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Capitolo 2 - ResearchGate

1. 3 2 1 Ricezione delle materie prime L approvvigionamento dei prodotti sia in termini di quantit che di qualit una fase fondamentale per garantire il buon funzionamento di un impianto di biogas la stabilit e la continuit produttiva In linea generale se il gestore dell impianto di biogas al tempo stesso anche il produttore delle ma terie molto pi probabile che possa essere maggiormente garantita la loro buona qualit In molti casi tuttavia l impianto di biogas utilizza anche matrici extra aziendali co substrati prodotte da aziende agricole confinanti da industrie ecc In questi casi necessaria una attenta gestione della qualit delle materie prime ritirate tramite la verifica e la registrazione alla consegna fornitore dati quantit tipo di substrato processi di origine e qualit Un attenzione particolare necessaria per le materie prime classificate come rifiuti per i quali necessario adempiere agli obblighi della normati va diversi a seconda della categoria di rifiuti 27 Bovini da latte e biogas CRPA spa In termini di qualit gli elementi principali che il gestore deve tenere in considerazione sono i se guenti e contenuto di sostanza secca il quantitativo di acqua caricato con la sostanza secca modifica proporzionalmente il tempo di ritenzione idraulica degli altri co prodotti Ci significa che la scelta di un prodotto deve tenere conto non solo degli aspetti economici conne
2. L efficienza di separazione dell azoto risulta ancora pi penalizzata di quella dei solidi per il processo di mineralizzazione dell azoto organico ad ammoniacale con aumento quindi della quota di azoto solubile a scapito di quella sospesa Il fenomeno risultato pi chiaro nel caso del liquame suinicolo in cui l efficienza di separazione dei solidi si ridotta dal 74 al 61 mentre l efficienza di separazione dell azoto totale passata dal 50 al 28 Nel caso del liquame bovino invece il fenomeno meno accentuato grazie alla presenza di maggiori quantit di frazioni fibrose che in digestione anaerobica vengono degradate con una mino re intensit e in fase di separazione solido liquido permettono di mantenere pi elevata l efficienza in questo caso l efficienza di separazione dei solidi totali rimasta quasi invariata tra il 75 e il 77 mentre l efficienza di separazione dell azoto totale si ridotta dal 56 al 48 Di conseguenza la quantit di azoto ammoniacale presente nella frazione chiarificata del liquame suino digerito risul tata maggiore del 36 rispetto a quella del chiarificato da liquame tal quale non digerito e separato con la stessa tecnica Nel caso del liquame bovino tale differenza risultata pari al 43 La Figura 12 mette in correlazione l efficienza di separazione dell azoto totale nelle diverse matrici con un parametro di sintesi che tiene in considerazione sia il contenuto di azoto totale che di solidi t
3. RegioneEmilia Romagna Bovini da latte Linee guida per la costruzioni e la gestione di impianti Bovini da latte e biogas CRPA spa Autori Claudio Fabbri Sergio Piccinini CRPA spa Editing Magda C Schiff Copertina e revisione grafica Giuseppe Fattori Editore Centro Ricerche Produzioni Animali C R P A S p A Corso Garibaldi 42 42100 Reggio Emilia Il lavoro stato realizzato da CRPA nell ambito dell incarico ricevuto dalla Direzione Agricoltura della Regione Emilia Romagna per la conduzione di Attivit di informazione e documentazione sulle op portunit e sulle tecniche da utilizzare nel settore agro energetico CIG E45J10000060001 Un ringraziamento a C I C A di Bologna Consorzio Interprovinciale di Cooperative Agricole attivo nell assistenza tecnica per la sua collaborazione nella conduzione del progetto Reggio Emilia ottobre 2012 Bovini da latte e biogas CRPA spa Indice CAPITOLO 1 QUADRO GENERALE sseeccccecccccccccccccecoccocccoccccccocccccccosecccccceccccosesecceecee 8 1 1 Il biogas come risorsa energetica per raggiungere gli obiettivi del PAN ssssssssssssesss0 1 2 Cosa fare per produrre biogas CAPITOLO 2 IL BIOGAS NELLA STALLA BOVINA DA LATTE sseesscccccsccceccecccceseccesee LI 2 1 Organizzazione della stalla bovina e gestione effluenti sessosssosesocsoosesossssossosesosossssss 11 2 2 Tecniche di stabulazione e rimozione
4. del digestore produzione e composizione del biogas la produzione complessiva e la composizione della mi scela gassosa prodotti in un digestore anaerobico costituiscono un indice della stabilit del pro cesso se si mantengono costanti In particolare una bassa concentrazione di acidi organici volatili e una elevata produzione di biogas con CO intorno al 30 45 indicano che si sta operando in condizioni ottimali Un aumento nel tempo della concentrazione di CO al contrario unita ad un aumento della concentrazione di acidi volatili pu indicare uno sbilanciamento del processo a sfavore della componente metanigena temperatura i diversi microrganismi coinvolti nel processo di digestione anaerobica operano in intervalli specifici di temperatura e le variazioni di tale parametro possono risultare determinanti per l evoluzione dei vari meccanismi di reazione 3 4 Substrati avviabili alla digestione anaerobica In una azienda zootecnica i substrati organici avviabili a digestione anaerobica sono di varia tipolo gia liquame suino il contenuto di sostanza secca di questo effluente zootecnico varia dall 1 al 6 a seconda della tipologia di allevamento di origine Il volume come del resto le caratteristiche del le deiezioni prodotte dipende da un insieme di fattori quali lo stadio di crescita dell animale e il regime alimentare Il rapporto acqua mangime uno dei fattori pi importanti a sua volta lega to alla composizione del
5. il consumo di gasolio diviene molto elevato e pu raggiungere anche per centuali del 15 della miscela gassosa motori a gas invece a fronte di maggiori costi di investi mento sono in grado di raggiungere facilmente efficienze superiori al 34 oltre a garantire media mente una vita utile pi lunga Un alternativa ai sistemi appena descritti costituita dalle turbine a gas compatte utilizzate sinora solo in pochi impianti in cui generatore compressore e turbina sono montati sullo stesso albero Operando con pochi elementi in movimento non richiedono lubrificanti o acqua di raffreddamento e generano bassa emissione di agenti inquinanti Anche se l efficienza elettrica inferiore rispetto agli altri sistemi 25 28 l alta temperatura del gas esausto 250 280 C consente diverse forme di utilizzo del calore Disponibili in commercio con potenze elettriche in genere comprese tra 30 e 100 kW il loro utilizzo diventa quindi economicamente favorevole soprattutto per quelle aziende che possono sfruttare pienamente la risorsa calore durante l intero anno L ultima e pi recente alternati va ai convenzionali sistemi di cogenerazione costituita dalle celle a combustibile fuel cells rese in teressanti in particolare dalla alta efficienza elettrica 40 60 e dalla possibilit di ottenere calore a diversi livelli di temperatura a seconda del tipo di cella utilizzata Il biogas infine dopo essere stato purificato a metano al 95 99
6. m Operativi 2004 2005 2006 E In costruzione 2007 2008 2009 2010 2011 Fonte CRPA Bovini da latte e biogas CRPA spa Figura 2 Andamento della potenza elettrica installata di impianti di biogas del settore agro zootecnico nell ultimo decennio 400 7 3 3532330223 pessstssttrcsrianessostotecntantenancta sere nenizczianenta a 349 La SICU e e IE i E JOO qeoeenni zen ee eee einen ie eee aaa iene ii ae iaia ene ea zena neo na nane ez iena nee nen zazenzone amp 250 memmen E N 150 1 2 Z ZZ Z ZZZzziz iz x N 995 100 a 548 Stra ae a ga 6e 0gp E E Eo O T__ r m E me T _ T m T T T T T Ante 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 201 2000 m Operativi In costruzione Fonte CRPA Tabella 2 Numero di impianti agro zootecnici per potenza elettrica installata i Impianti per classi di dimensione di potenza elettrica installata Incremento Classe di potenza 2011 2010 elettrica installata Aprile 2007 Marzo 2010 Maggio 2011 o kWe n n n lt 100 44 28 6 49 17 9 54 10 4 10 2 101 500 28 18 2 61 22 3 105 20 2 72 1 501 1 000 19 12 3 100 36 6 289 55 5 189 0 gt 1 000 14 9 1 19 7 0 24 4 6 26 3 Biogas in caldaia 8 5 2 10 3 7 11 2 1 10 0 Dato non disponibile 41 26 6 34 12 5 38 73 Totale 154 100 0 273 100 0 521 100 0 90 8 Fonte CRPA Bovini da latte e biogas
7. 4 1 Gestione della stalla 1 scssscsscescsicicasnicazinizzonacann anna iinaninicnnniniiinbani neri irinntiniiicietivzazinine 40 4 1 1 Fr schezza GUANCIA Rai 40 4 1 2 Gestione dei materiali da lettiera rrricree eric rerericicierece venier ve ricierici vecio ice ceceni 41 4 1 3 Gestione delle acque di DIOCESSO siii 41 E E RA DELI 43 4 2 Gestione del digestore anaerobico sssesssessesssosssosesoossoosssoosoossoosssoessoossoossoosssosssoosoossssoo 43 4 2 J AVviamento dell IMPpianio isasaicnaiicniaiaiaiani aaa 43 4 2 2 Controllocarico e temperate salata 44 4 2 3 Miscelazione e controllo flottazioni stratifiCaZioni msscrerrrrrcererieeiericeerienieiionioriernioneziooe 46 424 Lontrollo deso 0MAZ 0N6 snai 46 4 2 5 Formazione 000 47 42 6 Controllo analitico e punti di CaMmpionamento isiiiiunisncnanizicnaianiniainianina 48 42 7 Controllo del GINO ici 49 4 2 8 Principali problemi degli impianti di biogas a effluenti zootecnici sssssssssssssesssssssssseeererssss 49 Bovini da latte e biogas CRPA spa 42 9 Manutenzione degli IMDIANII iii 50 4 2 10 Parametri medi di FUNZIONAMENTO cre rierienicreeie rie rienie nici neeeere rici niienee 52 4 3 Il residuo della digestione anerobica il digestato srrrsrrrrrrrrrrersecececeseses esere neneenenene 52 4600000 53 4 3 2 Separazione SI ia 55 4 3 3 Utilizzo fertilizzante srl 58 4345 Digestohe anaerobica e Wiimiiii
8. CRPA spa Capitolo 1 Quadro generale 1 1 Il biogas come risorsa energetica per raggiungere gli obiettivi del PAN Il Piano d Azione Nazionale PAN per le energie rinnovabili dell Italia predisposto dal Governo a giu gno 2010 e approvato dalla Commissione Europea contiene le indicazioni per raggiungere gli ob biettivi presenti nella Direttiva 2009 28 CE e nella decisione della Commissione del 30 giugno 2009 In sostanza si tratta di un programma di attivit mirate a consentire uno sviluppo delle risorse rinno vabili per soddisfare gli obiettivi che l Italia al pari di tutte le altre nazioni europee si data per il 2020 Tali obiettivi prevedono di coprire almeno il 17 delle risorse energetiche nel loro complesso elettriche termiche e combustibili per autotrazione con fonti rinnovabili e di immettere nel sistema dei trasporti almeno il 10 di combustibili da fonte rinnovabile biocombustibili Il biogas in questo quadro una delle voci che permetteranno di conseguire il risultato finale A diffe renza per di altre filiere energetiche la filiera del biogas ha alcune peculiarit che la rendono parti colarmente interessante per il mondo agricolo e una filiera molto elastica che permette di sfruttare energeticamente una serie molto vasta di prodotti e sottoprodotti che altre filiere non riescono a sfruttare effluenti zootecnici sotto prodotti agro industriali umidi e variabili nel tempo sottoprodotti animali ecc
9. In presenza di riduzioni di produzione di biogas anche l im missione di ossigeno deve essere ridotta Accanto ai sistemi biologici peraltro non perfettamente funzionanti nelle fasi iniziali dell avviamento del digestore anaerobico il controllo dell idrogeno solforato pu essere fatto con cloruro ferrico Le dosi dipendono strettamente dal contenuto di zolfo nel materiale di partenza e possono essere con trollate empiricamente partendo da livelli bassi per poi crescere fino al raggiungimento delle soglie richieste In genere in impianti alimentati con soli effluenti bovini le dosi possono essere nell interval lo di 0 5 1 litri giorno m di liquame di soluzione al 20 Accanto a sistemi di trattamento nel reattore possono essere previsti anche sistemi di filtrazione con adsorbimento su carboni attivi o filtri a limatura di ferro o setacci molecolari La loro manutenzione e il loro controllo sono indispensabili per una costante e ottimale rimozione dell idrogeno solforato buona norma procedere alla valutazione analitica periodica almeno settimanale o quindicinale con sistemi automatici o con l utilizzo di fialette colorimetriche del contenuto di idrogeno solforato del biogas presso l utenza finale cogeneratore o caldaia con relativa registrazione del valore 4 2 5 Formazione e controllo schiume La formazione di schiume una causa frequente di malfunzionamento negli impianti di digestione anaerobica Le principali ragioni della f
10. Lettiera permanente 14 6 22 6 Lettiera inclinata 9 26 4 Rimonta e vitelloni 300 kg Fissa con lettiera 5 22 1 5 Pavimento fessurato 26 0 0 Cuccetta senza paglia 26 0 0 Groppa a groppa 16 11 0 75 Testa a testa 9 18 0 75 Lettiera permanente solo zona riposo 13 16 3 Lettiera su tutta superficie 4 26 4 5 Lettiera inclinata 4 26 2 5 Vitellone 350 kg Svezzamento su fessurato 26 0 0 Lettiera su tutta superficie 4 26 1 5 Lettiera inclinata 4 26 1 Vitelli 125 kg Svezzamento su lettiera 4 22 0 8 Svezzamento su fessurato 22 0 0 Lettiera inclinata 2 2 22 5 0 5 Gabbie e lavaggio a bassa pressione 91 0 0 Gabbie e lavaggio ad alta pressione 55 0 0 Gabbie e senza lavaggio 27 0 0 Sono esclusi e pertanto da aggiungere i volumi di acqua di processo e le acque meteoriche 20 Bovini da latte e biogas CRPA spa Figura 4 Schema di principio per la determinazione dei quantitativi di solidi volatili disponi bili per la produzione di biogas in un allevamento bovino A Dipendono da Pluviometria i 3 si tecniche di b AI rimozione 2 Quantificazione SV escreti f py Pascolo Acque di processo Acque meteoriche lavaggio sala attesa lavaggio im pianti Paglia Q Letame Liquame SVao solidi volatili disponibili Q quantit di liquame letame ST solidi totali nel liquame letame SV solidi volatili Figura 5 Disponibilit di solidi totali escreti dai capi bo
11. di con tenuto in metano da poter essere utilizzata in cogenerazione In termini empirici un protocollo che pu essere utilizzato per l avviamento potrebbe essere il seguente e prima settimana carico limitato a 2 volte e con quantit pari a circa il 20 30 del carico nomi nale con ricircolo interno del digestato al fine di consentire la miscelazione e l adattamento del consorzio batterico e seconda settimana carico giornaliero limitato al 20 30 del carico nominale e terza e quarta settimana settimana carico giornaliero con incrementi del 10 20 ogni 2 3 giorni Nella fase di avvio vanno tenuti sotto stretto controllo alcuni parametri di fondamentale importanza per l equilibrio microbiologico pH contenuto di solidi totali e volatili rapporto acidit totale su alca linit totale Un calo di pH al di sotto di 7 e un aumento di anidride carbonica nel gas superiore al 50 devono consigliare un arresto del carico in attesa di migliori prestazioni del sistema Una regola valida anche per la conduzione che di fronte ad un problema di processo basso pH alta acidit vo latile cattiva qualit del biogas utile fermare l alimentazione in attesa dell instaurarsi di condizioni migliori Se queste condizioni fossero troppo lente a ristabilirsi si pu rendere necessario un reinocu lo Se il pH fosse inferiore a 6 5 e l arresto del carico non permettesse di ristabilire condizioni di pH su periore a 7 si pu rendere necessario l u
12. globalmente durante la digestione mentre il rimanente 30 quello originatosi dalla riduzione del la CO da parte dei batteri idrogeno obbligati A causa della complessit della struttura delle proteine che costituiscono i diversi substrati da avviare a digestione evidente come il metabolismo di tali composti possa dare luogo oltre alla produzione di ammoniaca NH alla formazione di svariati pro dotti finali a seconda della struttura chimica e dei gruppi caratteristici degli amminoacidi compo nenti alcuni amminoacidi ad esempio quali cisteina o metionina contengono zolfo altri quali feni lalanina o tirosina gruppi aromatici possono prodursi HS fenoli ammine mercaptani CO Parti colare importanza per l andamento dell intero processo riveste tra gli intermedi prodotti a seguito della demolizione della sostanza organica proprio lo ione ammonio tale composto inorganico che si genera a seguito della protonazione dell ammoniaca infatti determinante per l andamento del l intero processo per la sua capacit di tamponare l acidit prodotta nei primi stadi della degradazio ne e per stabilizzare di conseguenza il pH dell ambiente di reazione evidente sotto questo aspetto come la determinazione analitica quantitativa di alcuni di tali composti e parametri intermedi vedi ad es gli acidi volatili o l alcalinit totale possa fornire indicazioni estremamente utili per compren dere l andamento globale della digestione
13. per un totale di circa 1 600 animali presenti in corso di approvazione un nuovo am pliamento che prevede la realizzazione di un ricovero per l allevamento di ulteriori 150 bovini in lat tazione che porter la mandria ad un totale di circa 1 800 capi Le tecniche di stabulazione adottate prevedono e capiinlattazione per il 70 circa dei capi cuccette testa a testa con corsie di alimentazio ne e smistamento pulite con raschiatore quotidianamente e per il 30 restante cuccette te sta a testa con 1 corsia di alimentazione e 1 corsia di smistamento su fessurato e capi in asciutta lettiera permanente e corsia di alimentazione pulita quotidianamente con raschiatore e manze cuccette con fessurato e fossa sottostante di stoccaggio o lettiera permanente con corsia di alimentazione pulita con raschiatore e manzette lettiera integrale 63 Bovini da latte e biogas CRPA spa Il consumo di paglia come lettime varia in funzione della stagione da 2 3 kg capo giorno per le tec niche di stabulazione in cuccetta a 6 8 kg capo giorno per le tecniche con lettiera Sono presenti due sale mungitura le cui acque di lavaggio in un caso vengono gestite separatamente dagli effluenti e nell altro invece vengono miscelate agli stessi Ci determina una differenza sostan ziale nelle caratteristiche degli effluenti Tabella 15 Complessivamente le quantit misurate di effluenti sono risultate pari a 110 115 t giorno nei m
14. upgrading pu anche essere uti lizzato per autotrazione e o immesso nella rete di distribuzione del metano tale uso del biogas non attualmente incentivato in Italia a differenza degli altri biocarburanti biodiesel e bioetanolo Molti dei sistemi di upgrading sinora sviluppati ad assorbimento con acqua o glicole polietilenico a setac ci molecolari a membrana e ad ammine hanno come scopo principale quello di rimuovere la CO mentre altri sono pi specifici e finalizzati alla rimozione di H2S idrocarburi alogenati o composti sili co organici 25 Bovini da latte e biogas CRPA spa 3 2 Componenti dell impianto di biogas Un impianto di biogas una complessa installazione di una variet di elementi la cui struttura dipen de in larga misura dalla quantit e qualit delle materie prime trattate Poich esistono diverse tipo logie di substrati che possono essere digeriti negli impianti di biogas ci sono di conseguenza varie tecnologie diversi tipi di costruzioni e sistemi di funzionamento per trattare le diverse materie prime Inoltre a seconda del tipo delle dimensioni e delle condizioni operative di ciascun impianto di bio gas esistono diverse tecnologie connesse per il trattamento lo stoccaggio e l utilizzo del biogas Gli stessi aspetti riguardano lo stoccaggio e l utilizzo del digestato Negli impianti di biogas il processo produttivo prevede 1 trasporto stoccaggio ed eventuale pre trattamento delle ma
15. 4 2 1 Avviamento dell impianto L avviamento di un impianto di digestione anaerobica una fase critica che deve essere condotta se guendo criteri precisi da una corretta fase di avviamento deriva un processo stabile ed efficiente da un avviamento mal condotto derivano problemi di stabilit che possono trascinarsi a lungo ed avere conseguenze economiche rilevanti L obbiettivo della fase di avviamento quello di permettere l in staurazione di una ricca comunit microbica anaerobica metanigena In genere i liquami bovini sono molto ricchi di flora anaerobica anche metanigena ma il tempo di av viamento naturale del processo piuttosto lungo tanto pi lungo quanto pi bassa la temperatu ra L avviamento fortemente favorito dalla inoculazione di digestato proveniente da impianti gi at 43 Bovini da latte e biogas CRPA spa tivi preferibilmente alimentati con substrati simili La quantit di inoculo non di facile definizione una condizione ottimale sarebbe quella di riempire il reattore con liquami a basso contenuto di pa glia con l aggiunta di almeno il 10 20 in volume di inoculo Pi inoculo si usa meglio e pi rapida mente si avvia l impianto Per la fase di avviamento possono essere utilizzate caldaie ausiliarie che consentono di accelerare il riscaldamento iniziale e che terminano la loro funzione quando la produ zione di biogas ha raggiunto una qualit sufficientemente buona in genere almeno il 45 50
16. P Gastaldo A Ferrari P 2004 Ricoveri attrezzature e impianti per l allevamento dei suini Edizioni L Informatore Agrario Verona e RossiP Betti S 1999 seconda edizione Stalle per vacche da latte Edizioni L Informatore Agra rio Verona e Vismara R Canziani R Malpei F Piccinini S 2011 Biogas da agrozootecnia e agroindustria Dario Flaccovio Editore srl 71
17. accade nei digestori veri e propri grazie soprattutto alla minore concentrazione di solidi totali per evitare la formazione della crosta superficiale 4 3 1 l azoto nel digestato Il digestato il frutto di una serie molto complessa di reazioni che seppur non variando in modo si gnificativo il quantitativo di azoto introdotto modifica la composizione delle forme azotate presenti 53 Bovini da latte e biogas CRPA spa nelle matrici di partenza Durante il processo parte delle forme di azoto organico vengono demolite per produrre biogas mentre il gruppo amminico viene liberato in soluzione sotto forma di azoto mi nerale ammoniacale L entit di queste reazioni dipende dal tipo di composto azotato e dall efficien za del processo di digestione anaerobica Le quote di azoto organico e di quello ammoniacale che si ritrovano nel digestato derivano anche dalla dieta utilizzata per alimentare il digestore con solo effluenti zootecnici ad esempio l azoto ca ricato nel digestore gi prevalentemente ammoniacale fino al 70 75 dell azoto totale in liquami suini mentre caricando colture dedicate o sottoprodotti agroalimentari l azoto prevalentemente organico Da ci consegue che nel digestato prodotto da soli effluenti la quota di azoto ammoniacale sar incrementata rispetto alla percentuale iniziale e potr arrivare fino all 80 85 dell azoto totale Nel caso invece del digestato da colture dedicate o miscele con
18. attentamente la quantit e la qualit degli effluenti zootecnici pro dotti nel proprio allevamento tenendo in debita considerazione non solo feci e urine prodotte ma anche e soprattutto i volumi di acqua derivanti dal lavaggio di ricoveri sala attesa e mungitura im pianti e delle acque meteoriche Si tenga presente a titolo di esempio che nell allevamento bovino da latte il volume di feci e urine pu essere pi che raddoppiato considerando anche questi apporti di acque 49 Bovini da latte e biogas CRPA spa Come incide questo fattore sul funzionamento del digestore Un digestore troppo piccolo pu dare luogo ai seguenti problemi e sovraccarico organico la flora batterica metanigena non riesce a utilizzare tutti i prodotti di demolizione dalla flora batterica idrolitica portando ad uno squilibrio del rapporto fra acidit e alcalinit con conseguente blocco microbiologico e digestione incompleta del prodotto disponibile con conseguente mancato raggiungimento della produzione di biogas prevista Un digestore troppo grande invece pu comportare e squilibri termici la produzione di biogas e conseguentemente di energia elettrica per metro cubo di digestore non basta per produrre sufficiente energia termica per riscaldare il digesto re stesso A tal riguardo si tenga presente che i fabbisogni termici in un impianto ad effluenti sono da imputare soprattutto alla quantit di energia che serve per riscaldare il liquam
19. carbonica e altre impurit gassose per essere immesso in rete e utilizzato in impianti ad alta efficienza energetica ovvero utilizzato come biocombustibile da autotrazione Per la prima volta in Italia il PAN ha enunciato la possibilit di produrre biometano e nel recente febbraio 2011 stato Bovini da latte e biogas CRPA spa approvato il decreto legislativo n 28 per l applicazione di questa possibilit oltre che di tutte le novit per l incentivazione futura delle risorse rinnovabili In definitiva la filiera del biogas rappresenta una opportunit per il mondo agricolo che pu divenire un protagonista di primo piano nel raggiungimento degli obiettivi strategici energetici nazionali in tercettando al tempo stesso tutto il valore aggiunto della filiera produttiva eliminando qualunque intermediario e consentendo di valorizzare tutte quelle superfici agricole attualmente sotto utilizzate e o i sottoprodotti agroindustriali che attualmente vengono gestiti con elevati costi economici ed energetici 1 2 Cosa fare per produrre biogas Nella scelta relativa alla costruzione di un impianto di digestione anaerobica finalizzato a produrre biogas da convertire in energia elettrica deve innanzi tutto essere valutata la disponibilit di biomas se da utilizzare Queste differiscono notevolmente tra loro per caratteristiche chimico fisiche e la loro valutazione deve essere fatta prima di tutto sul contenuto in sostanza secca soli
20. carico sia del tipo monho bisogna prestare grande attenzione all usura sia degli statori che dei rotori che delle tenute meccaniche In caso di presenza di tramogge di carico bene predisporre una ispezione periodica visiva del fondo della stessa per prevenire rotture o depositi di inerti che potrebbero bloccare i meccani smi di movimentazione corrosivit del biogas dovuta alla formazione di idrogeno solforato durante la fermenta zione anaerobica dei liquami il biogas provoca corrosione e tale corrosione non si manifesta soltanto al livello delle parti a diretto contatto con il gas tubazioni contatori gasometro parti emerse del digestore cogeneratori filtri soffiante ma diffusa a tutta l area dell impianto in quanto dall effluente e da altre parti si hanno perdite di gas che rendono l ambiente circostante aggressivo per la vita dei componenti metallici non sufficientemente protetti preferibile per tanto l uso laddove possibile di materiali poco o non attaccabili dall idrogeno solforato quali ac ciaio inossidabile AISI 316 e qualit superiori AISI 304 pu avere vita breve e materie plastiche polietilene PVC polipropilene L acciaio al carbonio deve essere protetto da strati adeguati di vernice epossidica la zincatura non sempre sufficiente a consentire una buona durata dei com ponenti deve essere evitato l uso di alluminio rame o ferro non protetto Deve essere posta par ticolare attenzione agli im
21. da distribuire regolarmente nella zona di riposo e ci comporta la produzione di leta Bovini da latte e biogas CRPA spa me La rimozione delle deiezioni pi frequentemente utilizzata di tipo meccanizzato con trasportatore a moto continuo costituito da una catena scorrevole su apposite pulegge e slitte alla quale sono rigidamente vincolate le palette trasportatrici Il trasportatore a circuito chiuso di norma provvede direttamente al cari co del letame in concimaia grazie alla risalita su apposito elevatore fisso Stalla a postazione fissa e trasportatore a moto alternato va e vieni costituito da un asta rigida alla quale sono incer nierate le palette trasportatrici L asta scorrevole entro una guida murata nel pavimento del la cunetta e le palette si aprono durante il movimento di andata e si richiudono durante la fa se di ritorno Di norma il trasportatore scarica il letame nella culla posta ai piedi di un eleva tore a forche che provvede al carico in concimaia La produzione di letame e la relativa consistenza dipendono strettamente dalla quantit di paglia utilizzata che pu andare da circa 0 a 3 kg capo giorno Questa tipologia di stabulazione si abbina molto bene con la tecnica della digestione anaerobica in quanto sia in presenza di lettiera che di liquame i sistemi di rimozione sono messi in funzione ogni giorno e non vi diluizione con acque di processo in quanto non present
22. dei valori minimi consigliati potrebbe convogliare agli stoccaggi quote im portanti di sostanza organica non ancora sufficientemente degradata Al fine di evitare queste emis sioni e di recuperare la produzione marginale di biogas possibile coprire le vasche di stoccaggio con membrane gasometriche Le tecniche adottabili possono essere quelle che normalmente vengo no adottate per le coperture gasometriche dei digestori ovvero possono essere impiegate coperture flottanti pi o meno semplificate In questo caso oltre ad un opportuno ancoraggio per evitare che il vento possa danneggiare la copertura occorre prevedere la possibilit di raccogliere le acque piova ne per scaricarle all esterno Il biogas recuperato dagli stoccaggi deve essere convogliato verso il cogeneratore al pari di quanto avviene per il biogas prodotto dai reattori principali Va considerato che la produzione marginale di biogas si riduce molto rapidamente a causa della mancanza di sostentamento termico le vasche di stoccaggio non sono riscaldate e generalmente nei mesi estivi quando massima la potenzialit produttiva le vasche di stoccaggio vengono svuotate per rispettare il calendario previsto dall utiliz zazione agronomica In questa ottica la copertura dello stoccaggio potrebbe essere sufficiente per i primi trenta giorni Le vasche coperte devono comunque essere attrezzate con sistemi di miscelazio ne i cui tempi di funzionamento saranno ridotti rispetto a quanto
23. di piccola taglia alimentati da sottoprodotti di recu pero La sempre maggiore diffusione di questi impianti i forti investimenti che hanno attratto nel settore agricolo e la ridotta esperienza gestionale che ancora caratterizza il settore sono le ragioni che stan Bovini da latte e biogas CRPA spa no alla base della redazione di queste linee guida che vogliono costituire in sintesi uno strumento di lavoro sia per gli allevatori che intendono orientarsi alla costruzione di un impianto di biogas sia per i professionisti che devono progettare e per i funzionari pubblici che potranno razionalizzare le autorizzazioni in questo settore Tabella 1 Impianti di biogas agro zootecnici rilevati nelle indagini effettuate negli anni 2007 2010 e 2011 Settore agro zootecnico Aprile 2007 Marzo 2010 Maggio 2011 2 di Impianti n Operativo T15 199 391 96 5 In costruzione 39 74 130 75 6 Totale 154 273 521 90 8 Potenza elettrica installata MW Operativo 89 242 171 9 In costruzione 51 108 111 7 Totale 49 140 350 150 Fonte CRPA Il valore non comprende la potenza elettrica installata di 38 impianti di cui non disponibile il dato Figura 1 Andamento del numero di impianti di biogas del settore agro zootecnico nell ultimo decennio ti pia 100 SARE CORRE 79 E RADO PZ E niiaaaaitaatiatataiaat 294 200 dg Ante 2000 2001 2002 2003
24. di substrati e la relativa fles sibilit impiantistica dipendono in buona sostanza da quanto volume di digestione presente e quindi dal tempo di ritenzione idraulica che sar possibile assegnare alle biomasse Bovini da latte e biogas CRPA spa Figura 3 Schema di principio della disponibilit di matrice organica per la digestione anaero bica Acqua 10 98 tq A N Ceneri 2 50 ST m Indegradabile 10 70 SV A Solidi totali Solidi volatili gt 2 90 tq 50 98 ST Y Degradabile 30 90 SV ST solidi totali o sostanza secca SV solidi volatili o sostanza organica Tabella 3 Produzioni medie di metano delle diverse famiglie di composti organici Composti Metano m3 t solidi volatili Carboidrati 350 400 Proteine 400 450 Grassi 600 700 Bovini da latte e biogas CRPA spa Capitolo 2 Il biogas nella stalla bovina da latte L allevamento bovino da latte si presta molto bene per l introduzione di impianti di biogas grazie ad alcune caratteristiche peculiari che si trovano solo in questa tipologia di allevamento La tecnica della digestione anaerobica infatti con tutte le sue specificit microbiologiche e impiantistiche di fatto molto simile a quanto gi avviene nell allevamento bovino da latte e la microbiologia presente nel digestore molto simile a quella presente nel rumine di un bo vino da latte e l utilizzo degli effluenti zootecnici equi
25. dimensioni delle frazioni fibrose permette di ridurre considere volmente i tempi e i consumi elettrici legati alla miscelazione L adozione di paglia trinciata e o pel lettata consente di ottimizzarne l uso sia in stalla che in digestione L utilizzo di segatura e di truciolo va invece evitato in quanto completamente indegradabile e causa di problemi di miscelazione scari co e pompaggio Nella famiglia dei materiali inorganici la sabbia pu rappresentare una scelta ma in Italia il suo im piego fortemente limitato dai costi elevati Di norma la sabbia pu essere distribuita in quantitativi giornalieri di circa 4 5 5 5 kg capo L avvio di questo materiale al digestore anaerobico deve essere as solutamente evitato la sua introduzione nel digestore anaerobico provoca nel tempo sedimenti che riducono notevolmente il volume utile di digestione obbligando a svuotamenti frequenti del reatto re oltre a provocare usure a tutti gli organi meccanici 4 1 3 Gestione delle acque di processo Il consumo idrico di una stalla a stabulazione libera uno degli elementi che incide sul dimensiona mento e sulla gestione dell impianto di biogas Le zone in cui vengono maggiormente generati i vo lumi di acqua sono la zona di attesa e il lavaggio degli impianti tecnologici Si devono considerare in fatti le acque derivanti dal lavaggio e dellemammelle e della sala di mungitura 41 Bovini da latte e biogas CRPA spa e della zona d
26. e passag gi di collegamento In tal modo maggiormente garantita la pulizia del giaciglio e di conseguenza la qualit del latte prodotto quantitativi di paglia possono essere re golati in funzione del tipo di effluente che si vuole produrre liquame senza o con po ca paglia letame con tanta paglia Possono essere realizzate stalle con disposizione delle cuccette testa a testa o groppa a groppa Nel primo caso la corsia di alimenta zione funge anche da corsia di smistamento e pertanto per limitare il sovraffollamen to ed evitare la competizione bisogna disporre di un ampiezza maggiore Ai fini della gestione di un impianto di biogas occorre tenere presente che le ampiezze delle su perfici pavimentate hanno effetto sulla qualit degli effluenti ovvero sul contenuto idrico la maggiore superficie rende pi difficile utilizzare paglia per addensare i liqua mi e pertanto in questi casi la volumetria degli effluenti maggiore Il consumo di paglia pu essere nullo o con l ausilio di cuccette con materassi no limitato a 0 5 kg capo per giorno o spinto fino a 1 5 2 kg capo per giorno A seconda dei quantitativi di paglia possono essere adottati diversi sistemi di rimozione con pavimento pieno si utilizzano trattore con pala raschiante ra schiatori automatici o la vaggio a ricircolo flushing sulla superficie con pavi mento fessurato la fossa sottostante pu prevedere lo stoccaggio soluzione non con
27. ed quindi gi disponibile in azienda La paglia ha una capacit di assorbimento idrico mediamente buona 2 3 d acqua per 1 kg di paglia Esistono anche altri materiali organici impiegati nelle stalle segatura trucioli di legno e frazione solida separata stabilizzata In tutti i casi occorre te nere presente che in digestione anaerobica la lignina e parte della cellulosa incrostata da quest ulti ma a meno di pre trattamenti specifici e particolarmente impegnativi non sono degradabili Ne con segue che la scelta del tipo di lettime finalizzato alla conversione in digestione anaerobica deve pre diligere i materiali a pi elevata degradabilit e quindi a minore contenuto in lignina Fra i prodotti ci tati la paglia quella che meglio si presta per un suo utilizzo in digestione anaerobica Tuttavia an che con la paglia possono insorgere diversi problemi nella gestione dell impianto di biogas soprat tutto se la percentuale di effluenti pagliosi importante e determinante per la produzione L inseri mento di paglia lunga nel digestore responsabile molto spesso della formazione di crosta superfi ciale che comporta l insorgere di difficolt di miscelazione termostatazione e scarico Gli interventi pi idonei per affrontare questa problematica partono dalla gestione in stalla con la sminuzzatura al momento della distribuzione per proseguire con una buona triturazione del liquiletame al momento del carico Una buona gestione delle
28. ed evidenziare di conseguenza l eventuale necessit di in terventi La percentuale di metano nel biogas varia a secondo del tipo di sostanza organica digerita e delle condizioni di processo da un minimo del 50 fino all 80 volume volume circa Visto che i microrganismi anaerobi hanno basse velocit di crescita e di reazione occorre mantenere ottimali per quanto possibile le condizioni dell ambiente di reazione Questo deve quindi risultare da un compromesso tra le esigenze dei singoli gruppi microbici per consentire la loro crescita equili brata Il pH ottimale intorno a 7 7 5 mentre la temperatura ottimale di processo intorno ai 35 C se si opera con i batteri mesofili o di circa 55 C se si utilizzano i batteri termofili La Figura 6 descrive il processo di digestione anaerobica Anche se i tempi di processo sono relativamente lunghi se confrontati con quelli di altri processi bio logici il principale vantaggio della digestione anaerobica che la materia organica complessa nor malmente molto diluita pu essere convertita in un gas combustibile ad elevato potere calorifico e facilmente utilizzabile 23 Bovini da latte e biogas CRPA spa Figura 6 Decomposizione anaerobica delle sostanze organiche Sostanza organica Carboidrati Proteine Lipidi BATTERI IDROLITICI E FERMENTATIVI Acidi grassi Alcoli etc Batteri acetogenici ACETATO 52 23 _Hs COs Batteri omoacetogenici Batteri m
29. i problemi di flottazione superficiale delle frazioni sospese il caratteristico cappello negli stoccaggi o la sedimentazione sul fondo delle vasche che nel tempo ne riduce la capacit di conteni mento La viscosit degli effluenti viene ridotta e la conseguente pompabilit migliorata La frazione chiarificata pu essere applicata con efficacia in microirrigazione purch si provveda ad una separa zione solido liquido spinta Nelle prove di separazione solido liquido del digestato condotte alla scala di laboratorio dal CRPA nell ambito del progetto MIPAAF su Digestione anaerobica dei liquami e Direttiva Nitrati risultato evidente che la digestione anaerobica demolendo la sostanza organica determina una riduzione di concentrazione di solidi totali rispetto ai liquami zootecnici tal quali con una conseguente riduzione dell efficienza di separazione Tabella 12 Nel caso specifico la separazione solido liquido del dige stato stata condotta con una centrifuga da laboratorio a 7 000 giri min risultati ottenuti pertanto hanno significato in termini di confronto tra i diversi materiali sottoposti a separazione ma non sono paragonabili in modo diretto con quelli delle applicazioni di centrifughe commerciali che lavorano a velocit inferiori e per producono una frazione solida pi asciutta di quella ottenuta in laboratorio per come configurato il loro sistema di scarico 55 Bovini da latte e biogas CRPA spa
30. latte e biogas CRPA spa stoccaggio del digestato Inoltre frequentemente la pollina contiene inerti che sedimentando possono causare problemi operativi e ridurre il volume utile dei reattori e residui colturali si tratta di residui provenienti dai raccolti agricoli quali foraggi frutta e vegetali di scarsa qualit percolati da silos e paglia che possono essere addizionati come co substrati alle deiezioni animali e colture non alimentari ad uso energetico La coltivazione di piante specifiche da avviare alla dige stione anaerobica per la produzione di biogas pu essere in Europa una soluzione per ridurre la sovrapproduzione agricola di certe aree ma anche una valida alternativa per l utilizzo di aree in colte e a riposo set aside o di aree irrigate con acque recuperate dai depuratori urbani Nel corso degli ultimi anni molti studi sono stati effettuati su mais sorgo foraggi ma anche altre colture hanno dimostrato di possedere un buon potenziale di produzione di biogas per valutarne le ca ratteristiche ai fini del loro utilizzo energetico e la resa in biogas Anche le tecnologie impiantisti che attualmente in via di sviluppo sono orientate all introduzione di tali substrati sia liquidi che solidi nel digestore l uso delle colture energetiche come co substrato infatti permette di otti mizzare la produzione di biogas e il riciclo dei nutrienti Questo perch possono essere prodotte in azienda ed essere addizionate come co s
31. pass che possono essere responsabili di una fuoriuscita precoce del materiale fresco alimentato distribuzione del calore a tutta la flora batterica per consentire un omogeneo e costante svi luppo della flora batterica evitare la formazione di strati pi densi di materiale sia sulla superficie che intermedi tale azione cruciale e deve essere tenuta particolarmente controllata in quanto una volta che uno strato denso inizia a formarsi tende ad aumentare la sua dimensione per aggregazioni periferiche progressive e ci ha conseguenze progressive nella omogeneit degli strati Uno strato denso o incrostato riduce la possibilit di svuotare il digestore aumenta l accumulo di materiale organico indegradato riduce la fuoriuscita del biogas prodotto negli strati pi pro fondi inibendone la produzione agevolare lo scarico del digestato soprattutto nel caso di presenza di sistemi a sifone La miscelazione deve essere gestita tenendo presente i seguenti principi i miscelatori devono poter essere azionabili con programmazione a tempi intermittenti deve essere possibile direzionare almeno uno dei miscelatori presenti sia sul piano orizzonta le che verticale in modo da poter intervenire laddove necessario i miscelatori devono essere mossi regolarmente nei diversi strati da quello pi superficiale a quello pi profondo tale operazione deve essere compiuta regolarmente per evitare di favo rire in una prima fase un accumulo di m
32. patata Dati CRPA 39 Bovini da latte e biogas CRPA spa Capitolo 4 Buone pratiche di gestione 4 1 Gestione della stalla 4 1 1 Freschezza liguame letame Per freschezza del liquame letame si intende il tempo intercorso fra il momento in cui le feci vengo no escrete dagli animali e il momento in cui queste giungono al digestore anaerobico La freschezza un elemento determinante per preservare il potenziale metanigeno in quanto le deiezioni bovine provengono da un apparato ruminale di fatto simile ad un digestore anaerobico in cui sono presenti tutte le condizioni anaerobiche che lo rendono costantemente attivo Quanto pi ridotto il tempo intercorrente fra l escrezione e l arrivo al digestore tanto pi il potenziale metanigeno rimane alto Nel caso di allevamenti a lettiera permanente occorre considerare che le feci che permangono nella lettiera subiscono processi degradativi particolarmente complessi che possono essere di tipo aerobi co nella zona superficiale e anaerobico nella zona profonda In entrambi i casi parte del carbonio presente viene convertito a biossido di carbonio processo aerobico o a biogas processo anaerobi co Il tempo di permanenza e la quantit di paglia pertanto incidono significativamente Si pu sti mare che in una lettiera di circa 6 mesi di permanenza nel ricovero il potenziale metanigeno disponi bile sia ridotto di circa il 40 50 ri
33. presente che nei mesi estivi pi caldi l accensione di tali sistemi pu portare a diluizioni anche impor tanti dei liquami convogliamento delle acque di lavaggio della sala attesa e o sala mungitura e o impianti tec nologici qualora possibile utile prevedere una ristrutturazione che convogli separatamente tali volumi idrici a vasche separate anche per la presenza frequente di importanti dosi di di sinfettanti Il controllo del carico organico importante per garantire una costante produzione di biogas sia in termini di quantit che di qualit in modo da assicurare un regolare funzionamento del cogenerato re La mancanza di gas provoca una riduzione della produzione elettrica e termica e conseguente ag gravamento dei problemi legati alla termostatazione del digestore anaerobico Se tale tendenza non viene controllata il processo rallenta progressivamente fino al blocco totale La gestione del carico deve essere accompagnato dal controllo dei seguenti parametri quantit di materiale caricato le volumetrie di carico devono essere governate da sistemi di misura a tempo o con flussimetri e non a svuotamento della vasca di collettamento dei li quami aziendali il carico deve assicurare il corretto tempo di ritenzione idraulica ovvero il tempo che i batteri anaerobi hanno per degradare i solidi volatili caricati e convertirli in biogas Una digestione anaerobica incompleta o parziale porta ad un accumulo di solidi totali ne
34. riducendo la competizione per l approvvigionamento e una filiera tipicamente corta nasce corta perch utilizza prodotti che non possono fare molta strada in quanto molto umidi muore corta perch deve gestire un residuo digestato umido che per ragioni economiche deve trovare collocazione nelle immediate vicinanze del l impianto 10 20 km e una filiera agricola perch la dimensione impiantistica parte da 20 kW e arrivava fino a 2 3 MW consentendo a tantissime aziende di attrezzarsi con una valida alternativa integrazione al reddito agricolo e una filiera certa perch disponibile una Tariffa Omnicomprensiva 280 MWh per gli im pianti che entreranno in esercizio entro il 31 12 2012 che viene pagata mensilmente e per 15 anni l agricoltore non si deve preoccupare di collocare il prodotto e di farsi pagare e una filiera ambientalmente molto promettente perch oltre a ridurre l impatto ambientale degli allevamenti recuperando parte delle emissioni spontanee di metano dagli stoccaggi consente di produrre energia elettrica risparmiando fonti fossili tecnologia definita dagli an glosassoni Win Win ovvero doppiamente vincente e in certe condizioni permette di sfruttare anche l energia termica di cogenerazione riscalda mento domestico essiccazione foraggi ricoveri zootecnici serre utenze residenziali e pu portare alla produzione di biometano ovvero biogas raffinato dall anidride
35. suini Nel caso degli effluenti bovini il fenomeno influenzato dal fat to che l apparato digerente ruminante contiene gi tutti i ceppi batterici perfettamente equilibrati caratteristici dei processi di digestione anaerobica Nel caso degli effluenti suinicoli invece soprat tutto la composizione chimica della sostanza organica che si differenzia per il minore contenuto di frazioni fibrose e quindi per una maggiore fermentescibilit Nei grafici di Figura 8 9 e 10 si riportano a titolo di esempio alcuni test di biometanazione di diversi effluenti bovini liquame bovino tal quale con paglia solido separato proveniente da liquame fram misto a paglia e solido separato proveniente da liquame frammisto a segatura Come si evidenzia dall andamento dei grafici il liquame bovino tal quale ha il rendimento pi elevato in termini di me tano 290 m CHi t SV seguito dal solido separato di liquame con paglia 240 m CHy t SV e infine dal solido separato da liquame bovino con segatura 100 m CH t SV Le differenze sono evidente mente date dalla presenza di lignina e altre frazioni fibrose indegradabili presenti in quota decre scente passando dal liquame tal quale con paglia al solido separato con paglia e infine al solido se parato con segatura In definitiva il potenziale metanigeno dei liquami contrariamente a quanto si pensa pu raggiunge re valori molto elevati ma la condizione essenziale da rispettare una organizzazion
36. tenuta di gas e resistenti alla pressione e nel caso di gasometri esterni non protetti da edifici devono essere resistenti ai raggi UV alla tempera tura e alle intemperie e per motivi di sicurezza devono essere dotati di valvole di sicurezza sotto pressione e sovra pressione Il gasometro deve avere la capacit minima corrispondente a circa un quarto della produzione giornaliera di biogas ma consigliata la capacit di uno o due giorni di pro duzione di biogas Considerato che il biogas in uscita dall impianto saturo di vapore acqueo e che contiene considere voli quantit di idrogeno solforato H2S necessario sottoporlo a trattamenti per renderlo pi facil mente utilizzabile L idrogeno solforato un gas tossico con un specifico odore sgradevole corrosivo e pu causare danni al cogeneratore ai tubi del gas e di scarico ecc Per altri impieghi del biogas ad esempio per autotrazione o in celle a combustione sono necessarie ulteriori misure di purificazione upgrading del biogas sistemi per l abbattimento dell idrogeno solforato possono essere ricondotti a e rimozione fisica e rimozione chimico fisica e rimozione biologica Uno dei metodi maggiormente utilizzati la desolforizzazione biologica che viene attuata da micror ganismi specifici che in presenza di ossigeno ossidano i solfuri a zolfo elementare e solfati perch av venga l ossidazione microbiologica necessario dosare stechiometricamente l ossigeno a
37. 07 al maggio 2011 la potenza elettrica installa ta aumentata da circa 32 a 350 MWe con un incremento di 11 volte Il notevole sviluppo del settore unito alla sempre maggiore professionalit delle ditte costruttrici per lo pi ancora di origine d oltralpe e dei gestori degli impianti stessi oltre che all introduzione di impianti alimentati prevalentemente in co digestione sta modificando profondamente il settore del biogas traghettandolo sempre pi da una applicazione tipicamente di recupero a una industriale di produzione vera e propria programmabile e sicura Il 57 9 degli impianti utilizza la classica co digestione fra effluenti zootecnici sottoprodotti agro in dustriali e colture dedicate il 29 utilizza solo effluenti e il 13 1 colture energetiche e o sottopro dotti agroindustriali Rispetto all indagine del 2010 la ripartizione vede incrementare il numero per centuale di impianti che utilizza sole colture e la co digestione Per quanto concerne invece la po tenza elettrica installata l indagine ha messo in evidenza che il 70 4 prodotta con co digestione di diverse matrici il 22 3 con sole colture dedicate e il 7 3 con soli effluenti Le differenze fra le due tipologie sono dovute soprattutto al fatto che gli impianti solo ad effluenti hanno taglie di gran lun ga inferiori a quelle degli impianti alimentati a colture energetiche Considerando il sottoinsieme de gli impianti con dati noti si desume che gli impianti a s
38. Liquame bovino Letame bovino Caratteristiche indicative Valore medio Intervallo Valore medio Intervallo Sostanza secca ST 8 2 5 7 10 2 210 130 290 Sostanza organica SV 73 64 82 79 70 87 Azoto totale NTK ST 4 7 2 8 6 6 2 7 2 1 3 3 Produzione di biogas 0 30 0 45 di cui 55 metano 0 35 0 50 di cui 55 metano Tabella 5 Es di calcolo della disponibilit di solidi totali nell allevamento bovino da latte Categoria Capi Sostanza secca escreta Paglia Sostanza sec animale ca disponibile n kg giorno capo kg giorno kg giorno capo kg giorno kg giorno Vacche in lattazione 85 8 0 683 1 5 115 798 Vacche in asciutta 15 4 5 68 1 5 20 88 Manze gravide 23 1 9 44 1 5 34 78 Manze 21 1 9 40 4 5 94 134 Manzette 18 1 8 32 2 0 36 68 Vitelli 19 0 8 41 1 5 29 70 Totale 181 908 328 1236 0 Bovini da latte e biogas CRPA spa Tabella 6 Produzioni indicative di effluenti zootecnici da allevamenti bovini da latte in base al sistema di stabulazione Produzione effluenti bovini Utilizzo paglia Liquame t tpv anno Letame t tpv anno kg capo giorno Vacche da latte 600 kg Fissa con lettiera 9 26 3 Fissa senza lettiera 33 0 0 Cuccetta senza paglia 33 0 0 Groppa a groppa 20 15 1 5 Testa a testa 13 22 15
39. V La percentuale di metano nel biogas prodotto stata mediamente pari al 54 5 mentre la presenza di ammoniaca stata nell ordine di 300 ppm La produzione specifica di metano di conseguenza risultata pari a 0 22 m di metano kg SV mentre l emissione di ammoniaca con il biogas pari a circa lo 0 25 dell a zoto totale caricato In termini di produzione elettrica l impianto ha generato mediamente 6 500 kWh giorno per una potenza elettrica rapportata alle 24 ore pari a 272 kW Figura 15 ovvero 0 30 kWe capo produttivo presente o 7 3 kWhe capo produttivo giorno Gli autoconsumi sono stati calcolati sulla base delle ore di funzionamento delle diverse utenze elettriche la fase di trattamento di preparazione della miscela 66 Bovini da latte e biogas CRPA spa e di carico ha consumato in media 335 kWh giorno 5 1 della produzione lorda le utenze connesse ai digestori anaerobici hanno consumato mediamente 445 kWh giorno 6 8 della produzione lor da e il trattamento di separazione con relativo pompaggio ha assorbito 122 kWh giorno 1 9 della produzione lorda Gli autoconsumi degli ausiliari al cogeneratore sono stati stimati al 2 5 della pro duzione lorda e pari a 160 kWh giorno Considerando solo le utenze strettamente connesse alla pro duzione di biogas si esclude la fase di separazione solido liquido post digestione gli autoconsumi totali sono risultati pari a 940 kWh giorno equivalenti al 14 4 della produzione tota
40. a Figura 15 Potenza elettrica media sulle 24 ore 3 8 a 8 g 8 AMI 210 pz ajjns eipawi e211Na a ezua40d aprile maggio giugno luglio agosto settembre marzo Potenza elettrica media sulle 24h 70 Bovini da latte e biogas CRPA spa Bibliografia e AI Seadi Teodorita et alii 2008 Biogas handbook Published by University of Southern Den mark Esbjerg e CRPA 2008 Biogas l analisi di fattibilit tecnico economica Opuscolo CRPA Notizie 6 20 N 4 e CRPA 2008 Energia dal biogas prodotto da effluenti zootecnici biomasse dedicate e di scarto manuale pratico Il Edizione AIEL Associazione Italiana Energie Agroforestali Legnaro PD e CRPA 2011 Biogas Metodi di valutazione del potenziale metanigeno Opuscolo CRPA Notizie 6 23 N 5 e CRPA 2011 Produrre biogas un opportunit che piace agli agricoltori Supplementi di Agricol tura n 48 e ENEL 1996 Biogas e cogenerazione nell allevamento suino manuale pratico A cura di CRPA spa e Fabbri C Baldrighi C 2012 Pi biogas integrando i reflui zootecnici con silomais Edizioni L In formatore Agrario Supplementi n 5 p 30 33 e Fabbri C Piccinini S Verzellesi F 2011 Biogas da soli reflui zootecnici buona la resa energetica Edizioni L Informatore Agrario n 38 p 20 24 e RossiP Gastaldo A Ferrari P 2002 Strutture attrezzature e impianti per vacche da latte Edizio ni L Informatore Agrario Verona e Rossi
41. a 90 100 giorni Il rendimento in biogas e quindi energetico del processo molto variabile e dipende dalla biodegra dabilit del substrato trattato In genere durante la digestione anaerobica si ottiene una riduzione di almeno il 45 50 dei solidi volatili o sostanza organica alimentati valori tipici per impianti alimentati ad effluenti zootecnici ma pu arrivare nei migliori casi anche all 80 tipico di colture dedicate 3 2 5 Riscaldamento e miscelazione Il mantenimento costante della temperatura all interno del digestore una delle condizioni pi im portanti per un funzionamento stabile e per ottenere alte rese in biogas Fluttuazioni di temperatura determinate da condizioni stagionali e climatiche nonch variazioni in diversi punti del digestore devono essere limitate il pi possibile Grandi variazioni posso portare allo squilibrio del processo di digestione anaerobica e nel peggiore dei casi a un blocco totale Le cause delle variazioni di temperatura possono essere diverse e aggiunta di substrati in quantit elevata e a temperatura diversa da quella di processo e stratificazione interna a diversa temperatura dovuta a un isolamento insufficiente o ineffica ce a un non corretto dimensionamento del sistema di riscaldamento e o agitazione e posizionamento inadeguato e insufficiente degli elementi di riscaldamento e temperature esterne estreme durante la stagione estiva o invernale e rottura dei miscelatori o funzio
42. a mantengono per molti anni la possibilit di germinare e dar luogo a nuove cellule vegetative quando si presentano condizioni ambientali idonee Questi microrganismi sono ubiquitari e possono essere isolati dal suolo dall acqua dalla polvere da sedimenti da feci da materiale in decomposizione ecc La diffusione dei clostridi nella filiera latte se gue uno schema preciso le spore presenti nelle produzioni vegetali imbrattate di terra influenzano la quantit di quelle degli alimenti conservati il numero di spore negli alimenti condiziona quello nelle feci che inevitabilmente contaminano l ambiente di allevamento gli animali gli impianti di mungi tura e di conseguenza il latte le feci a loro volta tornando come concimi organici al terreno le resti tuiscono al suolo e possono indurre fenomeni di arricchimento di spore 60 Bovini da latte e biogas CRPA spa La presenza di spore negli alimenti zootecnici quindi la base della contaminazione del processo di produzione del latte livelli di spore risultano molto variabili sia per tipo di alimento sia all interno di ogni categoria Risultati di numerose analisi mostrano che possibile ottenere alimenti praticamente esenti da spore ma emerge altrettanto chiaramente che tutti possono essere a rischio Il potenziale inquinante comunque molto diverso gli insilati risultano mediamente pi contaminati seguono i concentrati e i fieni Nel caso di alimenti conservati mediante in
43. a tipologia dei materiali utilizzati in ingresso a testimo nianza di un regolare svolgimento dei processi fermentativi e di metanogenesi Confrontando il contenuto di spore rilevato nelle tre tipologie di digestato non si sono rilevate diffe renze statisticamente significative fra il contenuto di spore dei digestati del reattore liquame silo mais e quello dei digestati del reattore liquame silosorgo l insilato di mais e di sorgo addizionati al liquame hanno condizionato allo stesso modo il contenuto di spore nei digestati La differenza sta ta significativa invece fra contenuto di spore dei digestati dei reattori liquame silomais e liquame silosorgo e quello dei digestati del reattore con solo liquame i digestati provenienti da solo liqua me hanno presentato un numero di spore pi basso Facendo un bilancio delle spore in ingresso e in uscita dai digestori si rilevato che l aumento delle spore nel digestore solo liquame non significativo mentre significativo quello che si realizza nei digestori liquame solomais e liquame silosorgo Alla domanda se le spore di clostridi aumentano oppure no nei digestati in uscita dagli impianti di biogas rispetto a quelle presenti nei materiali in ingresso la sperimentazione condotta consente di ri spondere che le spore aumentano nei digestati provenienti da digestori alimentati con insilati e li quame mentre non aumentano nei digestori alimentati con solo liquame risultati
44. animali Per facilitare la quantificazione e come prima approssimazione in Figura 5 viene illustrata la correlazione fra la quantit di latte prodotto per capo in produzione dato facilmente disponibile in azienda e la relativa quantit di solidi totali escreti Alle quantit di solidi totali escreti andr aggiunta la paglia utilizzata come lettime dato altrettanto facilmente disponibile nelle aziende zootecniche In Tabella 5 viene illustrato un esempio di quantificazione di solidi totali disponibili per la conversio ne in biogas La tabella illustra la composizione media di un allevamento da 100 capi produttivi 85 capi in lattazione 15 capi in asciutta con relativa rimonta e una ipotesi di utilizzo di paglia per ogni categoria animale Per le categorie animali diverse dai capi in lattazione viene riportato un dato me dio di escrezione di solidi totali Dalla lettura della tabella derivano alcune considerazioni importanti per la costruzione degli impianti di biogas e il 73 dei solidi totali disponibili per la conversione in biogas dell esempio provengono dal l escrezione delle feci il rimanente dall utilizzo della paglia Tale proporzione pu cambiare notevolmente in base alle tecniche di stabulazione e alle relative quantit di lettime utilizza to e il 70 circa dei solidi totali deriva dai capi produttivi vacche in lattazione vacche in asciut ta l attenzione nell analisi della mandria va pertanto accentrata su questa cate
45. anza secca 50 circa degli effluenti con conseguente miglio re pompabilit e riduzione dell emissione in atmosfera di odori e gas ad effetto serra principalmente metano e riduzione anche se contenuta del volume degli effluenti dal 2 al 5 circa a seconda dei casi e stabilizzazione della sostanza organica residua che mantiene un elevato valore ammendante Nell area di produzione del latte per Parmigiano Reggiano inoltre la possibilit di produrre biogas fortemente legata allo sfruttamento degli effluenti zootecnici proprio alla luce della Deliberazione Assembleare n 51 del 26 luglio 2011 della Regione Emilia Romagna relativa alla localizzazione degli impianti di produzione di energia rinnovabile citata nel precedente capitolo Di seguito vengono riportati i risultati di una esperienza di circa 6 mesi condotta in un impianto di di gestione anaerobica alimentato con soli effluenti zootecnici di un allevamento di bovini da latte per Parmigiano Reggiano realizzato da Brevetti Cremonesi presso l azienda F lli Pedrotti di Reggio Emilia 5 1 Descrizione dell azienda in area Parmigiano Reggiano La societ agricola F lli Pedrotti strutturata per allevare bovini da latte con destinazione a Parmigia no Reggiano capi sono allevati in due distinti siti aziendali distanti circa 2 km tra loro Allo stato at tuale sono presenti circa 700 bovini in lattazione 190 capi in asciutta e 700 capi circa fra vitelli man zette e manze
46. apore e aroma La ricerca di ottimali condizioni nella pasta del formaggio e alcune pratiche da adottare in azienda e in stalla possono limitare fortemente i danni ma non eliminare il problema clostridi peraltro svolgono un ruolo fondamentale nel biochimismo che negli impianti di digestio ne anaerobica porta alla produzione di metano contribuiscono all idrolisi dei composti organici e al la produzione di acidi grassi anidride carbonica e idrogeno molecole base utilizzate dai metanobat teri per la produzione di metano Nel 2009 il CRPA ha condotto una sperimentazione finanziata dalla Regione Emilia Romagna con il contributo del Consorzio del Parmigiano Reggiano tesa a verificare gli effetti del processo di dige stione anaerobica sulla presenza di spore di Clostridium introdotte negli impianti di biogas tramite li quami bovini tal quali o addizionati di altre frazioni fermentescibili La sperimentazione nasceva dal l esigenza di non perdere una opportunit economica importante anche per le aziende zootecniche da latte rappresentata dalla produzione di energia da fonti rinnovabili e di verificarne la compatibili t con la qualit microbiologica dell ambiente di produzione del latte per Parmigiano Reggiano All avvio della sperimentazione non erano disponibili risultati di ricerche orientate a definire l entit della presenza delle spore di clostridi nei reflui di impianti di produzione di biogas da co digestione ancora oggi comunq
47. as possibile produrre 1 8 2 kWh di energia elettrica e 2 3 kWh di energia termica La combustione diretta in caldaia si presta molto bene per impianti realizzati negli allevamenti suini coli annessi ai caseifici questi sono forti consumatori di combustibili utilizzati per produrre il vapore necessario per la caseificazione e sono in grado di bruciare tutto il biogas prodotto realizzando ri sparmi significativi Oltre che per la lavorazione del latte l energia termica pu avere un impiego an che se pi discontinuo per il riscaldamento e la preparazione della broda nelle porcilaie per la pre parazione dei pastoni per il riscaldamento di serre per l essiccazione di foraggi e cereali per usi civili teleriscaldamento La maggior parte degli impianti di biogas attualmente operativi utilizzano cogeneratori sistemi combinati di produzione di elettricit e calore che montano principalmente motori a gas con accen sione a scintilla oppure motori a doppia alimentazione biogas e gasolio Tra i vantaggi dei motori a doppia alimentazione rispetto ai motori alimentati unicamente a gas si osserva come oltre a poter essere utilizzati anche con biogas avente un basso contenuto di CH i primi abbiano efficienze elet triche simili ai secondi anche quando di modeste dimensioni questa caratteristica li rende particolar mente attraenti per i piccoli impianti Quando le condizioni operative impongono la scelta di sistemi di maggior potenza per
48. ata come nel caso di effluenti zootecnici suinicoli e meccanica con miscelatore interno e o esterno sommergibile questa tecnica spesso appli cata nei casi in cui siano presenti biomasse solide al carico e con ricircolo di biogas questa tecnica tipicamente applicata nei digestori molto alti o con digestato caratterizzato da elevata sedimentabilit 30 Bovini da latte e biogas CRPA spa 3 2 6 Stoccaggio e trattamenti biogas La produzione di biogas deve essere mantenuta stabile e costante All interno del digestore il biogas si forma in quantit fluttuante e con picchi di produzione legati soprattutto alla frequenza e intensit di carico Ci in contrasto con l esigenza del cogeneratore che per funzionare regolarmente neces sita di una disponibilit continua e costante di gas Per compensare tutte queste variazioni neces sario accumulare il biogas prodotto in adeguati impianti di stoccaggio detti gasometri Esistono va rie tipologie di gasometro la soluzione pi semplice il gasometro posto sulla sommit delle vasche di digestione costituito da una membrana a tenuta di gas solitamente in PE PVC EPDM materiali plastici rinforzati con funzione anche di copertura del digestore Per grandi impianti di biogas il ga sometro pu essere esterno separato o incluso in un edificio e possono essere utilizzati a bassa me dia o alta pressione Tutti gli impianti di stoccaggio del biogas devono essere a
49. ateriale organico con successiva movimentazione im provvisa quando agitato con il miscelatore La distribuzione improvvisa di una grande quanti t di materiale sedimentato pu portare ad un sovraccarico di materiale organico con incre mento repentino dei processi di idrolisi accumulo di acidi organici e conseguente inibizione dei batteri metanigeni il gestore deve controllare visivamente attraverso gli opportuni obl sul digestore e con ca denza almeno giornaliera lo stato della superficie del digestato all interno del reattore la pre senza di bolle di piccole dimensioni e diffuse e l assenza di incrostazioni superficiali indica in linea di massima una buona miscelazione Qualora si verificasse la presenza di primi nuclei di aggregazione o flottazione opportuno intervenire immediatamente ed avviare una fase di miscelazione intensa e prolungata fino alla disgregazione totale di tali aggregati 4 2 4 Controllo desolforazione L idrogeno solforato H2S rappresenta una delle componenti in traccia del gas prodotto dalla dige stione anaerobica della sostanza organica e deriva dalla degradazione delle proteine In digestione anaerobica la sua formazione inevitabile e l entit della produzione dipende strettamente dalle ca ratteristiche chimiche del substrato negli effluenti zootecnici la produzione di idrogeno solforato particolarmente importante per la presenza di molte molecole proteiche indegradate La sua elevata corrosivit n
50. bazioni che non restano piene con continuit siano realizzate con una pendenza sufficiente per consentirne lo svuotamento a pompa spenta In tutte le tubazioni che restano piene ad esempio i ricircoli deve essere assicurata una continua circolazione o la di scontinuit deve essere intervallata da brevi periodi di sosta se la circolazione continua non pu essere garantita deve essere previsto un tracciamento delle tubazioni o delle pompe con cavo scaldante antigelo Le soffianti presenti nelle cupole gasometriche a doppio telo che prov vedono al riempimento della camera interna devono essere protette da eventuali formazioni di gelo allo loro imboccatura al fine di garantirne la corretta aspirazione Allo stesso modo le valvo le di scarico per il controllo della pressione 4 2 10 Parametri medi di funzionamento difficile indicare valori generali di riferimento per tutti i parametri di controllo in quanto ogni im pianto presenta caratteristiche operative particolari dettate soprattutto da caratteristiche degli ef fluenti utilizzati e quindi dalle tecniche di stabulazione caratteristiche costruttive e capacit gestio nale In linea di massima occorre comunque tenere presente i seguenti limiti contenuto in solidi totali minore del 12 per evitare problemi di miscelazione e favorire l omogeneit di carico scarico percentuale di solidi volatili il carico dovrebbe essere fatto con effluenti con una percen tuale superiore a
51. care il biogas nei momenti in cui il cogeneratore viene fermato per le micro manutenzioni La gestione del gasometro dovrebbe prevedere sempre un suo riempimento parziale in modo da avere una capacit di stoccaggio sem pre disponibile per fare fronte alle necessit Il telo gasometrico deve essere scelto con le specifiche idonee al clima in cui viene costruito l impian to radiazioni ultraviolette e temperature elevate possono danneggiare il telo fino alla sua rottura e resistente a tutte le intemperie che possono verificarsi accumuli di neve e o ghiaccio su un telo sgonfio possono comprometterne la resistenza fisica e impedirne il riempimento Nei climi pi caldi la scelta del telo gasometrico deve essere indirizzata verso tipologie a colore pi chiaro e possibilmente riflettente la radiazione solare infatti pu portare al surriscaldamento del biogas all interno del gasometro con espansioni dello stesso e conseguente riduzione della capacit di stoccaggio che pregiudica il buon funzionamento del cogeneratore In presenza di sovrapressioni dovute a surriscaldamenti possibile prevedere in via temporanea e di emergenza l irrigazione della cupola gasometrica con piccole quantit di acqua che evaporando dal la superficie bagnata del telo consentono di ridurre il surriscaldamento dell aria sottostante La tenuta al gas dei teli gasometrici deve essere periodicamente controllata effettuando analisi del contenuto di biogas nell aria di
52. d almeno il 75 e nel digestato esausto la percentuale dovrebbe essere infe riore al 70 temperatura del digestore 38 40 C per i processi mesofili e 52 55 C per quelli termofilil pH nei digestori monostadio dovrebbe essere nell intervallo 6 8 8 mentre nei rari casi di se parazione di stadio per la fase idrolitica dovrebbe essere nell intervallo 5 2 6 3 e nello stadio metanigeno 6 7 8 2 contenuto di CH nel biogas sempre superiore a 50 contenuto di H2S nel biogas dipende dalle specifiche del fornitore del cogeneratore ma sempre meglio non superare le soglie di 100 200 ppm umidit relativa residua del biogas prima dell utilizzo nel cogeneratore inferiore al 6 conversione dei solidi volatili nei liquami bovini l efficienza di conversione dei solidi volatili dovrebbe essere pari o superiore al 50 carico organico volumetrico sempre superiore ad almeno 1 kg SV m giorno tempo di ritenzione idraulica compreso fra 30 e 40 giorni a seconda delle quantit di paglia utilizzata 4 3 Il residuo della digestione anerobica il digestato Il digestato il residuo o materiale di risulta del processo di digestione anaerobica e pu essere considerato un buon materiale fertilizzante ad effetto concimante pi o meno pronto a seconda del la sua origine La Tabella 10 riporta le principali caratteristiche chimiche di diversi digestati che natu 52 Bovini da latte e biogas CRPA spa ralmente dipendono in la
53. di totali e poi sul contenuto di sostanza organica solidi volatili A sua volta la sostanza organica ha un valore energetico e di degradabilit che dipende dalla compo sizione Figura 4 la frazione lignina ad esempio indegradabile cos come le frazioni fibrose di emi cellulosa e cellulosa ad essa legate le frazioni proteiche lipidiche e glucidiche invece sono pi o me no facilmente degradabili Per ogni composto organico pu essere stimata una resa in biogas e me tano potenzialmente raggiungibile Tabella 3 La disponibilit di biomasse si traduce quindi in disponibilit di combustibile metano che servir ad alimentare il sistema di conversione cogeneratore e o caldaia regolarmente Ne consegue che anche le biomasse devono avere un flusso costante per tutto l anno ed essere regolarmente caricate nel digestore in quantit e qualit tali da rispettare i tempi di ritenzione idraulici di tutta la miscela ovvero il numero di giorni che il composto organico permane nel digestore Non sufficiente infatti conoscere quanto biogas producibile con una data biomassa Ogni mole cola ha un tempo di degradazione che dipende da alcuni fattori fondamentali caratteristiche chimi che temperatura pezzatura e specializzazione del consorzio batterico presente La scelta della volumetria del digestore diviene quindi un elemento di fondamentale importanza per avere un impianto efficiente e funzionante La modifica della miscela
54. do Tale effetto di riduzione esaltato dall utilizzo del la frazione chiarificata dei digestati che comporta rispetto ai liquami tal quali un apporto di frazione organica minore durante le fertilizzazioni a parit di azoto somministrato Inoltre la sostituzione par ziale o totale dei fertilizzanti di sintesi ottenibile grazie alla valorizzazione dei nutrienti contenuti nel digestato determina una mitigazione indiretta nelle emissioni di anidride carbonica monossido di carbonio ossidi di azoto e zolfo e acido cloridrico e sostanze coinvolte nei fenomeni di riscaldamento globale e acidificazione 4 Apporto di elementi della fertilit N P K microelementi Il digestato un materiale generalmente pi omogeneo rispetto al liquame tal quale con un miglio re bilanciamento del rapporto N P qualora si preveda la co digestione degli effluenti zootecnici as sieme a materiali di origine vegetale Il digestato rispetto ai liquami non trattati contiene una pi ele vata percentuale di azoto inorganico ammoniacale prontamente disponibile per le piante e grazie alla sua maggiore omogeneit e fluidit penetra nel suolo pi facilmente e questo fattore pu con correre alla riduzione delle emissioni ammoniacali L efficienza d uso dell azoto contenuto nel dige stato pu quindi aumentare in modo significativo rispetto a quella ottenibile con gli effluenti zootec 58 Bovini da latte e biogas CRPA spa nici tal quali ma solo s
55. e utilizzo fertilizzante del digestato viene effettuato secondo la buona prati ca agricola in caso contrario gli impatti ambientali possono anche essere pi negativi di quelli dovuti agli effluenti zootecnici tal quali Per un efficace utilizzo del digestato come fertilizzante possono essere ritenuti validi gli stessi criteri d uso dei liquami non trattati e adeguata capacit di stoccaggio calcolata sulla base di quanto previsto dalla normativa na zionale e regionale vigente per le diverse tipologie di effluente e presenza di zone vulnerabili a nitrati e limitazioni stagionali per l applicazione al suolo durante il periodo invernale e rispetto delle quantit di azoto utilizzabili per ettaro in accordo con il piano di fertilizzazione l efficienza e le asportazioni colturali e applicazione delle Migliori Tecniche Disponibili nella distribuzione distribuzione a bande in terramento contestuale alla distribuzione fertirrigazione e periodi di applicazione pi opportuni non piovosi e il pi possibile coincidenti con i periodi di sviluppo delle colture Con la separazione solido liquido del digestato si concentra nella frazione chiarificata un elevata per centuale dell azoto sotto forma ammoniacale prontamente assimilabile dalle colture e nella frazione solida l azoto organico a pi lenta mineralizzazione che rende tale materiale pi adatto per un uso ammendante Considerate le caratteristiche della frazione chia
56. e cari cato giornalmente e miscelazione squilibrata un digestore molto grande pu comportare un elevata esigenza di energia per miscelare il prodotto ed evitare sia la flottazione affioramento superficiale delle frazioni leggere paglia e fibre in genere che la sedimentazione sul fondo Da ricordare che la miscelazione oltre alla funzione idraulica di carico scarico svolge altre funzioni essenziali mettere a contatto la flora batterica presente con il materiale organico fresco omogeneiz zare la temperatura all interno del digestore garantendo un potenziale produttivo ottimale in tutto il volume disponibile ridurre al minimo il rischio di by pass ovvero la fuoriuscita precoce di materiale fresco La distribuzione degli agitatori un programma di accensione che si estenda ad almeno il 25 30 del tempo e la possibilit di ruotarli e spostarli in altezza sono gli elementi di flessibilit fondamentali che permettono di affrontare la stragrande maggioranza delle problematiche di tipo idraulico Anche nel caso dei piccoli impianti non bisogna dimenticarsi che il trattamento del biogas ovvero desolforazione e deumidificazione sono di cruciale importanza al fine di salvaguardare il buon fun zionamento e soprattutto la durata del cogeneratore basti considerare che i liquami suini sono ca ratterizzati da un contenuto nel biogas grezzo prodotto di una quantit di idrogeno solforato che pu arrivare anche a 2 500 3 000 ppm 4 2 9 Manu
57. e della gestione degli effluenti prodotti nei ricoveri che consenta una frequente rimozione ed un rapido avvio all im pianto di digestione anaerobica In questo senso si distinguono nettamente le tecniche che prevedo no l uso di sistemi di rimozione frequenti quali ad esempio i raschiatori su pavimentazioni piene o fessurate e le fosse di stoccaggio sottostanti i pavimenti fesssurati nonch il tipo di lettime utilizzato In Tabella 8 riportata la resa indicativa in biogas di altre biomasse e scarti organici che possono es sere utilizzati con gli effluenti bovini per integrare la produzione di biogas 37 Bovini da latte e biogas CRPA spa Figura 8 Esempio di test di produzione di potenziale metanigeno per un liquame bovino fresco 1 40 as U spin ii 300 200 Velocit produzione Nm8 tSV giorno 100 Produzione CH Nm5 t SV Produzione cumulativa di metano Nm3 tSV Giorni Velocit di produzione di metano Nm3 tSV giorno Figura 9 Esempio di test di produzione di potenziale metanigeno per un solido separato da li quame bovino con uso di paglia 300 30 1 250 200 150 T 10 Velocit produzione Nm5 tSV giorno Produzione CH Nm t SV 91 Lo 40 Giorni 38 Bovini da latte e biogas CRPA spa Figura 10 Esempio di test di produzione di potenziale metanigeno per un solido separato da liqua
58. e di test BMP realizzato da CRPA Lab In senso orario laboratorio bio gas con consolle per la misura della qualit del biogas e armadi termostatati schema di principio della misura reattori gasometri 36 Bovini da latte e biogas CRPA spa 3 4 2 Potenziale metanigeno di diverse biomasse Il rendimento in biogas e quindi energetico del processo di digestione anaerobica molto variabile e dipende dalla biodegradabilit della sostanza organica del substrato trattato La sostanza organica rappresenta una frazione della sostanza secca di un substrato nel caso degli effluenti zootecnici pu variare dall 85 al 60 a seconda che si tratti di effluenti appena escreti ovvero di effluenti assoggetta ti a stoccaggio prolungato La differenza fra i due valori dipende dai processi di degradazione biolo gica che avvengono nei liquami ad opera della flora batterica presente La degradazione pu avveni re con diversi tipi di processi ma nel caso di stoccaggi statici tipici delle fosse presenti sotto i pavi menti fessurati la prevalenza del tipo anaerobico processi di digestione anaerobica infatti sono gi attivi nei liquami appena escreti e la loro permanenza nei ricoveri prima di essere avviati all im pianto di digestione anaerobica pu portare a perdite del potenziale metanigeno che possono arri vare anche al 50 60 Il fenomeno si osserva in tutti i tipi di effluenti maggiormente utilizzati per la produzione di biogas bovini e
59. e la sala mungitura 2 2 2 Stabulazione libera Nella stabulazione libera la superficie complessiva della stalla viene suddivisa in diverse aree funzio nali e precisamente 1 corsia di foraggiamento zona di transito dei mezzi adibiti alla distribuzione degli alimenti in mangiatoia 2 zona di alimentazione area destinata ad ospitare gli animali durante l alimentazione La pa vimentazione pu essere piena o fessurata con sottostante fossa di stoccaggio temporaneo delle deiezioni o preferibilmente di allontanamento rapido delle deiezioni Corsie di foraggiamento e alimentazione 3 zona di riposo la zona nella quale gli animali si recano preferibilmente a riposare La tipo logia di zona di riposo l elemento fondamentale che caratterizza una stalla a stabulazione li bera In base al tipo di zona di riposo adottato possono essere distinte 14 Bovini da latte e biogas CRPA spa e stalla a lettiera permanente presenta aree collettive a pavimentazione piana addi zionate periodicamente con paglia lunga o trinciata La lettiera permanente pu esse re mantenuta sufficientemente pulita e confortevole a condizione di aggiungere con frequenza settimanale o bisettimanale in funzione del periodo climatico cospicui quantitativi di paglia mediamente da 5 a 7 kg capo per giorno l asportazione della lettiera pu avvenire ogni 3 6 mesi in relazione ai piani di utilizzo agronomico dell a zienda Lett
60. e rende necessario un continuo controllo e trattamento 46 Bovini da latte e biogas CRPA spa Nel caso specifico dei cogeneratori l elevata presenza di idrogeno solforato determina una riduzione della vita utile dell olio di lubrificazione in quanto ne modifica le caratteristiche lubrificanti e impone una sua sostituzione pi frequente La sua rimozione generalmente ottenuta combinando inter venti che ne riducono la presenza nel reattore anaerobico e trattamenti di depurazione Nel primo caso la tecnica pi comunemente utilizzata di tipo biologico e viene ottenuta sfruttando la capacit di alcuni batteri autotrofi principalmente della famiglia dei Thiobacilli di ossidare i solfuri a zolfo elementare e solfati Visto che tali batteri necessitano di ossigeno necessario insufflare quantit controllate di aria all interno dei gasometri e provvedere all installazione di supporti fisici sui quali garantire lo sviluppo di tale flora batterica La quantit di ossigeno immessa deve essere atten tamente controllata per garantire una corretta distribuzione ed evitare che la sua concentrazione cre sca oltre il limite dello 0 5 1 in volume Percentuali di aria immessa dell ordine del 2 3 del volume di biogas prodotto possono arrivare a garantire rimozioni dell idrogeno solforato pari al 90 95 Il controllo del contenuto di ossigeno nel biogas prima del suo utilizzo al cogeneratore rappresenta il modo migliore per una corretta gestione
61. efflUEnti srrsvvrrrrrrrrsrereesenseneseceseseesesesreseseseseneone 13 2 2 1 Stabulazione fiSSA rririrrrcrrerecrerieriere sierici cre rie rioni rieri cre rre nie nie ri crei rie rien niere rie rie nine veveciceececieeenene 13 2 2 2 Stabulazione liDefg rmigricr aaa 14 22 3 Zona MURGIA initiative LE 2 3 Quantificazione delle disponibilit di biomassa da effluenti per biogas cc00e0 17 CAPITOLO 3 IL PROCESSO BIOLOGICO sssecscceoccccocccccoccccccocccccocccesocccsoceccecscccssoseese 22 3 1 Cos e come si utilizza il biogas ici a 24 3 2 Componenti dell impianto di biogaS s sssessssosecssooessosssecoosoccsosecssooessoossesoossececssssssososssso 26 3 2 1 Ricezio n delle materie DEM uncino ESEESE ENEKE TOER 27 3 2 2 Stoccaggio e pre trattamento delle materie prime iii 28 3 23 Sistemi di alimentazione sanninna ear esea aeon e aes ane kiikarin ink 28 Ioia 29 Risc ldamento GIISCEROZIONE nidi 30 32 0 stoccaggio e trattamenti DIOGOS ica 31 3 3 Parametri di PIOCESSO una 32 3 4 Substrati avviabili alla digestione anaerobica s s sssscsssosecsscesesoossscososossosososoeseccsesessssos 33 3 4 1 Determinazione del potenziale metanigeno sseesssssssssseesessssseeceeessssssseeceeessssssseeesseesenseessseeee 34 3 4 2 Potenziale metanigeno di diverse DIOM SSE Licinio 37 CAPITOLO 4 BUONE PRATICHE DI GESTIONE vvssrrsrrrrrscerereseesresesesereceseeneeeoee0 40
62. elazione Particolare attenzione deve essere posta inoltre alla temperatura della matrice alimentata nel dige store Significative differenze tra la temperatura del substrato in ingresso ed interno al digestore pos sono verificarsi ad esempio dopo il processo di igienizzazione nei casi estremi si pu arrivare fino a 130 C o durante la stagione invernale inferiore a 0 C Queste differenze inibiscono il processo mi crobiologico causando una diminuzione nella produzione di biogas Per evitare questo inconvenien te opportuno prevedere una pre vasca di omogeneizzazione opportunamente dimensionata ed eventualmente riscaldata 3 2 4 Il digestore Il nucleo dell impianto di biogas il digestore Ci sono diverse soluzioni costruttive possibili cemento armato lamiere in acciaio inox vetrificato ecc prefabbricati Le forme del digestore pi realizzate sono cilindrica a sviluppo verticale e orizzontale cilindrico conica ovoidale sferica La progettazione di un impianto di biogas e la tipologia di digestore dipendono dal substrato digerito contenuto di sostanza secca e dalla tecnica di processo Le tecniche di digestione anaerobica possono essere suddivise in due gruppi principali e digestione a secco quando il contenuto di sostanza secca del substrato presente nel digestore superiore al 20 e digestione a umido quando il contenuto di sostanza secca del substrato presente nel digesto re inferiore al 10 questa
63. elevata degradabilit che caratterizza i prodotti avviabili a digestione rappresenta un fattore da te nere in considerazione quando si dimensiona la sezione di ricezione e le sue caratteristiche Un pro dotto insilabile ad esempio potr essere stoccato in trincee orizzontali viceversa un prodotto non insilabile perch troppo umido o povero di zuccheri fermentescibili dovr essere gestito con con tratti di approvvigionamento costanti e continuative nel tempo Ne consegue che prodotti con ele vata disponibilit ma limitata nel tempo e non insilabili non possono rappresentare l unica matrice di approvvigionamento Lo stoccaggio delle materie prime serve quindi principalmente per compensare le fluttuazioni sta gionali della fornitura e la miscelazione dei diversi substrati per un alimentazione continua e costante del digestore La tipologia di stoccaggio dipende dalle materie prime utilizzate Possono essere silos a trincea per le matrici solide ad esempio insilato di mais e vasche di stoccaggio per le matrici liqui de ad esempio liquami effluenti Di solito i silos hanno la capacit di stoccaggio delle matrici per pi di un anno mentre le vasche per alcuni giorni In alcuni casi vengono utilizzati anche i silos verti cali Il dimensionamento delle strutture di stoccaggio determinato dalle quantit di matrici che de vono essere conservate dagli intervalli di tempo di consegna e dalla quantit giornaliera alimentata nel digest
64. elevati La separazione solido liquido rappresen ta la tecnica pi semplice per concentrare la sostanza organica ed i nutrienti in una frazione pi den sa Ci di particolare interesse quando il digestato deve essere trasportato lontano a causa della presenza di surplus azotati nell area adiacente all impianto Il digestato sottoposto a separazione soli do liquido genera una frazione chiarificata che contiene buoni livelli di azoto in forma ammoniacale compreso quello mineralizzatosi nel corso della digestione e una frazione solida o addensata con un elevata percentuale di sostanza organica parzialmente stabilizzata La frazione chiarificata pu essere utilizzata per fertilizzare le colture in luogo del concime di sintesi potendo conseguire un elevato coefficiente d efficienza se distribuita in periodi coincidenti con lo sviluppo colturale e facendo in modo di limitare le emissioni gassose ammoniacali La frazione solida contenente sostanza organica che in funzione dell efficienza del processo ha ancora una degradabili t pi o meno elevata pu invece essere valorizzata ai fini ammendanti o volendo energetici Si con sideri a questo proposito la fame di sostanza organica per i suoli che a livello nazionale ha portato ad un netto incremento dell impiego di ammendanti circa quadruplicati nell ultima decina di anni Da un punto di vista della gestione pratica degli effluenti inoltre la separazione solido liquido pre viene
65. escita intensa per poi ridurre la velo cit di produzione in una seconda fase sino a tendere nell ultima parte ad un asintoto orizzontale che rappresenta il valore massimo di produzione Il dispositivo realizzato da CRPA Lab dispone di 32 reattori indipendenti e dotati ciascuno di una pro pria linea di raccolta del gas Vista l importanza che ha la determinazione della quantit di gas svilup pato il dispositivo stato realizzato con un doppio di sistema di misura in serie manometrico e mas sico Il gas prodotto nel reattore viene misurato continuamente e direttamente all interno del dige store analizzando l incremento di pressione nello spazio di testa con metodo manometrico la produ zione di gas direttamente proporzionale all incremento di pressione nello spazio di testa del dige store Ogni volta che la pressione del gas raggiunge una soglia preimpostata una valvola si apre e il contenuto dello spazio di testa viene svuotato in un piccolo gasometro esterno Una volta raggiunta la massa critica sufficiente a flussare l analizzatore di qualit il biogas viene pompato attraverso un sensore massico a dispersione termica il sensore massico a dispersione termica misura la massa di biogas fluente attraverso una correlazione con la dissipazione di calore da una superficie riscaldata corretta per la composizione specifica del biogas analizzato Accanto alla misura della produzione di biogas il test prevede ovviamente anche la determina
66. esi primaverili e a 120 125 t giorno nei mesi estivi le differenze sono da imputare alla presenza di siste mi di raffrescamento evaporativo nelle stalle delle vacche produttive che determinano in estate una notevole diluizione dei liquami prodotti In definitiva la disponibilit di solidi totali risultata media mente pari a circa 11 000 kg giorno con una percentuale media di solidi volatili dell 81 circa ovve ro se rapportati ai capi produttivi pari a 12 3 kg capo produttivo 9 7 kgSV capo produttivo 5 2 Descrizione dell impianto L impianto configurato con un sistema di pre trattamento degli effluenti al carico due digestori anaerobici completamente miscelati e riscaldati in regime mesofilo coperti con teli gasometrici a doppia membrana Tabella 16 un sistema di separazione solido liquido a compressione elicoidale del digestato e una vasca di stoccaggio della frazione chiarificata coperta con telo per il contenimen to delle emissioni gassose residue liquami prodotti dai due centri aziendali vengono convogliati in una vasca di miscelazione predi sposta per essere riscaldata e inoculata con una quota di digestato di ricircolo Il carico del letame nella vasca di miscelazione viene effettuato per mezzo di uno specifico carro dosatore automatico equipaggiato con celle di carico per monitorare le quantit mentre la triturazione delle frazioni pa gliose viene ottenuta per mezzo di una particolare pompa trituratrice attrezza
67. etanigeni Batteri metanigeni acetoclastici idrogenotrofi 3 1 Cos e come si utilizza il biogas Il biogas una miscela composta prevalentemente da metano e da anidride carbonica con tracce di idrogeno idrogeno solforato ammoniaca ammine e vapore acqueo La composizione e il rapporto dei diversi gas dipendono dalle caratteristiche chimiche dei substrati organici utilizzati in particolare dal rapporto fra carbonio ossigeno idrogeno azoto e zolfo In linea generale composti con una ele vata presenza di ossigeno portano alla produzione di biogas pi ricco di anidride carbonica e vice versa La digestione anaerobica per il trattamento delle biomasse organiche trova applicazione negli alleva menti zootecnici perch e accelera il processo di stabilizzazione dei liquami destinati allo stoccaggio e al successivo uti lizzo agronomico e permette un buon abbattimento degli odori e delle emissioni di metano gas serra e di am moniaca 24 Bovini da latte e biogas CRPA spa e consente il recupero di energia rinnovabile biogas dai liquami La trasformazione del biogas in energia utilizzabile in azienda pu avvenire e per combustione diretta in caldaia con produzione di sola energia termica e per combustione in motori azionanti gruppi elettrogeni per la produzione di energia elettri ca e per combustione in cogeneratori per la produzione combinata di energia elettrica e di ener gia termica Con 1 m di biog
68. fica di biogas rapportate sia alla volume tria utile del digestore che alla quantit di solidi volatili caricati Anche in questo caso in entrambe le curve si pu osservare chiaramente una prima fase di avviamento in cui all aumentare del carico or ganico e della messa a regime del processo biologico le rese specifiche aumentano progressivamen te fino ad arrivare ad una fase stabile in cui i valori oscillano in un intervallo piuttosto ristretto Le va riazioni riscontrate sono riconducibili principalmente a due motivi e interventi sulle componenti elettromeccaniche di regolazione miscelazione riscaldamento carico regolazione delle pressioni regolazioni del motore ecc al fine di individuare i para metri ottimali di funzionamento e variabilit delle matrici dovuta principalmente alla diluizione le precipitazioni qualora gli scarichi dei pluviali o la raccolta degli sgrondi dai paddock non siano regimentati a dovere possono anche raddoppiare o triplicare le quantit di effluente prodotte giornalmente e de terminare una conseguente diluizione alla modifica della dieta nella stalla all utilizzo di una quantit pi o meno elevata di lettime La produzione volumetrica media di biogas nella fase a regime risultata pari a circa 0 92 m di bio gas m di volume utile giorno La produzione di biogas rapportata alla quantit di solidi volatili ri sultata sempre nel periodo a regime pari mediamente a 380 400 m di biogas t S
69. fluenti della zona mungitura derivanti dai diversi lavaggi in alleva menti a diversa capienza Vacche Mammelle Zona sporca Zona pulita Impianto mun Totale gitura n m mese m mese m mese m mese m mese I capo giorno 50 6 36 4 4 14 4 60 8 40 5 80 9 6 49 9 5 4 21 6 86 5 36 120 14 4 63 5 6 1 25 2 109 2 30 3 180 21 6 87 8 7 4 36 152 8 28 3 250 30 111 5 8 6 43 2 193 3 25 8 L allevamento bovino a stabulazione libera soprattutto quando costituito da corpi separati caratte rizzato da ampie superfici sia coperte che scoperte Le acque meteoriche intercettate dall alleva 42 Bovini da latte e biogas CRPA spa mento quindi possono essere molto significative in termini volumetrici importante prevedere opere di ristrutturazione che permettano l avvio separato delle acque meteoriche a canali di scolo al fine di evitare il rischio potenzialmente molto elevato di forte diluizione del liquame al carico del di gestore anaerobico 4 1 4 Gestione del paddock Nelle stalle a corpi separati consigliato limitare l ampiezza dei paddock in modo da ridurre la dilui zione delle deiezioni con acqua piovana e contenere quindi il volume degli effluenti Nel caso ci non fosse possibile occorre gestire le vasche di collettamento degli effluenti generalmente posizio nate in testa agli stessi paddock con pompe separate al fine di avviare il liquame e le piogge ricaden ti i
70. gli alimenti somministrati e di conseguenza hanno la maggiore escrezione di feci Allo stesso modo la quantit di paglia o altro lettime utilizzato nelle diverse fasi importante per la definizione delle potenzialit produttive Bovini da latte e biogas CRPA spa 2 2 Tecniche di stabulazione e rimozione effluenti Nella progettazione classica di una stalla per bovini da latte i principi che sono sempre stati presi in considerazione hanno riguardato e fornire agli animali le condizioni ambientali idonee e assicurare agli addetti di stalla il massimo comfort lavorativo in condizioni di sicurezza e contenere i costi di costruzione e limitare gli oneri di esercizio e permettere eventuali adattamenti per l adozione di nuove tecnologie e ridurre entro limiti accettabili l impatto ambientale La progettazione e la conduzione di una stalla abbinata a un impianto di digestione anaerobica deve oltre a quanto elencato precedentemente tenere in considerazione nuovi aspetti e garantire di ridurre al minimo le perdite di potenziale metanigeno delle deiezioni e delle lettiere prodotte adottando tecniche di gestione a rimozione rapida e frequente e ridurre al minimo la contaminazione con sostanze potenzialmente pericolose per la micro biologia anaerobica e gestire separatamente le acque meteoriche e o di processo Di seguito vengono riepilogate in modo sommario le principali tecniche di stabulazione e gli effetti che queste
71. goria di ani mali e la percentuale dei capi da rimonta sui capi totali della mandria dipende da diversi fattori or ganizzativi pertanto non il numero assoluto di capi presenti che determina il potenziale produttivo ma la composizione degli stessi Una volta definito il potenziale produttivo di solidi totali il potenziale produttivo di biogas ottenibi le semplicemente moltiplicando la quantit di solidi totali escreti per la percentuale di solidi volatili in questi presenti e per la resa in metano Ocyy STx SV x Ex R dove e ST quantit giornaliera annua di solidi totali escreti e SV percentuale di solidi volatili nei solidi totali in Tabella 4 i valori medi indicativi e E efficienza di rimozione e o perdita di potenziale produttivo in stalla pu andare da 0 nel caso di sistemi di rimozione a raschiatore due volte a giorno al 40 50 per sistemi con fossa di stoccaggio prolungato e R resa di conversione in metano in Tabella 4 i valori medi indicativi Le quantit di effluenti infine devono essere calcolate in base alla tecnica di allevamento alla forma Bovini da latte e biogas CRPA spa con cui vengono prodotti palabili e o pompabili alle volumetrie di acque di processo che diluisco no gli effluenti escreti alle eventuali escrezioni al pascolo e alle analisi chimiche condotte in loco In Tabella 6 vengono riportate le quantit medie di effluenti pompabili e palabili generati negli alleva men
72. he in un anno esce dal ciclo produttivo si utilizza la seguente formula _ Pax100 Q Pc dove e Pa numero medio parti vacca per anno e Pc numero medio parti vacca per carriera A titolo puramente esemplificativo si riporta il calcolo delle esigenze in capi da rimonta di un alleva mento bovino da latte con 100 vacche in produzione e con rimonta interna Nell esempio seguente si sono considerate percentuali di aumento del 15 per le manze e del 20 per le vitelle manzette e interparto medio 390 giorni e n medio parti vacca per anno 365 390 0 94 e n medio parti vacca per carriera 3 5 e quota media di rimonta 0 94 x 100 3 5 27 e vacche riformate per anno 27 e fabbisogno manze da 12 a 29 mesi 27 x 1 15 31 e fabbisogno vitelle manzette da 0 a 12 mesi 31 x 1 2 37 ne consegue che i capi mediamente presenti sono e vitelle manzette 37 periodo di accrescimento 12 mesi pari al 20 della mandria e manze 31x8 12 21 periodo di accrescimento 8 mesi pari all 11 6 della mandria e manze gravide 31 x 9 12 23 periodo di accrescimento 9 mesi 12 7 della mandria e vacche in produzione 100 pari al 55 della mandria Di queste circa il 15 sono in asciutta e l 85 in lattazione La ripartizione della mandria molto importante per valutare le potenzialit produttive in termini di biogas capi produttivi in particolare le vacche in lattazione infatti sono quelle che ingeriscono la maggior parte de
73. he stabulative dell alleva mento bovino da latte con le indicazioni sulle criticit e sulla loro gestione ottimale 2 1 Organizzazione della stalla bovina e gestione effluenti Nell azienda bovina da latte si allevano vacche e capi da rimonta questi ultimi sono i bovini a diverso stadio di accrescimento destinati a sostituire le lattifere a fine carriera o quelle prematuramente scar tate per problemi sanitari o riproduttivi Si possono distinguere le seguenti categorie bovine e vitello bovino dalla nascita fino a 6 mesi di et e manzetta femmina bovina dai 6 ai 12 mesi di et e manza femmina bovina di oltre 12 mesi di et e fino all ingravidamento mediamente 20 mesi di et e manza gravida femmina bovina dall ingravidamento fino al parto Mediamente da 20 a 29 mesi di et Bovini da latte e biogas CRPA spa e vacca in produzione femmina bovina adulta dopo il primo parto somma delle vacche in lattazione e delle vacche in asciutta e vacca in lattazione vacca che produce latte e vacca in asciutta vacca in riposo produttivo nell intervallo fra due lattazioni e toro maschio bovino intero adibito alla riproduzione Il numero di bovini da rimonta necessari per garantire un efficace sostituzione delle vacche riformate dipende da numerosi fattori fra i quali hanno particolare importanza i parametri riproduttivi medi della mandria Per il calcolo della quota di rimonta Q ovvero della percentuale di vacche c
74. i CRPA Sotto il profilo delle forme azotate stato evidenziato che durante il processo di digestione anaero bica parte dell azoto organico caricato viene trasformato in azoto ammoniacale Figura 11 nella composizione iniziale del liquame suinicolo la percentuale di azoto ammoniacale era del 62 dell a zoto totale NTK mentre risultata del 73 nel digestato prodotto stessa cosa avvenuta per il li quame bovino dove passata dal 43 al 52 e per la co digestione con insilati di mais con un aumen to dal 22 al 56 Il fenomeno risultato molto pi evidente nella co digestione perch in questo ca so l azoto presente in partenza era fornito prevalentemente dall insilato di mais e quindi organico A ci si aggiunge che l azoto organico del silomais non stato sottoposto ad alcuno sfruttamento da parte di apparati digerenti animali e di conseguenza risultato molto pi reattivo rispetto a quello escreto da suini e bovini 54 Bovini da latte e biogas CRPA spa Figura 11 Trasformazione delle forme azotate durante il processo di digestione anae robica LS carico LS digestato LB carico LB digestato LB amp M170d carico LB SM170 giorni digestato LS Liquame suino LB Liquame bovino SM SiloMais E N NH4 MN org 4 3 2 Separazione solido liquido Il digestato quasi sempre caratterizzato da un alto contenuto di acqua che determina costi di ge stione trasporto e distribuzione in campo piuttosto
75. i attesa e della sala del latte e di eventuali servizi e dell impianto di mungitura e del serbatoio refrigerante Le indicazioni bibliografiche in materia cos come le numerose rilevazioni fatte dal CRPA presso alle vamenti a stabulazione libera evidenziano consumi idrici per le operazioni di lavaggio variabili da 20 a 100 l giorno per vacca in lattazione A tal proposito si consideri che una vacca in lattazione ingeri sce mediamente 100 l giorno di acqua e ne escreta con le urine e le feci circa 50 60 l giorno La note vole eterogeneit di questi dati legata alla diversa organizzazione aziendale sia in termini di dispo sizione planimetrica e di superficie delle diverse aree della zona di mungitura sia relativamente allo svolgimento delle operazioni di pulizia La limitazione dei consumi idrici realizzabile utilizzando ac qua in pressione per il lavaggio dei pavimenti e razionalizzando il lavaggio dei piedi delle vacche In particolare sono da evitarsi le sale d attesa a vasca completamente riempite d acqua responsabili di elevate produzioni di effluenti fino a 30 40 I giorno per capo in lattazione per il solo pediluvio Il la vaggio disinfettante dei piedi comunque irrinunciabile per la sua azione di profilassi nei confronti delle malattie podali deve essere realizzato mediante buche o vasche di limitate dimensioni poste in sala d attesa o all uscita della sala di mungitura per esempio sul corridoio di ritorno Tali acque d
76. i di carico legato soprattutto agli elevati fabbisogni di energia termica per il riscaldamento degli effluenti alimentati al digestore A tale proposito si ten ga presente che i liquami bovini possono arrivare al digestore anaerobico a temperature che posso no essere anche prossime a 0 C e devono essere riscaldate alla temperatura di processo di 38 40 C Di fronte a cali di temperatura del reattore sempre consigliabile una riduzione dell alimentazione dei prodotti pi liquidi e un contestuale incremento dei carichi di materiale pi concentrato tenendo 44 Bovini da latte e biogas CRPA spa presente che le reazioni biologiche raddoppiano di velocit ogni circa dieci gradi di aumento della temperatura Tale necessit particolarmente importante nei seguenti casi presenza di sistemi di stabulazione con produzione prevalente di liquami piuttosto che di let tiere presenza di ampie superfici di paddock con collettamento di acque meteoriche nei periodi pi piovosi occorre prevedere una gestione oculata e ove possibile una parziale deviazione delle acque di scolo dalle superfici pavimentate impermeabilizzate presenza di sistemi di collettamento delle acque meteoriche convogliati alle vasche di raccol ta degli effluenti zootecnici importante prevedere opere di ristrutturazione che prevedano l avvio separato delle acque meteoriche presenza di sistemi di raffrescamento evaporativo nelle stalle essenziale tenere
77. idrogeno e la capacit della flora batterica metanigena di convertire questi ultimi composti a metano e anidride carbonica Uno squilibrio dell attivit delle due componenti batteriche pu portare a gravi squilibri che possono repentina mente spostare il pH e causare arresti dell attivit microbiologica produzione specifica di biogas data dalla quantit di biogas prodotta rispetto alla quantit di solidi volatili alimentati al reattore m biogas kg SV giorno un parametro di misura dell effi cienza di conversione della biomassa una variazione di questo rapporto pu essere indotta da una modifica sostanziale della miscela alimentata o da problemi tecnologici miscelazione riscal damento inibizione Esiste inoltre una serie di parametri chimici utili a comprendere se le condizioni operative di un de terminato processo si mantengono stabili e se i fattori inibenti negativi riescono ad essere mantenuti sotto controllo Tali parametri la cui variabilit condiziona la metanogenesi e quindi le rese in biogas sono pH valori tra 7 e 8 sono generalmente indice di stabilit del mezzo di reazione Il valore del pH in un digestore la risultante della contemporanea presenza di composti differenti quali CO in so luzione legata alla sua pressione parziale nella fase gassosa acidi organici volatili es acido ace tico e propionico ammoniaca Una repentina diminuzione del valore di pH segnale di sovrali mentazione del digesto
78. iera permanente con corsia di alimentazione pulita con raschiatore stalla a lettiera inclinata una tipolo gia derivata dalla lettiera permanente e di pi recente introduzione Differisce principalmente per il fatto che la pavi mentazione della zona di riposo pen dente ed posta ad un livello pi alto ri spetto a quello della zona di alimenta zione La lettiera grazie all inclinazione e all azione di calpestamento degli anima li tende a scivolare verso la zona di ali mentazione dalla quale viene asportata meccanicamente Per agevolare il calpestamento e la conseguente movimentazione si deve adottare una tipologia edile accorpata Con l adozione di questa tipologia vi la produzione di un unico tipo di effluente dalla zona di alimentazione costituito da una miscela di letame paglioso e di liquame Con le opportune quantit di paglia il materiale misto complessivo pu essere agevolmente stoccato come letame in conci maia Lettiera inclinata stalla a cuccette caratterizzata dal fatto di avere una zona di riposo suddivisa in po sti singoli Di fatto ciascun animale ha a disposizione un area ben delimitata nella qua Mia as i ABS E ma t Stalla groppa a groppa e testa a testa 15 Bovini da latte e biogas CRPA spa 4 le appartarsi per riposare Con questa tecnica le zone destinate al riposo sono netta mente separate da quelle destinate agli spostamenti corsia di smistamento
79. iiiaaiaiii 60 CAPITOLO 5 ESEMPIO DI IMPIANTO A EFFLUENTI ZOOTECNICI ssv0000 0000000003 5 1 Descrizione dell azienda in area Parmigiano Reggiano srrrrrrrrerscceseesecesneneseeeceneseo 63 5 2 Descrizione dell impiamto c crrz rr iccirzinicrcorinicinicnzinianz zz nisinniicni zarina ciniananani 64 5 3 T i AEAEE osa RETI aac E TE AE E NA EE ANE E tests 66 5 4 Conclusionii sissssisiccrriviciniicsiczaescezivenisoniinIasaRascatacicanisnisiscsetesasssssasssssadsantiisntanevcntincscsisicani e 67 Bovini da latte e biogas CRPA spa Presentazione Quello a cavallo fra il 2010 e il 2011 stato un anno di grande sviluppo del settore biogas che ha vi sto passare il numero di impianti a 521 dai precedenti 273 CRPA 2010 con la potenza elettrica in stallata che passata da 350 MWe dai precedenti 140 Tabella 1 Quest ultimo dato di potenza elet trica raggiunta riferito ai 472 impianti per i quali disponibile il dato 92 del totale essendo pre senti 11 impianti che utilizzano biogas in caldaia e aumenta a circa 380 MWe ipotizzando per i rima nenti impianti una potenza media pari a quella censita Il 75 degli impianti 391 gi operativo mentre il restante 25 130 risulta in costruzione o prossimo ad entrare in operativit grafici di Fi gura 1 e Figura 2 illustrano in modo esaustivo lo sviluppo esponenziale che il settore ha avuto nell ul timo biennio a titolo indicativo si fa notare che dal 20
80. impianti alimentati a biomasse vegetali dedicate occorre precisare che gli autocon sumi sono inevitabilmente pi elevati perch le rese per unit di solidi volatili e le concentrazioni di sostanza secca sono pi basse e ci comporta un maggior dispendio per la movimentazione e la mi scelazione 67 Bovini da latte e biogas CRPA spa Ovviamente a favore degli effluenti zootecnici occorre ribadire che i costi di approvvigionamento so no molto bassi o nulli e a bilancio andrebbero iscritti anche tutti i benefici ambientali di riduzione delle emissioni in atmosfera di gas ad effetto serra e di riduzione delle lamentele della popolazione conseguenti alla distribuzione agronomica di un prodotto ad impatto olfattivo decisamente pi bas so dell effluente zootecnico non sottoposto a digestione anaerobica Tabella 15 Caratteristiche chimiche degli effluenti avviati a digestione anaerobica pH ST SV NTK N NH Tipologia di effluente g kg g kg ST mg kg ST mg kg NTK liquame tan seque diavaggia 2354 48 9 40 9 828 1493 46 656 43 9 sala mungitura liquame senza acgue di lavag 7 25 80 4 634 787 3 097 43 1585 512 gio sala mungitura Letame 8 03 163 9 137 3 83 8 4 610 2 9 1 492 32 4 Tabella 16 Caratteristiche costruttive dell impianto Parametro Valore Tipologia CSTR Numero digestori n 2 Volume totale lordo m 4 560 Volume totale net
81. inviati al processo di digestione anaerobica Essa dovrebbe essere valorizzata ai fini ammendanti magari ulteriormente stabilizzata per mezzo del compostaggio tale sostanza organica pu risultare di grande utilit per ri pristinare il bilancio umico dei suoli soprattutto quelli italiani e padani che hanno perso negli ultimi 50 60 anni circa il 50 del contenuto di sostanza organica totale 3 Riduzione delle emissioni di gas serra anidride carbonica metano protossido di azoto Con la digestione anaerobica si converte parte della sostanza organica in ingresso agli impianti in metano contenuto nel biogas poi utilizzato in cogenerazione e quindi convertito in anidride carbo nica in tal modo oltre a sostituire combustibili fossili si evitano le emissioni di importanti quote di metano che si originerebbero in modo naturale dagli stoccaggi degli effluenti zootecnici Si ricorda che il metano ha un potenziale serra Global Warming Potential 21 volte maggiore rispetto all anidri de carbonica Le emissioni di protossido di azoto importante gas serra di derivazione principalmente agricola so no funzione della quantit di azoto applicata al suolo e della presenza di sostanza organica facilmen te biodegradabile fattori che rendono il potenziale di emissione pi elevato Il digestato contiene un materiale organico piuttosto stabilizzato in seguito ai processi operati dalla digestione anaerobica con effetto mitigante sulle emissioni di protossi
82. ioni localizzati prevalente mente nelle tubazioni di uscita dei liquami digeriti negli stramazzi nelle zone di aspirazione del le pompe centrifughe e negli scambiatori di calore La causa pi frequente sembra essere la for mazione di precipitati di fosfato ammonico magnesiaco altamente insolubili nelle condizioni di pH del reattore La presenza di solidi sospesi inorganici in forma cristallina ad es sabbia pu rendere pi probabile la precipitazione chimica secondo un fenomeno di nucleazione che vie ne ulteriormente e decisamente accelerato in presenza di brusche variazioni di pH verso l alcali nit quali quelle che si determinano in seguito ad una subitanea variazione della pressione par ziale dell anidride carbonica quando l effluente viene messo a contatto con l aria oppure in un salto termico variando la solubilit dell anidride carbonica Per queste ragioni le tubazioni di uscita del liquame digerito vanno realizzate in materiali lisci preferibilmente materie plastiche li sce che non abbiano punti di attacco dei precipitati lo stramazzo dei liquami deve essere ac cessibile ed eventuali inizi di incrostazioni vanno rimossi meccanicamente appena si formano protezione dal gelo le linee di alimentazione e di scarico liquami i ricircoli e le tubazioni del 51 Bovini da latte e biogas CRPA spa gas nonch le pompe poste esternamente possono subire danni a causa del gelo Si raccomanda pertanto che tutte le tu
83. l biogas di rettamente nel digestore o nel gasometro in cui stoccato generalmente si aggiunge aria in propor zione dal 2 al 6 del biogas prodotto microrganismi responsabili di tale processo crescono sulle micro aree superficiali del digestato ovvero su reti o cinghie appositamente installate all interno del digestore dove esplicano la loro azione formando agglomerati gialli di zolfo e riducendo quando nelle condizioni ottimali di reazione la concentrazione di H S anche del 95 e fino a livelli inferiori a 50 ppm Le condutture utilizzate negli impianti di biogas devono essere resistenti alla corrosione e idonee a gestire specifici tipi di materiali quali biogas e biomasse materiali usati per le condutture dipendo no dalla portata del carico e dalla pressione e possono essere in PVC EPDM acciaio e acciaio inossi dabile Giunti valvole aperture per la pulizia e manometri devono essere accessibili di facile manu tenzione e resistenti al gelo In alcuni casi le tubature devono essere coibentate 31 Bovini da latte e biogas CRPA spa 3 3 Parametri di processo Data la complessit del processo di digestione anaerobica e la molteplicit dei meccanismi di reazio ne coinvolti diversi sono i parametri che devono essere monitorati per tenerne sotto controllo l an damento globale Alcuni parametri concernono le caratteristiche chimico fisiche del substrato utiliz zato contenuto di sostanza secca sostanza organica
84. l digestore con con seguenti problemi legati alla miscelazione regolarit nella distribuzione del carico nella giornata che deve essere frazionato quanto pi possibile per evitare sovraccarichi improvvisi di materiale organico e picchi di produzione istantanei che potrebbero portare nel caso di cupole gasometriche troppo piccole a perdite di gas controllo del contenuto di solidi totali e volatili dei prodotti il gestore dovrebbe prevedere il controllo analitico del contenuto di questi parametri in modo da assicurare la corretta dieta anche in termini di materiale organico kg di solidi volatili per metro cubo di digestore e per giorno contenuto di solidi totali e volatili all interno del digestore la determinazione periodica su base almeno mensile del contenuto di solidi totali e volatili del digestato presente nei reatto ri consente di valutare correttamente se il processo degrada regolarmente gli effluenti carica ti se vi sono accumuli o dilavamenti del digestore dati di carico e analitici dovrebbero essere regolarmente registrati e tenuti a disposizione per una corretta valutazione del processo nel tempo 45 Bovini da latte e biogas CRPA spa 4 2 3 Miscelazione e controllo flottazioni stratificazioni La miscelazione dei digestori assolve principalmente alle seguenti funzioni distribuzione omogenea del materiale fresco caricato a tutta la flora batterica presente nel di gestore evitare fenomeni di by
85. la tecnica pi diffusa in particolare con i liquami zootecnici e in co digestione con biomasse e sottoprodotti agro industriali Processi con valori intermedi di sostanza secca sono meno comuni e vengono in genere definiti a se misecco Il processo di digestione anaerobica anche suddiviso in e processo monostadio quando le fasi di idrolisi fermentazione acida e metanigena avvengo no contemporaneamente in un unico reattore e processo bistadio quando si ha un primo digestore nel quale il substrato organico viene pri ma idrolizzato e quindi convertito in acido acetico idrogeno e CO mentre la fase metanigena avviene in un secondo digestore Una ulteriore suddivisione dei processi di digestione anaerobica pu essere fatta in base al tipo di ali mentazione del reattore che pu essere continua o discontinua e in base al fatto che il substrato al l interno del reattore venga miscelato o venga spinto lungo l asse longitudinale attraversando fasi di processo via via diverse flusso a pistone 29 Bovini da latte e biogas CRPA spa La digestione anaerobica pu inoltre essere condotta come gi ricordato o in condizioni mesofile circa 35 38 C o termofile circa 50 55 C la scelta tra le due determina in genere anche la durata tempo di ritenzione idraulica HRT del processo Con impiantistica di tipo semplificato possibile operare anche in psicrofilia 10 25 C con l HRT superiore ai 30 giorni fino anche
86. le La produzione netta giornaliera quindi risultata pari a 5 550 kWh che estesa all annualit permette di conseguire un risultato produttivo totale di circa 2 000 MWh anno In Tabella 17 sono riportati i dati analitici del digestato tal quale e delle due frazioni dopo separazio ne solido liquido Considerando il rapporto SV ST iniziale e finale 83 9 vs 72 2 possibile calco lare una efficienza di conversione della sostanza organica pari al 50 4 Durante la digestione anae robica parte della quota di azoto organico viene convertita in azoto ammoniacale la concentrazione di azoto totale fra la miscela al carico e il digestato prima della separazione rimane pressoch inalte rata mentre aumenta la quota di azoto ammoniacale da 1 420 mg kg a 2 039 mg kg Durante la se parazione solido liquida l azoto ammoniacale rimane prevalentemente nella frazione chiarificata mentre una quota pi significativa dell azoto organico viene segregato nella frazione palabile L effi cienza di separazione intesa come quota di ogni parametro analizzato che viene ritrovato nella fra zione palabile in rapporto alla quantit trattata per i diversi parametri risultata quindi pari a 8 6 in peso 36 8 in solidi totali 45 2 in solidi volatili 12 9 in azoto totale e 7 6 in azoto ammonia cale 5 4 Conclusioni L esperienza condotta presso l azienda dei F lli Pedrotti di Reggio Emilia seppur limitata a soli 6 mesi ha confermato che gli im
87. lla quantit di paglia utilizzata e dall efficienza di rimozione degli effluenti La quantit di sostanza secca prodotta nell allevamento pu essere raccolta con due modalit e sotto forma di effluente pompabile con poco lettime liquame e sotto forma di effluente palabile con paglia in abbondanza letame Bovini da latte e biogas CRPA spa Le caratteristiche chimico fisiche delle due tipologie di effluenti sono molto variabili sia nel corso del tempo che da azienda ad azienda In Tabella 4 e Tabella 6 vengono illustrate le principali caratteristi che chimiche dei liquami e letami bovini nonch i quantitativi mediamente prodotti al netto di eventuali altri volumi di acque di processo e o meteoriche con le diverse tecniche di stabulazione La definizione esatta delle quantit di effluenti e del relativo contenuto di solidi totali e volatili tuttavia non di facile misura e pu portare a stime anche molto diverse dalla reale disponibilit Ci impu tato spesso alla mancata conoscenza e o misura diretta delle quantit prodotte dalle modifiche nel tempo delle tecniche di gestione dalla difficile quantificazione delle acque meteoriche o delle acque di processo dalle perdite in ricovero e dalle escrezioni al pascolo Figura 12 Ne consegue che per una corretta definizione del potenziale produttivo di biogas la strada da segui re quella di partire in primo luogo dalle quantit di solidi totali escrete con le feci dagli
88. mangime Nell allevamento italiano di suino pesante per la produzione di prosciutto si utilizza generalmente l alimentazione a broda con 3 4 parti di acqua o siero ogni una di mangime liquame bovino il contenuto di solidi totali oscilla tra l 8 e il 15 e varia oltre che in funzione del tipo di allevamento anche in base alla quantit di paglia aggiunta nelle stalle L effetto di diluizio ne minimo rispetto alle deiezioni suine sia per il metodo di rimozione generalmente usato ra schiatori sia perch normalmente le zone calpestate dal bestiame vengono pulite e risciacquate con basse quantit di acqua letame bovino il contenuto di solidi totali oscilla tra il 18 e il 35 e varia oltre che in funzione del tipo di allevamento anche in base alla quantit di paglia aggiunta nelle stalle La notevole pre senza di paglia e la consistenza pastosa possono essere i due vincoli pi importanti per questa ti pologia di prodotto deiezioni avicole tra le varie deiezioni avicole la pollina di galline ovaiole quella che pi si pre sta alla digestione anaerobica perch l allevamento in gabbie non prevede l uso di lettiera Le deiezioni asportate fresche presentano un contenuto in solidi totali del 18 20 e alto contenuto di azoto L ammoniaca che si libera in presenza di acqua per idrolisi enzimatica pu raggiungere alte concentrazioni e inibire il processo di digestione e dare luogo a forti emissioni nella fase di 33 Bovini da
89. me bovino con uso di segatura 100 10 gt N 55 3 35 5 EE o W a 5 gt i N E 3 6 ua i N O 8 o o gt 11 00 0 0 10 20 30 40 50 Produzione cumulativa di metano Nm3 tSV Gi orni amp Velocit di produzione di metano Nm3 tSV giorno Tabella 8 Rese medie e caratteristiche chimiche medie di alcuni substrati utilizzabili per la produzione di biogas Solidi Biogas CH NTK f Solidi Biogas CH NTK Matrice volatili m kg ST Matrice volatili m kg ST o o kg t SV kg t SV Liquami zootecnici Liquame suino 30 0 50 67 8 Liquame bovino 82 0 35 55 4 7 solo P bovi 200 04 55 25 Letamebovino 210 o40 55 27 Prodotti vegetali Insllatedisorgozde sag oe sa ag Insilato digrano 289 0 60 53 1 7 cherino Insilato di erba 248 0 56 52 27 Insilato di mais 310 0 65 53 1 4 Scarti agro industriali animali Siero di latte 55 0 75 60 2 3 Sangue bovino 101 0 65 65 11 4 Contenuti ruminali 176 0 75 53 26 Fanghi di macelli 160 0 35 60 3 bovini suini Fango di flottazione 85 0 35 60 14 7 Fanghi di macelli 122 0 35 60 48 avicolo bovini Scarti agro industriali vegetali Scarti di lavorazione 154 0 48 55 22 Buccette e semi di 291 0 35 55 31 del mais dolce pomodori Sealidileguminose aes oe d ap E Udliavoiazione 039 deo s 1 5 della
90. me di biogas producibile l analisi deve sempre riportare anche la percentuale di metano presente nel biogas in quanto que sto il combustibile utile per la conversione energetica L analisi del BMP con metodo statico viene condotta in laboratorio cercando di simulare in un am biente controllato quanto avviene in un digestore anaerobico La biomassa da valutare viene dappri ma analizzata e poi miscelata ad un inoculo affamato cio un digestato e proveniente da un im pianto che possibilmente stia gi utilizzando la biomassa da valutare e ad una soluzione di sali per tamponare la produzione di acidi e fornire i micronutrienti essenziali al corretto sviluppo del consor zio batterico La miscela viene riposta in un piccolo digestore tipicamente una bottiglia da 1 000 1 500 ml la cui forma dipende dalla tipologia di prodotto da analizzare e posizionata in un ambiente termostatato in cui viene mantenuta costante la temperatura di processo Accanto al digestore utiliz zato per la conduzione del test occorre prevedere la conduzione di un test con il solo inoculo in mo do da poter sottrarre alla produzione di biogas della miscela l effetto di produzione residua dell ino culo stesso Il processo si innesca rapidamente grazie alla presenza della flora microbica presente nell inoculo e la produzione di biogas inizia sin dai primi giorni del test La curva di produzione cu mulativa di biogas presenta normalmente una prima parte di cr
91. microflora legata agli ambienti di produzione del latte rappresenta un elemento fondamentale di caratterizzazione e di qualificazione dei formaggi a denominazione d origine ma altrettanto signifi cativamente pu influenzarne negativamente gli andamenti maturativi e quindi la qualit quella del Parmigiano Reggiano in modo particolare in quanto prodotto senza l ausilio di additivi per il control lo dello sviluppo microbico Il controllo della contaminazione ambientale da spore di Clostridium componente batterica partico larmente dannosa per le produzioni casearie in aziende che producono latte per Parmigiano Reg giano da molto tempo oggetto di prescrizioni da parte del disciplinare di produzione Le questioni che legano biogas e Parmigiano Reggiano sono a questo proposito essenzialmente do vute al timore di un aumento della contaminazione con spore di clostridi degli ambienti di produzio ne del latte a seguito della produzione e utilizzazione di insilati negli impianti di biogas in associazio ne a effluenti zootecnici e al relativo spandimento sui terreni agricoli dei residui dei processi di pro duzione energetica digestati Il genere Clostridium comprende oltre 200 specie di batteri anaerobi e sporigeni possono quindi for mare all interno della cellula vegetativa una endospora Le spore resistenti al calore alle radiazioni ultraviolette e ionizzanti e a diversi agenti chimici non presentano attivit metaboliche apprezzabili m
92. mpianti alimentati ad effluenti zootecnici il controllo analitico dovrebbe essere condotto al meno su base mensile e i valori ricavati devono essere valutati nel loro andamento storico Sono mol to importanti le variazioni storiche dei diversi parametri perch indicano un trend che potrebbe por tare a blocchi biologici e o idraulici I punti di campionamento devono essere dotati di rubinetti da almeno due pollici di diametro e il prelievo del campione deve essere fatto prevedendo l apertura totale del rubinetto per evitare che l apertura parziale filtri le particelle pi grossolane e favorisca la fuoriuscita della frazione pi chiarifi cata Prima di prelevare il campione da sottoporre ad analisi il digestore deve essere attentamente miscelato per almeno 15 20 minuti e la linea di campionamento deve essere spurgata i primi 10 20 litri devono essere eliminati Il campione deve essere stoccato in boccetti con coperchio a doppia te nuta parzialmente riempiti per evitare che la formazione di gas causi un apertura improvvisa del re cipiente e refrigerati alla temperatura di 4 6 C L analisi dovrebbe essere condotta entro 48 72 ore per evitare che la composizione chimica venga alterata 48 Bovini da latte e biogas CRPA spa 4 2 7 Controllo del gasometro La volumetria del gasometro determinante per attenuare le oscillazioni di produzione del biogas ri spetto all uso continuativo che viene fatto dal cogeneratore o per stoc
93. n queste vasche direttamente ai bacini di stoccaggio Se la vasca di collettamento fosse collegata ad altri sistemi di rimozione possibile realizzare dei setti divisori Nel caso di strutture accorpate con paddock in terra la raccolta delle deiezioni escrete general mente frammista a terra il che rende inidoneo questo materiale all avvio all impianto di digestione Le conseguenze di questo tipo di gestione si ripercuotono soprattutto sul dimensionamento in quanto la disponibilit di biomassa utile al processo si riduce di circa il 10 20 per il periodo di tem po in cui gli animali usufruiscono di tali aree 4 2 Gestione del digestore anaerobico La gestione di un digestore anaerobico deve avere le stesse attenzioni che vengono date alla gestio ne di una mandria di bovini da latte Il digestore ha alcune necessit fondamentali che stanno alla ba se di un corretto sviluppo della flora batterica e di una corretta gestione idraulica e i batteri devono essere alimentati regolarmente e omogeneamente per potersi riprodurre e produrre gas e batteri devono essere riscaldati costantemente e regolarmente per potersi riprodurre e pro durre gas e gli effluenti devono poter essere caricati e il digestato scaricato e il biogas prodotto deve poter essere stoccato per il tempo necessario a sincronizzare la pro duzione con l utilizzazione e il biogas deve essere trattato per renderlo idoneo all utilizzo in un cogeneratore caldaia
94. n reattori CSTR per diversi aspetti assomiglia molto a quanto accade nell appa rato ruminale dei bovini il liquame letame bovino contiene tutta la flora batterica idrolitica e metani gena mesofila i macronutrienti e i micronutrienti ed gi presente un buon potere tampone ottima le per l equilibrio acido basico del metabolismo batterico Nel corso del periodo monitorato della durata di circa 6 mesi stato possibile raccogliere i dati di funzionamento e di resa divisi sia per la fase di avviamento che a regime Sotto il profilo del carico organico volumetrico e del tempo di ritenzione idraulica il grafico di Figura 13 mostra l andamento dei parametri monitorati nel primo periodo evidente una aumento pro gressivo del carico organico con relativa riduzione del tempo di ritenzione La fase di avviamento durata circa 2 5 mesi durante il quale stato progressivamente aumentato il carico di effluenti con brevi intervalli per modifiche dovute all esigenza di mettere a punto il sistema di pretrattamento mi scelazione e carico All aumentare del carico delle frazioni pagliose infatti stato necessario calibra re le quantit di digestato di ricircolo in modo da trovare la giusta combinazione in grado di garantire una corretta pompabilit della miscela Nel periodo di funzionamento a regime il carico organico vo lumetrico risultato pari a circa 2 3 2 5 kg SV m giorno In Figura 14 vengono illustrate le curve di produzione speci
95. namento non corretto Per mantenere una temperatura di processo costante e per compensare le eventuali perdite di calo re i digestori devono essere isolati e riscaldati da fonti di calore esterne normalmente fornite dall im pianto di cogenerazione In linea di massima l inserimento delle nuove biomasse e il flusso ascendente creato dalle bolle di biogas prodotto forniscono sempre una minima miscelazione passiva che per non sufficiente per il funzionamento ottimale del processo di digestione serve quindi un integrazione con l ausilio di mezzi meccanici idraulici o pneumatici La miscelazione all interno del digestore deve avvenire pi volte al giorno affinch il nuovo substrato alimentato venga a contatto con quello gi all interno del digestore e quindi con i microrganismi presenti L agitazione inoltre ha la funzione di mantenere omogenea la temperatura del substrato in digestione garantendo una omogenea distribuzione della stessa nel reattore e impedendone la stratificazione Gli agitatori possono funzionare in continuo o in sequenza a seconda delle dimensioni della vasca della qualit delle materie prime della tendenza a formare strati galleggianti ecc Le principali tipologie di miscelazione sono e idraulica attraverso il ricircolo del digestato stesso ed eiettori posizionati in diversi punti del reattore in linea generale questa tecnica viene applicata nei digestori con concentrazione di sostanza secca non molto elev
96. nte pi conveniente sottoporre a separazione gli effluenti non digeriti Si intravedono invece dei vantaggi se si guarda alle propriet fertilizzanti delle due frazioni 57 Bovini da latte e biogas CRPA spa 4 3 3 Utilizzo fertilizzante Di seguito vengono riportati i principali vantaggi dell uso agronomico del digestato 1 Distribuzione di materiale stabilizzato e igienizzato Prove condotte dal DiProVe dell Universit di Milano hanno dimostrato come la digestione anaerobi ca in mesofilia gi al 20 giorno di ritenzione idraulica porti ad un abbattimento fino a 5 unit loga ritmiche dei coliformi fecali riscontrabili nei materiali in ingresso all impianto La competizione micro bica la produzione di ammoniaca endogena e la efficacia della stabilizzazione della sostanza organi ca nel materiale in digestione sono i fattori chiave della riduzione dei batteri enterici valori di carica batterica portano ad affermare che l utilizzo agronomico del digestato significa maggiore sicurezza nei confronti della popolazione rispetto allo spandimento di effluenti zootecnici non trattati per il basso contenuto di microrganismi indicatori di situazioni di rischio per la salute pubblica 2 Apporto di sostanza organica utile al suo ripristino nel terreno La sostanza organica contenuta nel digestato in funzione dell efficienza del processo ha ancora una degradabilit pi o meno elevata ma comunque inferiore a quella dei materiali
97. o vrebbero essere recuperate e gestite separatamente onde evitare di apportare prodotti antibatterici direttamente nel digestore anaerobico Un ulteriore contenimento dei consumi idrici pu essere ot tenuto facendo precedere al lavaggio delle aree sporche una pulizia con raschietto dotato di lama in gomma in modo da allontanare a secco la maggior parte delle deiezioni bovine In un ottica di otti mizzazione inoltre sarebbe importante progettare o ristrutturare la zona mungitura in modo da ren dere possibile la separazione dei relativi effluenti dai liquami prodotti nella stalla vera e propria Tali effluenti andrebbero gestiti separatamente e avviati direttamente alle vasche di stoccaggio o laddo ve possibile ad impianti di fitodepurazione Ottimizzando il dimensionamento delle diverse aree nonch le operazioni di lavaggio e i consumi idrici ragionevole stimare una produzione di effluenti di mungitura pari a 25 40 I giorno per capo in lattazione dei quali circa il 65 75 proveniente dalla zona sporca Tabella 9 Gli effluenti della zo na pulita possono essere reimpiegati per il primo lavaggio dell area di attesa contribuendo alla limi tazione dei consumi idrici per fare ci sufficiente un pozzetto di raccolta di modeste dimensioni nel quale convogliare le acque provenienti dalla zona meno inquinata e una pompa con relativa tu bazione per ricircolare le acque dopo la mungitura successiva Tabella 9 Produzione di ef
98. o generalmente ben tollerati che possono per arrivare anche a 6 000 mg l e divenire inibenti 47 Bovini da latte e biogas CRPA spa Carboidrati e lipidi invece hanno generalmente meno effetti sulla formazione delle schiume in quanto pi facilmente degradabili lipidi in particolare a basse concentrazioni e flottando verso la superficie possono stabilizzare la schiuma legandola con i solidi in soluzione mentre a concentrazio ni elevate possono esserne la causa Anche carichi eccessivi di carboidrati facilmente degradabili co me ad esempio carichi improvvisi di scarti della lavorazione della frutta possono portare ad accumu li di acidi organici nel digestato che possono inibire i batteri metanigeni e portare alla formazione di schiume Infine muffe in concentrazioni elevate possono essere a loro volta causa di formazione di schiuma Sotto il profilo gestionale intervalli di tempo troppo lunghi fra un carico e il successivo possono esse re responsabili di formazione di schiume a causa di squilibri nelle cinetiche dei batteri idrolitici rispet to al batteri metanigeni cos come sbalzi termici dovuti a malfunzionamento del riscaldamento e mi scelazione insufficiente o inadeguata La formazione di schiuma deve essere tenuta sotto controllo in quanto pu elevarsi facilmente di li vello fino a raggiungere i punti di captazione del biogas e inserirsi nella linea stessa riempiendola con evidenti problemi gestionali e di sicu
99. oli effluenti zootecnici hanno mediamente una potenza elettrica installata di circa 150 kWe gli impianti in co digestione una potenza elettrica installata di 720 kWe e gli impianti a sole colture di 1 010 kWe L uscita del Decreto ministeriale 6 luglio 2012 in attuazione dell articolo 24 del Decreto legislativo 3 marzo 2011 n 28 ha ridefinito il quadro degli incentivi per gli impianti di biogas che saranno messi in esercizio a partire dal 2013 Le pi importanti novit sono rappresentate dall individuazione di ta riffe omnicomprensive decrescenti al crescere della taglia dell impianto ma anche all istituzione di un Registro nazionale a cui iscriversi per acquisire il diritto di accesso agli incentivi Tale Registro consen tir la costruzione di impianti di biogas fino al raggiungimento di un quantitativo contingentato art 9 comma 4 che per il triennio 2013 2015 stato fissato rispettivamente in 170 160 160 MWe Il de creto fissa anche le priorit di accesso al diritto di costruire l impianto di biogas al primo posto sono stati individuati gli impianti di aziende agricole alimentati da biomasse e sottoprodotti fino a 600 kW di potenza elettrica Il decreto peraltro definisce anche che gli impianti fino a 100 kW di potenza elettrica possono essere realizzati senza iscrizione al Registro Le indicazioni che emergono dal decreto in sostanza mettono in luce una chiara intenzione da parte del legislatore di incentivare soprattutto impianti
100. one di biogas coinvolge al meno tre gruppi distinti di microrganismi che utilizzano differenti substrati e il cui metabolismo d origine a differenti prodotti microrganismi attivi nei processi di digestione anaerobica sono quasi esclusivamente batteri in quanto funghi alghe e protozoi essendo organismi aerobi non possono vivere in ambiente privo di ossigeno batteri presenti in un digestore possono inoltre essere ulterior mente distinti in batteri facoltativi e batteri anaerobi obbligati i primi che sono pi numerosi e sono quelli maggiormente coinvolti nella produzione di acidi organici caratteristica delle prime fasi del processo sono in grado di vivere sia in ambiente aerobico che anaerobico e si riproducono mol to pi velocemente dei secondi in quanto attivi in condizioni ambientali molto pi diversificate Gli anaerobi obbligati al contrario sono fortemente inibiti dalla presenza dell ossigeno si sviluppano pi lentamente e in condizioni pi strettamente controllate essi sono altamente specializzati e sono i protagonisti delle ultime fasi del processo di digestione in quanto responsabili della produzione di gas e in particolare di CH4 Oltre ai produttori di metano nel processo di digestione anaerobica sono coinvolti altri gruppi di batteri in grado di ridurre le molecole di substrati che fungono da accettori di idrogeno ad es riduttori di composti organici di solfati di nitrati e nitriti dal metabolismo di questi batte
101. or ovvero reattori com pletamente miscelati e riscaldati a singolo stadio Nei digestori a doppio stadio invece presente un pre digestore dove avvengono prevalentemente le prime tre fasi del processo di digestione anae robica ovvero l idrolisi l acidogenesi e l acetogenesi Nel secondo reattore posizionato in serie av viene prevalentemente la metanogenesi Il substrato digerito digestato viene pompato fuori dal digestore e convogliato nelle vasche di stoc caggio Queste se coperte da teli gasometrici possono permettere la raccolta del biogas residuo post digestione In alternativa il digestato pu essere raccolto in vasche scoperte eventualmente dotate di sistemi di copertura semplificati in grado di ridurre le emissioni residue ammoniaca princi palmente 26 Bovini da latte e biogas CRPA spa Figura 7 Impianto di biogas agricolo di co digestione insilati ed effluente zootecnico 1 Stalla 8 Gasometro 2 Vasca per effluenti zootecnici liquame 9 Cogeneratore CHP Combined heat and power 3 Contenitori di ricezione raccolta biomasse co substrati 10 Vascadi stoccaggio del digestato coperta 4 Vasca diigienizzazione se prevista 11 Terreno agricolo 5 Trincee di stoccaggio biomasse 12 Trasformatore Allacciamento rete elettrica 6 Sistema di carico dei substrati solidi 13 Teleriscaldamento quando possibile 7 Digestore reattore biogas Fonte Lorenz 2008
102. ore pre trattamenti riguardano principalmente la triturazione la separazione di componenti indesidera ti o l igienizzazione quando richiesta come nel caso dei sottoprodotti di origine animale 3 2 3 Sistemi di alimentazione Dopo le fasi di stoccaggio e di eventuale pre trattamento i substrati vengono alimentati nel digesto 28 Bovini da latte e biogas CRPA spa re La tecnica di alimentazione dipende dal tipo di materia prima e dalla sua pompabilit Il substrato fluido convogliato dalla vasca di stoccaggio al digestore tramite un sistema di pompe A questa ca tegoria appartengono gli effluenti zootecnici e una variet di scarti organici ad esempio fanghi di flottazione scarti lattiero caseari olii vegetali o animali ecc Substrati palabili come le colture vege tali fieni insilati letame con elevato contenuto di paglia possono essere caricati per mezzo di tra mogge automatizzate che provvedono a regolarne il flusso all interno del digestore ad esempio con un sistema di coclee Entrambi i tipi di materiali pompabili e palabili possono essere alimentati contemporaneamente Dal punto di vista microbiologico la situazione ideale per un processo stabile di digestione anaerobi ca rappresentata dall alimentazione continua al digestore pi volte durante il giorno al fine di ridurre le oscillazioni di produzione Ci inoltre permette di conseguire anche un risparmio energetico lega to soprattutto alla misc
103. ormazione di schiuma sono associate all utilizzo di substrati inadeguati o a problemi di squilibrio microbiologico o inibizioni Le proteine giocano un ruolo molto importante nella formazione delle schiume impianti che utilizza no substrati molto ricchi di proteine come granelle leguminose sottoprodotti di origine animali pol lina o impianti che fanno elevato uso di ricircoli possono essere a maggior rischio Durante la degra dazione anaerobica parte delle proteine viene degradata portando alla formazione di ammonio che nella sua forma gassosa NH pu divenire inibente per la flora batterica La percentuale di ammonia ca gassosa dipende dal pH della soluzione dalla temperatura e dalla salinit del mezzo di conse guenza tutte le operazioni effettuate sull impianto o cambiamenti delle diete che incrementano la percentuale di ammoniaca gassosa possono essere causa di formazione di schiuma aumento repen tino di prodotti proteici sbalzi di temperatura diluizioni o concentrazioni impovvise abbondanti ri circoli di digestato ricco di ammonio livelli di inibizione da ammonio tuttavia non sono noti e di pendono fortemente dal tempo di adattamento che la flora batterica ha a disposizione repentine e intense modifiche della concentrazione di ammonio sono quasi sempre inibenti Nelle condizioni in cui funzionano gli impianti alimentati ad effluenti bovini si riscontrano valori di concentrazione di azoto ammoniacale fino a 3 000 mg l che son
104. ostituisce il cosiddetto digestato che deve poi essere stoccato e possibilmente utilizzato agronomicamente La filiera biogas di fatto praticamente l unica filiera bioenergetica in cui un residuo del processo produttivo cos fortemente vincolante in termini ge stionali normativi ed economici La quantit di digestato la volumetria dei bacini di stoccaggio il quantitativo di azoto da gestire e in definitiva i suoi costi di gestione dipendono dalle caratteristiche di reattivit delle biomasse scelte A parit di metano prodotto le quantit di digestato e o di azoto da gestire possono andare da 1 a 10 20 volte passando da impianti alimentati a colture energetiche ad impianti alimentati ad effluenti zootecnici Conoscendo inoltre le quantit di biomasse disponibili in azienda o reperibili sul mercato e il relati vo potenziale metanigeno possibile definire sia il corretto dimensionamento delle volumetrie del l impianto di biogas che i costi di approvvigionamento prima voce di spesa nella conduzione di un impianto di digestione anaerobica quando si usano biomasse dedicate La valutazione del potenziale inoltre particolarmente importante quando si considera di introdurre nella dieta dell impianto sot toprodotti di origine agro industriale che per definizione hanno una composizione chimica molto variabile oltre che da fornitore a fornitore anche nel tempo 34 Bovini da latte e biogas CRPA spa Esistono dive
105. otali ovvero il loro rapporto Il grafico mostra che all aumentare della percentuale di azoto totale sui solidi totali che pu rappresentare un indice di efficacia del processo di digestione anaerobica l effi cienza di separazione dell azoto totale si riduce proporzionalmente in tutte le matrici Tabella 12 Efficienza di separazione nella frazione solida dalle varie matrici indagate Effluente suino Digestato sui Effluente bovi Digestato Digestato da Parametri tal quale no tal quale bovino codigestione no Dati CRPA Figura 12 Correlazione fra concentrazione di azoto totale NTK ST ed efficienza di separazio ne Efficienza di separazione NTK 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Azoto totale sui solidi totali LB Liquame bovino LB_DA digestato da liquame bovino LS liquame suino LS_DA digestato da liquame suino LB SM_DA digestato da codigestione fra liquame bovino e silomais 56 Bovini da latte e biogas CRPA spa Nelle Tabelle 13 e 14 sono riportate le caratterizzazioni chimiche della frazione chiarificata e solida dei liquami digeriti e separati nella prova di laboratorio Tabella 13 Caratteristiche chimiche della frazione chiarificata dei liquami digeriti sottoposti a separazione S L e delle frazioni ottenute Frazione chiarificata digestato Unit di Parametri mi ra Digestato da liquame Digestato da liquame Digesta
106. ottenuti danno conto dell attenzione che deve essere posta nello sviluppo di una pratica in novativa che pu portare ad un arricchimento in spore di materiale organico destinato ad essere uti lizzato come concime e sostanziano le ragioni alla base dell adozione del principio di precauzione volto a evitare un accumulo di spore nel ciclo produttivo del Parmigiano Reggiano D altra parte sono indiscutibili le potenzialit tecniche ed economiche del recupero di biogas nel set tore zootecnico da latte Per questo motivo si auspica da pi parti un supplemento d indagine volto ad ampliare e verificare in campo i risultati ottenuti nella precedente sperimentazione di laboratorio per meglio delineare i limiti della coesistenza fra produzione di Parmigiano Reggiano e produzione di biogas e definire l effettiva possibilit di una integrazione sinergica delle due filiere valutando ad esempio l uso di matrici alternative agli insilati o la possibilit di attenuare la carica clostridica dei di gestati mediante opportune modalit di gestione degli impianti e degli effluenti 62 Bovini da latte e biogas CRPA spa Capitolo 5 Esempio di impianto a effluenti zootecnici Come noto gli impianti di biogas a soli effluenti zootecnici presentano diversi vantaggi i principali dei quali possono essere cos riassunti e produzione di energia rinnovabile senza modifiche dell assetto colturale dell azienda e riduzione del contenuto di sost
107. pH acidit e alcalinit azoto ammoniacale mentre altri sono pertinenti alla gestione del reattore vera e propria Tra questi si riportano tempo medio di residenza idraulico dato dal rapporto tra il volume utile del reattore in m e la portata di alimentazione al reattore in m giorno e rappresenta il tempo di permanenza medio di ogni elemento del substrato caricato all interno del reattore stesso Questo parametro uno dei pi importanti in quanto definisce il tempo che una biomassa deve permanere all interno del digestore per poter essere digerita sufficientemente Prodotti a base di carboidrati non comples si come ad esempio l amido necessitano di tempi di ritenzione molto brevi mentre carboidrati complessi come le frazioni fibrose cellulosa emicellulosa o lipidi hanno tempi molto pi lun ghi A titolo di esempio si consideri che in condizioni mesofile il tempo di ritenzione idraulico per un liquame suinicolo dell ordine di 15 25 giorni mentre per un liquame bovino di 30 40 giorni e per una coltura dedicata a base di cereali insilata dell ordine di 50 60 giorni carico organico volumetrico dato dalla quantit di sostanza organica del substrato introdotta nel reattore riferita all unit di volume utile del reattore stesso e al tempo kg SV m giorno Il ri spetto di questo parametro strettamente correlato all equilibrio esistente fra la capacit della flora batterica idrolitica di produrre acido acetico e
108. parabili al digestato bovino permette di inoculare giornalmente l impianto di biogas con tutta la flora batterica necessaria al corret to equilibrio di processo e l effluente bovino contiene tutti gli elementi nutritivi macromolecole e micronutrienti indi spensabili per un corretto sviluppo del processo produttivo e gli effluenti zootecnici sono disponibili regolarmente per tutto l anno seppur con caratteristi che chimiche e quantitative che possono variare nelle diverse stagioni e il digestore come avviene nell allevamento bovino viene alimentato con una razione che deve essere controllata per evitare squilibri nella microbiologia e nell idraulica dell impianto e il digestore produce un effluente di scarto chiamato digestato che qualora prodotto par tendo da soli effluenti ha praticamente le stesse caratteristiche degli effluenti zootecnici e non modifica gli assetti colturali dell azienda e la gestione degli effluenti non viene modificata in quanto la riduzione del volume molto li mitata gli stoccaggi necessari cambiano di poco e la distribuzione in campo pu essere fatta con gli stessi mezzi utilizzati per gli effluenti tal quali La conoscenza delle tecniche stabulative presenti nell allevamento e la gestione operativa della stalla possono incidere in modo determinante nelle scelte del dimensionamento e delle performances produttive Per tali ragioni nel seguito vengono illustrate le principali tecnic
109. pianti di biogas a soli effluenti zootecnici possono essere realizzati con risul tati molto interessanti sia in termini energetici che economici Le rese produttive conseguite con la sostanza organica disponibile negli effluenti zootecnici sono state dell ordine dei 380 400 m biogas t SV con il 53 5 di metano pari a circa il 60 di quanto pro ducibile mediamente con la stessa quantit di sostanza organica da un buon insilato di mais ma a costi di conferimento nulli Considerando un incremento di produzione di biogas proporzionale al numero di capi produttivi presenti al completamento della fase di ampliamento che porter ad au mentare i capi produttivi di circa 150 unit l azienda sar in grado di sfruttare completamente la po tenza elettrica installata 330 kWe Nel corso delle attivit sono state messe in luce molte delle problematiche relative alla variabilit del la disponibilit della biomassa e alla necessit proprio per questa tipologia di impianti di una pro gettazione molto pi attenta e flessibile che deve basarsi innanzitutto su una analisi preliminare par ticolarmente approfondita delle modalit di gestione degli effluenti nella stalla dalla tecnica di rimo zione degli effluenti alla gestione delle acque di lavaggio della sala mungitura e delle acque meteo riche all uso di altre tecniche che potrebbero influire sulla diluizione dei prodotti e delle relative ca ratteristiche chimico fisiche Rispetto ad altri
110. pianti elettrici in primo luogo il quadro elettrico dell impianto deve es sere posizionato in un locale il pi lontano possibile da fonti di biogas Il locale che ospita il co generatore deve essere posizionato in luogo separato e ben ventilato La presenza di eventuale filtro installato per l abbattimento dell idrogeno solforato ad esempio a carbone attivo rappre senta spesso una fonte di problemi legata soprattutto al rischio di impaccamenti per aumento del contenuto di umidit La presenza di un semplice manometro differenziale ad acqua collega to a monte e a valle del filtro stesso pu consentire al gestore di tenere sotto controllo questo fe nomeno e intervenire per tempo formazione di condensa nelle tubazioni del biogas questo fenomeno dovuto al fatto che il gas viene prodotto saturo di acqua alla temperatura di processo in genere sempre superiore alla temperatura ambiente Le tubazioni del gas devono essere posizionate sempre in pendenza po sitiva o negativa evitando sacche o depressioni e in tutti i punti bassi delle tubazioni si deve prevedere un pozzetto di scarico della condensa Al pari del filtro per l idrogeno solforato anche la manutenzione del gruppo frigorifero deve essere particolarmente curata al fine di garantire sempre una corretta deumidificazione del biogas formazione di incrostazioni nelle tubazioni dovute a fenomeni di precipitazione chimica sono stati frequentemente notati fenomeni di formazione di incrostaz
111. possono avere sulla gestione degli impianti di digestione anaerobica rimandando per una trattazione pi accurata al manuale di CRPA Stalle per vacche da latte edito da L Informatore Agrario Le stabulazioni per vacche da latte si classificano in due grandi famiglie e stabulazione fissa una tipologia ancora diffusa in molte regioni italiane soprattutto negli allevamenti di piccole dimensioni fino a 35 40 lattifere In questo caso gli animali in produ zione vengono tenuti legati in poste e ci ha soprattutto motivazioni di carattere economico minore impiego di manodopera per le operazioni di pulizia delle poste e delle mammelle e minore consumo di paglia e stabulazioni libera la tipologia di pi recente introduzione e si pu considerare oggi una scelta praticamente obbligata Questa tipologia di stabulazione pu essere rappresentata con diverse configurazioni che differiscono principalmente per la presenza di cuccette per il ripo so dell animale gestite con o senza paglia o di zone a lettiera con uso di quantitativi di paglia pi o meno abbondanti 2 2 1 Stabulazione fissa La stalla fissa a due file di poste testa a testa cio con gli animali delle due file rivolti gli uni verso gli altri una tipologia particolarmente standardizzata che facilita la distribuzione dei foraggi grazie al l unica corsia centrale Nella stalla a posta fissa la tecnica di allevamento prevede quasi sempre l uti lizzo di paglia
112. re e di eccessiva concentrazione di acidit totale alcalinit viene espressa in termini di concentrazione di carbonato di calcio CaCO e fornisce in dicazioni sulla capacit di un sistema di neutralizzare l acidit data dalla concentrazione di proto ni H Valori compresi tra 3 000 e 5 000 mg CaC0 I sono generalmente indice di stabilit L alcali nit in un digestore anaerobico di fondamentale importanza in quanto permette di neutralizza re l abbassamento di pH che viene generato dall eccessivo accumulo di acidi organici che pu ve rificarsi quando prevalgono i ceppi idrolitici acidogeni rispetto ai metanigeni 32 Bovini da latte e biogas CRPA spa acidi organici volatili la concentrazione degli acidi organici volatili o acidi a catena corta che viene espressa generalmente in termini di acido acetico CH COOH pu variare nel range 200 2 000 mg CH COOH I a seconda del tipo di substrato sottoposto a digestione anaerobica Molto importanti ai fini del controllo del processo sono le variazioni repentine di concentrazione come si verifica ad esempio in concomitanza di un aumentato carico organico al digestore rapporto acidit totale alcalinit totale il rapporto tra questi due parametri risulta essenziale per il controllo del processo in quanto l aumento della prima e il calo della seconda sono un segnale che il sistema sta divenendo instabile Valori di tale rapporto intorno a 0 3 indicano condizioni di stabilit
113. rezza Le operazioni che possono essere adottate per tenere sotto controllo la schiuma ma evidentemente non per risolvere le cause della sua formazione posso no essere le seguenti e installare sistemi di ricircolo interno che favoriscano turbolenze elevate nella parte superficia le ugelli di ricircolo miscelazioni dello strato superficiale e utilizzo di olio vegetale in particolare olio di colza in piccole dosi in genere sono sufficienti 5 10 litri giorno per digestore per abbassare il livello della schiuma e utilizzo di prodotti chimici antischiuma importante che il prodotto antischiuma sia esente da silicone per evitare la formazione di composti di silossani che potrebbero danneggiare il cogeneratore 4 2 6 Controllo analitico e punti di campionamento Il controllo analitico del digestato presente nei diversi reattori consente di monitorare l andamento del processo biologico e di prevenire eventuali fenomeni di blocco biologico principali parametri sono rappresentati da pH solidi totali e volatili acidit totale e alcalinit totale ammonio Il profilo acidico degli acidi grassi volatili acido acetico propionico butirrico isobutirrico valerianico isovale rianico e capronico molto importante quando insorgono improvvisi problemi di inibizione dovuti ad agenti esterni utilizzo di matrici improvvisamente ricche di antibiotici detergenti disinfettanti e consente di valutare l entit del problema Negli i
114. rga parte da quelle dei materiali in ingresso agli impianti di digestione anaerobica Tabella 10 Caratteristiche chimiche valori medi dei digestati di diversa provenienza campio nati presso impianti di biogas che trattano varie matrici Matrici in ingresso pH ST SV NTK N NH ST g kgtqa ST g kgtqa NTK Liquame bovino Parmigiano Reggiano 7 8 6 1 4 7 76 6 3 305 5 4 1 990 60 2 Liquame bovino colture energetiche 7 8 4 3 2 9 66 0 3 800 8 8 2 337 61 5 Scarti agro industria Liquame suino 7 9 6 8 4 5 65 0 4 035 6 2 2 107 53 2 Liquame bovino Grana Padano 8 2 5 6 4 2 75 8 3 046 5 45 1 639 53 8 Liquame bovino chiarificato Parmigiano 79 33 18 55 3 2 642 80 1 726 65 3 Reggiano Colture energetiche scarti agro indu 8 0 98 75 76 5 5 260 54 2310 24 9 stria Liquame bovino scarti agro industria 8 3 3 0 1 5 51 6 3 869 13 0 2 963 76 5 ST solidi totali SV solidi volatili NTK azoto totale N NH4 azoto ammoniacale Dati CRPA Il digestato viene convogliato fuori dal digestore in genere attraverso un sistema di pompaggio a vasche di stoccaggio da cui pu venire prelevato per il suo utilizzo L efficienza di degradazione della sostanza organica di fondamentale importanza per ridurre le perdite di gas dalla fase di stoccaggio Una non corretta alimentazione al digestore che modifica i tempi di ritenzione idraulici delle biomas se portandoli al di sotto
115. ri si generano rispettivamente acidi aldeidi chetoni alcoli oltre a sostanze inibenti quali acido solfidrico il cui contenuto dipende dalla quantit in zolfo inizialmente presente nel substrato da trat tare e ammoniaca La Tabella 7 mostra una schematizzazione dei diversi stadi che caratterizzano il processo di digestione anaerobica 22 Bovini da latte e biogas CRPA spa Tabella 7 Rappresentazione schematica dei processi che caratterizzano la digestione anaero bica il simbolo R indica la parte restante della molecola organica IDROLISI SUBSTRATI COMPLESSI carboidrati grassi proteine ACIDOGENESI zuccheri semplici gli cerolo acidi grassi gruppi peptidici chetoni RCOR alcoli ROH amminoacidi RCHNH C00H acidi organici RCOOH acidi organici volatili da batteri acidogeni ACETOGENESI acidi organici volatili acido acetico CHCOOH anidride carbonica CO2 idroge no molecolare H2 CHCOOH CH CO da batteri acetoclastici METANOGENESI CO 4H2 gt CH 2H 0 da batteri H obbligati Dato che i batteri acidogeni coinvolti nel primo stadio hanno velocit di crescita molto maggiore ri spetto a quelli acetoclastici l intero processo viene controllato e limitato da questi ultimi il cui tempo minimo di duplicazione di circa 2 3 giorni alla temperatura ottimale di 35 C contro le 2 3 ore dei primi i batteri acetoclastici sono responsabili della produzione di circa il 70 del metano prodotto
116. rificata del digestato esse si avvicinano a quelle di un concime liquido a pronto effetto sebbene con titolo ridotto generalmente meno di 5 kg N t Si ritie ne giustificata per questa specifica frazione la richiesta di innalzamento del limite di 170 kg N ha anno imposto dalla Direttiva Nitrati per le zone vulnerabili a condizione di farne uso nei perio di opportuni quelli il pi possibile ravvicinati allo sviluppo colturale e adottando per lo spandimen to le Migliori Tecniche Disponibili Infatti la definizione di effluente zootecnico che viene data all Articolo 2 della Direttiva Nitrati 91 676 EEC impedisce di utilizzare i liquami anche dopo trattamento a dosi superiori a quelle sta bilite per le zone vulnerabili da nitrati l imposizione di questo vincolo sembra essere stata motivata dal fatto che al tempo della sua stesura non era riconosciuta ai trattamenti la capacit di modificare le propriet chimico fisiche degli effluenti almeno in misura tale da permettere l attenuazione del lo ro impatto ambientale Un altro aspetto che deve aver pesato era il permanere per gli effluenti trat tati di quell incertezza nella composizione che caratterizza gli effluenti grezzi e che limita fortemente l accuratezza dell applicazione agronomica Dopo 18 anni dall uscita della Direttiva Nitrati questa scelta appare non pi totalmente condivisibile ci grazie alle migliori conoscenze dei processi e alle innovazioni tecnologiche realizza
117. rsi sistemi di determinazione del potenziale metanigeno analisi chimica potenziale metanigeno con metodo statico o in batch e dinamico La scelta di applicare un metodo piuttosto che un altro dipende essenzialmente dalle finalit e dall importanza che ha la misura Nel corso del 2011 il CRPA con la propria struttura CRPA Lab inserita all interno della Rete Alta Tecno logia della Regione Emilia Romagna ha realizzato un nuovo apparato per la valutazione del poten ziale metanigeno con metodo statico che si affianca al gi esistente apparato per la valutazione del potenziale metanigeno con metodo dinamico Il laboratorio nasce con l obiettivo di fornire suppor to alle imprese di costruzione e ai gestori di impianti per sviluppare proprie tecnologie di produzione di biogas e verificare le performance produttive delle diverse matrici utilizzabili per produrre biogas L elemento di base che maggiormente influenza qualunque tipo di analisi e dal quale gli studi di fat tibilit per la realizzazione di un impianto di digestione anaerobica devono partire rappresentato dalla conoscenza del Potenziale Metanigeno Massimo o BMP dall inglese Biochemical Methane Potential Questo parametro esprime la quantit di biogas metano massimo potenzialmente otteni bile dalla degradazione di una biomassa ed espresso come Nm kgSV ovvero normal metri cubi di biogas per kg di solidi volatili ovvero di sostanza organica Accanto al volu
118. sa di estrazione del latte dalle mammelle mungitura vera e propria e di raccolta stoccaggio temporaneo ed eventuale condizio namento del prodotto ottenuto Ai fini della gestione dell impianto di biogas uno degli elementi che maggiormente incide sul processo la tipologia di sala attesa In taluni casi si tratta semplicemente di una zona attesa in quanto gli elementi di separazione dalle aree adiacenti sono costituiti da sem plici transenne e cancelli in altri casi dove possibile sfruttare porzioni della zona di alimentazione o di smistamento non proprio presente un area specifica La pavimentazione della sala d attesa rea lizzata con materiali antisdruciolevoli ma discretamente pulibili lastre piane di porfido piastrelle di gres con rilievi pavimenti in resina ed costituita da uno o pi piani inclinati con pendenza del 5 10 verso i punti di raccolta In alcuni casi sono presenti sale di attesa con vasche riempite con ab bondanti quantit di acqua miscelate con prodotti disinfettanti per pulire i piedi degli animali In altri casi viene adottato il pavimento fessurato ra Pavimento lastricato grigliato piastrellato 2 3 Quantificazione delle disponibilit di biomassa da effluenti per biogas La disponibilit di biomassa per la produzione di biogas in un allevamento di bovini da latte dipende dal numero di capi allevati dalla produttivit che questi hanno quantit di latte prodotto per gior no da
119. sfiato della camera presente fra i due teli quando presente la tecno logia del doppio telo ovvero con indagini pi laboriose della qualit dell aria nei pressi della cupola gasometrica 4 2 8 Principali problemi degli impianti di biogas a effluenti zootecnici Gli effluenti zootecnici sono sempre prodotti di scarto caratterizzati da una concentrazione di sostan za secca e organica molto bassa che necessitano a parit di potenza elettrica installata di volume trie di digestione anaerobica molto pi elevate rispetto a quelle necessarie per impianti che utilizza no colture dedicate Per fare fronte agli elevati costi specifici che caratterizzano gli impianti di digestione anaerobica fun zionanti prevalentemente con liquami per spesso vengono fatte economie costruttive che sottova lutano alcuni importanti aspetti e che possono pregiudicare il buon funzionamento dell impianto Come accennato in precedenza in questa tipologia di impianti le problematiche maggiormente ri scontrabili sono soprattutto di carattere dimensionale e idraulico il tempo di ritenzione idraulica de ve essere dell ordine di 18 23 giorni per gli effluenti suinicoli e di 30 35 giorni per gli effluenti bovini Oltre a ci occorre considerare che la temperatura un fattore fortemente limitante sia in termini di livello che di stabilit una volta definito un regime di temperatura fondamentale mantenerlo co stante Da qui la necessit di analizzare
120. sigliabile oppure la rimozione rapida con flushing o con raschiatori Cuccette con paglia cuccette con solido separato flu shing superficiale Quando la zona di alimentazione e riposo sono adiacenti si hanno stalle definite accorpate viceversa quando tra loro si interpone la zona di esercizio si parla di stalla a corpi separati zona di esercizio 0 paddock un area generalmente scoperta e consente all animale di be neficiare della cosiddetta ginnastica funzionale Le zone di esercizio possono essere inserite in stalle e a corpi separati in questo caso dovendo collegare la zona di alimentazione con quella di riposo devono essere ricoperte con pavimentazioni impermeabilizzate e agibili tutto l anno La pulizia avviene con grandi raschiatori o con pale trainate spinte da trattrici accorpate il paddock posto a lato della zona di riposo e pu avere una superficie pavimentata in genere 3 5 m capo o in terra in genere 10 15 m capo Nel primo caso pu essere utilizzato tutto l anno valgono le indicazioni viste al punto preceden te nel secondo caso invece l agibilit limitata ai mesi primaverili estivi 16 Bovini da latte e biogas CRPA spa Paddock esterno su terra e su pavimento 2 2 3 Zona di mungitura Per zona di mungitura si intende l insieme delle aree della stalla libera destinate alle operazioni di raggruppamento delle vacche effettuato nella cosiddetta sala atte
121. silamento infatti le spore possono trovare condizioni di sviluppo e moltiplicazione Il numero di spore emesse con le feci dipende dal numero di quelle ingerite dalle bovine con gli ali menti Le spore non vengono degradate nel tratto digerente e generalmente nelle feci se ne riscon trano pi di quante ne siano state ingerite Il numero di spore nel latte legato strettamente al nu mero di spore presente nelle feci clostridi sono fra i principali responsabili della comparsa di difetti di struttura e organolettici an che gravi nei formaggi a lunga stagionatura con notevole deprezzamento del prodotto La specie di clostridi che pi comunemente viene ritrovata nei formaggi difettosi il Clostridium tyrobutyricum responsabile del gonfiore tardivo meno frequentemente vengono identificati batteri appartenenti alle specie Clostridium butyricum causa prevalente del gonfiore precoce e Clostridium sporogenes Clostridium tyrobutyricum e C butyricum possono fermentare i carboidrati e l acido lattico producen do acido butirrico e gas anidride carbonica e idrogeno C sporogenes responsabile di degradazio ni putrefattive dei composti azotati liberando acidi organici anidride carbonica e un gamma di com posti maleodoranti La produzione di gas responsabile del gonfiore delle occhiature e delle spacca ture della pasta del formaggio La produzione di acidi organici e l attivit proteolica portano invece ad alterazioni di s
122. so di sostanze alcaline carbonato di sodio o calce Il controllo della qualit del biogas consente di verificare costantemente l andamento del processo di digestione soprattutto nella fase di avviamento quanto pi la percentuale di metano cresce e per mane costantemente a livelli elevati tanto pi il processo equilibrato e stabile quanto pi sono pre senti biossido di carbonio e idrogeno molecolare tanto pi la flora microbica metanigena limitata nel suo sviluppo In quest ultimo caso utile prevedere un rallentamento delle rampe di carico e dare tempo al consorzio batterico di adattarsi Una volta raggiunto il regime nominale di funzionamento una corretta gestione legata soprattutto ad una buona manutenzione dell impianto e ad un carico il pi uniforme e regolare possibile 4 2 2 Controllo carico e temperature AI pari di quanto avviene per la gestione di una mandria zootecnica il controllo del carico del dige store anaerobico sia in termini di volumetrie che di carico organico razione giornaliera l ele mento pi importante da tenere sotto controllo In tutti i casi la modifica dei volumi idraulici al carico provoca scompensazioni pi o meno importanti nell equilibrio microbiologico nella concentrazione di solidi totali all interno del digestore nella di namica di miscelazione e di conseguenza nella produzione di biogas Nei mesi invernali il maggiore rischio correlato a un errato controllo dei volum
123. sottoprodotti agroalimentari la per centuale di azoto ammoniacale dipender prevalentemente dall efficienza del processo in linea ge nerale negli impianti con colture dedicate come mais sorgo triticale la percentuale di azoto ammo niacale nel digestato rappresenta il 50 60 dell azoto totale Le prove di digestione anaerobica in reattori da laboratorio condotte dal CRPA nell ambito del pro getto MIPAAF su Digestione anaerobica dei liquami e Direttiva Nitrati hanno permesso di verificare le modificazioni a carico della sostanza secca e dell azoto dopo digestione anaerobica e a seguito di separazione solido liquido del digestato In Tabella 11 si riportano le caratteristiche chimiche delle matrici utilizzate nelle distinte prove e quelle dei digestati ottenuti Tabella 11 Caratteristiche chimiche delle matrici di diversa provenienza in ingresso ai reattori e dei digestati ottenuti Liquame suino Liquame bovino Hauame bovino Parametri chimici a a biomasse vegetali l Liquame _ 1 Tal quale Digesta Tal quale Digesta bovino Silomais Digesta to to 90 to 10 pH 7 1 8 2 7 0 7 9 7 6 3 6 8 0 Solidi Totali ST tq 5 2 3 5 6 9 5 0 6 7 33 6 4 6 Solidi volatili SV ST 64 8 56 5 82 1 74 6 81 8 95 3 74 2 Azoto totale NTK g kg tq 4 327 4 194 2 718 2 803 2 815 4 446 2 864 Azoto ammoniacale NTK 62 2 72 6 42 8 52 3 43 6 1 1 55 6 Percentuale del carico organico Dat
124. spetto ai liquami freschi Tale perdita tuttavia in parte viene com pensata dalla maggiore presenza di paglia Per l utilizzazione in digestione opportuno che la paglia venga triturata quanto pi possibile compatibilmente con le attrezzature aziendali e le esigenze or ganizzative dell allevatore Tenendo in considerazione la funzionalit delle strutture esistenti il con sumo di paglia e i costi di gestione che mediamente si riscontrano nelle aziende zootecniche di bovi ni da latte il tempo di asportazione ottimale dell ordine di 1 5 2 mesi Una volta asportata la lettie ra deve poter esser utilizzata in tempi relativamente brevi per evitare ulteriori perdite di potenziale metanigeno Le lettiere prodotte dalla stabulazione a lettiera inclinata possono essere considerate normalmente fresche e pertanto molto idonee alla gestione di un impianto di biogas principali ac corgimenti che devono essere seguiti in questi casi riguardano la trinciatura della paglia all atto della distribuzione In tutti i casi in cui la lettiera la forma predominante di produzione di effluenti zoo tecnici nella gestione del digestore potrebbe essere necessario utilizzare le acque di lavaggio della sala d attesa per diluire il prodotto Negli allevamenti a stabulazione libera con cuccette la freschezza degli effluenti zootecnici sempre garantita a patto che vengano adottati sistemi di rimozione con raschiatori o a ricircolo Nel caso che al di sot
125. ssi al suo re perimento ma soprattutto la compatibilit con i restanti prodotti utilizzati In linea generale deve poter essere sempre rispettato il tempo di ritenzione idraulico minimo della biomassa a pi elevato contenuto energetico ed economico e contenuto di ceneri la quantit di ceneri influisce in modo direttamente proporzionale al contenuto energetico utile del prodotto caricato A titolo di esempio si tenga presente che una coltura dedicate ha un contenuto di ceneri pari a circa il 2 5 della sostanza secca a fron te di circa il 20 30 di un effluente zootecnico e contenuto di azoto la quantit di azoto totale e la sua frazione ammoniacale influenzano di rettamente il processo di digestione e la gestione del digestato Un quantitativo di azoto am moniacale eccessivo pu determinare in particolari situazioni inibizione del processo Consi derando il fatto che il processo di digestione anaerobica non modifica in modo sostanziale il contenuto di azoto caricato ne consegue che quanto pi azoto viene caricato con le biomas se tanto maggiori saranno le quantit di azoto da dover gestire con il digestato In linea gene rale la valutazione del contenuto di azoto deve essere fatta come percentuale sulla sostanza secca A titolo di esempio un cereale insilato ha un contenuto di azoto pari a circa l 1 5 2 5 della sostanza secca contro il 5 8 degli effluenti zootecnici 3 2 2 Stoccaggio e pre trattamento delle materie prime L
126. ta con separatore di elementi indesiderati ferro sassi legno Una volta ottenuta la miscelazione idonea la pompa programmata per dosare il carico ad intervalli regolari nei due digestori 64 Bovini da latte e biogas CRPA spa Tramoggia di carico e vasca di omogeneizzazione abbinata a pompa trituratrice Il biogas prodotto viene raccolto nei gasometri sovrastanti le vasche e dopo desolforazione di tipo principalmente biologico con insufflazione controllata di aria nella cupola gasometrica e deumidifi cazione per mezzo di un gruppo di refrigerazione avviato ad un cogeneratore di potenza elettrica installata pari a 330 kWe Il cogeneratore installato in un locale tecnico completamente insonorizza to mentre l energia elettrica prodotta al netto degli autoconsumi viene ceduta alla rete ENEL attra verso il relativo gruppo di trasformazione La potenza del cogeneratore stata scelta sulla base del l imminente ampliamento della consistenza zootecnica dell allevamento Digestori anaerobici e collettore distribuzione cogeneratore e platea di stoccaggio del solido se parato con vasca di stoccaggio finale coperta 65 Bovini da latte e biogas CRPA spa 5 3 Risultati Il processo di digestione anaerobica da effluenti zootecnici bovini pu essere ritenuto per la tipolo gia di matrice organica e per la sua origine uno dei pi stabili sotto il profilo biologico Di fatto la di gestione anaerobica i
127. te che oggi permettono di modificare la composizione e le qualit del liquame e quindi la disponibilit per le piante dei nutrienti che contiene L innalzamento del tetto di 170 kg N ha anno per specifiche condizioni potrebbe comportare una ri duzione significativa dell uso dei concimi di sintesi la cui produzione va ricordato oltre a richiedere molta energia fonte di considerevoli emissioni di gas ad effetto serra In pratica per gli agricoltori in concreto vorrebbe dire non dover pi delocalizzare l azoto minerale gi disponibile negli effluenti e di conseguenza non doverne acquistare dello stesso tipo sotto forma di concime commerciale Per la frazione solida da digestati che contiene un elevata percentuale di sostanza organica parzial mente stabilizzata la valorizzazione dovrebbe essere ai fini ammendanti anche esportandola a di stanza dal centro di produzione Nel suo utilizzo sui terreni si deve considerare anche la concentra 59 Bovini da latte e biogas CRPA spa zione di fosforo che potrebbe limitarne gli apporti su quei terreni che per le loro caratteristiche chi mico fisiche sono pi soggetti alla lisciviazione dell elemento 4 3 4 Digestione anaerobica e clostridi Negli ultimi mesi il dibattito sulle opportunit e sulle problematiche che derivano dall installazione di digestori anaerobici per la produzione di biogas nel comprensorio del Parmigiano Reggiano stato particolarmente acceso L atten
128. tenzione degli impianti Si rammentano di seguito alcune regole generali da seguire per la manutenzione ordinaria degli im pianti di biogas Le manutenzioni specifiche alle singole macchine dipendono dalla configurazione dell impianto e dal tipo di macchina e dovranno essere segnalate dal fornitore dell impianto all utilizzatore il quale dovr esigere copia dei progetti costruttivi dell impianto e un manuale di uso e manutenzione corre dato dalla documentazione tecnica delle macchine e dalle relative garanzie In termini generali un impianto di biogas realizzato per trattare liquami bovini presenta problemi ri correnti di manutenzione in conseguenza delle seguenti cause principali e presenza nei liquami letami di materiale inerte sassi corde ferro o altro materiale grossolano importante provvedere ad una corretta gestione della stalla intervenendo nelle manutenzioni ordinarie di ripristino dei manufatti cementizi per evitare l aggravarsi del distacco di conglomerati Nell alimentazione opportuno predisporre una prima vasca con funzione di 50 Bovini da latte e biogas CRPA spa omogeneizzazione e prima sedimentazione seguita da una pompa trituratrice per i materiali fi brosi Le tubazioni di alimentazione del liquame e o del liquiletame devono avere diametri ade guati alla viscosit del materiale in genere almeno 150 200 mm di diametro in leggera pen denza e ispezionabili nelle curve Nel caso in cui la pompa di
129. terie prime 2 produzione di biogas digestione anaerobica 3 stoccaggio del digestato eventuale trattamento e utilizzo agronomico 4 stoccaggio del biogas trattamento e utilizzo L unit principale di un impianto di biogas la vasca di digestione detta digestore che sempre connessa ad una serie di altri componenti La Figura 7 mostra una rappresentazione semplificata di un tipico impianto agricolo di biogas con co digestione sintetizzabile come segue 1 nella prima fase del processo stoccaggio pre trattamento trasporto e alimentazione dei substrati le unit coinvolte sono la vasca di stoccaggio dei liquami 2 ricezione raccolta di eventuali co prodotti pompabili 3 sistema di igienizzazione se necessario 4 trincee di stoccaggio 5 e sistema di alimentazione dei substrati solidi 6 2 la seconda fase del processo relativa alla produzione di biogas nel digestore 7 3 la terza fase del processo rappresentata dalla vasca di stoccaggio del digestato 10 e il suo utilizzo agronomico come fertilizzante in campo 11 4 la quarta fase del processo stoccaggio produzione di biogas trattamento e utilizzo del bio gas comprende il gasometro 8 e l unit di cogenerazione 9 Queste quattro fasi sono strettamente legate tra loro ad es nella fase 4 viene prodotto il calore ne cessario per il riscaldamento del digestore fase 2 Gli impianti pi comuni sono i cosiddetti CSTR Completely Stirred Tank React
130. ti bovini da latte mentre in Figura 12 viene raffigurato lo schema di principio per il calcolo delle disponibilit di effluenti In definitiva per il potenziale produttivo di biogas e quindi della potenza elettrica installabile l ana lisi parte dalle escrezioni di solidi totali e dall uso di paglia Per quanto concerne invece il dimensio namento del volume del digestore occorre calcolare la quantit di effluente prodotto tenendo conto dei solidi totali escreti calcolati con la metodica vista precedentemente e delle analisi chimiche fatte sugli effluenti dei diversi ricoveri Se per esempio tutti i solidi totali escreti dell esempio precedente fossero disponibili sotto forma di liquame e l analisi chimica di questo portasse ad una concentrazio ne di 90 g kg di solidi totali le volumetrie prodotte sarebbero pari a ST _ 1 236 Qu IST Ena 13 73 t giorno dove e Qig quantit di liquame prodotto t giorno o anno e ST quantit di solidi totali prodotti kg giorno o anno e ST concentrazione di solidi totali nel liquame g kg Ovviamente nel caso di soluzioni miste andr trovato il giusto equilibrio fra le quantit disponibili in forma palabile e forma pompabile avendo presente che il quantitativo totale di solidi totali non po tr essere superiore a quello calcolato con la metodologia illustrata Tabella 4 Caratteristiche medie dei liquami bovini e relativa produzione in termini volumetri ci e di biogas metano
131. to m 3 800 Carico organico volumetrico COV kg SV m giorno 2 3 2 5 Tempo di ritenzione idraulica HRT giorni 30 35 Tabella 17 Caratteristiche chimiche degli effluenti avviati a digestione anaerobica e del dige stato prodotto pH ST SV NTK N NH Tipologia di effluente g kg g kg ST mg kg ST mg kg NTK Miscela media al carico 7 8 97 81 3 83 98 3 236 3 34 1 420 43 9 Digestato tal quale n 19 7 82 56 36 40 86 72 23 3 400 5 6 2 039 60 4 Digestato chiarificato n 2 7 94 45 9 29 18 63 52 3 419 7 47 2 067 60 6 e oupa eeparata 8 63 259 231 892 5 111 197 1802 352 n numero campioni analizzati 68 Bovini da latte e biogas CRPA spa Figura 13 Produzione specifica di biogas rapportate al carico organico volumetrico COV e al tempo di ritenzione idraulica HRT dell impianto Du 3 3Stnntt cdi si i ri i ici dn r 180 150 F 120 Carico organico volumetrico COV kg SV m3 giorno 8 Tempo di ritenzione idraulico giorni 0 0 4 i t t i o febbraio marzo aprile maggio giugno luglio agosto COV mHRT Figura 14 Produzione specifica di biogas cn TT a A ROIO a IO E A Ng ME N A Produzione specifica di biogas 0 0 t t t t t febbraio marzo aprile maggio giugno luglio agosto m3 biogas kg SV E m3 biogas m3 digestore giorno 69 Bovini da latte e biogas CRPA sp
132. to da insilato di suino bovino mais liquame bovino pH 8 4 8 0 8 2 A g kg tq 15 5 16 6 17 7 tq 1 6 1 7 1 8 sy g kg tq 5 3 9 5 10 2 ST 34 3 56 5 57 8 mg kg tq 3 232 1 875 2 139 NTK ST 20 8 11 3 12 2 N NH mg kg tq 2 891 1 288 1 477 NTK 89 5 69 2 69 1 COD mg 07 1 10 534 20 687 21 762 ST solidi totali SV solidi volatili NTK azoto totale N NH azoto ammoniacale COD richiesta chimica di ossigeno Dati CRPA Tabella 14 Caratteristiche chimiche della frazione solida dei liquami digeriti sottoposti a se parazione S L e delle frazioni ottenute Frazione solida digestato Parametri e Digestato da liquame Digestato da liquame Digestato da insialto di suino bovino mais liquame bovino pH 8 8 8 6 8 5 g kg tq 196 1 140 1 130 7 i tq 19 6 14 13 1 SV g kg tq 134 0 112 7 104 4 ST 68 3 80 5 79 9 NTK mg kg tq 10 647 5 034 5 015 ST 579 3 6 3 8 N NH mg kg tq 2 772 1 392 1 517 NTK 26 0 27 7 30 3 ST solidi totali SV solidi volatili NTK azoto totale N NH azoto ammoniacale COD richiesta chimica di ossigeno Dati CRPA La riduzione delle efficienze di separazione della sostanza secca e dell azoto per i digestati rispetto agli effluenti freschi pu risultare sfavorevole qualora si persegua l obiettivo di concentrare questi elementi nella frazione solida ad esempio per esportarli per questo fine sarebbe certame
133. to delle corsie fossero presenti fosse di stoccaggio profonde si tenga presente che il poten ziale metanigeno potrebbe ridursi fino al 30 50 circa dopo un tempo di ritenzione idraulica di 1 2 mesi valori pi alti sono riferibili ai mesi estivi e i pi bassi ai mesi invernali L utilizzo del flushing molto limitante per i digestori anaerobici in quanto mette in movimento grandi quantit di acqua o liquami di ricircolo e diluisce enormemente i volumi di liquame frescho da avviare al digestore Tale tecnologia di fatto particolarmente inidonea per la costruzione di impian 40 Bovini da latte e biogas CRPA spa ti a biogas progettati per funzionare esclusivamente con effluenti bovini Una gestione oculata delle deiezioni in definitiva permette da un lato di migliorare l ambiente interno dei ricoveri e la relativa produzione e dall altro di raggiungere obiettivi economici significativi e una notevole riduzione del le emissioni di metano in atmosfera 4 1 2 Gestione dei materiali da lettiera In linea generale i materiali impiegati come lettimi possono essere di origine organica o di origine inorganica Nella famiglia dei materiali organici la paglia rappresenta il materiale da lettiera tradizionalmente pi usato nella maggior parte delle stalle La diffusione della paglia ovviamente deriva dal fatto che per molte aziende zootecniche essa costituisce un sottoprodotto della coltivazione dei cereali autun no vernini
134. ubstrati agli effluenti zootecnici direttamente o dopo insilamento e il digestato ottenuto a seguito del trattamento anaerobico pu essere utilizzato per fertilizzare le aree agricole in cui le stesse vengono coltivate Non mancano tecnologie impianti stiche costruite in modo da poter utilizzare prevalentemente colture dedicate e scarti organici e acque reflue dell agro industria le ingenti quantit di prodotti agricoli lavorati dall industria alimentare producono reflui spesso avviabili alla digestione anaerobica Si tratta ad esempio del siero di latte proveniente dall industria casearia di reflui liquidi dell industria che processa succhi di frutta o che distilla alcool ma anche degli scarti organici liquidi e o semisolidi dell industria della carne macellazione e lavorazione della carne quali grassi sangue contenuto stomacale budella ecc Questi ultimi possono essere addizionati come co substrati nella dige stione di liquami zootecnici e o fanghi di depurazione Il digestato risultante pu essere utilizzato come ammendante sui terreni agricoli 3 4 1 Determinazione del potenziale metanigeno Per dimensionare e gestire correttamente un impianto per la produzione di biogas necessario tene re conto del potenziale metanigeno delle biomasse utilizzate Occorre considerare infatti che solo una quota delle biomasse utilizzate i solidi volatili degradabili viene convertita in biogas La quota di prodotto che non viene convertita c
135. ue scarsi nell area del Parmigiano Reggiano per contro era viva la preoccupa zione che tali batteri anaerobi naturalmente presenti potessero trovare negli impianti condizioni fa vorevoli al loro sviluppo e che l utilizzazione agronomica dei digestati potesse contribuire ad aumen tare la contaminazione ambientale Sono stati condotti 3 cicli di digestione anaerobica in reattori da laboratorio che simulano il processo di produzione del biogas come avviene in scala reale Ogni ciclo ha visto l utilizzazione contempora nea di 3 reattori le matrici in ingresso dei 3 reattori per ognuno dei cicli sono state liquame bovino proveniente da un allevamento per la produzione di latte per Parmigiano Reggiano tal quale liqua me bovino proveniente da un allevamento per la produzione di latte per Parmigiano Reggiano addi zionato con insilato di mais e liquame bovino addizionato con insilato di sorgo 61 Bovini da latte e biogas CRPA spa Ogni ciclo condotto in mesofilia 38 39 C ha avuto una durata di 90 giorni start up di 30 giorni pi un periodo di prova vero e proprio di 60 giorni La composizione chimica e il profilo fermentativo dei materiali impiegati per alimentare i digestori insilati ed effluenti zootecnici hanno mostrato valori normali La resa in biogas stata quella attesa e maggiore per le miscele liquame insilato rispetto al solo liquame Anche i digestati ottenuti hanno mostrato caratteristiche normali in base all
136. vini adulti in funzione della produt tivit giornaliera 8 8 8 6 8 4 8 2 1 7 8 E 7 6 7 4 ma si g 7 2 T T T T T T T 20 22 24 26 28 30 32 34 kg giorno Escre zione di sostanza secca Produzione latte kg giorno 21 Bovini da latte e biogas CRPA spa Capitolo 3 Il processo biologico Il processo di digestione anaerobica consiste nella degradazione della sostanza organica ad opera di diverse specie di batteri in ambiente privo di ossigeno attraverso stadi di mineralizzazione e gassifi cazione con formazione principalmente di una miscela di metano CH e anidride carbonica CO e con conseguente stabilizzazione del substrato di partenza La digestione anaerobica di un substrato organico semplice quale il glucosio un esempio di degra dazione in cui attraverso un composto intermedio quale l acido acetico si ottengono come prodotti finali metano e anidride carbonica reazione di fermentazione metanica anaerobica CeH1206 _ 3CH COOH CHCOOH CH CO Metano e anidride carbonica costituiscono i componenti principali della miscela gassosa che si forma a seguito del processo di degradazione unitamente ad altri gas quali ad es ammoniaca NH idro geno solforato H2S la cui presenza dipende dalla composizione chimica delle matrici utilizzate co me substrato di partenza Il processo di degradazione della sostanza organica che porta alla formazi
137. zione stata focalizzata sul possibile impatto di questa attivit sulla qualit del formaggio Il timore principale legato alla potenziale diffusione di prodotti insilati e di conseguenza delle spore di clostridi che potrebbero aumentare la contaminazione dei terreni a fo raggere destinate all alimentazione delle bovine da latte Altri aspetti di preoccupazione riguardano la produzione di essenze vegetali da orientare alla produzione di biogas e le possibili turbative in ter mini di disponibilit e di prezzo degli alimenti zootecnici Con la Delibera di Assemblea Legislativa n 51 del 26 luglio 2011 la Regione Emilia Romagna ha defi nito le disposizioni per la localizzazione degli impianti che producono energia elettrica a partire da fonti energetiche rinnovabili eolica da biogas e idroelettrica Per quanto riguarda gli impianti di biogas vengono stabiliti livelli di attenzione particolari per il territorio di produzione del Parmigiano Reggiano e per le zone di coltivazione dei prati stabili Il territorio di produzione del Parmigiano Reg giano considerato non idoneo all installazione di impianti di produzione di energia da biogas e pro duzione di biometano qualora gli impianti utilizzino silomais o altre essenze vegetali insilate fatto salvo il caso in cui l utilizzazione agronomica del residuo del processo di fermentazione digestato tal quale o trattato avvenga in terreni ubicati all esterno del medesimo comprensorio La
138. zione della qualit del biogas prodotto La composizione del biogas dipende dalla composizione chimica delle sostanze contenute nel substrato e dai parametri fisico chimici della prova il contenuto di me tano CH varia solitamente nell intervallo compreso fra il 50 e l 80 in volume mentre il contenuto 35 Bovini da latte e biogas CRPA spa di biossido di carbonio CO varia nell intervallo 20 50 Sono presenti anche basse concentrazioni di idrogeno 10 1 000 ppm ammoniaca 50 2 000 ppm idrogeno solforato 50 2 000 ppm e vari al tri gas in tracce Il test BMP statico generalmente viene prolungato fino a quando la produzione del giorno marginale pari a pi dell 1 di tutta la produzione accumulata La misura viene fatta in con tinuo e la curva cumulata della produzione fornisce anche importanti informazioni in merito alla ve locit di degradazione In generale nel rapporto di conduzione del test devono essere riportati almeno i seguenti aspetti descrizione del substrato descrizione dell inoculo temperatura di processo andamento della formazione di biogas descrizione qualitativa del processo degradativo con indicazione del valore percentuale di metano potenziale metanigeno espresso come Nm kgSV ovvero normal metri cubi per kg di solidi volatili caricati al netto della produzione derivante dall inoculo utilizzato IW Sa Digestore Camera termostatica Dispositivo per la conduzion

Capitolo 2 - ResearchGate

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