Sviluppo di un processo integrato per il recupero energetico e di composti valorizzabili da residui organici

Abstract

La ricerca di nuove fonti energetiche e la crescente consapevolezza sulla salvaguardia ambientale rappresentano i punti cardine per lo sviluppo di un’economia sostenibile a livello globale. In quest’ottica, l’attenzione della comunità scientifica è sempre più rivolta alla definizione di vere e proprie bioraffinerie finalizzate alla conversione degli scarti organici in biocarburanti e in sottoprodotti ad alto valore aggiunto. In tal senso, il presente lavoro di tesi ha avuto come obiettivo lo sviluppo un innovativo processo integrato attraverso il quale, da una data biomassa di scarto, si possano generare biocombustibili e fertilizzanti a lento rilascio Nello specifico, il trattamento integrato oggetto del presente studio ha previsto un primo processo di digestione anaerobica, a valle della quale si è previsto un processo di gassificazione idrotermica in condizioni supercritiche per l’upgrading del digestato ed un ultimo trattamento di recupero di composti nutrienti dalla frazione liquida in uscita dalla gassificazione. Lo studio della digestione anaerobica è stato indirizzato alla produzione di biogas ad alto contenuto di metano. Con la gassificazione idrotermica in condizioni supercritiche, si è inteso sfruttare il digestato in uscita dalla digestione per la produzione di syngas. Infine, mediante il processo di precipitazione della struvite, si è inteso produrre, dalla fase liquida residua della gassificazione, un fertilizzante a lento rilascio a base di fosforo, potassio e magnesio. Nello specifico, le sperimentazioni sono state suddivise in due fasi tra di loro interconnesse. In particolare nella prima fase (FASE-1) si è condotto uno studio sulla digestione anaerobica sia in modalità batch che modalità semicontinua. I test in batch sono stati condotti su biomasse residuali agroindustriali e FORSU. Per quanto riguarda le prime, si è evidenziata la necessità di miscelare efficacemente le diverse biomasse da avviare a co-digestione in modo da creare Mix idonei al processo in grado di ottenere rese di produzione soddisfacenti. In particolare, dei due Mix avviati a digestione, quello caratterizzato da un elevato valore iniziale del rapporto iniziale di VFA/Alcalinità ha avuto performance di produzione di biogas inferiori. L’altro, invece, con caratteristiche maggiormente equilibrate, ha fatto registrare ottime produzioni di biogas con una resa specifica pari a 0.44 Lbiogas/gCODrimosso e percentuali di CH4 del 74%. Mentre, dai test condotti con la FORSU, è emersa la necessità di effettuare un innovativo pretrattamento ossidativo tale da migliorare alcune caratteristiche intrinseche della matrice, in modo da favorire migliori rese di produzione di biogas. Il processo ha, infatti, permesso il miglioramento della biodegradabilità della matrice non riducendo eccessivamente il carico organico di partenza e favorendo al contempo l’incremento degli acidi grassi volatili. I test in semicontinuo sono stati condotti in tre RUN di sperimentazioni successivi utilizzando un impianto completamente miscelato (CSTR), interamente progettato e costruito in laboratorio. Dalle attività sperimentali condotte nel RUN-1, finalizzate allo studio del processo di digestione anaerobica al variare dei principali parametri operativi, è emerso che le migliori performance di processo possono essere raggiunte alimentando il reattore con un carico organico volumetrico di 24.5 kgCOD/m3d, con rese specifiche in CH4 di circa 0.36 NLCH4/gCODrimosso e percentuali di produzione in metano superiori al 70%. Nei test condotti nel RUN-2, il monitoraggio in continuo delle produzioni di biogas ha consentito di individuare le velocità di produzione e, conseguentemente, le velocità di consumo del substrato. Dall’analisi di quest’ultime curve, è emerso che per bassi carichi organici applicati non si raggiungono le condizioni di saturazione, mentre, alimentando il reattore con un carico organico volumetrico di 16 e 20 kgCOD/m3d, le velocità di rimozione si attestano a valori di circa 1.2 e 1.4 gCOD/Lh, rispettivamente. Successivamente, note le curve sperimentali di rimozione del substrato al variare del carico volumetrico applicato è stato possibile modellare matematicamente il processo anaerobico secondo i modelli di Monod e di Haldane, definendone i parametri cinetici. In particolare, le modellazioni effettuate secondo il modello di Monod, hanno mostrato un buon fitting dei dati sperimentali considerando i carichi organici volumetrici fino a 16 kgCOD/m3d, con valori dei parametri cinetici di μm variabili da 0.5768 gCOD./Lh, per il carico organico di 4 kgCOD/m3d, fino al valore di 1.773 gCOD./Lh, per il carico organico volumetrico di 16 kgCOD/m3d. Le modellazioni effettuate considerando il modello di Haldane hanno evidenziato un fitting dei dati sperimentali migliorato principalmente per quanto riguarda i carichi organici volumetrici di 20 e 30 kgCOD/m3d. Infine, i risultati del RUN-3 hanno dimostrato come la produzione di biogas si riduce all’aumentare della pressione di esercizio del reattore. Tuttavia, l’incremento di pressione ha determinato la produzione di un biogas con un più elevato tenore in CH4 rispetto al normale processo condotto a pressione atmosferica. In particolare, si sono registrate produzioni di CH4 comprese tra il 72 ed il 76%. Nella seconda fase (FASE-2) delle sperimentazioni sono stati condotti i test relativi alle altre due tecnologie che costituiscono il sistema integrato proposto: la gassificazione supercritica idrotermica ed il recupero dei nutrienti. I risultati ottenuti dalla gassificazione idrotermica dei digestati hanno dimostrato l’effettiva applicabilità del processo. Inoltre, le rese di gassificazione si sono rivelate migliori nei digestati caratterizzati da un carico organico maggiore con rese in gas nell’ordine di 1.8 molsyngas/kgTS. Infine, i test di precipitazione condotti sulle frazioni liquide in uscita dalla gassificazione idrotermica supercritica hanno dimostrato la possibilità di recuperare efficacemente il fosforo disciolto. Le migliori condizioni di processo sono state identificate con un valore di pH=10 e con un rapporto molare Mg/P pari a 1. In tali condizioni, le rese di recupero del fosforo sono risultate superiori al 90%. Dai risultati ottenuti, dunque, possiamo affermare che il sistema integrato proposto costituisce un valido processo tecnologico per il recupero sostenibile di materia e di energia.