HRT per ciascun processo riportati in letteratura. A questo punto, noto il carico che si vuole applicare ed il flusso di massa in TVS in ingresso, il volume del digestore sarà dato da:

SV(Kg) al giorno / CO (kgTVS/m³ d) = m³ di reattore

3) Verifica delle condizioni operative

Il volume determinato, anche se corretto in linea di principio, può non soddisfare le condizioni di mantenimento dell’HRT ai valori desiderati. Per condurre questa verifica è necessario conoscere il volume di substrato da alimentare, da calcolare tenendo conto di eventuali diluizioni (es. per portare la concentrazione al 20% nel processo semi-dry). Nota quindi la densità, avremo: frazione organica selezionata diluita / densità (t/m³) = m³ frazione organica selezionata al giorno e quindi l’HRT:
volume digestore (m³) / m³ frazione organica selezionata al giorno = giorni di ritenzione

Spesso, seguendo questa logica, l’HRT che si viene ad applicare risulta troppo basso. E’ opportuno allora ripetere il calcolo diminuendo il carico, fino ad arrivare ad un compromesso ottimale. La riduzione del carico organico rappresenta sempre un fattore di sicurezza aggiuntivo rispetto ad eventuali situazioni di sovraccarico, in quanto il sistema può lavorare in condizioni meno stressanti.

4) Considerazioni energetiche
La produzione di biogas giornaliera può essere calcolata utilizzando la seguente relazione:

Q (m³/giorno) = m³/kg SV x kgSV/giorno

Stimando un potere calorifico inferiore di 5500 kcal/m³, avremo la potenzialità energetica giornaliera:

5500 kcal/m³ x m³ biogas/giorno = kcal/giorno

La spesa energetica per riscaldamento consta di due voci:

- il riscaldamento del rifiuto in ingresso Si può dimostrare, con calcoli appropriati, che il calore disperso per le perdite non supera il 5-10% del calore totale necessario a mantenere in temperatura il digestore.
- le perdite di calore del digestore La spesa maggiore è quindi quella dovuta al riscaldamento della massa in ingresso. Conoscendo il calore specifico del substrato, si a che :

Massa in ingresso (m³/giorno) x calore specifico, ( kcal/m³ °C giorno ) x (T esercizio – T ambiente) (°C) = kcal/giorno

a questo vanno aggiunte le perdite pari approssimativamente al 5-10% del totale.

Bisogna considerare che non tutta la sostanza volatile viene completamente convertita in biogas. Infatti, dato che la sostanza organica non è composta solo dalla frazione rapidamente biodegradabile, per permettere una gassificazione quasi completa della sostanza volatile sarebbero necessari tempi di residenza volumetrica lunghissimi, con volumi e costi dei digestori non sostenibili. Nella pratica, perciò, si rinuncia a convertire in biogas tutta la sostanza volatile e si interrompe il trattamento biologico all’incirca quando tutta la frazione rapidamente biodegradabile è stata metabolizzata dai microrganismi. La sostanza volatile rimanente, infatti, viene aggredita dalla flora batterica con una lentezza tale da poter considerare ormai stabilizzata la sostanza organica alimentata. Per il calcolo del volume utile del digestore occorre considerare un coefficiente di sicurezza rappresentativo della flessibilità desiderata per l’impianto, generalmente compreso tra 1.1 e 1.3. Un digestore dimensionato con un carico organico basso, a cui corrisponde un volume del reattore elevato, è caratterizzato da una buona flessibilità di esercizio, in quanto permette di affrontare diverse capacità di trattamento. Inoltre il sovradimensionamento incide in misura limitata sui costi d’impianto. Per contro le rese di processo (m³ di biogas prodotto/m³ di reattore × giorno) sono minori rispetto ai reattori ad alto carico.

I valori del carico organico applicato nei principali tipi di processi di digestione anaerobica dipende dalla magiore o minore biodegradabilità delle matrici.

Caricamento
Nella progettazione delle unità di digestione anaerobica è necessario anche prestare particolare attenzione agli aspetti costruttivi legati al sistema di caricamento e scaricamento della miscela dal digestore ed alla movimentazione dei fanghi. Il sistema di caricamento/scaricamento deve essere realizzato in modo tale che, durante le fasi di introduzione e di estrazione del materiale dal digestore, non si verifichi ingresso d’aria nella massa in fermentazione e fughe di materia o di biogas dal reattore. Il sistema di scaricamento, nel caso si utilizzi il volume del digestore come polmone, deve permettere il dosaggio del materiale digerito alla fase successiva del processo. Deve essere previsto inoltre un sistema di controllo allo scarico che impedisca accidentali svuotamenti del digestore. Per quanto riguarda la movimentazione dei fanghi è necessario utilizzare particolari accorgimenti, tanto più importanti quanto maggiore è il contenuto di solidi nella massa in alimentazione.
In particolare si possono fornire le seguenti indicazioni:
- il diametro delle tubazioni deve essere sempre superiore ai 3 pollici, anche nelle movimentazioni di portate ridotte;
- devono esser evitati gomiti stretti e restringimenti di sezioni;
- le pompe utilizzate devono essere di tipo volumetrico e senza restringimenti di diametro rispetto alle tubazioni;
- per il ricircolo dei fanghi possono essere utilizzate anche pompe dilaceratici;
- devono essere previsti sistemi per il disintasamento, soprattutto in prossimità di pompe ed organi di intercettazione e controllo; -devono essere previste valvole di sicurezza sulle linee principali.

Qualunque sia il sistema di caricamento/svuotamento e di movimentazione dei fanghi, il digestore deve essere dotato di un sistema di protezione alla pressione ed al vuoto.


Sistemi di agitazione per l’omegeneizzazione del substrato
All’interno del reattore il substrato in fase di digestione deve essere opportunamente miscelato, in modo tale da:

- favorire il contatto tra batteri e substrato;
- evitare la presenza di zone morte;
- garantire una distribuzione omogenea della temperatura;
- ottimizzare il rilascio di biogas;
- evitare la sedimentazione del fango e la formazione di croste superficiali.

Nella tabella sono riportati i sistemi di agitazione più utilizzati nei digestori anaerobici con i relativi vantaggi e svantaggi. Gli agitatori meccanici sono generalmente soggetti ad abrasione e ad intasamento, a causa della presenza di particelle dure o fibrose, e richiedono pertanto frequenti interventi di manutenzione. Il ricircolo del fango dall’uscita all’ingresso del digestore non produce una sufficiente miscelazione e pertanto viene utilizzato in combinazione con i sistemi meccanici. Per quanto riguarda l’iniezione di biogas essa viene generalmente effettuata in zone specifiche per evitare di esporre i batteri ad ambienti sfavorevoli. E’ richiesta una pressione più elevata per processi a secco che per processi ad umido.

Sistemi di agitazione (Fonte: documento CITEC 2001)

Produzione di biogas
La produzione di biogas è l’obiettivo della digestione anaerobica controllata, pertanto l’intero processo deve essere condotto in maniera tale da massimizzare le rese di metanizzazione.
La portata all’uscita dal digestore può presentare però delle variazioni importanti, dal 50 al 150% della portata media con oscillazioni del tenore di metano dal 45 al 70 %.

Tutti i componenti devono essere realizzati con materiali resistenti alla corrosione in particolar modo dell’idrogeno solforato. All’uscita del digestore deve essere prevista una filtrazione per eliminare le particelle liquide o solide che potrebbero essere trascinate dal biogas. Questo semplice sistema permette di proteggere i compressori che verranno utilizzati per l’alimentazione del gas ai successivi utilizzi.

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