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1. A TAA FEF crga NH IE rl er LI PS ruv _ ae ee ee eS Sh ee ARI MAY M aD EAR md PA e il Figura 5 1 Andamenti di pH alcalinit e VFA in un digestore anaerobico operante in termofilia durante il pas saggio tra condizioni fortemente inibite e condizioni stabili substrato frazione organica da RD Variazione dell alcalinit con le condizioni operative e negli stati di transiente valori di alcalinit totale misurata a pH 3 8 tipici del processo di digestione anaerobica del la frazione organica selezionata sono decisamente maggiori rispetto a quelli riscontrabili nel la digestione di fanghi Un intervallo compreso tra 5000 e 10000 mgCaCO I pu essere considerato tipico per questo processo ma valori superiori possono essere riscontrati con cari chi maggiori o con matrici pi biodegradabili grazie alla maggiore disponibilit di composti proteici per la produzione di ammonio e quindi del sistema tampone associato Di particolare interesse pratico risulta anche la determinazione dell alcalinit su due punti di viraggio pH 6 e 3 8 in quanto la differenza tra i due valori proporzionale all accumulo di acidi grassi nel digestore Un esempio di come varia questo parametro con le con
2. l s MRE n v 3 4 PNL i T ARI 1 Emo ow T RC 3 LESS LI r n E IE a We a Los 08 kh PP Li j ml E n i a nt uaa te n a J IH s fe E C ITE cli 0 preparazione si rende necessaria al fine di garantire il corretto funzionamento del processo e di ottimizzare le rese di metanizzazione A tale scopo devono essere eseguite le seguenti ope razioni Omogeneizzazione e regolazione del contenuto di umidit rifiuti devono essere diluiti in modo da regolare l umidit della miscela al valore ottimale pri ma dell invio all unit di digestione Tale valore dipende dal tipo di processo utilizzato ad umido a secco semi secco e dal materiale da sottoporre al trattamento l obiettivo pu essere rag giunto tramite l aggiunta di fanghi oppure di acqua di ricircolo proveniente dalla sezione di disidratazione Oltre alla regolazione del contenuto d acqua anche necessario provvedere all omogeneiz zazione della miscela prima dell introduzione nel digestore tipi di miscelatori maggiormente utilizzati sono miscelatori a coclee per processi a secco o semi secco idropolpatori per processi ad umido semi secco dispositivi di agitazione o miscelazione devono essere realizzati in materiale resistente all a zione abrasiva o corrosiva dei materiali costituenti i rifiuti l unit di miscelazione deve essere facilmente accessibile ed ispezionabil
3. of i a T Pu NL 1 a 1 ride Og oo ridotti quindi le spese di costruzione dei reattori sono minori rispetto ai processi wet e semi dry La ridotta dimensione del reattore si ripercuote poi favorevolmente in fase di esercizio sul bilancio energetico dello stesso dal momento che necessario riscaldare una minor quantit di rifiuto da trattare Una differenza fondamentale tra i processi di tipo dry e quelli di tipo wet o semi dry consiste nel ridotto utilizzo nel caso di processi dry di acqua per la diluizione dei ri fiuti Ne consegue che la quantit di acqua di scarico sar ridotta Alcuni autori Baeten and Ver straete 1993 riportano inoltre una migliore igienizzazione del prodotto finale nel caso di processi dry operanti in regime termofilo principali vantaggi e svantaggi dei processi dry so no richiamati in tabella 3 7 Al momento attuale non chiaro quale tecnologia tra quelle wet semi dry e dry risulter vin cente nel prossimo futuro Molto dipender probabilmente dalla capacit di queste tecnologie di ottenere ottime rese in termini di produzione di biogas e riduzione dei volumi di fanghi da smaltire in relazione al tipo di rifiuto trattato meccanicamente selezionato raccolto in manie ra differenziata Il tutto con un soddisfacente recupero di energia e calore riutilizzabili 3 2 3 1 Prestazioni del processo dry Uno dei maggiori problemi connessi ai processi di tipo dry
4. i 7 Uu a guai Mure ENT IL PROCESSO DI DIGESTIONE ANAEROBICA ELEMENTI DI BASE valori di concentrazione del substrato e della biomassa nell effluente vengono calcolati a par tire dall equazione di bilancio di massa In pe per un reattore di tipo CSTR si potr scrivere a partire dal bilancio di massa per la biomassa X la relazione QO P us HAT Miar Dove G portata influente ed effluente volume tempo V volume del reattore volume HRT tempo di ritenzione idraulica tempo massimo velocit di crescita dei microrganismi tempo 5 concentrazione del substrato a contatto con i microrganismi massa volume T Ks coefficiente di semisaturazione corrispondente alla concentrazione di sub strato S alla quale la velocit di utilizzo del substrato per unit di massa di mi crorganismi pari alla met della velocit massima massa volume ky coefficiente di decadimento dei microrganismi tempo A partire dal bilancio di massa per il substrato S sar poi possibile determinare la relazione 5 5 HET 5 Dove So concentrazione di substrato influente massa volume concentrazione di substrato effluente massa volume HRT tempo di ritenzione idraulica tempo k massima velocit di utilizzo del substrato per unit di massa di microrganismi tempo X concentrazione di biomassa nel reattore massa volume ks co
5. Nel caso in cui si abbia un eccesso di substrato cio per valori di S molto maggiori di K S25 K l espressione di Monod si pu semplificare con l equazione di una cinetica di ordine zero rispetto al substrato S e pertanto si avr u Umax 7 ky Qualora ci si trovi in condizioni di substrato limitante con valori di K non trascurabili scarsa affinit tra substrato ed enzima specifico il modello di Monod diviene una cinetica di primo or dine e pertanto assume la forma T kuy Ymax et iT a e Vmax Kis Figura 1 4 Rappresentazione grafica della cinetica di reazione biologica 1 3 1 Effetto della temperatura sulle cinetiche di reazione Dal momento che la velocit di reazione il fenomeno che governa il processo la temperatu ra diviene un parametro estremamente importante tipici intervalli di temperatura incontrati nei reattori di digestione anaerobica come precedentemente osservato sono il mesofilo il termofilo e lo psicrofilo pi raramente applicato Quando si passa da un regime di tempera tura ad un altro si osserva un vero e proprio cambiamento nella composizione della comunit batterica Infatti come illustrato in figura 1 5 gli andamenti di sviluppo delle diverse popolazioni batteriche non sono monotoni ma presentano dei picchi in corrispondenza di ben definit inter valli di temperatura differenti per ciascuna specie Una varia
6. IL PROCESSO DI DIGESTIONE ANAEROBICA ELEMENTI DI BASE 1 Il processo di digestione anaerobica elementi di base 1 1 GENERALIT SUL PROCESSO La degradazione biologica della sostanza organica in condizione di anaerobiosi in assenza cio di ossigeno molecolare come o legato ad altri elementi come nel caso dell azoto ni trico NO determina la formazione di diversi prodotti i pi abbondanti dei quali sono due gas il metano ed il biossido di carbonio Essa coinvolge diversi gruppi microbici interagenti tra loro i batteri idrolitici i batteri acidificanti acetogeni ed omoacetogeni ed infine i batteri metanigeni quelli cio che producono meta no e CO con prevalenza del gas di interesse energetico che rappresenta circa i 2 3 del bio gas prodotto batteri metanigeni occupano quindi solo la posizione finale della catena trofica anaerobica Il metano poco solubile in acqua passa nella fase gassosa mentre la CO si ri partisce nella fase gassosa e in quella liquido Un tipico esempio di degradazione anaerobica di un substrato organico puro rappresentato dalla digestione anaerobica del glucosio In questo caso si ha un primo passaggio in cui il glu cosio viene convertito ad acido acetico ed un successivo in cui l acido acetico viene ulterior mente degradato a metano e biossido di carbonio CH 10 CH COOH CHCOOH CO Qualora si considerino substrati organici pi complessi si possono ottenere
7. il supporto per la crescita di un fango attivo responsabile della ossidazione e io della sostanza odorosa Analogamente ai biofiltri anche per i bioscrubber importante mantenere un habitat ottimale per i microrganismi soprattutto attraverso il controllo del pH e della temperatura evita re di avviare al bioscrubber composti tossici effettuare un corretto dimensionamento della torre di lavaggio e del sistema di irrorazione del materiale di riempimento ridurre al minimo le per dite di carico effettuare periodici controlli di processo per evitare malfunzionamenti bioscrubber si preferiscono ai biofiltri in presenza di concentrazioni di composti inquinanti medio alte in quanto presentano una pi veloce adattabilit a variazioni di composizione del gas inquinato e nel caso di effluenti ad elevata temperatura in quanto hanno la capacit di u na pi facile dissipazione del calore Consentono inoltre un pi agevole controllo del processo dal momento che possibile un monitoraggio delle caratteristiche dell aria trattata e l aggiun ta di correttivi alla soluzione di lavaggio regolatori di pH agenti ossidanti quali ozono bios sido di cloro ipoclorito di sodio Analogamente alle torri di lavaggio per il processo richie de un particolare impegno tecnico nella gestione oltre allo svantaggio costituito dagli elevati vo lumi di acqua di risulta 6 4 RUMORE L inquinamento acustico rispetto ad altri tipi d inquinamento presen
8. 1 c Dto n dice IL PROCESSO DI DIGESTIONE ANAEROBICA ELEMENTI DI BASE substrati organici a basso peso molecolare acido acetico attraverso una reazione di transme tilazione CHCOOH R H R CH 2 CO R CH 2H CH R H Globalmente CH4COOH CH CO La crescita dei microrganismi sull acetato lenta dal momento che l energia disponibile bas sa se confrontata con quella ottenibile da altri substrati di partenza vedi tabella 1 2 Tabella 1 2 Energia disponibile per i batteri metanogeni derivante dall utilizzo di diversi substrati Vallini etal 1987 Reazione AG kJ mol CH HCO3 gt CH 135 6 AHCOOH H20 3HCO 3H 130 4 3CH Ht 104 9 ACH3NH3 3CHy HCO4 748 CH3COO HO HCO4 28 0 1 2 2 Chimica fisica del processo deassorbimento del biogas Il biogas prodotto nel corso del processo di digestione anaerobica consiste di tre componenti prin cipali il metano il biossido di carbonio e l idrogeno molecolare Il metano praticamente in solubile e tende ad essere rilasciato dal mezzo liquido passando alla fase gassosa mentre il bios sido di carbonio raggiunge un equilibrio dinamico tra fase liquida e gassosa andando cos a partecipare alla formazione di acido carbonico nel mezzo liquido determinando quindi assieme all ammonio la capacit tampone d
9. Figura 3 9 Tipico schema di processo wet a fase singola problemi di igienizzazione dei fanghi effluenti Per questo motivo alcuni brevetti prevedono u no step di pastorizzazione dell effluente dal reattore di digestione tipici vantaggi e svantaggi dei processi di digestione ad umido evidenziati in anni di appli cazione sia dal punto di vista tecnologico biologico che economico ambientale sono ripor tati in tabella 3 2 Vandevivere et al 2001 3 2 1 1 Prestazioni del processo wet processi wet operano generalmente con carichi organici piuttosto bassi inferiori a 6 kgVS m giorno tipicamente nell intervallo 2 4 kgVS m giorno Non attualmente ancora chiaro quale sia il fenomeno che limita la possibilit di ola carichi organici maggiori nei processi ad umido Una possibile spiegazione consiste nella concentrazione della biomassa attiva nel reattore che sarebbe troppo bassa per operare al meglio Altre spiegazioni chiama no in causa la velocit di trasferimento di massa dei nutrienti oppure l accumulo di sostanze i nibenti come ad esempio l ammoniaca o gli acidi grassi volatili a catena corta Qualora i digestori vengano alimentati con carichi organici superiori si osserva subito una di minuzione nella produzione del biogas Per questo motivo si ritiene che la pi valida delle spie gazioni sia la presenza formazione di sostanze inibenti nel reattore conseguente appunto al l incremento dei carichi da trattare E chiaro c
10. retrotitolazione SCOD gO kg Digestione retrotitolazione g kg Analisi elementare pH Strumentale TA 6 4 gCaCO l Titolazione Anioni PO SO Cl Br INO ecc ppm Cromatografia ionica Catoni NH Ca Mg ecc ppm Cromatografia ionica Metalli pesanti ppm Assorbimento atomico ICP Microinquinanti ppm ppb Tecniche specifiche Tabella 5 16 Flussi da campionare e punti di campionamento Alimentazione Uscita linea della selezione Digestore Tubazione di ricircolo reattore Biogas Linea gas Uscita impianto Uscita presse Per iE dali programma di TERT l alimento di ex hierro pi dicium per 1 dei principali ray di proces La strumentazione deve conmqmenders almeso alter alle n di veirin banchi e cappe chimiche aule dinero pieno minis a sp EE rit sd LA EET TS dell ammoesisca p Deve prevedere la powdhita di condere salisi sz substrati divorzi pas diy ci puxccenmupgrafo cquipaggialo visuenestiarione rel diva ai siicroinquisanti simanda Sexti aprcifici Figura 5 4 Elementi obiettivi e indicazioni di progetto per il monitoraggio del processo off line 27 128 da poter cavie segnale a quadro Per te della teonperalera interna al digneatoce deve css ro prevista 1 d utile pesto di rape eientati va della temperstora mendia tiene la
11. 2000 Excess sludge reduction and advanced biological nutrients removal wastewater treatment processes In Proc 1 World Water Congress of the International Water Association Parigi F 3 7 luglio 2000 NP 116 Cecchi F Mata Alvarez J Pavan P Sans C Merli C 1992 Semi dry anaerobic digestion 151 152 of MSW influence of process parameters on the substrate utilization model Wat Sci Tech 25 7 83 92 Cecchi F Mata Alvarez J Verstraete W 1992 Memorandum of the International Sympo sium on Anaerobic Digestion of Solid Waste held in Venice 1992 p 595 600 In Waste Ma nagement International Ed K J Thom Kozmiensky EF Verlag M nchen Cecchi F Pavan P 1993 Indagine bibliografica sulla digestione anaerobica della biomassa algale della laguna di Venezia Cecchi F Pavan P 1995 Co digestione di fanghi di depurazione e rifiuti Dispense delle le zioni tenute presso il Politecnico di Milano Cecchi F Pavan P Mata Alvarez J Bassetti A Cozzolino C 1991 Anaerobic digestion of municipal solid waste Thermophilic versus mesophilic performance at high solids Waste Ma nag amp Res 9 pp 305 315 Cecchi F Pavan P Mata Alvarez J Musacco A Vallini 1993 Digesting the organic fraction of municipal solid waste Moving from mesophilic 37 to thermophilic 55 con ditions Waste Manag amp Res 11 403 444 Cecchi F Pavan P Mata Alvarez J Va
12. a a amp 3 PAN EE Ua P s E E L 1 t e Ta vt 1 T Tl 2 i n al ni BE _ Em gas 1 Maa n E ee E n L 7 F T pl L I i 1 E m x Pag D n L i n nia zum NI i uw i n E b I 0 S i y i IE a E E 2H 3 oo a Lm ES q Il E norum E mre nl o ma i EB AER EU gy ta B ers i pi a mS pep ar I Y m EU o l pi 1 o L a 1 EE ETT LI PP E Sepe e Ml SE ET mg pn co se im n E Fes d ee 1 a gm d al ll presente Rapporto stato elaborato dall Agenzia Nazionale per la Protezione dell Am biente Unit Normativa Tecnica nell ambito delle attivit previste dalla convenzione tra il Ministero dell Ambiente e della Tutela del Territorio ONR ed ANPA l impostazione e la stesura finale sono a cura di Rosanna LARAIA Responsabile dell Unit Normativa Tecnica ANPA La Redazione stata a cura del Gruppo di lavoro composto da Francesca LUCIGNANO Roberto MUSSAPI Tommaso PICCINNO ANPA Valeria FRITTELLONI Andrea M LANZ consulenti ANPA Franco CECCHI David BOLZANELLA Universit degli Studi di Verona Paolo PAVAN Universit degli Studi di Venezia Laura INNOCENTI Universit degli Studi di Verona e Universit degli Studi di Venezia Paolo BATTISTONI Un
13. ta sia direttamente per la disidratazione del materiale in uscita dal digestore sia come tratta mento complementare del sugo proveniente da una pressa a vite La potenza installata sar funzione della portata e della quantit di materia secca da estrarre Nastro pressa Questo filtro diffuso anche nel settore del trattamento dei fanghi pu essere utilizzato sia di rettamente per la disidratazione del materiale in uscita da un digestore funzionante con un processo di tipo liquido sia per il trattamento complementare del sugo dopo una pressa a vite dopo una centrifuga al fine di ottenere un refluo con caratteristiche ida La potenza installata sar funzione della portata e della quantit di materia secca da estrarre Il flusso liquido separato con le varie apparecchiature contiene ancora particelle fini di materia secca e o organica e deve essere opportunamente trattato per raggiungere i parametri com patibili con il suo impiego Una parte del liquido pu essere utilizzata come diluente per preparare la miscela in ingresso ai digestori importante soprattutto nel caso di trattamento di rifiuti urbani Per l utilizzo come diluente la frazione liquida deve avere un tenore in materia secca generalmente inferiore al 5 per evitare l aumento continuo del tenore in particelle fini nella massa in fermentazione che sbilancerebbe il processo La restante parte deve essere opportunamente convogliata ad un impianto di depurazione 4 7 STABILIZ
14. 269 282 Chen Y Hashimoto A 1978 Kinetic of methane fermentation Biotechnology Bioengineering Symposium 8 269 282 pnl a Eu o Pla bal Ba n CI T Piu s uis Lan pm it a Pi Je P 4 i 7 LE n ud a Ee pi Jj i np E h i N om E ist T P gus gm m WI E A E 1 mr mU Wr ba weit pommi m m u i FI RU J yu EO E af L m ES n n L E LI J d LE Em Te mn F JE So oe E n L E i m a a ulla ig DDR mi M suo E m gi Lr ca n n x LI BH og we me EN Ps 3 m i LI Fri I S EI ga LES i 1 LP br m m a 4 4 n E x Ls T E 5 EA mi L9 n 7 R 111 M n nu cal na sup E atu E Tm ed EE gn pi ME i Jj o LY d T n A SET Li a An L PM mM TI n n PE ma T E MN gast M PB A PET JE IS Li E i E E sla 1 LE E EVER E m o T n i LJ B aur p ow E m EN 1 n x T Il F GHNEES tmn I n Tus Qum 1 s i a LE o Poe j 9 im ios ali T ud i peni WV p NE n A rF Tau RA 15 it P n qu Lm AD pe J m ml a fj In as t i Pm a ee o a mi Tole suh o e EN a ri 27 4 o AU
15. Criterio Vantaggi Tabella 3 7 Vantaggi e svantaggi dei processi dry Vendervivere et al 2001 Svantaggi Tecnologico Nessun bisogno di miscelatori interni Rifiuti con basso tenore in sostanza al reattore solida lt 20 TS non possono essere Robustezza e resistenza ad inerti pe trattati da soli santi e plastiche Nessuna corto circuitazione idraulica Biologico Bassa perdita di sostanza organica Minima possibilit di diluire sostanze biodegradabile nei pre trattamenti inibitorie e carichi organici eccessivi Elevati OLR applicabili con acqua fresca Resistenza a picchi di concentrazio ne di substrato o sostanze tossiche Economico Pre trattamenti minimi e pi econo Elevati costi di investimento a causa ed ambientale mici Ridotti volumi dei reattori Ridotto uti degli equipaggiamenti utilizzati per il trattamento lizzo di acqua fresca Minime richie ste di riscaldamento del reattore kgVS m d Nell ambito dei processi dry la tecnologia Valorga opera generalmente con OLR prossimi ai 5 kgVS m d come a Tilburg Olanda dove vengono trattate circa 1000 t setti mana di rifiuti vegetali e da giardino in due reattori con volume di 3000 m ciascuno a 40 de Laclos et al 1997 La tabella 3 8 riporta i tipici valori di esercizio e le rese dei pro cessi dry Tabella 3 8 Intervalli tipici dei parametri operativi e delle rese del processo dry Parametro di processo Intervallo Solidi nel rifiut
16. Illinois JWCPF 54 1447 1457 155 156 Romli M Keller J Lee P L Greenfield P F 1995 Model Prediction and Verification of a Two Stage High Rate Anaerobic Wastewater Treatment System Subjected to Shock Loads Trans l ChemE 73 Part B 151 154 Ross W R Novella P H Pitt A J Lund P Thomson B A King P B Fawcett K S 1992 A naerobic digestion of wastewater sludge WRC Project no 390 TT 55 92 Pretoria South A frica Roux N W Wakerley D S 1978 The microbial production of methane from putrescible frac tions of sorted houscheid waste Conservation amp Recycling 2 163 169 Saiki Y Imabayashi S Iwabuchi C Kitagawa Y Okumura Y and Kawamura 1999 Solubilization of excess activated sludge by self digestion Wat Res 33 No 8 pp 1864 1870 Saint Jolly C 1992 Three years of performances control and process monitoring in an indu strial plant for municipal solid waste treatment by anaerobic digestion In Proc Int Symp on A naerobic Digestion of Solid Wastes Venice 14 17 April 1992 pp 540 544 Saint Jolly C Desbois S Lotti J 2000 Determinant impact of waste collection and composi tion on anaerobic digestion performance industrial results Wat Sci Tech 41 3 pp 291 298 Sanders W Geerink M Zeeman Lettinga 1999 Anaerobic hydrolysis kinetics of particulate substrates In Proc II Int Symp On Anaerobic Digestion of Solid Wastes Barc
17. abt o LA PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI DI DIGESTIONE ANAEROBICA DEI RIFIUTI TORCI F ri 3 5 kWh AUTOCONSUMO ECCESSO ALLA 30 50 kWh 8 12 kWh RETE Figura 4 10 Bilancio di energia di un impianto tipo 5 ELE e j s EU rg a SHIT d Tal RE LA GESTIONE DEGLI IMPIANTI DI DIGESTIONE ANAEROBICA 5 La gestione degli impianti di digestione anaerobica 5 1 PARAMETRI DI GESTIONE DEL PROCESSO 5 1 1 Parametri di esercizio del reattore di digestione anaerobica della frazione organica selezionata parametri da considerare nella normale conduzione del processo di digestione anaerobica della frazione organica selezionata sono gli stessi gi esaminati nella fase di progettazione e cio OLR TS in alimentazione temperatura del digestore Questi quattro parametri definiscono univocamente le condizioni di esercizio dell impianto In pone la concentrazione di solidi nel reattore definisce anche il tipo di processo secondo a terminologia umido 5 875 TS semi dry 8 20 TS dry gt 20 TS ed anche legato al ti po di matrice da trattare A questi vanno aggiunti SOIR Specific Organic Loading Rate o CF carico organico riferito alla biomassa o ai so lidi volatili nel reattore cfr paragrafo 1 5 1 1 Rapporto di ricircolo nei processi in cui si utilizzi il ricircolo della frazione liquida estratta dall effluente del reattore ed i parametri di resa GPR SGP e percentuale di rimozione
18. h 4a 5 con O t t ds F Composti di tipo B Pla 5 Abis S con lt lt ds 1 2 Composti di tipo v 4c S 5 con t lt t lt t di Composti di tipo D A zy con f tf 95 96 In queste equazioni Sy rappresenta la concentrazione iniziale di substrato disponibile che verr inizialmente degradato con velocit vo Una volta rimossi i composti del gruppo A la de gradazione procede con velocit e cos via fino ai composti di tipo D 4a 4b e 4c sono co stanti tipiche del modello Da queste espressioni differenziali separando le variabili ed inte grando si ottiene una espressione che mette in relazione S rispetto al tempo Derivando nuo vamente rispetto al tempo si ottengono le seguenti espressioni di pi immediato utilizzo ds Composti di tipo Composti di tipo B M i Et Composti di tipo C m y 4e t5 Dove t il tempo necessario per il primo step e t il tempo necessario per il secondo Si noti che le v diventano le velocit iniziali dei tratti e costanti 4a 4b e le relative pendenze essen do queste equazioni di rette Con riferimento alla precedente tabella i valori delle costanti de terminati Dun stesse condizioni operative secondo questo approccio sono riportati nella tabel la 4 3 Tabella 4 3 Valori relativi alle costanti cinetiche del modello step diffusional applicati alla digestione anaerobica termofila del
19. in quanto d una misura diretta ed univoca dello stato di equilibrio tra fasi idroliti JU poi A n ELLEN afte LI m r iy am LI LJ au ak j i mi 1 ma a mi rola UE UH BA aes 7 5 um e n EE Pa r i LA GESTIONE DEGLI IMPIANTI DI DIGESTIONE ANAEROBICA co acidogenica e metanogenica del sistema Anche in questo caso gli intervalli operativi sono sostanzialmente influenzati dalle condizioni di processo e dal substrato valori di circa 600 800 mg l sono stati riscontrati sia con substrati da selezione meccanica che da RD mentre va lori anche superiori sono stati osservati in condizioni di squilibrio con frazione organica da se lezione meccanica ovvero in condizioni di alto carico e in condizioni stazionarie con frazio ne organica da raccolta differenziata Si confrontino ad esempio le tabelle 5 10 5 12 che ri portano i valori ottenuti variando rispettivamente le condizioni operative l intervallo termico di esercizio e le caratteristiche del substrato Si noti in particolare il valore di 2150 mg l osser vato con frazione organica da selezione meccanica in condizioni di alto carico organico tabella 5 10 paragonabile ai valori riscontrati con substrati pi biodegradabili tabella 5 12 Tabella 5 10 Valori del contenuto in VFA del reattore in diverse condizioni operative Cecchi et al 1991 1993 Condizione 1
20. situazioni nelle quali a causa di parti colari configurazioni geografiche e condizioni socio economiche risulti necessario suddivide re il territorio provinciale in pi ambiti territoriali ottimali n 1 b a t i sl sig TW E ar AM o T i Din Nel nM i mot m s il rut ud rper rh _ 5 mes ERE I S Lora bro Dni Lm E niis ITE n a L url e ma Patt T Pi al E n P T i i M i55 Mu di Be i i ai n ca iS 5 r B ENS TP Foes aia amp EM Eni LA PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI DI DIGESTIONE ANAEROBICA DEI RIFIUTI STATO DELLA RACCOLTA PREESISTENTE TERRITORIO DEMOGRAFIA RIFIUTI PIANIFICAZIONE RACCOLTA TIPOLOGIA DIFFERENZIATA DI IMPIANTI Figura 4 1 Fattori che caratterizzano la pianificazione RACCOLTA INDIFFERENZIATA POTENZIALIT LOCALIZZAZIONE 4 2 3 Fattori caratteristici del bacino Di seguito sono riportati i principali parametri che necessario analizzare per avere un qua dro rappresentativo della realt oggetto della pianificazione Caratteristiche del territorio Le caratteristiche del territorio costituiscono il primo aspetto del bacino che deve essere analiz zato Infatti si riscontrano in genere differenze sostanziali
21. temperatura pH umidit e dalla concentrazione di H S nel la fase gassosa 3 is i ee ae P T En d N x i 1 D a 1 1 1 1 E hi SU L LAT ig Pon Pe og um B 1 i L ct po mmt i Li rs u I TRE LI a uad L LI z m LN n 1 n i W Pr 1 i LI La I i 3 mm i A 4 dl 1 a Lm og LI BE s 1 a oa 1 a M L H L Euer i es LI u T E i g Fra n Lum AX 11 LI et 188 i n E Fir al ht i M Il Li E E s L r DI J p ane ms v m ul m m 3 B n cmm F n TRI a 1 Im L E 7 9 T8 ET F kh URN i T i of Wo n i oe ur ra 1 a o n ES Li lea TT i a a n Nonostante i costi di gestione siano contenuti questo sistema non ancora molto utilizzato in dustrialmente Processi di rimozione della CO In alcuni casi pu essere utile effettuare anche dei trattamenti per la rimozione o riduzione del contenuto di finalizzati ad aumentare il tenore in metano del biogas processi pi utilizzati che devono essere installati solo dopo la rimozione dell H S sono e assorbimento della CO in acqua con successivo strippaggio ed emissione in atmosfera il pi semplice e meno costoso a parte il co
22. 0 VFA g l 0 4 13 18 6 3 14 Tuttavia in m caso le variazioni sono molto pi veloci rispetto agli altri parametri e sensi bili all atto di instaurarsi di condizioni di squilibrio della catena trofica Si veda ad esempio il 123 124 trend registrato in figura 5 1 nella fase di transiente Si passa da una situazione di forte inibi zione dove si registrano valori di oltre 17 g l fino a condizioni stabili dove il valore tipico si aggira intorno a 1 g l Variazione della percentuale di CO e produzione di biogas con le condizioni operative e ne gli stati di transiente Una inibizione del sistema si traduce di fatto in una diminuzione delle rese in termini di gas prodotto o anche di variazione di composizione dello stesso Infatti il maggior contenuto in CO che si evidenzia nelle condizioni di inibizione dovuto allo squilibrio della catena trofica che porta al prevalere della fase fermentativa rispetto alla metanigena Questi parametri so no molto sensibili tanto da subire variazioni importanti anche in poche ore Si veda ad e sempio l andamento riportato in figura 5 2 relativo alla produzione di biogas e quello di fi gura 5 3 relativo alla composizione del biogas ottenuti in un reattore semicontinuo tra una alimentazione e la successiva DEGRADATION COMPOUNDS GROUP A Eas TE E LI x a I md I Yu DEGRADATION hs COMPOUNDS ate rue GROUP D 7H 5
23. 0 30 56 Olanda Amiens 20 35 37 40 18 25 7 5 9 0 153 0 18 0 25 54 Francia Engelskirchen 36 37 40 25 30 8 4 10 0 100 110 022 095 54 Germania Una recente ricerca di Saint Jolly et al 2000 condotta sulle prestazioni dei tre impianti men zionati in tabella 3 13 nell arco degli ultimi tre anni ha permesso di evidenziare come le ca ratteristiche del rifiuto siano il parametro fondamentale per le rese in termini di produzione di biogas E stato infatti evidenziato come durante il periodo estivo il trattamento di rifiuto prove 67 68 niente da sfalcio di parchi giardini e prati ricco in materiale cellulosico determini una notevole diminuzione del contenuto della sostanza volatile nel rifiuto stesso e quindi una diminuzione del biogas prodotto In particolare l aumento della frazione cellulosica nel periodo estivo nel ri fiuto trattato presso l impianto di Tilburg Olanda determina un decremento nella percentuale di sostanza volatile VS nel rifiuto trattato dal 60 al 40 Ci si ripercuote sulla clin Ud cifica di biogas che passa da 120 140 m tonnellata di rifiuto a 60 80 m tonnellata di rifiu to Anche la produttivit specifica in termini di metano decresce passando da 320 a 170 m CH t VS Per contro presso Amiens Francia dove le caratteristiche del rifiuto trattato so no costanti durante tutto l arco dell anno la produttivit specifica in termini di metano co stantemente prossima a 200 m CH t VS Viene inolt
24. 4 5 HRT d 14 6 11 7 9 4 7 8 6 1 OLR kgI VS m d 59 6 9 9 2 10 7 T39 19 9 VFA mg 389 284 589 867 694 2150 La variazione di intervallo termico induce un aumento di circa il 50 del parametro anche se in termini assoluti considerando i valori riscontrati nelle altre condizioni questa variazione ri sulta di piccola entit Tabella 5 11 Valori del contenuto in VFA in condizioni mesofile e termofile Cecchi et al 1991 Mesofilia Termofilia Te 37 4 55 0 VFA mg l 268 389 Gli effetti maggiori si evidenziano passando alla conduzione del processo con substrati pi biodegradabili si noti il valore decisamente elevato caratterizzante la condizione 3 di tabella 5 12 derivante dall adozione di un elevato carico organico e dall utilizzo di una miscela con tenente il 50 di rifiuto mercatale Dai dati presentati si deduce quindi che non esiste un inter vallo di valenza generale per questo parametro che possa valere in tutte le condizioni operati ve applicabili e con tutti i substrati ma ogni condizione sar caratterizzata da un proprio in tervallo tipico Pertanto ancora una volta vale il principio dell importanza maggiore nella conduzione del processo della variazione relativa piuttosto che del valore assoluto Tabella 5 12 Valori del contenuto in VFA ottenuti con diverse miscele di frazione organica da RD e da ri fiuti mercatali Condizione Da rifiuti mercatali 0 15 30 50 100 OLR kgTVS m d 97 7 5 12 1 26 6
25. 55 10 20 Centrifuga 25 35 3 876 Nastro pressa 30 40 F3 LA PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI DI DIGESTIONE ANAEROBICA 107 108 Pressa a E generalmente utilizzata per la disidratazione di fanghi provenienti da processi di digestione a secco Infatti l unica macchina in grado di disidratare un fango derivante dal trattamento di rifiuti urbani con particelle solide aventi dimensioni superiori ai 20 30 mm La vite che gira all interno di un tubo filtro deve produrre uno sforzo importante per vincere la resistenza del tappo idraulico che ritiene la materia in uscita E proprio questa pressione ge nerata sulla materia tra la vite ed il tappo che spinge l acqua attraverso i fori del tubo filtro La robustezza di questi elementi e la loro resistenza all abrasione sono determinanti nella scelta del l apparecchiatura Nonostante le precauzioni per il rivestimento anti abrasione la manutenzione gioca un ruolo molto importante nel funzionamento regolare della pressa Le presse a vite devono essere sempre installate almeno in due esemplari con un fattore di so vradimensionamento almeno del 5055 Il diametro dei fori e la portata richiesta definiscono la lunghezza della zona di pressatura e quin di la potenza richiesta mentre il diametro dei fori e la pressione di servizio definiscono il teno re in materia secca del sugo Centrifuga Questa macchina pi comunemente utilizzata nel trattamento dei fanghi pu essere utilizza
26. 7 evidenzia chiaramente come il trattamento aerobico abbia una potenzia lit complessiva circa 10 volte superiore rispetto ai processi anaerobici 5 52 LOO DO Do armi aco t anno IMEI Meio CAPACITA Al 3 s 33 34 35 SE ST 3E 35 Dl Bl ORGANICO MISTO GRIGIO Figura 3 6 Trattamento del rifiuto differenziato ed indifferenziato De Baere 2000 Occorre per sottolineare che in alcuni Paesi del centro e nord Europa Belgio e Olanda la di gestione anaerobica copra circa il 12 16 del quantitativo totale dei rifiuti trattati per arriva re fino al 25 dell intera potenzialit di trattamento in Svizzera E importante sottolineare da subito come la digestione anaerobica ed il compostaggio non sia no in realt tecnologie in contrapposizione ma anzi perfettamente integrabili secondo un processo di trattamento complessivo che preveda dapprima la degradazione della frazione putrescibile con recupero del biogas e quindi di energia e successivamente la stabilizzazio ne aerobica del materiale residuo al fine di ottenere un prodotto finale adatto all uso agricolo A tale proposito lo schema di figura 3 8 evidenzia la logica del processo complessivo e ripor ta il tipico bilancio di massa sulla base di una capacit di trattamento di 1000 kg g
27. EI xh 5 x Um is go n gute reu if MH uh Ill noi p o e Da 7 mar i a ML L B EFC CER La ANALISI DEGLI ELEMENTI D IMPATTO AMBIENTALE E MISURE COMPENSATIVE no essere pavimentate e drenate e devono possedere idonea pendenza per garantire il deflus so delle acque di lavaggio verso canalette o griglie di raccolta collegate tramite rete dedicata a vasche di stoccaggio La destinazione di ogni tipo di refluo deve essere stabilita in base alle sue specifiche caratteri stiche qualitative alle esigenze del processo ed alla disponibilit in sito o fuor sito di idonei impianti di trattamento In particolare deve essere previsto il riutilizzo dei reflui e delle acque meteoriche di prima pioggia in quelle fasi del processo che non richiedono apporti idrici di elevato livello quali tativo Le acque chiare provenienti dai tetti e convogliate mediante pluviali in una apposita ed indi pendente rete di raccolta non costituiscono uno scarico e pertanto possono essere disperse in poz zi disperdenti opportunamente distribuiti nell area dell impianto Per quanto riguarda le acque meteoriche che insistono sui piazzali e le aree esterne necessa rio prevedere la separazione delle acque di prima e seconda pioggia Le acque meteoriche di prima pioggia che insistono sulle aree asfaltate dell impianto sono po tenzialmente contaminate e pertanto devono essere recapitate ad una vas
28. ISAD SW Barcelona Spain 15 17 June 1999 175 182 Lehne G Muller J and Schwedes J 2000 Mechanical disintegration of sewage sludge Proceedings of the 1 World Water Congress of the IWA July 3 7 2000 Paris France Mata Alvarez J Cecchi F Pavan P Bassetti A 1993 Semi dry thermophilic anaerobic dige stion of fresh and pre composted organic fraction of MSW Digester performance Wat Sci Tech 27 2 87 96 Mata Alvarez J Cecchi F Pavan P 1992 Substrate utilization kinetic models in the semi dry thermophilic anaerobic digestion of municipal solid waste J Environ Sci amp Health A27 7 1967 1986 Mata Alvarez J Cecchi F Pavan P Llabres P 1990 The performances of digesters treating the organic fraction of municipal solid waste differently sorted Biological Wastes 33 3 181 199 Mata Alvarez J Llabr s P Cecchi Pavan P 1992a Anaerobic digestion of Barcelona central food market organic wastes Experimental study Bioresources Technology 39 39 48 Mata Alvarez J Mac S Llabres P 2000 Anaerobic digestion of organic solid wastes An overview of research achievements and perspectives Bioresource Technology 74 3 16 Mata Alvarez J Cecchi F 1989 Joint anaerobic digestion of sewage sludge and sorted or ganic fraction of municipal solid waste to attain the energetic autonomy in wastewater treat ment plants Workshop of the FAO CNRE Biogas Production Techno
29. La tecnologia BTA pu comunque essere applicata anche a processi monofase In generale si ha un pre trattamento di omogeneizzazione e miscelazione in un hydropulper che determina un ef fluente con tenore in solidi del 2 10 che viene inviato ad un pastorizzatore Da qui si ha se parazione del flusso solido che viene inviato al reattore di idrolisi dalla parte liquida che vie ne inviata al digestore anaerobico Kubler e Wild 1992 Anche l effluente liquido uscente dall idrolizzatore viene poi inviato al digestore mesofilo mentre la parte solida viene ricircola ta pi volte nel reattore di idrolisi La parte organica solida residua effluente dai vari reattori vie ne infine inviata a compostaggio processo generalmente accoppiato ai digestori BTA Occorre poi rimarcare che molte altre tecnologie per lo pi operanti nell ambito della dige stione di tipo wet prevedono un hydropulper a tecnologia BTA indipendentemente dal tipo di reattore posto poi a valle La complessit di questo tipo di processo al di l dei problemi di sporcamento del supporto nel reattore metanogenico e della eventuale presenza di plastiche con siste nella necessit di quattro reattori distinti Vandeviviere et al 2001 Dal punto di vista delle rese del processo in generale si osserva che il 55 65 della sostanza volatile trattata vie ne convertita in biogas questo ha un contenuto del 60 65 in metano ed un potere calorifico di 6 6 5 kWh Nm La produzione spec
30. Principali caratteristiche dei processi anaerobici ed aerobici a confronto in Cecchi e Inno centi 2001 Parametro Processo anaerobico Processo aerobico Produzione di Biogas m t 100 200 Solidi residui su base TS 50 60 50 Produzione di compost kg t 2002300 300 400 Produzione di energia kWh t 100 250 70 90 Acque reflue m t 10 2 Aria per fermentazione m t 3600 10000 Aria per stabilizzazione m t 800 1700 800 1700 per tonnellata di materiale trattato si considerato lo stesso consumo per entrambi i processi Visto che a tutt oggi i processi a fase singola applicati in piena scala rappresentano circa il 90 delle esperienze europee De Baere 2000 e le soluzioni a fasi separate trovano ampia appli cazione solo nell ambito della ricerca poich consento di valutare il diverso comportamento della fase idrolitica ed acidogenica da quella metanogenica l illustrazione dei diversi tipi di pro cessi reattori verr principalmente dedicata a soluzioni di processo in unica fase Come anticipato i diversi tipi di processo oggi adottati e presenti sul mercato si differenziano essenzialmente per il tenore di sostanza solida alimentata al reattore e quindi per il tipo di reattore utilizzato Le diverse applicazioni hanno portato alla realizzazione di vari brevetti re lativi alla tecnologia ed al processo adottato diversi processi presenti sul mercato sono di seguito illustrati sia sulla b
31. Rese ottenute con diverse miscele di frazione organica da selezione meccanica e da rifiuti mercatali Pavan et al 2000 Condizione 1 2 3 E Rifiuti mercatali 0 is 30 50 100 OLR kgTVS m d v 7 5 12 1 12 6 6 0 TS alim g kg 252 2 140 3 2022 1839 28 2 GPR m m 3l Sal 5 9 57 4 9 SGP m kgTVS 0 32 0 42 0 49 0 50 0 78 TVS rimossi 76 97 3 42 8 59 3 57 82 2 TCOD rimosso 34 8 44 2 47 4 53 2 79 8 Si noti il ridotto carico organico applicato nella condizione 4 relativa all utilizzo di soli rifiuti mer catali Questa scelta stata indotta dalla necessit di ottenere un processo stabile che nel ca so di substrati ad altissima biodegradabilit come i rifiuti mercatali non pu essere garantita se non utilizzando bassi carichi o processi a fasi separate risultati ottenuti indicano chiaramente l aumento di produzione ottenibile utilizzando substra ti pi puri rispetto alla frazione organica selezionata meccanicamente da 0 32 a 0 78 m kgTVS d In questo caso anche se le condizioni sono condotte a parit di HRT la produzione specilica per m di reattore aumenta comunque a dimostrazione clie le caratteristiche del sub strato hanno un effetto prevalente sulle rese di processo Ragionamenti analoghi muovono le con siderazioni che possono essere fatte riguardo alle percentuali di rimozione Je raggiungono va lori molto elevati nel caso di rifiuto mercatale puro oltre 80 5 1 2 parametri di stabilit del proc
32. ac i m wa E Chiu Y Chang C Lin J and Huang S 1997 Alkaline and ultrasonic pre treatment of sludge before andere digestion Water Science amp Technology 36 11 pp 155 162 CITEC 2000 Le linee guida per la progettazione la realizzazione e la gestione degli impian ti a tecnologia complessa per lo smaltimento dei rifiuti urbani A cura di A Magagni Ed Hy per De Baere L 2000 Anaerobic digestion of solid waste state of the art Wat Sci Tech 41 3 283 290 De Baere L Vestraete W 1984 High rate anaerobic composting with biogas recovery Biocycle 25 30 Delgen s J P Penaud V Torrijos M Moletta R Thermochemical pretreatment of an industrial microbial biomass effect of sodium hydroxide addition on COD solubilization anaerobic bio degradability and generation of soluble inhibitory compounds In Proc 2 Int Symp on A naerobic Digestion on Solid Wastes Volume Barcellona 15 17 giugno 1999 121 128 Dohanyos M Zabranska J and Jenicek P 1997 Enhancement of sludge anaerobic digestion by using of a special thickening centrifuge Water Science amp Technology 36 11 pp 145 153 Eastman J A Ferguson J F 1981 Solubilization of particulate organic carbon during the a cid phase of anaerobic digestion J Water Pollut Control Fed 53 352 366 Engelhart M je ond M Kopp J and Dichtl N 1999 Effects of disintegration on anaero bic degradation of sewage ex
33. ai 3 pollici anche nelle movimen tazioni 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 ri spetto alle tubazioni peril ricircolo dei fanghi possono essere utilizzate anche pompe dilaceratici devono essere previsti sistemi per il disintasamento soprattutto in prossimit di pompe ed or gani 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 dige store deve essere dotato di un sistema di protezione alla pressione ed al vuoto 4 4 3 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 pellicole superficiali Nella tabella 4 6 sono riportati i sistemi di agitazione pi utilizzati nei digestori anaerobici con i relativi vantaggi e svantaggi Nel caso dei processi a secco esistono in commercio diversi brevetti basati su vari principi di fun zionamento iniezione di biogas in pressione ricircolo esterno del dig
34. apparecchiature e nonavvicinarsi a macchine attrezzature e organi in movimento con sciarpe cravatte ed a biti svolazzanti e non utilizzare macchinari per i quali non si stati addestrati 135 136 non eseguire interventi di riparazione o manutenzione che esulino dalle proprie compe tenze e astenersi dall effettuare cernite o recuperi di materiali dai rifiuti Inoltre devono essere utilizzate specifiche accortezze nell utilizzo delle varie apparecchiature pre senti in un impianto di trattamento rifiuti Di seguito ne vengono brevemente richiamate alcune a titolo puramente esemplificativo Carroponte gru a polipo Nel caso di utilizzo di tale apparecchiatura il manovratore deve osservare precise regole quali evitare di far oscillare il carico durante la traslazione non effettuare movimenti bruschi del carico evitare di utilizzare il polipo a valve chiuse per urtare spostare lateralmente o pressare il materiale inoltre deve interrompere l uso della macchina a di presenza di persone o mezzi nel raggio d azione della stessa Mulini trituratori cippatori Durante le lavorazioni con macchine adibite alla triturazione dei materiali l accesso all area deve essere strettamente riservato agli addetti ai lavori Essi devono restare nella propria po stazione di lavoro rispettando in particolare le misure atte a ridurre i rischi da rumore e one rosit quali verificare l efficienza della cabina di manovra mantenere chiu
35. arte ingegneria di processo Ed FrancoAngeli Bhattacharya S Madura R Walling D Farrell J 1996 Volatile solids reduction in two phase and conventional anaerobic sludge digestion Wat Res 30 5 1041 1048 Bolzonella D Innocenti L Cecchi F 2001 BNR wastewater treatments and sewage sludge anaerobic mesophilic digestion performances In Proc Specialised Conference on Sludge Management regulation treatment utilisation and disposal Acapulco Mexico 25 27 ottobre 2001 Boone D R Xun L 1987 Effects of pH temperature and nutrients on propinate degraation by a methanogenic enrichment culture Applied and Environmental Microbiology July 1987 1589 1592 Bozano Gandolfi e Wiljan 1999 Twelve years of experiences with anaerobic digestion of M SW using BTA technology In Proc of Sardinia 99 Seventh International Landfill Symposium Brunetti A Lore F Lotito V 1988 Methanogenic potential of substrate in anaerobic dige stion of sewage sludge Env Tech Letters 9 753 762 Cecchi F e Innocenti L 2001 The role of anaerobic digestion for the production of energy and soil improvers In Conference Soil amp Biowaste in Southern Europe Rome 18 19 January 2001 Cecchi F Battistoni P Pavan P Fava G Mata Alvarez J 1994 Anaerobic digestion of OFMSW and BNR processes a possible integration Wat Sci Tech 30 8 65 71 Cecchi F Bolzonella D Innocenti L Pavan P Battistoni P
36. assorbimento endocellulare ed il successivo utilizzo metaboli co da parte dei microrganismi Il riscaldamento del biofiltro dovuto al prodotto dell attivit microbica legata alla degradazio ne dei composti odoriferi provoca una evaporazione dell acqua determinando la necessit di rifornirla in base al bilancio termico del biofiltro tramite spruzzatori disposti sopra o dentro il mezzo filtrante oppure umidificando l aria influente Nutrienti il mezzo filtrante contiene generalmente tutti i micronutrienti necessari alla crescita microbica mentre le fonti di energia di carbonio e di azoto devono provenire dall aria tratta ta Per carichi odoriferi bassi e discontinui deve essere previsto un apporto suppletivo di tali sostanze Per quanto riguarda i parametri progettuali si deve premettere che il carico applicabile ad un biofiltro dipende dal tipo di mezzo filtrante e dal composto odoroso da rimuovere dalla cor rente gassosa In presenza di correnti gassose complesse il dimensionamento dei biofiltri si ba sa su relazioni empiriche che devono assicurare tempi di ritenzione sufficienti a permettere sia l assorbimento dei composti odoriferi nel mezzo filtrante che la loro degradazione In generale il dimensionamento dei biofiltri prevede e carichi superficiali compresi tra i 50 e i 200 m h m e tempi di residenza compresi nell intervallo 30 60 s e altezze del mezzo filtrante maggiori di un metro La definizione e l ottimizzazione d
37. basi coniugate quali gli acidi grassi volatili ed altri anioni ostati solfuri silicati La differenza tra le alcalinit determinate a pH 6 e a pH 4 fornisce quindi in prima approssi mazione la concentrazione di acidi grassi volatili presenti nel mezzo IRSA CNR 1985 Figura 1 6 Andamento del pH e della concentrazione del bicarbonato in funzione dell acidit del mezzo IRSA CNR 1985 Questo parametro di fondamentale importanza nei processi anaerobici Tenendo infatti pre sente che i tassi di crescita della biomassa metanigena sono estremamente ridotti pu capitare che in occasione di un incremento del carico organico le aumentate capacit idrolitiche ed a cidificanti del sistema determinino uno sbilanciamento della popolazione batterica a favore della componente acidogenica e quindi a sfavore della componente metanigena Si avr pertanto una fase transitoria in cui si osserver un incremento di concentrazione degli acidi grassi volatili In questi casi risulta fondamentale la capacit tamponante del sistema deve essere in grado di neutralizzare l abbassamento di pH determinato dall accumulo degli acidi or ganici l alcalinit di un digestore anaerobico determinata essenzialmente dalla presenza di un sistema tampone dovuto alla coesistenza di ammoniaca originata dalla degradazione di pro teine e di bicarbonato derivante dalla dissoluzione del biossido di carbonio nel mez
38. crescita cellulare pari alla quantit estratta dal reattore la concentrazione di biomassa attiva all interno rimane costante nel tempo e si parler di condi zioni di stato stazionario Anche in questo caso valgono le considerazioni riportate per l HRT in relazione al reattore ideale o reale Si avr quindi FIX SRT HE dove SRT tempo medio di residenza dei fanghi giorni V volume del reattore m X concentrazione dei solidi volatili all interno del reattore kgI VS m W portata di sostanza volatile estratta dal reattore kg VS giorno 19 20 c Carico organico volumetrico OLR Il carico organico volumetrico di substrato applicato al reattore definito come la quantit di sub strato entrante nel reattore riferita all unit di volume del reattore stesso ed al tempo Analiticamente OLR dove OLR fattore di carico organico volumetrico in termini di substrato riferito al volume del reattore kgsubstrato m satore giorno Q portata influente m giorno concentrazione di substrato nella portata influente V volume del reattore m Questo parametro viene di norma calcolato sulla base del volume utile del reattore e pu esse re riferito a diverse unit di misura utilizzate per esprimere la concentrazione di biomassa TS TVS COD BOD d Carico organico riferito alla biomassa o ai solidi volatili nel reattore CF Questo viene definito come la qua
39. da smaltire e al maggior personale necessario per la gestione degli impianti ricavi derivanti dal recupero energetico determinato dalla combustione del biogas prodotto in ternamente al processo dipendono ovviamente dal prezzo di vendita dell energia prodotta che pu variare da 50 a 150 Euro MWh Ne consegue che i ricavi possono variare ds un minimo di 300 000 Euro anno fino a 2 6 milioni di Euro anno al crescere della potenzialit dell im pianto considerato e del prezzo dell energia Sulla base dei costi e ricavi appena indicati si determina che il costo specifico per tonnellata di rifiuto trattato varia nell intervallo 30 65 Euro t di RU dove i costi specifici maggiori sono relativi ad impianti di taglia minore La figura 5 8 evidenzia l andamento dell intervallo dei costi specifici al variare della taglia dell impianto Questi costi possono in alcuni casi rag giungere valori anche maggiori fino ad 80 Euro t in dipendenza della complessit dell im piantistica adottata Rifiuto da raccolta differenziata Nel caso di trattamento di rifiuti da raccolta differenziata i costi di investimento diminuiscono cosi come quelli di smaltimento delle frazioni inerti che sono ovviamente minori rispetto ai quantitativi riscontrabili in un rifiuto non selezionato In generale il costo di investimento varia nell intervallo 10 14 milioni di Euro passando da impianti con potenzialit da 30 000 a 70 000 t anno di rifiuto organico proven
40. del substrato Gli intervalli tipici di questi parametri nei vari processi sono riportati nei capitoli 3 e 4 rispetti vamente come dati di esperienze industriali e linee guida per la progettazione Ci che risulta di primario interesse per la conoscenza del processo applicato alla tuono organica selezio nata il legame tra i parametri di esercizio e le rese di processo in particolare la produzione di biogas Le rese di conversione riportate in letteratura risultano infatti disperse in un interval lo relativamente ampio Nei punti seguenti verranno prese in esame le variazioni delle rese del processo al variare dei sini parametri operativi considerando i dati ottenuti relativamente al processo semi dry in diverse condizioni di esercizio e diversi substrati Variazione delle rese di processo con OLR ed HRT dati riguardanti questo punto sono stati ricavati da una ricerca condotta utilizzando frazione organica da selezione meccanica in regime termofilo con processo semi dry Cecchi et al 1991 1993 Sono state indagate sei condizioni di esercizio caratterizzate da diverse coppie di valori di HRT ed OLR allo scopo di evidenziare le differenze riscontrabili in termini di rese di produzione di gas e rimozione di substrato Il tenore in secco dell alimentazione stato fatto va Tabella 5 1 Rese ottenute al variare di HRT ed OLR con processo semi dry termofilo Cecchi et al 1991 1993 Condizione 1 2 4 HRT d 14 6 11 7
41. di sidratazione dal quale attraverso una serie di operazioni di pressatura e di filtrazione si ottiene una corrente di fanghi a basso contenuto di umidit ed una corrente di reflui di processo Que sti ultimi possono essere in parte ricircolati al reparto di preparazione del substrato e per la re stante parte avviati all impianto di depurazione Il fango digerito e disidratato viene invece av viato alla sezione di stabilizzazione aerobica che si compone di una prima fase di biossidazione accelerata e di una successiva post maturazione prodotto ottenuto viene avviato al reparto di raffinazione per l eliminazione di quelle impurezze che potrebbero comprometterne il successivo utilizzo Nell impianto presente normalmente un reparto per lo stoccaggio sia dei prodotti commer n i L j me mom cializzabili che degli scarti da inviare allo smaltimento finale Nei punti successivi verranno descritti con maggior dettaglio i vari reparti dell impianto 4 3 1 Ricezione dei rifiuti Nel reparto di ricezione di un impianto di digestione anaerobica possono essere conferiti diversi tipi di rifiuti e rifiuti indifferenziati e o residuali frazione organica selezionata da RU fanghi da depurazione civile rifiuti agro industriali rifiuti zootecnici reparto di ricezione viene generalmente dimensionato in modo da accogliere un volume di ri fiuti corrispondente ad una produzione di 2 3 giorni del bacino d utenza servit
42. gli interventi di manutenzione programmata che richiedono un numero di ore di fermo impianto superiori a quanto possibile nell ambito dell operativit impiantistica conveniente concentrarli nel periodo estivo durante il quale si presume che il quantitativo di ri fiuti conferito all impianto sia inferiore rispetto agli altri mesi dell anno a meno di particolari ca ratteristiche del bacino d utenza servito Manutenzione di emergenza Tale manutenzione quella che si rende necessaria qualora nonostante gli altri livelli di ma nutenzione siano stati effettuati correttamente si verifichi un incidente non prevedibile A tale scopo devono essere previsti nell arco dell anno alcuni giorni di fermo tecnico per le o perazioni necessarie per la riparazione degli eventuali guasti accidentali 5 6 MANUALE OPERATIVO DELL IMPIANTO Il manuale operativo un documento che deve essere predisposto allo scopo di fornire agli operatori tutte le informazioni utili per una completa conoscenza dell impianto e le istruzioni necessarie per una sua corretta e sicura gestione Infatti in esso sono illustrate e descritte detta gliatamente le procedure operative che devono essere seguite dal personale addetto alla con duzione delle varie fasi del processo sia per l esercizio di regime che di transitoriet Di seguito sono riassunte brevemente le principali informazioni che devono essere riportate nel manuale operativo e gli estremi degli atti ufficiali relati
43. il trattamento dry non so no del tipo completamente miscelato CSTR ma con flusso parzialmente o totalmente a piste plug flow ci rende i reattori pi semplici dal punto di vista meccanico ma comporta proble mi di miscelazione tra il rifiuto organico fresco e la biomassa fermentante La risoluzione di questo problema fondamentale per evitare fenomeni localizzati di sovraccarico organico ed eventuale acidificazione che porterebbe ad inibizione del processo metanigeno Il fatto di operare con flussi molto densi porta inoltre al superamento del problema della suddi visione di tre fasi distinte all interno del reattore come poteva invece avvenire nei processi wet e semi dry Le principali tecnologie presenti sul mercato ed i processi adottati per questo tipo di rifiuti si essenzialmente per la fluidodinamica del reattore utilizzato La figura 3 10 riporta alcune possibili soluzioni impiantistiche Vandevivere et al 2001 H si vr i s F OO T E Ik I 1 DA Tate i A Taia th FUROR ELE E ME PR one _ Hi eel SP APPLICAZIONE INDUSTRIALE DELLA DIGESTIONE ANAEROBIC DEI RIFIUTI URBANI 6l 62 Rimo imule Rituali dd biogas cv zaka Bilimi smli Figura 3 10 Differenti tipologie di reattore nei sistemi dry proc
44. impianto Quest ultimo aspetto riveste un importanza particolare in quanto il destino dei materiali prodotti dall impianto influenza direttamente le scelte di processo ovvero il grado di raffinazione ri chiesto Ci vale in particolar modo per la frazione secca che pu essere termovalorizzata in impian ti dedicati di trattamento rifiuti in alternativa trasformata in un combustibile ad elevato gra do di purezza avente requisiti tali da poter essere utilizzato in impianti industriali Nel reparto di pretrattamento vengono di norma eseguite le seguenti operazioni Dilacerazione Lo scopo della dilacerazione quello di aprire i contenitori di raccolta nei quali vengono con feriti i rifiuti e di ridurre la pezzatura del materiale pi voluminoso per permettere una selezio ne corretta Tale operazione viene effettuata attraverso na a aprisacchi le quali consentono di raggiungere l obiettivo fissato senza provocare una frantumazione spinta del ri fiuto che potrebbe compromettere i successivi trattamenti per la commistione di materiali fini i nerti triturati alla rimanente parte del rifiuto Questa operazione viene di norma eseguita con mulini ad alberi lenti a dischi o a coltelli op pure con mulini a coclee o con cilindri rompisacchi Separazione metalli Tale operazione viene condotta con il duplice obiettivo di recuperare materie prime e di pro teggere da abrasione ed eccessiva usura le apparecchiature successivamente
45. in modo da separarlo dal biogas Un altra opzione prevede l utilizzo del carbone attivo Il volume della massa desolforante dipende dai seguenti parametri e concentrazione dell H S nei gas da trattare e pressione e temperatura normalmente condizioni ambiente e velocit di attraversamento del gas nella massa adsorbente e tempo di contatto massa gas e ciclo di sostituzione dell adsorbente due sistemi si differenziano in quanto la rigenerazione dell ossido di ferro pi facile rispetto a quella del carbone attivo Infatti l ossido di ferro si riforma dalla reazione con l aria e con l ac qua in cui si libera lo zolfo solido che viene trascinato via Una semplice filtrazione permette la sua eliminazione La sostituzione della massa di ossido di ferro si deve effettuare solo dopo molti cicli di rigenerazione Nel caso del carbone attivo invece la rigenerazione richiede l utilizzo di solventi e anche se viene condotta a regola d arte il carbone rigenerato perde parte della sua efficacia rispetto a quello di partenza pertanto il costo della rigenerazione e la sostituzione frequente del carbo ne attivo rendono questa soluzione pih solo nei casi in cui si ha una concentrazione molto ridotta in H3S Un terzo sistema consiste nell utilizzo di un biofiltro nel quale risiedono numerose specie di mi crorganismi in grado di degradare i composti solforati in questo caso la depurazione del gas dipende principalmente da porosit
46. kgsubstratosiimentato portata di biogas prodotto m giorno Q portata influente m giorno concentrazione di substrato nella portata influente kg substrato m f Velocit di produzione del biogas GPR E definita come la portata di biogas prodotto rispetto al volume del reattore ed al tempo 2 is dove GPR velocit di produzione del biogas m biogas giorno portata di biogas prodotto m giorno V volume del reattore m g Efficienza di rimozione del substrato Esistono diversi modi di esprimere l efficienza di rimozione del substrato nel corso del proces so di digestione anaerobica non solo legati ai diversi parametri utilizzati per esprimere la sua concentrazione sostanza solida totale sostanza solida volatile COD o differenti me todi di valutazione adottati da ricercatori ed operatori del settore sono essenzialmente imputa bili alla difficolt di chiudere i bilanci di massa In generale la pi semplice relazione per la conversione del substrato in biogas viene espres sa in termini percentuali tramite la o S Qe 045 dove n percentuale di TVS rimossi Q portata influente ed effluente m giorno S concentrazione di TVS nella portata influente kg m Se concentrazione di TVS nella portata effluente calcolata come differenza tra la massa entrante ed il biogas prodotto flussi di pi facile quantificazione kg m Si d
47. l esecuzione delle operazioni di manutenzione deve essere evitato ogni contatto o connessione tra le tubazioni dell acqua potabile e quelle dell acqua industria le al fine di evitare ogni rischio di contaminazione Nelle zone in cui viene prodotto ed erogato gas combustibile si devono installare impianti for niti di idonee pirlo di sicurezza quali valvole di sicurezza dispositivi per l arresto di fiamma valvole per la chiusura automatica dell erogazione bruciatori delle caldaie ed i motori a gas devono essere alloggiati in locali ben ventilati Tutti gli impianti e le apparecchiature elettriche devono essere costruite ed installate in confor mit con le norme vigenti Quelle situate in ambienti chiusi in cui si potrebbe avere accumulo di gas devono essere provviste di strutture antideflagranti Nelle zone in cui la presenza di elettri cit statica potrebbe essere una sorgente di innesco per miscele esplosive devono essere prese ulteriori precauzioni l uso e la manutenzione di apparecchiature elettriche devono essere affidati solo a personale qua lificato ed autorizzato Tutte le apparecchiature elettriche e tutti i conduttori devono essere sem pre considerati sotto tensione fino a che non sia stato appurato che siano stati staccati dalla re te e che i fusibili siano stati rimossi Il personale addetto ai lavori sulle apparecchiature in ten sione non deve mai lavorare solo ma almeno in coppia E opportuno lavorare con guanti di gom ma is
48. la miscelazione avviene grazie all iniezione di biogas dal fondo del reattore attraverso u na serie di iniettori ogni 15 minuti circa Fruteu de Laclos et al 1997 La miscelazione sembra avvenire con notevole efficacia dal momento che il ricircolo di parte dell effluente si dimo strato non necessario D altra parte gli iniettori di biogas a causa della loro posizione posso no essere soggetti a problemi di intasamento Come nel caso del processo Kompogas c la necessit di ricircolare l acqua di processo al fine di raggiungere una concentrazione di so stanza solida del 30 nel rifiuto da trattare Per contro concentrazioni pi basse fino al 20 TS determinerebbero seri problemi di accumulo di materiale inerte sul fondo del reattore Fru teu de Laclos et al 1997 Dal punto di vista economico si evidenzia come nel caso dei processi di tipo dry gli elevati co sti di investimento iniziale sono dovuti alla necessit di dotarsi di sistemi di trasporto e pom paggio del rifiuto organico da trattare che siano particolarmente resistenti e tecnologicamente avanzati Per contro operando con rifiuti ad elevata concentrazione di sostanza solida non sono necessari pre trattamenti particolarmente raffinati ed i volumi dei reattori necessari sono n Culle T TEES o 4 ua E i b 7 bas ly oe ee P L NM Li T ay j n P PLE a y M 5 Fim 1 b E wd i Fi i ceri n Kr ah AT
49. la produzione specifica di biogas B ottenuta in funzione dell HRT imposto al sistema noti By e Nonostante questo non sia un modello particolarmente raffinato comun que molto utile e permette di definire un valore di K utilizzabile anche per substrati complessi co me nel caso della frazione organica di rifiuti urbani o altri rifiuti organici Modello di Monod Un altro tipo di modello sviluppato inizialmente per la digestione anaerobica di fanghi di su pero negli impianti di depurazione considera la crescita batterica su di un substrato S in con dizioni limitanti la variazione netta di concentrazione dei microrganismi X determinata sulla base dell equazione dove K rappresenta la velocit specifica di utilizzo del substrato S kg substrato kg biomassa tempo Se si imposta il bilancio di massa per i microrganismi e si assume X 0 substrato sterile il va lore di concentrazione di substrato S dato dalla relazione Al solito considerando Chen e Hashimoto 1978 si potr quindi esprimere la produzione specifica di biogas come una funzione dell HRT MET A 5 y E s LES 1 Le Lar E t E h r ae all Im I E TEL E i at Fr FEINER e QE M o 5 m gor ATT ve nati ee sia em 7 roi FS uc je LA PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI DI DIGESTIONE ANAEROBICA DEI RIFIUTI Considerando k
50. letteratura reperibile un ampia massa di dati ed attendibili intervalli di valori dei coefficienti cinetici per un processo di digestione anaerobica Di seguito vengono riportati i modelli cinetici e gli intervalli dei valori dei coefficienti cinetici che descrivono i processi di di gestione mesofila 35 C cio i pi ampiamente diffusi a livello industriale Idrolisi processo di idrolisi considerato dalla maggior parte degli autori come il processo limitante l intero processo di digestione anaerobica ed pertanto da considerare come la chiave di vol ta nel dimensionamento dei processi di degradazione di substrati particolati In accordo con Ea stman e Ferguson 1981 il processo di idrolisi tipicamente descritto da una cinetica di primo ordine indipendente dalla concentrazione di batteri idrolizzanti secondo la relazione generale 13 Rys i KS Dove Rx velocit specifica di idrolisi massa volume tempo la massima velocit specifica di idrolisi tempo S concentrazione di substrato massa volume Alcuni valori della massima velocit di idrolisi in relazione al tipo di substrato considerato so no di seguito riportati Eastman e Ferguson 1981 Gujer e Zender 1983 Pavlostatis e Giral do 1991 Angelidaki et al 1998 Carboidrati K 0 5 2 d Lipidi K 0 1 0 7 d Proteine K 0 25 0 8 d Nel caso di matrici complesse occorre inoltre considerare non solo la composizione chimica ma anche
51. livelli progressivi di definizione del progetto di un impianto e preliminare e definitivo esecutivo In merito ai requisiti minimali dei tre livelli di progettazione si rimanda al D P R 554 99 e suc cessive modificazioni mentre di seguito vengono fornite alcune indicazioni pi specifiche ri guardo al tema in oggetto Progetto preliminare progetto preliminare di un impianto di trattamento rifiuti deve individuare i dati Mq sui rifiuti prodotti nel bacino d interesse il processo di trattamento smaltimento dei rifiuti in ingresso all impianto e degli eventuali sottoprodotti e un area le cui caratteristiche siano tali da soddisfare le necessit dell opera dal punto di vi sta localizzativo e funzionale e i servizi generali e le valutazioni economiche ed ambientali dell intervento La raccolta dei dati viene effettuata attraverso l analisi del catasto dei rifiuti dei piani regiona li e provinciali e di indagini statistiche svolte a livello d ambito indirizzate ad ud e caratteristiche quali quantitative dei rifiuti prodotti corredate da previsione a medio e lun go termine e attuali destinazioni dei rifiuti prodotti e presenza di impianti e o discariche e loro caratteristiche e possibilit di inserimento nel sistema produttivo dei materiali o dell energia recuperata La scelta del processo deve essere effettuata sulla base delle caratteristiche dei rifiuti prodotti e sul possibile destino dei prodotti finali d
52. m d GPR Velocit di produzione di gas GPR OLR m m cd SGP Produzione specifica di gas GPR SOLR m kgTVS SGP Produzione specifica di biogas rispetto alla biomassa GP x CH m kgTVS TVS MP Produzione di metano GP x CH m CH d MPR Velocit di produzione di metano GPR x m mM d SMP Produzione specifica di metano SGP x CH m CH kgTVS SMP Produzione specifica di metano rispetto alla biomassa SGP x CH CH kgTVS TVS Alimentazione e reattore TVS TS 76 SIS SVS 76 SCOD TCOD 76 TCOD TVS TA A TA 6 gCaCO HRT Tempo di ritenzione idraulico Vr Gf D OLR Carico organico Q TVSf Vr kgT VS m d SOLR Carico organico specifico Q x TVSf Vr x TVSr kgTVS kgTVS d RR Rapporto di ricircolo Tabella 5 17 Fasi e durata della messa a regime del processo Fase Durata Verifiche idrauliche ed elettromeccaniche start up del di gestore 6 mesi Verifica dello stato stazionario 3 mesi Gestione controllata con supervisione 6 mesi They esaere ci ie bans minis ti 10 anni Figura 5 7 Note relative al personale ed alla manutenzione dell impianto 129 130 5 3 COSTI DI INVESTIMENTO E GESTIONE La valutazione dei costi associati ad un impianto di trattamento dei rifiuti riveste un ruolo rile vante ai fini della remunerazione o almeno della ricostituzione del capitale investito della so stenibilit ed economicit della gestione e della definizione della tariffa di
53. n uuu Figura 5 2 Andamento della produzione di biogas tra una operazione di alimentazione e la successiva Pavan 1989 monitoraggio continuo quindi raccomandato sia per la quantit di biogas che per com osizione Mentre per i valori assoluti della produzione di biogas valgono le considerazioni fatte in precedenza per l intervallo relativo alle percentuale di CO possibile dare dei valori che coprono un ampia gamma di condizioni operative e substrati Valori compresi tra il 25 e 45 possono essere considerati indice di un processo stabile indipendentemente dalle condizio ni in cui si opera Ad esempio si osservino i valori riportati in tabella 5 13 per diverse condi zioni di esercizio si noti come le condizioni a carico pi basso 1 e 2 siano caratterizzate da valori inferiori al 40 mentre l aumentare del carico condizioni 5 e 6 fa tendere il valore al 50 indicando una condizione di stress del sistema pw P ato Lal LA GESTIONE DEGLI IMPIANTI DI DIGESTIONE ANAEROBICA B0 120 180 240 360 420 480 540 600 Mimuli Figura 5 3 Andamento della CO tra una operazione di alimentazione e la successiva Pavan 1989 Tabella 5 13 Composizione del gas al variare delle condizioni operative Cecchi et al 1991 1993 Condizione L 5 6 HRT d 14 6 11 7 11 3 9 4 7 8 6 1 OLR kgI VS m d 5 9 6 9 9 2 10 7 13 5 19 9 CO 39 38 43 46 47 47 Valori tendenti al 50 sono stati osse
54. nella produzione di rifiuti in relazio ne al tipo di vita e di attivit svolte nel territorio Anche le caratteristiche qualitative risultano e pa non solo nei diversi ambiti territoriali ma anche nelle differenti zone di uno stesso am Ito principali fattori rappresentativi del territorio che devono essere considerati sono tipologia del territorio fattori climatici densit abitativa tipologie abitative prevalenti abitazioni unifamiliari condomini insediamenti rurali ecc attivit prevalenti viabilit vincoli artistici Situazione demografica Devono essere acquisite tutte le informazioni relative a e popolazione residente e popolazione fluttuante E opportuno che i dati relativi alle caratteristiche demografiche del bacino nel periodo di os servazione siano integrati con stime e proiezioni future in modo da avere un quadro del trend evolutivo almeno nel medio periodo 79 80 Caratteristiche dei rifiuti La caratterizzazione dei rifiuti prodotti in un bacino il punto di partenza fondamentale per la pianificazione dell intero sistema organizzativo dei servizi di gestione dei rifiuti in quanto in fluisce in maniera determinante su tutte le scelte operative ed impiantistiche Pertanto necessario acquisire con estremo dettaglio tutti i dati relativi a e quantit e qualit dei rifiuti prodotti nel bacino La produzione di rifiuti urbani strettamente legata a macro fattori di
55. osservati in diverse condizioni stazionarie ottenute con miscele di frazione organica da selezione meccanica contenenti diverse percentuali di rifiuto mercatale Anche in questo caso gli effetti sul valore del pH derivanti dal passaggio da un substrato da selezione meccanica ad un rifiuto mercatale quindi molto pi biodegradabile sono relativamente contenuti 0 3 unit Tabella 5 6 Valori di pH ottenuti con diverse miscele frazione organica da selezione meccanica e da ri fiuti mercatali Pavan et al 2000 Condizione Da rifiuti mercatali 0 IIS 30 50 100 OLR kgTVS m d 97 2 5 12 1 12 6 6 0 pH 7 6 7 6 7 8 7 8 759 LA GESTIONE DEGLI IMPIANTI DI DIGESTIONE ANAEROBICA Per quanto riguarda il comportamento in condizioni non stazionarie o di transiente la figura 5 1 mostra l andamento del pH dei VFA e dell alcalinit di un per il trattamento del i la frazione organica da raccolta differenziata operante in termofilia durante una fase di tran siente da un precedente stato di forte inibizione ad una successiva fase di condizioni staziona rie Si noti che l aumento di pH tra una condizione e l altra di quasi una unit raggiungendo valori anche superiori ad 8 in condizioni stazionarie Valori inferiori si riscontrano nel proces so mesofilo e comunque con frazione organica selezionata meccanicamente dove l intervallo utile rimane entro 7 1 e 7 5 D m SR uam
56. parte superiore cilindrica ed una in feriore tronco conica le cui dimensioni dipendono dalla dimensione di taglio desiderata e dal la portata di gas da trattare Il flusso d aria immesso tangenzialmente all interno dell appa recchiatura nella porzione superiore in modo da ottenere un moto a spirale all interno del l apparecchiatura stessa Le particelle solide di dimensioni superiori a quella di taglio vengono raccolte da una tramoggia posta nella parte inferiore del dicens mentre il flusso gassoso vie ne raccolto superiormente tramite un condotto centrale In genere i loni vengono utilizzati per la separazione di particelle solide relativamente gros solane mentre ove siano richieste separazioni pi spinte o efficienze superiori sono da prefe rirsi altri sistemi quali i filtri a maniche Il loro campo di applicazione da considerarsi con perdita di carico indicativamente attorno ai 100 mmH O comunque sempre inferiore ai 150 mmH O i ie m co Jic n d La T 1 o zs s lella 1 da rm un E aoe JE ns 5 he uL pm 17 BAN n hon ert n TET gite reu if MH uh Ill noi p o e Da 7 M Routes MAL Te L B CEU Lo CH ANALISI DEGLI ELEMENTI D IMPATTO AMBIENTALE E MISURE COMPENSATIVE ll dimensionamento del ciclone viene effettuato utilizzando tabelle dei fornitori che consentono d
57. possibili dal momento che come detto lo spurgo pu avvenire dal flusso di ricircolo yx Wo Gy TA r C75 ART 29 30 o direttamente dal reattore Pe X Pay IF Ch FA Q 5 dove SRT tempo medio di residenza dei fanghi giorni V volume del reattore m X concentrazione dei solidi volatili all interno del reattore kgI VS W portata di sostanza volatile estratta dal reattore kgTVS giorno Qw portata di spurgo m giorno Xr concentrazione della biomassa nel ricircolo kgTVS m7 Qw portata di spurgo dal reattore m giorno Q portata al reattore m giorno Xe concentrazione di biomassa nell effluente kgTVS La concentrazione di microrganismi X nel reattore data dalla seguente equazione E F X 4 HRT 1 K SRT dove Y coefficiente di crescita massima MGpiomassaformata MY ssbarcroconsumoto T So concentrazione del substrato nell in luente mg S concentrazione del substrato nell effluente mg ky coefficiente di decadimento endogeno tempo 1 Stilando il bilancio di massa la concentrazione di substrato nell effluente risulta uguale 14 SRI SRT Yk k 1 dove k velocit massima di utilizzo del substrato per unit di biomassa E da notare che quest ultima equazione risulta uguale a quella ottenuta per un CSTR senza ri circolo 1 5 2 3 Processo continvo in reattore con flusso a pistone In
58. presenza relativa della CO cresca nel tempo valori superiori ai 2 3 del biogas prodotto indicano che le popolazioni acidificanti stanno prendendo il sopravvento sui batteri meta nigeni e si ha quindi un progressivo accumulo di VFA nel mezzo di reazione J concentrazioni crescenti di VFA unite a produzioni di biogas progressivamente decrescen ti possono indicare problemi di inibizione o tossicit Contenuto di idrogeno nel biogas Alcuni autori suggeriscono il monitoraggio dell idrogeno nel gas ma data la sua bassa con centrazione una procedura poco utilizzata a livello industriale mentre maggiormente diffusa nell ambito della ricerca scientifica Temperatura Dato che i processi di degradazione anaerobica sono determinati dall attivit di popolazioni mi crobiche eterogenee l effetto delle variazioni di temperatura particolarmente importante Ci imputabile al fatto che al variare della temperatura non si avr un semplice rallentamento accelerazione dei processi metabolici ma la vera e propria sostituzione di popolazioni batteri che che risultano presenti solo in alcuni ristretti intervalli di temperatura vedi figura 1 5 Va riazioni di soli 2 3 C possono influire sulle prestazioni generali del processo specialmente in rossimit dei limiti dell intervallo operativo Ne deriva la necessit di controllare con partico br accuratezza i sistemi di controllo per il funzionamento dei dispositivi di riscaldamento E sta
59. problema pu essere dovuto all acqua eventual mente necessaria per diluire rifiuti organici con concentrazioni di sostanza secca superiore al 20 25 TS La necessit di aumentare i volumi trattati con acqua determina maggiori spese per il riscaldamento del flusso entrante e per il mantenimento del reattore alla temperatura de siderata l energia ed il calore prodotti dalla combustione del biogas sono comunque pi che sufficienti all autosostentamento energetico del reattore 3 2 2 1 Prestazioni del processo semi dry Sperimentazioni in scala pilota condotte con frazione organica selezionata meccanicamente ed opportunamente diluita hanno dimostrato la possibilit di operare ad OLR fino a 18 kgVS m d in regime termofilo 55 C con tempi di ritenzione idraulica di soli 6 giorni In que ste condizioni il reattore pilota presentava produzioni specifiche di biogas pari a 0 36 m kgVS una velocit di produzione del biogas di 6 3 m m d con una percentuale di meta no del 55 Le rimozioni della sostanza volatile erano nell intervallo 40 48 Cozzolino etal 1992 Operando con frazione organica da raccolta differenziata o residui mercatali caratte rizzati da un elevato contenuto di sostanza volatile i carichi applicabili erano minori tipicamente nell intervallo 6 0 12 6 kgVS m d In questo caso la produzione specifica di biogas cresceva fino a 0 5 m kgVS mentre la velocit di produzione del biogas era sempre di 6 La percentuale di
60. processo oggi brevettate Questi processi cos come presenti sul mercato vengono distinti in base al tenore di solidi che caratterizza il rifiuto trattato 3 2 1 Digestione wet Questo processo stato il primo ad essere utilizzato nel trattamento della frazione organica dei rifiuti urbani dal momento che sfruttava le conoscenze acquisite in decenni di attivit del processo di digestione anaerobica dei fanghi di supero negli impianti di trattamento acque re flue Nei processi di tipo wet il rifiuto di partenza viene opportunamente trattato e diluito al fi ne di raggiungere un tenore in solidi totali inferiore al 10 attraverso il ricorso a diluizione con acqua cos da poter poi utilizzare un classico reattore completamente miscelato del tipo applicato alla stabilizzazione dei fanghi biologici negli impianti di depurazione In generale il processo prevede dopo la fase di pre trattamento del rifiuto finalizzata alla rimozione di pla stiche ed inerti e di corpi grossolani che potrebbero danneggiare gli organi meccanici del reattore uno stadio di miscelazione in cui si ottiene una miscela con caratteristiche omogenee e l opportuno contenuto in solidi La diluizione pu avvenire tramite aggiunta di acqua di rete o dal parziale ricircolo dell effluente del reattore La figura 3 9 riporta un tipico schema di processo ad umido A causa delle caratteristiche fisiche dei rifiuti trattati non solitamente possibile ottenere una miscela omogenea e
61. pu essere rappresentato dal ri schio di squilibrare il processo verso la fase acidogenica a causa degli elevati carichi organi ci applicati ai reattori quando la frazione organica caratterizzata da un elevato grado di biodegradabilit Il livello del problema resta comunque confrontabile con quello riscontrabile in processi wet o semi dry se condotti con procedure inopportune Oleskiewicz e Poggi Varaldo 1997 hanno comunque documentato la capacit dei sistemi dry di resistere senza alcun problema ad instabilit del processo di digestione Six e De Baere 1992 hanno riportato che non si osserva inibizione da accumulo di ammoniaca nel processo termofilo Dranco per rifiuti che abbiano un rapporto carbonio azoto maggiore di 20 Lo stes so tipo di risultato stato riportato da Weiland 1992 per i processi di tipo wet in ambiente me sofilo In generale comunque la stabilit rispetto ad elevate concentrazioni di ammoniaca nel reattore stata ampiamente dimostrata nelle operazioni in piena scala l impianto di Tillburg Olanda che opera con tecnologia Valorga in regime mesofilo 40 C dimostra di sopporta re operando con il massimo OLR 0019 concentrazioni di ammoniaca fino a 3 g l Fru teu de Laclos et al 1997 mentre il processo Dranco in regime termofilo 52 C resta stabile con concentrazioni di ammoniaca fino a 2 5 g l Questi valori possono essere ben sopportati anche nei processi wet e semi dry Una delle possibili spi
62. questo tipo di processi una delle dimensioni del reattore generalmente maggiore dell altra A E D Sc X X variabile S variabile Figura 1 10 Reattore con flusso a pistone idi IL PROCESSO DI DIGESTIONE ANAEROBICA ELEMENTI DI BASE si potranno quindi avere reattori sviluppati lungo l asse orizzontale o lungo quello verticale La figura 1 10 riporta una schematica rappresentazione del processo processo ideale prevede una alimentazione con flusso continuo o semi continuo da un lato del reattore con successivo avanzamento lungo uno degli assi del reattore verso l uscita senza subire mescolamenti lungo questa direzione l unico mescolamento possibile quello in direzione ortogonale rispetto all asse di avanzamento del substrato tempo di residenza di ogni elemento di liquido corrisponde effettivamente al tempo di resi denza idraulico e la concentrazione dei composti lungo hace di avanzamento sar quindi va riabile l effettivo esercizio di una tale configurazione possibile solamente se si ammette la presenza di biomassa nel flusso influente cio che sia X Diversamente sar necessario il ricircolo della biomassa E questa seconda soluzione che in genere viene utilizzata nelle ap plicazioni reali 1 5 2 4 Processo continuo con ricircolo in reattore con flusso a pistone Questo schema di processo viene particolarmente utilizzato nel caso si trattino substrati carat terizzati da un elevato cont
63. ricorrendo solamente a semplici pre trattamenti di pu del rifiuto con eliminazione del materiale ferroso e di quello inerte grossolano seguito da n Culle T S o 4 ua E i b 7 bas ly oe ee P L NM Li x mom H x Aon i i M 5 Fim 1 b E nv i Fi ceri n Kr ah AT TR Ill F i 4 i 1 Ps EFC ae 1 or iau MT Og oo triturazione e miscelazione Operando invece con rifiuti organici derivanti da raccolta indiffe renziata con un elevato contenuto di sostanza solida e derivanti dalla separazione meccanica di RU indifferenziato necessario procedere ad un pre trattamento di pulizia del rifiuto piut tosto spinto e a diluizione del rifiuto con acqua che potr essere di volta in volta acqua di processo riciclata o acqua fresca Nel caso in cui un impianto tratti rifiuto indifferenziato sar necessaria ovviamente una filiera di pre trattamento per la separazione della frazione organica da inviare ai digestori anaero bici Lo schema di pre trattamento prevede diversi passaggi e pu essere anche complesso Ci comporta inevitabilmente la perdita di parte del materiale organico biodegradabile che pu arrivare al 15 25 in termini di sostanza volatile Farneti et al 1999 La linea di pre trattamento dovr poi provvedere ad una opportuna purificazione del rifiuto in maniera da eliminare i rifiuti inerti quali metallo sassi vetro e sabbi
64. segregati o comunque protetti Prima di intervenire manualmente sulla macchina necessario arrestarne il funzionamento ed inibire il riavvio da par te di altre persone Le parti pi critiche nel funzionamento di tale apparecchiatura sono costituite dal piano pressante di compattazione della massa di materiale e dal legatore automatico che mal anie la traslazione degli aghi passafilo attraverso la massa di materiale effettua la lega tura delle balle con il filo di ferro E inoltre necessario prestare la massima attenzione alla mo vimentazione delle bobine di filo di ferro e delle balle di materiale che devono essere spostate utilizzando idonei carrelli elevatori o altri mezzi dei sollevamento E ae E y Tr RENT da Im E ua n di i L m T 6 LA GESTIONE DEGLI IMPIANTI DI DIGESTIONE ANAEROBICA In un impianto di trattamento rifiuti devono anche essere eseguiti con estrema attenzione una se rie di adempimenti per assicurare che siano presenti condizioni igienico sanitarie compatibili con la presenza degli operatori nei luoghi di lavoro l osservazione di tutte le norme in mate ria di igiene sul lavoro particolarmente importante in siti di questo tipo caratterizzati da ele vata potenzialit di rischio infettivo A tale scopo il responsabile dell impianto deve assolvere ad una serie di obblighi tra cui di se guito si richiamano i principali informare i collaboratori sui punti di rischio e sulle misure di prevenz
65. smaltimento che de ve essere applicata all utente dell impianto pubblico o privato che sia La tariffa di smaltimento viene calcolata a partire dal rapporto tra la somma dei costi e la po tenzialit di trattamento considerando anche l utile economico per il soggetto gestore Nella valutazione dei costi complessivi devono essere analizzate e determinate le seguenti vo ci di costo costi di investimento costi di puro esercizio utile d impresa oneri fiscali costi di dismissione dell impianto ricavi costi di esercizio si possono ottenere detraendo dai costi di puro esercizio i ricavi ottenuti dal l attivit dell impianto Costi di investimento Nella valutazione dei costi di investimento devono essere considerate le seguenti voci spese tecniche legate alla progettazione direzione lavori e collaudo progettazione interdisciplinare progetto preliminare studio d impatto ambientale progetto definitivo progetto esecutivo direzione lavori oneri connessi all attivazione del programma di qualit e controllo sia in fase di costru zione che di gestione e collaudi funzionali costi per l acquisizione del terreno realizzazione delle opere elettromeccaniche realizzazione delle opere civili realizzazione delle aree a verde realizzazione degli impianti di servizio opere accessorie tra cui viabilit d accesso ed interna sistemi di abbattimento delle emissioni i
66. stima allora sulla base dei dati a disposizione relativi allo stato della produzione rifiuti della zona e dalle raccolte una produzione pro capite espressa in g di frazione organica selezionata pro dotta per AE per giorno flusso di massa in ingresso inteso come rifiuti tal quale sar Portata pro capite x bacino di utenza frazione organica selezionata al giorno A seconda del tipo di raccolta si avranno differenti caratteristiche in termini di solidi totali e volatili Il flusso in ingresso che definisce il carico organico complessivo da inviare giornal mente al digestore in termini di TS e TVS pu essere calcolato nel seguente modo frazione organica selezionata al giorno x TS TS al giorno TS al giorno x TVS TS TVS al giorno 9 98 2 fase determinazione del carico organico per m di reattore e calcolo del volume utile Considerando i dati a disposizione si sceglie un carico organico ottimale da applicare al di gestore in base agli intervalli utili di carico ed HRT per ciascun processo riportati in letteratu ra A questo punto noto il carico che si vuole applicare ed il flusso di massa in TVS in ingres so il volume del digestore sar dato da TVS al giorno OLR kgTVS m d m di reattore 3 fase verifica delle condizioni operative volume determinato anche se corretto in linea di principio pu non soddisfare le condizioni di mantenimento dell HRT ai valori desiderati Per condurre questa
67. trascurabile rispetto agli altri termini molto piccolo le equazioni sopra ripor tate possono essere semplificate e si otterr quindi 1 che sostituita nella precedente da Modello per processi limitati dal trasferimento di massa In accordo con Chen e Hashimoto 1978 l equazione di Monod pu essere riformulata se condo la forma che include anche la concentrazione iniziale di substrato So Questo consente di tener conto del la limitazione nel trasferimento di massa Anche in questo caso come nei due precedenti si considera Kj 0 per un digestore di tipo C STR e si determina quindi il bilancio di massa dei microrganismi Si otterr la seguente produ zione specifica di metano Tutto ci come gi detto assume un significato relativo nel caso di substrati complessi come la frazione organica selezionata Infatti la modellizzazione del processo di digestione anaerobi ca applicato a substrati ad alto tenore in secco deve necessariamente tener conto oltre che dei processi biologici anche di aspetti legati alla fluidodinamica e quindi contenere nella trattazione anche gli aspetti legati alla diffusione Inoltre l eterogeneicit del substrato che comprende al proprio interno diverse classi di materiali a biodegradabilit molto diverse non consente certo una trattazione semplice come potrebbe essere quella relativa al ricorso ad una cinetica del pseu do primo ordine Tuttavia data la semplicit de
68. ulteriori prodotti del processo degradativo anaerobico e tra quelli di maggior rilievo troviamo l ammoniaca che deriva dalla demolizione delle proteine Ad esempio nel caso della stabilizzazione anaerobica di una matrice con formula bruta CHL ON la relazione stechiometrica complessiva pu essere rappresentata dalla relazione CH ON nC H O N T mCH T sCO rH O0 d NH Con s a nw m r c ny 2s Come si pu vedere dalla relazione riportata si ha la parziale distruzione di materiale organi co compose con formazione di metano biossido di carbonio acqua ed ammoniaca l attivit biologica anaerobica stata evidenziata in un ampio intervallo di temperatura tra 5 e 70 Esistono tuttavia differenti specie di microrganismi classificabili in base all inter vallo termico ottimale di crescita psicrofili temperature inferiori a 20 mesofili temperatu re comprese tra i 20 ed i 40 e termofili temperature superiori ai 45 l industrializzazione biotecnologica di questo processo naturale ha consentito di passare dal l iniziale concetto di stabilizzazione estensiva della sostanza organica in ambienti naturali a veri e propri processi industriali per la produzione di biogas Ci a partire da diversi substrati organici quali acque derivanti dall industria agro alimentare fanghi di supero degli impianti di trattamento acque reflue deiezioni animali biomasse di natura agricola residui organici in
69. utilizzate La se parazione dei metalli si ottiene impiegando separatori magnetici per metalli ferrosi e separatori a correnti indotte per metalli non ferrosi Separazione inerti e plastiche Lo scopo della separazione degli inerti e delle materie plastiche quello di rimuovere dalla mas sa di rifiuti le frazioni non biodegradabili e di ridurre il rischio di abrasione e di blocchi o intasa menti durante il processo Tale operazione viene effettuata attraverso l utilizzo di varie apparec chiature singolarmente od in sequenza tra loro quali vagli rotanti vagli a dischi vagli separatori densimetrici balistici aeraulici o separatori ad umido flottatori e sedimentatori ITO metalli pl RECUP UPERO 7 inerti e g CBISCARICA 2 fr gf hide cT TERMOUTILIZZO J Cdk FANGHI Pm PREPARAZIONE DEL SUBSTRATO DIGESTIONE biogas gt WHERE ANAEROBICA PE AUS DISIDRATAZIONE BIOSSIDAZIONME ACCELERATA IMPIANTO DI DEPURAZIONE y POST MATURAZIONE RAFFINAZIONE inerti lt gt tr combustibile TERMOUTILIZZO FOS pnis cham T BIPRISTINI AMBIENTALI ASRONOMICO Figura 4 2 Schema a blocchi di un impianto di digestione anaerobica 89 90 Controllo pezzatura Di norma necessario sottoporre il flusso di rifiuti organici diretti al reparto di preparazione del substrato ad una riduzione delle dimensioni allo scopo di rend
70. va fatta molta attenzione in quanto vietato scaricare in atmosfera l ozono in eccesso che quindi deve essere necessa riamente trattato e decomposto Negli scrubber l acqua o la soluzione di lavaggio pu essere riciclata attraverso una pompa cen trifuga ma occorre precedere uno spurgo e un reintegro di acqua pulita in modo da non cari care la soluzione di lavaggio e renderla satura Indicativamente il del valore di acqua utilizzata pari 2 1 di aria nel caso di let ti statici e di 1 5 I m di aria nel caso di letti flottanti metodi biologici biofiltrazione e bioscrubber rispetto ai precedenti presentano il vantaggio di ermettere una completa ossidazione per via di delle sostanze inquinanti di origine bio Bn con ottimi rendimenti nei casi idi concentrazioni medio basse tipiche proprio dei processi di trattamento biologico dei rifiuti biofiltri sono costituiti da un letto di materiale filtrante collocato in una vasca impermeabiliz zata Tale materiale costituito generalmente da torba cippato di legno compost vegetale e miscele adagiato su un grigliato al di sotto del quale viene creato uno spazio utilizzato per l immissione dell aria da trattare In alternativa al grigliato pu essere realizzata una rete di tubi forati dai quali viene immesso il flusso da deodorizzare La vasca impermeabilizzata pu essere realizzata in calcestruzzo in opera o prefabbricato oppure utilizzando moderni sistemi modulari me
71. zone differenziate in base alla sua provenienza il calcolo della superficie minima richiesta pu essere fatto considerando che i rifiuti devono essere disposti in cumuli la cui altezza dipende dalla tipologia di apparecchiatura scelta per la movimenta zione Per i rifiuti indifferenziati o per la frazione residuale della raccolta Mera pu es sere scelto un angolo di riposo di circa 20 25 Nota la quantit di rifiuti da stoccare definita la massima altezza raggiungibile dai cumuli ed individuato l angolo di riposo del rifiuto si calcola la superficie minima richiesta dai cumuli A tale superficie dovranno poi essere ag giunti ulteriori spazi necessari per la manovra dei mezzi di movimentazione del rifiuto La pa vimentazione dovr essere realizzata con una pendenza tale da garantire il convogliamento del le acque di lavaggio e dei percolati in appositi pozzetti di raccolta Il vantaggio principale del lo stoccaggio a raso legato alla semplicit di gestione Per quanto riguarda i fanghi le dimensioni della zona di accumulo e il sistema di ripresa e di movimentazione devono essere tali da evitare fenomeni di intasamento dovuti all eccessiva so lidificazione della miscela In genere vengono realizzate vasche in cemento armato attrezzate con tramogge in carpenteria metallica munite di fondo di estrazione a coclee che alimenta si stemi di pompaggio volumetrico l inclinazione delle falde della tramoggia deve essere tale da garantire lo scivol
72. 0 t anno per il solo trattamento della frazione organica Dal giugno 1997 operativo nella citt di Minami Ashigara Giappone un impianto per il trattamento termofilo di rifiuti organici separati alla fonte in grado di opera re con rifiuti caratterizzati da un contenuto in solidi del 10 15 La capacit di trattamento an nuale di tale impianto di sole 500 tonnellate Le rese indicano una produzione di biogas nel l intervallo 100 150 m tonnellata di rifiuto ed una rimozione della sostanza volatile del 60 70 Un nuovo impianto attualmente in costruzione presso Groningen Olanda questo tratter 85 000 tonnellate anno di frazione organica proveniente sia da raccolta differenziata che da separazione meccanica Il bacino di utenza di un milione di abitanti Westergard e Teir 1999 l impianto costituito da quattro reattori del volume di 2 750 m ciascuno ed operer ad un carico di 5 kgVS m giorno Altri due impianti di dimensioni pi ridotte sono operativi dal 1999 in Svezia presso Jonkopking e Traab entrambi trattano circa 20 000 t anno di frazione organica unge Il processo WABIO l EcoTech Finlandia ha realizzato in Europa numerosi impianti secondo il processo WABIO messo a punto per trattare la frazione organica dei RU e i fanghi provenienti dal trattamento bio logico delle acque reflue Tale processo in genere accoppiato ad una unit di compostaggio Sono attualmente operativi in Europa un impianto da 30 000 t ann
73. 000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000090000000000000000000009000 0000000000000 0000000000000 0000000000000 4 SCELTA DEL TIPO DI PROCESSO 77 00900000000000090000000000000000000009000000000000000000000900000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000009000000 4 1 GENERAUTA iii 77 4 2 ASPETTI PROGETTUALI iii 77 4 2 1 Individuazione dei dati di progetto iii 78 4 2 2 Dimensioni del bacino 05 78 4 2 3 Fattori caratteristici del bacino s 70 4 2 4 Indicazioni sui criteri di localizzazione degli impianti 83 4 2 5 Indicazioni sui livelli di progettazione degli impianti di trattamento rifiuti 84 4 3 DESCRIZIONE DEI REPARTI DELL IMPIANTO s 86 4 3 1 Ricezione dei rifiuti 87 4 3 2 Pretrattamento dei rifiuti iii 88 4 3 3 Preparazione del substrato ss 90 4 4 DIMENSIONAMENTO DEI REATTORI PER LA DIGESTIONE ANAEROBICA 91 crm DELLA FRAZIONE ORGANICA SELEZIONATA cere 4 4 1 e costanti cinetiche iii 91 4 4 2 Dimensionamento di un digestore anaerobico per il trattamento 96 della frazione organica selzionata sulla base dei parametri operativi e dei fattori di carico 4 4 3 Sistemi di agitazione per l omegeneizzazione del substrato 100 4 5 PRODUZIONE DEPURAZIONE ED UTILIZZO DEL BIOGAS 102 4 0 DISIDRATAZIONE DEI FANGHI Liri 107 AT sss STABILIZZAZIONE E RAFFINAZIONE DEL FANGO DIGER
74. 00000000000000000090000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 0900000000000000090000000000000000000900000000000000009000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000009000000 90000000000000000000000000000000000900000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000009000000 00000000000000900000000000900000000000000000000000000000090000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 00000000000900009 0e000000000000009 0e000000000000009 0000000000000000000000000000000000099 00000000000000900000000000000000000099 0e0000000000000000000009 IL PROCESSO DI DIGESTIONE ANAEROBICA ELEMENTI DI BASE APPLICAZIONE INDUSTRIALE DELLA DIGESTIONE ANAEROBICA DEI RIFIUTI URBANI 00000009000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000909000 00000009000000000000000000000000000000000000000000000000000000900000000000000000000000000000000000000000000000000090000000000000000000009009 090000000000000000000000000000000000000000000000000000
75. 4 LA GESTIONE DEGLI IMPIANTI DI DIGESTIONE ANAEROBICA Figura 5 8 Andamento del costo specifico di trattamento per rifiuto da raccolta differenziata e di rifiuto indifferenziato 5 4 SICUREZZA ED IGIENE SUL LAVORO All interno di un impianto di trattamento rifiuti devono essere osservate tutte le norme previste dalla legislazione in materia di sicurezza ed igiene sul lavoro D P R 547 55 D P R 303 56 D Lgs 277 91 D Lgs 626 94 D Lgs 494 96 e successive integrazioni e modifiche Tali norme si riferiscono al settore della progettazione costruzione messa in opera ed eserci zio degli impianti ed hanno la finalit di creare condizioni di lavoro sicure dal punto di vista infor tunistico e salubri sotto il profilo dell igiene del lavoro al fine di garantire l integrit psicofisica dei lavoratori La normativa in materia ha subito notevoli cambiamenti ed piuttosto articolata e complessa In questa sede non si intende approfondire l analisi della legislazione ma solo fornire alcune in dicazioni basilari sui principali rischi a cui sono esposti gli operatori di un impianto di trattamento rifiuti e quali precauzioni possono essere osservate per dons l incidenza Infatti l obiettivo prioritario dell applicazione di tali norme quello di rimuovere tutte le cause che possono essere alla base di infortuni sul lavoro e malattie professionali Questo aspetto de ve essere affrontato gi in fase di progettazione degli impianti e de
76. 7 8 6 1 OLR kgTVS m d 57 6 9 22 10 7 13 5 io TS alim g kg 161 1 164 2 23055 214 7 224 6 210 6 GPR m m 25 28 27 2 8 4 1 4 7 SGP m kgTVS 0 43 0 41 0 29 0 26 0 30 0 23 CH 61 62 57 54 53 57 TVS rimossi 48 43 34 31 37 27 TCOD rimosso 44 40 30 27 27 29 TOC rimosso 47 42 32 28 33 29 117 x lue la s pe i 2 aa ma oF 5 v gp dn sns Jj m 25 LS uad E er o dii i n d y IL TRATTAMENTO ANAEROBICO DEI RIFIUTI ASPETTI PROGETTUALI E GESTIONALI riare tra una prova e l altra per ottenere i valori voluti di HRT ed OLR La tabella 5 1 riporta i va lori medi ottenuti in condizioni stazionarie Si noti il differente andamento dei parametri di produzione GPR ed SGP all aumentare del ca rico La produzione specifica per metro cubo di reattore aumenta da 2 5 a 2 8 d in crementando il carico organico volumetrico da 5 9 a 6 9 kgTVS m d e diminuendo l HRT da 14 6 a 11 7 giorni rimane pressoch costante nell intervallo di ORL compreso tra 6 9 e 10 7 kgTVS m d e sale a 4 7 d aumentando il carico fino a quasi 20 kgTVS m d e riducendo a meno di 6 giorni Al contrario la resa specifica rispetto ai TVS alimentati SGP dimi nuisce passando da carichi minori a carichi maggiori ed HRT minori Confrontando le condizioni estreme 1 e 6 si nota una diminuzione quasi del 50 ci da imputare alla ridotta stabiliz zazione che si ott
77. 85 Occorre comunque rilevare che l analisi di questi parametri deve essere globale la variazione di un singolo parametro se non accompagnata da un monitoraggio complessivo di tutti gli al tri parametri risulta difficilmente interpretabile pH Il pH fornisce un indicazione della stabilit del mezzo di reazione in quanto una sua variazio ne associata sia alla capacit tamponante del sistema da parte del mezzo di reazione che a variazioni dell equilibrio tra le specie che partecipano alla catena trofica dei microrganismi coinvolti nel processo Per valori di pH compresi tra 6 5 e 7 5 il processo di digestione generalmente considerato stabile valore del pH in un digestore determinato essenzialmente dalla presenza di CO nel mez zo liquido e quindi dalla sua pressione parziale nel biogas e dai valori di concentrazioni de gli acidi grassi volatili e dell ammoniaca Occorre rilevare che questo parametro in grado di indicare condizioni di squilibrio del sistema ma solo con un certo ritardo rispetto all evoluzio ne dell effetto tampone de mezzo Infatti la variazione di pH appare evidente quando ormai il bicarbonato ha terminato la sua at tivit tamponante Quando cio questo stato completamente consumato secondo le reazio ni di equilibrio di seguito riportate H R R Ht NaHCO NaR H O CO Dove H R indica un acido organico Questa dinamica rappresentata in figura 1 6 dove riportato l andamento de
78. 999 inoltre stato avviato il nuovo impianto di Brecht Belgio con potenzialit di 43 000 t anno per il trattamento di frazione organica e rifiuti di origine agro industriale ed alimentare In tabella 3 9 sono riportati i principali parametri di resa e di esercizio degli impianti di Sali sburgo Austria e Brecht Belgio l impianto di Brecht Belgio opera con un OLR nell intervallo 10 12 kgVS m d ma ha opera to per circa un anno 1998 in condizioni di stato stazionario con un OLR pari a 15 kgVS m d con una concentrazione del 31 TS nel reattore ed una percentuale di rimozione della sostan za volatile del 65 Six e De Baere 1992 European Commission DGXVII 1994 De Baere 2000 La produzione di energia nell intervallo 165 245 kWh tonnellata rifiuto De Baere 2000 Il processo Kompogas processo Kompogas della Kompogas GmbH Svizzera un sistema integrato di trattamen to del rifiuto organico qui il rifiuto organico proveniente da raccolta differenziata viene preli minarmente ripulito da eventuali corpi inerti e poi sminuzzato prima dell invio al digestore a naerobico dove arriva con un tenore in solidi nell intervallo 25 4075 TS Il reattore opera in re gime termofilo 55 C ed posto orizzontalmente vedi figura 3 11 L effluente del digestore quindi inviato ad una pressa dove la parte solida fresh compost inviata al compostaggio mentre la parte liquida trattata con un processo a due fasi meccanico b
79. ANPA Agenzia Nazionale per la Protezione dell Ambiente ONR Osservatorio Nazionale sui Rifiuti Il trattamento anaerobico dei rifiuti Aspetti progettuali e gestionali Manuali e linee guida 13 2002 ANPA Unit Normativa Tecnica Informazioni legali l Agenzia Nazionale per la Protezione dell Ambiente o le persone che agiscono per conto del l Agenzia stessa non sono responsabili per l uso che pu essere fatto delle informazioni con tenute in questo rapporto Agenzia Nazionale per la Protezione dell Ambiente Via Vitaliano Brancati 48 00144 Roma Unit Normativa Tecnica www anpa it Osservatorio Nazionale sui Rifiuti Via Cristoforo Colombo 44 00147 Roma ANPA Manuali e Linee Guida 13 2002 ISBN 88 448 0053 5 Riproduzione autorizzata citando la fonte Coordinamento ed elaborazione grafica ANPA Dipartimento Strategie Integrate Promozione e Comunicazione Grafica di copertina Franco lozzoli Foto di copertina a cura di Photo methanisation plant G Charret Coordinamento tipografico ANPA Dipartimento Strategie Integrate Promozione e Comunicazione Impaginazione e stampa I G E R srl Viale C T Odescalchi 67 A 00147 Roma Stampato su carta TCF Finito di stampare nel mese di settembre 2002 n Lm Er J i 1 L LEN P f n 800 we L A2 ci E e E D a quia 1 7 Li 1 n p 5 _ PI n pi Pat a 2 a
80. D d lt 300 1400 mg l 0 01 0 06 gVSS g Ky 0 02 0 3 ia T a L Em i 3 de il at oh i i E er fi LB PT ug IL PROCESSO DI DIGESTIONE ANAEROBICA ELEMENTI DI BASE Acetogenesi l acetogenesi pu essere considerata come l ossidazione anaerobica di acidi grassi a catena lun ga LCFA oppure corta VFA per formare acido acetico A seconda del substrato utilizzato si riscontrano differenti valori delle costanti cinetiche di reazione espresse dall equazione di Monod Tipici valori riscontrati in letteratura per i due tipi di substrato sono riportati in tabella 1 3 Tabella 1 3 Valori dei parametri cinetici per acidi grassi a catena lunga e corta Gujer e Zender 1983 Pavlostatis e Giraldo 1991 Romli et al 1995 Angelidaki et al 1998 Unit di misura TN d 0 1 0 5 DONIS Ki g COD g COD d 25718 5 20 Ks mg COD I 100 4000 100 4000 Y g VSS g COD 0 04 0 1 0 02 0 07 Kg 0 01 0 01 0 04 Metanogenesi processo metanigeno ad opera di batteri acetoclastici ben simulato da una cinetica di Mo nod che pu essere soggetta ad inibizione da substrato eccesso di acetato nel mezzo La relazione di Monod nel caso di inibizione assume la forma analitica Ed ET er dove u velocit di crescita dei microrganismi per una data concentrazione di substra to S tempo Umax massima velocit di crescita dei mi
81. DIE 57248 07 12 70 16 05 SS 1 18 395 2 47 LIGURIA Be 898 76 Meer 8 36 9 49 1615 0 19 0 09 0 10 EMILIA R 2 413 95 ome 14 80 19 09 4 29 2 28 3 02 0 74 TOSCANA EM 2 105 67 MEUS 13 18 16 80 S57 0 09 0 00 0 09 UMBRIA ZUM 422 n 3g 6 31 10 09 3 78 156 0 00 1756 MARCHE zo 7 7 46 7 36 0 10 1 45 1 97 0 08 LAZIO DENS 2779 69 Meo 4 22 3 42 0 80 0 11 017 0 06 ABRUZZO 608 99 Ng S 2 64 4 31 1 67 0 00 1 84 1 84 MOLISE ieee 113 93 p E 7 1 96 o 0 23 0 10 O13 CAMPANIA 2 456 08 2 561 55 4 29 1 56 1 05 0 51 0 00 0 00 0 00 PUGLIA 1 448 57 1 802 61 24 44 279 3 70 095 0 22 0 18 0 04 BASILICATA DOS 21882867 3 06 225 0 81 0 08 0 00 0 08 CALABRIA Ew 21 13 ee 0 65 0 68 0 03 0 04 0 48 0 44 SICILIA DM 2 552737 1 1 00 1 90 0 90 0 05 0 66 0 61 SARDEGNA 75019 9o 1 26 0 29 0 02 0 00 0 02 ITALIA 26 845 73 28 363 91 5 66 11 20 13 08 1 88 1 49 1 74 0 25 Percentuale sul totale della raccolta Percentuale sul totale della raccolta senza selettiva 36 E A a ne zi j v i E are T Im a n d iL I E at LA FRAZIONE ORGANICA DEI RIFIUTI URBANI La tabella 2 2 rappresenta una sintesi delle variazioni riscontrate a livello regionale con riferi mento alla ui totale alla raccolta differenziata e degli ingombranti nel biennio 1998 1999 l analisi dei dati evidenzia un incremento diffuso delle percentuali di raccolta differenziata in mol ti casi significativo solo le regioni Basi
82. ITO dO 48 STOCCAGGIO FINALE DEI PRODOTTI dO 4 9 DIMENSIONAMENTO DELLA LINEA LO 4 10 BILANCIO DI MASS DELL IMPIANTO iii 09 4 1 1 BILANCIO ENERGETICO DELL IMPIANTO iii 5 GESTIONE DEGLI IMPIANTI DI GESTIONE ANAEROBICA 117 2 DARAMETRIDI GESTIONE DEL PROCESSO iii pei 117 5 1 1 Parametri di esercizio del reattore di digestione anaerobica della frazione 117 5 1 2 I parametri di stabilit del processo di digestione anaerobica della frazione 119 2 2 OPERAZIONI DI MONITORAGGIO E GESTIONE DELL IMPIANTO 126 23 COSTI DI INVESTIMENTO E GESTIONE 199 394 SICUREZZA ED IGIENE SUL LAVORO 133 23 MANUTENZIONE DEGLI IMPIANTI sata dt 5 0 MANUALE OPERATIVO DELL IMPIANTO 138 090000000000000000000000000000000000900000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000009000000 6 3 EMISSIONI ODOROSE 144 Premessa La direzione strategica verso cui si muove il sistema di gestione dei rifiuti il miglioramento al la fonte della qualit delle matrici riutilizzabili e la riduzione della quantit dei rifiuti prodotti Ci al fine di contenere l impatto sulla salute umana e sull ambiente e di permettere lo sviluppo delle tecnologie pi appropriate di trattamento Questo approccio comporta inevitabilmente considerazioni sulle fonti di energia utilizzabili e sul loro riflesso sull ambiente attraverso un amp
83. LI n ip L _ m E i Pa J E E x T Ti wl 2 E incu i a Law al ma E L 9 EI m elt p DR E i um PU a r ca re ud 62 T 5 T E PES AL Lo 1 re 1 mix EUR T Y du P a i 7 rm a SE a C DER bt Pa Pt i sl re m a a ar m d ps n EIU a E E ET ui X Uu i Co Tna im Li Le J m po n p qo UE ELS o3 CI ord T x ami hoes E LE iii hl debito La Vallini G Briglia M Bianchin L 1987 Metanogenesi aspetti microbiologici e biochimici della degradazione anaerobica di substrati organici complessi Acqua Aria 8 949 954 Vallini G Pera A Valdrighi M M 1994 Biostabilizzazione ossidativi della sostanza orga nica ecologia microbica e gestione biotecnologica del processo di compostaggio In Inge gneria della trasformazione in compost Giornate europee di studio sull ambiente Bari 26 27 ottobre 1994 Valorga 1985 Waste recovery as a source of methane and fertilizer The Valorga process In Proc 2nd Annual Int Symp on Ind Resource Managem February 17 20 Philadelphia U 5 Van Lier J Tilche A Ahring B Macarie H Moletta R Dohanyos M Hulsoff Po L Lens P and Verstraete W 2000 New perspectives in anaerobic digestion Water Sci
84. MENTO DEI RIFIUTI ASPETTI PROGETTUALI E GESTIONALI 66 m fl T NL T LI us E i 0 I che in grado di trattare per mezzo di un digestore da 200 m circa 3 000 t anno di frazio ne organica da raccolta differenziata Tale processo utilizza in una prima fase un reattore o rizzontale mantenuto alla temperatura di 55 in grado di degradare materiali con alto con tenuto in solidi 25 40 l effluente viene poi trattato per produrre compost e fertilizzanti Tabella 3 10 Parametri operativi e rese del processo Kompogas scala pilota in Wellinger et al 1992a Periodi sperimentali 2 3 Parametri operativi Tempo di ritenzione d 40 26 174 Solidi Totali 42 38 40 Solidi Volatili TS 76 54 52 Carico organico kgVS m d 7 2 8 1 DALAI Rese del processo Rimozione TS 35 24 22 Produzione di biogas m d 40 40 54 Velocit di produzione di biogas m m d 27 27 3 6 Produzione specifica di biogas m kgVSd D 0 33 0 32 Metano 63 59 62 tempi di trattamento complessivi sono di circa un mese cosi ripartiti tra le diverse fasi di pro cesso 1 preparazione e macinazione del rifiuto selezionato alla fonte circa 3 giorni 2 digestione anaerobica in termofilia HRT circa 20 giorni 3 compostaggio aerobico dell effluente del digestore circa 10 giorni Durante questo periodo si ricavano 80 140 di biogas per tonnellata di rifiuto trattato e un compost utilizzabile per fini agronomici con
85. ZAZIONE E RAFFINAZIONE DEL FANGO DIGERITO Il fango digerito prodotto dalla fase di metanizzazione risulta in genere non completamente stabilizzato a causa del ridotto tempo di residenza dei rifiuti all interno del reattore A tale scopo deve essere prevista una successiva fase di stabilizzazione aerobica finalizzata al com letamento della om della materia organica pi difficilmente degradabile ed al dell igienizzazione del materiale Il grado di maturazione richiesto dipende dal l utilizzo finale del prodotto stabilizzato Generalmente il fango digerito viene sottoposto ad un trattamento di stabilizzazione che si svi luppa in due fasi ecc e d x o Cw CHE let UT MPa MU MM t LA PROGETTAZIONE DEGLI DI DIGESTIONE ANAEROBICA e biossidazione accelerata e post maturazione Poich il materiale organico ha gi subito una parziale degradazione i tempi di permanenza nel reparto di stabilizzazione aerobica potranno essere contenuti entro i 30 45 giorni A seconda del destino finale del biostabilizzato pu essere richiesta una raffinazione del ma teriale da realizzare dopo la fase di biossidazione accelerata in alternativa dopo la post maturazione 4 8 STOCCAGGIO FINALE DEI PRODOTTI Negli impianti di digestione anaerobica dei rifiuti devono essere previsti reparti per lo stoc caggio differenziato del materiale trattato e dei residui del trattamento Le zone di stoccaggio
86. a In questo caso si possono avere svariate configurazioni ad esempio reattori miscelati in serie Pavan et al 2000b oppure reattori con flusso a piste in serie In questo secondo caso si pos sono avere configurazioni con due reattori operanti con processi wet in entrambi gli stadi pro cesso Schwarting Uhde oppure di tipo dry in entrambi gli stadi processo BRY Nel caso di reattori miscelati in serie i rifiuti vengono triturati e miscelati con acqua sino ad ot tenere un substrato con un contenuto in solidi del 10 circa prima di essere alimentati al primo reattore Nel caso di processi operanti con reattori con flusso a piste il rifiuto separato alla fonte trat tato direttamente 3 3 2 Prestazioni del processo Il sistema a fasi separate ha dimostrato di essere particolarmente affidabile e stabile anche per rifiuti organici ad elevata biodegradabilit come frutta e verdura o rifiuti mercatali in genere Pavan et al 2000b Ci forse imputabile al fatto che la rapida idrolizzazione ed acidifica zione che potrebbe causare un abbassamento del pH con accumulo di acidi grassi volatili ini benti per la biomassa metanigena avviene nel primo reattore preservando il secondo reatto re da questo tipo di problemi Questo tipo di configurazione ha permesso di operare con OLR complessivi pari a 7 kgVS m d mentre reattori a singola fase con lo stesso tipo di substrato in contravano problemi quando il carico organico era superiore a 3 3
87. a maggiore l andamento delle percentuali di rimozione assando mediamente dal 20 al 50 riflette quello della SGP confermando l aumento della sta bilizzazione del substrato in condizioni termofile Variazione delle rese con le caratteristiche del substrato Le caratteristiche della frazione organica selezionata ottenuta con sistemi di selezione mecca Tabella 5 2 Rese ottenute con il processo semi dry in regime mesofilo e termofilo Cecchi et al 1993 Mesofilia Termofilia HRT d 14 7 14 6 OLR kgTVS m d 99 TS alim g kg 222 8 161 1 GPR m m I 2 5 SGP m kgTVS 0 20 0 43 TVS rimossi 23 48 TCOD rimosso 20 44 TOC rimosso 21 A7 118 E Site i M Pw Tr A ria LA GESTIONE DEGLI IMPIANTI DI DIGESTIONE ANAEROBICA nica e da raccolta differenziata sono come gi in precedenza evidenziato molto diverse Ov viamente le rese di processo sono intimamente legate a queste caratteristiche a causa delle diverse cinetiche coinvolte nella degradazione di differenti classi di composti La tabella 5 3 ri porta i risultati di una campagna sperimentale finalizzata alla definizione dell influenza delle ca ratteristiche del substrato sulla degradazione ottenibile Le prove sono state condotte mante nendo un HRT costante di circa 12 giorni in condizioni termofile e utilizzando come substrato frazione organica da selezione meccanica a cui venivano aggiunti rifiuti mercatali in percentuali crescenti Tabella 5 3
88. a programmare per far fronte alle esigenze di gestione dei rifiuti nell ambito territoriale ottimale 81 82 In particolare sar necessario fare delle valutazioni riguardanti gli aspetti di seguito riportati Stato della raccolta nel bacino E utile acquisire informazioni relative a abitanti serviti operatori di raccolta frequenze di raccolta mezzi Impiegati numero di addetti struttura dei servizi di raccolta differenziata numero di contenitori frequenze di svuota mento rese quantitative gt Analisi quali quantitativa delle utenze dei servizi In particolare devono essere individuate sia le utenze domestiche che altre utenze potenzial mente coinvolgibili in iniziative dedicate negozi esercizi commerciali ristoranti mense al berghi collegi comunit case di riposo stud professionali ed ambulatori strutture sanitarie scuole uffici pubblici attivit di servizio attivit industriali ed artigianali Presenza di operatori del recupero E utile valutare la presenza nel bacino di e centri di stoccaggio e centri di trattamento e utilizzatori finali e gruppi del volontariato gt Stato della raccolta differenziata in bacini limitrofi Le informazioni desunte dall analisi di realt aventi caratteristiche simili a quella in esame in cui siano gi stati attivati particolari sistemi di raccolta possono consentire di fare previsioni rea listiche sul raggiungimento degli obiettivi prefissati e su
89. a volumetrica lunghissimi con volumi e costi dei digestori non sostenibili Nella pratica perci si rinuncia a convertire in biogas tutta la sostanza volatile e si interrompe il trattamento all incirca quando tutta la frazione rapidamente biodegra dabile 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 rap presentativo della flessibilit 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 caratterizzato da una buona flessibilit di esercizio in quanto permette di af frontare diverse capacit di trattamento Inoltre il sovradimensionamento incide in misura limi tata sui costi d impianto Per contro le rese di processo m di biogas prodotto m di reattore _ giorno sono minori rispetto ai reattori ad alto carico Nella tabella 4 5 sono riportati i valori del carico organico OLR applicato nei principali tipi di processi di digestione anaerobica distinguendo in base al tipo di matrice in alimentazione ai reattori tra frazione organica selezionata meccanicamente da rifiuti urbani e rifiuti organici da raccolta differenziata Tabella 4 5 Valori del carico org
90. abella 5 15 si pu quindi desumere quali siano le esigenze di apparecchiature che un laboratorio a pi d impianto o centralizzato aziendale deve avere per soddisfare le varie esi genze e quali siano gli strumenti da installare per le misurazioni on line Le figure 5 4 e 5 5 riassumono tali esigenze La frequenza indicativa con cui i parametri saranno determinati riportata in figura 5 6 La raccolta dei dati ottenuti dal monitoraggio pu essere convenientemente gestita utilizzando ta belle di marcia che riportino giorno per giorno le determinazioni analitiche effettuate e le portate dei flussi Sulla base di questi dati la tabella dovr completarsi con la determinazione dei parametri riportati in tabella 5 17 derivati da quelli analitici di cui si specificano metodo logia di calcolo ed unit di misura LA GESTIONE DEGLI IMPIANTI DI DIGESTIONE ANAEROBICA Tabella 5 15 Parametri di monitoraggio e gestione del processo e tecnica di acquisizione Parametro Unit di misura Tecnica di acquisizione Parametri fisici Temperatura esterna Termocoppia Temperatura reattore SE Termocoppia Pressione reattore Sonda piezometrica Parametri linea gas Portata m d m h Misuratore flangia tarata CO Sonda IR gascromatografia CH Sonda IR gascromatografia 5 Gascromatografia Parametri alimentazione reattore TS g kg Gravimetria TVS g kg Gravimetria STS g kg Gravimetria SVS g kg Gravimetria TCOD gO kg Digestione
91. aese evidenzia che sono sta ti raccolti in maniera differenziata 3 7 milioni di t anno di rifiuti pari al 13 08 della produzione De Tab 2 2 rispetto al 1998 si quindi registrato un aumento della quota percentuale ell 1 9 Si conferma il divario tra Nord e Sud gi riscontrato nel triennio 1996 1998 l analisi dei da ti evidenzia infatti che il Nord si avvicina con una percentuale pari al 23 11 all obiettivo fis sato dal D lgs 22 97 per il 2001 nel Centro troviamo un valore pari al 9 02 mentre il Sud pur registrando un aumento pi elevato rispetto al biennio 97 98 continua a presentare valo ri lontanissimi degli obiettivi fissati dal decreto legislativo 22 97 2 02 35 a TT gn Lr ue i 1 ne Tabella 2 2 Produzione e raccolta differenziata dei rifiuti urbani confronto 1998 1999 per Regione Rifiuti Urbani Confronto 1998 1999 per regioni REGIONE Produzio Produzio Variazione Race Racc Increm Racc Racc Increm ne RU to Diff Diff o Decrem Ingombr Ingombr o Decrem tale 1999 1999 1998 1999 1998 1999 f lOO0 1000 1998 ingombr anno anno PIEMONTE 2 006055QRE 2 11 00 14 96 996 2 44 0 47 1 97 VALLE D AOSTA 60 32 62 61 7 1 10 27 Mez 2 00 0 00 0 00 0 00 LOMBARDIA 4 279 97 0070 30 82 7 2 45 6 38 7 04 0 66 TRENTINO A A 510 04 508 27 0 35 14 70 19712 4 42 1 41 7 60 6 19 VENETO mU S 2 1260 1954 E 499 0 00 0 00 0 00 FRIULI V G
92. aggio meso termo Transiente di variazione Da a A B G OLR 0 6 7 30 40 15 20 15 20 HRT 14 315220 1320 T 7 55 TS alim 38 42 58 4 5 GPR 0 2 lke 800 CH 50 55 10 TA 4 6 9 7 5 9 E pH 7 6 2 3 39539 TVFA 1 1 0 3 349 Transiente A da condizioni molto stabili a condizioni di leggero stress Transiente B da condizioni di leggero stress a condizioni di medio stress Transiente C da condizioni di medio stress a condizioni di forte stress 5 2 OPERAZIONI DI MONITORAGGIO E GESTIONE DELL IMPIANTO Sia il monitoraggio che la gestione dell impianto debbono essere divisi in due fasi distinte cio uelle di regime stazionario e quelle di avviamento Le fasi di avviamento che sono in genere de porre a carico del costruttore richiedono un maggior numero di figure professionali in im pianto e pi qualificate Ci sia per la messa a punto di ogni specifica sezione dell impianto che per seguire l evoluzione del processo in avviamento quindi in condizioni di transiente Tali condizioni potranno richiedere scelte operative pi drastiche che normalmente esulano dalla normale gestione Per quanto attiene il monitoraggio la tabella 5 15 riporta tutti i parametri che possono essere presi in considerazione per la gestione del processo la loro utilizzazione sar parziale in funzione delle fasi di gestione La tabella 5 16 indica i flussi da monitorare e i pun ti di campionamento Dalla t
93. al 1991 1 i M 1 in LA FRAZIONE ORGANICA DEI RIFIUTI URBANI Tabella 2 4 Caratteristiche chimico fisiche della frazione organica proveniente da un impianto di sele zione di tipo complesso massimo ini N campioni Dev standard TS g Kg 763 0 952 0 513 1 210 TVS 21S 439 57 4 29 1 210 5 4 TCOD TS 59 6 90 4 23 9 41 17 4 TOC TS 19 3 SATA 79 187 53 IC 5 27 0 3 187 0 5 TKN TS 22 1 2 57 0 5 P TS 0 11 0 22 0 05 59 0 03 TS solidi totali TVS solidi volatili totali TCOD COD totale TOC carbonio organico totale IC carbonio inorganico TKN azoto totale secondo Kjieldahl P fosforo totale lidi totali TS Dal punto di vista merceologico la tabella 2 5 e le figure 2 2a e 2 2b riportano la ripartizione percentuale delle varie frazioni in termini di solidi totali e volatili Sono state considerate cinque frazioni materiale putrescibile carta legno plastica ed inerti La presenza di importanti frazioni di materiali inerti confermata ampiamente da questi risultati circa il 40 del substrato sulla base dei TS praticamente inutilizzabile ai fini del processo di dige stione anaerobica non subendo alcuna trasformazione durante il processo Essi inoltre saran no presenti nel fango stabilizzato in uscita dal digestore pi difficile il possibile recupero agronomico Dal punto di vista della distribuzione merceologica dei TVS si nota co me circa 80 derivi dalla frazione putrescibil
94. ali con carichi di 2 4 kgVS m gior no e tempi di ritenzione di circa 30 giorni Il processo LINDE processo Linde per la digestione anaerobica ad umido brevettato dalla Linde KCA Dresden GmbH Germania utilizza digestori che operano con basso contenuto di solidi tanto in regi me mesofilo che termofilo E inoltre prevista la possibilit di operare con processi ad unico stadio o a doppio stadio Il processo si basa su una buona separazione degli inerti nella fase di preparazione grazie al ricorso a pulpers e vagli a tamburo che consento di rimuovere le frazioni inerti leggere carta e plastiche Il digestore viene miscelato attraverso il ricircolo del bio gas in un tubo posto al centro del digestore Il residuo solido presenta generalmente caratteri stiche tali da consentirne l utilizzo come materiale di partenza per il processo di compostag gio Attualmente operativo con frazione organica selezionata il solo impianto di Wels Austria che tratta 15 000 t anno di frazione organica putrescibile allo stato praticamente liquido in regime termofilo Pi diffusa l applicazione di questo tipo di processo per la co digestione un esempio di questa applicazione l impianto di Behringen Germania che tratta 10 000 t an no di rifiuti organici agro industriali e 13 000 t anno di residui zootecnici in un reattore termofilo Prossimamente dovrebbero entrare in funzione l impianto di Barcellona Spagna per il tratta mento di circa 140 000 t
95. all aumen tato carico di substrato da trattare che determina l accelerazione dei fenomeni idrolitici ed aci dogenici con conseguente sbilanciamento della catena trofica e variazione del sistema verso condizioni di basso pH a seguito dell esaurimento della capacit tamponante del mezzo Il valore di concentrazione degl acidi grassi volatili non va disgiunto dal dato della produzio ne del biogas e dalla sua composizione oltre che dai dati relativi a pH ed alcalinit Rapporto acidi grassi volatili alcalinit La concentrazione degli acidi grassi volatili e l alcalinit sono i due parametri che mostrano u na pi rapida variazione quando il sistema tende ad allontanarsi da condizioni di stabilit Dal momento che in caso di problemi la concentrazione degli acidi grassi tende ad aumenta re mentre l alcalinit tende a diminuire un utile parametro da considerare il rapporto tra queste due grandezze Gli acidi grassi al numeratore sono espressi in termini di acido acetico mentre l alcalinit viene espressa in termini di concentrazione del carbonato di calcio Valori del rapporto intorno a 0 3 indicano una operativit stabile del digestore mentre valori superiori possono indicare l insorgere di problemi di stabilit Produzione e composizione del biogas Il monitoraggio della quantit e della composizione almeno in termini di metano e biossido di carbonio do biogas di fondamentale importanza per il controllo della stabilit de
96. altre caratteristiche quali il grado di complessit delle catene polimeriche costituenti il substrato e le sue dimensioni granulometriche Hobson e Wheatley 1993 Ne consegue che la definizione di coefficienti particolarmente significativi piuttosto difficile Fermentazione acidogenica processo acidogenico descritto dal punto di vista cinetico attraverso il modello di Monod la cui relazione generale come gi visto 5 cL ou UU Kg tS dove u velocit di crescita dei microrganismi per una data concentrazione di substra to S tempo Umax massima velocit di crescita dei microrganismi tempo o concentrazione del substrato a contatto con i microrganismi massa volume T Ks coefficiente di semisaturazione corrispondente alla concentrazione di sub strato S alla quale la velocit di utilizzo del substrato per unit di massa di mi crorganismi pari alla met della velocit massima massa volume ky coefficiente di decadimento dei microrganismi tempo 1 In relazioni di questo genere S rappresenter di volta in volta i differenti substrati che possono essere utilizzati nel processo acidogenico zuccheri acidi grassi o aminoacidi La letteratura riporta per il processo acidogenico di zuccheri pi o meno complessi i seguenti valori dei coefficienti Gujer e Zender 1983 Noike et al 1985 Pavlostatis e Giraldo 1991 Angelidaki et al 1998 Umax 3 9 4 NK 24 120 g COD g CO
97. amento di materiali viscosi e le sue dimensioni non devono eccedere i due giorni di stoccaggio per evitare problemi di impaccamento e solidificazione della miscela LI a li i 5 au p 8 pa gt I L m 2540 87 88 Il fondo della vasca in cemento armato di contenimento deve essere impermeabilizzato e mu nito di pendenza per il recapito dei colaticci prodotti ad un pozzetto collegato alla rete acque di processo dell impianto Per l accumulo dei fanghi in alternativa allo stoccaggio in fossa possono essere utilizzati an che altri sistemi quali serbatoi fuori terra 4 3 2 Pretrattamento dei rifiuti Le operazioni di pretrattamento necessarie risultano differenti a seconda che vengano utilizza ti processi di digestione anaerobica del tipo a secco dry oppure ad umido wei Nel primo caso le operazioni sono di tipo tradizionale e non prevedono la diluizione in fase di selezione mentre nel secondo caso gi in fase di selezione si provvede alla miscelazione con acqua ed alla contemporanea separazione della frazione leggera plastica e pesante in par ticolari apparecchiature flottatori La scelta delle operazioni da eseguire la loro sequenza ed il tipo di apparecchiature da utiliz zare viene effettuata in relazione a e natura e caratteristiche del rifiuto in ingresso all impianto tipo di processo di digestione anaerobica adottato e qualit e destino dei materiali in uscita dall
98. ametri progettuali come il carico su perficiale ed il tempo di contatto Per quanto riguarda il primo aspetto il principio su cui si basa il biofiltro principalmente le gato alla possibilit di creare per i microrganismi in esso residenti un ambiente adatto alla lo ro sopravvivenza in termini di disponibilit di ossigeno adeguata temperatura pH umidit e presenza di nutrienti Ossigeno l ossigeno necessario ai batteri aerobici garantito dall apporto di aria presente nel composto odoroso che grazie alla struttura del mezzo filtrante caratterizzata da una bas sa perdita di carico porosit tra 80 e 90 rifornisce omogeneamente tutto il biofiltro Temperatura deve essere mantenuta tra i 15 e i 35 C osservando che in questo range si otten gono le pi alte velocit di degradazione pH il pH necessario per mantenere in vita tutte le specie batteriche deve essere mantenuto tra 7 e 8 5 facendo attenzione che la presenza di composti a carattere acido base HS ecc determina ampie variazioni di pH del mezzo filtrante e conseguenti problemi alla crescita microbica In alcuni casi per aumentare la vita del mezzo filtrante si usa tamponare il pH tra mite l aggiunta di calce calcare o agenti alcalini Umidit mantenere un grado di umidit elevato nel mezzo filtrante 50 70 indispensabile perch nel film acquoso che bagna e o umidifica il materiale si sciolgono le sostanze da depurare rendendosi cos disponibili per l
99. anico OLR kgTVS m d nei vari processi Mesofilia Termofilia nto Processo Processo Processo Processo Processo Processo umido semi umido secco umido semi umido secco Frazione organica selezionata meccani camente 2 6 4 6 8 6 9 2 5 6 20 9 15 Frazione organica da raccolta differenziata 2 3 3 4 4 6 2 5 4 10 6 9 Nella progettazione delle unit di digestione anaerobica necessario anche prestare dr lare attenzione agli aspetti costruttivi legati al sistema di caricamento e scaricamento della mi scela dal digestore ed alla movimentazione dei fanghi 99 100 Il sistema di caricamento scaricamento deve essere realizzato in modo tale che durante le fa si 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 per mettere il dosaggio del materiale digerito alla fase successiva del processo Deve essere previsto inoltre un sistema di controllo allo scarico che impedisca accidentali svuo tamenti del digestore Per quanto riguarda la movimentazione dei fanghi necessario utilizzare particolari accorgi menti tanto pi importanti quanto maggiore il contenuto di solidi nella massa in alimenta zione In particolare si possono fornire le seguenti indicazioni il diametro delle tubazioni deve essere sempre superiore
100. anno di frazione organica proveniente da sien differenziata e in Italia l impianto di Campo San Piero Padova in cui verr operata la co digestione di RU da raccolta differenziata residui zootecnici liquidi fanghi da trattamento acque reflue scarti ve getali per un totale di circa 100 000 t anno l impianto di co digestione opererd con un teno re in solidi dell 8 1025 TS in regime termofilo 55 C E inoltre prevista una fase di post com postaggio per una produzione complessiva di circa 12 000 t anno di compost maturo Zano vello et al 1998 Emm 00 E A ATA ge co M cis APPLICAZIONE INDUSTRI LL ESTIONE ANAEROBICA DEI 9 58 Il processo WAASA processo Waasa per il trattamento dei rifiuti urbani stato sviluppato dalla CITEC Environment International Ltd Finlandia l alimentazione dei digestori viene effettuata attraverso frazione organica selezionata meccanicamente con un contenuto in solidi nell intervallo 10 15 Il tem po di ritenzione varia dai 10 p del processo operato in regime termofilo fino ai 20 del processo operato in mesofilia A monte del digestore previsto un hydropulper che da omogeneizzatore del flusso influente A Waasa Finlandia in funzione dal 1989 un impianto per il trattamento integrato di fanghi e rifiuti solidi urbani che tratta annualmente 20 000 t di residui Un impianto simile stato rea lizzato presso Kil Svezia con una capacit di circa 3 00
101. apparecchiatura viene effettuata in funzione della granulometria delle particelle e dal grado di otf icienza che si vuole ottenere In ogni caso per il calcolo deve essere eseguito di volta in volta e non possibile stabilire a priori i parametri di dimensionamento 6 3 EMISSIONI ODOROSE Le emissioni odorose prodotte dagli impianti di trattamento di rifiuti urbani costituiscono uno dei fattori di maggior rilievo nella definizione degli impatti sull ambiente circostante l instaurarsi di processi di metabolismo aerobico e o anaerobico dei microrganismi responsa bili della biodegradazione del materiale organico produce un insieme di composti odorosi tra cui molecole sia inorganiche come l ammoniaca e l acido solfidrico sia organiche come gli a cidi organici volatili composti aromatici mercaptani e alchilsolfuri Le emissioni odorose vengono prodotte praticamente in tutti i reparti degli impianti di digestio ne anaerobica In particolare le principali fonti di odori sono e sostanze volatili prodotte nel corso dei processi fermentativi durante lo stoccaggio dei rifiu ti in attesa del trattamento e durante le fasi di pretrattamento e selezione sostanze volatili originate dalla sezione di metanizzazione sostanze volatili originate dal processo di post stabilizzazione aerobica e maturazione del la frazione organica digerita o del fango prodotto dalla digestione anaerobica loro controllo ed abbattimento pu essere effettuato attraver
102. arecchiature la descrizione per ogni apparecchiatura elettromeccanica delle operazioni necessarie per la corretta manutenzione ordinaria e programmata e la frequenza degli interventi richiesti gli accorgimenti da adottare in fase di esercizio delle apparecchiature allo scopo di evitare esplosioni incendi nonch dispersione di polveri odori e sostanze inquinanti ed il trasci namento di materiali leggeri per effetto del vento la dotazione tipologia e quantit dei materiali di consumo e delle parti di ricambio neces sari al regolare esercizio dell impianto le misure adottate per il contenimento degli impatti sull ambiente le modalit di fermata dell impianto le procedure per lo svuotamento e la bonifica dell impianto le procedure da adottare in caso di anomalie di marcia dell impianto le prescrizioni e le misure adottate presso l impianto per la prevenzione e la protezione dei lavoratori e per la gestione delle emergenze l indicazione dei dispositivi di protezione individuale che devono essere adottati sia dal personale addetto che dai visitatori e le modalit di corretto utilizzo degli stessi i piani di intervento ed evacuazione in caso di incendi esplosioni fughe di gas ecc l indicazione delle persone da contattare in caso di emergenza le istruzioni sugli interventi da effettuare in caso di allarme e di fermata di emergenza e per la messa in sicurezza dell impianto 139 6 Analisi degli elementi d impatto ambi
103. arie sezioni ed in particolare vagli mulini separatori dl e balistici pompe com pressori soffianti ventilatori motori endotermici macchine per movimentazione rifiuti etc Per l attenuazione dei livelli sonori nelle zone di lavoro e conseguentemente nell area esterna all impianto possono essere adottati una serie di accorgimenti quali l utilizzo di apparecchiature intrinsecamente silenziose l applicazione di rivestimenti e carenature il posizionamento dei macchinari su supporti antivibranti e o lubrificati l utilizzo di griglie fonoassorbenti per prese d aria esterne motori la completa chiusura degli edifici l impiego di portoni ad apertura chiusura rapida Qualora tali accorgimenti non siano sufficienti a garantire agli operatori condizioni di lavoro salubri necessario prevedere l adozione di adeguati dispositivi di protezione individuale D PI l obbligo di adozione di tali dispositivi deve essere opportunamente segnalato per tutte le apparecchiature o le zone dell impianto caratterizzate da elevati livelli di emissioni sonore Una ulteriore fonte di rumore non trascurabile legato all intenso traffico veicolare che pu assumere in questo tipo di impianti particolare rilevanza in relazione ai flussi attesi di materia le in ingresso ed in uscita 6 5 TRATTAMENTO REFLUI Nella progettazione di un impianto di trattamento rifiuti necessario prevedere delle opere per il controllo dell impatto ambientale derivante
104. as molto ricco di anidride carbo nica mentre gli altri componenti si degradano pi tardi con produzione di un biogas pi ricco in metano due parametri portata e concentrazione di CH variano in senso opposto durante il carica mento del digestore si ha una grande portata di biogas a basso contenuto di metano mentre lontano del caricamento durante il week end per esempio si ha una portata ridotta ma ricca di metano Il rendimento in biogas del processo espresso in termini di m kgTVS alimentati molto variabile e dipende dalla frazione Rea del substrato Infatti non tutta la sostanza organica presente nel digestore viene convertita in biogas ma solo una sua frazione come rappresen tato nella figura 4 3 che illustra la trasformazione del substrato durante il processo di dige stione anaerobica Nella tabella 4 7 sono riportati i dati di rendimento in biogas disponibili in letteratura relativi ai diversi substrati ed ai differenti tipi di processo distinti in base al contenuto in solidi nel reat tore ed al diverso regime termico Prima Dopo Digestlone Digestlone RIFIUTI DIGERITO DILUENTE SECCA AT ni Figura 4 5 Trasformazione del substrato nel digestore DIGESTIONE ANAEROBICA Tabella 4 7 Valori del rendimento di biogas m kgTVS al nei vari processi Substrato Processo Processo Processo Processo Processo Processo umido semi umido secco umido semi umido secco Frazione organica seleziona
105. ase dei parametri ope rativi carico organico applicato tempi di ritenzione e temperatura sia sulla base delle rese di 53 54 processo produzione specifica di biogas velocit di produzione di biogas e riduzione della sostanza volatile contenuta nel rifiuto trattato La produzione specifica di biogas un parametro molto importante e che viene generalmente assunto quale indice di confronto tra differenti tipologie di processo ma che risente fortemente delle caratteristiche del substrato trattato E per esempio dimostrato che nel periodo estivo quando sono maggiori le quantit di rifiuto proveniente dallo sfalcio di giardino e dal verde pubblico le rese in termini di biogas si riducono drasticamente da 320 a 170 m kgVS con u na riduzione di sostanza volatile dal 75 al 40 Saint Jolly et al 2000 Ci a causa dell in cremento nel contenuto in lignina e cellulosa nel substrato trattato Analogamente differenze in termini di produzione di biogas sono riportate da Pavan et al 2000a quando si tratta ri fiuto organico separato alla fonte rispetto a quello separato meccanicamente Il secondo infat ti molto pi ricco di materiali non biodegradabili o lentamente biodegradabili e pertanto la pro duzione di biogas risulta inferiore 3 2 PROCESSI DI DIGESTIONE A FASE UNICA diversi processi a fase unica di digestione anaerobica della frazione organica dei RU corri spondono essenzialmente alle diverse soluzioni tecnologiche e di
106. ateria secca volatile si trasforma in biogas e quindi fuoriesce dal digestore mentre nella massa rimane un fango pi liquido che all in gresso con valori di sostanza secca dell ordine del 20 2575 per i processi a secco e del 5 10 per i processi liquidi costituito dalla materia non digerita e dalla maggior parte del l acqua Tale fango deve essere sottoposto ad un trattamento di disidratazione al fine di ottenere un rodotto pi concentrato circa 45 di materia secca avente caratteristiche fisiche compatibi F con la successiva fase di stabilizzazione aerobica A seconda della qualit dei rifiuti trattati del tipo di processo secco semi secco o liquido e del destino della materia stabilizzata il sistema di disidratazione dei fanghi digeriti pu essere realizzato mediante pressa a vite centrifuga o nastropressa oppure mediante una opportuna combinazione di queste apparecchiature La scelta deve essere fatta in funzione della granulometria delle particelle dure del tenore in ma teria secca del materiale da inviare alla iii aerobica e del tenore in materia secca dell acqua di processo in relazione con il suo destino In tabella 4 9 sono riportate le caratteristiche delle apparecchiature citate in termini di percen tuale di materia secca ottenuta nelle due frazioni separate Tabella 4 9 Caratteristiche delle apparecchiature di disidratazione Tipo di macchina MS frazione secca MS frazione liquida Pressa a vite 40
107. attore presenta ge neralmente un tenore in solidi pari al 35 Lo stadio di idrolisi avviene in condizioni micro ae robiche In questo modo lo stadio di idrolisi risulta molto accelerato anche se parte del COD so lubile prodotto viene utilizzato da microrganismi aerobi per la loro crescita Dopo due giorni di pre trattamento il materiale idrolizzato viene inviato ad un reattore ad asse orizzontale che o pera con tempi di ritenzione di 25 giorni ad una temperatura di 55 C con un tenore in solidi nel reattore del 22 l ambiente di reazione pu essere anche mesofilo l avanzamento del materiale all interno del reattore ottenuto per mezzo di numerosi agitatori posti lungo l asse orizzontale del reattore stesso l impianto con processo BRV di Heppenheim Germania tratta 33 000 t anno di frazione or ganica da raccolta differenziata d opera con OLR fino a 8 kgVS m d Oltre all impianto di Heppenheim Germania sono operativi l impianto di Baar presso Zurigo Svizzera che tratta 18 000 t anno di frazione organica e quello di Lerngo Germania con potenzialit di 38 000 t anno di frazione organica Sono poi in costruzione gli impianti di Valence Francia e Valladolid Spagna Quest ultimo con potenzialit di 15 000 t anno di frazione organica da selezione meccanica Il processo Schwarting Uhde Questo tipo di processo sfrutta reattori con flusso a piste in serie operanti in termofilia 55 C in cui il rifiuto separato alla fonte vie
108. babilmente l informazione pi importante che si deve acquisire in quanto condizione indispensabile per poter scegliere in modo corretto il sistema di trattamento e o smaltimento pi valido dimensionarlo in modo opportuno programmare iniziative di raccolta differenziata e verificare quelle esistenti Spesso la composizione merceologica assunta quale dato di input per la progettazione degli im pianti di trattamento non sufficientemente rappresentativa delle Lara dei rifiuti del ba cino A volte risale a periodi molto antecedenti la realizzazione degli impianti in altri casi non essendo disponibili dati recenti relativi al bacino in esame vengono utilizzate informazio ni estrapolate da bacini limitrofi aventi caratteristiche non del tutto assimilabili a quello su cui vie ne eseguita la pianificazione Queste situazioni hanno determinato in passato seri problemi in termini di verifica delle rese ga rantite dagli impianti con evidente ripercussione sulla loro funzionalit Pertanto necessario che le analisi per la determinazione delle caratteristiche qualitative del rifiuto siano eseguite con estrema cura e su campioni statisticamente significativi al fine di co gliere le variazioni dovute a fattori temporali e territoriali l individuazione del campione statisticamente rappresentativo dell intero territorio deve essere effettuata tenendo conto delle seguenti variabili aspetti demografici e morfologia alle caratteristiche degl
109. bica dei rifiuti urbani 3 1 STATO DELL APPLICAZIONE INDUSTRIALE DELLA DIGESTIONE ANAEROBICA IN EUROPA Comitati scientifici dei due simposi internazionali sulla digestione anaerobica di rifiuti solidi tenutisi a Venezia nel 1992 e a Barcellona Spagna nel 1999 ritengono che la digestione a naerobica della frazione organica dei rifiuti urbani sia una tecnologia ormai divenuta in am bito europeo nota ed affidabile Cecchi et al 1992 Verstraete et al 2000 Un analisi del l applicazione del processo di digestione anaerobica della frazione organica stata recente mente condotta da De Baere 2000 Egli ha preso in considerazione camere impianti euro pei che siano divenuti operativi nell arco degli ultimi 10 anni e che abbiano potenzialit supe riore alle 3 000 tonnellate anno Su queste bos la ricerca ha evidenziato che sono attualmen te operanti in Europa 53 impianti per una potenzialit di trattamento totale di 1 037 000 ton nellate anno Di questi impianti 30 operano in Germania e gli altri per lo pi in Olanda Bel gio Svizzera e Francia Occorre per evidenziare che gli impianti tedeschi trattano 450 000 tonnellate anno mediamente 15 000 tonnellate anno mentre gli impianti costruiti in Olan da Belgio e Francia trattano mediamente 30 000 50 000 tonnellate anno nove impianti realizzati in Svizzera sono invece dedicati al servizio di piccole comunit e trattano complessi vamente 78 500 tonnellate anno Tutto ci met
110. bility Wat Sci Tech 40 64 72 Pavan P Battistoni P Traverso P Musacco A Cecchi F 1998 Effect of addition of anaero bic fermented OFMSW on biological nutrient removal process preliminary results Wat Sci Tech 38 1 327 334 Pavan P Musacco A Cecchi F Bassetti A Mata Alvarez J 1994 Thermophilic semi dry a naerobic digestion process of the organic fraction of MSW during transient conditions Envi ronmental Technology 15 123 133 Pavan P Traverso P G Battisti P Cecchi F and Mata Alvarez J 2000b Two phase anae robic digestion of source sorted OFMSW performance and kinetic study Wat Sci Tech 41 3 pp 111 118 Pavlostathis S G Giraldo Gomez E 1991 Kinetics of Anaerobic Treatment A Critical Re view Crit Rev Environ Control 21 5 6 411 490 Penaud V Delgenes Jp Moletta R 1999 Thermochemical pretreatment of a microbial bio mass influence of sodium hydroxide addition on solubilization and anaerobic biodegradabi lity Enzyme and Microbial Technology 25 3 5 258 263 Rademacher H Zobel T Pascik I and Kery 1999 Enzyme supported digestion of munici pal sludges at the wastewater treatment plant Aachen Soers In proceedings of Il International Symposium on Anaerobic Digestion of Solid Waste 15 17 June 1999 Barcelona Spain Rimkus R R Ryan J M Cook E J 1982 Full scale thermophilic digetion at the west south west sewage treatment works Chicago
111. brano essere un fattore determinante nelle scelte delle Aziende dal momento che risultano incrementate anche le rese in termini di biogas prodotto e le velocit del processo Al momento non appare chiaro quale sar l andamento in un prossimo futuro in quanto la capacit annuale di trattamento per i due processi al quanto variabile Un altro sla interessante quello tra i processi ad umido wet e a secco dry oS a m F FT i m JA f Ip Z 5 D m A si L 1 5 y le oo LI pf ug nl Im Ea BE Dm ce de TS AES comi APPLICAZIONE INDUSTRIALE DELLA DIGESTIONE ANAEROBICA DEI RIFIUTI URBANI m un BLL ci O nup 71 ae son lt lho KT 31 gr 97 34 35 Lr 87 rd L 2Db0E 198 Burns Figura 3 4 Sviluppo temporale dei processi ad una e a due fasi De Baere 2000 20 46 01 i t anno LOD BURIN nni enn 208000 4 cP ha 19238 BIRIFITTI ZDOLIDI CODICEG3TIDHE Figura 3 5 Incidenza della co digestione sulla capacit totale di trattamento De Baere 2000 La figura 3 3 evidenzia come i processi dry siano andati via via imponendosi col passare del tempo anche se nell ultimo anno 2000 gli impianti operanti ad umido hanno avuto una ri presa Un ult
112. ca di raccolta e quando non riutilizzabili all interno del processo opportunamente trattate generalmente in sieme alle acque di processo in un depuratore dedicato interno all impianto oppure in un de puratore esterno La vasca di raccolta deve essere dimensionata in modo tale da accogliere i primi 3 5 mm di piog gia considerando che tale battente sufficiente a dilavare la zona asfaltata dell area di im pianto e quindi a rimuovere il carico inquinante su essa insistente Le acque meteoriche di seconda pioggia invece devono essere avviate allo scarico in rete fo gnaria in corso d acqua superficiale o attraverso l utilizzo di pozzi perdenti reflui civili devono essere collettati con rete fognaria dedicata alla pubblica fognatura od in al ternativa avviati ad un impianto di depurazione prima dello scarico finale Le acque di processo prodotte dagli impianti di digestione anaerobica sono costituite essen zialmente da percolati prodotti nelle aree adibite allo stoccaggio dei rifiuti percolati prodotti nelle aie di stabilizzazione aerobica acque di odio degli ambienti di lavoro soluzioni acquose provenienti dal trattamento ad umido delle emissioni gassose acque provenienti dalla disidratazione del fango digerito condense ottenute dal trattamento del biogas reflui da laboratorio di analisi Tali reflui devono essere raccolti in apposite vasche interrate o serbatoi fuori terra i cui requisi ti tecnici minimali devono esse
113. cc o di provenienza dome stica paragrafi seguenti prendono in esame queste due matrici mettendo in luce le principali diffe me dude hd e biologiche 2 1 1 La frazione organica da selezione meccanica La selezione meccanica della frazione organica stata utilizzata in maniera abbastanza este sa nel nostro paese durante gli ultimi 20 anni con il duplice scopo di ottenere una frazione or ganica con buone caratteristiche di putrescibilit ed una frazione di materiale ad alto potere ca lorifico da utilizzare come combustibile CDR combustibile derivato dai rifiuti Gli impianti di selezione in grado di produrre questo materiale possono essere suddivisi essen zialmente in tre categorie CITEC 2000 secondo quanto riportato in tabella 2 3 Le caratteristiche della frazione organica da selezione meccanica sono influenzate dal tipo di impianto di produzione oltre che ovviamente dalla qualit del materiale in ingresso e pur troppo non sono disponibili in letteratura molti dati di caratterizzazione di queste matrici Si ri portano di seguito i dati relativi al prodotto ottenuto da una linea di selezione classificabile co me impianto complesso in cui la sequenza di operazioni adottata prevede molti passaggi e la raffinazione ottenibile dei materiali relativamente elevata nel contesto della selezione mec canica Lo schema di figura 2 1 illustra il funzionamento dell impianto Il substrato ottenuto in uscita dalla linea di s
114. cess sludge in downflow stationary fixed film digesters In pro ceedings of Il International Symposium on Anaerobic Digestion of Solid Waste Barcelona 15 17 June 1999 Federambiente 1997 www federambiente it Genon 1993 Processi biologici industriali Clut Editore Torino 223 Gourdon R Vermande P 1987 Effects of propionic acid concentration on anaerobic digestion of pig manure Biomass 13 1 12 Gujer Zehnder 1983 Conversion processes in anaerobic digestion Wat Sci Tech 15 127 167 Harper S R Pohland FG 1986 Recent developments in hydrogen management during a naerobic biological wastewater treatment Biotechnol Bioeng 28 585 602 Hilton B L Oleszkiewicz J A 1988 Sulfide induced inhibition of anaerobic digestion Jour nal of Environmental Engineering 114 6 1377 1391 Hobson P N and Wheatley A D 1993 Anaerobic Digestion Modern Theory and Practice Elsevier Science Publishers LTD Barking U K IRSA CNR 1982 Quaderno 55 153 154 IRSA CNR 1995 Metodi analitici per le acque Kaspar H F Wuhrmann 1978 Product inhibition in sludge digestion Microbial Ecology 4 241 248 Khan Y Anderson G K and Elliott D J 1999 Wet oxidation of activated sludge Wat Res 33 No 7 pp 1681 1687 Kubler H Hoppendeidt K Horsch P Kottmair A Nimmrichter R Nordsieck H Mucke W Swerev M 1999 Full scale co digestion of organic waste In Proc Il
115. cesso liquido LA PROGETTAZIONE DEGLI US TI EI RIFIUTI RIFIUTI ORGANICI SELEZIONATI metalli 0 1 PRETRATTAMENTO lo scarti 0 5 FANGHI PREPARAZIONE opzione DEL SUBSTRATO DILUENTI metalli 0 1 scarti 0 2 COMPOST DI QUALITA 25 35 Figura 4 9 Bilancio di massa di un impianto per rifiuti organici selezionati con processo liquido DI DIGESTIONE ANAEROBICA 113 114 ria organica degradabile variabile Nelle figure da 4 6 a 4 9 sono riportati degli esempi in dicativi di bilanci di materia validi ae impianti di digestione anaerobica a secco e ad umido di rifiuti urbani e di rifiuti organici selezionati 4 11 BILANCIO ENERGETICO DELL IMPIANTO Un impianto di media potenzialit utilizza circa un quarto dell energia prodotta per far fronte agli autoconsumi costituiti essenzialmente dal riscaldamento delle unit di digestione In tabella 4 11 riportato un esempio di bilancio energetico riferito ad un impianto di 15 000 t a di rifiuti fermentescibili operante con processo termofilo popolazione interessata circa 100 000 abitanti Tabella 4 11 Esempio di bilancio energetico Produzione di biogas 5 700 m g 139 Nm t Energia disponibile 33 000 kWh g 805 kwh t Potenza centrale elettrica 414 kwe Produzione elettricit 10 300 kWh g di cui consumo processo 2 800 kWh g 8 di cui eccesso valorizzabile 7 500 kWh g 2396 Produzione calore 18 300 kWh
116. chema di flusso quantitativo dei diversi cammini metabolici del processo di digestione anaero bica Metcalf e Eddy 1991 La tabella 1 1 riporta a titolo di esempio i principali microrganismi acetotrofi coinvolti nella bio degradazione Tabella 1 1 Microrganismi acetotrofi isolati in coltura pura Vallini et al 1987 Microrganismo Substrato utilizzato Methanosarcina barkeri Acetato metanolo ammine metilate Methanosarcina ceppo TM 1 Acetato metanolo ammine metilate Methanococcus mazei Acetato metanolo ammine metilate Methanotrix soehngenii Acetato ll pi importante dei fattori che controllano la possibilit di utilizzo dell acetato da parte dei batteri metanigeni rappresentato dalla forma chimica con cui tale substrato presente nel mezzo In particolare si ha che se presente in forma indissociata CH COOH l acido acetico pu attraversare la membrana batterica e risultare quindi utilizzabile questo fenomeno favorito in un intervallo di pH piuttosto ristretto generalmente compreso tra 6 ed 8 A pi elevati valo ri di pH nel mezzo l acido acetico presente per lo pi nella forma dissociata ne deriva che la concentrazione della forma indissociata nel mezzo non sufficiente a garantire un gradiente di concentrazione tale da consentire il trasporto trans membrana del metabolita Nel caso di ambienti caratterizzati da pH relativamente bassi inferiori a 5 si ha una elevata
117. co a raso Dal reparto ricezione i rifiuti vengono alimentati al reparto pretrattamento nel quale vengono sottoposti ad una serie di operazioni atte a consentire l eliminazione delle componenti indesi derate per la successiva fase di digestione anaerobica quali ad esempio inerti e plastiche La sequenza e la tipologia delle operazioni di pretrattamento dipender sia dalla natura del rifiu to in ingresso sia dalle caratteristiche del processo di digestione che verr adottato rifiuti cosi pretrattati sono avviati al reparto preparazione del substrato dove subiscono una o mogeneizzazione viene regolato il loro contenuto di umidit attraverso miscelazione con acqua di ricircolo o fanghi ed eventualmente viene eseguita una correzione della temperatura in mo do da ottenere una miscela con caratteristiche incide ottimali per poter essere alimen tata nei digestori Il reparto di digestione anaerobica costituito da una serie di unit di processo digestori in cui avviene in condizioni controllate la degradazione della sostanza organica e la produzione di biogas biogas prodotto contenente circa il 50 60 di metano viene depurato e avviato al reparto di produzione di energia elettrica e o termica che in parte utilizzata per gli autoconsumi del l impianto ed in parte commercializzata all esterno sotto forma di energia elettrica o termica Il fango digerito viene estratto dalle unit di digestione anaerobica ed inviato al reparto di
118. concentrazione di acido indissociato che attraversa la membrana cellulare e la concentrazione dell acido acetico pu risultare superiore alle capacit di metabolizzazione cellulare con con seguente inibizione da eccesso di substrato 1 2 BIOCHIMICA E CHIMICA FISICA DEL PROCESSO DI DIGESTIONE ANAEROBICA 1 2 1 Biochimica del processo La degradazione di substrati organici ha il duplice fine di ricavare l energia necessaria per il me tabolismo batterico catabolismo sotto forma di energia chimica di ossidazione e in misura molto minore di sintetizzare nuove cellule anabolismo Mentre i microrganismi aerobi utilizzano ossigeno molecolare come accettore finale di elettro ni nei processi ossidativi della sostanza organica i microrganismi anaerobi utilizzano altra sostanza organica l ossidazione avviene essenzialmente a causa della perdita di una coppia di atomi di idrogeno da parte della sostanza organica ossidata deidrogenazione l idroge no viene quindi trasferito alla specie ossidante accettore di idrogeno l ossidazione di composti organici in ambiente anaerobico catalizzata da enzimi ed avviene grazie all intervento di coenzimi come NAD nicotinamide adenina dinucleotide forma ossidata ed NADP nicoti namide adenina dinucleotide fosfato forma ossidata Stafford et al 1980 NAD 2 H A NADH NADP 2 H NADPH H l accettore finale dell H non per il coenzima che viene riossidato e quindi rigene
119. crorganismi tempo 5 concentrazione del substrato a contatto i microrganismi massa volume Ks coefficiente di semisaturazione corrispondente alla concentrazione di sub strato S in corrispondenza della quale la velocit di utilizzo del substrato per u nit di massa di microrganismi pari alla met della velocit massima mas sa volume l concentrazione della specie inibente a contatto con i microrganismi massa volume K coefficiente di semisaturazione corrispondente alla concentrazione di iniben te 1 in corrispondenza della quale la velocit di utilizzo del substrato per unit di massa di microrganismi pari alla met della velocit massima massa vo lume ll processo metanigeno operato dai batteri idrogenotrofi del tipo di Monod a due substrati S e S che rappresentano rispettivamente la concentrazione di idrogeno e di biossido di carbo nio l espressione sar quindi 8 S na i Repth Ke Ay 15 16 dove u velocit di crescita dei microrganismi per una data concentrazione di substra to S tempo Umax massima velocit di crescita dei microrganismi tempo 9 concentrazione dell idrogeno a contatto con i microrganismi massa volume S concentrazione del biossido di carbonio a contatto con i microrganismi mas sa volume Ks coefficiente di semisaturazione corrispondente alla concentrazione di sub strato S alla quale la veloc
120. dai reflui prodotti all interno dell area in cui collocato l impianto Tali reflui possono essere distinti nelle seguenti tipologie e acque meteoriche acque chiare provenienti da feti strade e piazzali acque da uso civile acque nere acque provenienti dal ciclo produttivo acque grigie acque di processo acque da lavaggio automezzi Al fine di limitare possibili inquinamenti del terreno e della falda idrica tutti i reflui prodotti de vono essere raccolti e pri e ad un opportuno trattamento prima dello scarico finale A ta le scopo devono essere adottati particolari accorgimenti nella realizzazione di tutta l area coinvolta dall impianto In particolare tutte le zone di movimentazione e stoccaggio esterne devono essere asfaltate e dre nate in maniera tale da ridurre il pericolo di dispersione sul terreno di acque contaminate Laddove particolari condizioni a lo richiedano si dovr provvedere alla realiz zazione di una impermeabilizzazione Le aree asfaltate dovranno essere realizzate con pendenze tali da garantire il deflusso delle acque alle griglie ed ai pozzetti di raccolta che saranno collegate tramite rete fognaria alle va sche di stoccaggio Anche le superfici interne destinate a zone di movimentazione stoccaggio e trattamento devo i am e mh cO Jis P n Lal N uibs a zs s 1 da rm un 4 aoe NL x ua Ee E
121. devono essere preferibilmente coperte per evitare possibili alterazioni e specialmente nella stagione invernale il dilavamento a causa delle frequenti precipitazioni Le dimensioni della sezione di stoccaggio finale e le distanze dai cumuli lu ono essere tali da garantire la circola zione ed il movimento degli automezzi adibiti alle operazioni di prelievo e scarico dei materiali stessi Tabella 4 10 Parametri di dimensionamento delle linee di trattamento Numero di giorni Portata media Potenzialit t a di funzionamen Numero di linee Numero di turni della linea h to anno lt 25 000 212 1 15 20 25 000 100 000 312 142 142 20 30 gt 100 000 312 2 1 2 30 35 4 9 DIMENSIONAMENTO DELLA LINEA Il dimensionamento della linea viene di norma effettuato tenendo in considerazione la portata di trattamento giornaliera dei rifiuti in ingresso all impianto e la loro composizione merceolo gica Di norma si preferisce adottare potenzialit orarie delle linee di trattamento non eccedenti le 30 35 t h ricorrendo alla realizzazione di pi linee o in alternativa allo svolgimento di pi turni di trattamento La portata di ingresso dell impianto deve tener conto di un fattore di sovraccarico minimo del 20 In tabella 4 10 vengono riassunti alcuni parametri caratteristici da utilizzare per l individuazione del numero e per il dimensionamento delle linee di trattamento 4 10 BILANCIO DI MASSA DELL IMPIANTO Il bilancio di massa pe
122. dizioni operative applicate dato dai dati riportati in tabella 5 7 relativa al processo semi dry termofilo 121 122 Tabella 5 7 Variazioni di alcalinit in diverse condizioni operative Cecchi et al 1991 1993 Condizione 6 HRT d 14 6 11 7 TES 9 4 7 8 6 1 OLR kgTVS m d 5 9 6 9 97 10 7 19 5 199 TA 6 gCaCO l 2 9 2 4 3 2 32 3 0 2 4 4 gCaCO l 6 0 5 0 6 8 7 2 6 9 7 6 TA A TA 6 gCaCO l Sl 2 6 3 6 4 0 39 5 2 In termini assoluti l effetto derivante dall aumento del carico su questo parametro quello di un aumento del valore registrato a pH 4 da 6 a 7 6 gCaCO l indice di un aumento del potere tam onante mentre il vore a pH 6 rimane pressoch costante Ne deriva un aumento della dif tra i due valori parametro che come gi accennato pu essere messo in relazione con la quantit di acidi grassi volatili nel reattore Considerando effetto della temperatura i valo ri riportati in tabella 5 8 indicano che il passaggio da condizioni mesofile a termofile induce u na riduzione del valore del parametro sia quello registrato a pH 6 che a pH 4 Tabella 5 8 Variazioni di alcalinit tra regime mesofilo e termofilo Cecchi et al 1993 Mesofilia Termofilia TA 6 gCaCO l 4 8 2 7 4 gCaCO l 8 8 6 0 TA 6 TA 4 gCaCO l 4 0 sal l aumento della biodegradabilit del substrato induce un effetto simile a quello dell aumento del carico determinando l incremento della disponibilit d
123. dustriali e la frazione organica di rifiuti urbani 1 1 1 Fasi del processo di digestione anaerobica La conversione di substrati organici complessi in metano avviene come accennato attraverso una catena trofica anaerobica Ad essa partecipano almeno tre gruppi metabolici distinti di microrganismi che si differenziano sia per i substrati che per i prodotti del loro metabolismo 3 Fasi della digestione anaerablca Macro molecale organlche Batten idrolitici Balleri fb Acidi organici Alcools Batien acetogeni Batteri Figura 1 1 Schema generale del processo di digestione anaerobica Principali 20 fermentativi 4 Batteri idrogenofili C Metanogenes D acetoclasti 72 28 ceppi batterici Ballerciad Anaerpvibrio Baciius Selonnmmmas Clostridium Fiurrrcococcus Duio virg SETORAN AS ANION abati Ecbeaciorurn Matresncaancina Matancthrix m Melariococcus Ne J LI m a n i Irt T i I AL 1 4 _ di EEG oe Pa i i z 1 0 I i2 IE P Wt een Pg L IL PROCESSO DI DIGESTIONE ANAEROBICA ELEMENTI DI BASE Il processo biodegradativo si compone delle seguenti fasi una prima fase di idrolisi dei substrati complessi accompagnata da ac
124. duzione pro capite su base nazionale risulta pari a 491 75 kg abitante per anno 1 347 kg abitante per giorno al di sotto della media europea di 507 kg abitante per anno Tabella 2 1 Rifiuti Urbani produzione totale e pro capite 1998 1999 Produzione e Pro capite di Rifiuti Urbani 1998 1999 REGIONE produzione t anno pro capite produzione t anno pro capite kg ab anno kg ab anno Piemonte 1 915 947 06 446 81 2 006 853 40 468 07 Valle d Aosta 60 317 89 502 68 62 614 47 520 30 Lombardia 4 057 271 70 449 36 4 279 974 33 472 12 Trentino Alto Adige 510 041 80 548 68 508 271 86 542 88 Veneto 2 024 520 40 451 14 2 112 601 32 468 25 Friuli Venezia Giulia 540 700 16 456 7 572 479 90 483 04 Liguria 869 445 04 532 57 898 758 00 5527 Emilia Romagna 2 267 077 OO 572 53 2 413 949 06 606 35 Toscana 1 965 042 63 556 9 2 105 665 32 595 43 Umbria 431 205 00 517 86 422 107 94 505 22 Marche 736 230 00 505 84 761 010 61 520 89 Lazio 2 708 378 57 515 39 2 779 685 84 528 05 Abruzzo 544 934 71 426 62 608 994 94 476 14 Molise 111 558 24 339 1 13927773 347 36 Campania 2 456 081 24 424 2 561 545 68 443 10 Puglia 1 448 566 96 354 48 1 802 607 69 441 25 Basilicata 233 397 23 383 97 218 822 06 360 98 Calabria 736 900 13 356 9 821 128 97 400 46 Sicilia 2 480 571 23 486 55 21352 726 72 501 74 Sardegna 747 538 70 451 83 760 185 54 460 19 Italia 26 845 725 71 465 97 28 363 913 58 491 75 Il quadro di dettaglio relativo alla raccolta differenziata nel nostro P
125. e dX dS y KE di di dove dX dt velocit di crescita dei microrganismi massa volume tempo Y coefficiente di rendimento di crescita massa massa microrganismi formati substrato utilizzato dS dt velocit di utilizzazione del substrato da parte dei microrganismi massa vo lume tempo ky coefficiente di decadimento dei microrganismi tempo 1 X concentrazione di microrganismi massa volume Per quanto concerne la velocit di utilizzazione del substrato possibile fare riferimento a di versi modelli sostanzialmente dipendenti dal percorso metabolico di utilizzazione E frequente il ricorso al modello cinetico di Michaelis Menten o di Monod l uno derivato teo ricamente sulla base di alcune assunzioni inerenti le cinetiche enzimatiche e l altro osservato L LEE n ni zal pa i L ni Lia er iL 7 I E PELO c IL PROCESSO DI DIGESTIONE ANAEROBICA ELEMENTI DI BASE sperimentalmente relativi all utilizzo di substrato secondo un modello saturazionale ed espri mibile analiticamente attraverso la relazione generale the 5 dove dS dt velocit di utilizzazione del substrato da parte dei microrganismi massa vo lume tempo Ku massima velocit di utilizzo del substrato per unit di massa di microrganismi tempo X concentrazione di microrganismi massa volume 5 concentrazione del substrato a contatto con i microrganismi massa volume T K
126. e a conferma del fatto che le rimanenti frazioni sono coinvolte poco o nulla nel processo biologico Tabella 2 5 Caratteristiche merceologiche della frazione organica da selezione meccanica risultati so no espressi come contributi in TS e TVS di ciascuna frazione al totale TS TVS Putrescibile 59 0 78 0 Carta 4 6 Fal Legno I 2 2 Plastica 1 8 3 4 Inerti 33 5 DES Totale 100 0 100 0 inerti piusisca B purrescihile 59 Figura 2 2a Ripartizione percentuale dei TS nella frazione organica da impianto a tecnologia complessa 39 40 E inerti BI piastra amp z25 iaria Bl putrescitile Figura 2 2 Ripartizione percentuale dei TVS nella frazione organica da impianto a tecnologia complessa La tabella 2 6 riporta una sintesi dei risultati ottenuti con una linea di selezione mediamente com plessa operante in tempi diversi con vaglio a maglie pi strette e pi larghe Riguardo al rifiuto ottenuto con il vaglio a maglie pi strette i dati haa indicano che es so presenta caratteristiche confrontabili con quelle relative alla frazione organica da selezione meccanica di altri impianti In particolare si confrontino i dati con quelli relativi all impianto complesso Tabella 2 6 Caratterizzazione chimico fisica del rifiuto proveniente da impianto di tipo semplice media mente complesso TCOD Kg02 Kg Vaglio a mag
127. e al fine di consenti re lo svolgimento delle operazioni di pulizia e di manutenzione ordinaria e straordinaria Regolazione della temperatura La miscela da degradare deve essere portata alla temperatura richiesta dal particolare pro cesso utilizzato La regolazione termica pu essere realizzata sia all esterno che all interno del digestore Nel primo caso viene generalmente riscaldata l acqua di diluizione o la miscela stessa tramite scambiatori di calore Nel caso di riscaldamento interno invece possibile ricorrere oltre che all utilizzo di scambiatori di calore anche all iniezione diretta di vapore nel digestore In questo caso occorre effettuare una vivace miscelazione per prevenire il surriscaldamento del fango e lo shock termico dei batteri che pu causare la loro completa inibizione 4 4 DIMENSIONAMENTO DEI REATTORI PER LA DIGESTIONE ANAEROBICA DELLA FRAZIONE ORGANICA SELEZIONATA Il dimensionamento di un digestore pu essere condotto a partire da due logiche differenti o con siderando i parametri cinetici approccio tipicamente utilizzato per il dimensionamento dei reattori per biotecnologie ovvero basandosi su criteri semplificati quali i fattori di carico ed i parametri operativi Nel caso di digestori per substrati complessi come la frazione organica dei rifiuti urbani l approccio generalmente utilizzato il secondo l approssimazione legata a questa logica ampiamente inferiore all intervallo operativo che l elastici
128. e che darebbero problemi agli organi di miscelazione nel reattore Anche in questo processo come nei processi di tipo wet si osserva la formazione di tre fasi di stinte all interno del reattore anche se in generale il fenomeno meno accentuato Sar co munque necessario prevedere di tanto in tanto lo svuotamento e la pulizia del fondo del reat fore Il sistema di miscelazione generalmente garantito da miscelatori meccanici che possono essere coadiuvati da lance a gas che provvedono a ricircolare il biogas prodotto per incre mentare l efficienza di miscelazione Cozzolino et al 1992 Pu essere inoltre previsto il ricircolo del materiale presente nel digestore inviato alla caldaia e poi reimmesso nei dige stori Farneti et al 1999 principali vantaggi e svantaggi del processo semi dry sono ri chiamati in tabella 3 4 Il principale vantaggio economico di questo tipo di processo consiste nella possibilit di ricor rere a mezzi di pompaggio e miscelazione ampiamente diffusi sul mercato e quindi disponibi li a basso costo Per contro devono essere previsti maggiori costi di investimento per la fase di pre trattamento specialmente se il rifiuto viene conferito tal quale all impianto Le volumetrie del reattore sono minori rispetto ai sistemi wet ma comunque superiori a quelle dei sistemi dry Complessivamente quindi i costi di investimento per i sistemi semi dry e dry risultano con frontabili Dal punto di vista ambientale un
129. e del biogas nell intervallo 1 2 2 2 m m d Ku bler et al 2000 Numerose sono le applicazioni di questo processo specialmente in Germania sia per il tratta mento di rifiuti organici civili che industriali o id Tra gli impianti che trattano fra zione organica proveniente da raccolta differenziata si segnalano quelli di Karlsruhe Wa dern Lockweiler Mulheim Erkheim Dietrichsdorf e Warden Lockweiler in Germania ed Elsi nore in Danimarca Questi hanno potenzialit nell intervallo 10 000 25 000 t anno e trattano per lo pi frazione organica da raccolta differenziata Il pi grande degli impianti attualmente operativi quello di Newmarket Canada che presenta una potenzialit di 150 000 t anno e tratta frazione organica da rifiuti urbani rifiuti organici agricoli e fanghi In Italia attualmente in costruzione un impianto per il trattamento di 40 000 t anno di frazio ne organica e fanghi a Villacidro presso Cagliari Bozano Gandolfi e Wiljan 1999 Il processo Biopercolat Nel caso del processo Biopercolat brevettato dalla Wehrle Werk AG Germania il primo step viene condotto in microaerofilia in regime dry questo viene inoltre ricoperto di percolato ricircolato con acqua di processo al fine di accelerare il processo idrolitico Edelmann et al 1999 Wellinger et al 1999b Il percolato risultante presenta concentrazioni di circa 100 gCOD litro e viene alimentato ad un digestore anaerobico con flusso a piste dotato di mate
130. e di idrolisi ed acidificazione acidi volatili essenzialmente propionato e butirrato ma anche alcoli i batteri acetogeni producono acido acetico acido formico CO ed Angelidaki et al 1998 hanno riportato che due differenti meccanismi devono essere considerati a seconda che la degradazione avvenga a partire da a cidi grassi a catena lunga LCFA long chain fatty acids o a catena corta SCFA short chain acids o VFA volatile fatty acids In generale si definiscono acidi grassi a catena lunga quelli con pi di 5 atomi di carbonio Durante la produzione di acido acetico la presenza di idrogeno molecolare nel mezzo pu de terminare problemi di inibizione Se per H viene mantenuto a basse concentrazioni grazie al l attivit dei batteri metanigeni H ossidanti idrogenotrofi la degradazione degli acidi grassi ad H ad opera dei batteri acetogeni resa pi probabile nonostante la formazione di H sia energeticamente sfavorita Metanogenesi La produzione di CH rappresenta la conclusione della catena trofica anaerobica Il metano infatti l unico composto non reattivo nell intero processo di digestione anaerobica e pu per tanto essere considerato il prodotto finale dell intero processo La produzione del metano pu avvenire essenzialmente attraverso due differenti vie di reazioni una via prevede la metanogenesi ad opera dei batteri idrogenotrofi che operano l ossidazione anaerobica dell idrogeno men tre la seconda
131. e di queste matrici l unico parametro che appare adatto a questa descrizione la resa di conversione a tempo infinito By La defini zione di questo parametro non immediata come per gli altri parametri di caratterizzazione e quindi necessaria una introduzione del metodo di calcolo Considerando per motivi di semplicit una degradazione del substrato che segua una cineti ca del primo ordine l equazione che descrive la scomparsa del substrato S sar la nota dove k la costante cinetica del primo ordine Definendo B la produzione di metano al tempo t e By la produzione di metano a tempo infinito ovvero il massimo potenziale di conversione pos sibile per un dato substrato possiamo scrivere la relazione Chen e Hashimoto 1978 ia GN Sn che introdotta nella precedente per integrazione fornisce la seguente exif Ai gi E Questa equazione deve essere associata ai parametri operativi in uso per un di gestore Considerando un reattore continuo completamente miscelato CSTR potremo scrive re il seguente bilancio di massa QS QS VkS 0 Dove V il volume utile di reazione Ora ricordando che V Q E sostituendo nelle equazioni precedenti possiamo ottenere la seguente relazione Tn B SUA yk Considerando quindi diverse coppie di valori di B e HRT e considerando una regressione tra gli inversi di questi valori si ottengono By e per un dato substrato Un esempio di
132. e presenta la minore 83 84 vulnerabilit ambientale durante la quale vengono valutati tutti i fattori penalizzanti e preferenziali che caratterizzano le aree selezionate A tal fine utile introdurre delle scale di valutazione che fis sino un gerarchia di importanza anche all interno di ciascuna classe dei criteri considerati e che consentano quindi di procedere ad un ordinamento delle aree in classi di vulnerabilit In questo modo si individua un numero ristretto di siti potenzialmente idonei ad accogliere l impianto situati in territori con un livello di vulnerabilit analogo Il punto di partenza della procedura sopra descritta che conduce all individuazione delle aree idonee ad accogliere gli impianti di smaltimento dei rifiuti lo studio del territorio A tale sco po devono essere acquisite tutte le informazioni bibliografiche e cartografiche relative alle ca ratteristiche geolitologiche geomorfologiche daos vincolistiche ecc del territorio in esame da integrare eventualmente con indagini di campo In particolare i principali caratteri fisici di base del territorio che devono essere valutati sono e litologia delle formazioni affioranti e l idrogeologia in particolare la soggiacenza della falda pi superficiale intesa come profondit rispetto al piano campagna del livello massimo raggiunto dall acqua sotterra nea nel territorio in esame e a geomorfologia in particolare devono essere presi in cons
133. ecuperati all interno del ciclo di tratta mento devono essere depurati prima dello scarico finale Infine deve essere previsto il collettamento delle acque di lavaggio degli automezzi le quali possono essere conferite ad un impianto di depurazione oppure ricircolate all interno del pro cesso In questo caso opportuno prevedere un trattamento di disoleazione prima dell utilizzo Bibliografia Angelidaki l Ellegaard L Ahring 1998 Matematisk model for dynamisk simulering of den anaerobe biogas proces Inst Miljotecknology DTU EFP 1383 96 0004 APHA AWWA WPCF 1995 Standard methods for the examination of water and wastewater Bacchin M Raninger B Carretta A 1998 Il centro di biotrattamenti di Camposampiero un progetto integrato per la gestione e il recupero a fini energetici e fertirrigui di scarti organi ci e acque reflue civili e zootecniche nel bacino scolante in laguna di Venezia SEP Pollution 31 marzo 3 aprile 1998 Baier U and Schmidheiny P 1997 Enhanced anaerobic degradation of mechanically disin tegrated sludge Water Science amp Technology 36 11 pp 137 143 Bassetti A Barbaresi U Cecchi F 1991 Processo di digestione anaerobica termofila di re sidui organici in fase semi solida Brevetto MI 91 000777 Battistoni P Beccari M Cecchi F Majone M Musacco A Pavan P Traverso P 1999 Una gestione integrata del ciclo dell acqua e dei rifiuti Fondamenti stato dell
134. efficiente di semisaturazione corrispondente alla concentrazione di sub strato S alla quale la velocit di utilizzo del substrato per unit di massa di mi crorganismi pari alla met della velocit massima massa volume Dall eguaglianza delle due relazioni l una a partire dal bilancio di massa per la biomassa e l al tra a partire dal bilancio di massa per il substrato sar possibile determinare le concentrazio ni di biomassa e substrato nell effluente del reattore In particolare per la biomassa nell ef fluente si avr y NT A Y amp k HRT 1 HRT Dove X concentrazione di biomassa nel reattore massa volume Umax massimo velocit di crescita dei microrganismi tempo concentrazione di substrato influente massa volume concentrazione di substrato effluente massa volume k massima velocit di utilizzo del substrato per unit di massa di microrganismi 27 tempo 28 HRT tempo di ritenzione idraulica tempo coefficiente di rendimento di crescita MaSssamnicrorganismiformoti MASSO psrotovtilizzato 1 La concentrazione di substrato presente nell effluente sar data dalla relazione T KA HIE amp 1 Dove S concentrazione di substrato effluente massa volume ks coefficiente di semisaturazione corrispondente alla concentrazione di sub strato S alla quale la velocit di utilizzo del substrato per unit di massa di mi crorganismi pari a
135. egazioni per la capacit dei sistemi dry di sopportare shock derivanti da carichi di ammoniaca risiede nel fatto che la mi scelazione non perfetta e non omogenea tipica di questi processi sottopone solo una parte della biomassa metanigena in zone limitate del reattore a queste condizioni di stress diversi sistemi oggi operanti sul mercato sembrano comportarsi in maniera similare dal pun DA vista delle rese di processo la produzione di biogas varia nell intervallo 90 150 m t di rifiuto Il valore pi basso corrisponde a rifiuti di giardinaggio e verde pubblico mentre il valore pi e levato fa riferimento a rifiuto organico di origine alimentare Fruteu de Laclos et al 1997 De Baere 2000 Queste rese sono equivalenti a 210 300 m CH tVS con percentuali di rimo zione della sostanza volatile nell intervallo 50 70 La percentuale di sostanza volatile rimos sa quindi simile a quella ottenibile con processi wet Weland 1992 e semi dry Pavan et al 2000 che rientrano nell intervallo 40 70 La differenza pi significativa tra i diversi processi dry e tra i sistemi dry e quelli wet e semi dry invece osservabile in termini di carico organico applicato ai reattori OLR ed ai suoi massi mi valori raggiungibili E infatti possibile operare con carichi organici prossimi ai 10 i l i er JU he s fk l J vite er art E ur cm pr ae APPLICAZIONE a LL ESTIONE ANAEROBICA R 63 64
136. el ciclo di trattamento In merito ai servizi generali si devono individuare i servizi ausiliari al funzionamento dell im pianto quali ad esempio e fornitura elettrica e fornitura idrica potabile ed industriale e fornitura metano reti fognarie per collettamento reflui Il sito prescelto dee possedere caratteristiche idonee dal punto di vista dimensionale morfolo gico ed idrogeologico ed essere servito da una buona viabilit di accesso Progetto definitivo e progetto esecutivo Il progetto definitivo e quello esecutivo devono individuare in maniera univoca a seconda del diverso livello di definizione le caratteristiche tecniche dell impianto e le sue prestazioni con par ticolare riguardo alle opere ausiliarie di salvaguardia ambientale ovvero gli impianti e le strutture destinate a minimizzare l impatto ambientale La documentazione prodotta comprensiva dello studio di impatto ambientale ove previsto deve contenere tutte le informazioni necessarie all esame del progetto al rilascio delle au torizzazioni alla realizzazione ed all esercizio nonch alla di di cantierizzazione del l opera Gli interventi di salvaguardia ambientale possono essere distinti in e gestione reflui liquidi e gestione emissioni aeriformi e gestione emissioni sonore All interno di un impianto di trattamento rifiuti le sorgenti di reflui liquidi che si possono origi nare sono essenzialmente riconducibili a reflui di processo soluzio
137. el prodotto finale In particolare i metanigeni sono comunemente considerati i microrganismi pi sensibili di tutto il consorzio batterico deputato alla conversione anaerobica delle sostanze organiche a metano in quanto caratterizzati da una bassa velocit di crescita parametri che possono influenzare negativamente l intero processo di digestione anaerobica sono rappre sentati dal substrato stesso e da eventuali element inibenti quali metalli pesanti sali azoto ammoniacale NH residui di pesticidi e prodotti farmaceutici detergenti e disinfettanti sol venti inibitori da trattamenti chimici per la conservazione di cibi ecc In alcuni casi per si osservato come i batteri anaerobici siano in grado di tollerare alcune variet di composti tossici e persino biodegradarne alcuni Inoltre si possono manifestare an che casi di acclimatazione IG tossicit e di reversibilit della stessa E oro n E Lu ja r 38 Im p Td ot i zi M e J J i er Forsan E LE cU E IL PROCESSO DI DIGESTIONE ANAEROBICA ELEMENTI DI BASE 1 4 1 Tossicit da substrato Come gi accennato in precedenza il substrato stesso pu costituire un fattore di inibizione in quanto la sua concentrazione pu regolare e o rallentare la velocit di reazione degli stadi SUCCESSIVI Anche alcuni intermedi metabolici che si formano durante il processo di metanizzazione pos sono limitare lo sviluppo degli stad
138. el sistema l idrogeno prodotto in piccole quantit ge neralmente utilizzato dai batteri metanigeni e pur essendo insolubile non lascia la fase liqui da In generale la velocit di trasferimento di massa dalla fase gassosa a quella liquida esprimi bile attraverso relazioni generali del tipo EX i a qua 8 7 di dove dS dt velocit di trasferimento del gas dal mezzo liquido alla fase gassosa massa volume tempo concentrazione di gas disciolto nel mezzo liquido massa volume K coefficiente di trasferimento di massa globale volume superficie tempo a superficie specifica della bolla di gas superficie volume Py pressione parziale del gas pressione H cost di Henry pressione lim massa Quindi la velocit di trasferimento del gas dalla fase liquida alla fase gassosa dipende attra verso il coefficiente caratteristico K dalla superficie di scambio a e dalla forza motrice il 10 termine tra parentesi tonde in letteratura sono riportati vari modelli per il calcolo del coefficiente di trasferimento dell ossigeno K Una volta deassorbitosi il metano raggiunge la fase gassosa sovrastante quella liquida per differenza di densit ed in relazione alle dimensioni delle bolli cine che si formano Bolle sferiche d aria di diametro compreso tra 3 9 mm risalgono la fase liquida in un tempo in versamente proporzionale al diametro delle bolle Y b 0 d dove v la ve
139. el substrato per unit di massa di microrganismi tempo concentrazione di biomassa nel reattore massa volume coefficiente di semisaturazione corrispondente alla concentrazione di sub strato S alla quale la velocit di utilizzo del substrato per unit di massa di mi crorganismi pari alla met della velocit massima massa volume 1 SRT Yk k rispetto al tempo di ritenzione del substrato nel reattore e semplificando si ottiene la seguente e spressione dove SRT 90 9 9 A YAS 5 miele DO RET cei tat LU SRT S S l a K 5 75 il tempo di residenza dei solidi nel reattore tempo concentrazione di substrato nell influente massa volume concentrazione di substrato nell effluente massa volume concentrazione di substrato nell influente dopo diluizione con il ricircolo massa volume coefficiente di rendimento di crescita MASSO microrganismiformati MASSA ubstratoutilizzato coefficiente di decadimento dei microrganismi tempo coefficiente di semisaturazione corrispondente alla concentrazione di sub strato S alla quale la velocit di utilizzo del substrato per unit di massa di mi crorganismi pari alla met della velocit massima massa volume massima velocit di utilizzo del substrato per unit di massa di microrganismi tempo rapporto di ricircolo l espressione analitica risulta molto simile a quella applicata a reattori completamente mi
140. elezione stato caratterizzato in base agli aspetti chimico fisici e a quelli merceologici Tabelle 2 4 2 5 37 38 Tabella 2 3 Tipologie di impianti di separazione meccanica CITEC 2000 Tipo di impianto Descrizione Sono impianti semplici costituiti essenzialmente da un trituratore primario rompisacchi e da un vaglio normalmente un vaglio rotante unico con diametro dei fori da 50 a 100 mm ed un deferrizzatore Da questi impianti si ottengono tre flussi un sovvallo costituito essenzialmente da frazioni secche carta plastica e poca presenza di materiali putresci bili da inviare a termovalorizzazione senza altri trattamenti una frazione organica sot tovaglio da destinarsi a trattamenti biologici preferibilmente dopo una ulteriore raffina zione ed infine un flusso di recupero di materiali ferrosi Impianti di tipo semplificato Sono costituiti da una sequenza di operazioni pi complessa che prevede almeno uno stadio di riduzione della pezzatura una deferrizzazione e pi operazioni di vagliatura Impianti Impianti con questa concezione sono in grado di produrre un sovvallo da inviare a ter mediamente movalorizzazione o discarica una frazione organica proveniente dai flussi intermedi di va complessi gliatura da inviare a trattamenti biologici ed in seguito da utilizzare come materiale di copertura di discariche un sottovaglio simile a quello ottenibile con gli impianti di tipo semplificato ed infine un rec
141. elona 15 17 June 1999 25 32 Sans C Mata Alvarez J Cecchi F Pavan P Bassetti A 1995 Volatile fatty acids production by mesophilic fermentation of mechanically sorted urban organic wastes in a plug flow reactor Bioresource Technology 51 89 96 Shin K Kang H 2001 Effect of electron beam irradiation on anaerobic digestion of sewage sludge In proceedings of 9 Anaerobic Digestion 2001 Antwerp Belgium September 2 6 2001 pp 639 641 Six e De Baere 1992 Dry anaerobic conversion of MSW by means of the Dranco process at Brecht Belgium In Proc Int Symp on Anaerobic Digestion of Solid Wastes Venice 14 17 A pril 1992 pp 520 525 R E 1983 Anaerobic biotechnology for industrial wastewater treatment Env Sci Te 17 9 416 427 Stafford D Hawkes D Horton R 1980 Methane production from waste organic matter CRC Press Boca Raton Florida USA pp 285 Thobanoglous G Theisen H Vigil S 1993 Integrated solid waste management Enginee ring principles and management issues McGraw Hill Inc pp 978 Tiehm A Nickel K and Neis U 1997 The use of ultrasound to accelerate the anaerobic di gestion of sewage sludge Water Science amp Technology 36 11 pp 121 128 T a i 1 a pi nr Pei d E Li A i Tem EN p j z __ C os a d x di u i x Ma 1 n Cs a oe EE romm P P Ru KE ae r An mz on L Le
142. en sibili danni agli impianti di utilizzazione La scelta del trattamento o dei trattamenti pi opportuni dipende sia dalle caratteristiche del biogas che dalle modalit di utilizzo previste In questa sede non si intende entrare nel merito dei criteri di dimensionamento delle apparec chiature per la depurazione del biogas ampiamente descritti nella letteratura specializzata ma si vogliono sob richiamare i principali trattamenti a cui necessario sottoporre il fluido prima dell alimentazione ai gruppi di produzione di energia Tali trattamenti sono finalizzati ad ottenere un sensibile abbassamento dei costi di conduzione e manutenzione delle macchi ne un funzionamento ottimale ed una maggior affidabilit oltre alla garanzia di rispetto dei li miti di emissione imposti dalla legge 103 104 Deumidificazione Il trattamento di deumidificazione necessario in quanto l umidit di cui il biogas saturo pu condensare all interno delle tubazioni in seguito a variazioni di temperatura e o pressio ne provocando malfunzionamenti Il sistema di deumidificazione costituito generalmente da un gruppo frigorifero in grado di raffreddare il gas da inviare ai motori In tal modo si separa dalla miscela gassosa l umidit che condensando viene allontanata precipitando al contempo sostanze nocive e corrosive presen ti nel flusso gassoso stesso Desolforazione Quando i livelli di idrogeno solforato sono elevati necessa
143. ence and Tech nology 43 1 pp 1 18 Van Velsen 1979 Adaptation of methanogenic sludge to high ammonia nitrogen concentrations Wat Res 13 995 999 Vavilin V Rytov S Lokshina L 1996 A description of hydrolysis kinetics in anaerobic de gradation of particulate organic matter Biores Tech 56 229 237 Wastergard e Teir 1999 The Waasa process integrated in the eco cycling society In Proc II Int Symp on Anaerobic Digestion of Solid Wastes Barcelona 15 17 June 1999 vol Il pp 910 913 WEF e ASCE 1992 Design of municipal wastewater treatment plants Volume Il Manual of Practice No 8 WEF Alexandria VA Weisz N Kepp U Norli M Panter K and Solheim O 2000 Sludge disintegration with thermal hydrolysis cases from Norway Denmark and United Kingdom Proceedings of the 1 World Water Congress of the IWA July 3 7 2000 Paris France Wook Nah Kang Hwang and Song 2000 Mechanical pretreatment of waste activated slud ge for anaerobic digestion process Wat Res 34 8 pp 2362 2368 Zanovello G Cevese A Zorzi G Zorzi 1997 Influenza delle condizioni operative sul processo di fermentazione anaerobi ca della FORSU tesi di laurea Universit di Venezia 157
144. enientemente trattati Oleskiewicz e Poggi Varaldo 1997 Ci non comporta significative variazioni dal punto di vista biochimico e mi crobiologico nel processo anaerobico ma determina la necessit di una completa revisione dei metodi di trattamento per quanto concerne la tecnologia dei reattori Sono intatti necessari par ticolari metodi di pompaggio e miscelazione Infatti a causa delle propriet reologiche dei flus si trattati il materiale organico viene trasportato con nastri e pompato attraverso il ricorso a speciali pompe appositamente progettate per operare con flussi molto viscosi Ci incide sui co sti 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 una preliminare va gliatura al fine di rimuovere il materiale con dimensioni superiori ai 40 mm Ci ottenuto gra zie a vagli a tamburo nel caso di rifiuto organico separato meccanicamente e mediante tritura tori nel caso di rifiuto organico raccolto separatamente alla fonte Dal momento che i pre tratta menti sono limitati non si osserva perdita di materiale organico biodegradabile come pu inve ce avvenire nel corso dei pre trattamenti per materiale da trattare con processi wet e semi dry A causa della elevata densit e viscosit dei flussi trattati i reattori per
145. entale e misure compensative 6 1 GENERALIT La valutazione d impatto ambientale rappresenta quando correttamente applicata un valido strumento tecnico amministrativo sia per decidere sull opportunit di realizzare un opera sia per valutare gli effetti sull ambiente che la progettazione la realizzazione e l esercizio di tale opera determineranno e per individuare quali misure compensative devono essere previste per ridurre al minimo i potenziali impatti negativi Tali impatti di diversa entit e natura possono essere originati da tutti i processi impiegati per il trattamento dei rifiuti Alcuni di essi possono essere considerati impatti potenziali comuni per i diversi impianti indipendentemente dalle loro caratteristiche specifiche altri invece dipendo no dalle peculiarit dei vari sistemi In particolare la maggior parte degli impatti prodotti dai processi di digestione anaerobica dei rifiuti vengono originati nei reparti di ricezione selezione stabilizzazione aerobica raffi nazione stoccaggio metanizzazione disidratazione e recupero energetico In tabella 5 1 sono riassunti i principali impatti potenziali comuni per i vari tipi di impianti e quelli specifici per gli impianti di digestione anaerobica dei rifiuti Tabella 6 1 Impianti potenziali relativi ai vari sistemi di trattamento dei rifiuti Sistema Impianti potenziali Tutti i sistemi e rifiuto psicologico da parte della popolazione e deterioramento dei rapporti con g
146. enuto in sostanza solida dal momento che in questo modo si supe rano le difficolt legate ad una corretta miscelazione In questo caso in analogia con i processi CSTR prevista la separazione solido liquido del l effluente la parte solida verr parzialmente o totalmente ricircolata all interno del reattore cos da poter disporre di un efficace inoculo e controllare la concentrazione della biomassa at tiva all interno del reattore fig 1 11a Pu essere previsto il ricircolo dell effluente senza ricorrere ad alcuna separazione fig 1 11b 2 5 DHA Se X Q Se X variabile S variabile Cra xr Figura 1 11a Reattore con flusso a pistone con ricircolo dopo separazione solido liquido dei fanghi X variabile S variabile Figura 1 11b Reattore con flusso a pistone con ricircolo dei fanghi 3l Un modello per descrivere il reattore con flusso a pistone risulta complesso possibile tuttavia effettuare due assunzioni 1 La concentrazione dei microrganismi nell influente al reattore approssimativamente u guale a quella presente nell effluente dal reattore Questa assunzione si pu applicare se SRT HRT gt 5 2 La velocit di utilizzo del substrato segue l espressione dove rsy Integrando la KAA Fa 7 velocit di utilizzo del substrato massa volume concentrazione di substrato influente massa volume massima velocit di utilizzo d
147. enze derivanti dalla stagionalit sul sub strato A tale scopo pu essere utile considerare i dati riportati in tabella 2 14 che riporta una sintesi dei risultati ottenuti riguardo alla caratterizzazione chimico fisica del rifiuto ottenuta Tabella 2 10 Caratteristiche della frazione organica da grandi utenze riportate in alcuni esempi di lette ratura De Baere 2000 Kubler et al 1999 CITEC 2000 CITEC 2000055 31 29 17 25 TNS provenienza domestica da grandi utenze 9 70 63 70 90 80 90 223A 0 4 0 6 12528 les LA FRAZIONE ORGANICA DEI RIFIUTI URBANI Tabella 2 11 Caratteristiche della frazione organica raccolta presso mense Cecchi et al 1997 Parametro Intervallo TS 21 4 27 4 TVS TS 213929 7 TCOD gO gTS 1523179 TKN TS 26 37 Fosforo totale TS 0 13 0 28 Valore tipico 25 6 96 5 12 32 0 2 durante un anno di sperimentazione Zorzi 1997 Per questo substrato sono anche disponibi li i contenuti in acidi grassi volatili prodotti a seguito di fenomeni naturali di fermentazione che sono dell ordine di alcune migliaia di mg l a testimoniare il veloce instaurarsi di fenome ni di prefermentazione gi nelle fasi di stoccaggio Ci che risulta evidente dall analisi dei da ti riportati considerando in particolare quelli relativi alla fase solubile che la stagionalit del substrato non sembra influire in modo determinante sulle caratteristiche che rimangono
148. erando in mesofilia mentre pu essere portato a 5 1 kgVS m d nei periodi estivi quando maggiore la temperatura all interno del reattore LO IMPIANTI DI DEI RIFIUTI 4 La progettazione degli impianti di digestione anaerobica dei rifiuti 4 1 GENERALIT l applicazione della digestione anaerobica al trattamento dei rifiuti consente sia di conseguire un notevole recupero energetico utilizzando il biogas prodotto sia di produrre attraverso il trat tamento aerobico del fango digerito un residuo stabilizzato impiegabile come ammendante organico in agricoltura o per ripristini ambientali l aspetto del recupero energetico senza dubbio quello pi interessante in quanto il biogas rodotto costituito per la maggior parte da metano circa il 50 60 ha un elevato potere ca lorifico 4000 5000 kcal Nm e pertanto pu essere convenientemente convertito in quasi tutte le forme di energia utili calore elettricit e cogenerazione produzione congiunta di elet tricit e calore Le applicazioni pi frequenti prevedono la sua combustione in motori endoter mici che consente la produzione di energia elettrica e termica in quantit sensibilmente supe riore agli autoconsumi dell impianto utilizzando apparecchiature dotate di elevata semplicit impiantistica e gestionale Un altro aspetto di importanza non trascurabile consiste nella possibilit di recuperare materiali riutilizzabili dalle operazioni preliminari di selezione o da quelle s
149. ere la pezzatura compatibile con il processo e con le apparecchiature utilizzate per la movimentazione della miscela La granulometria del substrato infatti influenza direttamente le rese di processo in quanto da es sa dipende la superficie di contatto tra i microrganismi ed il materiale da digerire In genere ven gono ritenute accettabili dimensioni inferiori a 50 mm per la sostanza organica da alimentare alla sezione di digestione Il controllo della pezzatura viene effettuato tramite fasi di vagliatura e triturazione eseguite prima delle operazioni di miscelazione del substrato Oltre ai pre trattamenti meccanici sopra descritti la letteratura riporta principalmente a livel lo di ricerca scientifica e di impianti dimostrativi Van Lier et al 2000 Cecchi et al 2000 Delgen s et al 2000 alcuni pre trattamenti di tipo chimico fisico e biologico rivolti alla fra zione organica prima per poterne migliorare la conversione in biogas In generale il principio si basa sulla solubilizzazione delle matrici solide difficilmente o non aggredibili nello stadio di digestione anaerobica La figura 4 3 riassume i tipi di trattamento gli obiettivi ed il meccanismo di azione Tali tecniche sono sostanzialmente finalizzate ad incrementare l efficienza della fase idrolitica del processo di digestione riconosciuta come lo step limitante l intero processo Come cina loro applicazione in impianti operanti su scala reale trova oggi scarsa dif n mentre
150. eriore confronto quello tra i processi a due fasi e a fase unica permette di evidenziare il netto prevalere dei processi a fase singola mentre i processi a due fasi presentano una capa cit praticamente costante anno dopo anno yo 3 4 In merito all applicazione della co digestione figura 3 5 si evince come questo processo risul ti meno applicato di quanto atteso Appare infatti che il trattamento di soli rifiuti organici net tamente maggiore rispetto ai processi di co digestione Attualmente meno del 7 della capacit totale trattata attraverso la co digestione Un ulteriore aspetto che stato considerato la possibilit di conferire agli impianti di trattamento il rifiuto selezionato alla fonte piuttosto che un rifiuto indifferenziato che necessita poi di vari pre trattamenti per la rimozione delle frazioni non organiche Come si pu osservare dal grafico di figura 3 6 negli ultimi anni si assistito ad un incremen to nella realizzazione degli impianti che sono in grado di trattare rifiuti misti e o grigi Que sto incremento stato dal 1998 in poi di circa 100 000 t anno mentre l incremento della realizzazione di impianti di digestione anaerobica che trattino il rifiuto differenziato pratica mente costante e pari a circa 80 000 t anno In ogni caso possibile notare come i trattamenti aerobici compostaggio siano nettamente fa voriti nelle scelte di gestione del trattamento rifiuti Infatti la figura 3
151. erito fogge particolari del digestore ecc 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 manu tenzione Il ricircolo del fango dall uscita all ingresso del digestore non produce una sufficiente miscela zione e pertanto viene utilizzato in combinazione con i sistemi meccanici Inoltre nel caso di pro cessi a secco pi difficile da realizzare Per quanto riguarda l iniezione di biogas essa viene generalmente effettuata in zone specifi che per evitare di esporre i batteri ad ambienti sfavorevoli E richiesta una pressione pi elevata per processi a secco che per processi ad umido Tabella 4 6 Sistemi di agitazione Fonte documento CITEC 2001 Tipo di mixer Tutti i sistemi Vantaggi Aumento della velocit di stabilizzazione Lance montate sulla parte superiore del di Minor manutenzione e minori ostacoli alla gestore Diffusori di fondo Gas lifter Agitatori meccanici Turbine a bassa velocit Miscelatori a bassa velocit Pompaggio meccanico interno Pompaggio meccanico esterno Insufflazione di biogas dal fondo pulizia rispetto alle lance montate sul fondo Efficacia nel controllo delle schiume Miglior movimentazione degli strati bassi del digestore Migliore miscelazione e produzione di gas rispetto alle lance montate sulla parte superiore Minor potenza as
152. esso Dranco processo Kompogas C processo Valorga in Vandevivere et al 2001 Nel processo Dranco la miscelazione tra rifiuto influente e biomassa avviene grazie al ricirco lo dell effluente estratto dal fondo dal digestore anaerobico che viene pompato nella parte su periore del reattore stesso il tipico rapporto di ricircolo amp una parte di rifiuto fresco per sei parti di effluente ricircolato Questo tipo di processo ha dimostrato di operare con con rifiuti con un tenore in solidi nell intervallo 20 50 processo Kompogas utilizza un reattore cilindrico in cui il flusso a piste prosegue orizzontal mente Il moto di avanzamento del materiale trattato assistito da miscelatori a lenta rotazio ne posti internamente al reattore che omogeneizzano il materiale trattato lo degasano e riso spendono il materiale inerte grossolano Il sistema ha dimostrato di operare con buona efficienza quando il rifiuto trattato presenta concentrazioni in solidi del 25 per valori inferiori si os servata la tendenza all accumulo di materiale inerte grossolano ui e vetro sul fondo del reattore mentre per concentrazioni maggiori si osserva una eccessiva resistenza al flusso oriz zontale del materiale all interno del reattore Un altro processo dry diffuso in centro Europa il processo Valorga Anche in questo caso si ricorre a reattori di Lina cilindrica in cui il flusso a piste del materiale trattato di tipo circo lare e
153. esso di digestione anaerobica della frazione organica selezionata Nel controllo del processo di digestione anaerobica della frazione organica selezionata e co munque nei processi ad alto carico organico particolarmente importante un monitoraggio ac curato di alcuni parametri chiave che consentano di individuare in tempo reale le condizioni di sovraccarico overloading o di inibizione del processo che possano portare a condizioni di acidogenesi di difficile recupero Nel caso a i parametri pi importanti ad esclusione di quelli specialistici il cui uso per il momento confinato al 8 ambito della ricerca es il contenuto di idrogeno nel biogas sono i seguenti pH alcalinit VFA CO nel biogas e produzione 119 120 Di seguito riportata una discussione relativa all andamento di questi parametri confrontando condizioni operative diverse in regime stazionario facendo riferimento agli esempi preceden temente citati per la discussione sui parametri di esercizio e durante una condizione di squili brio del processo e una seguente fase stazionaria allo scopo di evidenziare come sia possibi le descrivere il comportamento del sistema attraverso questi parametri Variazione del pH con le condizioni operative e negli stati di transiente Anche se sicuramente meno sensibile rispetto ad altri parametri il pH rimane uno degli indici pi usati nel controllo di questo processo principalmente grazie alla velocit di d
154. eterminazio ne ed alla possibilit di interfacciamento on line In termini di variazione rispetto a diverse condizioni operative il pH fornisce indicazioni rela tivamente limitate si vedano ad esempio i valori riportati in tabella 5 4 relativi allo stesso stu dio prima considerato per la discussione sulla variazione dei parametri di resa rispetto a diverse condizioni operative Tabella 5 4 Valori di pH osservati in diverse condizioni operative Cecchi et al 1991 1993 Condizione 1 2 4 5 HRT d 14 6 11 7 11 3 9 4 7 8 6 1 OLR kgI VS m d 5 9 6 9 9 2 10 7 13 5 19 9 7 44 TAF 7 36 7639 7 24 722172 l aumento del carico organico porta il processo a condizioni di maggior stress che comporta no una tendenza alla diminuzione del valore del pH Nel caso specifico fa eccezione il valore riscontrato nella condizione 2 non riconducibile ad alcuna particolare causa Complessiva mente si nota un abbassamento progressivo del valor medio in condizioni stazionarie di circa 0 3 unit triplicando il carico applicato Un effetto paragonabile dato come riportato in ta bella 5 5 dal cambiamento di intervallo termico di esercizio da mesofilo a termofilo Tabella 5 5 Valori di pH osservati in regime mesofilo e termofilo Cecchi et al 1993 Mesofilia Termofilia Te 37 4 55 0 pH 7 44 Anche questo caso come si pu osservare variazione di 0 3 unit circa La tabella 5 6 riporta invece i valori di pH
155. eve rilevare che alcuni ricercatori ritengono particolarmente significativo il calcolo dell effi cienza di rimozione in termini di sostanza secca totale o della sua frazione volatile Bhatta charya et al 1996 mentre altri reputano sia pi significativa la valutazione dell efficienza di rimozione in termini di COD utilizzato Brunetti et al 1988 Nel caso della rimozione di sostanza volatile facendo riferimento alla percentuale di sostanza volatile che caratterizza l influente e l effluente del reattore Ross et al 1992 suggeriscono anche la seguente espressione Rimozioneysg 79 ES 1 i Fid dove VS percentuale della frazione volatile nell influente VS percentuale della frazione volatile nell effluente 21 22 1 5 1 2 Parametri di stabilit del processo Obiettivo fondamentale di qualsiasi strategia di controllo di processo il mantenimento di con dizioni operative ottimali e stabili Nel caso specifico della digestione anaerobica questo concetto diviene particolarmente signifi cativo dal momento che la fase controllante l intero processo cio 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 vo latili VFA l alcalinit il rapporto tra acidi grassi volatil ed alcalinit la produzione e com posizione percentuale del biogas la temperatura IRSA CNR 19
156. evono avere una conoscenza complessiva del processo di funzionamento dell impianto ed una conoscenza specifica delle parti su cui devo no operare Di seguito vengono richiamate le principali misure di sicurezza che devono essere previste in un impianto di trattamento di rifiuti In primo luogo le strutture e le aree di trattamento devono essere opportunamente recintante on de prevenire atti di vandalismo ed evitare l accesso a persone non autorizzate per evitare il crearsi di situazioni di rischio sia per il personale esterno che per gli addetti ai lavori E necessario porre particolare attenzione durante la fase di conferimento del rifiuto che gene ralmente comporta di persone non specificamente addette alla gestione dell impian to Durante la fase di scarico da parte degli automezzi gli operatori devono mantenersi a distanza di sicurezza In presenza di fossa d accumulo devono evitare di avvicinarsi al bordo della stes sa se non adeguatamente protetto e nel caso di accumulo di materiali devono avvicinarsi ad essi con cautela verificando visivamente la presenza di situazioni di instabilit Durante l e ventuale manipolazione dei rifiuti occorre prestare la massima attenzione alla presenza di og getti acuminati e o taglienti Le aree di parcheggio e le strade devono essere ben illuminate e provviste di cartelli direziona li e di adeguati camminamenti pedonali diretti agli uffici Sulle porte di accesso ai locali devono essere affis
157. fase idrolitica ed acidogenica se guita da una fase in cui gli acidi grassi volatili vengono trasformati in metano Le soluzioni im piantistiche possono essere tre come evidenziato in figura 3 13 Nel reattore batch con ricircolo del percolato caso A in figura 3 13 il percolato viene ricirco lato in testa al reattore E questo il principio di funzionamento del processo Biocell Ten Brummler 1999 Uno dei problemi in questo tipo di reattori connesso con la possibilit che si otturino i fori po sti sul fondo del reattore Nel caso B figura 3 13 si ha ricircolo del percolato prodotto nel reattore che tratta rifiuto fresco nel terzo reattore che tratta rifiuto stabilizzato mentre il perco lato qui raccolto viene rinviato al primo reattore Nella soluzione C figura 3 13 il percolato pro dotto nel reattore di digestione viene inviato ad un reattore di tipo Up flow Anaerobic Sludge Blanket UASB Tabella 3 16 Vantaggi e svantaggi dei processi batch in Vandervivere et al 2001 Criterio Vantaggi Svantaggi Tecnologico Semplice Pu subire intasamenti Tecnologicamente semplice Necessita di bulking agent Robusto Rischi di esplosivit durante la fase di caricamento del reattore Biologico Affidabilit di processo Rese di biogas ridotte a causa dell incanalamento nel corpo del reattore minimi OLR applicabili Economico Economico Elevata necessit di superficie ed ambientale Applicabile in Paesi in via conf
158. fico di trattamento per tonnellata di rifiuto Una ulteriore distinzione poi determinata dal fatto di trattare rifiuti urbani tal quali che quin 131 132 di necessitano di una fase di pre trattamento e raffinazione della frazione putrescibile da inviare poi ai trattamenti biologici oppure dal fatto di trattare rifiuti organici provenienti da raccolta dif ferenziata che necessitano di pre trattamenti meno spinti Rifiuto indifferenziato Per quanto attiene i costi di investimento si sono considerate le voci di spesa relative alle opere elettromeccaniche e alle opere civili Queste variano ovviamente a seconda della taglia del l impianto In generale i costi di investimento sono compresi nell intervallo 17 24 milioni di Eu ro passando da potenzialit di 50 000 t anno fino a 150 000 t anno di rifiuto indifferenzia to Considerando un piano di ammortamento su dodici anni con un tasso di interesse del 4 possibile stimare un onere di circa 1 1 4 milioni di Euro all anno Per quanto attiene poi le spese di gestione queste comprendono essenzialmente le voci relative alle spese per il perso nale i consumi acqua energia e chemicals la manutenzione e lo smaltimento dei residui dell intero ciclo di trattamento Questi variano nell intervallo 2 5 6 milioni di Euro all anno pas sando da 50 000 a 150 000 t anno di rifiuto indifferenziato trattato l aumento essenzialmente imputabile al maggior quantitativo di rifiuti
159. g di cui consumo processo 6 300 kWh g 18 di cui eccesso valorizzabile 12 000 kWh g 26 Perdite 4700 kWh g 14 per l impianto di digestione ad esclusione degli altri reparti dell impianto Fonte Kompogas 1999 Tabella 4 12 Rendimenti di conversione Energia elettrica motori a gas JOSIE Calore 80 90 Conversione in gas naturale 85 Gas carburante 80 Cogenerazione 70 90 In tabella 4 12 sono riportati rendimenti di conversione energia finale utilizzabile energia primaria consumata di norma utilizzati In figura 4 10 riportato un esempio di bilancio di energia per un impianto operante con pro cesso mesofilo e un 5 di perdite alla torcia deve essere considerato come valore medio per guasti o per e liminare le punte di produzione che non potrebbero essere assorbite dal motore a gas e un 3 5 di consumo deve essere db come valore medio per il mantenimento in temperatura del digestore con una caldaia indipendente dal motore e l autoconsumo di elettricit tiene conto del consumo di tutti i reparti dell impianto inclusi quelli non direttamente collegati con la digestione depuratore acque di processo servizi ausiliari ecc e il calore disponibile sul motore pu essere valorizzato presso utenze locali oppure viene dissipato in atmosfera oa c M pier c LI md MICE o HL r r dm L Na a D FEM AU n VI ea o ani
160. ghi periodi di sovraccarico Richiedono installazioni di potenza mag giori Non adatto per la miscelazione di tutto il digestore Possibilit di perdite dalla tenuta dell al bero Logorio delle pale Intasamento da stracci Sensibile al livello del liquame Corrosione delle parti in movimento delle pompe Richiedono installazioni di potenza mag giori Intasamento da stracci La pulizia completa richiede lo svuota mento Possibilit di intasamento da stracci Logorio delle parti in movimento Maggiori costi energetici dovuti alla com pressione del biogas 101 4 5 PRODUZIONE DEPURAZIONE ED UTILIZZO DEL BIOGAS Produzione di biogas La produzione di biens costituisce uno dei principali vantaggi della digestione anaerobica dei rifiuti grazie al consistente recupero energetico che si riesce a conseguire tramite il suo u tilizzo Pertanto l intero processo deve essere condotto in maniera tale da massimizzare le re se di metanizzazione La portata all uscita dal digestore pu presentare per delle variazioni importanti dal 60 al 140 della portata media A ci corrisponde anche una variazione della qualit del biogas prodotto il cui tenore in metano pu dal 45 al 65 Queste variazioni sono dovute alla differente velocit di degradazione dei diversi componenti della materia organica degradabile Infatti poco dopo l introduzione del substrato nel dige store i primi componenti si degradano eno un biog
161. he reattori in cui la biomassa totalmente disper sa in un mezzo liquido reattori completamente miscelati CSTR sono particolarmente soggetti a problemi di inibizione dal momento che biomassa e sostanze inibenti sono in intimo contatto Per contro occorre evidenziare che la situazione pu essere facilmente ricondotta alla normalit per semplice aggiunta di acqua e conseguente diluizione Nordberg et al 1992 Alcune esperienze condotte per lo pi a scala pilota hanno permesso di evidenziare valori ti pici per questo tipo di processo Weiland 1992 oper con reattori completamente miscelati con un contenuto in solidi nell intervallo 7 15 trattando rifiuti organici agro industriali patate barbabietole ecc applicando carichi fino a 8 kgCOD m giorno Operando con tempi di ri tenzione di 10 giorni in regime mesofilo era possibile ottenere produzioni specifiche di biogas pari a 0 21 m kg di rifiuto 59 metano 55 Tabella 3 2 Vantaggi e svantaggi dei processi wet Vandevivere et al 2001 Criterio Vantaggi Tecnologico Buona conoscenza ed esperienza nel campo del processo Applicabilita in co digestione con ri fiuti liquidi ad alto contenuto in so stanza organica Biologico Diluizione dei picchi di concentrazio ne di substrato e o sostanze tossiche influenti il reattore Economico Spese ridotte per i sistemi di pom ed ambientale paggio e miscelazione ampiamente diffusi sul mercato Svantaggi Cor
162. herini Oi Deve cemere clio can abromnemdc in grado di rabeerese aflidnshilazsis un intervallo d pri a anche estesa ci per gzrantize la misura anche nelle condizioni di avviamento n di rraneleste Pose cage uiklizzzi sirusesti in li sea su m brara 2d infrared ovvero dele inazioni off line amis il giecrottanagrafice Alimentazianr 1 salta alla settimana Reattore 2 volte alla saiman per i pirami di nasa 5 velim peri pur madri dE A lineta hitii 1 vol alia settimana Reattore 1 volta alla settimana pes i parametri di massa 2 voce per i parametri di controllo Figura 5 6 Parametri e frequenze di analisi minime in relazione al periodo di avviamento o regime dell im pianto A questi vanno aggiunti i parametri in linea indicati in figura Per quanto attiene la manutenzione ed il personale la figura 5 7 riporta le indicazioni sui pe riodi di manutenzione e le figure professionali tipiche per la gestione di questi impianti Infine vista l articolazione in vari periodi possibile suddividere l avviamento e la messa a re gime dell impianto nelle fasi riportate in tabella 5 17 EET 1 mm i P Lr ca n Tres Are ee LA GESTIONE DEGLI IMPIANTI DI DIGESTIONE ANAEROBICA Tabella 5 17 Parametri contenuti nelle tabelle di marcia di gestione e monitoraggio del processo Parametro Definizione Determinazione Unita di misura Linea gas GP Produzione di gas GP Vr
163. i degradazione del substrato l ipotesi alla base del modello che ciascuno di questi tratti sia proprio di una classe di com posti presenti all interno del substrato e che il processo lavori utilizzando dapprima quelli pi fa cilmente biodegradabili poi quelli mediamente ed infine quelli pi difficilmente bio Le classi di composti che il modello considera sono le seguenti Composti tipo A acetato e composti utilizzabili direttamente dai batteri AcH MeOH ecc Composti tipo VFA da C e EtOH Composti tipo C Materia organica libera monosaccaridi amminoacidi ecc Composti tipo D Materia organica complessa polisaccaridi lipidi proteine Composti tipo E Materia organica non biodegradabile ET x T i amp ann E amp Mx GL 3 200 100 es F 4 di TIME AFTER PEEDIBO hi Biogr prodwciion rates cbxainnd onc fondine operation and the neat aeu rection of Gudea sod weite OMS E x BIS zeparabety collecied KF MEW and ris rir TE bretone HFL separasety coiii CAMS and SCR D Seeger Size S51 Fred curvex uxmp rhe miel nre qure comedi Figura 4 4 Andamento della produzione di gas in reattore semicontinuo utilizzando diversi substrati Cecchi et al 1990 Per ciascuno dei primi 4 gruppi il modello prevede una espressione diversa per la velocit di de gradazione e precisamente d 12 Composti di tipo A E
164. i di funzionamento l esecuzione di una corretta manutenzione uno degli aspetti pi importanti da considerare in una buona gestione di un impianto di trattamento uti in quanto da essa dipendono non so lo la continuit di funzionamento delle varie apparecchiature e quindi dell intero processo ma anche la possibilit di ottenere rendimenti elevati e di eseguire un corretto e sicuro trattamento dei rifiuti Tutto ci si riflette in un evidente beneficio ambientale oltre che in un non trascurabi le risparmio energetico ed economico Possono essere previsti diversi livelli di manutenzione Manutenzione giornaliera o periodica Tale manutenzione consiste nell esecuzione di tutte quelle operazioni lubrificazione ingras saggio sostituzione dei filtri pulizia delle apparecchiature ecc che devono essere effettuate giornalmente o comunque con cadenza periodica allo scopo di assicurare il corretto funziona mento delle varie apparecchiature Tale manutenzione viene generalmente effettuata dagli o peratori di macchina o dai responsabili di reparto eventualmente con il supporto dei manu tentori alla fine del turno di lavorazione al termine del quale pertanto deve essere previsto un periodo di non operativit da dedicare alle operazioni di pulizia ed agli interventi che richie dono condizioni di macchina ferma 137 138 Manutenzione preventiva Tale manutenzione finalizzata alla verifica della perfetta funzionalit de
165. i insediamenti e presenza di attivit produttive numero di campionamenti dipende in genere dall omogeneit del territorio considerato dalla sua estensione ed il campionamento deve essere effettuato tenendo conto dei seguenti fattori stagionalit e presenze turistiche rilevanti esistenza di attivit commerciali di servizio e produttive e attivit in essere di raccolta differenziata al fine di quantificare la sottrazione di materiali a monte del conferimento indifferenziato Il CNR indica come campione su cui eseguire le analisi un quantitativo di circa 200 kg ricava to tramite il metodo degli inquartamenti da una massa di 3 4 t scaricata da un automezzo di raccolta scelto come rappresentativo della composizione media dei rifiuti della zona presa in e same Per eseguire l analisi merceologica esistono diverse metodologie che distinguono il rifiuto urbano in un numero variabile di classi Il principale sistema di classificazione utilizzato in Italia distingue il rifiuto in 6 o 7 classi mer ceologiche classificazione adottata dal CNR nell ambito del Progetto Finalizzato Energetica PFE2 l analisi comporta l impiego di un vaglio a maglie quadrate di 20 mm di lato sul quale viene trattata la massa campione di circa 200 kg opportunamente preparata Il vagliato viene raccolto sopra un telo o un foglio di plastica preventivamente posato mentre la rimanente massa di pezzatura superiore a 20 mm viene cern
166. i materiale proteico per il sistema tampo ne valori di tabella 5 9 si riferiscono alle prove condotte con miscele di frazione organica da selezione meccanica e da rifiuti mercatali per le quali sono disponibili solo i valori a pH 4 Al di l del valore assoluto la variazione relativa di questo parametro fornisce informazioni immediate sul comportamento del processo Si consideri ad esempio l andamento riportato nella figura 5 1 dove sono evidenziate le variazioni di alcalinit riscontrate nel transiente tra una fase di squilibrio ed una successiva fase di stato stazionario del processo Si noti in parti colare che in condizioni di inibizione la differenza tra i due valori registrati a pH 4 e 6 maggiore rispetto al periodo di stabilit In particolare il valore a pH 4 quasi raddoppia pas sando da condizioni inibite a condizioni stabili Tabella 5 9 Variazioni di alcalinit pH 4 ottenute con diverse miscele di frazione organica da selezio ne meccanica e da rifiuti mercatali Pavan et al 2000 Condizione 1 2 3 4 Da rifiuti mercatali 0 15 30 50 100 OLR kgTVS m d 9 7 LS 12 1 12 6 6 0 TA 4 gCaCO l 10 0 7 9 10 8 15 8 10 7 Variazione del contenuto in VFA con le condizioni operative e negli stati di transiente Dei parametri considerati questo forse il vero e proprio indice di stabilit del sistema Di im portanza minore nel caso di digestori a fanghi diventa essenziale nel controllo dei processi ad alto carico
167. i ossigeno Quantit di ossigeno consumato per l ossidazione del la sostanza organica determinata attraverso l utilizzo di un forte agente chimico ossi dante K Cr 0 in ambiente acido BOD quantit di ossigeno consumata in 5 giorni in condizioni controllate per l ossidazione biologica della sostanza organica presente nel campione BOD Bo domanda biologica di ossigeno a 20 giorni parametri di gestione del reattore sono a Tempo medio di residenza idraulico HRT tempo medio di residenza idraulico HRT definito come il rapporto tra il volume del reatto re considerato e la portata di alimentazione al reattore HRT dove HRT tempo medio di residenza idraulico giorni V volume del reattore m Q portata al reattore m giorno Esso rappresenta il tempo di permanenza di ogni elemento di fluido all interno di un reattore Ci vero in senso stretto per i soli reattori ideali mentre nel caso dei reattori reali assumer il senso di tempo di permanenza medio per i vari elementi di fluido che permarranno tempi di versi all interno del reattore in relazione alla sua geometria e ad altri parametri caratteristici del reattore b Tempo medio di residenza dei fanghi SRT ll tempo medio di residenza dei fanghi all interno del reattore dato dal rapporto tra la massa totale di solidi volatili presenti nel reattore e la portata di solidi estratta dal reattore Se la quantit di biomassa prodotta per
168. i ricavarne il diametro e le dimensioni in base alla portata di aria da trattare considerando u na velocit in ingresso alla bocca pari a circa 15 16 m s Per quanto riguarda l altezza dei cicloni occorre considerare che la lunghezza del cilindro in dicativamente 1 5 volte maggiore del diametro cos come il cono inferiore mentre la bocca di scarico aria del ciclone ha una sezione indicativamente pi grande della sezione della bocca di ingresso di 1 5 volte Filtri a maniche filtri a maniche sono costituiti da serie di elementi tubolari maniche in feltro tessuti partico lari o membrane a base di fibre sintetiche in grado di trattenere il particolato solido attraverso meccanismi di filtrazione superficiale Il funzionamento di un filtro a maniche pu essere del ti o a captazione interna o esterna a seconda che il flusso dei gas da depurare sia diretto dal verso l esterno della manica o viceversa l incremento dello spessore di materiale solido depositato sulla superficie delle maniche d luogo ad un aumento dell efficienza di rimozione delle particelle solide e contemporanea mente ad un aumento delle perdite di carico nell attraversamento del letto di materiale solido stesso E pertanto necessaria un operazione periodica di pulizia delle maniche del sistema di filtra zione da effettuarsi ogni qual volta tale perdita di carico raggiunga il valore massimo ammis sibile Questi depolveratori vengono usati per il trat
169. i ritenzione dei solidi SRT incrementando la biomassa nel reattore metanogenico Questo si traduce operativamente nel ricircolare parte dell effluente del dige store dopo averlo miscelato con il rifiuto fresco Questo tipo di soluzione particolarmente ef ficace nel caso di rifiuti di cucina agro industriali caratterizzati da una elevata biodegrada bilit Weiland 1992 Madakoro et al 1999 La separazione dell HRT dall SRT pu essere ottenuta mediante un decantatore interno al secondo reattore Weiland 1992 per mezzo di una membrana per la separazione dell effluente liquido dalla biomassa che viene ricircolata nel reattore Madokoro et al 1999 Un altro metodo per incrementare la concentrazione della biomassa metanigena quello di far crescere questa biomassa su supporti interni al reattore la crescita di biomassa 2105 su supporti inerti garantisce una elevata densit della biomassa ed alti tempi di residenza cellulare nel reattore Ovviamente sistemi di questo tipo devono essere alimentati con substrati il pi possibile liberi da materiale sospeso che tenderebbe a ricoprire la biomassa impedendo il contatto tra i substrati solubili e la Bonosa stessa Questo significa che necessario rimuovere i solidi ancora presenti nell effluente dal reattore di idrolisi ed aci dificazione Esisto due processi operanti con questa logica sul mercato il processo BTA ed il processo Biopercolat 3 3 5 Prestazioni del processo Grazie a
170. i semplici quali aminoacidi acidi grassi e monosaccaridi in forma solubile vedi fig 1 2 In particolare i microrganismi idrolizzanti possono colonizzare il materiale particolato e de gradarlo Vavilin et al 1996 oppure produrre enzimi extracellulari in grado di scindere le molecole organiche complesse Sanders et al 1999 in oligomeri e monomeri che sono quin di resi disponibili per il trasporto all interno delle cellule di microrganismi acidogenici fermen tanti Questi operano generalmente l ossidazione dei substrati organici semplici a piruvato che viene poi liac mato in acidi grassi volatili alcoli e chetoni che rappresentano 1 substrati di partenza per la successiva fase acetogenica processo idrolitico pu essere inibito dall accumulo di aminoacidi e zuccheri Sanders et al 1999 a causa dell interferenza nella produzione ed attivit degli enzimi idrolitici Contestualmente all idrolisi del materiale organico complesso particolato solubile avviene il processo fermentativo acidogenico in cui i batteri fermentativi degradano i monomeri ed oli gomeri organici zuccheri acidi grassi ed aminoacidi producendo acidi grassi volatili per lo pi a catena corta quali il propionato ed il butirrato Dalla fermentazione degli aminoacidi viene inoltre prodotto ammonio In generale il processo idrolitico non implica la crescita di microrganismi Sanders et al 1999 Acetogenesi A partire dai substrati formatisi nel corso della fas
171. i successivi portando quindi ad un effetto globale negati vo Ad esempio il propionato un intermedio quantitativamente importante nei digestori a naerobici in genere secondo solo all acido acetico Sebbene la concentrazione di propionato sia di solito abbastanza bassa il suo turnover piuttosto elevato circa 1 ora inibizione del meccanismo di degradazione del propionato pertanto pu portare ad un repentino aumento della sua concentrazione che pu risultare tossica Boone e 1987 Il limite di tossicit per il propionato sembra attestarsi intorno a 3 g l Gourdon e Vermande 1987 La degradazio ne del propionato influenzata anche dall idrogeno che a sua volta pu inibire la degrada zione microbica dell etanolo e reversibilmente la crescita di molti batteri anaerobici Kaspar e Wuhrmann 1978 Pi in generale stato riportato in letteratura come alte concentrazioni di acidi grassi volatili VFA possano avere effetti tossici principalmente a causa della risultante diminuzione del pH 1 4 2 Tossicit derivante da elementi inibenti Tra i composti che possono in qualche modo inibire il normale decorso del processo di meta nizzazione si possono annoverare l acido solfidrico l azoto ammoniacale la salinit il clo ed altri clorurati i disinfettanti quali formaldeide fenoli oltre a varie specie metalli che La formazione di acido solfidrico nei reattori anaerobici il risultato della riduzione dei c
172. i tutti questi parametri determina valori elevati dell efficienza di processo i quali possono variare in base ai composti tra il 50 e il 90 con punte per alcu ne sostanze facilmente degradabili quali alcoli eteri aldeidi chetoni esteri ed idrocarburi aromatici monociclici intorno al 99 Il limite di funzionamento del biofiltro legato essenzialmente al progressivo consumo del ma teriale che costituisce il biofiltro stesso poich essendo di origine naturale tende a consumarsi per ossidazione ad anidride carbonica con gli stessi processi con cui viene depurato l effluen te filtrato Il consumo del letto la cui entit e significativamente funzione del materiale con cui composto porta alla progressiva perdita della sua originaria porosit e ad un suo inevitabile intasamento con aumento delle perdite di carico fino a valori tali da imporre o un rivoltamento o la completa sostituzione E necessario infine ricordare la preoccupazione dell eventualit che dal letto filtrante possano mi Cole ee ASS E NEM E la 6 i c e JO 1 py Lim EET au i T a i x 1 ota Pins 5 I m r E WT sE brit I id m d Tu d Po i HALLA o FEO E wj VL ad Ert F HL c Ma E ix xz ANALISI DEGLI ELEMENTI IMPATTO AMBIENTALE E MISURE COMPENSATIVE liberarsi microrganismi patogeni in quantit tali da rappresentare pericolo per coloro che o pe
173. ia visione che non si limiti al bilancio locale o ad dirittura circoscritto all impianto specifico ma che consideri l analisi dell intero ciclo di vita dei materiali utilizzati con particolare attenzione alle sostanze nocive presenti nelle materie prime e nei rifiuti Irrinunciabilmente quindi la strategia passa per quella che ormai prassi per legge la raccolta differenziata il riciclaggio e la valorizzazione delle risorse seconde In que sto contesto potr assumere una funzione sempre pi importante il trattamento della frazione or ganica dei rifiuti mediante digestione anaerobica che consente di abbinare il recupero di ma teria al recupero di energia L ANPA nell ambito delle attivit di supporto all Osservatorio Nazionale sui Rifiuti ONR si pertanto impegnata all elaborazione del presente Manuale che si configura come un valido supporto agli Enti locali preposti per il rilascio delle autorizzazioni e al controllo degli impian ti nonch ai progettisti e gestori degli stessi fornendo delle linee guida utili per la scelta pro gettuale e la gestione degl impianti del processo di digestione anaerobica In particolare sono stati ampiamente descritti e sviluppati gli argomenti relativi alla descrizione doo affrontando gli aspetti chimico fisici biochimici microbiologici e cinetici che caratterizzano le diverse fasi della digestione anaerobica l idrolisi l acidogenesi e la metano genesi E stato inoltre appr
174. ianti Qualora non sia possibile individuare impianti gi esistenti o non siano proponibili ido nei interventi di dovr essere considerata la necessit di realizzare nuovi impian ti di valorizzazione dei materiali prodotti dagli impianti in esame nonch di eventuale tratta mento e smaltimento dei residui di processo Tra i vari fattori citati uno che incide in modo determinante sulle scelte da effettuare lo stato del la raccolta differenziata ed in particolare la priorit che viene assegnata all intercettazione dei LA PROGETTAZIONE DEGLI IMPIAN DI DIGESTIONE ANAEROBICA DE IF TI vari flussi di rifiuti Infatti la raccolta delle diverse frazioni incide sulla quantit e sulla composi zione del rifiuto indifferenziato o residuale prodotto a valle e di conseguenza sulle sue caratte ristiche di trattabilit e sulla qualit dei prodotti ottenibili dal trattamento Per esempio la variazione della composizione merceologica determina una sostanziale modi fica del comportamento del rifiuto alla separazione per vagliatura tecnica ormai usuale per la selezione post raccolta dei rifiuti solidi l alterazione della potenzialit di separazione dimen sionale del rifiuto indifferenziato incide a sua volta in maniera rilevante su alcuni parametri caratteristici dei trattamenti successivi Pertanto a medio termine sar proprio l entit e la tipologia di raccolta differenziata attivata nel bacino ad indurre i cambiamenti pi signif
175. icativi sia dal punto di vista qualitativo che quantitativo sul rifiuto da avviare ai sistemi di trattamento Le informazioni acquisite dall analisi dei fattori sopra descritti consentiranno una corretta pia nificazione del sistema di gestione dei rifiuti nel bacino la quale consentir di definire e il sistema di raccolta da adottare con la definizione degli obiettivi quantitativi e qualitativi di raccolta differenziata e dei flussi di rifiuto indifferenziato e dotazione impiantistica del bacino con la definizione del numero e della tipologia dei nuovi impianti della loro potenzialit e della loro collocazione nel territorio 4 2 4 Indicazioni sui criteri di localizzazione degli impianti Un aspetto fondamentale da considerare nella pianificazione di un sistema di gestione dei rifiuti la ricerca di aree idonee all installazione di impianti di trattamento e o smaltimento decreto legislativo 22 97 in materia di localizzazione degli impianti di smaltimento rifiuti si limita semplicemente a sottolineare le competenze dei differenti Organi dello Stato rimandan do la soluzione del problema a successive norme tecniche In particolare il decreto stabilisce che spetta alle Regioni la definizione dei criteri per l individuazione da parte delle Province del le aree non idonee alla localizzazione degli impianti di smaltimento e di recupero dei rifiuti le Province devono anche individuare le zone idonee a tale localizzazione e forni
176. ichiesta e della taglia dei gruppi disponi bili sul mercato Le apparecchiature in commercio garantiscono rendimenti di conversione dal 30 fino al 45 a seconda della taglia del motore e del gas di alimentazione Al fine di ottenere una certa flessibilit consigliabile prevedere almeno due gruppi pertanto la taglia unitaria dei motori scende a livelli in cui il rendimento prevedibile compreso tra il 32 e il 36 Per l alternatore un rendimento elettrico usuale del 95 Il rendimento complessivo dei gruppi pu essere considerato normale tra il 30 e il 34 ed tanto maggiore quanto pi grande la taglia Sistemi di accumulo del biogas Per rendere compatibili le cinetiche di produzione di biogas con quelle di utilizzo necessario installare un sistema di accumulo Il volume e la pressione devono essere determinati in funzione di una valutazione costi benefi ci cercando una soluzione di compromesso tra il costo d investimento e di gestione principal mente dovuto alla compressione del biogas ed il beneficio derivante dalla vendita dell energia prodotta Per non arrivare a volumi e a costi troppo sostenuti lo stoccaggio deve essere limitato alla quantit necessaria per ammortizzare le punte di produzione per esempio volume uguale ad un ora di produzione e deve essere realizzato a foci pressione Tutte le tubazioni ed i serbatoi di stoccaggio del biogas devono essere realizzati a perfetta te nuta in modo da evitare possib
177. icrobici connessi alle due diverse fasi del processo di digestione La figura 1 7 riporta una rappresentazione di processi ad una e due fasi in reattori completa mente miscelati LI a li i 5 au p 8 pa gt I L m 2540 25 26 ldralizzato Ringas Hingas Lilluente liquido liquidu s LADIO I STADO IL Figura 1 7 Processo ad una ed a due fasi 1 5 2 1 Processo in reattore continuo completamente miscelato senza ricircolo CSTR In questo tipo di reattore la concentrazione del substrato dei prodotti e della biomassa nell ef fluente uguale a quella nel reattore il cui contenuto assunto omogeneo La figura 1 8 rappresenta schematicamente un reattore a mescolamento completo senza ricir colo Questo tipo di processo che generalmente utilizzato per la stabilizzazione dei fanghi prodotti negli impianti di depurazione o per processi wet o semi dry di digestione di rifiuti organici ve di Cap 3 caratterizzato dall eguaglianza del tempo di ritenzione idraulica e del tempo di ri tenzione dei solidi e quindi dei microrganismi HRY SRT e dove HRT tempo medio di residenza idraulico giorni SRT tempo medio di residenza dei fanghi giorni Q portata effluente m giorno V volume del reattore m Ch 5 An 1 A B Figura 1 8 Reattore a mescolamento completo senza ricircolo YT sal
178. iderazione tutti quei fattori quali l instabilit dei versanti e i fenomeni di erosione accelerata che alterando l aspetto fi sico del paesaggio possono compromettere la sicurezza degli impianti Nei casi in cui il territorio in esame sia stato sottoposto in passato a fenomeni sismici o abbia ma nifestato fenomeni connessi ad attivit endogene necessario anche effettuare la classifica zione sismica del territorio ed individuare le aree in cui si sono verificate le manifestazioni le gate al vulcanismo Altri aspetti di natura territoriale e socioeconomica che intervengono successivamente nella scelta delle aree selezionate sono l uso reale del suolo i caratteri naturalistici del territorio l idrologia superficiale la distribuzione della popolazione la distribuzione delle sul territorio 4 2 5 Indicazioni svi livelli di progettazione degli impianti di trattamento rifiuti progetto di un impianto definisce sulla base di una serie di dati di input gli elaborati che in dividuano in maniera compiuta le caratteristiche tecniche delle opere civili elettromeccaniche e complementari che costituiscono l opera l obiettivo di realizzare un intervento di qualit tecnicamente valido nel rispetto del rappor to ottimale tra benefici e costi globali inclusi quelli di manutenzione e gestione In ottemperanza a quanto previsto dalla L 109 94 e dal D P R 554 99 e successive modifi cazioni si possono individuare tre
179. idificazione con formazione di acidi grassi volatili chetoni ed alcoli 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 cio la formazione di metano a partire dall acido acetico o attraverso la riduzione del biossi do di carbonio utilizzando l idrogeno come co substrato In minor misura si ha la formazione di metano a partire dall acido formico Il processo di digestione anaerobica schematicamente illustrato in figura 1 1 mentre l insieme dei principali processi coinvolti nelle diverse fasi della digestione anaerobica e le diverse re lazioni che intercorrono tra i vari gruppi di batteri sono riportate in figura 1 2 modificato da E Zehnder 1983 Le varie fasi del processo sono di seguito discusse con maggior ettaglio Idrolisi ed acidificazione In questa prima fase 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 PEL a d a ON Mh i I col d di CHUA Figura 1 2 Diagramma complesso delle diverse fasi coinvolte nel processo di digestione anaerobica Gujer e Zehnder 1983 modificato compost
180. iene diminuendo il tempo di permanenza nel reattore questo riscontrabile anche considerando le percentuali di rimozione La composizione del biogas meno interessata da queste variazioni di condizioni di esercizio seppure la diminuzione del 15 circa che si e videnzia confrontando la condizione 1 con la 5 da 61 a 53 non pu essere considerata tra scurabile E evidente quindi che le condizioni ottimali di esercizio non possono che essere un compromesso tra l esigenza di ottenere un substrato pi stabilizzato e quindi utilizzare HRT maggiori e la necessit di massimizzare la resa specifica per unit di volume di reattore di biogas utilizzando bassi Una correlazione lineare tra OLR ed SGP calcolata sulla base di questi ed altri risultati Cec chi et al 1992 SGP 0 498 0 0139 OLR La correlazione dei dati risulta soddisfacente 2 0 985 Variazione delle rese di processo con la temperatura di esercizio L intervallo termico di esercizio gioca un ruolo fondamentale sulle rese di processo Nella tabella 5 2 sono riportati i dati ricavati da una ricerca condotta allo scopo di confrontare il comporta mento del processo semi dry a parit di altre condizioni di esercizio in regime mesofilo e ter mofilo Si noti come i valori relativi alla produzione specifica SGP raddoppino passando da condizioni mesofile a condizioni termofile a parit di HRT e con valori di OLR addirittura infe riori nella condizione a temperatur
181. iente da raccolta differenziata Considerando anche in questo caso un piano di ammortamento su dodici anni con un tasso di interesse del 4 possibile stimare un onere da circa 500 000 fino a circa 800 000 Euro all anno Per quanto con cerne invece i costi di gestione questi variano nell intervallo 1 4 2 7 milioni di Euro all anno Come si vede i costi di gestione sono maggiori rispetto al caso del trattamento di un rifiuto in differenziato ci imputabile al fatto che il personale impiegato superiore in questo secon do caso Per quanto concerne i ricavi dall utilizzo del biogas prodotto nel processo anaerobi co questi variano da un minimo di circa 300 000 fino ad un massimo di circa 2 milioni di Eu ro anno passando da 30 000 a 70 000 t anno di rifiuto trattato Tendendo conto anche dei ri cavi appena menzionati il costo specifico per tonnellata di rifiuto da raccolta differenziata va ria nell intervallo 20 57 Euro t Anche in questo caso possibile osservare nella parte infe riore di figura 5 8 l andamento del costo specifico al variare della taglia dell impianto per il trat tamento di rifiuto organico da raccolta differenziata In questo caso la disponibilit dei dati non permette di arrivare a potenzialit elevate come nel caso del trattamento di rifiuto da rac colta indifferenziata d altronde le dimensioni degli impianti in questo caso sono necessaria mente minori LM a URS ta THEE ro a
182. ifica di biogas nell intervallo 0 5 0 55 Nm kgVS negli impianti a due fasi e 0 38 0 42 Nm kgVS in quelli monofasici Bozano Gandolfi e Wiljan 1999 La tabella 3 15 riporta i tipici parametri operativi e le rese per il processo BTA con reattore monofase o a due fasi separate a Iu at P a s 1 s ze E 1 Br s 1 n M AL I 14 n JUN __ HUE re ub on wu APPLICAZIONE INDUSTRIALE DELLA STIONE ANAEROBICA DEI RIFIUTI UR Tabella 3 15 Tipici parametri operativi e rese per il processo BTA in Bozano Gandolfi e Wiljan 1999 M Due fasi Processo ALES Idrolisi Metanogenesi Parametro Temperatura reattore C 37 37 37 Tempo di ritenzione idraulica giorni 14 16 24 3 Produzione di biogas Nm t 80 90 110 120 Produzione specifica biogas m kgVS 0 38 0 42 0 5 0 55 Contenuto in metano 60 65 30 50 65 75 Calore prodotto kWh t 305 415 Energia prodotta kWh t 165 225 E operativo in Baviera Germania un impianto a scala reale con potenzialit di 15 000 t an no di rifiuto organico costituito per il 70 da fanghi di varia provenienza Qui dopo una serie di pre trattamenti per la rimozione degli inerti e delle a si ha una fine macerazione del rifiuto Le rese del digestore operante in mesofilia con un carico organico di 3 6 kgVS m d ed un tempo di ritenzione di 7 5 15 giorni ha mostrato produzioni specifiche di biogas nell inter vallo 0 32 0 55 m kgVS e velocit di produzion
183. igena Palmowsky e Muller 1999 Si comunque osservato che nonostante i maggiori sforzi in termini tecnologici e di investi menti molto spesso i sistemi a due fasi non consento incrementi delle rese in termini di produ zione di biogas tali da giustificare i maggiori costi di investimento e di gestione Il maggior vantaggio consiste piuttosto nella capacit di trattare alcuni tipi particolari di rifiuto organico che vengono in genere evitati nei sistemi a fase unica quali ad esempio particolari residui agro industriali o zootecnici che presentano rapporti C N lt 20 La tabella 3 14 riporta i tipici van taggi e svantaggi dei processi di digestione anaerobica a due fasi processi a due stadi possono essere operati con o senza ritenzione della biomassa nel secon do stadio A seconda di questa particolarit costruttiva si hanno diverse rese Tabella 3 14 Vantaggi e svantaggi dei processi a due fasi Vendervivere et al 2001 Criterio Vantaggi Svantaggi Tecnologico Elasticit del processo Complessit impiantistica Biologico Processo pi affidabile anche Minori rese in termini di per rifiuti con basso contenuto produzione di biogas quando i solidi in cellulosa non vengono metanizzati Economico Minor quantit di sostanze tossiche Elevati costi di investimento a causa ed ambientale metalli pesanti nell effluente della complessit impiantistica del digestore 3 3 1 Processicon schema senza ritenzione della biomass
184. igura 3 3 Sviluppo temporale dei processi wet e dry De Baere 2000 Dallo stesso grafico poi possibile evidenziare come la tendenza attuale sia quella di costrui re impianti con notevoli capacit di trattamento Si osserva infatti dapprima una diminuzione della taglia degli impianti che amp passata dalle 24 000 t anno del 1990 a valori inferiori 15 000 18 000 t anno nel periodo 1992 1998 a seguito dell attivazione di una serie di impianti di piccole dimensioni in Svizzera e Germania per poi risalire dopo il 1998 con l af fermazione dell applicazione di impianti di maggior potenzialit a 25 000 t anno l analisi di De Baere ha poi permesso di evidenziare come mentre nel periodo iniziale tutti gli impianti o perassero in regime mesofilo siano poi stati attivati dal 1992 1993 i primi reattori operanti in regime termofilo Come si pu osservare dal grafico di figura 3 2 gli impianti operanti in termofilia rappresentano oggi in termini di potenzialit circa il 4075 del rifiuto trattato La figura 3 2 evidenza inoltre come negli ultimi anni la costruzione di impianti operanti in mesofilia o in termofilia sia stata ora a vantaggio dell una o dell altra scelta dell intervallo di tem peratura di processo Si pu osservare che i processi termofili seppur affermatisi con alcuni anni di ritardo si siano dimostrati in grado di conquistare fette crescenti di mercato Le maggiori spese per il riscalda mento dei reattori non sem
185. ili infiltrazioni d aria che potrebbero dar luogo ad esplosioni do vute al suo carattere altamente infiammabile E A IE E Ww nes a fle JR ua LER RI Torcia di sicurezza In tutti gli impianti con produzione di biogas necessario prevedere la presenza di una torcia di emergenza che garantisca la combustione del biogas prodotto Il dimensionamento della torcia deve essere fatto in modo tale da consentire non solo la com bustione della portata normale del biogas ma anche dei quantitativi provenienti dall eventua le svuotamento rapido di tutti gli stoccaggi La torcia di sicurezza deve consentire la combustione del biogas in condizioni di emergenza as sicurando e i mantenimento di valori di temperatura adeguati a limitare l emissione di inquinanti e la pro duzione di fuliggine l omogeneit della temperatura all interno della camera di combustione un adeguato tempo di residenza del biogas all interno della camera di combustione un sufficiente grado di miscelazione tra biogas ed aria di combustione un valore sufficientemente elevato della concentrazione di ossigeno libero nei fumi effluenti Al fine di conferire al sistema una maggiore affidabilit la torcia deve essere dotata di sistemi automatici di accensione e controllo della fiamma ll tempo di funzionamento deve essere calcolato tenendo conto dei tempi di manutenzione dei gruppi 4 6 DISIDRATAZIONE DEI FANGHI Durante la fase di digestione anaerobica la m
186. ilit di utilizzo e Produzione di calore sotto forma d acqua calda di vapore o d aria calda per il riscalda mento l essiccazione e processi industriali disidratazione di percolati di discariche Ren dimento medio 80 8575 Questa scelta comporta l esistenza di un impiego locale condomini per abitazione collettiva o terziaria rete di teleriscaldamento industrie e Produzione di elettricit generalmente con motori a gas eventualmente con turbine a vapore o turbine a gas per gli impianti di pi ampia capacit Rendimento medio 30 3575 e Produzione combinata di calore e di elettricit cogenerazione Rendimento medio 80 85 50 per calore e 35 per elettricit Esistono anche altre filiere emergenti quali e produzione di carburante per veicoli i e produzione di gas naturale per iniezione nella rete pubblica di trasporto e distribuzione e produzione di LE per esempio con macchine ad assorbimento industrie agro alimen tari e utilizzo in forni industriali come combustibile primario o ausiliario La soluzione pi comunemente adottata rappresentata dalla produzione combinata di calo re e di elettricit Tra i vari sistemi utilizzabili per la cogenerazione che si differenziano tra loro per il tipo di 05 106 motore termico impiegato per la generazione di potenza meccanica e quindi elettrica si ri cordano turbina a vapore turbina a gas alternativi a ciclo Diesel motori a
187. imite di tollerabilit Cecchi e Pavan 1993 l eccessiva salinit pu portare ad un progressivo squilibrio del processo con accumulo di acidi grassi vo latili e blocco parziale ed eventualmente totale della metanogenesi Nel caso di metanigeni esposti a 2 5 mg l di cloroformio si osservata la completa ripresa della produzione di metano dopo circa due settimane interessante notare inoltre che la ri petizione dell esposizione non ha mostrato nessun effetto di inibizione dando prova dell adat tabilit del consorzio batterico allo stimolo negativo Speece 1983 ei m 1 18 In alcuni casi la variazione in concentrazione di una sostanza tossica pu renderla biodegra dabile e il caso della formaldeide e del fenolo utilizzati come disinfettanti che al di sotto di 400 e 2000 mg l rispettivamente vengono velocemente convertire a metano per via anaerobica Speece 1983 Per quanto riguarda la presenza di tracce di metalli in particolare ferro cobalto e nichel essa essenzialmente legata alla presenza di solfuri i quali giocano un ruolo simile e complemen tare In generale la ragione della tossicit degli ioni metallici dovuta al fatto che essi inattiva no un grande numero di enzimi interagendo con i loro gruppi sulfidrilici inoltre la correlazio ne tra lo presenza di zolfo e la presenza di metalli pesanti direttamente in relazione con il prodotto di solubilit dei rispettivi solfuri ci
188. indica che la quantit di zolfo in soluzione in fluenza in maniera pi o meno sensibile l effetto tossico degli ioni in soluzione Cecchi e Pa van 1993 Studi eseguiti su digestori anaerobici di RU Speece 1983 indicano che vi una sensibile ri duzione 1 acidi grassi volatili da 4000 a 400 mg l allorch la concentrazione di ferro viene aumentata all interno del digestore stesso Simili effetti di riduzione della resa in metano possono essere attribuiti anche ad altri metalli quali zinco limite tossicit 160 mg l rame limite tos sicit 170 mg l cromo e cadmio limite tossicit 180 mg l 1 5 SCHEMI DI PROCESSO DI DIGESTIONE ANAEROBICA La complessit del processo di digestione anaerobica ha stimolato il ricorso a molteplici confi gurazioni di processo impianto l illustrazione delle diverse soluzioni e dei criteri di dimensio namento dei reattori di seguito riportata corredata dalla definizione di alcuni parametri di pro cesso e di gestione del reattore 1 5 1 Parametri di gestione del processo nei reattori di digestione anaerobica principali parametri che permettono di dimensionare valutare e gestire il processo di digestione anaerobica possono essere suddivisi in due gruppi i parametri di gestione del reattore ed i parametri di stabilit del processo 1 5 1 1 Parametri di gestione del reattore parametri di gestione del reattore definiscono l esercizio in termini di tempi di permanenza della massa ali
189. iologica che la rende direttamente utilizzabile in agricoltura come fertilizzante in accordo con le normative vigenti sul territorio svizzero La soluzione impiantistica adottata quella di pi reattori operanti in parallelo ciascuno con u na capacit di trattamento nell intervallo 15 000 25 000 tonnellate anno Thurm e Schmid 1999 Tabella 3 9 Parametri operativi e rese degli impianti di Salisburgo Austria e Brecht Belgio in De Baere 2000 Salisburgo Brecht Impianto Austria Belgio Parametro operativo Rifiuto trattato t anno 20 000 20 049 Contenuto in solidi TS 31 AO Temperatura reattore C 55 55 Tempo di ritenzione idraulica giorni 15 3 Carico organico kgVS m giorno 10 14 9 Rese di processo Produzione di biogas Nm t 135 1025 Velocit di produzione biogas m m giorno 4 907 Produzione specifica biogas m3 kgVS 0 36 0 25 0 30 Contenuto in metano 55 Solidi rimossi 29 23 Alla base delle realizzazioni in piena scala ci sono i risultati ottenuti in anni di sperimentazio ni su scala pilota Wellinger et al 1992a La tabella 3 10 riassume i parametri operativi e le rese delle attivit sperimentali condotte in un reattore pilota da 15 m operante in regime termofilo 55 In Svizzera dal 1992 stata avviata la prima sperimentazione industriale del processo Kompogas 65 md x e j quies n q i 1 i l i 2 T En A je F i IL TRATTA
190. ione adottare le misure preventive contro i pericoli noti controllare l osservanza delle prescrizioni e l efficienza dei dispositivi affiggere istruzioni sulle prescrizioni preventive ed eventuali segnali di pericolo esporre cassette di primo soccorso e numeri telefonici dell ospedale mettere a disposizione docce e disinfettanti per lavarsi le mani prima dei pasti nonch ar madietti per tenere separati gli indumenti da lavoro e fare effettuare vaccinazioni antitetanica tifo paratifo e visite periodiche al personale del l impianto provvedendo anche ad apposite assicurazioni informare sui rischi igienici anche i visitatori e gli operatori di ditte esterne non far accedere personale esterno senza autorizzazione scritta far usare obbligatoriamente i guanti per le operazioni con contatto dei rifiuti liquami fan hi sabbie ecc Far medicare qualsiasi taglio o abrasione della pelle controllare che le ditte esterne abbiano presentato il piano di sicurezza prima di iniziare qualsiasi attivit di lavoro 5 5 MANUTENZIONE DEGLI IMPIANTI Al fine di garantire il mantenimento nel tempo della funzionalit di tutte le apparecchiature presenti in un impianto di trattamento rifiuti deve essere prevista una continua manutenzione ef fettuata da personale interno all impianto oppure stipulando un contratto di manutenzione con ditte esterne che in caso di necessit assicurino il tempestivo intervento per il ripristino delle nor mali condizion
191. ione organica selezionata meccanicamente in Svizzera Nel corso del 2001 sono stati terminati i lavori degli impianti di Varennes Jarcy e Hanovre in Francia e Barcellona in Spagna tutti con potenzialit di circa 100 000 t anno di fra zione organica da selezione meccanica In Italia stato costruito un impianto per il trattamento di frazione organica e fanghi 52 000 t anno presso Bassano del Grappa Vicenza Charret 1998 3 3 PROCESSI DI DIGESTIONE A DUE FASI Questo tipo di approccio prevede la separazione fisica della fase idrolitica e fermentativa dal la vera e propria fase metanigena due processi avvengono infatti in reattori separati Questo processo trova oggi solo poche applicazioni in scala reale meno del 10 del mercato De Baere 2000 ma spesso utilizzato dai ricercatori nelle sperimentazioni in scala di laboratorio o in scala pilota per una pi facile comprensione dei fenomeni coinvolti nelle diverse fasi del pro cesso di digestione Dal momento che i processi vengono separati ed avvengono in condizioni ottimali le rese in termini di degradazione della sostanza biodegradabile e di produzione di biogas sono ottimizzate Ghosh et al 1999 Nella prima fase si osserver quindi l idrolisi e l a cidogenesi secondo una cinetica di primo ordine limitata dalla presenza di cellulosa mentre la seconda fase deputata alla acetogenesi e metanogenesi Qui la velocit limitante quella di crescita della biomassa metan
192. iorno di ri fiuto indifferenziato Genon 1999 SU Sou 430 7000 Ei 400 i a GODO aou M LA n P ing S000 tri E il E qc XU La a I Lzo 100 zn 10 AL 91 92 93 94 35 96 IF SH 39 1990 Mu Anaerobico Aerobico Figura 3 7 Andamento della capacit di trattamento nel tempo per i processi aerobici ed anaerobici De Baere 2000 om m E e 1 Ie m s LM i i2 AA UTE 1 L der Hes i NLIS EI T ar r w ae E S m un T I LJ Er nuu MIL _ nM APPLICAZIONE INDUSTRIALE DELLA DIGESTIONE ANAEROBICA DEI RIFIUTI URBANI Frazione pesante Tuerti amp 1368 kr Iuris jadis 41 vetro 15 tessile 44 Nm Bifiuto MI ke LOCO kg 697 kar totale 1833 ke Frazione leggera Metallo x RIDI F 73 kg a5 ke 3 7 kg plusticu 44 FE plasti ae ke plastica orale 691 kg 136 kg filtrazione CO acqua 40 k k Prodotto Finale i II Li 555 kg WIS ke Siae fanchi Acrobica Figura 3 8 Schema logico e bilancio di massa di un approccio integrato di digestione anaerobica e staggio Genon 1999 La tabella 3 1 riporta il confronto tra il processo anaerobico con post compostaggio ed aero bico di stabilizzazione della frazione organica di RU Gli intervalli dipendono ovviamente dal la qualit del rifiuto trattato Tabella 3 1
193. it di utilizzo del substrato per unit di massa di microrganismi pari alla met della velocit massima massa volume Ks coefficiente di semisaturazione corrispondente alla concentrazione di sub strato S alla quale la velocit di utilizzo del substrato per unit di massa di microrganismi pari alla met della velocit massima massa volume Oltre all eccesso di acetato anche l ammonio pu giocare un ruolo fondamentale nell inibizio ne del processo acetoclastico valori dei coefficienti cinetici coinvolti nel processo di metanogenesi sono riportati in ta bella 1 4 Tabella 1 4 Tipici valori dei coefficienti cinetici per la metanogenesi Gujer e Zender 1983 Noike et al 1985 Harper e Pohland 1986 Pavlostatis e Giraldo 1991 Romli et al 1995 Angelidaki et al 1998 Unit di misura Metanogenesi Metanogenesi Acetoclastica Idrogenotrofa Umax gi l 4 COD g COD d 2 29 095 Ks mg COD I 50 600 001 01 Y g VSS g COD 0 02 0 05 004 01 gi 0 02 0 04 0 01 0 04 1 4 TOSSICIT DELL AMBIENTE DI CRESCITA l ottimizzazione del processo di digestione anaerobica deve essere condotta attraverso lo stu dio di tutti i fattori cha contribuiscono positivamente o negativamente ad influenzare la resa del processo globale Come gi accennato precedentemente la presenza di alcuni fattori pu inibire o limitare sia la crescita del consorzio che la resa di trasformazione del substrato n
194. ita a mano secondo diverse categorie residuo di questa selezione costituisce l ultima frazione composta quasi unicamente da so stanze organiche vegetali ed animali e da materiale minuto praticamente non cernibile Subito dopo la cernita si pesa ognuna delle frazioni separate 1 sottovaglio 2 carta e cartone 3 tessili e legno 4 materiale plastico 5 metalli 6 inerti 7 sostanze organiche e varie Per avere informazioni complete sulle caratteristiche del rifiuto necessario eseguire anche u na serie di analisi volte ad individuarne le principali propriet chimico fisiche tra cui umidit materie volatili ceneri potere calorifico inferiore densit Le informazioni che si devono acquisire sulle caratteristiche del rifiuto e quindi il tipo ed il det taglio di analisi da effettuare dipender generalmente dalla tipologia di trattamento a cui si vuole sottoporre il rifiuto In alcuni casi le sette classi merceologiche individuate sono insufficienti agli scopi richiesti e pertanto pu essere necessario ricorrere a schemi di classificazione merceologica pi articola ti e dettagliati Stato della raccolta e preesistenze impiantistiche Per completare il quadro rappresentativo del bacino oggetto della pianificazione necessario acquisire tutte le informazioni possibili relative allo stato dell arte della raccolta e dello smalti mento in quanto da esso dipender l individuazione dei nuovi interventi d
195. ivamente il carico volumetrico alimentato giornalmente l unico parametro da considerare in questo caso il tempo di ritenzione idraulico e approccio che consideri il carico organico applicabile al processo e che consenta di di mensionare il reattore in modo tale da garantire il giusto apporto di substrato alla biomas sa che deve operare la digestione dimensionamento effettuato sulla base del tempo di residenza volumetrica HRT d non sufficiente a garantire il rispetto delle specifiche di esercizio ma pu essere eseguito solo in prima approssimazione e deve servire come verifica della compatibilit tra la geometria del digestore ed il tipo di materia da trattare In tabella 4 4 sono riportati i valori di HRT nelle varie condizioni di processo e per diversi sub strati in alimentazione Tabella 4 4 Valori del tempo di residenza volumetrica HRT d nei vari processi Mesofilia Termofilia Substrato Processo Processo Processo Processo Processo Processo umido semi umido secco umido semi umido secco Frazione organica selezionata meccani camente 14 30 15 20 17 30 10 18 6 15 12 20 Frazione organica a raccolta differenziata o selezionata alla fonte 1218 12 18 1725 8 16 10 16 1216 Pu essere adottata una procedura di calcolo riassumibile nei seguenti punti 1 fase Determinazione dei flussi di massa in ingresso Normalmente nelle ipotesi di dimensionamento noto il bacino di utenza da servire Si
196. iversit degli Studi di Ancona Enrico ROLLE Alessandra POLETTINI Universit degli Studi di Roma La Sapienza G BATTISTINI G FICONERI B BELLOMO RENATO Utres srl Indice 900000000000009000000000000000000000900000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000009000000 90000000000000000000000000000000000900000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000009000000 9000000000000000000000000000000000090000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 09000000000000000000000000000000000090000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 90900000090000009000000000000000000000900000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000009000000 90000000000000000000000000000000000900000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000009000000 909000000000000000
197. kgVS m d Pavan et al 2000a e b Gli stessi risultati possono essere comunque ottenuti operando con particolari rifiuti 69 0 agro industriali in reattori a singola fase avendo cura che il rapporto C N sia sempre gt 20 Weiland 1992 In processi di questo tipo il primo reattore pu sopportare fluttuazioni anche significative dell OLR e quindi preservare il secondo reattore da fenomeni di shock In recenti spe rimentazioni Edelman et al 1999 hanno dimostrato come il primo stadio sia in grado di o perare da vero e proprio tampone ma che questo effetto sia significativo ed utile solo nel ca so si trattino rifiuti poveri in cellulosa per i quali lo step metanigeno piuttosto che quello idro litico rappresenta la fase di rallentamento del processo In molti altri casi comunque l idro lisi l elemento che limita le rese di processo nel trattamento a due fasi Noike et al 1985 In termini di massimo OLR applicabile i processi a due stadi sono comparabili con processi peranti a fase singola l impianto con processo BRV di Heppenheim Germania opera con OLR fino a 8 kgVS m d mentre il reattore con processo Schwarting Uhde pu sostenere OLR fino a 6 kgVS m d Trosch e Niemann 1999 3 3 3 Applicazioni industriali Il processo BRV Nel processo BRV registrato dalla Linde Germania viene applicata una logica di tipo dry nei due reattori con fluidodinamica di tipo a piste Il rifiuto introdotto nel primo re
198. l modello pu essere opportuno richiamare al cuni valori determinati per i diversi tipi di frazione organica selezionata tabella 4 1 I valori so no stati ottenuti utilizzando un sistema automatico di acquisizione della portata di gas applicato ad un digestore operante in semicontinuo alimentato 2 o pi volte al giorno In questo modo si sono ottenute delle curve di produzione la cui pendenza rappresenta proprio la velocit di consumo del substrato La tabella seguente riporta i valori determinati confrontati anche con quel li dei fanghi di supero 93 94 sii e P at d Tabella 4 1 Valori di costanti del primo ordine per la frazione organica selezionata e i fanghi di supero mesofilia Cecchi et al 1991 Frazione organica da selezione meccanica 0 40 0 998 Fanghi di supero 0 28 0 983 Fanghi frazione organica selezionata proveniente dalla grande distribuzione 50 50 1 50 0 987 Fanghi frazione organica selezionata proveniente dalla grande distribuzione 20 80 2 20 0 981 Frazione organica selezionata proveniente dalla grande distribuzione 3 00 Frazione organica selezionata alla fonte Su Come si pu evincere dalla tabella i valori dei coefficienti di correlazione sono piuttosto elevati anche utilizzando questo semplice approccio Tuttavia gli studi condotti hanno chiaramente dimostrato come esso non abbia valenza generale giocando le diverse condizioni operative ap plicate un ruolo fondamenta
199. l pH e dell al calinit in funzione dell acidit espressa in termini di eon di acidi organici E evi dente la maggior pendenza e quindi velocit di scomparsa dell alcalinit rispetto all evolu zione del pH E quindi necessario associare al pH gli altri parametri di controllo fondamenta li quali l alcalinit del mezzo la concentrazione di acidi grassi volatili e la composizione del bio gas ed in particolare fare riferimento ai loro andamenti Problemi possono sorgere anche nel caso di innalzamenti eccessivi del pH nel reattore in que ste condizioni infatti l equilibrio tra l ammoniaca e la sua specie protonata l ammonio si spo sta a favore della prima vedi paragrafo 1 4 Alcalinit effetto tampone l alcalinit rappresenta la capacit di un sistema di neutralizzare protoni ed generalmente e spressa in termini di concentrazione di carbonato di calcio Questa viene determinata analiti camente sulla fase liquida presente nel reattore per titolazione con acido cloridrico Valori di alcalinit dell ordine di 3000 5000 mg CaCO per litro sono tipici per i digestori a naerobici operanti in condizioni stabili Stafford et al 1980 Durante la titolazione dapprima fino a pH 6 si satura il sistema tampone imputabile alla pre idi IL PROCESSO DI DIGESTIONE ANAEROBICA ELEMENTI DI BASE senza del bicarbonato del sistema e successivamente proseguendo la titolazione sino a pH 4 vengono titolate tutte le rimanenti
200. l processo di digestione anaerobica Stafford et al 1980 Se il reattore sta operando in condizioni di stabilit la produzione e la composizione del bio gas risultano costanti Una diminuzione nella produzione complessiva di biogas ed un aumento nella percentuale di possono indicare fenomeni di inibizione a danno della componente metanigena dovuti ad esempio all eccessiva presenza di acidi grassi volatili ed inibizione del processo Ne conse gue che l analisi della produzione e della composizione percentuale del biogas dovrebbe sem re essere associata di parametri quali la concentrazione degli acidi grassi volati lie l alcalinit del mezzo Si potr osservare che in presenza di eccessivi carichi di substrato la percentuale di CO tende a crescere a scapito della presenza di metano Tutto ci in stretta relazione con le variazioni di n i L j me mom IL PROCESSO DI DIGESTIONE ANAEROBICA ELEMENTI DI BASE concentrazione degli acidi grassi volatili nel mezzo In particolare si potranno osservare tre diverse situazioni IRSA CNR 1985 1 una bassa concentrazione di VFA unitamente ad una elevata produzione di biogas in cui la CO si attesti su valori bassi compresi tra il 25 33 indica che il processo stabile e si ha una buona capacit di trasferimento dai batteri acidificanti a quelli metanigeni 2 concentrazioni crescenti nel tempo dei VFA unite ad una produzione di biogas in cui la
201. l riflesso che questo avr sulle caratteri stiche del rifiuto e su tutto il sistema di gestione gt Preesistenze impiantistiche E necessaria un attenta valutazione degli impianti gi esistenti nel bacino ed in particolare degli impianti e di trattamento e o riciclaggio delle frazioni raccolte in modo differenziato e di trattamento del rifiuto indifferenziato o residuale e di smaltimento dei residui e dei sottoprodotti dei precedenti trattamenti e industriali in cui possono essere utilizzate le frazioni raccolte separatamente o alcuni prodotti derivanti dal trattamento del rifiuto indifferenziato o residuale Nella valutazione delle preesistenze impiantistiche occorre considerare non solo gli impianti in esercizio ma anche quelli autorizzati sia nel caso in cui essi siano gi realizzati ma non fun zionanti sia nel caso in cui siano in fase di realizzazione sia nel caso in cui l inizio della co struzione sia previsto in una fase successiva Un aspetto importante che deve essere considerato nella scelta dello schema di processo da a dottare che condiziona le caratteristiche e i quantitativi dei prodotti finali la possibilit di un effettivo impiego di questi ultimi in impianti esistenti Nel caso in cui per potenzialit e carat teristiche tecnologiche gli impianti esistenti non appaiano adeguati a ricevere tali prodotti dovr essere valutata la fattibilit tecnico economica di interventi di adeguamento di tali im p
202. la frazione organica da selezione meccanica ORL ELA AIA 5 9 1 45 0 0019 0 982 0 94 0 0037 0 99 6 9 Io 0 0036 0 995 0 00056 0 985 2 1 69 0 0033 0 986 1 15 0 00071 0 996 13 5 1 81 0 0008 0 984 valori di vo e 4a non sono determinabili a causa della scarsa presenza di composti di tipo A nel substrato Tutti i valori sono espressi in gC m min Si nota dai valori riportati un generale accordo di quelli relativi alle velocit iniziali mentre u na certa variabilit nei valori delle costanti Anche in questo caso comunque si evidenzia il problema del trattamento cinetico in condizioni di sovraccarico vedi quarta riga in cui prevale come gi detto un comportamento tendente all ordine O valori di R ottenuti in questo modo sono migliori rispetto a quelli ottenuti con il modello del pri mo ordine indice di una migliore affinit del modello che comunque non pu ancora consi derarsi esaustivo circa la descrizione del processo in ogni condizione di esercizio 4 4 2 Dimensionamento di un digestore anaerobico per il trattamento della frazione organica selezionata sulla base dei parametri operativi e dei fattori di carico dimensionamento di un digestore per il trattamento della frazione organica selezionata pu essere condotto a partire da due approcci pi Raga PEL pA _ e ATE LA PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI DI DIGESTIONE ANAEROBICA DEI RIFIUTI un approccio che consideri esclus
203. la sola parte organica da inviare alla sezione di digestio ne anaerobica Questa costituita da quattro digestori del volume di 2 000 m ciascuno che trat tano 428 m giorno con un tenore in solidi del 20 25 alimentati per 12 ore giorno 6 gior ni la settimana Tabella 3 6 Parametri operativi e rese della sezione di digestione anaerobica dell impianto di C del Bue Verona Parametro Valore Temperatura reattore C 55 Solidi nel rifiuto trattato TS 20 Carico organico kgVS m d 8 Tempo di ritenzione idraulica d 13 Produzione specifica di biogas m kgVS 0 48 Contenuto di metano 66 3 2 3 Digestione dry Nel corso degli anni ottanta varie sperimentazioni dimostrarono come oltre ai processi ed al le tecnologie di tipo wet e semi dry fosse possibile ricorrere a processi in cui il rifiuto organico veniva trattato nella sua forma originale senza bisogno di diluizioni Quindi mentre prima gli impianti di digestione anaerobica erano esclusivamente di tipo wet nell ultimo decennio si osservata la crescita del sistema dry e le nuove realizzazioni sono oggi equamente ripartite tra queste due tecnologie con prevalente crescita del processo dry De Baere 2000 Nei processi dry il tenore in solidi del rifiuto alimentato al digestore generalmente nell inter vallo 25 40 e pertanto solamente particolari rifiuti con elevato tenore di solidi gt 50 necessi tano di essere diluiti con acqua per poter essere conv
204. le nella forma e nelle pendenze della curva di produzione Si consideri ad esempio la tabella 4 2 che riporta i risultati relativi all applicazione del model lo del primo ordine in 4 differenti condizioni di carico organico in regime termofilo con la fra zione organica da selezione meccanica Tabella 4 2 Costanti del primo ordine per la frazione organica da selezione meccanica termofilia ORL kgTVS m d S C R 5 9 1 60 0 911 6 9 1 61 0 914 7 2 1 61 0 914 9 5 0 79 0 993 Si noti come nella quarta condizione il valore della costante risulti dimezzato a causa dell ec cesso di substrato che fa tendere il sistema verso cinetiche di ordine O In altre parole il siste ma all aumentare della concentrazione di substrato disponibile governatato dalla diffusio ne ordine 0 5 per poi passare in condizioni di sovraccarico ad un valore costante della ve locit di degradazione quindi totalmente indipendente dalla concentrazione di substrato Un approccio diverso e con valenza pi generale costituito dal modello step diffusional Cec chi et al 1991 Il modello si basa su una logica di utilizzo del substrato a step successivi In fi gura 4 4 riportato l andamento della produzione di biogas osservato in un reattore semicon tinuo utilizzando diversi substrati In particolare nel caso della frazione organica di prove nienza domestica si notano chiaramente tre tratti a differente pendenza corrispondenti a diverse velocit d
205. li abitanti della zona e trasformazione d uso del terreno destinato all impianto con perdita di valore del terreno e degli immobili e creazione di vincoli al PRG interferenza sui terreni circostanti con influenza sulla qualit dello sviluppo nella zona eliminazione di sistemi ambientali esistenti sull area dell impianto con perdita dei re lativi valori attuali aumento di traffico nella rete viaria di avvicinamento e accesso all impianto ostacoli alla viabilit rischi o disagi per la popolazione circostante l area di impianto Digestione anaerobica polveri emissioni odorose rumore e smaltimento dei sowvalli e utilizzazione energetica del biogas e trattamento reflui In genere i suddetti impatti si manifestano effettivamente solo in corrispondenza di una defici taria progettazione realizzazione o gestione degli impianti pertanto possono essere efficace mente prevenuti o ridotti mediante l adozione di particolari accorgimenti costruttivi di oppor tuni dispositivi di abbattimento degli inquinanti ed infine tramite una corretta pratica gestionale di tutte le attivit connesse all impianto 6 2 POLVERI Uno dei principali problemi legati alla conduzione di impianti di trattamento rifiuti legato al la produzione di polveri le quali possono diffondersi negli ambienti di lavoro originando rischi di natura igienica e in relazione alla loro natura rischi di esplosioni ed incendi Le polveri vengono prodotte in
206. licata Lazio Campania e Marche fanno registrare una lieve flessione della raccolta Le Province si distribuiscono in maniera estremamente disomogenea rispetto agli obiettivi pre visti dal decreto legislativo 22 97 infatti nel 1999 il 34 delle province presenta una quota di raccolta uguale o superiore al 1575 5 province presentano valori percentuali superiori al 35 rispetto alle tre del 1998 Per quanto riguarda la raccolta differenziata delle singole frazioni merceologiche l analisi dei dati evidenzia un considerevole aumento della raccolta della carta 20 rispetto al 98 che rag giunge 1 2 milioni di tonnellate seguita dalla frazione organica che con oltre 1 1 milioni di ton nellate fa registrare un aumento percentuale del 24 8 Tale significativo incremento dimostra come il progredire della raccolta differenziata sia stret tamente legato all attivazione del circuito di raccolta della frazione organica Riguardo alle al tre frazioni si evidenzia per l alluminio l aumento percentuale pi elevato 38 la plastica la cui raccolta era cresciuta nel 1998 in maniera significativa 56 rispetto fa registrare un aumento pi contenuto 6 mentre riprende la raccolta del vetro 4 975 Si possono quindi evidenziare due tipologie di frazione organica dei RU ognuna con caratte ristiche diverse a seconda del sistema di raccolta e indifferenziata con separazione meccanica e differenziata proveniente da grandi utenze mense mercati e
207. lie minori 0 54 0 27 47 0 0 6 Ust 0 1 Vaglio a maglie maggiori 0 50 0 33 68 0 1 0 0 7 0 4 Riguardo al set di dati relativo al rifiuto ottenuto con il vaglio maggiore va osservato che il contenuto in solidi volatili aumenta significativamente in termini percentuali rispetto ai campio ni ottenuti con il vaglio a maglie minori da 47 a 68 La ragione di questo pu essere ricer cata in un arricchimento della frazione organica specialmente a carico della frazione cellulo sica come poi evidenziato dalle analisi merceologiche e anche suggerito dalla diminuzione del tenore di azoto La tabella 2 7 riporta i risultati ottenuti dalla caratterizzazione e la figura 2 3 illustra graficamente le ripartizioni delle varie classi merceologiche del rifiuto relativamente ai campioni ottenuti con sugo a maglie minori Le ripartizioni ricavate confermano le indicazioni date dalle analisi di caratterizzazione chimi co fisica cio la presenza di importanti frazioni di plastiche ed inerti circa il 40 del totale su base TS La tabella 2 8 riporta i risultati delle prove merceologiche relativamente al campione ottenuto con vaglio a maglie maggiori cos come la figura 2 4 risultati riportati mettono in luce l effetto tipico derivante dall adozione di selezione meccani ca a valle di una raccolta indifferenziata del rifiuto Come si pu notare infatti i contenuti in fra zioni inerti sono decisamente elevati in entrambi i casi a prescindere dal tipo di vagli
208. ll esterno dell impianto il biogas prodotto dalla metaniz zazione dei rifiuti Verranno inoltre fornite indicazioni sul dimensionamento di una linea di trattamento e presentati bilanci di massa ed energia 4 2 ASPETTI PROGETTUALI In questo paragrafo sono presentate alcune considerazioni di carattere generale relative alle prin cipali problematiche che devono essere affrontate nella progettazione di un impianto di tratta mento dei rifiuti Verranno in primo luogo fornite indicazioni relative alle modalit con cui devono essere indivi duati nell ambito delle attivit di pianificazione del sistema di gestione integrata dei rifiuti i da ti da utilizzare come input per la progettazione degli impianti A tale scopo verranno analizza ti i principali fattori caratteristici del bacino d utenza che influenzano le scelte del pianificatore Particolare attenzione stata dedicata ai principali criteri da adottare per la scelta delle aree idonee ad accogliere gli impianti di trattamento dei rifiuti soffermandosi sui principali fattori e scludenti penalizzanti e preferenziali che devono essere valutati in fase di localizzazione Infine verranno fornite indicazioni relative alle varie fasi della realizzazione di un progetto con particolare riferimento ai contenuti ed alle modalit di redazione 78 4 2 1 Individuazione dei dati di progetto dati di input vengono forniti al progettista dai piani provinciali di gestione dei rifiuti
209. lla elevata densit di biomassa metanigena nel secondo reattore in questo tipo di rocessi si osserva una grande resistenza ad effetti imputabili alla presenza di sostanze ini Nel caso di rifiuti agro industriali laddove i processi wet a fase singola hanno dimostra to problemi a lavorare con OLR superiori a 4 kgVS m d e concentrazioni di ammoniaca pros sime ai 5 g l i sistemi a due fasi possono operare con OLR fino a 8 kgVS m d Nel caso dei rocessi BTA e Biopercolat si osservata la possibilit di applicare OLR fino a 10 15 kovs m d sul reattore metanogeno Kubler e Wild 1992 Wellinger et al 1999 Occorre comunque osservare che questo tipo di processi evidenzia rese in termini di biogas prodotto 2 inferiori del 20 30 rispetto agli altri processi dal momento che il materiale particolato bio degradabile raggiunge solo in parte il reattore di metanizzazione Kubler e Wild 1992 3 3 6 Applicazioni industriali processo BTA Nel processo BTA nato nel 1985 dalla Biotechnische Abfallverwertung GmbH amp Co Germa nia entrambi i reattori operano con regime wet figura 3 12 Palo oranes Torres gt Hadhi Ai himc A apes ali ni n Ehka SIALMU I idrolisi Ricambi ITE bee fate Lib ili prix x alii ryda Lx Lane din a E zazione im tet j vuo re lirici ue Figura 3 12 Schema del processo BTA
210. lla met della velocit massima massa volume k massima velocit di utilizzo del substrato per unit di massa di microrganismi m E ky coefficiente di decadimento dei microrganismi tempo 1 HRT tempo di ritenzione idraulica tempo o Y ficiente di rendimento di crescita MASSO microrganismiformati MASSA substratoutilizzato E importante sottolineare che la relazione appena ricavata fa riferimento alla cinetica di Mo nod strettamente applicabile al solo caso di substrato presente in forma solubile 1 5 2 2 Processo in reattore continuo con ricircolo Il ricircolo viene generalmente inserito per intensificare l efficienza dei processi di stabilizza zione Il ricircolo di parte dell effluente dopo una operazione di separazione consente di rein trodurre nel reattore parte della biomassa attiva estratta con l effluente garantendo quindi maggiori concentrazioni della stessa all interno del reattore ed un tempo di residenza dei soli di microrganismi diverso da quello idraulico Questo viene generalmente ottenuto separando la frazione liquida da quella solida e ricircolando quest ultima all interno del reattore La se parazione solido liquido pu essere ottenuta con sistemi pi o meno sofisticati a partire dalla semplice sedimentazione Lo spurgo dei fanghi in eccesso pu essere effettuato dal flusso di ricircolo o direttamente dal reat tore La figura 1 9 riporta un tipico esempio di rea
211. lle apparecchiature e consiste in una serie di interventi da effettuare in previsione di un calo della funzionalit ottimale controllo e o ricambio utensili verifica degli assorbimenti elettrici ed intervento in caso di va lori anomali verifica delle usure degli elementi meccanici in movimento ecc Manutenzione programmata Questa manutenzione prevista nei manuali d uso e manutenzione delle apparecchiature de ve essere effettuata da personale avente specifiche competenze Consiste in una serie di ope razioni comprendenti lo smontaggio la verifica ed il rimontaggio delle apparecchiature che devono essere eseguite un rigido programma di interventi In questo livello pu es sere compresa anche la manutenzione di carattere straordinario che prevedibile e quindi programmabile l introduzione della manutenzione programmata un evento piuttosto recente nella gestione degli impianti di trattamento rifiuti ed ha ricevuto un notevole impulso grazie alla diffusione di nuovi sistemi di gestione e controllo che fanno ricorso a procedure informatizzate Con l adozione sistematica della manutenzione programmata si ottengono svariati benefici quali minimizzazione delle fermate dell impianto e delle disfunzioni di processo aumento del l affidabilit e del rendimento delle singole apparecchiature disponibilit di parti di ricambio e di manodopera maggiore sicurezza dell impianto ottimizzazione di risorse e mezzi Per quanto riguarda
212. llini 1989 Anaerobic mesophilic digestion Co Composting research in Italy Bio Cycle 30 7 68 71 Cecchi F Pavan P Musacco A Mata Alvarez J Sans C De Faveri D 1993a Monitoring a fast thermophilic re start up of a digester treating the organic fraction of MSW Environmen tal Technology 14 329 339 Cecchi F Pavan P Musacco A Mata Alvarez J Vallini 1993 Digesting the organic fraction of Municipal Solid Waste moving from mesophilic to thermophilic conditions Waste ma nagement and research 11 403 414 Cecchi F Pavan P Musacco A Mata Alvarez J Vallini 1993 Digesting the organic fraction of Municipal Solid Waste moving from mesophilic to thermophilic conditions Waste ma nagement and research 11 403 414 Cecchi F Traverso P G Cescon P 1986 Anaerobic digestion of the organic fraction of mu nicipal solid waste Digester performance The Science oF Total Environment 56 183 197 Cecchi F Traverso P G Perin G Vallini G 1988 Comparison of co digestion performance of two differently collected organic fractions of municipal slid waste with sewage sludges Env Tech Letters 9 391 400 Cecchi F Mata Alvarez J Marcomini A Pavan 1991 First order and step diffusional kinetic models in simulating the mesophilic anaerobic digestion of complex substrate Bioresource Te chnology 36 261 269 Chen Y Hashimoto A 1978 Kinetics of methane Biotech Bioeng Symp 8
213. locit di risalita della bolla d aria mm s e d il suo diametro Durante questo periodo di tempo si osserva anche il passaggio delle specie gassose dalla fase aeriforme a quella liquida 1 3 CINETICHE MICROBIOLOGICHE DI REAZIONE Nella progettazione di un impianto di digestione anaerobica le singole operazioni unitarie possono essere disegnate sia sulla base delle velocit alle quali hanno luogo le reazioni di tra sformazione base cinetica che sulla base degli equilibri termodinamici tipici di dette reazioni Solitamente viene adottato il primo approccio in quanto spesso il tempo necessario affinch le reazioni siano portate a completamento troppo lungo in tal caso l aumento di resa non com pensa la crescita dei costi d impianto derivanti dalla necessit di un maggiore volume del di gestore Sulla base di queste premesse pertanto nella presente trattazione verranno conside rate le reazioni cinetiche dal momento che l interesse principale quello di studiare la massi ma efficienza del processo in termini di formazione dei prodotti finali Dal punto di vista cinetico un sistema microbiologico viene caratterizzato attraverso due diffe renti processi 1 la velocit di crescita netta della biomassa su un dato substrato 2 la velocit di utilizzo del substrato considerato La velocit di crescita netta dei microrganismi che tiene conto del decadimento endogeno da to dal prodotto k jX data dalla espressione general
214. logies Zaragoza 10 13 A prile Menert A Blonskaja V Vaalu T Sokk O Molder H 2001 Comparison of some physical and chemical pre tretment methods for excess sludge In proceedings of 9 Anaerobic Digestion 2001 Antwerp Belgium September 2 6 2001 pp 61 68 Metcalf amp Eddy 1991 Wastewater Engineering Treatment disposal and reuse 3 Edition McGraw Hill Int Ed 1334 Noike T Endo G Chang J E Yaguchi J l Matsumoto J I 1985 Characteristics of car bohydrate degradation and the rate limiting step in anaerobic digestion Biotechnol Bioeng 27 1482 1489 Nordberg A Nilsson A and Blomgren A 1992 Salt accumulation in a biogas process a NN he 4 dal x CI Ln ET E E 4 i a n la a J RI 1 _ E LE E n me OI i j EE in s 4 a a 7 r Ek T m WI Lm ome p UNT put m m 1 L i m LZ Es A m it mmu m T d zx i n T n C E ma t m Mille Fio eic MIT Pct er i pi T 5 hi is d a 1 Tru 1 m ma a H n he iri I Pp ES Ja es Pa ae i 7 n i a oe f PU a a Fe s 2 Em n as as un Miga cal x agar on L J RN 1m MEL ELEC REI t mele au I Po I Fu i i EU og i dE ta b x ra E I ANI
215. lternativi a ciclo Otto Per quanto riguarda la scelta tecnica del sistema di cogenerazione possono valere le seguenti considerazioni Le taglie degli impianti pi frequentemente adottate in termini di portata di trattamento dei ri fiuti e di conseguenza per quanto riguarda le potenze portano ad escludere l utilizzo di im pianti con turbine a vapore Anche le turbine a gas per quanto riguarda i loro rendimenti elettrici inferiori nella media di circa 10 punti percentuali rispetto ai motori alternativi non sembrano costituire la soluzione ottimale Inoltre il loro utilizzo stato fino ad oggi limitato dal fatto che non esistono sul mercato turbine di piccola capacit in grado di accettare ampie variazioni di quantit e qualit del combustibile La soluzione pi conveniente consiste nella scelta di motori alternativi a ciclo Diesel ed a ciclo Otto Il biogas prodotto dal digestore deve essere utilizzato in continuo pertanto il dimensionamen to di tutte le apparecchiature deve essere fatto tenendo conto dei periodi di fermata necessari per l esecuzione delle operazioni di manutenzione programmata gruppo di produzione di energia deve essere dimensionato sulla portata totale di produzio ne incluse le punte detratte le quantit di gas destinate all utilizzo interno dell impianto Una volta definito il dimensionamento teorico dell impianto di produzione di energia il nume ro di gruppi sar scelto in funzione della flessibilit r
216. maniera cosiddetta batch si avr cio l alimenta zione del reattore con il substrato ed un inoculo ed il conseguente avanzamento del processo fi no ad esaurimento del substrato Mentre in reattori di tipo CSTR il processo viene operato in un punto stabile della curva di cre scita della coltura nel caso di reattori batch si sfrutta tutta la curva di crescita dall inizio alla fine In reattori di questo tipo il tempo di permanenza definito come il rapporto tra la variazione di concentrazione del substrato e la velocit di reazione C dug T HRT tempo medio di residenza idraulico giorni concentrazione di substrato dopo un intervallo di tempo t kg m Co concentrazione iniziale di substrato kg m velocit di reazione di utilizzo del substrato C kg m giorno 33 2 La frazione organica dei rifiuti urbani 2 1 Il rifiuto urbano E opportuno prima di affrontare l argomento specifico un inquadramento della matrice di ri ferimento il rifiuto urbano Esso rappresenta uno dei flussi solidi pi importanti da inviare a smaltimento sia dal punto di vista quantitativo che qualitativo La produzione dei rifiuti urbani in Italia nel 1999 pari a 28 4 milioni di tonnellate facendo ri levare un incremento rispetto al 1998 del 5 7 il pi elevato del periodo 1996 1999 che mostra complessivamente una crescita della produzione di rifiuti del 9 3 pari al 3 1 annuo Tabella2 1 La pro
217. mentata nel reattore di concentrazione dei microrganismi di rese di produzio ne di biogas in relazione al volume del reattore ed alle caratteristiche del substrato trattato In questi parametri il termine substrato potr essere di volta in volta sostituito da una misura del la quantit di composti biodegradabili presenti nel campione Il substrato generalmente definito nell ambito dei processi di digestione in termini di solidi to tali TS di solidi totali volatili TVS di domanda chimica di ossigeno COD o di domanda bio logica di ossigeno a 5 giorni BOD Si riportano di seguito gli elementi essenziali di definizione di queste grandezze TS solidi totali ossia il contenuto in sostanza secca di un campione determinato per es siccamento in stufa a 105 C per 24 ore Questi rappresentano in prima approssima zione la somma della frazione organica e di quella inerte del substrato TVS solidi totali volatili cio la frazione di sostanza secca che risulta volatilizzata per com e mc B IF E 1 IL PROCESSO DI DIGESTIONE ANAEROBICA ELEMENTI DI BASE bustione a 550 fino a peso costante Questi rappresentano in prima approssimazione la frazione organica della sostanza secca calcolata come differenza dei valori di TS e TFS solidi totali fissi che rappresentano la frazione inerte costituita per lo pi da com posti inorganici misurata per pesata dopo il trattamento a 550 C COD domanda chimica d
218. mestici pu essere anche molto variabile in relazione al peso relativo della componente di residui di cucina ed ortofrutticoli Alcuni esempi relativi a diverse campagne sperimentali sono riportati in tabella 2 13 Analizzando i dati presentati nelle tabelle precedenti e tentando di dare un quadro complessi 4 RIPARTIZIONE SUL TAL QUALE inerte 14 96 cellulosa organico 19 06 56 7896 l plastica 9 20 TZIONESU BASE TS 7 inerte 26 67 organico 42 47 cellulosa 17 40 plastica 13 47 RIPARTIZIONE ST BASE TVS inerte 4 10 cellulosa 26 92 organico 57 61 plastica 11 3696 Fig 2 3 Ripartizione percentuale delle classi merceologiche sui campioni ottenuti con vaglio minore con linea di selezione semplice mediamente complessa n Eu s 1 E ne N gt DE Cu PES PRETI M EN LA FRAZIONE ORGANICA DEI RIFIUTI URBANI RIPARTIZIONE SII inerte 7 40 plastica 10 36 organico 34 97 cellulosa 42 27 RIPARTEZIKNI SEI TOTALI 8T inerte 13 15 plastica _ 14 60 organico 24 30 cellulosa 47 95 RIPARTEZKONE NH SOLIM VOLA IULLI inerte 0 70 plastica 18 51 organico 56 18 cellulosa 24 61 Fig 2 4 Ripartizione percentuale delle classi merceologiche ottenuti con vaglio a maglie maggiori con impianto semplice mediamente complesso 44 Tabella 2 9 Caratte
219. n atmosfera drenaggio raccolta e trattamento reflui aree di stoccaggio strumentazioni per controlli e monitoraggi impermeabilizzazioni sistema di accettazione e conferimento impianti di lavaggio automezzi laboratorio interno acquisto di mezzi mobili per la gestione dell impianto allestimento delle aree di rispetto e di compensazione oneri di urbanizzazione i J 2 ui n Te ES p i m P 7 L X LI C3 E t wal us Fu LA GESTIONE DEGLI IMPIANTI DI DIGESTIONE ANAEROBICA Costi di puro esercizio Nella valutazione dei costi di puro esercizio devono essere valutate le seguenti voci personale CONSUMI energia elettrica acqua telefono gasolio per macchine operatrici combustibili per riscaldamento locali lubrificanti e grassi reagenti altri consumi manutenzione ordinaria e straordinaria gestione delle aree di rispetto e di compensazione servizi vari disinfezione derattizzazione disinfestazione analisi merceologiche e di laboratorio taratura strumenti di monitoraggio andlisi di monitoraggio vigilanza costi di smaltimento dei residui del trattamento costi di trasporto dei prodotti dell impianto assicurazioni e fidejussioni ammortamenti Costi di dismissione degli impianti Nella definizione della tariffa devono anche essere computati i costi che dovranno essere sostenuti per la riqualificazio
220. natura socio economica in particolare alla capacit produttiva al livello medio di reddito ed ai comportamenti di con sumo delle famiglie Inoltre amp fortemente influenzata dalla stagionalit determinata da vari fattori quali turismo clima festivit ecc La quantit di rifiuti prodotti deve essere determinata con riferimento a varie tipologie rifiuti urbani interni domestici e non rifiuti ingombranti rifiuti assimilabili da attivit produttive rifiuti da spazzamento stradale flussi da raccolte differenziate Inoltre devono essere attentamente valutate anche le dinamiche della produzione indicazione delle punte di produzione produzioni settimanali e produzioni iui Per valutare la quantit di rifiuti prodotti si pu ricorrere a stime di tipo diretto oppure indiretto Le stime di tipo diretto si basano sull acquisizione dei dati relativi ai quantitativi di rifiuti confe riti in impianti di trattamento smaltimento gi presenti nell area considerata Le stime di tipo indiretto sono invece basate su idonee assunzioni circa la produzione pro ca pite giornaliera di rifiuti e sul numero di abitanti presenti giornalmente nell ambito territoriale di interesse Per la determinazione delle caratteristiche qualitative dei rifiuti urbani necessario eseguire una serie di analisi volte ad individuarne e composizione merceologica caratteristiche chimico fisiche La conoscenza qualitativa di un rifiuto pro
221. ne dell area in funzione della nuova destinazione in conformit con quan to previsto dagli strumenti urbanistici Alcuni esempi di tali costi sono costi derivanti dalla demolizione o ristrutturazione delle opere civili costi derivanti dall asporto e dall eventuale rottamazione delle opere elettromeccaniche costi derivanti dalle eventuali operazioni di bonifica per ripristinare le caratteristiche del suolo e delle acque di falda ai requisiti minimi di qualit previsti in funzione della futura de stinazione urbanistica costi derivanti dall eventuale sistemazione a verde dell area interessata dall impianto Ricavi principali ricavi che pum essere ottenuti durante la gestione dell impianto sono i seguenti ricavi derivanti dalla tariffa corrisposta per il trattamento dei rifiuti ricavi derivanti dalla vendita dell energia prodotta dall utilizzo del biogas A titolo di esempio stato preso in considerazione un impianto con la classica filiera di processo che prevede una linea di pre trattamento dei rifiuti conferiti la sezione di digestio ne anaerobica a fase unica i post trattamenti di disidratazione ed infine uno stadio di post compostaggio dei fanghi ispessiti effluenti dal digestore costi sono stati divisi in costi di in vestimento e costi di gestione e si poi tenuto conto del recupero economico derivante dal l utilizzo del biogas prodotto Sulla base di queste voci si calcolato il costo speci
222. ne finemente triturato e diluito fino a tenori di solidi del 12 Siamo quindi nel campo di processi wet La miscela risale all interno dei due reattori dal fondo attraverso setti perforati figura 3 11 Il movimento di risalita omogeneo garantito da pompe temporizzate che pulsano pompando il materiale verso l alto Trosch e Niemann 1999 Lo stesso tipo di movimento pulsato garantisce la fuoriuscita del biogas nel secondo reattore A causa della ossibilit di ostruzione dei fori dei setti posti internamente ai reattori opportuno utilizzare rifiuti particolarmente puliti Il reattore con processo Schwarting Uhde pu sostenere OLR nell intervallo 3 8 6 kgVS m d fino a 7 7 kgVS m d Il tempo di ritenzione complessivo di 11 18 giorni La produzione specifica del biogas nell intervallo 0 83 0 88 m kgVS ed accompagnata ad una riduzione della sostanza organica del 80 85 Trosch e Niemann 1999 f ls ILU TEE nn Lar ear EV E RI A s M Bifmiki ununi amp Figura 3 11 Il processo Schwarting Uhde 3 3 4 Sistemi con schema a ritenzione della biomassa Per poter incrementare la resa di processo e la resistenza a shock di carichi organici e di sostanze inibenti sono stati sviluppati sistemi in cui i reattori operino con ritenzione della biomassa Un tipico metodo per ottenere la ritenzione della biomassa disaccoppiare il tempo di ritenzione idraulica HRT dal tempo d
223. nei qua li vengono definiti e tipologia e numero di impianti e localizzazione e potenzialit e caratteristiche dei rifiuti da trattare La corretta individuazione dei dati di progetto eseguita nell ambito dell attivit di pianifica zione di importanza fondamentale per il raggiungimento degli obiettivi del sistema integra to di gestione dei rifiuti E evidente infatti che un errata valutazione delle esigenze impianti stiche ha come conseguenza la realizzazione di strutture che anche se correttamente proget tate e dimensionate non saranno in grado di risolvere i problemi connessi alla gestione dei ri fiuti nel bacino Si ritiene pertanto importante fornire alcune indicazioni di carattere generale che possano essere d aiuto a tutti coloro tecnici ed amministratori che essendo coinvolti nella stesura dei pia ni d ambito si accingano alla ricerca delle informazioni necessarie alla definizione di dati di pro getto effettivamente rappresentativi della realt sulla quale si deve intervenire punto di partenza fondamentale l analisi di tutti quei fattori che caratterizzano il bacino d utenza figura 4 1 In particolare si dovranno valutare e caratteristiche del territorio e la situazione demografica e la quantit e qualit dei rifiuti prodotti lo stato della raccolta e le preesistenze impiantistiche Solo da un analisi approfondita e dettagliata di tali fattori potr scaturire una corretta pianifi ca
224. nella zona pi polverosa Qualora per ragioni tecniche queste operazioni si rendessero necessarie oc corre fornire all operatore adeguati mezzi personali di protezione Se il carico effettuato tramite gru a ponte necessario che tale apparecchiatura sia provvista di cabina pressurizzata Il sistema di caricamento ottimale quello in ciclo chiuso attraverso nastri trasportatori chiusi in grado di alimentare direttamente le macchine Le stesse accortezze devono essere osservate nelle operazioni di scarico evitando l utilizzo di attrezzature a mano o la caduta libera del materiale nei contenitori Pi in generale tutti i sistemi di movimentazione quali nastri trasportatori coclee redler ecc devono essere carterati e muniti di tramogge di carico e scarico a tenuta di polvere per evitare la dispersione di emissioni Inoltre deve essere assicurata la buona tenuta dei macchinari chiusi e devono essere applicati efficienti impianti di aspirazione localizzata sulle parti di macchinario che dovessero necessa riamente rimanere aperte Il trattamento di depolverazione a cui devono essere inviati i flussi provenienti dagli edifici chiusi e dalle cappe di aspirazione dei macchinari pu essere realizzato attraverso l utilizzo di cicloni filtri a maniche o scrubber ad umido Cicloni cicloni sono unit di separazione delle particelle solide da un flusso gassoso basati sull im piego della forza centrifuga Il ciclone costituito da una
225. ni acquose provenienti dal trattamento ad umido delle emissioni gassose acque di lavaggio dei locali di stoccaggio e movimentazione rifiuti reflui da laboratorio reflui da servizi igienici acque meteoriche che interessano strade e piazzali acque meteoriche da superfici coperte In merito al problema del controllo delle emissioni le possibili sorgenti possono essere origina te dallo stoccaggio e dalla movimentazione dei rifiuti dalle varie fasi del processo e dal labo ratorio di analisi 86 controllo delle emissioni sonore prodotte dall impianto deve essere oggetto di specifico studio inteso a minimizzare l impatto sugli operatori addetti alla conduzione dell impianto e sull am biente ad esso esterno 4 3 DESCRIZIONE DEI REPARTI DELL IMPIANTO Un impianto di digestione anaerobica dei rifiuti essere schematicamente suddiviso in tre sezioni principali in cui si possono individuare i seguenti reparti ricezione pretrattamento SEZIONE 1 preparazione substrato digestione anaerobica SEZIONE 2 produzione di energia disidratazione biossidazione accelerata post maturazione SEZIONE 3 raffinazione stoccaggio prodotti e scarti In figura 4 2 riportato lo schema a blocchi tipo di un impianto di digestione anaerobica rifiuti in ingresso all impianto vengono trasferiti dai mezzi di raccolta al reparto ricezione nel quale vengono stoccati all interno di una fossa interrata oppure su un piazzale di scari
226. notevole l attenzione dedicata a queste problematiche da parte del mondo scientifico 4 3 3 Preparazione del substrato rifiuti organici devono essere sottoposti ai trattamenti necessari all ottenimento di una miscela avente le caratteristiche chimico fisiche ottimali per poter essere introdotta nei digestori Tale Tipo di trattamento Obiettivi Principio d azione Trattamenti chimici L obiettivo comune di tutti 1 pretrattamenti del processo di digestione a naerobica quello di ren dere le frazioni di sub Trattamenti fisici strato non degradabili es frazioni lignocellulo siche accessibili al pro cesso biologico nei tempi nae di ritenzione tipici del di gestore Processi enzimatici Processi ossidativi Processi termici meccanici Figura 4 3 Trattamenti avanzati di pretrattamento delle matrici organiche prima della digestione anaerobica 3 T P P m n a Eu oi 1 E ET pr x 1 T ti n T n Je EE m 3 L Tip EM Pa d i a IE E pa i I i n TIE m I a lt ur T lo m PS MI TTL J n Fee L T a j B i W rae i EI a E 4 mini z L al E i a 1 Poni z m I EL n CT p o 1 J n re T s _ r m T a n Euer i fe I E onl EM i oo n m MX 11 PE n i m a za al P a PIER
227. nsiderando ad esempio i dati riportati in tabella 2 9 riguardanti il grado di selezione raggiunto nella zona di Milano Si noti che quasi sempre il grado di indesiderabili non raggiunge il 5 del totale La tabella 2 10 riporta una sintesi di dati di letteratura sulla caratterizzazione di questi materiali Ricerche effettuate utilizzando rifiuti provenienti da raccolta differenziata presso la municipalit di Treviso hanno evidenziato presenze importanti di scarti di cucina pasta pane residui di la vorazione di verdura e frutta con contenuti in TS medi intorno al 25 e contenuti in sostanza volatile pari all 80 La tabella 2 11 riporta i risultati di caratterizzazione di una frazione organica raccolta presso una mensa Questo tipo di matrice risultata particolarmente ricca in residui alimentari quali pane e pasta che tendono a far aumentare il contenuto in secco del rifiuto Frazioni organiche raccolte da mer cati in cui vi sia smercio di prodotti ortofrutticoli e quindi lavorazione degli stessi risultano particolarmente ricche di scarti vegetali ad alto contenuto d acqua questa la ragione per cui il tenore medio in secco di questa frazione spesso non raggiunge neppure il 10 come si evince dai dati riportati in tabella 2 12 relativi al rifiuto proveniente da un mercato ortofrutticolo E pertanto evidente che il contenuto in secco della frazione organica da raccolte differenziate intesa come miscela di grandi utenze o di rifiuti do
228. ntenere in temperatura il digestore La spesa maggiore quindi quella dovuta al riscaldamento della massa in ingresso Il calcolo da condurre pertanto d Dui SR Nu m Em E ing Pu f i gt 7 EA e ui Im a d r ee nu ne un Lm B ns f r p J ht i fmi sapi EDO Sul i ir a rare LA CERE a n 2 Te z _ LA PROGETTAZIONE DEGLI IMPIANTI DI DIGESTIONE ANAEROBICA DEI RIFIUTI sar essenzialmente quello del calore necessario per riscaldare il flusso di alimentazione dalla temperatura ambiente a quella di esercizio Ci si pu fare conoscendo il calore specifico del substrato da portata di alimentazione m giorno x calore specifico kcal m C giorno x x esercizio ambiente C kcal giorno a questo vanno aggiunte le perdite pari approssimativamente al 5 10 del totale In definitiva quindi la produzione netta sar data dalle kcal ottenibili dal biogas meno quelle spese per l e nergia di sostentamento del processo Ci ovviamente al netto dei rendimenti dei sistemi di ri scaldamento e dei sistemi di trasferimento del calore Occorre considerare che non tutta la sostanza volatile viene completamente convertita in bio gas Infatti dato che la sostanza organica non composta solo dalla frazione rapidamente biodegradabile per permettere una gassificazione quasi completa della sostanza volatile sa rebbero necessari tempi di residenz
229. ntit di substrato entrante nel reattore riferita alla quantit di sostanza volatile presente nel reattore nell unit di tempo Cio cr E dove CF fattore di carico organico in termini di substrato riferito alla biomassa o a i solidi volatili nel reattore kgsubstrato kgTVSgiorno Q portata influente m giorno concentrazione di substrato nella portata influente kgTVS m V volume del reattore m X concentrazione dei solidi volatili all interno del reattore kgTVS m Questo parametro di difficile uso nella comparazione delle prestazioni dei diversi processi di anaerobica in quanto complesso distinguere il contenuto della sostanza volatile nel reattore associabile alla biomassa attiva rispetto al substrato e Produzione specifica di gas SGP Questo parametro rappresenta la quantit di biogas che viene prodotta per quantit di so stanza volatile alimentata al reattore viene quindi espressa in termini di m biogas kgsubstra Questo parametro molto utilizzato per definire le rese dei processi di digestione a naerobica in realt strettamente correlato alla biodegradabilit del substrato trattato piutto sto che alle propriet del processo adottato Dal punto di vista analitico espresso come il rap porto 4 WET SGP im Is m IL PROCESSO DI DIGESTIONE ANAEROBICA ELEMENTI DI BASE SGP produzione specifica di biogas m biogas
230. nzionamento quello di far investire il flusso dell aria da una corrente di acqua in u na sezione detta di lavaggio costituita normalmente da un letto statico oppure da un letto flottante Le torri di lavaggio possono essere verticali o orizzontali a semplice o doppio stadio con il la vaggio effettuato con acqua in ricircolo oppure in soluzione acida basica e ossidante Il dimensionamento dello scrubber viene effettuato sulla base di una velocit del flusso gassoso all interno dello stesso che per gli scrubber a letto statico non deve mai superare 1 5 m s con un tempo di contatto nella sezione di lavaggio non inferiore al secondo mentre per gli scrub ber a letto flottante la velocit dell aria pu essere elevata fino a 2 5 3 m s La scelta della soluzione di lavaggio determinata dalla tipologia degli elementi da abbattere e quindi dalla loro natura Nel caso di forte presenza di composti basici quali l ammoniaca ed i suoi derivati dovranno essere utilizzate soluzioni acide generalmente di H SO mentre in caso di composti di natura acida dovranno essere utilizzate soluzioni basiche NaOH Il trattamento con soluzione acida deve essere necessariamente seguito da un trattamento ba sico per la neutralizzazione mentre l ossidazione che serve per l abbattimento dei composti o dorosi di natura organica normalmente si esegue nella stessa sezione basica finale e viene ef fettuata attraverso ipoclorito acqua ossigenata o ozono a cui per
231. o Tale aspetto particolarmente importante per questo tipo di trattamento in quanto rende compatibile la di scontinuit del sevizio di raccolta con la continuit di esercizio dell impianto che si rende ne cessaria nel caso in cui si utilizzino digestori con funzionamento continuo Lo stoccaggio dei rifiuti pu essere realizzato tramite una fossa interrata o tramite un piazzale di scarico a raso Quest ultimo pu essere utilizzato soltanto per rifiuti con umidit ridotta quindi poco adatto per l accumulo dei fanghi mentre la fossa di stoccaggio interrata si pu adattare a tutti i tipi di rifiuto anche ad elevato contenuto di umidit Nel caso dello stoccaggio in fossa il dimensionamento pu essere condotto adottando il me todo grafico che prevede la costruzione delle curve delle portate influenti ed effluenti ed a dottando un opportuno coefficiente di sicurezza che consenta di assorbire eventuali punte nella portata di ingresso Al fine di prevenire il ristagno dei rifiuti la fossa deve essere priva di iooli vivi inoltre le pareti ed il fondo devono essere realizzati con modalit e materiali tali do sostenere i rifiuti stoccati nelle condizioni di massimo riempimento Il posizionamento del la fossa di stoccaggio deve consentire l avvicinamento e la manovra dei mezzi di movimenta zione del rifiuto La soluzione dello scarico a raso prevede invece la realizzazione di un piazzale in cui il rifiu to scaricato viene posizionato su
232. o a Berlino Germania uno da 14 000 t anno a Kiel Germania uno per la co digestione di 37 000 t anno di frazione organicafrazione organica e 17 000 t anno di fanghi di depurazione in Polonia altri due in Finlandia di cui uno per la co digestione di 17 000 t anno di frazione organicafrazione orga nica e 10 000 t anno di fanghi di depurazione l impianto di Berlino che tratta rifiuto proveniente da raccolta differenziata caratterizzato da un tenore in solidi in partenza del 18 25 e poi diluiti fino al 10 15 TS opera con digestori mesofili 35 C cui viene applicato un carico organico di 3 7 kgTVS m d ua tempo di riten zione idraulico di 15 17 giorni La produzione di biogas nell intervallo 100 150 m t rifiuto con una percentuale di metano del 50 70 3 2 2 Digestione semi dry Questo tipo di processo nasce nel corso degli anni 80 da una collaborazione tra l Universit di Venezia e la SNAM Progetti Bassetti et al 1991 In questo caso il contenuto di sostanza solida che caratterizza il rifiuto trattato si pone nell in tervallo intermedio rispetto ai processi wet e dry opera infatti con rifiuti con un contenuto in solidi del 15 20 Bal sonic di vista impiantistico la soluzione adottata quella di un reattore miscelato CSTR che pu operare tanto in regime mesofilo che termofilo Il rifiuto organico proveniente da raccolta differenziata presenta caratteristiche che sono generalmente ottimali er l applicazione diretta del processo
233. o comune 85 000 t anno Charret 1998 Questo impian to costituisce la principale referenza della tecnologia Valorga Sono poi seguite le realizzazio ni degli impianti di Tilburg Olanda ed Engelekirchen Germania Saint Jolly 1992 In que sti tre impianti vengono trattati rifiuti provenienti da raccolta differenziata ta ad una certa percentuale di rifiuti provenienti da raccolta meccanica presso l impianto di Tilburg Olanda La tabella 3 12 riassume alcune delle caratteristiche degli impianti oggi in funzione tre impianti si differenziano per la forma di energia prodotta nel caso dell impianto di Amiens infatti si ha per combustione del biogas la produzione di calore che viene utilizzato per il ri scaldamento dei digestori mentre nel caso di Engelskirchen si ha la presenza di un gruppo di co generazione che permette la produzione di circa 7 500 MWh anno Nel caso di Tilburg non sono invece noti dati relativamente alla produzione di energia o calore Charret 1998 La tabella 3 13 riporta in termini di MWh anno per biogas elettricit e calore i valori del le produzioni dei consumi e dei deficit o surplus venduti valori negativi sono riportati tra parentesi tonde Tabella 3 12 Condizioni operative e rese nelle maggiori realizzazioni industriali europee del processo Valorga Charret 1998 Saint Jolly et al 2000 OLR GP SGP Localit KgTVS P mI C peris m d rifiuto vs Tilburg 20 35 37 40 25 7 5 8 6 82 0 20
234. o trattato TS 25 40 Carico organico kgVS m d 8 10 Tempo di ritenzione idraulica d 25 90 Rese di processo Produzione biogas m t rifiuto 90 150 Produzione specifica di biogas m kgVS 0 2 0 3 Velocit di produzione biogas m m d 2 3 Contenuto di metano CH 50 60 Riduzione della sostanza volatile 50 70 3 2 3 2 Applicazioni industriali del processo dry Il processo Dranco Lo sviluppo del processo DRANCO nato da una collaborazione tra l Universit di Gent Bel gio e la Arbios S p A Il brevetto oggi della belga OWS Viene generalmente utilizzato per il trattamento anaerobico di numerosi substrati biodegradabili separati alla fonte come i rut da ristorazione i rifiuti organici industriali i fanghi di depurazione ispessiti e pressati Impian ti a piena scala del tipo DRANCO sono operativi in Belgio Austria Germania e Svizzera con potenzialit di 12 000 20 000 t anno In particolare si segnalano gli impianti di Salisburgo Austria Brecht Belgio e Bassum Ger T ar ilm t m bs ia ix 2 r a E n WI a E T E i d 1 r z a AMI n A a 7 nk Ln en um i E j E x Eaj Ex L J i x A ph LEES n x h a m ake c x Lo a X TET Fa Arena mania ormai operativi dal 1993 a cui si sono successivamente aggiunti gli impianti svizzeri di Chablais Riviera e Aarberg e quello di Kaiserslautern in Germania tra il 1997 ed il 1999 Nel corso del 1
235. o utilizzato mE cC ge Pare ac MT Ww E rp t n p M rc ar Wort gt JA ege LA FRAZIONE ORGANICA DEI RIFIUTI URBANI Tabella 2 7 Caratterizzazione merceologica del rifiuto selezionato con vaglio a maglie di sezione ridot ta in linea di selezione semplice mediamente complessa TVS TS Ripartizione Ripartizione Ripartizione rione TQ TS TVS Cellulosica 0 5 0 3 67 0 19 I7 27 Organica 0 4 0 3 62 0 57 43 58 Plastica 0 9 0 5 56 0 9 13 11 Inerte 0 9 0 7 70 15 27 4 Tabella 2 8 Analisi merceologiche relative al campione ottenuto con vaglio con maglie maggiori TVS TS Ripartizione Ripartizione Ripartizione rrazione TQ TS TVS Cellulosica 0 6 0 5 82 0 47 48 55 Organica 0 4 0 3 72 0 35 24 25 Plastica 0 8 07 88 0 10 15 19 Inerte 0 9 0 03 3 0 7 4 13 1 2 1 2 Lafrazione organica da raccolta differenziata La frazione organica proveniente da raccolta differenziata pu essere suddivisa in due tipolo gie quella proveniente da grandi utenze e quella di provenienza domestica Questi due tipi di razione organica sono generalmente trattati assieme non esistendo nel nostro Paese una differenziazione nella strategia di raccolta E tuttavia possibile sul piano analitico evidenzia re delle differenze tra i due substrati La frazione organica proveniente da grandi utenze normalmente caratterizzata da un grado di selezione piuttosto elevato il che risulta evidente co
236. ofondito il trattamento dei rifiuti urbani valutando sia i parametri di esercizio del reattore che i parametri di stabilit del processo di digestione anaerobica del la frazione organica selezionata da rifiuti nonch il dimensionamento dei reattori di digestio ne sulla base dei parametri operativi e dei fattori di carico processi aa possono essere suddivisi in base al numero di fasi una o due al regime termico mesofilia o termofilia al tipo di rifiuto trattato ed al tenore di solidi contenuti nel rifiu to Nella descrizione dei differenti processi di digestione anaerobica si scelto inizialmente di distinguere tra processi ad una ed a due fasi nell ambito di queste classi si sono individuati i dif ferenti processi applicati su scala industriale distinguendoli sulla base delle concentrazioni di so lidi che caratterizza il rifiuto organico trattato distinguendo i processi in wet gt con contenuto in solidi fino al 10 e semi dry fi gt solidi compresi tra 15 20 e dry gt solidi gt del 20 E stata inoltre a completamento del lavoro condotta una analisi degli elementi di impatto ambientale e delle misure compensative Il Direttore generale dell Il Presidente dell ONR Ing Giorgio Cesari Dott Massimo Ferlini EN Ww zum B L ji p PN 2 a n E i n 1 a LI Li L Bi aa 10 LI pm p Li a a E a iN a ma E err HEN da TRI na hu
237. olanti e stivali e tute omologate pannelli elettrici di controllo devono essere tenuti chiusi e l apertura deve essere consentita solo a personale autorizzato Prima di iniziare qualsiasi la voro su linee elettriche esse devono essere disattivate e la dovuta segnaletica di sicurezza deve essere collocata in modo visibile per i non addetti ai lavori Qualsiasi apparecchiatura elettri ca o metallica compresa la recinzione metallica dell impianto deve essere collegata ad un im pianto di messa a terra lavoratori addetti alla gestione dell impianto devono indossare gli indumenti di lavoro ed i di spositivi di protezione individuale previsti per lo svolgimento delle varie attivit guanti scarpe elmetti mascherine ecc Prima di operare su macchine od impianti il personale deve consultare con attenzione il relati vo manuale d uso e manutenzione Al fine di ridurre al minimo il rischio di incidenti gli operatori devono adottare una serie di nor me comportamentali quali ad esempio e prestare la massima attenzione nel percorrere le vie di transito pedonali e prestare attenzione al transito dei veicoli e delle macchine operatrici che accedono od ope rano nell impianto e fumare e non usare fiamme libere nei reparti di lavorazione nelle aree e nei locali di stoc caggio non ingerire cibi o bevande all interno dei luoghi di lavoro dell impianto verificare la presenza e l efficienza di dispositivi e protezioni di sicurezza su macchine o
238. om osti ossidati dello zolfo e della dissimilazione degli aminoacidi a base di zolfo es cisteina batter metanigeni possono tollerare concentrazioni di acido solfidrico fino a 1000 mg kgTS an che se l effettiva capacit di produrre metano seriamente compromessa anche a 200 mg kgTS La letteratura suggerisce che i solfato riduttori competano con i metanigeni per il Lia e che quindi un elevata concentrazione di zolfo ridotto sia un allarme di sbilancia mento del sistema In generale le condizioni ottimali per i batteri metanigeni si hanno per con centrazioni di solfuri tra 8 e 22 mg kgTS Hilton amp Oleszkiewicz 1988 Secondo quanto suggerito da van Velsen 1979 concentrazioni tra 200 e 1500 mg l di am moniaca non dovrebbero avere effetti avversi sulla formazione di metano mentre superando i 1500 mg l il comportamento del sistema pu essere differente a seconda dell adattamento meno della biomassa in generale stato osservato che concentrazioni di azoto ammoniacale tra 1500 e 3000 mg l sono inibenti a pH inferiore a 7 4 mentre concentrazioni superiori 3000 mg l sono tossiche a qualsiasi valore di pH l instaurarsi di un ambiente di reazione ad elevata salinit pu influenzare negativamente il processo di digestione anaerobica In letteratura stato constatata una diminuzione della velocit di crescita dei batteri metanigeni fino al 50 nel caso di concentrazioni di NaCl da 250 a 500 mM identificando con quest ultimo il l
239. per quanto concerne i parametri di pro cesso che le rese per processi wet a fase unica Tabella 3 3 Intervalli tipici per i valori dei parametri di processo e le rese dei processi wet Parametro di processo Intervallo Solidi nel rifiuto trattato TS 10 fino al 15 Carico organico kgVS m d 2 4 fino a 6 Tempo di ritenzione idraulica d 10 15 fino a 30 Rese del processo Produzione biogas m t rifiuto 100 150 Produzione specifica di biogas m3 kgVS 0 4 0 5 Velocit di produzione di biogas m m d 5 6 Contenuto di metano CH 50 70 5 6 Riduzione della sostanza volatile 50 60 fino a 75 Ed ORDEN WH ES D 4 ua E i b 7 bas iml sn P L NM Li z ix x mum Vea a T Pr ae 5 im 1 1 Bi E nv Tuo Fi t ceri n Kr ah AT Ir LE F i 4 T P VL i 1 Ps EFC Lm E ar MT 3 2 1 2 Applicazioni industriali del processo wet Il processo BIMA reattore anaerobico BIMA della austriaca EnTec Umwelttechnik GmbH progettato per trattare rifiuti organici solidi fanghi di depurazione e acque ad elevato contenuto in sostanza organica Il processo complessivo prevede che il rifiuto organico conferito all impianto venga dapprima grossolanamente triturato e poi sottoposto ad un trattamento idraulico meccanico in un apposito hydropulper al fine di separare plastiche carta vetro ed inerti dalla frazione organica che viene inviata al digestore Questa
240. pertanto si osserveranno all interno del reattore tre fasi separate caratte rizzate da distinte densit La frazione pi pesante tender ad accumularsi sul fondo del reat tore e pu determinare danni nel sistema di miscelazione se il rifiuto trattato non sufficiente mente pulito mentre materiali leggeri e schiume si accumulano nella parte superiore del reat tore La fase a densit intermedia quella in cui avvengono per lo pi le effettive reazioni di de gradazione e produzione del biogas Nella gestione ra sono generalmente previste saltuarie rimozioni sia dello strato pi pesante presente sul fondo del reattore che di quello leggero Uno dei problemi che pu essere connesso con la digestione anaerobica ad umido consiste nella corto circuitazione idraulica del reattore cio il flusso di materiale entrante non perfettamente miscelato con il materiale gi presente nel reattore fuoriesce con tempi di ri tenzione ridotti rispetto a quelli previsti da progetto Ci oltre a determinare una minore de gradazione del subsidio trattato e quindi una minor produzione di biogas pu determinare AP M ARES i E AD d a r l f 3 D D F 1 n n Eye REATTORE DI OMOGENTZZAZIONE INGESTIONE ANAEROHICA Schiume Rifiuto m CM AMICA 10 TS Lisadratazione Calw 2 Tea wea Acqua chi NETTE LIE v Tani Ricircolo acqua di processo
241. quasi tutte le fasi di trattamento dei rifiuti ma principalmente 141 142 nelle fasi di stoccaggio in fosse d accumulo od in piazzali di scarico a raso nei reparti di pre trattamento e selezione l entit della dispersione di polveri strettamente legata al tipo di operazioni che vengono ef fettuate nei vari reparti dell impianto ed alla tipologia e potenzialit delle apparecchiature uti lizzate Per contenere la presenza di polveri diffuse negli ambienti di lavoro necessario innanzitutto mantenere in leggera depressione tutti gli edifici chiusi ed inviare l aria aspirata ad uno speci fico trattamento di depolverazione successivamente seguito da un trattamento di deodorizza zione dimensionamento della portata di ventilazione complessiva necessaria pu essere effettuato ipotizzando di fornire da 3 a 5 ricambi ora in relazione all altezza dell edificio 5 7 m Al fine di assicurare un regolare sistema di ventilazione consigliabile l installazione di 2 ventilatori di portata pari alla met di quella totale necessaria piuttosto che di un unico ven tilatore Per limitare la diffusione delle polveri devono anche essere adottate varie precauzioni durante la gestione dell impianto ed in particolare nelle operazioni di carico e di scarico In particolare dovrebbero essere evitate le operazioni di carico a mano con sacchi o pale per evitare la formazione di grandi quantit di polvere e la permanenza del lavoratore
242. rano in prossimit dei biofiltri Le concentrazioni di batteri attinomiceti e spore fungine mi surate direttamente in prossimit della superficie esterna hanno mostrato comunque valori di ca rica microbica totale in condizioni standard superiori alle mille unit formanti colonie per me tro cubo d aria effluente UFC m solo nei casi di rimescolamento e sostituzione del letto fil trante E necessario quindi in questi casi svolgere queste operazioni adottando adeguati presi di personali per la protezione delle vie respiratorie Si mostrata particolarmente efficace la combinazione di sistemi ad umido mediante scrubber e di biofiltrazione In questo caso infatti il primo stadio di scrubbing consente di abbattere fi no ad un 50 delle sostanze odorose e satura l aria di umidit che contrasta la tendenza alla disidratazione del biofiltro sottoposto a continua insufflazione Il pretrattamento a monte del biofiltro esercita anche un vantaggioso effetto di raffreddamento ua riducendo la poten zialit odorigena e la capacit disidratativa nei confronti del biofiltro In alternativa al biofiltro pu essere anche utilizzato un bioscrubber Questa apparecchiatura costituita da una struttura di lavaggio dotata di un letto di corpi di riempimento ad elevato rap porto superficie volume attraverso la quale passa l effluente gassoso da trattare Il letto realiz zato in modo da assicurare il migliore contatto possibile fra la fase liquida e gassosa
243. rato ma attraverso altre reazioni di ossido riduzione l ossigeno il carbonio l azoto o lo zolfo legati o riginariamente alla sostanza organica che viene ossidata E proprio il passaggio attraverso queste reazioni che fornisce l energia che viene immagazzinata attraverso una ritrasformazio ne in energia chimica sotto forma di ATP adenosina tri fosfato Le diverse vie di degradazione di proteine acidi grassi e zuccheri sono di seguito illustrate at traverso diversi esempi Per uno zucchero come il glucosio si assume la trasformazione dapprima in acido acetico ad opera di microrganismi acetogeni e quindi in CH e CO La reazione globale C H O gt 3CH Nel caso di proteine come ad esempio la cisteina si avr AC H O NS H O ACH 6CO NH HS CH COOH Mentre l equazione complessiva di degradazione di un acido grasso data da CHO x y 4 z 2 H O x 2 y 8 z 4 CO x 2 y 8 2 4 Per quanto concerne invece la formazione del metano si hanno due possibili meccanismi alter nativi In un caso il CH si forma in seguito alla riduzione del carbonio della CO secondo le seguenti reazioni CO R H R COOH R 2H R CHO H O R CHO 2H gt R CH OH R CH OH 2H R CH H O R CH 2H CH R H La reazione complessiva pertanto CO 4 S CH 2H O Nell altro meccanismo si ha formazione di metano a spese del gruppo metilico presente in
244. re definiti in relazione alle caratteristiche qualitative dei reflui stessi ed avviati se non recuperarti all interno del ciclo di trattamento ad un impianto di depu razione Negli impianti di digestione anaerobica i percolati da stoccaggio sono generalmente presenti in quantit elevata a causa dell umidit dei rifiuti conferiti Tali reflui presentano caratteristiche di estrema variabilit e sono costituiti da prodotti quali olii colaticci di vario genere detergen ti oltre all acqua di costituzione del rifiuto In genere i rifiuti sono in grado di assorbire il per colato eventualmente formatosi ma in situazioni di conferimento anomalo carico eccezionale di organico condizioni di stoccaggio in fossa estremamente gravose pressatura e compattazione di rifiuti possibile che si verifichi un rilascio di percolato che deve quindi essere raccolto ed opportunamente trattato Inoltre negli impianti di digestione anaerobica vengono anche prodotte quantit non trascura bili di acque provenienti dello fase di disidratazione del fango digerito che in genere vengo 149 150 no parzialmente ricircolate come diluenti nei digestori e acque di condensa provenienti dalla fase di raffreddamento del biogas Le acque provenienti dal trattamento ad umido delle emissioni gassose sono costituite essen zialmente dalle acque di spurgo degli scubber e dai percolati da biofiltri Tali reflui devono es sere stoccati in apposite me o serbatoi e se non r
245. re evidenziato come in impianti in cui si trat tino maggiori quantit di rifiuto domestico scarti di cucina la produzione specifica di biogas sia maggiore grazie alle caratteristiche di buona biodegradabilit del rifiuto trattato Tabella 3 13 Produzione e consumi energetici valori tra parentesi si intendono negativi Charret 1998 Produzione Consumo Eccesso Consumo Amiens Biogas 55 000 MWh Biogas Biogas Francia Elettricit Elettricit 4 150 MWh Elettricit 4 150 MWh Calore 34 000 MWh Calore 3 500 MWh Calore 30 500 MWh Tilburg Biogas 18 400 MWh Biogas 1 800 MWh Biogas 16 600 MWh Olanda Elettricit Elettricit 1 600 MWh Elettricit 1 600 MWh Calore Calore Calore Engelskirchen Biogas 21 560 MWh Biogas 1 300 MWh Biogas Germania Elettricit 7 500 MWh Elettricit 1 120 MWh Elettricit 6 380 MWh Calore Calore Calore Oltre ai tre impianti gi citati altri impianti sono oggi in fase di realizzazione o progettazione Nel corso del 1999 divenuto operativo l impianto di Friburgo Germania che tratta 36 000 t anno di RU selezionati mentre nel corso del 2000 sono stati avviati gli impianti di Mons 58 700 t anno di frazione organica da raccolta differenziata Cadix 115 000 t anno di frazione organica da selezione meccanica e Corregne 142 000 t anno di fra zione organica da selezione meccanica e da raccolta differenziata in Francia e l impianto di Ginevra 10 000 t anno di fraz
246. re pi indicazioni per ogni tipo di impianto L individuazione dei siti in cui localizzare gli impianti procede per fasi successive di approssi mazione e definizione da parte delle Regioni dei criteri per l individuazione delle aree non idonee al la localizzazione e individuazione da parte delle Province delle zone non idonee e delle zone potenzialmente idonee e scelta dei siti potenziali Nella prima fase vengono fissati sia i criteri che hanno valenza di vincolo assoluto fattori e scludenti determinati sulla base della normativa vigente e delle esperienze in atto sia quelli che possono condizionare negativamente o positivamente la scelta de sito cio i fattori penaliz zanti e i fattori preferenziali Nella fase successiva sulla base dei criteri e dei vincoli fissati si individuano le aree non ido nee che vengono escluse dalle successive fasi di elaborazione da quelle potenzialmente ido nee che vengono sottoposte ad un analisi pi dettagliata finalizzata ad individuare quei fatto ri in grado di condizionare l effettiva localizzazione degli impianti Generalmente le aree po tenzialmente idonee vengono individuate attraverso la sovrapposizione di carte tematiche a carattere tipicamente ambientale elaborate per tutto il territorio in esame Le zone cos selezionate che costituiscono delle alternative di localizzazione vengono sottoposte ad una procedura di comparazione finalizzata all individuazione del sito ch
247. riale di supporto per la biomassa Il tempo di ritenzione complessivo pari a 7 giorni Per evitare problemi di intasamento ed eccessivo sporcamento il processo di percolazione avviene in un cilindro a rete luce di 1 mm rotante 1 giro al minuto La produzione di biogas infatti a causa della parziale degradazione della sostanza nella prima fase del cesso idrolisi leggermente inferiore agli altri processi di digestione e tipicamente pari a 85 m tonnellata rifiuto trattato Wellinger at al 1999b La effettiva validit ed affidabilit di questo tipo di processo verr testata in seguito alla prima applicazione in piena scala di questo tipo di processo che attualmente in fase di realizzazio ne in Germania Garcia e Shalk 1999 3 4 3 4 PROCESSI BATCH Nei processi batch il reattore di digestione viene riempito con materiale organico ad elevato te nore di sostanza solida 30 40 TS in presenza o meno di inoculo e viene quindi lasciato fermentare Il percolato che si produce durante il processo degradativo viene continuamente ri circolato La temperatura del processo risulta elevata Attualmente i processi batch non sono diffusi sul mercato ma data la loro economicit e semplicit potrebbero in futuro trovare ap pen Ouedraogo 1999 principali vantaggi e svantaggi riconducibili a questa tecno ogia sono riportati in tabella 3 16 processo opera per fasi successive si ha dapprima una
248. rimozione della sostanza volatile era prossima al 60 Pavan et al 20004 m Em ial i OT A e A MEE c EM o Ep oo ap ti APPLICAZIONE INDUSTRI LL ESTIONE ANAEROBICA DEI 59 60 Nel caso dell applicazione in scala reale l impianto di Verona stato progettato per operare con un OLR di 8 kgVS m d Farneti et al 1999 Nella digestione semi dry anche il regime termico del sistema gioca un ruolo significativo Si evidenziato in particolare come a parit di carico organico applicato e di tempo di ritenzione idraulico il passaggio da regimi mesofili a quelli termofili consentisse di incrementare note volmente le rese in termini di biogas prodotto da 0 2 a 0 4 m kgVSd ed una riduzione della sostanza volatile dal 20 al 50 Cecchi et al 1991 e 1993 Pavan e Bolzonella 1998 La ta bella 3 5 riassume gli intervalli tipici dei parametri di processo e delle rese dello stesso Tabella 3 4 Vantaggi e svantaggi del processo semi dry CITEC 2000 Criterio Vantaggi Svantaggi Tecnologico Semplicit dei sistemi di pompag Accumulo di materiali inerti sul fondo gio e miscelazione del reattore e necessit di scaricarli Possibilit di trattare il rifiuto da Abrasione delle parti meccaniche raccolta differenziata senza parti Pre trattamenti complessi per RU in colari pre trattamenti differenziato Biologico Diluizione dei picchi di concentra Sensibilit ad eventuali
249. rio prevedere dei sistemi di abbat timento integrativi ad umido o a secco della sola deumidificazione Per quanto riguarda i sistemi ad umido questi possono essere assimilati alle torri di lavaggio scrubber normalmente utilizzate per la depurazione delle emissioni gassose Tali sistemi devono essere installati prima della sezione di deumidificazione Un primo sistema utilizza una reazione chimica generalmente in condizioni di pressione e temperatura ambiente Il trattamento consiste nel lavaggio con una soluzione basica che neu tralizza l H SO composto altamente corrosivo e quindi pericoloso per gli impianti di utilizza zione formato dall H S Una successiva fase di lavaggio acido permette di neutralizzare l ec cesso di base prima dello scarico della soluzione Il principale vantaggio di questo sistema la semplicit ma il costo dei reattivi e del trattamento dell acqua scaricata ne riduce l impiego in dustriale Un altro sistema poco diffuso consiste nel lavaggio con acqua sotto pressione che mette in so luzione l H S insieme alla CO Tale miscela viene poi rilasciata in una successiva fase di strip ing Il sistema di desolforazione a secco prevede un processo di trattamento di tipo chimico e con siste nel far passare il biogas attraverso una sostanza adsorbente Una prima opzione consiste in un sistema che utilizza un adsorbente contenente ossidi di ferro in grado di interagire con l acido solfidrico e captarlo
250. ristiche della frazione organica da grandi utenze raccolta nella zona di Milano Cec chi et al 1997 Comune Abairate Albiate Arese Bellusco Biassono Brugherio Buccinasco Castano primo Cinisello Balsamo Cologno monzese Corbetta Desio Lainate Melegnano Misinto Monza Novate Milanese Paterno Dugnano Rosate Trezzo sull Adda Trucazzano Varedo Villasanta Vimercate Abitanti 3 808 VA 12 230 5971 10 493 30 800 23 890 9 652 75 650 50 121 13 516 38 849 22 236 16 112 3 865 T1 187 20 028 44 748 W77 4 062 12 720 12 446 25 700 Materiali non 1 1 12 1 9 lke 5 0 12 35 0 7 1 8 7 0 2 1 0 0 7 2 0 0 6 2 6 57 6 3 2 6 19 1 4 0 3 0 3 0 7 Materiali compostabili 289 98 8 98 1 98 4 95 0 98 8 96 5 99 3 98 2 93 0 98 8 29 0 99 3 98 0 97 4 94 3 SOTA 97 4 98 1 98 6 99 7 99 7 99 3 vo sulla caratterizzazione chimico analitica di questa matrice si pu affermare che media mente la frazione organica da raccolte differenziate presenta un intervallo caratteristico di te nore in secco che va dal 10 tipico dei rifiuti mercatali fino al 20 25 tipico dei rifiuti di mensa La percentuale in volatili rimane pressoch costante indipendentemente dalla compo sizione merceologica intorno al 85 90 dei TS analogamente per i nutrienti si riscontrano valori del 2 3 TS per entrambi Una nota a parte va fatta riguardo alle possibili influ
251. rmette di apprezzare l evoluzione delle diverse frazioni liquide e solide che costituiscono il substrato nel corso del processo Il bilancio varia a seconda del tipo di processo a secco o ad umido ma comunque strettamente correlato alla natura dei rifiuti trattati rapporto tra rifiuti di cucina rifiuti verdi carta cartone rifiuti dell industria agro alimentare ecc in cui il tenore di inerti di materia secca e di mate 109 o metalli 1 3 DIGESTIONE ANAEROBICA 10 15 process DISIDRATAZIONE BIOSTABILIZZATO 20 30 Figura 4 6 Bilancio di massa di un impianto per rifiuti urbani con processo secco k a m Lo mina ig _ i i Li gr c T TT a I af LE P LE Nn dn if t live Big gt TF h o i i dm E eee pu ST E EET E n m TU n n i a am ha i E fees LA PROGETTAZIONE DEGLI ERI TA DIGESTIONE ANAEROBICA DEI RIF metalli 0 2 scarti 0 5 perdite metalli 0 2 scarti 5 10 COMPOST DI QUALITA 30 40 Figura 4 7 Bilancio di massa di un impianto per rifiuti organici selezionati con processo a secco 112 i metalli 0 3 PRETRATTAMENTO inerti 5 10 combustibile 5 10 perdite A metalli 0 1 scarti 10 20 BIOSTABILIZZATO 15 25 Figura 4 8 Bilancio di massa di un impianto per rifiuti urbani con pro
252. rontabile con il compostaggio di sviluppo Ridotto utilizzo di acqua 3 4 1 Rese del processo processi batch hanno dimostrato di poter operare stabilmente con carichi organici nell inter vallo 3 5 kgVS m d tanto in regime mesofilo che termofilo con produzioni di biogas di circa 70 m t rifiuto Nel caso di operazioni batch di tipo sequenziale condotte in regime termofilo con OLR di 3 2 kgVS m d stato possibile verificare produzioni di biogas nettamente maggiori Silvey et al 1999 3 4 2 Applicazioni industriali Il processo Biocell processo Biocell della Arcadis Olanda un processo discontinuo di digestione anaerobi ca mesofila Ten Brummler 1999 Il primo impianto operante in scala reale stato realizzato uns nm au i Um APPLICAZIONE INDUSTRIALE DELLA DIGESTIONE ANAEROBICA DEI RIFIUTI URBANI A Singola fasc B Fasi scquenziali C Ihrideo haich V ASH Fresco Matura Vecchio LU ASB Figura 3 13 Possibili configurazioni impiantistiche per il processo batch in Vandervivere et al 2001 ed avviato nel corso del 1997 presso Lelystad Olanda Questo tratta 50 000 tonnellate anno di rifiuti organici provenienti da raccolta differenziata l impianto in grado di raggiungere produzioni di biogas pari a 70 m t rifiuto Questo valo re risulta inferiore del 40 rispetto ai processi di tipo continuo Il carico organico applicabile pari a 3 6 kgVS m d op
253. rvati anche in regime mesofilo 48 Cecchi et al 1991 mentre valori oltre il 50 indicano una chiara condizione di acidogenesi come si pu notare considerando il comportamento del sistema in condizioni di transiente l importanza del monitoraggio dei parametri di stabilit si evidenzia anche nelle fasi di avvia mento del processo e nelle fasi di transiente tra una condizione operativa ed un altra o sem plicemente durante una fase di malfunzionamento elettromeccanico che abbia indotto una qualche modifica allo stato di esercizio stazionario es guasti al sistema di riscaldamento mancanza di alimentazione ecc In Pavan et al 1994 viene riportata una rassegna completa riguardo agli andamenti tipici dei parametri di stabilit di un digestore trattante frazione organica da selezione meccanica durante diverse condizioni non stazionarie In particolare vengono considerati una fase di start up una fase di passaggio tra condizioni a basso carico una fase di passaggio tra condizioni a medio carico una fase di passaggio tra condizioni ad alto carico La tabella 5 14 riporta le variazioni di carico organico associate ad ogni periodo conside rando il passaggio di temperatura come periodo di riferimento in quanto soggetto alle varia zioni maggiori 125 126 Tabella 5 14 Variazioni di condizioni operative considerate per studiare il processo semi dry in condi zioni di transiente Pavan et al 1994 Pass
254. s coefficiente di semisaturazione corrispondente alla concentrazione di sub strato S alla quale la velocit di utilizzo del substrato per unit di massa di mi crorganismi pari alla met della velocit massima massa volume Data l espressione matematica della cinetica si pu osservare che la velocit tende al suo mas simo per valori di concentrazione del substrato S grandi o per valori di K piccoli Riportando in diagramma la velocit di reazione in funzione della concentrazione di substra to S si ha una curva asintotica al valore massimo come rappresentato in fig 1 4 da cui si de duce che aumentando la concentrazione di substrato possibile avvicinarsi alla massima ve locit possibile La maggior o minor celerit con cui al crescere della concentrazione di substrato la velocit ten de al suo massimo espressa graficamente dalla pendenza del primo tratto della curva dipen de dalla affinit tra lo specifico enzima deputato alla degradazione ed il substrato Tale affinit quantificata dal termine lt Dalla combinazione delle due equazioni cinetiche di crescita dei microrganismi e di utilizzo del substrato esposte si ricava EE o 9 y a ad K45 Kg dove definendo con la velocit specifica di crescita dei microrganismi e con Umax la massima velocit specifica di crescita dei microrganismi secondo la Umax Ku Y Lu eee 11 12 si potr scrivere Ko 48 Aa
255. scela ti con o senza ricircolo La principale differenza tra le due equazioni consiste nel fatto che il 32 termine SRT funzione della concentrazione di substrato presente nell influente IL PROCESSO DI DIGESTIONE ANAEROBICA ELEMENTI DI BASE 1 5 2 5 Processo continuo a fasi separate Come gi riportato le condizioni ottimali di crescita per i batteri idrolitici acidificanti e per quelli metanigeni sono differenti quindi 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 pi ridotte dal momento che i tempi di ritenzione possono essere bassi anche alcune ore se guita poi da una seconda fase in reattori di dimensioni maggiori in cui si ha la metanogene si Ci permette di associare il tempo di residenza nel reattore alle diverse cinetiche dei ceppi microbici connessi alle due diverse fasi del processo di digestione due reattori possono essere del tipo completamente miscelato o con flusso a pistone o un sistema ibrido criteri di esercizio e dimensionamento ed i relativi parametri sono gli stessi gi visti e sar quindi identica la trattazione con i due reattori in cascata con l accortezza di considerare lo sca rico del primo come l alimentazione del secondo 1 5 3 Processo discontinuo In questo caso il processo viene gestito in
256. shock per la zione di substrato o sostanze tossi presenza di sostanze inibitorie e ca che richi organici Perdita di sostanza volatile biode gradabile nel corso dei pre tratta menti del rifiuto indifferenziato Economico Elevati costi di investimento a causa de ed ambientale Spese ridotte per sistemi di pom gli equipaggiamenti utilizzati per i pre paggio e miscelazione trattamenti e per i volumi dei reattori Produzione di elevate quantit di ac que di processo Tabella 3 5 Intervalli tipici dei parametri operativi e delle rese del processo semi dry Parametro di processo Intervallo Solidi nel rifiuto trattato TS 15 20 fino a 25 Carico organico kgVS m d 8 12 fino a 18 in termofilia Tempo di ritenzione idraulica d 10 15 Rese del processo Produzione biogas m t rifiuto 100 150 Produzione specifica di biogas m3 kgVS 0 3 0 5 Velocit di produzione biogas m m d 3 6 Contenuto di metano 55 60 Riduzione della sostanza volatile 40 50 fino al 60 3 2 2 2 Applicazioni industriali del processo semi dry processo brevettato da SNAM Progetti trova applicazione in piena scala presso l impianto di C del Bue Verona Farneti et al 1998 1999 Pavan et al 2001 Tale impianto stato rea lizzato per soddisfare i parametri operativi e le rese riportati in tabella 3 6 l impianto attualmente in fase di avviamento deve 500 tonnellate giorno di RU che ven gono pre trattate al fine di ricavarne
257. si i cartelli di segnalazione di pericolo in re lazione al tipo di lavorazioni che vengono eseguite Devono essere adottate idonee precauzioni per il deposito e la movimentazione di materiali e prodotti chimici pericolosi corrosivi velenosi esplosivi infiammabili In genere tali sostanze de vono essere conservate in zone fresche non umide e che abbiano una buona aerazione ed il luminazione La movimentazione e l uso di tali sostanze e le operazioni di manutenzione delle attrezzature interessate dalla loro presenza e di parti dell impianto adiacenti a stoccaggi e a tu bazioni dedicate al loro trasporto devono essere svolte da personale adeguatamente adde strato e dotato di idonei dispositivi per la protezione da eventuali fuoriuscite di liquidi vapori o gas pericolosi Inoltre devono essere previste docce di emergenza e dispositivi per il lavaggio oculare Tutte le aree degli impianti devono essere dotate di sistemi di illuminazione efficienti in quanto molte lavorazioni si svolgono in ambienti chiusi In particolare devono essere ben illuminati i cam minamenti le zone di passaggio e le scale l illuminazione esterna deve essere sufficiente a permettere lo svolgimento in sicurezza delle operazioni notturne Inoltre l impianto deve essere provvisto di un generatore di emergenza per garantire l illuminazione durante i periodi di e ventuale mancanza di energia elettrica Deve essere garantita una adeguata aerazione degli ambienti eventualmen
258. si sportelli e vetri in dossare gli indumenti di lavoro e gli idonei DPI indicati dalle procedure aziendali In ogni caso vietato avvicinarsi alla macchina in funzione Ogni operazione sulla stessa deve essere effet tuata dopo aver impedito meccanicamente l eventuale messa in moto sia intenzionale che ac cidentale da parte di terzi apponendo inoltre sugli organi di comando apposito cartello di la vori in corso Nastri trasportatori vagli rotanti Il personale che opera in prossimit di queste apparecchiature deve osservare le seguenti regole comportamentali non appoggiarsi o salire sui nastri trasportatori in movimento Qualora fosse necessario in tervenire sugli stessi in caso di intasamento di materiali si deve azionare preventivamente il dispositivo di blocco non avvicinarsi e non toccare i vagli in movimento In caso di necessit di intervento si deve azionare preventivamente il pulsante d emergenza e incaso di presenza di nastro deferrizzatore non avvicinarsi allo stesso se si portatori di ap parecchi biomedicali e in caso di prelievo manuale di materiali da selezionare prestare attenzione agli eventuali oggetti acuminati e o taglienti e in caso di possibilit di sollevamento di polvere durante la movimentazione dei materiali indossare idonee mascherine filtranti Presse imballatrici Trattandosi di macchine a funzionamento automatico necessario assicurarsi che i meccani smi in movimento siano adeguatamente
259. so una strategia integrata che prevede una corretta gestione dell impianto evitare stoccaggi prolungati prevenire fenomeni di a naerobiosi nella biomassa ecc e del processo temperatura umidit tempi di residenza e ambienti completamente chiusi e in depressione con aspirazione forzata di tutti i volumi destinati alle fasi di ricevimento stoccaggio ripresa e alimentazione al trattamento dei rifiuti e un trattamento delle arie esauste provenienti dai sistemi di aspirazione di tutto l impianto prima della immissione in atmosfera Per quanto riguarda quest ultimo punto numerosi sono i metodi ormai industrialmente disponi bili e variamente adottati per la depurazione degli effluenti gassosi derivanti da attivit pro duttive tra i quali i pi diffusi sono e l adsorbimento su carbone attivo e l ossidazione termica e l assorbimento con soluzioni chimiche e i metodi biologici biolavaggio e biofiltrazione primi due difficilmente vengono impiegati per l abbattimento di emissioni di origine biologica a causa dei loro costi d investimento e degli oneri di gestione e di rado trovano utilizzo negli im pianti in esame l assorbimento con soluzioni chimiche in torri di abbattimento o in scrubber molto diffuso e si basa sul trasferimento di uno o pi composti presenti in fase gassosa in una fase liquida Il prin 0 i NS UME AMBIENTALE E MISURE OMPENSA E cipio di fu
260. sorbita Buona efficienza di miscelazione Rottura delle croste Buona miscelazione in senso verticale Bassa formazione di schiume Buona miscelazione in senso verticale Bassa formazione di schiume grazie al continuo pompaggio dello strato superfi ciale Minori costi di manutenzione rispetto ai compressori Valida anche nei sistemi ad alto contenuto di solidi Assenza di sistemi meccanici in ambiente di gas Svantaggi Corrosione e logorio dei materiali ferrosi Intasamento dovuto a stracci e materiali fi brosi Corrosione delle tubazioni Alti costi dimanutenzione per i compres sori Problemi di intasamento Problemi con i compressori nel caso di ri salita delle schiume Deposito di solidi Corrosione delle tubazioni Alti costi di manutenzione dei compressori Problemi di schiume Possibilit di intasamento Miscelazione non completa del digestore Formazione di schiume Depositi di fondo possono variare il profi lo di miscelazione Rottura dei tubi di fondo Necessario lo svuotamento per la manu tenzione Corrosione delle tubazioni Alti costi per la manutenzione dei ompres sori Corrosione del gas lifter Formazione di schiume Miscelazione di superficie poco efficiente Necessario lo svuotamento per la manu tenzione Intasamento delle lance Logorio delle pale Intasamento a causa di stracci Possibilit di perdite di gas nel sistema di tenuta dell albero Possibilit di lun
261. sto di compressione e impiego di membrane semipermeobili in grado di lasciare passare la CO e di trattenere il CH Utilizzo del biogas Essendo la produzione di biogas continua tutti i sistemi di raccolta ed utilizzo devono essere au tomatici La produzione di biogas avviene alla pressione del digestore generalmente vicina alla pres sione atmosferica Dal momento che lo stoccaggio ed richiedono una compressio ne importante e quindi costi non trascurabili si cerca in genere di utilizzarlo per la produzio ne di una forma di energia direttamente utilizzabile sul sito di produzione o con costi di tra sporto ridotti Parte del biogas prodotto viene utilizzato per gli autoconsumi dell impianto mentre la restante parte pu essere utilizzata per la produzione di energia da cedere all esterno In particolare per quanto riguarda gli usi interni una parte dal 15 al 25 dell energia prodotta pu essere utilizzata per il riscaldamento dei digestori ed eventualmente per co prire il ulisse di energia elettrica dell impianto cogenerazione di calore ed elettricit l utilizzo del biogas per il riscaldamento variabile in funzione della stagione e del momen to nella giornata il riscaldamento in genere attivo quando in corso il caricamento del di gestore biogas in eccesso pu essere valorizzato con diverse modalit alcune delle quali particolar mente sviluppate Di seguito vengono riportate le principali possib
262. su va lori contenuti in intervalli relativamente ristretti Tabella 2 12 Caratteristiche medie della frazione organica selezionata da mercato ortofrutticolo Pavan et al 2000 TS g Kg TVS TS TCOD gO gTS TKN TS Ptot TS massimo 81 8 T327 54 4 92 0 78 2 1 0 les 0 7 21 3 1 4 2 8 33 E3 n campioni 96 96 32 23 23 dev std 15 7 Hee 18 1 0 5 0 5 Tabella 2 13 Caratteristiche della frazione organica ottenute in diverse campagne di ricerca Cecchi et al 1989 Sans et al 1995 TS g Kg TVS TS TCOD gO gTS TKN TS Ptot TS 200 88 1 1 3 2 0 4 163 9 90 1 1 2 1 2 6 Tabella 2 14 Caratteristiche chimico fisiche della frazione organica analizzate durante il periodo di un anno Zorzi 1997 Ottobre gennaio EC 12 6 pH 47 TS g Kg 95 4 TVS TS 215 TCOD g Kg 99 2 SCOD g Kg 39 3 TVFA 4092 mgCOD l TKN g Kg Ptot g Kg Febbraio Maggio Giugno Luglio maggio giugno luglio agosto 7 5 2154 22 2 24 5 4 9 5 0 4 7 4 0 736 96 3 94 7 88 6 94 5 89 2 88 9 90 0 101 3 100 4 88 7 95 5 59 3 45 1 44 4 42 7 4256 3948 3410 4062 23 2 3 Agosto seHembre 234 4 32 105 8 92 2 108 6 49 7 7563 234 37 Settembre Novembre Dicembre novembre dicembre febbraio 8 8 7 1 4 3 4 3 5 0 103 4 102 6 97 3 90 6 90 9 91 2 106 7 108 5 101 7 S17 51 2 60 1 3023 3931 4563 23 1 23 2 21 5 37 3 8 3 5 45 46 Un ultima nota va rivolta alle caratteristiche biologich
263. t del processo con sente quindi i risultati sono normalmente pi che accettabili La discussione che segue comun que presenta il quadro completo facendo riferimento agli aspetti cinetici considerando anche un particolare approccio di ricerca sulla cinetica del processo dedicato espressamente al trat tamento di substrati complessi come la frazione organica modello step diffusional 4 4 1 Modelli e costanti cinetiche Modello del primo ordine Questo modello si basa sull assunzione che le cinetiche che regolano la degradazione di tutte le sostanze presenti nel substrato siano riconducibili al primo ordine definendo quindi una co 9 92 stante globale media pseudo primo ordine l equazione di base dS dt K S dove K la costante cinetica di primo ordine ed S rappresenta la concentrazione di tutti i com posti organici biodegradabili zuccheri acidi grassi aminoacidi che costituiscono l influente trat tato Per un reattore di tipo CSTR che operi in condizioni di stato stazionario il bilancio di mas sa del substrato considera la resa in termini di rimozione di S come una funzione del tempo i draulico di ritenzione HRT Dal momento che S risulta un parametro difficilmente misurabile se non con metodi grossolani per esempio la determinazione del COD si utilizza la trattazione di Chen e Hashimoto 1978 gi richiamata nel capitolo 2 che tiene conto della biodegradabilit a tempo infinito Bo In questo modo
264. ta meccani camente 0 17 0 23 0 23 0 30 0 35 0 45 0 20 0 30 0 30 0 41 0 35 0 45 Frazione organica da raccolta differenziata 0 65 0 85 0 60 0 80 0 50 0 70 0 60 0 85 0 60 0 80 0 50 0 70 Nella tabella 4 8 sono invece riportate le principali caratteristiche del biogas Tabella 4 8 Composizione del biogas concentrazioni su gas secco Componenti Percentuale Metano CH 55 65 Anidride carbonica 35 45 Idrogeno solforato HS 0 02 0 2 Vapore d acqua saturazione Idrogeno ammoniaca tracce Ossigeno azoto tracce Tutte le tubazioni e le apparecchiature devono essere realizzate con opportuni materiali che tengano conto del carattere corrosivo di alcuni componenti in particolar modo dell idrogeno solforato All uscita del digestore deve essere prevista una filtrazione lt 10mm per eliminare le particel le liquide o solide che potrebbero essere trascinate dal biogas Questo semplice sistema permette di proteggere le soffianti o i compressori che verranno utilizzati per l alimentazione del gas ai successivi utilizzi Depurazione del biogas Prima dell utilizzo a ni energetici il biogas deve essere sottoposto ad opportuni trattamenti di depurazione Infatti la presenza di anidride carbonica azoto ed acqua provoca l abbassamento del potere colorifico della miscela mentre sostanze come l idrogeno solforato ed i composti organici alo genati che possono essere presenti nel biogas si comportano da agenti corrosivi causando s
265. ta caratteri particolari dei sual necessario tener conto Innanzitutto tale forma d inquinamento temporaneamente labile in termini fisici esso non ha possibilit di accumulo e scompare non appena cessa di agire la causa che lo ha determinato anche se dal punto di vista psicofisico le sue conseguenze possono accumularsi In secondo luogo spazialmente indeterminato in quanto si distribuisce nello spazio in funzio ne dei movimenti delle sorgenti che lo generano e delle caratteristiche del mezzo di propaga zione l atmosfera Inoltre mentre le altre forme d inquinamento non sono direttamente percepite a livello sogget tivo e devono pertanto essere sottoposte ad un controllo specifico l inquinamento acustico ap partiene alla classe dei fenomeni immediatamente percepiti da chi vi sia sottoposto Per queste ragioni il problema spesso acquista rilevanti connotazioni sociologiche in quanto la reattivit collettiva alano non mai completamente determinata a priori ed connessa anche alle particolari condizioni individuali A7 148 In base alle caratteristiche fisiche il rumore essere definito impulsivo fluttuante intermit lente o continuo Negli impianti di digestione anaerobica si pu npe che si tratti di un rumore continuo in quanto persiste senza interruzione apprezzabile per tutto il ciclo di lavoro Le fonti di rumore in tali impianti sono legate prevalentemente alle apparecchiature utilizzate nel le v
266. tallici materiale filtrante che deve avere uno spessore di circa un metro e deve possedere buone propriet fisico meccaniche buon drenaggio e basse perdite di carico ed una bassa degra dabilit biologica rappresenta il supporto sul quale si genera la flora batterica attiva in grado di metabolizzare la maggior parte dei composti cche organici e inorganici attraverso una serie notevole di reazioni biologiche ossidazioni riduzioni idrolisi microrganismi impiega ti sono svariati batteri funghi lieviti e solitamente sono composti da ceppi microbici selvag gi ovvero gi naturalmente presenti nel materiale che costituisce il biofiltro Dall analisi della let teratura i composti degradabili tramite i sopraindicati processi possono essere schematica mente suddivisi in e composti inorganici prevalentemente rappresentati da ammoniaca ed idrogeno solforato e composti costituiti da miscele di composti solfurici metil ed etilmercaptani composti ammi nici metil etilammine composti carbonilici aldeidi chetoni ed acidi grassi a catena cor ta propionico butirrico ecc e composti organici di diversa natura chimica idrocarburi alifatici aromatici eterociclici e composti alifatici alogeno sostituiti quali idrocarburi alifatici clorurati 145 146 l efficienza di abbattimento di questi inquinanti varia a seconda delle condizioni chimico fisi che a cui i microrganismi sono sottoposti oltre che da par
267. te il trattamento anaerobico di rifiuti urbani derivanti da una raccol ta differenziata o indifferenziata Il processo per lo pi applicato in regime di temperatura mesofilo tipicamente 37 40 C vedi tabella 3 12 Nel caso di raccolta indifferenziata la di gestione anaerobica viene preceduta da una linea di selezione per la frazione organica da in viare alla sezione di digestione anaerobica La societ Valorga S A ha sviluppato i suoi primi lavori a partire dal 1981 inizialmente presso la cattedra di ricerche universitarie dell Univer sit des Sciences et Techniques della Languedoc Francia Questa ricerca stata poi ripresa ed ampliata dalla societ Process oggi divenuta Steinmuller Valorga Germania Fran cia l obiettivo di questi studi era la messa a punto di un processo di digestione anaerobica con alimentazione in continuo caratterizzato da una elevata concentrazione di solidi totali TS della frazione organica dei rifiuti urbani e di altri residui agro alimentari La concretizzazione di questi interessi ha portato nel tempo alla realizzazione di diverse iniziative dapprima su a pilota e poi in piena scala Lo sviluppo di questo processo ha permesso la costruzione nel 1987 e l avviamento nel 1988 el primo impianto industriale al mondo per il trattamento di rifiuti urbani con digestione a naerobica in continuo e ad alta percentuale di materia secca ad Amiens Francia che tratta la totalit dei rifiuti urbani di quest
268. te in evidenza tra l altro come questo tipo di tecnologia abbia trovato applicazione sia nel caso del servizio a grandi bacini di utenza sia nel caso di bacini di medio piccole dimensioni Prendendo spunto da questa ricerca interessante notare che mentre nel periodo 1990 1995 il quantitativo di rifiuti organici inviati a digestione anaerobica mostrava incrementi di 30 000 tonnellate anno nel periodo successivo fino al 2000 ha mostrato incrementi pari a 150 000 tonnellate anno E altres atteso per l anno 2001 un tasso di crescita per i rifiuti or ganici inviati al trattamento di digestione anaerobica di circa 200 000 tonnellate anno figu ra 3 1 MERERI IFFI d la DERR gt i F zi E Im gt zd HA z TIEFE sio FF se US 44H IHi C Rio RESI a oe AD A T Figura 3 1 Potenzialit di trattamento degli impianti di digestione anaerobica operanti in Europa De Baere 2000 50 S 140008 e A L20008 L09008 ALEA E lt 25 zB EI DI i EL m al 91 2 ng T 45 tii aq 3B wj 2100 B ESO TERNG Figura 3 2 Capacit di trattamento annuale per i processi mesofili e termofili De Baere 2000 zZzuup 2 0nnn zz ui t anno 430000 Jeani UL LL LE Nono 1 si I E E E E AL UL HI TJ da us UE Yi TH uu 17710 CAPACIT B Deer F
269. te ricorrendo al l uso della ventilazione forzata in particolare nelle fosse nelle condotte nei pozzi nelle centrali termiche e nelle sale macchine in cui la grande quantit di calore disperso altera le condizioni microclimatiche l impianto per la ventilazione forzata deve prevedere il collegamento con impianti elettrici di e mergenza per garantire la ventilazione soprattutto in quei luoghi di lavoro in cui possono svi lupparsi miscele esplosive Gli impianti inoltre devono essere in regola con le disposizioni e le norme antincendio In par n rr n FUE JE ae at atk Ma PL ae Panni LA GESTIONE DEGLI IMPIANTI DI DIGESTIONE ANAEROBICA ticolare deve essere previsto un sistema di condutture M gli idranti dimensionato per garanti re il controllo di eventuali incendi in qualsiasi zona dell impianto e dei sistemi di erogazione di anidride carbonica nelle lavorazioni che provocano emissione di gas infiammabili nelle cen trali elettriche o dove vengano utilizzati impianti ad olio sotto pressione Su tutta l area dell impianto devono essere disposte prese d acqua con attacchi predisposti per i tubi da utilizzare sia per le operazioni di pulizia generale che per impedire di eventuali incendi l impianto deve disporre di un adeguato rifornimento di acqua potabile da utilizzare per i ser vizi generali e negli eventuali laboratori di analisi Sia in fase di progettazione e di realizzazione dell impianto che durante
270. tenimento di polveri pi fini con un rendimento e levatissimo nell ordine del 99 99 Con queste apparecchiature possibile garantire allo scarico un livello di polverosit inferiore ai 10 mg Nm La perdita di carico considerata pari a circa 120 150 mmH 0 mentre il tessuto viene di vol ta in volta scelto sulla base delle condizioni di funzionamento Indicativamente nel trattamento di aria polverosa proveniente da RU occorre tener presente che a causa della possibilit di avere aria umida e particelle da trattare che si possono caricare elettrostaticamente necessario prevedere un tessuto con trattamento antistatico permanente Per quanto riguarda il dimensionamento dei filtri a maniche la superficie filtrante in funzio ne della tipologia di polveri e della quantit in ingresso ma indicativamente per quanto ri guarda il settore RU si pu calcolare un valore medio pari a circa 1 8 2 m minuto di velocit di filtrazione Normalmente i depolveratori a tessuto sono installati in depressione cio con il ventilatore cen trifugo posto a ale e per scaricare le polveri captate hanno bisogno di un sistema di scarico che costituito da una coclea di evacuazione e di una valvola rotativa La pulizia pu essere effettuata per via meccanica mediante scuotimento o vibrazione delle maniche o utilizzando il metodo a corrente inversa ottenuto invertendo il verso del flusso di gas attraverso le maniche Il sistema di lavaggio pi u
271. tilizzato con aria compressa immessa attraverso delle elettrovalvole il cui comando dato da un timer elettronico che pu essere regolato manualmente oppure automaticamente in funzione della perdita di carico prestabilita da tenere al depolveratore Occorre fare anche attenzione nel caso di trattamento di polveri da RU alla conformit delle maniche filtranti che consigliabile vengano installate in linea con una buona distanza tra lo ro in modo che la velocit di risalita dell aria attraverso gli spazi tra le maniche sia relativa mente bassa in modo da favorire un buon distacco delle polveri e la successiva caduta nella tramoggia Indicativamente il diametro delle maniche di 125 150 mm anche se la prima dimensione preferibile in quanto pi facile da rigenerare con gli impulsi di aria compressa con una lun ghezza di cieca di 3 000 max 4 000 mm 143 144 Scrubber Gli scrubber sono apparecchi ad umido che possono essere utilizzati sia per l abbattimento di polveri sia per il trattamento degli odori Nel caso di scrubber utilizzati per la depolverazione l abbattimento delle solide realizzato mediante l iniezione di acqua finemente polverizzata Le goccioline di acqua di sperse all interno del flusso gassoso e dotate di un elevata velocit dovuta all energia cinetica ad esse impressa sono in grado di intrappolare le particelle solide per effetto delle ripetute collisioni con queste ultime La scelta dell
272. to circuitazione idraulica Fasi separate di materiale galleg giante e pesante Abrasione delle parti meccaniche do vuta alla presenza di sabbie ed inerti Pre trattamenti di preparazione del rifiuto complessi Forte sensibilit ad eventuali shock per la presenza di sostanze inibitorie e carichi organici variabili che entra no in contatto intimo con la biomassa Perdita di sostanza volatile biodegra dabile nel corso dei pre trattamenti Elevati costi di investimento a causa de gli equipaggiamenti utilizzati per i pre trattamenti e per i volumi dei reattori Produzione di elevate quantit di ac que di processo Pavan et al 2000a hanno ottenuto valori della SGP di 0 78 m kgVS e GPR di 4 9 m m d in esperienze con un reattore termofilo 55 C in scala pilota da 3 che trattava rifiuto mer catale caratterizzato da un contenuto in solidi del 10 Il carico organico applicato era di 6 kgVS m giorno ed il tempo di ritenzione idraulica di 11 8 giorni La rimozione della frazione volatile era dell 82 Groppelli et al 1999 riportano l esperienza di un reattore di digestione adibito al servizio di una comunit di 6 000 abitanti presso Gobernador Crespo provincia di Santa Fe Argenti na Questo tratta 10 800 kg settimana di frazione organica di provenienza domestica in un reattore di 150 m operante a 35 C La produzione specifica di biogas pari a 100 di frazione organica La tabella 3 3 riporta i valori tipici sia
273. to riscontrato che i processi di digestione anaerobica in regime mesofilo mostrano le miglio ri produzioni di biogas in intervalli di temperatura compresi tra i 30 ed i 35 C mentre so di processi termofili l intervallo si allarga e varia tra i 40 ed i 60 C In generale si pu os servare che all interno dell intervallo ottimale la produzione di biogas e la rimozione di sub strato incrementano al crescere della temperatura Stafford et al 1980 1 5 2 Processi continui Per processo continuo si intende un sistema alimentato in modo continuo o semi continuo con un tempo di permanenza medio del substrato nel reattore espresso dal tempo di residenza idrau lico HRT e quello dei microrganismi dal tempo di residenza dei solidi SRT processi possono essere a seconda della soluzione adottata ad una o due fasi Nei processi a fase unica le fasi biologiche della digestione idrolisi acidogenesi acetogenesi e metanogenesi hanno luogo nel medesimo reattore e contemporaneamente Pertanto la fase pi lenta del processo costituisce l elemento di dimensionamento del reattore Nei processi a due fasi si hanno due reattori distinti posti in serie tra loro ciascuno dedicato ad una serie di reazioni nel primo hanno luogo i fenomeni di idrolisi acidogenesi ed acetogene si mentre nel secondo si sviluppa la fase metanigenica in un secondo reattore Ci permette di associare il tempo di residenza nel reattore alle diverse cinetiche dei ceppi m
274. ttore completamente miscelato con ricircolo In genere per una rappresentazione analitica del processo si adotta la semplificazione che la de della reazione il solo volume del reattore mentre nella fase di separazione non avvengono reazioni Analiticamente le espressioni che descrivono i parametri del sistema sono HRT SRT Con riferimento al tempo di residenza idraulico si dovr distinguere tra quello del reattore HR T e quello del sistema HRT IL PROCESSO DI DIGESTIONE ANAEROBICA ELEMENTI DI BASE n HRT 0 Pa FT HRT V F Or X Se Se Xe Figura 1 9 Reattore a mescolamento completo con ricircolo Inoltre per quanto riguarda il tempo di residenza nel reattore si potr distinguere tra quello nominale riferito alla portata dell influente e quello effettivo riferito anche alla por tata di ricircolo F F HRT 2 C Or dove HRI tempo medio di residenza idraulico nel reattore giorni HRT tempo medio di residenza idraulico nel sistema giorni HRTp tempo medio di residenza idraulico nominale nel reattore giorni tempo medio di residenza idraulico effettivo nel reattore giorni Vi volume del reattore m Va volume del sistema m Q portata al reattore m giorno portata di ricircolo al reattore m giorno Nel caso invece del tempo di residenza dei solidi nel reattore avremo due scritture
275. uccessive di raffinazione ed in particolare metalli ferrosi e non ferrosi e frazione combustibile Il rinnovato interesse verso questa tecnologia in parte dovuto allo sviluppo di alcuni brevetti che consentono di operare con concentrazioni di solidi in alimentazione ai digestori variabili tra il 15 ed il 35 valori questi decisamente superiori a quelli comunemente utilizzati nei tradizio nali reattori impiegati per il trattamento dei fanghi prodotti dagli impianti di depurazione va lutabili nell ordine del 5 8 Tali concentrazioni permettono di conseguire rendimenti elevati sia in termini di quantit di rifiuti trattabili e contrazione dei tempi di permanenza che di pro duzione di biogas con conseguente riduzione dei costi di investimento e dei fabbisogni ener getici per il riscaldamento dei digestori e per la disidratazione dei fanghi digeriti Nei paragrafi successivi verranno illustrati i principali reparti di un impianto di digestione a naerobica dei rifiuti sia indifferenziati sia provenienti da raccolta selezionata dell organico anche eventualmente in codigestione con fanghi da depurazione civile Verranno descritte negli aspetti progettuali e gestionali le principali operazioni unitarie che costituiscono il processo e le apparecchiature utilizzate Si illustreranno le possibilit di utilizzo o di smaltimento dei prodotti e dei residui originati dal ciclo di trattamento e le modalit con cui pu essere utilizzato all interno o a
276. un contenuto in solidi del 35 Tale tecnologia ora largamente applicata su tutto il territorio svizzero e viene anche esporta ta in Germania Dal 1992 al 2000 sono stati realizzati in Svizzera e Germania 14 impianti con una potenzialit media di 10 000 t anno Al momento attuale le comunit servite su territorio svizzero con questo tipo di processo sono 37 per un totale di 262 148 abitanti serviti ed una potenzialit complessiva annuale di 43 500 tonnellate di frazione organica selezionata Thurm et al 1999 Si tratta quindi generalmente di impianti di piccole dimensioni adatti a servire anche piccoli bacini di utenza quali quelli delle comunit montane Attualmente solo due impianti presso Francoforte e Hunsruck Germania trattano pi di 20 000 t anno di rifiuto organico Le tipiche prestazioni ottenibili negli impianti di maggiori dimensioni sono riportate in tabella 3 11 Levasseur 1999 Tabella 3 11 Tipiche prestazioni del processo Kompogas applicato in scala reale in Levasseur 1999 Parametro Valore Rifiuto organico trattato t anno 20 000 Produzione di biogas m giorno 8 000 Produzione giornaliera di compost m giorno 25 30 Energia prodotta kWh giorno 46 000 Energia consumata in impianto kWh giorno 3 500 Energia venduta kWh giorno 10 500 Calore usato in impianto kWh giorno 7 000 Calore venduto kWh giorno 18 500 FRE Jp TIONE ANAEROBICA Il processo Valorga processo Valorga consen
277. una melma fangosa con un tipico tenore in so lidi del 10 digestore BIMA diviso in due differenti compartimenti Un compartimento inferiore pi grande ed uno pi piccolo superiore i due compartimenti sono connessi attraverso tubature per il trasporto del biogas Attraverso la chiusura di una apposita valvola lungo la tubatura di con nessione tra i due comparti possibile mettere in pressione il comparto inferiore a causa del l accumulo di biogas Ci comporta lo spostamento di una parte di substrato nel comparto su periore fino ad un certo livello raggiunto il quale la valvola automatica si apre rilasciando improvvisamente il biogas compresso nel comparto inferiore Di conseguenza il substrato rac colto nel comparto superiore viene inviato con forza nel comparto sottostante Grazie alla par ticolare conformazione idraulica del reattore ci consente la miscelazione tra il substrato fresco ed eventuali schiume e sedimenti presenti nel reattore di digestione senza il bisogno di ricorrere ad altri meccanismi Il caricamento del materiale da trattare avviene alfiere lance in un ap posito tubo posto al centro del reattore mentre il biogas passa dal comparto superiore al gaso metro Le principali applicazioni industriali di questo processo si trovano in Austria e Germania si tratta generalmente di piccoli reattori 1 000 2 000 m che operano per lo pi la co digestio ne di rifiuti organici civili e rifiuti zootecnici o agro industri
278. upero di materiali ferrosi da inviare a riciclaggio Prevedono una linea di selezione completa quindi riduzione di pezzatura deferrizzazio em ne vagli a pi stadi trituratori della frazione secca pellettizzatrici per la produzione di C Impianti complessi DR in pellets prodotti di queste linee sono ovviamente pi raffinati e quindi la frazione or ganica ottenuta in questo modo si presta maggiormente a valorizzazione attraverso processi biologici Come si pu evincere dai dati presentati la frazione organica da selezione meccanica ha un elevato contenuto in solidi rispetto ai valori normalmente caratterizzanti le frazioni putrescibili ure del rifiuto urbano vedi paragrafo 2 1 2 ci amp imputabile alla importante presenza di inerti nel substrato indifferenziato non completamente separabili attraverso questo approccio se non durante la raffinazione del compost Questo aspetto risulta molto pi eviden te se si considera la percentuale di solidi volatili TVS che difficilmente raggiunge il 50 dei so RU Mulino a Magnete 1 vaglio coltelli rodanie Light classiller Frazione Magnete Separatore Altro a sacco Organici del veiro Omogenerz Compostaggio 2 vaglio Ciclone Linea RIDE Fang hi Separatore Atoccasglo linea ferrosi inert con post Figura 2 1 Schema di funzionamento di un impianto di selezione complesso a servizio della produzione di compost Cecchi et
279. valori di By ri portato sala tabella 2 15 che mette a confronto le biodegradabilit delle diverse matrici fino ra considerate Mata Alvarez et al 1992 Dai dati di letteratura si ricavano quindi i seguenti intervalli di produzione espressi sia in ter mini di metano che di biogas prodotto Considerando una percentuale del 55 di metano sul biogas prodotto si possono ottenere i valori riportati in tabella 2 16 Si notino i valori notevolmente inferiori della frazione organica selezionata meccanicamente rispetto agli altri substrati LA FRAZIONE ORGANICA DEI RIFIUTI URBANI Tabella 2 15 Valori di B relativi alle diverse matrici finora considerate Provenienza Bo PIA CIA Valorga 1985 0 301 De Baere e Verstraete 1984 0 321 da selezione meccanica Pauss et al 1984 0 397 Roux e Wakerley 1978 0 381 Cecchi et al 1989 0 158 da grandi utenze Mata Alvarez e Cecchi 1989 0 445 Cecchi et al 1986 0 401 domestica Mata Alvarez et al 1992 0 489 Tabella 2 16 Rese di conversione a tempo infinito per i tre tipi di frazione organica Frazione organica proveniente da grandi utenze Frazione organica da Substrato A 9 selezione meccanica Frazione organica di provenienza domestica m CH kgIVS 0 16 0 37 0 45 0 49 0 37 0 40 G m KgIVS 0 29 0 66 0 81 0 89 0 67 0 72 G biogas prodotto a tempo infinito 47 3 Applicazione industriale della digestione anaero
280. ve poi essere costantemen te verificato duree rischi per la salute e la sicurezza all interno di un impianto di trattamento di rifiuti derivano in gran parte dagli stessi pericoli esistenti in tutti i luoghi di lavoro ma assumono in tale ambien te livelli superiori a causa della loro interazione Infatti gli addetti alla gestione di un impianto di trattamento rifiuti si trovano generalmente ad operare in presenza contemporanea di svariati fattori di rischio tra cui contatto con sostanze potenzialmente pericolose contenute nei rifiuti lavori in quota od in vasca agenti biologici in stallazioni elettriche attrezzature di lavoro complesse sostanze in pressione temperature ele vate reagenti ed additivi chimici presenza di veicoli operativi movimentazioni manuali e meccaniche di carichi ecc 133 134 Gi in fase di progettazione e di realizzazione dell impianto devono essere previste una serie di misure volte a prevenire i problemi di sicurezza connessi con il suo futuro esercizio Suc cessivamente durante la gestione dell impianto necessario adottare tutte le principali nor me di sicurezza atte a garantire la protezione del personale durante lo svolgimento delle la vorazioni Da questo punto di vista di estrema importanza fornire ai lavoratori un adeguata formazio ne un addestramento sulle procedure da attuare in caso di emergenza ed una approfondita pre parazione tecnica In particolare gli operatori d
281. verifica necessario cono scere 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 densit avremo frazione organica selezionata diluita densit t m m frazione organica selezionata al giorno e quindi volume digestore m m frazione organica selezionata al giorno giorni di ritenzione Spesso seguendo questa logica l HRT che si viene ad applicare risulta troppo basso E op portuno allora ripetere il calcolo diminuendo il carico fino ad arrivare ad un compromesso ot timale La riduzione del carico organico rappresenta sempre un fattore di sicurezza aggiuntivo rispet to ad eventuali situazioni di sovraccarico in quanto il sistema pu lavorare in condizioni meno stressanti 4 fase Considerazioni energetiche La produzione di biogas giornaliera pu essere calcolata utilizzando la seguente relazione SGP m kgTVS x kgTVS giorno m biogas prodotti al giorno Stimando un potere calorifico inferiore di 5500 avremo la potenzialit energetica giornaliera 5500 kcal m x biogas giorno kcal giorno La spesa energetica per riscaldamento consta di due voci il riscaldamento del rifiuto in ingresso le perdite di calore del digestore Si pu dimostrare con calcoli appropriati che il calore disperso per le perdite non supera il 5 10 del calore totale necessario a ma
282. vi all impianto che consentono di ricostruire il regolare i ter istruttorio per la realizzazione e la messa in marcia dell impianto progetti autorizzazioni pareri valutazione d impatto ambientale e la descrizione sintetica del processo e dell impianto e i dati di progetto dell impianto 3 i B d x E PA E 1 9 5 n L 1 RD si DI E T Mu rh EL a i f B t dM SR LA GESTIONE DEGLI IMPIANTI DI DIGESTIONE ANAEROBICA la potenzialit di trattamento prevista completo dei rifiuti trattabili presso l impianto e dei relativi codici dell Elenco dei Ri fiuti le modalit di avviamento dell impianto le procedure operative di gestione dell impianto le modalit di registrazione dei dati operativi le apparecchiature di laboratorio con l indicazione della casa costruttrice della funzione della periodicit delle tarature e di tutte le altre informazioni necessarie ad una completa i dentificazione i parametri da monitorare le modalit di campionamento e di analisi dei rifiuti e dell eluato prescritte dalla normativa vigente la frequenza dei campionamenti l organigramma del personale che provvede alla gestione dell impianto con le rispettive UNZIONI le turnazioni del personale addetto il numero di ore di funzionamento ordinario delle singole apparecchiature le modalit di conduzione delle operazioni di avviamento e di arresto delle diverse unit ed app
283. via la cosiddetta via acetoclastica prevede la dismutazione anaerobica dell a cido acetico con formazione di metano e biossido di carbonio vedi figura 1 2 La maggior parte della produzione di metano avviene attraverso questo secondo meccanismo La figura 1 3 quantifica percentualmente la distribuzione nei diversi cammini metabolici coinvolti nel processo di digestione Con la loro attivit i due ceppi di batteri metanigeni svolgono due importanti funzioni nell am bito della catena trofica anaerobica da un lato degradano l acido acetico e quello formico a CH eliminando gli acidi dal mezzo ed impedendo quindi l inibizione dei fenomeni di degra dazione di substrati organici per eccesso di acidit e dall altra mantengono la concentrazione di H a bassi livelli cos da consentire la conversione degli acidi grassi a catena lunga e degli alcoli ad acetato ed Infatti se la via idrogenotrofa rallentata si osserva un accumulo di nel mezzo che inibisce la produzione del metano mentre la via acetoclastica pu subire feno meni di inibizione da substrato in presenza di elevate concentrazioni di acido acetico hk ra IT Pia ou Y ku E i i F Aes n dr T e is e etas ss e IL PROCESSO DI DIGESTIONE ANAEROBICA ELEMENTI DI BASE Sosranzn organica complessi Acido LIL Viros Arcginpenest i i fermeniazione Figura 1 3 S
284. x m pi m N Pg d mE pee hl LES m I e n EL y Poem a s bk m L mz i T TH E n hu aci d T pill E a Bd with liquid recirculation Effect on gas production VFA concentration and acetate metabolism In Proc Int Symp on Anaerobic Digestion of Solid Wastes Venice 14 17 April 1992 pp 431 435 Palmowsky e Muller 1999 Influence of the size reduction of the organic solid wastes on their anaerobic digestion In Proc II Int Symp on Anaerobic Digestion of Solid Wastes Barcelona 15 17 June 1999 pp 137 144 Pauss A Nyns E J Naveau H 1984 Production of methane by anaerobic digestion of domestic refuse In Proc E E C Conference on Anaerobic and Carbohydrate Hydrolysis of Waste 8 10 maggio Luxembourg Pavan P 1989 Digestione anaerobica della frazione organica dei RSU tesi di laurea Pavan P Battisti P Mata Alvarez J Cecchi F 2000a Performance of thermophilic semi dry anaerobic digestion process changing the feed biodegradability Wat Sci Tech 41 3 pp 79 92 Pavan P Battistoni P Cecchi F Mata Alvarez J 2000 Two phase anaerobic digestion of source sorted OFMSW organic fraction of municipal solid waste performance and kinetic study Wat Sci Tech 41 3 111 118 Pavan P Battistoni P Mata Alvarez J Cecchi F 2000 Performance of thermophilic semi dry anaerobic digestion process changing the feed biodegrada
285. zione del sistema di gestione dei rifiuti finalizzata alla definizione del sistema di raccolta da adottare nel bacino e delle strutture che dovranno essere realizzate per far fronte ai fabbisogni impiantistici di trattamento e smaltimento 4 2 2 Dimensioni del bacino La ricerca delle informazioni necessarie alla pianificazione deve essere estesa ad un territorio di dimensioni adeguate La normativa nazionale D Lgs 22 97 ha introdotto l Ambito Territo riale Ottimale ATO come bacino preferenziale in cui attuare la gestione integrata dei rifiuti a livello locale in quanto caratterizzato da dimensioni tali da consentire il conseguimento delle e conomie di scala necessarie per una elevata produttivit del servizio Gli ATO vengono fatti coincidere di regola con il territorio provinciale loro confini vengono definiti dalle Regioni in modo tale che all interno del singolo ambito sia realizzata l autosuffi cienza nello smaltimento dei rifiuti urbani Tuttavia in funzione sia del particolare assetto terri toriale sia della struttura urbanistica e viaria esistente sia ancora della eventuale preesistenza di impianti di trattamento o smaltimento dei rifiuti nonch sulla base di considerazioni di natura economica gli ATO possono differire dai confini provinciali Di conseguenza possono esiste re situazioni in cui risulti tecnicamente ed economicamente conveniente accorpare i territori di pi province per la costituzione di un ATO o di contro
286. zione di temperatura all interno di un certo intervallo e quindi per una data po polazione determina una variazione nelle velocit di reazione Cecchi et al 1991 1993 l espressione per quantificare l effetto delle variazioni di temperatura su di una cinetica di rea IL PROCESSO DI DIGESTIONE ANAEROBICA ELEMENTI DI BASE zione derivata dall equazione di Arrhenius ed esprimibile nella forma dove V la velocit di reazione ad una certa temperatura T Vo la velocit di reazione alla temperatura di riferimento coefficiente sperimentale che nelle usuali intervalli di temperatura di zio dei digestori pu essere assunto costante presero ili rozza ali Velocit specifica di crescita U u Temperatura Figura 1 5 Influenza della temperatura sulla cinetica biologica Genon 1993 1 3 2 Coefficienti cinetici per le diverse fasi dei processi di digestione anaerobica coefficienti cinetici delle diverse fasi del processo di digestione anaerobica vengono frequen temente riportati in letteratura con riferimento a colture pure di microrganismi in presenza di sin goli substrati pertanto la loro significativit dal punto di vista applicativo risulta limitata nel ca so in cui si operi la digestione anaerobica di substrati organici complessi attraverso l uso di biomasse batteriche autonomamente insediatesi nel reattore di digestione In ogni caso in
287. zo L interazione del biossido di carbonio con la fase liquida e la conseguente formazione del sistema tampone determinato dalla contemporanea presenza di acido carbonico ed ammonio prende il nome di sistema calco acetico Si in generale la formazione di NH HCO CO H 0 HCO H NH NH HCO La presenza di questo sale disciolto in soluzione porta ad una elevata alcalinit del mezzo con conseguente controllo del processo anche nel caso di un accumulo di acidi grassi volatili 23 24 Acidi grassi volatili Gli acidi grassi volatili vengono rappresentati dalla formula generale R COOH Dove R un gruppo alchilico del tipo CH3 CH In generale i batteri idrolitici ed acidificanti producono nel corso del processo di digestione a naerobica acidi grassi volatili in cui R contiene tra O e 3 atomi di carbonio acidi grassi a ca tena corta Il livello di concentrazione degli acidi volatili generalmente espresso in termini di acido aceti co o di COD dipende dal tipo di substrato trattato e varia da circa 200 fino a 2000 mgAc l Di norma non la concentrazione assoluta ad essere assunta come parametro di stabilit ma piuttosto la variazione di concentrazione variazioni repentine con incremento della concen trazione indicano che il processo sta scivolando verso processi acidogenici piuttosto che meta nigenici In generale si potr osservare che un incremento degli acidi volatili conseguente

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