Tecnologie di digestione anaerobica per la valorizzazione energetica rifiuti organici: stato dell’arte e prospettive future

2. Tecnologie di digestione anaerobica (D.A) della
frazione organica dei rifiuti solidi urbani (F.O.R.S.U)
Antonio Giuliano, Roberto Farina
UTVALAMB – Unità tecnica Modelli, Metodi e Tecnologie per le Valutazioni ambientali
Laboratorio di gestione e protezione della risorsa idrica
antonio.giuliano@enea.it
www.tecnopolo.enea.it
Economia circolare: recuperare risorse e creare lavoro
TAVOLO 4 – FRAZIONE ORGANICA: BIOGAS E BIOMETANO, UN’OPPORTUNITA’ PER GENOVA E LA LIGURIA
Comune di Genova, Palazzo Tursi / Salone di Rappresentanza, via Garibaldi 9

3. • Perchè la digestione anaerobica nel ciclo di trattamento della F.O.R.S.U
• Caratteristiche della F.O.R.S.U per la produzione di biogas/biometano
• Tecnologie di pretrattamento della F.O.R.S.U
• Tecnologie di DA per la produzione di biogas/biometano
CONTENUTI DELLA PRESENTAZIONE

4. Digestione
Anaerobica
PERCHE’ TRATTARE ANAEROBICAMENTE LA FORSU
Vantaggi Ambientali
Riduzione dei volumi da inviare in discarica (EU WFD 2008/98/EC)
Microgenerazione distribuita
di energia elettrica e termica
Vettore energetico per
autotrazione/uso domestico
Fertilizzante di
alta qualità

5. STRATEGIE DI RACCOLTA DELLA F.O.R.S.U
Porta a porta spinta
Centralizzata da strada
Porta a porta per aree residenziali
La FORSU è substrato altamente eterogeneo le cui caratteristiche dipendono
dalla strategia di raccolta adottata
Questa diversità si riflette necessariamente SIA
sui pretrattamenti (selezione), SIA sui
trattamenti a valle (digestione anaerobica e post
compostaggio) a cui sottoporre la matrice

6. CARATTERISTICHE DELL’UMIDO PROVENIENTE DIVERSE STRATEGIE
DI RACCOLTA DELLA FORSU
Reference TS, % TVS, %TS N, %TS P, %TS COD/TVS
MS-OFMSW Mata-Alvarez et al., 2002 51-95 29-57 1.2-3.4 0.05-0.22 0.8-1.6
Bolzonella et al., 2006 48-72 35-91 - - -
SS-OFMSW
Sans et al., 1995 16 90 2.1 2.6 1.0
Cecchi et al., 1989 20 88 3.2 0.4 1.0
CITEC, 2000 17-25 70-90 - - -
Groppelli et al., 1999 9-26 85-94 - - -
Jokela and Rintala, 1999 31 23 - - -
Madokoro et al., 1999 12-24 91-92 2.7-3.3 0.3-0.4 0.9-1.1
SC-OFMSW
CITEC, 2000 7-15 80-90 1.5-3 1-3 -
Kubler et al., 1999 29 63 2.2-3.4 0.4-0.6 -
De Baere, 2000 31 70 - - -
Macé et al., 1999 13 83 - - -
Pavan et al., 2000 5-13 78-92 1.4-3.3 1.3-3.3 0.7-1.5
Reference Gas production
Substrate
MS-OFMSW SC-OFMSW SS-OFMSW
Cecchi et al., 1989 B0, m3
CH4/kgTVS 0.16 - -
De Baere and Verstraete, 1984 B0, m3
CH4/kgTVS 0.32 - -
Edelmann et al., 1999
Edelmann et al., 1999
B0, m3
CH4/kgTVS - 0.42 -
G0*, m3
/KgTVS - 0.65 -
Groppelli et al., 1999 G0*, m3
/KgTVS - - 0.56-0.68
Madokoro et al., 1999
Madokoro et al., 1999
B0, m3
CH4/kgTVS - - 0.39
G0*, m3
/KgTVS - - 0.64
Mata-Alvarez et al., 1992
Mata-Alvarez et al., 1992
B0, m3
CH4/kgTVS 0.16-0.37 0.45-0.49 0.37-0.40
G0*, m3
/KgTVS 0.29-0.66 0.81-0.89 0.67-0.72
Mata-Alvarez and Cecchi, 1989 B0, m3
CH4/kgTVS - 0.45 -
Mace et al., 2003 B0, m3
CH4/kgTVS 0.30-0.33
Pauss et al., 1984 B0, m3
CH4/kgTVS 0.40 - -
Roux and Wakerley, 1978 B0, m3
CH4/kgTVS 0.38 - -
Valorga, 1985 B0, m3
CH4/kgTVS 0.30 - -
*: B0= ultimate bio-methane production; G0= ultimate total biogas production
La strategie di raccolta
influenzano principalmente il
contenuto di sostanza secca
organica rispetto a quella totale
Maggiori rese energetiche
per I flussi provenientei da raccolta
Separata (SC) e raccolta alla fonte (SS)

7. TECNOLOGIE DI PRETRATTAMENTO DELLA FORSU:
CONSIDERAZIONI GENERALI
Necessità :
• rimuovere gli inerti (plastica, vetro, ferro…)
• ridurre la pezzatura
• omogeneizzare
Criticità :
• dispersione di inerti nei comparti a valle per sistemi energivori adatti per SM-FORSU
• scarsa efficenza di separazione della componente biodegradabile per sistemi a basso
consumo energetico (SS/SC FORSU)
Separazione Omogenizzazione
OPERAZIONI UNITARIE COMUNI DELLA FILIERA DI PRETRATTAMENTO
Dilacerazione e riduzione

8. TECNOLOGIE DI PRETRATTAMENTO DELLA FORSU: DILACERAZIONE
Alcune caratteristiche comuni
• lame di grosso spessore (es. 40-50 mm)
• uno o più alberi orizzontali a distanza variabile
• velocità di rotazione varia da 10 a 50 giri/min
• sistemi automatici di anticeppamento.
MULINI AD ALBERI LENTI
Consentono una frantumazione non spinta del
rifiuto. La scelta della tipologia si basa
solitamente sulla portata oraria del rifiuto da
trattaree pezzatura finale del prodotto da
ottenere. Oltre a queste caratteristiche sono
da considerare i prezzi di acquisto ed i costi di
gestione specie in termini di consumo elettrico.

9. TECNOLOGIE DI PRETRATTAMENTO DELLA FORSU
SEPARATORI PER METALLI A NASTRO E A TAMBURO
METALLI FERROSI METALLI NON FERROSI
(alluminio, rame, acciaio inox etc..)

10. TECNOLOGIE DI PRETRATTAMENTO DELLA FORSU
SEPARAZIONE DI PLASTICHE E INERTI
Basati su proprietà fisiche: dimensionali e gravimetriche
SEPARATORI BALISTICI
CLASSIFICATORI AD ARIA
CLASSIFICATORI A LETTO FLUIDO
ENERGIVORI
VAGLI A TAMBURO ROTANTE
VIBROVAGLI (poco diffusi per SS/SC FORSU)
VAGLI A DISCHI
BASSO CONSUMO ENERGETICO
SOTTOVAGLIO
Omogenizzazione  digestione
SOPRAVVAGLIO
Incenerimento/Discarica
Vaglio a tamburo rotante
La distribuzione dipende dal processo
e dalla tecnologia adottata

11. TECNOLOGIE DI PRETRATTAMENTO DELLA FORSU:OMOGENIZZAZIONE
Idropolpatori (wet e semidry)
Vantaggi: SM/SC/SS FORSU
Svantaggi: Energivori- dispersione inerti
Presse a vite (wet e semidry)
Vantaggi: bassi consumi energetici
Svantaggi: scarti con tanto biowaste
Presse ad estrusione (wet)
Vantaggi: bassi consumi energetici
Svantaggi: scarti con tanto biowaste
Miscelatori a coclea/pressa (dry e semidry)
Vantaggi: SM/SC/SS FORSU
Svantaggi: Energivori- dispersione inerti

12. TECNOLOGIE DI PRETRATTAMENTO DELLA FORSU: WET SELECTION
• Ulteriore separazione gravimetrica (flottanti e fondami)
• Consumi specifici ridotti
• Basso contenuto di sabbie nel flusso uscente
• Alta porzione di materiale biodegradabile nei flussi di scarto
Sistema Treviso (Cecchi et al.,)

13. TECNOLOGIE DI DIGESTIONE ANAEROBICA:
PRINCIPI DI CLASSIFICAZIONE
TENORE DI SOLIDI TOTALI (ST)
Umido (5-10% ST)
Semi-secco (10-20% ST)
Secco (> 20% ST)
MODALITA’ DI FUNZIONAMENTO
Continuo: miscelazione completa
(CSTR) o flusso a pistone (plug-flow);
Discontinuo (batch)
REGIME TERMICO
Mesofili (37-38°C)
Termofili (52-55°C)
FASI DI PROCESSO:
Monofase
Doppia fase

14. TECNOLOGIE DI «DA» PROCESSO DRY IN CONTINUO
A. Dranco: alimentazione dall’alto; pistone verticale.
B. Kompogass: alimentazione orizzontale; pistone orizzontale
C. Valorga: alimentazione circolare; pistone circolare; ricircolo biogas
 Nascono per trattare SM-FORSU.
 Linee di pretrattamento (semplificate: SM vagli; SS trituratori) ad alte potenze installate.
 Sistemi di pompaggio per materiali altamente viscosi
 Recupero di gran parte della sostanza organica
 Alti costi di investimento e di gestione;
 Flussi solidi finali quasi esclusivamente in discarica

15. TECNOLOGIE DI «DA» PROCESSO DRY MODALITA’ BATCH
Monostadio Doppio-stadio AIKAN ®
• Trattamento percolato in CSTR
• Ricircolo percolato e biomassa stabilizzata per inoculo
• DA (3 settimane) – Compostaggio (4settimane)

16. TECNOLOGIE DI DIGESTIONE ANAEROBICA PROCESSI WET (5-10% TS)
IN REATTORI A MISCELAZIONE COMPLETA (CSTR)
METHANIZATION
DEWATERING
PULPING
Inocula-
tion loop
Heavies
Recycle process water
OF-MSW
Heat
Fresh
water
Pre-
chamber
Floating scum
Biogas
Composting
Water treatment
10-15 % TS
Acqua
di rete
Calore
Rifiuto
organico
OMOGENIZZAZIONE
REATTORE DI
DIGESTIONE ANAEROBICA
Inerti
Ispessimento
Schiume
Ricircolo
inoculo
Camera di
pre-digestione
Trattamento acque
Compostaggio
Ricircolo acqua di processo
10% TS
Disidratazione
• La diluizione può essere effettuata con acqua/ricircolo/fanghi di supero
• Processo efficiente ma alti costi di investimento e di manutenzione delle componenti
elettromeccaniche (100-200m3
biogas/ton rif.tratt.; abbattimenti ~50-60% in TVS)
• Carico organico ~2 kgTVS/m3rd  6 in sistemi a doppia fase; HRT ~ 30d
Svantaggio se non in WWTP

17. TECNOLOGIE DI DIGESTIONE ANAEROBICA PROCESSI WET (5-10% TS)
DIFFERENTI APPROCCI CON CSTR
PressaFORSU
(porta a
porta)
Separato solido pressato
Al compostaggio
Pretrattamenti
Scarti
DA
(wet)
Biogas Solido
(al compostaggio)
Liquido
(alla linea acque)
FORSU
(porta a porta)
Scarti
Pretrattamenti
Scarti
DA (wet)
Biogas Solido
(al compostaggio)
Liquido (alla linea acque)
Selezio
ne ad
umido
Idrolisi
i) Recupero di massa
ii) Recupero energetico

18. TECNOLOGIE DI DIGESTIONE ANAEROBICA
PRODUZIONE COMBINATA DI IDROGENO-METANO
Giuliano et al., (2014)
• Lievi modifiche nei motori a combustione interna
• Aumento della velocità di propagazione del fronte di fiamma
• Aumento efficienza dei motori a combustione interna
• Riduzione emissioni (CO, NOx, CO2 , HC)
• Possibilità di produre anche rbCOD a supporto della denitrificazione nella linea acque
Rese del processo
SGP= 0.65m3/kgTVS
GPR= 2.59 m3/m3d
Composizione media
8% H2 53% CH4 38% CO2
Porpatham et al. (2007)

19. CONCLUSIONI
• La strategie di raccolta differenziata influenzano notevolemte i
costi di investimento e di gestione dell’intera filiera di
valorizzazione energetica dei rifiuti
• In ottica di ottimizzazione la scelta di tecnologie di
pretrattamento “energy consuming” per flussi “puliti” della
FORSU non è adeguata
• Il processo “wet” preceduto da una filiera di pretrattamento a
bassa potenza installata è sostenibile per il trattamento della
FORSU proveniente da raccolta differenziata

20. GRAZIE PER L’ ATTENZIONE
AGENZIA NAZIONALE PER LE NUOVE TECNOLOGIE
L’ ENERGIA E LO SVILUPPO ECONOMICO SOSTENIBILE
Antonio Giuliano PhD
ENEA-UTVALAMB
Laboratorio di gestione e protezione della risorsa idrica
Via Martiri di Monte Sole 4 Bologna (BO)
antonio.giuliano@enea.it
+39 051 6098458

21. CONFRONTO TRA DIVERSI SISTEMI DI TRATTAMENTO
7,0
5,7
87,3
13,4
7,8
78,8
11,1
10,4
78,6
16,9
8,7
74,4
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
COARSE MIDDLE FINE
Inert(%)
PLANT 1 PLANT 2
PLANT 3 PLANT 4
Sistema ad alto
consumo specifico
Facility Pre-treatment technology description
Main waste
collection source
Energy
consumption
Plant 1 Manual sorting + shredder + sieve + wet pulper Single family bins High
Plant 2 Bag opener + metal separator + extrusion press Single family bins Low
Plant 3 Bag opener + metal separator + rotating trommel screen + shredder + Wet selector Multi family bins Low
Plant 4 Hammer mill coupled with fixed trommel screen + wet selector Single family bins Low
Giuliano et al., 2011