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Tesi di Laurea - Associazione Ingegneri Ambiente e Territorio

1. Come si pu osservare la concentrazione di ammoniaca totale aumenta all aumentare del pH e della temperatura All aumentare del pH e della temperatura la frazione non dissociata tende ad aumentare e quindi questo comporta un maggior rischio di inibizione per processi operanti in termofilia e a pH basici La metanogenesi risulta inibita dalla presenza di elevate concentrazioni di ammoniaca indissociata 28 Digestione anaerobica di reflui zootecnici 2 3 5 Acidi grassi volatili a catena corta Gli acidi grassi volatili VFA sono l intermedio principale nella digestione anaerobica Essi sono degradati da batteri acetogeni protoni riduttori e dai batteri metanigeni idrogeno consumatori In alcune situazioni di squilibrio dovuto a fattori come variazioni di temperatura sovraccarico organico presenza di composti tossici ecc gli acidi grassi volatili possono accumularsi e aumentare di concentrazione Mechichi e Sayadi 2005 A concentrazioni comprese tra 6 7 e 9 0 moli m essi possono essere tossici per i metanigeni Batstone et al 2000 I metanigeni quindi non sono pi in grado di rimuovere abbastanza velocemente idrogeno e acidi organici I VFA si accumulano il pH decresce fino ad un punto in cui sia l idrolisi che l acetogenesi possono essere inibite Appels et al 2008 Fase acidogena e aumento degli acidi organici e degli acidi grassi volatili e abbassamento del pH favorisce i batteri acidogeni ma inibisce
2. PCI volume di biogas utilizzato m Vyioga Vbiog s Dove my o la massa d acqua portata ad ebollizione espressa in kg il calore sigs MJ specifico della medesima espresso in ga 93 Analisi termica dell impianto semplificato di digestione anaerobica 4 Analisi termica dell impianto semplificato di digestione anaerobica 4 1 Introduzione alla teoria della trasmissione del calore In termodinamica sono definite due particolari forme di energia il lavoro e il calore Esse non sono funzioni di stato ossia non sono caratteristiche dello stato del sistema ma esistono solo quando il sistema sede di uno scambio di energia con altri sistemi oppure al suo interno o con l ambiente circostante Quando lo scambio di energia avviene in virt di una differenza di temperatura si parla di trasmissione di calore in tal caso i Principi della termodinamica ci permettono di affermare in primo luogo che il calore ceduto da un sistema deve essere uguale al calore ricevuto dall altro conservazione dell energia e che il calore viene trasferito spontaneamente dal sistema a temperatura maggiore a quello a temperatura minore Per citare un esempio basti pensare a due corpi aventi temperature diverse che vengono posti a diretto contatto Dopo un certo intervallo di tempo essi raggiungono la medesima temperatura finale compresa fra le due temperature a cui si trovavano inizialmente La termodinamica tuttavia non ci d n
3. 0 H 0 H S gt 85 4H 0 E successivamente si procede all operazione di rigenerazione dell ossido ferrico 27253 302 2H30 gt 2Fe 03 2850 65 Figura 3 25 Paglietta di ferro 85 Materiali e metodi Figura 3 26 Schema dell impianto di tubazioni di adduzione del biogas 3 4 14 Costruzione del tetto della serra Il tetto della struttura a serra ha una doppia funzione da un lato funge da protezione per il digestore nei confronti di agenti atmosferici e dai volatili e animali da compagnia non stabulati che vivono all interno della fattori dall altro contribuisce al miglioramento dell isolamento termico favorendo la conservazione di un range di temperatura adeguato allo svolgimento delle fasi del processo biologico e quindi alle cinetiche dell attivit batterica La portanza del tetto data da una intelaiatura realizzata con legno di eucalipto molto abbondante sul territorio L isolamento garantito da uno strato di polietilene dello spessore di circa 250 micron con il quale sono rivestiti 1 listoni Onde evitare la lacerazione della pellicola plastica a seguito della inchiodatura su legno si interpone un sottile strato in gomma tra il chiodo e l agrofilm Figura 3 27 Struttura del tetto Figura 3 28 Posizionamento agrofilm 86 Materiali e metodi 3 4 15 Installazione del gasometro Il gasometro serve come ulteriore volume di stoccaggio oltre allo spazio gi presente
4. dMps 5 PCSH4 0 In termini finiti secondo lo schema esplicito sinora adottato k 1 k 1 mk k k k mig Amps PCS gs PCSH4 0 N 1 AQketto gt qj sL B At j 119 Analisi termica dell impianto semplificato di digestione anaerobica Venergia interna del contenuto del reattore e PCSgs il potere calorifico superiore del biogas secco calcolato come media ponderale tra il potere calorifico del metano ed il potere calorifico dell anidride carbonica che ha PCS nullo e 5 il potere calorifico superiore del vapor d acqua pari al calore latente di M evaporazione Ahorap 2 44 c Usi g Us Uya Tue 2 SL B mpgs 5 0 0 5 Eo ome In realt anche l energia associata al biogas estratto deve tener conto dell entalpia sensibile considerando anche il momento dell alimentazione dell ingestaato e del simultaneo spurgo dello slurry si ottiene m jip Amps XE a PCSH o 0 3 Xka AMING 09 Cvs Tine Trif AMpior T Tris Dove cy rappresenta il calore specifico a volume costante della sostanza considerata Cp rappresenta il calore specifico a press
5. Ya _ Mino _ Dtot Mio mgs 1 0 Mps 1 Psat T Mes Prot Dove la frazione molare di vapore acqueo contenuto nel biogas My 9 e Mgs sono rispettivamente le masse molari di acqua e biogas secco 60 e 40 CO2 prot la pressione atmosferica del sito e Psar T rappresenta la pressione di saturazione del vapore in funzione della temperatura dello slurry all istante k esimo espressa in bar 1gH 1690 g H 0 20 mol H Y mol 0 mol H 0 124 1gH 124 1640 Marte 1 mol C moin 0 4 1 mol C molo 27 2 g BS mol BS Prot 0 707 atm 71636 775 Pa 0 7163678 bar Dsat T 4 4237 1075 0 0245 T 3 3973 Il sistema giornalmente alimentato con 120 litri di ingestato deiezioni suine diluite con acqua di lavaggio in rapporto 1 3 e spurga circa una pari volumetria di biol ovvero la frazione liquida del digestato La densit dell ingestato e del biol sono differenti in quanto il secondo ha un ridotto contenuto di solidi rispetto al primo tuttavia in prima approssimazione possibile ipotizzare che al momento dell alimentazione del reattore la massa di biol spurgato sia tale da ripristinare la massa complessivamente contenuta nel digestore al valore iniziale Il bilancio dell energia in assenza di alimentazione dell ingestato e spurgo del biol nell intervallo infinitesimo di tempo dt dato da d ms 8
6. 005 009 009 004 008 006 169 Allegati 0081 0091 yseq lt ujnunzy Teros gt 1S0M 021 50 051 ngog oeutindy nan equieqeortA c 9UOZ 1910 6e amp 24 9 IL ET Vdg 1osuodg 0 Jo Atup 9 oOT 07 0 09 004 008 006 UOTPLA2TH 1e os 170 Allegati yseq ujnunzy gt 189M 0081 0091 006 009 905 oO 06 o09 o06 1 051 TT ta TT T TT T TT ETT EIT EFI cr RES E TT T T oeutindy neay equieqeo tA G euoz aut 1910 8 1221 201 H OLA 10suodg INYS Jo sE 4 L 4 07 005 009 004 008 AMA 171 Allegati 1829 ujnuizy gt 0081 0091 0031 006 009 00 00 902 o09 o06 021 0051 TT TT TT TT LT TT TT TT T_T Tai TT TT TT T TT TT TT TT TT T3 1 E equiequeo rA J
7. I soggetti che possono assumere la qualifica di ONLUS sono e le associazioni riconosciute non riconosciute e comitati e fondazioni e le societ cooperative e gli altri enti di carattere privato con o senza personalit giuridica AI fine di acquisire la qualifica di ONLUS necessario che lo statuto o l atto costitutivo dell ente redatto nella forma dell atto pubblico o della scrittura privata autenticata registrata prevedano espressamente e svolgimento di almeno una delle seguenti attivit assistenza sociale e socio sanitaria assistenza sanitaria beneficenza istruzione formazione sport dilettantistico promozione e valorizzazione dei beni culturali tutela e valorizzazione dell ambiente Q O O promozione della cultura e dell arte o tutela dei diritti civili o ricerca scientifica di particolare interesse sociale e l esclusivo perseguimento di finalit di solidariet sociale e il divieto di svolgere attivit diverse da quelle sopra menzionate ad eccezione di quelle ad esse direttamente connesse e il divieto di distribuire anche in modo indiretto utili e avanzi di gestione nonch fondi riserve o capitale durante la vita dell organizzazione a meno che la destinazione la distribuzione non siano imposte per legge o siano effettuate favore di altre ONLUS che per legge statuto o regolamento fanno parte della medesima ed unitaria struttura e l obbligo
8. Si pu dire che accanto a Huancavelica Apur mac il pi andino dei dipartimenti del x Per tutto il suo territorio montuoso e intervallato di altipiani In termini generali Apur mac all interno della regione dell altopiano tra la cordigliera orientale e la cordigliera occidentale dipartimento caratterizzato dai suoi profondi canyon e valli inter andine scolpiti da fiumi al posto dei quali un tempo vi era una zona pi o meno pianeggiante chiamata superficie di Puna Figura 1 2 Vista della vallata del Rio Apurimac dove sorge il pueblo di Vilcabamba 11 Il mondo della cooperazione internazionale 1 7 1 Aspetti ambientali La tutela dell ambiente un settore molto trascurato in Apur mac questo stato certificato dalla scarsit di studi e informazioni sul tema mentre sono molteplici e sempre pi gravi i problemi di degrado del paesaggio acqua aria e suolo a seguito di un ammodernamento non sempre ben inteso intensificazione della pressione economica o investimenti Uno straziante paradosso dipinge il disinteresse per la crisi ambientale che incombe e che si annida in Per da un lato la costruzione massiccia di magnifici palazzi comunali parchi e altre opere intraprese da enti pubblici e dall altro l assenza o l estrema precariet di discariche per rifiuti sistemi di drenaggio e pulizia pubblica non esiste alcun interramento sanitario nessun impianto di trattamento acque reflue a livello d
9. date le robuste e profonde radici e come materiale da costruzione delle traversine della rete ferroviaria allora in costruzione Colore del legno il durame ha un colore variabile dal beige al marrone chiaro con una sfumatura tendente al rosa L alburno molto chiaro pallido Densit media 720 kg m e Propriet il legno asciuga bene e rapidamente anche se tende a fessurarsi durante l asciugatura Inoltre il legno tende anche a deformarsi durante l asciugatura e Lavorazione il legno facilmente lavorabile I chiodi e le viti hanno una buona tenuta L eucalipto produce delle buone giunture con l incollaggio e Impiego esterno porte finestre L eucalipto nella costruzione degli interni usato per i pavimenti 3 2 0 Installazione e costi L installazione del digestore tubolare plastico PTD pu essere effettuata autonomamente dall utente senza la necessit di consulenza tecnica diretta Tutte le operazioni possono essere eseguite manualmente con il supporto di strumenti comuni e due persone possono installare un digestore familiare 5 10 in 2 3 giorni La semplicit di costruzione permette una trasmissione diretta della conoscenza esperienza da campesino a campesino A contrario un digestore come il modello cinese richiede l aiuto di esperti per eseguire correttamente l installazione ed allo stesso tempo aumentano i costi di installazione Il costo di installazione la caratteristica pi impor
10. 310 Campbell G S Norman J M An introduction to environmental biophysics Springer Verlarg New York Inc 1998 Chandra R Gupta R S 1997 Effect of pectin on anaerobic digestion of distillery effluent and biomethanogenesis in fed batch reactor Indian J Environ Protect 17 19 23 182 Riferimenti bibliografici Chen Y Cheng J J and Creamer K S 2008 Inhibition of anaerobic digestion process A review Bioresource Technology 99 10 4044 4065 Chowdhry S D R Gupta S K Banergy S K Roy Chowdhry S D 1994 Evaluat ion of the potentiality of tree leaves for biogas production Indian Forester 120 8 720 728 Climent M Ferrer I Baeza MD Artola A Vazquez F Font X Effects of thermal and mechanical pretreatments of secondary sludge on biogas production under thermophilic conditions Chem Eng J 2007 133 335 342 Cohen J Laporte J Charpiliene A amp Scherrer R 1979 Activation of rotavirus RNA polymerase by calcium chelation Archives of Virology 60 177 186 Cohen A Breure AM Andel JG van Deursen A van 1980 Influence of phase separation on the anaerobic digestion of glucose I Maximum COD turnover rate during continuous operation Water Res 14 1439 1448 Dar H G Tandon S M 1987 Biogas production from pretreated wheat straw lantana residue apple and peach leaf litter with cattle dung Biol Wastes 21 75 83 das Neves LCM Converti A Penna TCV Biogas production new trends
11. Amer Aoss solare ER Per capire la correzione bisogna considerare che 11 Per per esempio 5 ore indietro rispetto all ora del meridiano di Greenwich ma questo vero solo per i punti che stanno a 102 Analisi termica dell impianto semplificato di digestione anaerobica 75 Ovest di longitudine quindi Amer 759 Per tutti gli altri punti del territorio anche se vige la stessa ora la longitudine diversa da 75 ed uguale nel caso specifico di Vilcabamba 72 39 E si calcola invece con un equazione che tiene conto del fatto che la Terra varia la sua velocit di rivoluzione attorno al Sole durante l anno E 10 1 si 360 i 6 9 si 360 t A sin 366 i sin 366 Dalla combinazione di questi parametri astronomici e della longitudine del sito parametro geografico possibile derivare 1 parametri che congiuntamente descrivono l arco parabolico del Sole durante il giorno per ogni giorno dell anno 4 4 3 Altezza del Sole B E l angolo formato tra la direzione dei raggi solari ed il piano orizzontale Si calcola con la seguente formula sin sin sin cos cos d cos w Ponendo 0 possibile ricavare l angolo orario dell alba w4 per simmetria quello del tramonto e conseguentemente la durata del giorno D 180 wr cos tan tan 6 2 D 15 103 Analisi termica dell impianto
12. I Dove lo rappresenta la costante solare ovvero la quantit di radiazione che arriva sulla Terra dal Sole per unit di tempo e superficie quindi una potenza per unit di superficie W m misurata sulla superficie superiore dell atmosfera terrestre su un piano perpendicolare ai raggi W Io 1360 0 5 m e rappresenta il numero ottico calcolato in funzione della pressione atmosferica del sito p della pressione atmosferica a livello del mare e dell altezza del Sole 2 p nip Do sin B e rappresenta il coefficiente di trasmissione atmosferica ovvero la frazione di radiazione solare in grado di penetrare al suolo Dipende dalla copertura nuvolosa o Vale 0 9 un cielo molto limpido o Vale 0 6 un cielo molto coperto o Vale 0 84 per un generico giorno sereno A partire da 1 possibile derivare le singole componenti della radiazione calcolate dapprima per una superficie orizzontale e successivamente ricavate in funzione dell angolo di incidenza 0j Inp P Inn sin B Ina 0 3 1 Io sin B 105 Analisi termica dell impianto semplificato di digestione anaerobica 1 4 rappresentano rispettivamente la componente diretta e la componente diffusa della radiazione solare incidente su una superficie orizzontale Da questi due valori sar possibile derivare le componenti diretta 1 diffusa e riflessa 1 4 su una
13. OZI 80 B10 96 X v8 eZ eneo Grafico 5 18 Andamento delle temperature delle superfici del sistema nel periodo di analisi 149 Analisi dei risultati e conclusioni 5 6 Proposte di miglioramento Di seguito vengono elencate alcune proposte di miglioramento del modello che potrebbero essere implementate solo a valle del raggiungimento di una pi accurata calibrazione dello stesso basandosi su una maggior mole di dati sito specifici 5 6 1 Ottimizzazione dei parametri costruttivi e gestionali Lo scopo principale dell implementazione del modello termico quello di fornire un valido strumento di supporto per una corretta progettazione di impianti semplificati di digestione anaerobica di tipo PTD Il modello potrebbe essere anche impiegato in fase di verifica delle prestazioni di un impianto esistente Le domande a cui ci si propone di poter rispondere sono le seguenti L impianto ben orientato e L impianto dimensionato bene e L impianto gestito bene Per poter rispondere a queste domande stato necessario individuare un insieme di parametri in funzione dei quali si potesse implementare il modello termico nel suo complesso e che quindi potessero essere oggetto di ottimizzazione imponendo opportuni vincoli e Parametri costruttivi realizzativi o Angolo azimutale della copertura della serra 180 lt Yc lt 4 180 o Angolo di inclinazione ri
14. dell impianto proteggere il digestore dal contatto con animali in grado di danneggiare prevalentemente le parti plastiche 3 4 2 Scavo della fossa di alloggiamento del digestore La fossa viene realizzata per molteplici ragioni e Alloggiare e proteggere il digestore da agenti esterni per tale motivo le pareti interne e la base tipicamente realizzate in forma trapezoidale per dare maggiore stabilit ai carichi devono essere sottoposte ad un attento controllo qualit nei confronti di asperit naturali come spezzoni di roccia o radici e L interranento della quasi totalit del corpo del digestore consente di sfruttare anche le propriet naturali di isolamento termico del terreno ovviamente in aggiunta all effetto isolante operato dal polistirene espanso comunque necessario Lo scavo della fossa non pu prescindere dalle successive fasi realizzative in particolare l asse longitudinale dello scavo dipende dalla tipologia e orientamento della copertura della serra che avvolger il digestore Il criterio basilare quello di sfruttare il pi possibile l irraggiamento solare e Se si intende realizzare il tetto ad un solo spiovente sar necessario orientarlo rivolto verso Nord ricordiamo che il Per situato nell emisfero australe Conseguentemente lo scavo della fossa sar orientato Ovest Est 76 Materiali e metodi Se al contrario il tetto fosse costituito da doppio spiovente per e
15. possibile valutare tale scenario al variare del numero di tubi installati Da tale numero dipendono infatti diversi parametri tra cui a Fattori di vista tra le superfici interne alla serra b Fattori di ombra sulle medesime c Superficie laterale coinvolta nello scambio di calore convettivo con l ingestato e l aria interna alla serra in cui i tubi sono immersi d Superficie esposta alla radiazione solare in grado di assorbire e poi irraggiare energia termica Altri possibili parametri modificabili riguardano la geometria dei tubi Inizialmente si considerano tubi di lunghezza pari alla longitudine interna della serra e con uno spessore di 3 mm per andare incontro agli standard commerciali 153 Analisi dei risultati e conclusioni 2 Installazione di un sistema di 2 serbatoi in materiale metallico meglio se ferroso in modo tale che in caso di cessione di impurit esse possano contribuire al sequestro di idrogeno solforato una volta introdotte insieme all ingestato all interno del reattore scelti in funzione delle propriet termiche dimensionati per contenere ciascuno il volume di ingestato da alimentare giornalmente al reattore La miscela sterco acqua di lavaggio verr mantenuta all interno di tali serbatoi per un HRT pari a 2 giorni Teoricamente in tale periodo il materiale andr incontro ad una fase di pre fermentazione operata in un range di temperatura ai limiti della termofilia Successivamente le reazioni di a
16. to E Fyistag c i Fvistag sL B Ag _ Tg e Volume di aria interna alla serra N 1 gt Qj v Qs v de v 90 9 4 TE Reonvy_y Ay Ty Ty Reonvs_y Ay Ty heonvg y Tg Ty heonvo y Ao To hose y Te Ty _ E Ty 125 Analisi dei risultati e conclusioni 5 Analisi dei risultati e conclusioni 5 1 Analisi del modello di radiazione solare Il modello di Cambell e Norman 1998 permette di ottenere i dati di radiazione solare a partire solamente dalle coordinate del sito studiato e assumendo un coefficiente di trasmissione atmosferico a stato assegnato un valore pari a 0 65 che corrisponde ad una non trascurabile presenza di copertura nuvolosa durante tutto il periodo dell anno vedere Allegato A3 Come primo aspetto stata studiata l influenza dell orientamento rispetto al Nord e dell inclinazione di una generica superficie rispetto all orizzontale questi due parametri vanno a modificare l angolo con cui la radiazione solare incide sulla superficie stessa Andamento della radiazione totale annua in funzione della giacitura della superficie Q Nn 2 n Ss da emi 2 YN N Q 5 2 o 5 YN o o N Ss om 5 24 180 150 120 9
17. 0 61 091 T T T T T ror TT T T TT oeurtindy neay equieqeo tA G 9uoz aut 1910 6 24 BUOT L ETI 001 744 tosuods NUS Jo 008 007 00S 009 004 008 006 177 Allegato A3 condizioni meteo climatiche dell area oggetto di studio Allegati APURIMAC P Y 10 45 FEBRERO MAYO DO 50 53 55 60 AGOSTO NOVIEMBRE QD 60 65 QD 65 70 10 35 75 ue REPUBLIC ADELPERU e SERVICIO NACIONAL DE METEOROLOG AB HIDROLOG SENAMHI DIRECCI N GENER AL DE INVESTIGACI N Y ASUNTOS AMBIENT ALES ENERG A SOLAR INCIDENTE DIARIA Departamento de Apurimac 1975 1990 LAN FERE VICIEMbR 178 Allegati HO 4 SO e RO 20 0 Es 8 Grafico A3 1 Andamento dell umidit relativa misurata presso la stazione meteo di Chuquibambilla 179 km h o o N tal Grafico A3 2 Andamento velocit del vento misurata presso la stazione meteo di Chuquibambilla 180 Allegati Allegato A4 schema dell impianto 181 Riferimenti bibliografici Riferimenti bibliografici http www utopie it ecologia tecnologie_appropriate htm Apurimac Onlus con le aziende Venerdi 28 settemb
18. Fabbri et al 2010 Reattori ad alto carico I reattori ad alto carico consentono un aumento dell efficienza grazie all immobilizzazione all interno del reattore di elevate concentrazioni di biomassa Sono quindi in grado di operare a carichi volumetrici pi elevati rispetto agli altri reattori a flusso continuo 8 20 Tuttavia si tratta di sistemi che sono poco efficienti nel convertire la frazione particolata del substrato in biogas e nei quali possono formarsi accumuli di materiale particolato non digerito Non sono adatti alla digestione di effluenti agro zootecnici mentre possono essere impiegati nel caso di substrati contenenti composti organici solubili e con ridotto o nullo contenuto di solidi sospesi quali alcuni reflui agro industriali i residui dell industria casearia siero di latte o 1 liquidi dall industria conserviera residui della lavorazione di succhi di frutta o distillerie di prodotti alcoolici Appartengono a questa tipologia i seguenti reattori e Reattori a biomassa adesa nei quali la biomassa aderisce a supporti installati nel reattore sottoforma di un biofilm Il substrato viene ricircolato sui supporti e viene in contatto con i batteri del biofilm Tra i reattori a biomassa adesa compaiono 1 reattori a letto fisso a letto espanso e i filtri anaerobici nei quali 1 supporti sono costituiti da grani di plastica sabbia o supporti di diverse configurazioni e Upflow Anaerobic Sludge Blanket
19. LDPE che hanno il vantaggio di poter essere prodotti gi in forma tubolare evitando cosi il problema della saldatura 61 Materiali e metodi 3 2 Caratteristiche del digestore tubolare Questa sezione descrive le caratteristiche del digestore tubolare e ove possibile in relazione ad altri tipi di digestori L obiettivo e stato quello di verificare la possibilit della digestione anaerobica nelle condizioni climatiche ambientali ed economiche dell altopiano andino 3 2 1 Tipo di alimentazione Quando i reflui sono prodotti quotidianamente come nel caso dei reflui di origine zootecnica conveniente dotarsi di un digestore continuo in cui l alimentazione pu tenere il passo con la produzione di rifiuti in modo tale che essi siano alimentati freschi Una preventiva fase di accumulo dei reflui comporta una degradazione incontrollata della sostanza organica convertibile in biogas riducendo quindi le potenzialit dell impianto ed una volatilizzazione dei composti azotati in particolare ammoniaca con conseguente diminuzione delle qualit fertilizzanti del digestato I digestori continui inoltre garantiscono una produzione costante di biogas mentre nei digestori batch la produzione diminuisce con il grado di avanzamento del processo Per ovviare a questa fluttuazione della produzione nel caso batch possibile installare una batteria di digestori funzionanti in parallelo con un conseguente aggravio gestionale rispetto a un d
20. anaerobici sopportano pi facilmente discontinuit di alimentazione con arresti anche assai prolungati impianti stagionali I minori tempi di permanenza idraulica dei processi aerobici implicano minor volumetria dei reattori L aspetto assume importanza tanto maggiore quanto pi elevate sono le portate trattate Le trasformazioni aerobiche richiedono disponibilit di ossigeno disciolto che quasi sempre deve essere fornito per aerazione artificiale con conseguenti consumi energetici Nei reattori anaerobici i consumi energetici sono limitati alle esigenze della miscelazione Le trasformazioni anaerobiche producono inoltre un catabolita gassoso ricco di metano biogas con un bilancio energetico complessivo largamente positivo Il razionale impiego dei processi anaerobici con recupero del biogas per riscaldamento dei fanghi e per la produzione di energia implica una maggiore complessit impiantistica e una maggior attenzione per la sicurezza rischio di formazione di miscele esplosive 34 Digestione anaerobica di reflui zootecnici In particolare la riduzione della produzione di biogas durante la stagione invernale pone un serio problema nell applicazione pratica di questa tecnologia Kalia e Singh 1996 hanno scoperto che la produzione di biogas passa da circa 1700 L d in maggio luglio a circa 99 L d in gennaio febbraio Tutto questo ha portato ad una limitata diffusione della tecnologia nelle zone rurali Vi dunque la n
21. degli intermedi di reazione che fungono da substrato per la popolazione successiva nella catena trofica A termine della digestione si conservano sostanzialmente inalterati 1 nutrienti azoto e fosforo che non vengono rimossi per via biochimica se non per le esigenze di sintesi batterica le quali condizionate da rese specifiche molto basse non comportano riduzioni significative La ridotta sintesi di nuova biomassa per altro una delle caratteristiche vantaggiose della digestione anaerobica A causa della lentezza delle reazioni anaerobiche in campo psicrofilo temperature 20 il processo viene normalmente operato in condizioni mesofile 30 35 o termofile valori ottimali intorno a 55 60 Il fabbisogno energetico principale della digestione quindi rappresentato dall energia termica necessaria per condurre il processo alle temperature sopra indicate dipendente a pari temperatura di origine dell alimento e a pari temperatura ambientale dalla portata di massa da trattare e dal tempo di ritenzione idraulico La digestione anaerobica presenta bilanci energetici positivi dovuti al biogas prodotto l energia derivante dal metano pi che sufficiente a coprire i costi energetici dovuti al riscaldamento dei digestori 18 Digestione anaerobica di reflui zootecnici La digestione anaerobica un processo noto ed utilizzato da tempo allo scopo di trattare e stabilizzare reflui ad elevata concentrazione di sostanza organic
22. i C x 2 Il calcolo dei fattori di vista tra la copertura le superfici procede nel seguente modo 1 Calcolo del fattore di vista tra la copertura e la parete Sud con riferimento alle dimensioni reali delle superfici 2 Calcolo del fattore di vista tra la copertura e la parete Nord con riferimento alle dimensioni reali delle superfici 3 Calcolo del fattore di vista tra la copertura e le pareti laterali Est e Ovest nell ipotesi che la forma delle pareti sia rettangolare avente come come larghezza la larghezza della copertura e come altezza l altezza del rettangolo equivalente al trapezio forma reale della parete 4 Calcolo del fattore di vista tra la copertura e la geomembrana come complemento a 1 dei suddetti 111 Analisi termica dell impianto semplificato di digestione anaerobica 4 6 3 Componente riflessa della radiazione incidente sulle superfici interne Come prima anticipato per semplicit la componente riflessa della radiazione incidente sulle superfici interne alla serra viene inclusa nel calcolo della radiazione diffusa In definitiva la radiazione solare totale incidente sulle superfici interne alla serra e QsoteTotale i Gsotediretta i dsote diffusa i interno interno interno Qsoierotate i interno 1 4 Fokas Up Fombra i 4 7 Trasferimento di calore per irraggiamento tra le diverse superfici interne alla serra Lo scambio netto di e
23. innovazione detti propriamente imprenditori Josef A Schumpeter Austria 1883 1950 Le aspettative di profitto sono influenzate dall efficacia dei diritti di propriet brevetti che ostacolano limitazione tecnologica L introduzione dell innovazione pu essere vincolata dalla disponibilit finanziaria Infatti il rischio connesso al successo Il mondo della cooperazione internazionale dell innovazione a carico di chi la finanzia La tecnologia migliora anche con l aumento dell esperienza nella attivit produttiva detto learning by doing imparare facendo K J Arrow Stati Uniti 1921 Gli effetti principali dell innovazione tecnologica sui settori produttivi sono costituiti dalla diffusione e dalla concentrazione Nel primo caso prevale l imitazione della nuova tecnologia con la conseguenza di erodere il vantaggio competitivo dei primi imprenditori Nel secondo caso prevale l appropriazione delle nuove tecnologie da parte di una o di poche imprese Questo caso dovuto a possibili vantaggi derivanti da una sistematica attivit di ricerca investimenti in ricerca e sviluppo che permette di aumentare le probabilit di successo delle innovazioni Storicamente il secondo caso cresciuto di importanza ed oggi si stima che gli investimenti in ricerca e sviluppo abbiano un ruolo determinante per la crescita delle economie maggiormente industrializzate Il primo caso tuttavia continua ad essere di rilievo come testimonia la p
24. prodotto sar impiegato per la produzione di energia elettrica per altri usi domestici mediante un motore a combustione adattato per il funzionamento a biogas Inizialmente le attivit sono state concentrate nella localit di Vilcabamba con l installazione di due impianti Figura 1 6 Al momento del mio coinvolgimento il progetto era in fase di avviamento il primo impianto semplificato era stato completato ed era entrato in funzione con buoni risultati e partire dal primo digestore installato produrre biogas utilizzabile come combustibile alternativo alle biomasse ligno cellulosiche per la cottura dei cibi A partire dal secondo digestore installato produrre biogas utilizzabile in un motore a combustione per la produzione di energia elettrica Il mio coinvolgimento in qualit di volontario ha previsto una permanenza in loco per un periodo di 8 settimane dal 28 Ottobre 2012 al 24 Dicembre 2012 al fine di e Partecipare alle attivit di campo quali la costruzione del secondo digestore semplificato e la gestione del primo in modo da entrare in contatto con la tecnologia e le esigenze operative della famiglia beneficiaria e degli stake holders Redigere un piano di monitoraggio preludio di una investigazione scientifica approfondita seppur limitatamente al budget del progetto atta al miglioramento delle caratteristiche costruttive e gestionali dell impianto 16 Il mondo della cooperazione internazionale L att
25. 182 Moorhead K K Nordstedt R A 1993 Batch anaerobic digestion of water hyacinth effects of particle size plant nitrogen content and inoculum volume Bioresou r Technol 44 1 71 76 185 Riferimenti bibliografici Muller J A 2000 Pre treatment processes for recycling and reuse of sewage sludge Water Sci Technol 42 167 174 Ni JQ Nyns EJ New concept for the evaluation of rural biogas management in developing countries Energy Conversion and Management 1996 37 10 1525 34 Nyns EJ 1986 In Rehm Reeds Eds Biomethanation Processes in Biotechnology 1 8 press Weinheim Federal Republic of Germany 207 268 Noone G P 1990 The treatment of domestic wastes In A Wheatley ed Anaerobic Digestion A Waste Treatment Technology Elsevier Applied Science London pp 139 170 Omer AM Fadalla Y Biogas energy technology in Sudan Renewable Energy 2003 28 499 507 Patel V Desai M Madamwar D 1993 Thermochemical pretreatment of water hyacinth for improved biomethanation A ppl Microbiol Biotechno 42 1 67 74 Pl chl M Heiermann M Biogas farming in central and northern Europe a strategy for developing countries Agriculture Engineering International 2006 8 8 1 15 Pohland e Ghosh 1971 Anaerobic stabilization of organic wastes Gober Gas Research Station Ajitmal Etawah U P India 52 pp Sanders F A Bloodgood D E 1965 The effect of nitrogen
26. 48 60 72 84 12 Data e ora Potenza assorbita dalla radiazione solare per la parete Ovest Grafico 5 5 133 Analisi dei risultati e conclusioni Potenza assorbita dalla radiazione solare per la geomembrana W 2995 E n n 8 3 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180 192 Data e ora Grafico 5 6 Potenza assorbita dalla radiazione solare per la geomembrana Durata del di ore Durata ore 31 01 2012 01 03 2012 31 03 2012 30 04 2012 29 06 2012 29 07 2012 28 08 2012 27 09 2012 27 10 2012 26 11 2012 26 12 2012 a y 30 05 2012 2 Grafico 5 7 Durata del di durante l anno 134 Analisi dei risultati e conclusioni Potenza assorbita dalla radiazione solare in data 12 02 2012 Copertura W Parete Sud W Parete Nord W gt Parete Est W Parete Ovest W 2 5 2 E n n 8 x N Geomembrana w Copertura Nylon W Grafico 5 8 Potenza assorbita dalla radiazione solare in data 12 02 2012 Potenza assorbita dalla radiazione solare in data 13 02 2012 Copertura W Parete Sud W Parete Nord W Parete Est W Y Potenza assorbita assorbita W Parete Ovest W Geomembrana W Copertura in Nylon W 14 16 18 Grafico 5 9 Potenza asso
27. Caratteristiche tecniche Due ingressi universali individualmente configurabili per Pt100 Termocoppia tipo J T E N S o B tensione 0 50 mV 0 10 o corrente 0 20 mA 4 20 mA e Precisione 0 2 del range massimo di misura per Pt100 sia in tensione che in corrente Risoluzione di ingresso 14 bit e Inizio di acquisizione immediata o programmabile e Fine delle acquisizioni determinato per memoria piena fissando data e ora o il numero di acquisizioni o predisponendo l opzione memoria circolare Ripetizione quotidiana delle acquisizioni e 64 Kb di memoria per 64 000 record di un singolo canale o 32 000 record per ognuno dei 2 canali Comunicazione a infrarossi a distanze fino a 1 m e Intervallo tra i record programmabile da 1 s a 18 ore e Orologio in tempo reale Alimentazione interna al litio 3 6 V 1 2 AA e Stima della durata della batteria 200 giorni facendo una raccolta di dati settimanali e con acquisizione dell intervallo di 5 minuti e Circuito di commutazione per l alimentazione di trasduttori esterni e Software di configurazione e raccolta dati Windows 9 98 XP 2000 e PalmOS Temperatura di funzionamento 40 C a 70 C Dimensioni 70 x 60 x 35 mm e Software LOGCHART II 163 pH metro Caratteristiche principali del modello pH Allegati 222 della Lutron Display LCD 20 mm x 28 mm Range di pe ME misurazione Temper
28. Cinetica della reazione Influenza della temperatura Rendimento depurativo Sintesi batterica Fabbisogno di nutrienti Flessibilit del processo Volume dei reattori Aspetti energetici Complessit e gestione impiantistica In presenza di basse concentrazioni di substrato la cinetica aerobica assai pi veloce di quella anaerobica con conseguenti minori tempi di permanenza idraulica nei reattori La cinetica anaerobica pi sensibile alla temperatura Quando sussiste la possibilit di riscaldare i reattori sono possibili notevoli aumenti nella velocit delle reazioni La lentezza delle cinetiche anaerobiche non consente di prolungare 1 processi fino ad avvicinare il compimento delle reazioni La rimozione dei substrati quindi incompleta soprattutto se non si interviene con un aumento di temperatura La sintesi batterica aerobica pi intensa di quella anaerobica con produzione di fango di supero superiore di quasi un ordine di grandezza e con conseguenti implicazioni sugli oneri di smaltimento Anche in conseguenza della ridotta sintesi batterica il fabbisogno di nutrienti per i processi anaerobici pi limitato Ne derivano conseguenze sui livelli di rimozione di N e P conseguibili per sintesi quando tali elementi siano in eccesso e sui quantitativi di nutrienti da introdurre dall esterno quando siano in difetto L avviamento dei processi aerobici pi rapido Per contro i processi
29. Gaur 1997 Malik et al 1987 Alcuni studi hanno suggerito che rapporto C N varia con la temperatura Secondo lo studio condotto da Idnani e Laura 1971 la produzione di biogas da 0 5 kg di letame bovino stato quasi raddoppiato da 17 2 L a 31 5 L mediante l aggiunta di 200 mL di urina L uso di materiali di scarto imbevuti nelle urine particolarmente vantaggioso durante i mesi invernali quando la produzione di biogas comunque bassa 32 Digestione anaerobica di reflui zootecnici 2 5 Tecniche di miglioramento del processo di digestione anaerobica La mancanza di stabilit di processo i bassi tassi di carico la lenta ripresa dopo fenomeni inibitori e 1 requisiti specifici per la composizione dei rifiuti sono alcuni dei limiti che contribuiscono a fare della digestione anaerobica un processo lento Van der Berg e Kennedy 1983 Nelle tabelle seguenti vengono elencate le criticit e i punti di forza del processo di digestione anaerobica mostrando ove possibile le differenze con il metabolismo di tipo aerobico Tabella 2 2 Confronto tra metabolismo aerobico ed anaerobico Confronto tra metabolismo aerobico ed anaerobico Cinetiche relativamente veloci caratterizzate da un utilizzo spinto del substrato Elevati valori di Umax coefficiente di crescita e bassi valori di costante di semisaturazione In un reattore completamente miscelato la velocit effettiva di rimozione non si riduce di molto Si basa sul
30. Secondo l Organizzazione Mondiale della Salute WHO oltre 3 miliardi di persone in tutto il mondo continuano a utilizzare combustibili solidi tra cui legno sterco e residui agricoli e carbone per fornire loro l energia di cui hanno bisogno WHO 2011 La cottura delle pietanze con combustibili solidi in caminetti o stufe tradizionali ha ripercussioni sugli elevati livelli di inquinamento atmosferico a causa di sostanze inquinanti quali polveri ceneri e monossido di carbonio L inquinamento dell aria indoor una percentuale significativa del quale generata dalle stufe di cottura tradizionali pensato essere responsabile del 2 7 del carico totale globale di malattie WHO 2011 59 Materiali e metodi 3 Materiali e metodi 3 1 Introduzione alla tecnologia dei digestori tubolari in materiale plastico PTD Plastic Tubular Digester La produzione di biogas da digestione anaerobica di materia organica effettuata mediante un sistema di operazioni e tecnologie diverse e Raccolta e trasporto del refluo e Digestione anaerobica nel reattore e Conservazione e uso del fertilizzante liquido Trasporto stoccaggio e utilizzo del biogas Un contenitore sigillato per mantenere l ambiente al suo interno in condizioni anaerobiche e dotato di una uscita per estrarre il biogas prodotto la base per qualsiasi digestore Un digestore tubolare essenzialmente un cilindro allungato ad alimentazione continua e nel quale i
31. Successivamente nei grafici a seguire sono esaminate le date e le superfici singolarmente rispetto al Grafico 5 3 tuttavia nei grafici successivi la scala di rappresentazione stata adattata alle esigenze di interpretabilit 129 Analisi dei risultati e conclusioni nm voj n ein ua doo ey quosse a e 0 ezua30g A M ey quosse a e 0 ezus30d M 5 EYquosse aje 0 2 04 M 353 ayased 55 0 2 9 04 M aed 55 a e 0 2 M pns EYIQUOSSE 10 ezus30d M esnuados eyquosse aje 0 2 04 6 2102 20 9 eq 100006 cIOL OUSC TIOUGO TT 0090720 cIOZ CU IC Ost 89T 9ST sot 96 78 09 du Bd hw IA Iw U Y 19 AA 078703 ouorzerpes Grafico 5 3 Andamento della radiazione solare per le diverse parti del sistema nei giorni particolari 130 Analisi dei risultati e conclusioni Risulta abbastanza evidente come la copertura in agrofilm riceva la radiazione solare in modo pressoch costante durante il corso dell anno dato indicante un corretto posizionamento della copertura stessa inoltre quantitativamente la radiazione assorbita dalla copertur
32. UASB nei quali la biomassa pu essere presente in forma fioccosa per carichi idraulici inferiori a 0 2 m h o granulare per carichi idraulici pi elevati dell ordine di 0 5 m h Tipicamente hanno forma circolare e sono dotati di un sedimentatore trifasico per una pi efficiente separazione della fase liquida solida e gassosa che consente di massimizzare il tempo di residenza dei solidi e di minimizzare il dilavamento della biomassa Sistemi MBR Membrane Bio Reactor anerobici che utilizzano una membrana come barriera fisica per separare le fasi solida liquida gassosa e la ritenzione della biomassa sono indicati per trattare elevati carichi inquinanti con portate limitate e molto concentrate e consentono di ottenere effluenti con ottime caratteristiche dal punto di vista del contenuto dei solidi sospesi 48 Digestione anaerobica di reflui zootecnici 2 8 3 Contenuto di solidi Si definisce digestione a secco quando il tenore di solidi all interno del reattore in termini di SV superiore al 20 e a umido quando il tenore di SV inferiore al 10 Per quanto riguarda gli impianti di trattamento dei reflui agro zootecnici prevale l applicazione di tecniche di digestione ad umido mentre la digestione a secco quella maggiormente impiegata per il trattamento dei rifiuti solidi urbani Digestione a secco La digestione a secco stata originariamente impiegata per il trattamento di materiale ad elevate concentrazion
33. ambiente Si riportano di seguito i principali materiali impiegati per la costruzione dell impianto e le parti del sistema essi realizzati e Cloruro di polivinile PVC o Digestore in geomembrana dello spessore di 1 mm o Gasometro in geomembrana dello spessore di 0 6 mm o Tubazioni di alimentazione refluo ed estrazione digestato dello spessore di 3 mm o Tubazioni di convogliamento biogas dello spessore di 3 mm Polietilene a bassa densit per isolamento termico e igroscopico a contatto con le pareti della fossa e Polistirene espanso per isolamento termico a contatto diretto con il digestore tubolare e Pietre e mattoni in terra cruda adobes per realizzare la struttura della serra e Listoni in legno di eucalipto per la realizzazione dell intelaiatura del tetto della serra Polietilene a bassa densit per realizzare le falde del tetto della serra consentendo alla rediazione solare di penetrare e riscaldare il digestore e Paglietta in ferro da impiegare come filtro per l idrogeno solforato e Cemento e laterizi per la costruzione dei pozzetti di carico e scarico des e n eal Hh Il cloruro di polivinile noto anche come polivinilcloruro o con la corrispondente sigla PVC il polimero del cloruro di vinile il polimero pi importante della serie ottenuta da monomeri vinilici ed una delle materie plastiche di maggior consumo al mondo Puro 64 Materiali e metodi un materiale
34. conoscenza pratica richiesta per utilizzare efficacemente le istruzioni know how Si ha innovazione tecnologica quando possibile ottenere una stessa quantit di output con minori quantit di input innovazione di processo o un output di qualit nuova innovazione di prodotto L innovazione di processo pu risparmiare uno o pi input ma storicamente le innovazioni hanno teso in aggregato a risparmiare lavoro La tecnologia contribuisce insieme alla quantit disponibile di lavoro di capitale fisico e di risorse ambientali a determinare il livello e la composizione potenziali della produzione di una economia In tal caso la tecnologia adottata tende ad essere anche la pi efficiente in virt delle spinte provenienti dalla competitivit di prezzo fra le imprese L innovazione tecnologica costituisce uno degli elementi chiave dell aumento del reddito pro capite e della crescita economica In questo caso le spinte provengono dalla competitivit di prodotto fra le imprese che consente loro di esercitare in una certa misura un potere di mercato I fattori che determinano la tecnologia sono dati sia dal livello della scienza e della tecnica invenzioni che stato raggiunto in ogni determinato momento storico sia dalla capacit umana di applicare questa conoscenza alle attivit produttive La determinante principale dell innovazione tecnologica data dalle aspettative di profitto da parte di coloro che per primi introducono l
35. degradazione dei lipidi sia gli acidi grassi volatili sono degradati ad acido acetico biossido di carbonio e idrogeno ad opera dei batteri acetogeni idrogeno produttori obbligati La reazione ha luogo solo in situazioni di basse concentrazioni di idrogeno condizione che si verifica grazie alla presenza di batteri idrogeno consumatori Infatti sia i batteri consumatori sia quelli produttori di idrogeno vivono in una tale simbiosi che una molecola di idrogeno prodotta consumata entro una media di 0 5 secondi Van Der Graaf 1996 I batteri idrogeno produttori acetogeni sono rappresentati da due tipi di popolazioni una produce acido acetico a partire da acidi grassi a lunga catena l altra a partire dagli acidi grassi volatili In tale reazione gli acidi grassi agiscono sia da donatori di elettroni producendo sia da accettori trasformando in Seguono esempi di acetogenesi di acido propionico acido butirrico e acido palmitico cio i principali acidi grassi ottenuti dalla fase di acidogenesi e acido propionico 2H50 e acido butirrico CH3CH CH COOH 2H50 2 26 acido palmitico CH3 CH2 14COOH 14H50 8CH3COOH 14H Una parte rilevante dei processi degradativi circa il 3096 Speece et al 2006 dell intero processo anaerobico passa attraverso l acido propionico in particolare tutti quelli originati da polimeri aventi un numero dispari di atomi di c
36. della reazione chimica Non possibile cogliere puntualmente l effetto della reazione chimica poich sarebbe necessario esplicitare la variazione del contenuto entalpico di reazione che non conosciamo Comunque il risultato ottenuto con una grossolana calibrazione di 40 mostra che l ipotesi di produzione di biogas costante durante tutto il giorno non realistica lo si vede chiaramente dal confronto tra i profili di temperatura quotidiani dello slurry calcolati e misurati Il Grafico 5 17 evidenza che il modello utilizzato per lo slurry molto grossolano e non tiene conto dell evoluzione dei solidi in sospensione e ipotizza produzione di biogas costante nel tempo e indipendente dalla temperatura e non tiene conto dell effetto termico delle reazioni batteriche Lo sfalsamento temporale non costante potrebbe quindi essere che l introduzione dell ingestato e lo spurgo del reattore nei giorni considerati non sia avvenuto puntualmente alle ore 9 come invece stato assunto per il modello 5 5 Temperature degli elementi del digestore Il Grafico 5 18 mostra l andamento delle temperature medie orarie dei diversi elementi costituenti il sistema nei giorni appartenenti al periodo della calibrazione del modello Il risultato della calibrazione in accordo con quella che la fisica del problema Le pareti della serra ricalcano l andamento della temperatura ambiente L aria interna alla serra e la geomembrana hanno praticamente sempre l
37. di impiegare gli utili o gli avanzi di gestione per la realizzazione delle attivit istituzionali e di quelle ad esse direttamente connesse e l obbligo di devolvere il patrimonio dell organizzazione in caso di suo scioglimento per qualunque causa ad altre organizzazioni non lucrative di utilit sociale e l obbligo di redigere il bilancio o rendiconto annuale e l obbligo di manifestare una rigida trasparenza gestionale non omettendo alcun requisito di bilancio Il mondo della cooperazione internazionale 1 5 Organizzazione non governativa Le organizzazioni non governative in sigla ONG in Italia sono delle particolari ONLUS che concentrano la loro attivit nella cooperazione allo sviluppo e che sono riconosciute dal Ministero degli Affari Esteri ed inserite in una specifica lista Pi in generale sono organizzazioni indipendenti dai governi e dalle loro politiche e generalmente anche se non sempre si tratta di organizzazioni non aventi fini di lucro non profit che ottengono almeno una parte significativa dei loro introiti da fonti private per lo pi donazioni Nel mondo anglosassone vengono spesso identificate con la sigla PVO di private voluntary organization preferita a NGO sigla di non governmental organization Le ONG operano per scopi di diverso tipo tipicamente per portare avanti le istanze politico sociali dei propri membri spesso trascurate dai governi Alcuni esempi sono il miglioramento dell ambiente l incora
38. di origine suinicola I risultati mostrano come in effetti alcuni antibiotici siano in grado di inibire anche pesantemente la produzione di biogas 30 Digestione anaerobica di reflui zootecnici 2 4 I parametri di funzionamento Vengono di seguito brevemente elencati i parametri fondamentali che determinano le condizioni e le prestazioni del processo di digestione anaerobica Sono fondamentali per le valutazioni a scala di laboratorio e necessari per la gestione di impianti a scala pilota e a scala reale 2 4 1 HRT Hydraulic Retention Time Il tempo di residenza idraulica dato dal rapporto tra il volume di liquido presente all interno del reattore e la portata volumetrica di fanghi estratti dal sistema in un reattore CSTR senza ricircolo La variazione di questo parametro influenza le rese di rimozione in quanto determina la permanenza della biomassa nel reattore HRT il tempo medio trascorso dai liquami di ingresso all interno del digestore prima che esca In Paesi tropicali come l India il tempo di ritenzione idraulica varia da 30 a 50 giorni mentre nei paesi a clima pi freddo pu andare fino a 100 giorni Un tempo di ritenzione pi breve pu comportare il rischio di dilavamento della popolazione batterica attiva mentre un tempo di ritenzione prolungato richiede un notevole volume del digestore e quindi un maggior capitale economico Quindi vi la necessit di ridurre l HRT per impianti di biogas domestici basati sul tr
39. e 1 fanghi Il trattamento di rifiuti solidi SS gt 22 25 richiede quindi la miscelazione e la diluizione con substrati liquidi o in alcuni casi acqua Il digestato un fluido pompabile per il quale quasi sempre opportuna una successiva disidratazione La tipologia impiantistica pi comune per la digestione a umido quella di reattori completamente miscelati CSTR nel quale necessaria una buona miscelazione per assicurare il giusto tempo di contatto dei batteri con il substrato e per evitare cortocicuiti che si verificano quando il materiale entrante non si miscela perfettamente con quello gi presente nel reattore e ne fuoriesce con tempo di ritenzione inferiori a quelli di progetto Il verificarsi di fenomenti di cortocircuito implica 49 Digestione anaerobica di reflui zootecnici oltre a una minore degradazione del substrato la presenza di microrganismi patogeni nel digestato La sedimentazione sul fondo di sostanze indesiderate nel substrato alimentato al digestore pu limitare il volume utile del reattore e causare danni al sistema di miscelazione e di pompaggio e richiede la previsione di salutari fermo impianto per la rimozione degli strati pesanti e galleggianti Inoltre in generale la fase di pretrattamento del substrato importante ed generalmente pi costosa di quella presente nei sistemi a secco Questo vale in particolare per substrati quali la FORSU mentre per i reflui zootecnici viene generalmente utili
40. fatta di cose concrete Persone esperte e volontari religiosi e laici insegnanti medici infermieri e ingegneri a dare vita a progetti che avessero un inizio e una fine E alla fine in alto ci siamo rimasti Con il cuore la volont e un grande obiettivo non perdere mai di vista chi sta pi in basso di noi Chi vive tra miseria e crudelt chi non ha mai visto un filo di speranza alzarsi nel deserto che gli attorno Apurimac Onlus con le aziende Venerdi 28 settembre 2012 Il mondo della cooperazione internazionale 1 7 Inquadramento territoriale ed ambientale la regione dell Apurimac L Apurimac una regione del Per che sta nel cuore delle Ande su una superficie di 20 892 km quasi come l Emilia Romagna dove 490 000 abitanti vivono tra il capoluogo Abancay e piccoli centri abitati a pi di 3 000 metri di altezza Il dipartimento dell Apurimac diviso in 7 province vedi Figura 1 1 Dal 1968 1 missionari agostiniani operano per lo sviluppo del popolo Quechua nelle Tre Province Alte che formano la Prelatura di Chuquibambilla Grau Cotabambas e Antabamba tra le pi povere di tutto il Per Oltre 80 000 persone di lingua quechua vivono fino a 5 000 metri d altezza Geograficamente isolati la lontananza dal mare e dalla foresta amazzonica costringe gli apurimefii a una vita dura di agricoltura e pastorizia priva di strade e di efficienti servizi basilari come educazione salute energia elettrica telefono a
41. fluttuazioni di massa stagionali di evitare sovraccarichi o al contrario carichi inferiori alla capacit stessa del digestore e di mantenere quindi pi stabile e costante il processo Vantaggi economici rilevanti derivano inoltre anche dalla condivisione degli impianti e dei costi di gestione nel caso di sinergia con altri servizi oltre che dall aumento di produzione di biogas in relazione alle sue potenziali utilizzazioni e valorizzazioni energetiche 2 8 Tipologie di impianto Gli impianti di digestione anaerobica esistenti in Europa presentano in maggioranza digestori di tipo continuo CSTR monostadio o multistadio con flusso liquido concentrazione di solidi totali di circa 10 Le taglie dimensionali degli impianti e le opzioni tecnologiche sia di trattamento che di produzione energetica variano in funzione delle tipologie di biomassa disponibili e dei quantitativi avviati alla fermentazione Inizialmente gli impianti trattavano integralmente o FORSU o effluenti zootencnici dividendosi dunque in due filoni separati che con il tempo per tendono a fondersi per effetto dell incremento degli impianti di codigestione di diverse biomasse Schievano A D Imporzano G Adani F 2006 Di seguito vengono presentate le principali tipologie di reattori disponibili per il processo di digestione anaerobica 2 8 1 Processi batch Nei processi di tipo batch o SBR Semicontinous BioReactor il reattore viene riempito una sola volta
42. for alternative energy sources in rural and urban zones Chemical Engineering and Technology 2009 32 8 1147 53 Delgenes J P Penaud V Moletta R 2002 Pretreatments for the enhancement of anaerotic digestion of solid wastes Chapter 8 In Biomethanization of the Organic Fraction of Municipal Solid Wastes IWA Publishing pp 201 228 Desai C K 1988 Use of solar pond for thermal control of biogas plant In Proceedings of the National Seminar on Solar Energy and Rural Development Kolhapur May 29 31 Dimpl E Small scale Electricity Generation from Biomass Part II Biogas Deutsche Gesellschaft f r Technische Zusammenarbeit GTZ HERA 2010 Dutta S Rehman IH Malhotra PVRP Biogas the Indian NGO experience New Delhi India Tata Energy Research Institute 1997 Eastman J A and Ferguson J F Solubilization of particle organic carbon during the acid phase of anaerobic digestion Journal Water Pollution Control Federation v 53 n 3 p 352 366 ago 1981 El Shinnawi M M El Tahawi B S El Houssieni Fahmy S S 1989 Changes of organic constituents of crop residues and poultry wastes during fermentation for biogas production MIRCEN J Appl Microbiol Biotechnol 5 4 475 486 Fabbri C Soldano M Piccinini S 2010 L agricoltore crede nel biogas e i numeri lo confermano L Informatore Agrario 30 63 67 183 Riferimenti bibliografici Ferrer Ivet Ponsab Sergio Vazquezc Felicitas amp Font
43. gas non viene rilasciato direttamente nell atmosfera e l anidride carbonica deriva da fonte organica proveniente da un ciclo del carbonio breve Segue che il biogas con la sua combustione non contribuisce all aumento delle concentrazioni atmosferiche di e grazie a ci viene considerato una fonte energetica a basso impatto ambientale Durante il processo della digestione anaerobica la produzione di biogas non avviene in modo costante il livello massimo viene raggiunto durante la fase centrale del processo metanogenesi Nelle prime fasi della digestione la produzione di biogas minore perch 1 batteri non si sono ancora riprodotti abbastanza Nelle fasi finali resta solamente il materiali pi difficilmente digeribile con una conseguente diminuzione della quantit di biogas prodotto Il corretto funzionamento dei processi di digestione anaerobica richiede 11 riscaldamento per favorire le giuste condizioni ambientali per il metabolismo microbico L energia necessaria per il riscaldamento pu essere ottenuta dal biogas prodotto dall impianto o da altri combustibili acquistati sul mercato utilizzati in generatori di calore da impianti di cogenerazione CHP se presenti o da eventuali altre fonti esterne di energia termica cascami da altri processi impianti La necessit di utilizzare per il riscaldamento dei digestori combustibili diversi dal biogas autoprodotto ha un peso importante sui costi di gestione di un impianto di DA Tale
44. gauge 2 4 Biogas lamp gt E TNI 7 Biogas rice cooker O zi CX SPUXN 2 Desulfurizer 2 Biogas stove double burner Gasholder stis Bir Figura 2 6 Schema complessivo del processo di produzione di biogas mediante la configurazione cinese Input Gas out Efl Biogas storage tank uent Figura 2 7 Dettaglio del reattore anaerobico a cupola fissa modello cinese 56 Digestione anaerobica di reflui zootecnici Outlet Tank Goshoider c i i E E GE 77 TA iN Gospipe y LN Wi es x Plunger Support Frame Digester Figura 2 8 Digestore a cupola mobile modello indiano biog s z Biodigestor volum gas s Tub de sortida del biog s V lvula de seguretat Tub de PVC entrada de La mescla Tub de PVC sortida del biol Biodigestor volum s lid fermentaci Figura 2 9 Digestore in materiale plastico con flusso a pistone 57 Digestione anaerobica di reflui zootecnici Tali digestori solitamente sono dimensionati per essere alimentati da reflui di origine domestica sia umana che animale e atti a consentire il soddisfacimento della domanda energetica del nucleo familiare In pratica questo significa volumi compresi tra 2 e 10 mi e con una produttivit media di circa 0 5 m3 biogas per metro cubo di digestore Dutta et al 1997 Omer e Fadalla 2003 I d
45. il posizionamento della valvola all interno di un secchio di materiale plastico dotato di coperchio specialmente nella stagione delle piogge si incorrerebbe altrimenti nel rischio di ostruzione del pozzetto con terra e fango 84 Materiali e metodi Figura 3 23 Trappola dell acqua Figura 3 24 Installazione della trappola dell acqua 3 4 13 Installazione del filtro per la rimozione dell idrogeno solforato L idrogeno solforato H5S componente in tracce del biogas riconoscibile per il suo caratteristico pungente odore di uova marce un precursore dell acido solforico 25 che viene prodotto a seguito di combustione con ossigeno all interno di motogeneratori o bruciatori di cucine entrambi presenti nella configurazione di impianto di Vilcabamba Le ben note propriet corrosive dell acido solforico ne fanno una minaccia per le parti metalliche e meccaniche delle apparecchiature installate pertanto necessario sequestrare dal biogas la frazione seppur esigua di idrogeno solforato Si optato per l adozione di un filtro costituito da una lamina di ossido di ferro del tutto simile alle pagliette scrostanti utilizzate in cucina la lamina di ferro viene fatta ossidare naturalmente bagnandola con un d acqua e lasciandola qualche ora esposta alla radiazione solare La reazione chimica alla base del processo di rimozione la seguente considerando una inevitabile presenza residua di umidit
46. il substrato degradato e il percolato che si produce durante la digestione viene ricircolato Questo determina delle variazioni temporali nella composizione e nella produzione del biogas che aumenta nella prima fase fino a raggiungere un massimo all incirca in corrispondenza della met del tempo di residenza quando inizia a diminuire A termine del processo il digestore viene svuotato nella vasca di accumulo e solo piccole quantit di digestato rimangono nel reattore per inoculare il carico successivo I processi di tipo batch sono pi utilizzati nel caso della digestione a secco che non necessita di miscelazione durante il tempo di digestione Il vantaggio dei processi batch consiste nei bassi costi di esercizio e degli impianti meccanici a fronte di svantaggi relativi alla discontinuit della produzione di biogas e agli elevati consumi energetici 46 Digestione anaerobica di reflui zootecnici 2 8 2 Processi in continuo In questi sistemi il substrato alimentato in modo costante al digestore e di conseguenza anche il biogas prodotto in continuo I digestori che appartengono a questa categoria possono essere distinti in reattori con flusso a pistone plug flow o completamente miscelati CSTR Reattori plug flow a pistone Questa tipologia di reattore viene applicata principalmente per digestori di effluenti zootecnici liquidi e di piccola taglia grazie alla sua semplicit e al basso costo di investimento in vasche l
47. m alloggiato all interno di una fossa scavata nel terreno fino ad una profondit di circa 1 m Tale fossa stata opportunamente impermeabilizzata con un rivestimento interno in LDPE ed isolata termicamente dal terreno circostante ponendo uno strato di PS polistirene espanso dello spessore di 10 cm su ogni parete della medesima E da notare che la geometria della fossa di tipo trapezoidale con le pareti laterali inclinate di un angolo di circa 15 dalla verticale Tale configurazione fin qui descritta non potrebbe funzionare adeguatamente a causa degli sbalzi termici notevoli che caratterizzano la Regione Andina e per il rischio di danneggiamento ed usura prematura della geomembrana Per ovviare ad entrambe queste limitazioni stato adottato un accorgimento costruttivo che prevede l installazione di una struttura modi serra a riparo del reattore e che contribuendo a ridurre le perdite di calore verso l esterno favorisca il mantenimento di un regime di temperatura il pi costante possibile L attivit metabolica delle popolazioni batteriche coinvolte nelle reazioni che costituiscono il processo di digestione anaerobica infatti ottimizzata alle alte temperature condizioni di mesofilia e termofilia e laddove siano minimizzate le oscillazioni termiche e gli shock termici ovvero delle variazioni considerevoli e repentine Il primo passo della analisi stato quello di elaborare un modello termico e calibrarlo in modo tale che possa
48. manutenzione 3 3 Procedimento per la progettazione di un digestore di tipo tubulare plug flow 3 4 Fasi costruttive di un digestore tubulare plug flow di basso costo 3 4 1 Ubicazione 3 4 2 Scavo della fossa di alloggiamento del digestore 3 4 3 Scavo di consolidamento del terreno di fondazione per le pareti della struttura portante del tetto 3 4 4 Elevazione delle pareti della struttura della serra 3 4 5 Isolamento 3 4 6 Gonfiaggio del digestore 3 4 7 Posizionamento del digestore nella fossa 3 4 6 Riempimento del digestore con acqua pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag 40 41 42 43 44 46 46 47 49 50 51 52 53 54 55 60 60 62 62 62 63 63 64 67 68 69 76 76 76 77 78 80 80 81 82 4 3 4 9 Carica del digestore 3 4 10 Installazione delle tubazioni di collettamento del biogas 3 4 11 Installazione della valvola di sicurezza 3 4 12 Installazione della trappola dell acqua 3 4 13 Installazione del filtro per la rimozione dell idrogeno solforato 3 4 14 Costruzione del tetto della serra 3 4 15 Installazione del gasometro 3 4 16 Installazione del contatore del gas del manometro e dei bruciatori 3 4 17 Realizzazione dei pozzetti di carico e scarico 3 4 16 Realizzazione di un dispositivo per l agitazion
49. modo tale da impedire al vapore che naturalmente condensa per effetto del gradiente termico tra l interno e l esterno della serra di ritornare dentro il digestore stesso Tipicamente la tubazione a cielo aperto viene agganciata alle pareti della serra tramite chiodi e fil di ferro che fungono da sostegno Figura 3 21 Fasi dell operazione di installazione delle tubazioni di collettamento del biogas percorso seguito dai tubi parte dalla met circa della parete longitudinale in corrispondenza dello sfiato del biogas gi predisposto dall azienda costruttrice dove anche installata una valvola di sicurezza Termina nel lato basso della parete trasversale pi vicina all edificio che ospita la cucina Da questo punto previo il passaggio attraverso la trappola dell acqua ovvero un sistema di raccolta del vapore condensato il tubo viene interrato fino a raggiungere la parete dell edificio in cui verr installato il gasometro 83 Materiali e metodi 3 4 11 Installazione della valvola di sicurezza La valvola di sicurezza installata in prossimit dello sfiato del biogas ha lo scopo di controllare le sovrapressioni le quali si generano laddove parte del gas prodotto durante il giorno non venga impiegato e rimanga all interno del digestore per la mancanza di spazio a disposizione nel gasometro Il gas viene disperso in atmosfera laddove ecceda la pressione di progetto generalmente compresa tra 2 e 10 cm di colonna d a
50. perimetro Ar L T 2 Lo spessore dei tubi necessario per il calcolo del coefficiente di scambio conduttivo del calore attraverso la parete laterale dei tubi stessi stato scelto in funzione delle caratteristiche disponibili sul mercato ed pari a 2 mm Una volta noto lo spessore dei tubi possibile quantificare il volume di materiale PVC impiegato Vr pyc np 6 Lr Nota la densit del materiale riportata nella Tabella precedente si pu calcolare la massa di PVC impiegato mr pvc Vr pyc Dpvc 156 Analisi dei risultati e conclusioni A questo punto sono noti tutti gli elementi per impostare il calcolo della temperatura dei tubi ad ogni passo temporale k At Mr_pvc _ Dove N 1 gt Asote T ds r do r 9 4 j Tac Ixr P c dar _ Siaterate T Ty Tr 0 Fvistars T to Fvistar y o d Evistar p Ti to Fvistar 0 T tc Fvistar G i Ar o 4 Come si pu notare dalla formula anche per i tubi in stata adottata la semplificazione tale per cui tutti 1 materiali interni alla serra sono considerati come corpi neri coefficiente di assorbimento e di emissione unitari Il dimensionamento dei serbatoi del tutto analogo a quello dei tubi
51. ragionevolemente simulare gli scambi di calore che avvengono tra il sistema e l ambiente circostante e tra le diverse parti del sistema stesso Il passo successivo stato quello di implementare il modello in funzione di alcuni parametri costruttivi e gestionali andando a variare 1 quali si potrebbe massimizzare la temperatura dello slurry contenuto nel reattore 1 2 Il mondo della cooperazione internazionale 1 1 Tecnologie Appropriate 1 2 Aiuto allo sviluppo 1 3 Cooperazione allo sviluppo 1 4 Organizzazione non lucrativa di utilit sociale 1 5 Organizzazione non governativa 1 6 Apurimac Onlus 1 7 Inquadramento territoriale ed ambientale la regione dell Apurimac 1 7 1 Aspetti ambientali 1 7 2 Estrazione mineraria 1 8 Descrizione del progetto di cooperazione Digestione anaerobica di reflui agro zootecnici 2 1 Introduzione al processo 2 2 Le fasi del processo 2 2 1 Idrolisi 2 2 2 Acidogenesi 2 2 3 Acetogenesi 2 2 4 Metanogenesi 2 3 Parametri di processo 2 3 1 Temperatura 2 3 2 pH 2 3 3 Agitazione 2 3 4 Ammoniaca 2 3 5 Acidi grassi volatili a catena corta 2 3 6 Acidi grassi a catena lunga 2 3 7 Composti tossici 2 4 I parametri di funzionamento 2 4 1 HRT Hydraulic Retention Time 2 4 2 OLR Organic Loading Rate 2 4 3 Dimensione delle particelle 2 4 4 Rapporto C N carbonio azoto 2 5 Tecniche di miglioramento del processo di digestione anaerobica 2 5 1 Uso di additivi 2 5 2
52. reflui degli allevamenti bovini sono costituiti da feci e urine degli animali a cui si aggiunge il materiale impiegato per la lettiera quando il tipo di allevamento lo richiede manca nell allevamento su grigliato le acque di lavaggio sopratutto in presenza della sala di mungitura i residui alimentari ecc Anche per i reflui provenienti dagli allevamenti bovini valgono le stesse condizioni generali gi indicate per i reflui suini cio l estrema variabilit delle caratteristiche qualitative e quantitative in funzione di diversi fattori tra cui il tipo di allevamento l et degli animali le dimensioni dell allevamento il tipo di stabulazione il materiale eventualmente impiegato per la lettiera il tipo di alimentazione ecc La digestione anaerobica si presta al trattamento dei reflui provenienti da allevamenti su grigliato dove il materiale da trattare costituito in prevalenza da urine e feci al contrario negli allevamenti dove si impiega la lettiera conviene la classica digestione in concimaia per la produzione di letame ammendante tuttora ricercato in agricoltura Quindi in seguito parlando di reflui bovini si far riferimento al primo caso Una delle caratteristiche principali dei reflui bovini l elevata concentrazione di sostanze solide che ne aumentano la densit creando spesso difficolt di ordine tecnico per il pompaggio e la movimentazione nel reattore e ne rendono difficile la sedimentazione Per superare questi
53. reflui zootecnici Non adatta per sfalci e potature anche per la presenza di sostanze inibenti lignina Tali frazioni solide sono solitamente avviate al trattamento aerobico di compostaggio Le principali biomasse che possono essere utilizzate in questo tipo di processo sono e fanghi di supero prodotti dal trattamento delle acque reflue e frazione organica dei rifiuti solidi urbani FORSU e liquame suino e liquame bovino e deiezioni avicole pollina e residui colturali e colture non alimentari ad uso energetico e scarti organici e acque reflue dell agroindustria e acque di vegetazione OMW Olive Mill Wastewater Tra le varie biomasse impiegate per la produzione di biogas non a caso gli effluenti zootecnici sono la matrice principale essi sono disponibili in grande quantit costanti nel tempo La quantit e la composizione chimico fisica dell effluente zootecnico sono strettamente correlate non solo alla specie animale allevata ma anche ad altri aspetti quali e lo stadio di crescita ad esempio lattonzoli suini all ingrasso ecc e la tipologia stabulativa ad esempio pavimentazione piena o fessurata uso o meno di paglia e il regime alimentare e le relative prestazioni accrescimento in peso produzione di latte e le modalit di pulizia uso di acqua di veicolazione e allontanamento delle deiezioni dai ricoveri 41 Digestione anaerobica di reflui zootecnici 2 7 1 Reflui di allevamenti su
54. rigido deve la sua versatilit applicativa alla possibilit di essere miscelato anche in proporzioni elevate a composti inorganici e a prodotti plastificanti quali ad esempio gli esteri dell acido ftalico che lo rendono flessibile e modellabile Viene considerato stabile e sicuro nelle applicazioni tecnologiche a temperatura ambiente ma estremamente pericoloso se bruciato o scaldato ad elevate temperature e in impianti inidonei al suo trattamento per via della presenza di cloro nella molecola che pu liberarsi come come diossina o come cloruro di vinile monomero Plastica riciclabile a codice SPI 3 il PVC viene recuperato solo parzialmente per via degli alti costi di trattamento Polietilene a bassa densit 13 H H Il polietilene a bassa densit definito da un intervallo di densit di 0 910 0 940 g cm Non reagisce a temperatura ambiente tranne che con forti agenti ossidanti e alcuni solventi causano rigonfiamento Pu sopportare temperature di 80 C continuamente e di 95 C per un breve periodo Fabbricato in variet traslucide od opache abbastanza flessibile e resistente Ha un ottima impermeabilit all acqua L LDPE contiene come elementi chimici carbonio e idrogeno L LDPE ha pi ramificazioni sul 2 circa degli atomi di carbonio del polietilene ad alta densit HDPE high density polyethylene cos le sue forze intermolecolari attrazione tra dipolo istantaneo e dipolo indotto sono pi debol
55. seguito vengono descritti i principali 2 3 1 Temperatura La temperatura produce degli effetti importanti sia sulle caratteristiche fisico chimiche dei substrati presenti nel digestore sia sulle popolazioni batteriche Da essa dipendono la velocit e la completezza delle reazioni nonch la selezione dei ceppi batterici in grado di operare nell intervallo di temperatura scelto I batteri metanigeni sono pi sensibili alla temperatura rispetto agli acetogeni Speece et al 1996 Si possono distinguere tre campi operativi e campo psicrofilo 4 15 C e campo mesofilo 20 40 C ottimo a 35 e campo termofilo 45 70 C ottimo 55 Si osservato che all interno di ogni intervallo di temperatura l attivit batterica aumenta con l aumentare della temperatura seguendo la relazione di Vant Hoff Arrhenius per poi decrescere superato il valore ottimale Figura 2 3 2 4 20 Vmax T Vmax 20 c j e x a lt of mesoltta termofilia 15 20 5 40 EF GOC Figura 2 3 Effetto della temperatura sull attivit batterica In grigio gli intervalli in cui il processo ottimizzato Van Lier et al 1997 26 Digestione anaerobica di reflui zootecnici E opportuno quindi evitare oscillazioni di temperatura maggiori di 3 C una volta stabilito il range di temperatura in cui operare L aumento di temperatura permette oltre ad una migliore cinetica del pr
56. solitamente si ha la combinazione di almeno due di esse Si tende per di solito ad individuare il tipo di scambio predominante trascurando a seconda di vari fattori dei quali sicuramente molto rilevante la temperatura le altre modalit di trasmissione del calore presenti Le suddette tre categorie sono conduzione convezione e irraggiamento 94 Analisi termica dell impianto semplificato di digestione anaerobica 4 2 1 Conduzione La conduzione termica il processo che si in un mezzo solido liquido o aeriforme nel momento in cui a causa di una differenza di temperatura viene provocato un trasferimento di energia cinetica da una molecola a quella adiacente che possiede una velocit di vibrazione minore essendo la velocit di vibrazione delle particelle indice della temperatura del corpo Si ha in questo modo un trasferimento di energia sotto l influenza del gradiente di temperatura variazione della temperatura lungo una direzione senza uno spostamento di particelle dunque il mezzo in cui avviene conduzione rimane nella condizione di quiete La conduzione originata dall attivit molecolare e atomica infatti pu essere vista come un trasferimento di energia dalla particella di materia pi energetica a quella meno energetica attraverso interazioni tra le particelle stesse Il meccanismo fisico della conduzione spiegabile considerando un gas in cui presente un gradiente di temperatura e dove si ipotizza l a
57. superfici esterne e l ambiente e Trasferimento di calore convettivo tra le superfici interne alla serra e l aria interna alla serra Trasferimento di calore convettivo tra le superfici esterne e l ambiente e Trasferimento di calore convettivo tra la cupola della geomembrana e il biogas in essa contenuto e Trasferimento di calore conduttivo tra il suolo circostante la fossa di alloggiamento e lo slurry contenuto nel reattore tubolare e Energia termica apportata nello slurry dall ingestato al momento di caricare il reattore e Energia termica che viene sottratta al sistema sottoforma di biogas prodotto Queste componenti sono presenti nella formulazione del modello termico per tutti gli scenari Per gli scenari alternativi invece verranno specificate in seguito le altre componenti Di seguito verranno dettagliate tutte le coponenti di scambio termico tra le diverse parti del sistema e tra sistema e ambiente Il modello che stato implementato un modello unidimensionale a parametri concentrati Studiando la trasmissione del calore si osserva che alcuni corpi si comportano come un insieme concentrato di temperatura interna essenzialmente uniforme in ogni istante durante il processo di scambio termico e funzione del tempo soltanto T t Lo studio della trasmissione del calore basato su questa idealizzazione si dice studio di un sistema a parametri concentrati L osservazione dei risultati ottenuti sufficientemente aderenti alla r
58. temperatura dell aria ambiente e degli elementi costituenti il sistema durante tutto l arco dell anno per ottenere una calibrazione pi accurata dei parametri di scambio termico e disponibilit di dati di sito pi accurati per non dover ipotizzare troppe informazioni e utilizzo di un ambiente di calcolo pi potente e performante rispetto ad Excel e disonibilita di pi accurati dati di caratterizzazione chimica dell ingestato digestato liquido etc e tenere in conto il reale funzionamento del reattore plug flow in contrapposizione al reattore di tipo CSTR tenere in conto la dinamica dello spurgo della frazione solida del digestato che avviene con ridotta frequenza Il modello realizzato potr essere associato a modelli biologici per valutare la produzione di biogas ipotizzata in questo caso costante Le approssimazioni anche notevoli che sono state introdotte nell implementazione del modello termico sono giustificate dal fatto che la tecnologia oggetto di studio molto semplificata e che per sua prerogativa rivolta ad un utilizzatore appartenente ad una comunit economicamente disagiata e con ridotte possibilit di accesso a strumentazione e materiali sofisticati Conseguentemente all artigianalit dell installazione e alla relativa semplicit realizzativa che non vincola l utilizzatore ad essere supportato da personale tecnico il che costituisce un aspetto positivo potrebbero essere innumerevoli le impe
59. to carbon ratios on anaerobic decomposition J Water Pollut Contr Fed 37 1741 Sasse L Biogas Plants Eschborn Germany Deutsche Gesellschaft f r Technische Zusammenarbeit GTZ GmbH 1988 Schievano A D Imporzano G Adani F 2006 Valutazione di un processo di digestione anaerobica cinetica rese di processo e stabilit biologica del digestato Ecomondo 2006 in press Sharma S K Mishra I M Sharma M P Saini J S 1988 Effect of particle size on biogas generation from biomass residues Biomass 17 251 263 Singh R Jain M K Tauro P 1983 Pre digestion to improve production of biogas from cattle waste Agric Wastes 6 167 174 Smith S R Lang N L Cheung K H M Spanoudaki K 2005 Factors controlling pathogen destruction during anaerobic digestion of biowastes Waste Management 25 417 425 186 Riferimenti bibliografici Speece R E Parkin G F 1983 The response of methane bacteria to toxicity In Proceedings of the 3rd International Symposium on Anaerobic Digestion Boston MA Speece R E 1996 Anaerobic Biotechnology for Industrial Wastewaters Archae Press SPOBD 1979 Biogas Technology and Utilization Chengdu Seminar Sichuan Provincial Office of Biogas Development Sichuan P R China 1979 Somayaji D Khanna S 1994 Biomethanation of rice and wheat straw World J Microbiol Biotechnol 10 5 521 523 Sundrarajan R Jayanthi A Elango R 1997 Anaerobic di
60. tra una superficie e le altre per la legge di conservazione dell energia deve essere unitario n gt Fvistaj i 1 i 1 A questo punto non resta che il calcolo dei fattori di vista attraverso una formulazione analitica In prima approssimazione possiamo vedere il sistema come un parallelepipedo regolare quindi ipotizzando e trascurabile l inclinazione della copertura in agrofilm e trascurabile la curvatura della cupola del reattore in geomembrana di PVC e rettangolare la forma delle pareti Est ed Ovest in realt trapezoidali 109 Analisi termica dell impianto semplificato di digestione anaerobica In tal caso si potrebbe ricorrere alla formulazione pi semplice di fattore di vista ovvero quella tra due superfici rettangolari perpendicolari tra loro ed aventi un lato in comune Dove e lrappresenza la lunghezza del lato in comune tra le 2 superfici e h rappresenta l altezza della superficie j esima e w rappresenta la larghezza della superficie i esima Da questi parametri noti dalla geometria del sistema possibile ricavare 1 seguenti rapporti 110 Fvistaj j Analisi termica dell impianto semplificato di digestione anaerobica 1 1 1 Xi j tan 5 Zi j tan z Zi ay i j i j 1 1 tan 2 4 1 xis 1 Z 1 CAR 2 Xi 1 Gi Xi 1 x D zis 2 4 1 Qa z Zi 1 n 2 7
61. ubicato il digestore Vilcabamba situata ad una quota di circa 2800 m s l m caratterizzata da una forte escursione termica durante il corso della giornata per la regione geografica in cui collocata stato adottato un tempo di ritenzione idraulia di 60 giorni circa 4 Determinazione della percentuale di volume del reattore occupato dalla miscela in digestione e dal biogas E consigliabile mantenere lo stesso rapporto esistente tra la frazione liquida e la frazione solida alimentate l ipotesi sotto la quale si opera la seguente un volume corrispondente a quello dei solidi totali presenti nel substrato viene convertito in biogas Tale assunzione evidentemente conservativa a favore di sicurezza infatti come ben noto solo la frazione di solidi volatili sicuramente inferiore a quelli totali rappresentante in prima approssimazione la componente organica e suscettibile di degradazione biologica Da quanto sopra detto consegue che il 75 del volume del digestore sar adibito a vasca di degradazione sedimentazione della miscela mentre il restante 2596 funger da cupola gasometrica 5 Sulla base dei dati precedentemente raccolti e discussi possibile calcolare la volumetria del digestore Tabella 3 2 Parametri di funzionamento del 1 digestore 5 Kg sterco unit kg sterco allevamento ce ZA sis T i igi animali giorno maii 7 Kg ST kg sterco pre kg Vi ST allevamento
62. zootecnici SOGLIA CONCENTRAZIONE mico OLFATTIVA DIIRRITAZIONE 2200200 MG M3 MG M3 i Pungente Ammoniaca 0 0266 39 72 0 irritante Acido acetico 2 5000 250 25 0 Agro acetico Acido propionico 0 0840 60 Fetido Acido butirrico 0 0010 9 Acre sudore Medicinale Fenolo 0 1786 22 4 182 4 2 11 Effetto sul contenuto di patogeni Il contenuto in microrganismi patogeni un parametro estremamente importante nella valutazione della qualit del prodotto dal punto di vista igienico sanitario per un utilizzo sicuro degli effluenti in agricoltura Il processo di digestione anaerobica costituisce a tutti gli effetti un processo igienizzante in grado di abbattere il contenuto di microrganismi patogeni presenti nelle biomasse di scarto come evidenziato pi volte dalla letteratura internazionale Smith et al 2005 L entit dell abbattimento e le cause dello stesso sono varie e differenti La temperatura in primis gioca un ruolo fondamentale processi termofili determinano un elevata igienizzazione del refluo Processi mesofili possono garantire un elevata igienizzazione anche se in questo caso la gestione del processo diviene pi importante in quanto la competizione tra microrganismi e la degradazione della sostanza organica divengono fattori determinanti E evidente quindi che abbinare alla digestione anaerobica processi di trattamento del digestato permette un grande vantaggio in termini di s
63. 0 60 30 0 30 60 90 120 150 180 Angolo azimutale Y 9 Grafico 5 1 Andamento della radiazione totale annua in funzione della giacitura della superficie Dal Grafico 5 1 possibile trarre le seguenti osservazioni e Per una generica superficie orizzontale angolo di inclinazione 0 la radiazione solare totale assorbita su base annua indipendente dall angolo azimutale Questo aspetto riguarda prevalentemente la disposizione del reattore ed in particolare della cupola gasometrica della geomembrana Analizzando il dato radiativo possibile considerare ottimale la scelta di un digestore tubolare ad asse orizzontale 126 Analisi dei risultati e conclusioni angoli di inclinazione relativamente contenuti la direzione Nord quella che massimizza la radiazione solare totale assorbita su base annua angoli di inclinazioni compresi tra 40 e 60 si evidenzia un trend di appiattimento progressivo della curva rendendo di fatto l orientazione di tale superficie pressoch indipendente dall angolo azimutale entro il range che va da Ovest Nord Ovest fino ad Est Nord Est e Per angoli di inclinazione maggiori di 60 la curva cambia drasticamente aspetto anzich presentare un unico massimo relativo in corrispondenza del Nord presenta 2 massimi relativi che gradualmente si consolidano in corrispondenza dell Ovest e dell Est Questo aspetto suggerisce che le superfici verticali o sub verticali debbano esse
64. 005 005 009 004 008 006 167 Allegati ujnurzy 2210 gt 459M 2081 0051 0 1 006 009 o0 OE o09 06 1 091 TT VT LV wy T T Fa T T TT FA T T T T TT FI TT mr TT 1 neay equieqeolIA a L 6 9UOZ SUI 18109 4 4 3uoT TL ET 001 OLX lt 4 TNYS 9 4 Y J E i 107 amp B 4 lt 205 gt J 09 o08 D LLLI da i i dui ii Li 21 06 168 Allegati 0081 TT 0091 0021 006 ISPA lt ujnurzy gt 459M 009 oO 06 o09 TT o06 021 TT TT o0 I TT I PELI EUR E WV oeurtindy neay equieqeo tA G euoz 19105 TA TT Wd 9 T 6 24 3uoT 12 21 127 Vdd 108uoda Nys uo3a4Q Jo atun 2 d OT 001
65. 01 07 00S 009 004 008 006 174 Allegati yseq lt ujnumnzy 0081 0091 006 009 008 oO 06 o09 o06 1 051 7 T TT TT TT FT TT TT TT TT TT T T rt TT TT TT TT TT TT TT T T ovutindy AW equiequeo tA Nd al E G euoz auty 1910 6822 3uoT 12 21 901 H OLA 10suodg 4 INYS Jo 4 L NY dG 7 008 KV 3 4 J Y L J 9 0078 B WY Wd 2 005 amp L S 4 5 1 3 E WY Wd 2 1009 004 T 4 F WV 1 08 AAA 175 Allegati jseg lt ujnunzy gt 189M 0081 0091 021 06 09 o0 o0 09 06 5001 5 0001 TT TTT TTT TTT a e RR USE TT oeurtindy 9 neay equieqeo tA G 9uoz QUI 19105 BUOT T4 gr 001 OLA osuodg TNUS uoZo40 Jo 5 o0 008 007 00S 009 004 008 006 eT UotjeAo q 176 Allegati 0081 0091 o0ST 006 jseg lt ujnumzy Tejos 459M 009 905 00 2 o09 o06
66. 2 162 166 178 181 182 Il mondo della cooperazione internazionale 1 Il mondo della cooperazione internazionale 1 1 Tecnologie Appropriate La tecnologia la soluzione ad un bisogno umano che nasce dalla simultanea compresenza di uomini attrezzature impiegate ambiente naturale e organizzazione produttiva Possiamo quindi definire una qualsiasi risposta ad una esigenza umana cio una tecnologia dal punto di vista sociale economico ecologico e politico Le tecnologie appropriate sono perci quelle risposte ai bisogni fondamentali dell umanit che socialmente migliorano le condizioni di vita della gente economicamente usano in maniera saggia le risorse del pianeta ecologicamente rispettano gli equilibri e le leggi della natura politicamente decentrano fra la gente il governo della cosa pubblica Bisogni essenziali comuni e generalizzati quali il lavoro della terra la produzione di beni e servizi l abitare lo spostarsi il vestire il mangiare il comunicare e tanti altri hanno avuto storicamente e in luoghi diversi risposte e quindi tecnologie pi o meno appropriate Per tecnologia si intende conoscenza umana applicata alla produzione ossia quell insieme di informazioni necessarie per trasformare materie prime semilavorati e ore di lavoro input in nuova produzione output Queste informazioni comprendono sia le istruzioni scritte in forma di letteratura tecnica manuali disegni ecc sia la
67. 6 9uoz 49105 4 INN 2A 6 24 8 TA ET SOT H 744 4 4 NAS 408910 Jo atun 5 4 111111 PL ttt tt ty 008 E 4 007 j 00S E j o09 o08 7 SAA e FP AS AAA ASAS AAA AAA O 172 Allegati yseq lt ujnurzy Telos gt 459M 0081 0091 021 06 o09 o0 oO 902 o09 o06 021 001 TT TT TT TT FT TT T TT TT TT TT TT TT TT T TT TT TT TT TT TT 4 5 j L 6 9uoz 19105 4 AN 6e24 391 PES 01 H OLA 1osuodg 4 INNS Jo 9 E L 4 10075 td E Hg 4 lt 005 amp 1 J 5 009 004 J 008 173 Allegati 0081 0091 021 o06 189 ujnurzy JSOM o09 00 06 09 o T 06 1 001 VOR neay equieqeo tA G 9uoz APTOS BUOT 027 662 TNYS Jo atun oeurrindy Kd TT TT TT TT OLY 1osuodg 0
68. Ceppi microbici 2 5 3 Inoculo di biomassa nel digestore e ricircolo del digestato 2 5 4 Tecniche di installazione per ottenere condizioni di temperatura ottimali 2 5 5 Pretrattamenti ed ottimizzazione dei parametri pag 1 pag 1 pag 4 pag 5 pag 5 pag 7 pag 8 pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag 12 14 14 16 18 18 19 22 22 24 24 26 26 27 28 28 29 29 29 31 31 31 32 32 33 35 36 36 36 37 3 2 6 Il biogas 2 7 Biomasse avviabili a digestione anaerobica 2 7 1 Reflui di allevamenti suinicoli 2 7 2 Reflui di allevamenti bovini 2 7 3 Scarti dell agro industria 2 8 Tipologie di impianto 2 8 1 Processi batch 2 8 2 Processi in continuo 2 8 3 Contenuto di solidi 2 8 4 Numero di stadi 2 9 Il digestato 2 9 1 Caratteristiche agronomiche del digestato 2 10 Abbattimento dei cattivi odori 2 11 Effetto sul contenuto di patogeni 2 12 Impianti a biogas domestico nei Paesi in via di sviluppo Materiali e metodi 3 1 Introduzione alla tecnologia dei digestori tubulari in materiale plastico PTD Plastic Tubular Digester 3 2 Caratteristiche del digestore tubulare 3 2 1 Tipo di alimentazione 3 2 2 Tipo di flusso 3 2 3 Disposizione 3 2 4 Agitazione 3 2 5 Materiali impiegati per la costruzione 3 2 6 Installazione e costi 3 2 7 Uso e
69. Completely Stirred Tank Reactor rappresentano la tipologia pi comune di reattore di digestione anaerobica operanti a umido tenori di secco fino al 15 Questa tipologia di reattori idonea per il trattamento dei liquami suini e bovini e o alla codigestione degli effluenti suini e o bovini con altri co substrati quali colture energetiche e o scarti organici industriali Sono costituiti da vasche cilindriche provviste di sistemi di miscelazione e possono operare sia in condizioni mesofile che termofile Nei processi ad umido si opera con carichi organici volumetrici compresi tra 2 e 5 kgSVm I reattori possono avere diverse forme da quelle con il profilo schiacciato con diametro superiore all altezza a quelle a uovo che ottimizzano la miscelazione e 47 Digestione anaerobica di reflui zootecnici minimizzano la possibilit di stratificazione la copertura pu essere fissa mobile o flottante La prima configurazione quella tipica nell ambito della digestione di substrati di provenienza agricola e di miscele di liquami ed altri substrati L agitazione meccanica nei reattori completamente miscelati una tecnologia ben consolidata che garantisce una buona efficienza di degradazione della sostanza organica Per contro presenta elevati costi di installazione e costi energetici legati al sistema di miscelazione In Italia l utilizzo di reattori CSTR per il trattamento di reflui zootecnici ricorre per circa il 57 dei trattamenti
70. Grafico 5 13 Potenza assorbita dalla radiazione solare in data 28 10 2012 137 Analisi dei risultati e conclusioni Potenza assorbita dalla radiazione solare in data 29 10 2012 Copertura W Parete Sud W Parete Nord w Parete Est W mm E om 2 n n 8 g N vo E a Parete Ovest W Geomembrana W Copertura Nylon W ylon W Grafico 5 14 Potenza assorbita dalla radiazione solare in data 29 10 2012 Potenza assorbita dalla radiazione solare in data 22 12 2012 Copertura W Parete Sud W Parete Nord w Parete Est W Potenza assorbita W Parete Ovest w Geomembrana w Copertura Nylon W 22 24 Grafico 5 15 Potenza assorbita dalla radiazione solare in data 22 12 2012 138 Analisi dei risultati e conclusioni Tabella 5 1 Radiazione solare assorbita mensilmente dalla copertura 7 i 647 78 12 Totale MWh anno rispetto al Totale Tabella 5 2 Radiazione solare assorbita mensilmente dalla parete Nord 00 89 BI 7 10 76 31 ou Ek o 2 00 BB k 139 Analisi dei risultati e conclusioni Tabella 5 3 Radiazione solare assorbita mensilmente dalla parete Sud 381 52 25917 Totale MWh anno rispetto all esterno 26 ris
71. Grafico 5 16 Calibrazione della temperatura dell aria interna alla serra A NS N T slurry MODELLO T slurry MISURATA 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 Grafico 5 17 Calibrazione della temperatura dello slurry contenuto nel reattore Dal Grafico 5 16 emerge il soddisfacente esito della calibrazione del modello nei confronti della temperatura dell aria interna alla serra I periodi di massimo scostamento e quindi peggior adattamento del modello alla realt si verificano nelle ore del tardo pomeriggio e nella notte corrispondenti al periodo in cui la coperta di nylon installata ed in corrispondenza del mezzogiorno Tale sovrastima sottostima della temperatura dell aria interna da parte del modello principalmente dovuta alla schematizzazione a parametri concentrati delle pareti perimetrali della serra come se si fosse trascurato l isolamento termico offerto dagli adobes 147 Analisi dei risultati e conclusioni A contrario il Grafico 5 17 manifesta un andamento della temperatura dello slurry calcolata col modello che si discosta dal profilo di temperatura misurato In particolare le oscillazioni sono pi ampie e i punti di minimo e di massimo relativo sono sfasati temporalmente vengono tendenzialmente anticipati La spiegazione di tale risultato risiede nel fatto che nel bilancio energetico dello slurry si tiene implicitamente conto della transizione di fase acqua vapore e dell effetto globale
72. POLITECNICO DI MILANO Corso di Laurea in Ingegneria per Il Ambiente e il Territorio DIGESTORI ANAEROBICI TUBOLARI SEMPLIFICA TI PER PICCOLE COMUNIT RURALI MODELLO TERMICO DI OTTIMIZZAZIONE DEI PARAMETRI COSTRUTTIVI E GESTIONALI DELL IMPIANTO DI VILCABAMBA IN PER Relatore Prof Mario Grosso Correlatori Prof Federico Vigan Ing Davide Scaglione Tesi di Laurea di Lorenzo Ivan Balzaretti Matricola 765875 Anno Accademico 2012 2013 Ringraziamenti Innanzi tutto voglio ringraziare il Professor Mario Grosso per la fiducia riposta in me e senza il quale non avrei mai potuto prendere parte ad una esperienza unica ed irripetibile che ha positivamente stravolto la mia vita ed il mio modo di pensare e di approcciarmi alle tematiche scientifiche ed ambientali ad una diversa lingua e ad una diversa cultura Grazie a questa esperienza sono tornato a casa convinto del fatto che non vi sia una cultura od una societ migliore o peggiore di un altra ma semplicemente una moltitudine di possibili chiavi di lettura della vita delle relazioni e dei valori su cui una popolazione decide di APURIMAC Aji Associazione Associazione Ingegneri Ambiente e Territorio Associazione Ingegneri Ambiente e Territorio e Territorio LA SPERANZA DOVE NON Ringrazio AIAT per avermi sponsorizzato e sovvenzionato e per aver sempre lavorato dietro le quinte a supporto del progetto e delle difficolta tecniche che ho inco
73. Xavier 2008 Increasing biogas production by thermal sludge pretreatment prior to thermophilic anaerobic digestion Biochemical Engineering Journal 42 186 192 Geeta G S Suvarna C V Jagdeesh K S 1994 Enhanced methane production by sugarcane trash pretreated with Phanerochaete chrysosporium J Microbiol Biotechnol 9 2 113 117 Ghosh S Henry M P Sajjad A Mensinger M C Arora J L 2000 Pilot scale gasification of municipal solid wastes by high rate and twophase anaerobic digestion TPAD Water Sci Technol 41 3 101 110 Ghyoot W Verstraete W 1997 Anaerobic digestion of primary sludge from chemical pre precipitation Water Sci Technol 6 7 357 65 Gollakota K G Meher K K 1988 Effect of particle size temperature loading rate and stirring on biogas production from castor cake Biol Wastes 24 243 249 Gujer Zehnder 1983 Conversion processes in anaerobic digestion Wat Sci Tech 15 127 167 Gunaseelan VN Biochemical methane potential of fruits and vegetable solid waste feedstocks Biomass Bioenergy 2004 26 389 99 He PJ Anaerobic digestion an intriguing long history in China Waste Management 2010 30 4 549 50 Idnani M A Laura R D 1971 Increased production of biogas from cowdung by adding other agricultural waste materials J Sci Food Agric 164 167 ISAT GTZ Biogas Digest Volume I Biogas Basics Information and Advisory Service on Appropriate Technology ISAT Deutsc
74. a dominante rispetto alle altre pareti fatta eccezione della geomembrana in particolari date ed orari di seguito specificati Riferendosi anche al Grafico 5 7 si pu notare come la radiazione assorbita dalla copertura sia indipendente dalla durate del d Facendo inoltre riferimento alla Tabella 4 3 in cui sono riassunte le principali caretteristiche delle superfici possibile osservare che nonostante l agrofilm abbia un coefficiente di assorbimento relativamente basso data la elevata superficie complessivamente la radiazione assorbita notevole Per quanto concerne la parete Sud la prima osservazione pu essere fatta riguardo la forma della curva nel periodo dell anno in cui il Sole culmina verso Sud al mezzogiorno la curva presenta due massimi relativi all incirca in corrispondenza delle ore 8 e delle ore 16 rispettivamente mentre presenta un minimo relativo proprio in corrispondenza delle ore 12 Ci dovuto al fatto che in tale periodo dell anno il Sole culmina con angoli di altezza prossimi 90 A contrario possibile osservare come nel periodo in cui il Sole culmina verso Nord con altezze di circa 60 la curva dell andamento della radiazione assorbita segua un andamento parabolico con un massimo relativo proprio alle ore 12 In questo periodo dell anno il percorso del Sole compreso all interno degli angoli critici indicati nei paragrafi precendenti il lato della parete Sud interno alla serra ed esposto d
75. a la produzione di biogas dipende in gran parte dalla biodegradabilit e dal tasso di idrolisi La produzione di biogas pu quindi essere migliorata da diversi pretrattamenti per agevolare ulteriormente l idrolisi In questo passaggio ha luogo sia la solubilizzazione del particolato che la decomposizione biologica dei polimeri organici a monomeri o dimeri Cio le pareti cellulari sono rotte e sostanze polimeriche extra cellulari sono degradate con conseguente rilascio di materiale organico prontamente disponibile per i microrganismi acidogeni Questo migliora la velocit complessiva del processo di digestione e il grado di degradazione dei reflui riducendo cos il tempo di ritenzione idraulica e aumentando 1 tassi di produzione di metano Muller 2000 I pretrattamenti attualmente applicabili sono classificati in base a diverse categorie Fisici frantumazione trattamenti termici ultrasuoni ecc Chimici mediante l impiego di alcali acidi ozono ecc Biologici mediante l impiego di microrganismi specifici Enzimatici mediante l impiego di enzimi specifici I pretrattamenti trovano un utile ed efficace applicazione nella risoluzione dei problemi relativi alla produzione e allo smaltimento dei fanghi biologici di depurazione Attualmente sia la legislazione relativa all impiego agricolo sia le vie alternative di smaltimento discarica incenerimento hanno subito delle limitazioni Pertanto in questo contesto nasce l
76. a biodegradabile Il trattamento anaerobico di rifiuti e residui solidi pure da molto tempo impiegato nelle discariche controllate mentre solo a partire dagli anni ottanta che cominciano ad essere sviluppati e via via realizzati impianti di digestione anaerobica specificamente dedicati al trattamento dei rifiuti solidi urbani e della frazione organica di questi La digestione anaerobica pu essere applicata anche a reflui zootecnici agricoli e rifiuti provenienti dalle industrie di trasformazione di tali prodotti Tra i residui possono essere inclusi i liquami letame i residui agricoli e delle eccedenze di coltivazioni ecc Questi rifiuti possono essere trattati separatamente o in co digestione Il processo di digestione anaerobica anche adatto per il trattamento delle acque reflue ad elevato carico organico come quelle prodotte nelle industrie alimentari 2 2 Le fasi del processo La digestione anaerobica della materia organica una tecnologia complessa che coinvolge differenti gruppi di batteri che vivono in associazione sintropica Il processo consta di diverse reazioni simultanee catalizzate da microrganismi nelle quali i composti passano attraverso differenti stati di ossidazione fino ad essere convertiti in metano ed anidride carbonica In Figura 2 1 riportato uno schema generale semplificato del processo che non tiene conto della presenza di altri ceppi batterici quali i solfato e i nitrato riduttori I primi riducono
77. a con usa peso vivo pavimento di paglia su pieno lettiera Tabella 2 7 Produzione specifica di biogas su base annua e per unit di peso vivo dell animale e contenuto di metano Fonte CRPA Produzione di Liquami suini Liquami bovini biogas Quantit metano Quantit metano 3 60 65 0 3 0 45 55 60 vivo 2 7 3 Scarti dell agro industria L attivit agricola e l attivit agro industriale producono quantit non trascurabili di scarti e sottoprodotti di natura organica di ottima qualit in quanto costituiti da parti della stessa materia prima allonatanate durante la raccolta prodotti agricoli o lungo il percorso nelle linee di trasformazione industriale I marco comparti produttori di biomasse di scarto potenzialmente destinabili alla conversione energetica mediante digestione anaerobica sono riconducibili ai seguenti settori e Agricoltura produzioni vegetali e animali effluenti zootecnici residui delle coltivazioni e Industria delle conserve animali macellazione prodotti insaccati sottoprodotti di origine animale e Preparazione vegetali per il mercato del consumo fresco cernita e sfridi di pulitura e Industria delle conserve vegetali trasformazione ortaggi e frutta trasformazione olive uva e agrumi buccette di pomodoro scarti di frutta sanse di olive vinacce 44 Tabella 2 8 Caratteristiche chimiche dei principali scarti dell agro in
78. a in questo caso lo sterco di cuy molto ricco di solidi totali necessit di un periodo di pre fermentazione Sia in fase di dimensionamento sia in fase di verifica possibile determinare rispettivamente il rapporto acqua sterco appropriato e la percentuale di solidi totali con cui si sta caricando l impianto mediante la seguente relazione che deriva da un semplice bilancio di massa 0 0 MST pe Msterco ST sterco x Msterco ST sterco 091 miscela Mmniscela Msterco Y Macqua ST sterco Macqua Msterco 5 miscela Il bilancio di massa condotto nell ipotesi di impiego di acqua di rete a cui viene attribuito un contenuto di solidi totali nullo gi di per se questa assunzione causa di errore in quanto le acque approvvigionate per uso irriguo provengono dal fiume che scorre a margine del paese e della fattoria Figura 3 2 Pertanto si sta trascurando il contenuto di solidi trasportati dalla corrente d acqua per effetto dei fenomeni di erosione esercitati dal fluido in movimento nei confronti di rocce e altro materiale depositato sul greto L approssimazione si fa pi acuta nel momento in cui come in realt accade la componente liquida alimentata al digestore sia carica di urine animali 70 Materiali e metodi Figura 3 2 Vista del Rio Apurimac dalla Granja Alfacancha di Vilcabamba Durante le operazioni di lavaggio delle stalle dei suini tramite una pompa viene iniettata acq
79. a qualit agricola D altra parte i fertilizzanti non assimilati dalle piante e terreni vengono dilavati dalle acque di ruscellamento raggiungendo fiumi e falde acquifere accumulo di acque sotterranee o che scorrendo verso le lagune e zone umide accelerano i processi di eutrofizzazione 13 Il mondo della cooperazione internazionale Data la quantit e dispersione del bestiame probabile che la produzione incontrollata di metano da questa fonte non sia molto importante Invece la forma di allevamento non stabulato induce un forte inquinamento fecale di suoli e acque questo porta a catene di contagio anche per l uomo Le lacunose condizioni igieniche portano ad una alta incidenza di malattie parassitarie L importazione di veicoli usati abbinata alla vetust e bassa manutenzione del parco veicoli circolanti ha originato una forte contaminazione da monossido di carbonio e di gas sulfurei Con le tendenze in voga questa situazione critica dovrebbe acutizzarsi ancora di pi nei prossimi anni 1 7 2 Estrazione mineraria I pregiudizi sull ativit mineraria portano ad errori di apprezzamento con il rischio di trascurare problemi pi gravi Si pensato che lo sfruttamento minerario su larga scala sia responsabile dei grandi disastri ambientali Le attivit minerarie formali e di pi grande taglia sono sottoposte a sorveglianza modelli e certificazioni di sicurezza e ambientali molto esigenti e continui mentre l artigiano leg
80. a stessa temperatura ed in entrambi 1 casi l oscillazione giornaliera molto ampia a causa della scarsa inerzia termica Lo stesso vale per la copertura anche se numericamente la sua temperatura e inferiore a quella dell aria interna a causa del raffreddamento indotto dal contatto con l aria esterna fatto che le ampiezze d oscillazione delle temperature delle pareti siano pi contenute di quella dell aria indice della maggiore inerzia termica di questi elementi Geomembrana e copertura non hanno una gran inerzia termica e quindi seguono meglio il comportamento dell aria Il ritardo di circa un ora con cui la temperatura delle pareti raggiunge il picco rispetto alla temperatura dei suddetti elementi che si verifica invece puntualmente al mezzogiorno indice della combinazione dei meccanismi di scambio termico 148 Analisi dei risultati e conclusioni of Pp GD 2121912 1028 ee GD 15940 4 epou 2 GD 153 pred PIMPRAUD GD PION 2224 e op epou emp rdw D pus p d epp epou emprduw GD eue ee dun 5 11112do e J2p enjpieduis GD ajuaiquze eue epou e merdu BUI9 SIS H Aed ojuaurepuy sot 9ST bT
81. adiazione termica il termine usato per indicare la radiazione elettromagnetica emessa dalla superficie di un corpo che si trova ad una certa temperatura Tutti gli oggetti emettono radiazioni elettromagnetiche che sono frutto dell eccitazione termica della superficie del corpo legata alla condizione energetica dei suoi atomi l irraggiamento tanto pi intenso quanto maggiore la temperatura dell oggetto stesso e viene emessa in tutte le direzioni quando il mezzo trasmissivo risulta essere sufficientemente trasparente a tale radiazione nel momento in cui essa colpisce un altro corpo parte viene riflessa e parte assorbita Tra i due corpi si stabilir un continuo scambio di energia con uno scambio netto di calore dal corpo pi caldo al corpo pi freddo Da notare che pu anche non esservi un mezzo di trasmissione in quanto l irraggiamento l unica modalit di scambio termico che avviene anche nel vuoto Basti pensare alla radiazione solare esempio pi evidente di tale trasmissione Si ha sia emissione che assorbimento di radiazione elettromagnetica un fenomeno che si presenta ad ogni temperatura ma solo a temperature abbastanza elevate 11 contributo allo scambio termico per irraggiamento supera i contributi per conduzione e convezione La quantit di calore emessa da un corpo per irraggiamento infatti proporzionale a T cio alla quarta potenza della sua temperatura assoluta espressa in Kelvin perci a basse tempe
82. ale Triticum Secale barbabietola Beta vulgaris ed orzo Hordeum vulgare mentre canapa Cannabis sativa ed erba medica Medicago sativa si sono dimostrate promettenti Pl chl e Heiermann 2006 Piante quali orzo e mais hanno rese di biogas simili a rifiuti di origine animale Un altra propriet importante il contenuto di solidi Reflui con un contenuto in solidi del 5 al 10 sono adatti per l uso in digestori domestici a basso costo Sasse 1988 Per questo motivo tipicamente necessario diluire il substrato con una determinata dose di acqua Diversi studi hanno dimostrato che la codigestione spesso comporta delle rese di produzione di biogas maggiori di quelle che ci si aspetterebbe sulla base del potenziale metanigeno delle componenti prese singolarmente questo a causa di una meccanismo sinergico 58 Digestione anaerobica di reflui zootecnici Utilizzare biogas come carburante per alimentare motori a combustione e a sua volta un generatore elettrico un mezzo collaudato di produzione di energia elettrica data la vasta disponibilit di generatori adattabili Siccome l idrogeno solforato pu corrodere alcune componenti meccaniche tipico per controllare la sua presenza nel flusso in uscita dal digestore mettere in contatto il biogas con sali ferrosi in un filtro In alternativa pu essere iniettata una piccola quantit di aria nello spazio di testa del digestore per facilitare l ossidazione biochimica d
83. ali bambini oggetti fenomeni atmosferici possano danneggiare la struttura e L utente pu facilmente riparare piccoli tagli e fori nell involucro di plastica che costituisce il digestore applicando qualsiasi nastro adesivo o patch con adesivo Sono soluzioni temporanee e che non restituiscono al PTD la sua piena funzionalit ma sono tecniche economiche per qualsiasi utente e Qualsiasi digestore non miscelato comporta un graduale accumulo di solidi inerti e non degradabili al suo interno per l instaurarsi di fenomeni di sedimentazione Nel corso del tempo questo strato pu venire ad occupare una frazione considerevole del volume del digestore rendendo necessaria una pulizia dello stesso Nel caso di non possibile introdurre dispositivi all interno del digestore per svuotarlo per il rischio di danni alla struttura L allontanamento dei solidi sedimentati avviene allora tramite una tubazione collocata in corrispondenza del fondo e munita di apposito rubinetto Nonostante le semplici operazioni di manutenzione illustrate la vita utile del digestore dipende fortemente dalla avversit delle condizioni meteo climatiche e dalla cura con cui viene maneggiato La scarsa durabilit dei materiali impiegati che rende il costo dell impianto accessibile costituisce lo svantaggio maggiore di questo tipo di tecnologia 68 Materiali e metodi 3 3 Procedimento per la progettazione di un digestore di tipo tubolare plug flow 1 Deter
84. ali delle regioni e delle popolazioni Vi un vuoto tra gli obiettivi che si propone l industria minimizzazione dei costi di produzione massimizzazione della produttivit e le esigenze reali delle regioni e delle loro popolazioni Il riconoscimento di questa separatezza tra fra le esigenze di sviluppo economico e sociale di una regione e le esigenze di razionalit economica e organizzativa ha portato a definire il concetto di appropriatezza della tecnologia Dobbiamo ritenere che una tecnologia sia appropriata quando per effetto della sua struttura e dei rapporti che riesce a stabilire con la cultura l ideologia la struttura sociale del paese in cui viene adottata d origine a processi che si autosostengono e riescono a far crescere le attivit del sistema e la sua autonomia In altre parole si tratta di far aumentare la capacit di sopravvivenza e di sviluppo della popolazione che la adotta Ne consegue data la variet delle condizioni al contorno che non esiste uno schema valutativo della appropriatezza di una tecnologia applicabile sempre e comunque In un certo ambiente un rapido sviluppo economico conseguente alla applicazione di una nuova tecnologia pu avere effetti dirompenti sul tessuto sociale quali l abbandono delle attivit agricole l inurbamento il rallentamento dei vincoli familiari In altri casi questo non avviene Nella letteratura anglosassone sono presenti due concetti la tecnologia leggera soft technology e
85. alisi termica dell impianto semplificato di digestione anaerobica e Parete Sud N 1 gt 4 5 sole SJesterno Asote Totale s j q4 s dy s An s 5 interno 90 5 t 96 5 Qc s 1 7 5 As As Ia Cds Hab dOn Fombra s 7 As Ta Ts 83 07 As T hoonvy s As Ty 5 to T Fyistag As O E T Frutas Ag T Fvistaszo As O T Fvistasg As 0 T T Fuistag c As e Parete Nord N 1 x Qj N Qsote NJesterno da N 95 90 j 1 ay An As Ta Tw 067 hconvyy T An 0 TE T Foistay g 07 Foistay_o T 6 Fristay_c AN e Parete Est N 1 gt qj E CASole E esterno QsoteTotale E j An E 95 interno t 96 1 95 Arg Ar Made Fyistag c Flap o F oubrazk liconva_p Ag TA 3 97 Ag Reonoy_g Ty TE Fyistag y O T T Fyistag s Ag 0 Foistag o Ag 07 T Foistag Ag 0 T TE Fyistag c 123 Analisi termica dell impianto semplificato di dig
86. all interno del digestore 25 del volume totale Viene posizionato in un luogo fresco e riparato dal Sole dagli agenti atmosferici e dagli animali in grado di danneggiarlo Oltre ad immagazzinarlo il gasometro consente di incrementare la debole pressione del biogas in uscita dal digestore Il gasometro installato in posizione verticale e sopra di esso predisposta una carrucola che qualora fosse necessario cala un peso ricreando un movimento tipo pistone per comprimere il biogas stoccato permettendogli di raggiungere agevolmente i bruciatori della cucina Quest ultima ubicata non lontano dal gasometro Nel nostro caso si trattava di due vani separati ma con una parete in comune opportunamente forata per consentire il passaggio della tubazione di mandata Figura 3 30 Sistema di compressione a carrucola Figura 3 29 Gasometro 87 Materiali e metodi 3 4 16 Installazione del contatore del gas del manometro e dei bruciatori Inizialmente il progetto prevedeva l installazione del contatore a monte del gasometro tuttavia ci si rese conto che il biogas in uscita dal digestore aveva una pressione insufficiente per mettere funzione l apparecchio Si 6 pertanto optato per collocare il contatore a valle del gasometro e per comodit si deciso di porlo in cucina Accanto ad esso stato posizionato un manometro cosi facendo la sposa del fattore incaricata di cucinare 1 pasti poteva comodamente controllare il corre
87. allati nel primo Disposizione dei sensori nel secondo biodigestore o Unsensore che misura la temperatura ambientale Un sensore che misura la temperatura dell aria all interno della serra o Un sensore che misura la temperatura all interno del digestore nella parte inferiore del volume liquido o Un sensore che misura la temperatura all interno del digestore nella parte superiore del volume liquido biogas Vista lateral del digestor O Sensores de temperatura Figura 3 38 Disposizione dei sensori di temperatura nell impianto Sar mantenuta la stessa distribuzione di sensori per entrambi i digestori 2 Annotare la produzione giornaliera di biogas di entrambi i digestori attraverso la lettura dei contatori Del primo digestore si sta misurando il consumo attraverso un contatore installato nella cucina questo apparecchio misura anche parte del biogas che fuoriesce dal secondo digestore Il contatore avrebbe dovuto essere installato a monte del gasometro tuttavia il biogas in uscita dal digestore non ha una pressione sufficiente per attivare lo strumento Per questa ragione la produzione di biogas si misura in maniera indiretta misurando in realt il consumo per cucinare i pasti nella ipotesi che tutto il gas prodotto venga adoperato in cucina Del secondo digestore misurata anche la quantit di gas prodotta mediante un altro contatore installato nel vano che ospita i gasometri Parte del biogas prodotto dal secondo d
88. alute pubblica e accettabilit sociale nell utilizzo dei reflui zootecnici 54 Digestione anaerobica di reflui zootecnici 2 12 Impianti a biogas domestico nei Paesi in via di sviluppo Esistono testimonianze storiche che suggeriscono che il biogas venne utilizzato per il riscaldamento dell acqua del bagno in Assiria nel decimo secolo A C e che trattamenti di digestione anaerobica dei rifiuti solidi siano stati applicati nell antica Cina He 2010 Nella provincia cinese di Guangdong l uso commerciale di impianti di produzione di biogas stato attribuito a Guorui Luo nel 1921 costru un digestore di 8 m alimentato con 1 rifiuti domestici e successivamente quel decennio fond una societ per diffondere tale tecnologia He 2010 Il primo impianto di depurazione tedesco per fornire il biogas nella rete gas pubblica risale al 1920 mentre nello stesso Paese il primo grande impianto agricolo di biogas ha iniziato ad operare nel 1950 La diffusione della tecnologia di produzione di biogas ha acquisito slancio negli anni settanta quando l impennata dei prezzi del petrolio aveva motivato la ricerca di fonti di energia alternativa La crescita pi veloce dell utilizzo di biogas in molti paesi asiatici latinoamericani e africani si registrata negli anni settanta e nella prima met degli anni ottanta Ni Nyns 1996 Durante tale periodo il governo cinese promosse utilizzo di biogas in ogni famiglia rurale e facilit l ins
89. ametro cosi importante come la temperatura o il pH dell ingestato ha una certa influenza sulla produzione di biogas La dimensione del materiale alimentato non dovrebbe essere troppo grande altrimenti provocherebbe l intasamento del digestore Particelle pi piccole invece fornirebbero grande superficie di adsorbimento come substrato con un conseguente aumento dell attivit batterica e quindi una maggiore produzione di biogas Sharma et al 1988 hanno trovato che su cinque dimensioni di particelle 0 088 0 40 1 0 6 0 e 30 0 millimetri la quantit massima di biogas stata prodotta da materie prime di 0 088 e 0 40 mm I risultati suggeriscono che un pretrattamento fisico come la molatura potrebbe significativamente il volume richiesto al digestore senza diminuire la produzione di biogas Gollakota e Meher 1988 Moorhead e Nordstedt 1993 2 4 4 Rapporto C N carbonio azoto necessario mantenere la corretta composizione della materia prima alimentata per il funzionamento efficiente dell impianto in modo che il rapporto C N nell ingestato rimanga all interno dell intervallo desiderato Sperimentalmente stato determinato che i microrganismi utilizzano durante il processo di digestione anaerobica il carbonio 25 30 volte pi velocemente dell azoto Cos per soddisfare questo requisito i batteri hanno bisogno di un rapporto 20 30 1 di C e N con il valore pi elevato riferito a carbonio facilmente degradabile Bardiya e
90. arbonio e da alcuni zuccheri 2 2 4 Metanogenesi La produzione di metano operata da ceppi di batteri detti metanigeni secondo due diversi percorsi Il primo dall idrogeno prodotto nella fase di acetogenesi che viene utilizzato dai methanobrevibacter arboriphilus batteri metanigeni idrogeno consumatori i quali metabolizzano anidride carbonica riducendola a metano ricavando gli elettroni necessari a tale riduzione dall ossidazione del che passa ad H20 4H 2H 0 La frazione maggiore di produzione di metano circa il 70 deriva invece dalla trasformazione dell acido acetico in metano e anidride carbonica effettuata dai methanosaracina methanosaeta secondo la seguente reazione gt La velocit di crescita pu essere espressa da una relazione di 24 Digestione anaerobica di reflui zootecnici Poich i metanobatteri sono caratterizzati da un tasso di crescita pi basso rispetto a quelli agenti nelle fasi precedenti la metanogenesi risulta la trasformazione limitante di tutto il processo di stabilizzazione biologica pertanto necessario che le condizioni ambientali del reattore quali pH miscelazione e ossigeno disciolto siano favorevoli al loro sviluppo 25 Digestione anaerobica di reflui zootecnici 2 3 Controllo dei parametri di processo per l ottimizzazione della digestione In ambiente anaerobico i parametri influenzanti il processo sono diversi Di
91. area della sezione del tubo nel caso in cui si adottasse una configurazione con 1 Ar Ly Il raggio e quindi il diametro di ciascun tubo installato stato calcolato in funzione di ny con la seguente formula Ar 2 155 5 10 Analisi dei risultati e conclusioni La superficie laterale dei tubi da cui dipende il trasferimento di calore convettivo con l aria interna alla serra e successivamente con l ingestato all interno dei tubi stessi si calcola con la seguente formula Slaterale T T Considerando che i tubi hanno forma cilindrica regolare e quindi sezione circolare la proiezione del tubo su una superficie dipender essenzialmente dal suo diametro e dalla sua lunghezza Questa osservazione finalizzata al calcolo di un parametro geometrico definito area efficace dei tubi rappresentante la superficie di copertura che verrebbe mascherata dalla presenza dei tubi installati Tale superficie riveste un ruolo importante nella definizione dei fattori di ombra e di vista tra i tubi e le superfici interne alla serra np dp Ly Fvistar_ z Fyistac i 1 m T tubi CF senta tubi 1 a Per il calcolo del fattore di scambio convettivo necessario determinare la lunghezza caratteristica della superficie Anche in questo caso si optato per fissarla in termini di rapporto tra l area ed il
92. atizzato in Figura 4 2 composto da tra 3 diverse fasi Slurry ovvero il materiale in digestione Vapore acqueo originatosi per evaporazione di una frazione del liquido dello slury Biogas secco per semplicit considerato essere una miscela bifase di metano al 60 e di anidride carbonica al 40 La massa di biogas secco contenuta all interno della cupola gasometrica stata considerata costante La componente secca del biogas sommata al vapore acqueo rappresentano la massa effettiva di biogas BS B Per ipotesi la produzione di biogas secco Amps stata considetata costante nel tempo A regime prevista una produzione su base giornaliera di circa 1 m di biogas Non disponendo di dati di sito a cui poter fare affidamento ci si posti in condizioni di ottimale funzionamento dell impianto Considerando il contenuto massico di vapore acqueo la massa di biogas Amg complessivamente uscente dal sistema nell unit di tempo At pari a Amp Amps 1 O Biogas secco BS Bl Vapore acqueo D 5 51 Figura 4 2 Schema della composizione del contenuto del reattore Conseguentemente in assenza di alimentazione di ingestato e o spurgo di biol il bilancio di massa del contenuto del reattore tra due istanti successivi sar k 1 _ k k Ms g Amps 1 T 118 Analisi termica dell impianto semplificato di digestione anaerobica k Psat T yk
93. ato al settore minerario sfugge a tutti 1 tipi di controllo e i suoi effetti sono spesso per l ambiente pi devastanti Il notevole aumento dei prezzi dei metalli come rame ha permesso l avanzamento dell estrazione mineraria informale in aree prima impensabili proliferazione di molte piccole miniere sfruttate in condizioni precarie con un alto grado di rischio per i lavoratori sia sul piano fisico incidenti per soffocamento frane inondazioni ecc che ambientale esposizione a reagenti chimici ed esplosivi In assenza di dati ci si limita a constatare alcuni dei pericoli e danni che genera l attivit mineraria Dumping clandestino di rifiuti di estrazione mineraria ed altri detriti metallurgici in corpi idrici e corsi d acqua e Potenziale rottura o inondazione delle pareti di contenimento e Lacerazione o perforazione di geomembrane impermeabili utilizzate nei sottofondi dei depositi di rifiuti e lisciviazione con conseguente fuoriuscita di fluidi pericolosi verso il suolo e i recettori idrici Emissione di polveri dai macchinari per la frantumazione dei minerali e Alterazione del regime idrogeologico migrazione o scomparsa di sorgenti riduzione dei flussi ecc Erosione e modificazione irreversibile del paesaggio L estrazione artigianale dell oro la dannosa perch implica l emissione e la perdita di mercurio cianuro e altri reagenti che oltre ad avvelenare acque e suoli causano malattie degenerative e i
94. attamento di matrici solide 2 4 2 OLR Organic Loading Rate Questo un parametro fondamentale per la gestione dell impianto che influenza il processo e la produzione di biogas E indicativo del carico organico che viene alimentato giornalmente nel reattore Viene calcolato con la seguente formula in funzione della concentrazione di solidi volatili alimentati SVarimentati del volume del reattore V ceattore OLR SV alimentati Vreattore giorno Il tasso di produzione di biogas fortemente dipendente dalla velocit di caricamento stato dimostrato che la resa di produzione di metano aumenta al diminuire del tasso di carico Vartak et al 1997 In uno studio condotto in Pennsylvania su di un impianto di taglia 100 m alimentato a letame quando OLR stato variato da 346 kgSV giorno a 1030 kgSV giorno la resa di biogas aumentata da 67 fino a 202 m giorno Esiste una velocit di avanzamento ottimale per una particolare tipologia di impianto a cui corrisponde la massima produzione di biogas e oltre la quale un ulteriore aumento della quantit di substrato alimentato non produrr pi biogas proporzionalmente 31 Digestione anaerobica di reflui zootecnici Un digestore a scala di laboratorio operante a diversi OLR ha prodotto una resa massima di 0 36 m kgSV ad un OLR di 2 91 kgSV m giorno Sundrarajan et al 1997 2 4 3 Dimensione delle particelle x Anche se la dimensione delle particelle non un par
95. atura 80 pH 0 01 Risoluzione Temperatura 0 1 C Accuratezza pa 0 Temperatura 0 8 pH metro tascabile Lutron impermeabile resistente agli spruzzi d acqua e misura in maniera rapida e precisa il valore di pH e la temperatura dove entrambi i valori vengono visualizzati contemporaneamente sul display Ha taratura automatica tramite la tastiera a membrana e non per mezzo di viti Questo pH metro ha un elettrodo integrato all elettronica e 1 valori di misurazione di pH sono indicati con la compensazione di temperatura automatica realizzata Visualizzazione simultanea del valore pH e temperatura non necessario avere un termometro separatamente Compensazione automatica della temperatura nell intervallo 5 C 80 C Indicazione di temperatura 9 C 9 F min max e conservazione della funzione di dati Data Hold Registratore dati di 100 valori recuperabili su schermo Impermeabile secondo IP 67 Calibrazione automatica Spegnimento automatico Viene accompagnato da due soluzioni tampone 4 e 7 30 mL la calibrazione avviene all interno di un contenitore di 500 mL 164 Allegati Contatore compatto a membrana BK G 1 6 per installazioni domestiche Il contatore BK G1 6 un misuratore a membrana sintetica con corpo in alluminio pressofuso stato progettato per una portata massima di 2 5 m h e pressione di esercizio di 1 0 bar Caratteristiche principali Con
96. bic treatment Biotechno l Bioengg XXII 4 674 699 Lissens G Vandevivere P De Baere L Biey E M Verstraete W Solid waste digestors process performance and practice for municipal solid waste digestion Water Science and Technology 44 91 102 2001 Madhukara K Nand K Raju N R Srilatha H R 1993 Ensilage of mango peel for methane generation Process Biochem 28 2 119 123 Malik R K Singh R Tauro P 1987 Effect of inorganic supplementation on biogas production Biol Wastes 21 2 139 142 Malpei 1997 Digestione anaerobica Manuale dell ingegnere Hoepli Ed Q 4 8 2 Malpei F Gardoni D 2007 La digestione anaerobica 1 principi del processo biologico e 1 criteri di dimensionamento In Biogas da frazioni organiche di rifiuti solidi urbani in miscela con altri substrati Renato Vismara Francesca Malpei Ed Dipartimento di ing idraulica ambientale infrastrutture viarie rilevamento sezione ambientale Politecnico di Milano 45 57 Mata Alvarez J Dosta J Mac S and Astals S Codigestion of solid wastes A review of its uses and perspectives including modelling Critical Reviews in Biotechnology 2011 31 2 99 111 Mechichi T and Sayadi S 2005 Evaluating process imbalance of anaerobic digestion of olive mill wastewaters Process Biochemistry 40 1 139 145 Molnar L Bartha 1989 High solids anaerobic fermentation for biogas and compost production Biomass 16 3 173
97. bolare Quest ultimo deve essere piegato ripetutamente lungo il lato a contatto con 80 Materiali e metodi la tubazione ed assicurato a quest ultima con una corda annodata attorno alla tubazione stessa gonfiaggio vero e proprio avviene agitando tale telo tubolare mantenuto aperto in corrispondenza dell estremit opposta alla tubazione sfruttando le correnti di aria a favore il principio del tutto simile alla a vento il procedimento funziona anche in assenza di vento solo che meno agevole e Una volta che il digestore sia gonfio si procede con il taglio della manica a vento ad una distanza di circa 10 cm dall estremo della tubazione e si annoda stretto Figura 3 16 Telo impiegato per gonfiare il Figura 3 17 Digestore in fase di gonfiaggio digestore 3 4 7 Posizionamento del digestore nella fossa Una volta gonfiato il digestore si procede a collocarlo nella fossa Date le ingombranti dimensioni opportuno svolgere questa operazione in pi persone onde evitare urti e graffi Uno degli operatori deve posizionarsi all interno della fossa in modo da condurre le tubazioni di ingresso e uscita dentro gli opportuni canali scavati in precedenza Figura 3 18 Operatori intenti a posizionare il Figura 3 19 Digestore posizionato nella fossa digestore nella fossa 8l Materiali e metodi 3 4 8 Riempimento del digestore con acqua Dopo aver alloggiato il digestore nella fossa si proced
98. c Thy honayy c7 Ac Tc 124 Analisi termica dell impianto semplificato di digestione anaerobica L impiego della coperta di nylon comporta una complicazione del modello in termini di scrittura delle formule in funzione della gestione dell impianto Infatti nei momenti in cui la coperta non installata la radiazione solare riesce a penetrare attraverso la copertura di agrofilm e quindi a raggiungere le superfici interne alla serra Al contrario quando presente trattandosi di un materiale opaco la coperta di nylon scherma completamente la radiazione solare che quindi non pu cedere calore all interno della serra Una volta stabilite tyy_up Eny down rispettivamente l ora in cui viene posta la coperta in nylon sopra l agrofilm e l ora in cui viene rimossa possibile imporre le seguenti condizioni in funzione dell ora locale convenzionale tconv x Se twy up lt tconv lt tny down 6 quindi la coperta in nylon presente sote rotate i mrerno 0 qQ4 c 0 dsote CJesterno 0 N 1 qj ny 0 j E viceversa altrimenti e Geomembrana in PVC N 1 gt asote Totale 6 interno 4 4 95 90 4 j t Q sL B G Ag E ine Fombra c _ Tg 0 i Fvistag y 7 TG _5 to Ti m Fvistag_E o T Y Fvistag 0
99. calore per irraggiamento tra le superfici esterne e l ambiente 4 9 Trasferimento di calore convettivo tra le superfici e l aria 4 10 Trasferimento di calore conduttivo tra il suolo e lo slurry 4 11 Dinamica dei fenomeni di scambio termico all interno del reattore 4 12 Calcolo dei bilanci energetici per le singole parti del sistema Analisi dei risultati e conclusioni 5 1 Analisi del modello di radiazione solare 5 2 Radiazione solare assorbita dalle diverse superfici costituenti il sistema 5 3 Analisi delle diverse forme di assorbimento della radiazione solare durante l anno 5 4 Analisi della calibrazione del modello 5 5 Temperature degli elementi del digestore 5 6 Proposte di miglioramento 5 6 1 Ottimizzazione dei parametri costruttivi e gestionali 5 6 2 Analisi delle perdite di calore dal sistema verso l ambiente esterno 5 6 3 Modifiche del disegno e dello schema di impianto 5 7 Conclusioni Allegati Allegato Al sensori e apparecchiature installate ed impiegate per il monitoraggio Allegato A2 diagrammi dei percorsi solari Allegato A3 caratteristiche meteo climatiche dell area oggetto di studio Allegato A4 schema dell impianto Riferimenti bibliografici pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag 113 114 116 118 121 126 126 129 144 145 148 150 150 153 153 159 16
100. cetogenesi e metanogenesi si svolgeranno all interno del reattore primario durante l HRT di progetto che di circa 60 giorni I serbatoi reattori saranno installati sulla sommit della parete Sud quella ad elevazione maggiore saranno disposti in serie e alimentati alternatamente in modo tale che il contenuto di entrambi abbia un HRT di 2 giorni e che diariamente vi sia la possibilit di svuotare il contenuto di uno dei due serbatoi all interno del reattore tubolare Secondo questa gestione l impianto continuerebbe a funzionare con lo stesso OLR organic load rate Si vuole anche valutare la possibilit di installare dei sistemi di agitazione di tipo manuale dei serbatoi in modo da evitare fenomeni di sedimentazione e quindi favorire il contatto tra batteri idrolitici e macro molecole In entrambi gli scenari alternativi il risultato atteso un miglioramento delle cinetiche della fase iniziale di idrolisi ritenuta come limitante L idrolisi ad alta temperatura dovrebbe fornire un substrato pi facilmente degradabile per le popolazioni batteriche che operano nel reattore Di seguito descritto il procedimento di progettazione del sistema di tubi in PVC per il pre riscaldo dell ingestato Per le considerazioni fatte all inizio del paragrafo si deciso di considerare il numero di tubi installati variabile per riuscire a valutare eventuali mutamenti apprezzabili del bilancio energetico del sistema In Tabella 5 9 riporta
101. condizione pu risultare critica soprattutto nel lungo periodo in quanto si pu ipotizzare un fisiologico aumento del prezzo di mercato dei combustibili fossili tra cui il gas naturale La possibilit di incrementare la produzione di biogas utilizzando le potenzialit residue degli impianti potrebbe rendere disponibili quantitativi energetici superiori rispetto alle necessit dell autosostentamento tali da poterne valutare un proficuo impiego all interno dell impianto stesso sia per la produzione di calore pre riscaldamento sia per la produzione di elettricit cogenerazione con elevati rendimenti intorno 1 85 mantenendo la disponibilit di cascami termici da reimpiegare in situ 40 Digestione anaerobica di reflui zootecnici 2 7 Biomasse avviabili a digestione anaerobica Si intende per biomassa la frazione biodegradabile dei prodotti rifiuti e residui di origine biologica provenienti dall agricoltura comprendente sostanze vegetali e animali dalla silvicoltura e dalle industrie connesse comprese la pesca e l acquacoltura nonch la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani Questa la formulazione prevista dalla Direttiva Europea 2009 28 CE ripresa da tutta la legislazione ad essa riferente La DA si adatta bene alle materie organiche putrescibili come i fanghi di depurazione delle acque reflue urbane 1 reflui dell industria agro alimentare la frazione organica dei rifiuti solidi urbani
102. corpo emanasse soltanto e non assorbisse mai energia elettromagnetica la sua temperatura raggiungerebbe lo zero assoluto L emissione e l assorbimento dipendono dalla frequenza della radiazione dalla natura del corpo e da alcune caratteristiche della sua superficie 97 Analisi termica dell impianto semplificato di digestione anaerobica 4 3 Inplementazione del modello di scambio termico Come prima cosa stato necessario definire le parti che compongono il sistema Per tutti gli scenari sono presenti La parete Sud S di forma rettangolare e alta rispetto alle altre e La parete Nord sempre di forma rettangolare La parete Est E e la parete Ovest O equivalenti tra loro e di forma trapezoidale Lacopertura C in agrofilm materiale usato per le coperture delle serre La geomebrana intesa come la cupola del reattore tubolare che emerge dalla fossa di alloggiamento ed quindi esposta alla radiazione solare ed agli scambi termici con le altre parti del sistema interne alla serra e volume di aria interna alla serra V La coperta di nylon NY utilizzata solamente in alcune ore del giorno per limitare le perdite di calore dall interno della serra verso l ambiente esterno Per convenzione di terminologia il riferimento alle pareti della serra dipende dal punto cardinale verso cui rivolta la parte esterna delle medesime Infatti ciascuna parete avr comunque anche un lato esposto vers
103. cqua Chiunque abbia bisogno di cure mediche deve pagare I giovani non possono formarsi al lavoro Il tasso di mortalit infantile delle Tre Province Alte superiore a quello registrato in tutto il dipartimento dell Apurimac dal rapporto UNICEF peruviano che pari al 119 per mille tra i nati vivi Apurimac derivato dalle parole in lingua quechua Apu Dio e Rimak l oratore Esistono tre diverse interpretazioni 1 Chi parla come un gentiluomo Non molto convincente poich in questo caso dovrebbe essere Apu rimak jina a meno che il nome venga preso in un senso molto metaforico 2 Il Dio che parla Non avrebbe basi grammaticali perch questo sarebbe Rimak Apu in quechua 3 Colui che parla agli dei potrebbe riferirsi al rumore assordante che proviene dal fiume che scorre x La leggendaria cultura Chanka si sviluppata in questo territorio soprattutto nella provincia di Andahuaylas Le loro doti di guerrieri erano al pari delle loro abilit come agricoltori Furono coinvolti in una sanguinosa lotta contro gli Incas ai quali resistettero a lungo fino a quando l esercito di Pachacutec li sconfisse ed integr tale territorio all interno del Tahuantinsuyo Apur mac stato uno dei pochi posti dove si perfezion l agricoltura una volta che ai suoi abitanti fu imposta una forma efficace e razionale di sfruttamento della terra impiego di fertilizzanti naturali rotazione delle colture ed
104. cqua nel nostro caso 6 cm e 5 cm rispettivamente per il primo e il secondo digestore La valvola di sicurezza realizzata a partire da una bottiglia di plastica all interno della quale viene introdotto un piccolo tubo diramatosi dal flusso principale per mezzo di una giunzione a 3 vie e immerso in un volume di acqua il cui battente rispetto all estremit tubo corrisponde alla pressione di esercizio stabilita durante la progettazione Figura 3 22 Valvola di sucurezza Per poter controllare il livello dell acqua nella bottiglia si predisposta una apertura dalla quale in caso di necessit liquido e gas possano uscire 3 4 12 Installazione della trappola dell acqua Il biogas che esce dal digestore contiene una frazione di vapore acqueo il quale condensa a causa della variazione di temperatura tra l interno della serra in cui possono essere raggiunti 1 70 C nello spazio compreso tra la cupola del digestore e il tetto della serra e l ambiente esterno Onde evitare che le goccioline di vapore condensato ostruiscano il passaggio del biogas attraverso la tubazione nel punto pi basso dell installazione caratterizzata da un pendenza superiore all 1 viene posizionata una trappola per l acqua con la funzione di raccolta dell umidit e successiva eliminazione mediante un rubinetto manuale senza che si generino perdite di biogas Per facilitare le operazioni di manutenzione si optato per
105. dalla radiazione solare durante tutto il corso dell anno in funzione anche della variabilit dei consumi di biogas per esempio durante la stagione fredda vi saranno maggiori necessit di scaldare cibi o acqua e lcorretto dimensionamento del reattore e della serra che lo contiene Aspetti come la profondit di interramento il volume di aria interno alla serra la superficie della cupola della geomembrana e la superficie del pelo libero dello slurry concorrono al raggiungimento delle condizioni ottimali di captazione dell energia termica e del suo mantenimento entro i confini della serra Di altrettanta rilevanza il fattore di forma del digestore da cui dipende il funzionamento secondo lo schema flusso a pistone corretta gestione dell impianto in termini di orari in cui svolgere le mansioni pi importanti Valutare in funzione dei diagrammi dei percorsi solari della durata del di e dell andamento delle temperature quali siano i momenti migliori per ogni giorno dell anno in cui alimentare l ingestato coprire e o scoprire la serra con il telo di nylon Oltre a questi aspetti legati strettamente al sistema reattore serra vanno considerati gli aspetti a monte dell alimentazione dell ingestato Sfruttando opportunamente la potenza radiativa solare sarebbe possibile implementare dei sistemi di pre riscaldo e o di pre fermentazione del refluo andando a migliorare la biodegradabilit dello stesso prima ancora che sia introdotto al
106. do di calcolo step by step in cui un opportuno criterio di convergenza permette di proseguire o meno l analisi eventualmente riducendo l incremento di tempo a seconda dell accuratezza dei risultati al termine di ogni step Con l utilizzo del metodo esplicito non si presentano invece eventuali problemi di non convergenza ad una soluzione finita dato che in questo caso l analisi non condizionata da un criterio di convergenza e l incremento di tempo viene definito all inizio dell analisi e rimane costante durante il calcolo Il bilancio energetico per la i esima componente del sistema oggetto di studio consente di ricavare la temperatura ad ogni istante k con la seguente formula Ai N 1 T i i Cp 4 Dove e rappresenta la temperatura della compontente i esima all istante temporale precedente At rappresenta il passo di discretizzazione temporale costante ed opportunamente stabilito in funzione delle unit di misura e del grado di convergenza del modello e Cp sono rispettivamente la massa ed il calore specifico della i esima parte del sistema Li iq j i rappresenta la sommatoria dei contributi di scambio termico tra la componente i esima e le altre parti del sistema e dell ambiente circostante I flussi di calore sono considerati positivi se entranti verso la componente i esima e N il numero totale di variabili del modello comprendenti sia le variabili corrispondenti alle parti del sis
107. dustria Fonte Digestione anaerobica di reflui zootecnici lidi Bi n So iar logas TKN Sad Biogas CH TKN volatili kg volatili m kg 9 99 kg t SV i SV Prodotti sottoprodotti vegetali Scarti agroindustriali animali Insilato di Siero di SOrgo 282 0 60 53 1 75 55 0 75 60 2 32 latte succherino Insilato di abi 248 0 56 52 2 70 ruminali 176 0 75 53 2 60 bovini tot as a ss lia Se Ml lo ea grano bovino Fanghi di Insato di 440 060 83 142 160 035 60 3 08 mais suini Fanghi di Scarti agroindustriali vegetali macelli 122 0 35 60 4 76 bovini Scarti di Fango lavorazione 154 0 48 55 2 24 flottazione 85 0 35 60 14 70 mais dolce avicolo Scari 20601 60 459 Varie leguminose Buccette e semi di 291 0 35 55 3 12 FORSU 140 0 60 51 1 82 pomodori Scarti di lavorazione 230 0 60 53 1 53 Glicerina 900 0 78 58 patata 45 Digestione anaerobica di reflui zootecnici Con il termine codigestione si intende un processo di degradazione di substrati organici diversi in contemporanea con lo scopo di incrementare i ratei di produzione di biogas grazie ad un sinergismo positivo creatosi in digestione per l apporto dei nutrienti mancanti dal co substrato La miscelazione di diversi prodotti pu consentire la compensazione delle
108. duttive assume sempre pi rilevanza anche in ambito agricolo In particolare la gestione degli effluenti di allevamento determina un forte rischio osmogeno generazione di odore soprattutto durante le fasi di stoccaggio e spandimento La produzione di odore dipende prevalentemente dall attivit di batteri anaerobi che fermentando e respirando anaerobicamente la sostanza organica contenuta nel refluo producono molecole maleodoranti L odore di una sostanza viene normalmente percepito come se fosse dovuto ad un unica componente es odore di letame ma in realt ogni emissione odorigena caratterizzata da una molteplicit di composti frutto dei processi degradativi che in sinergia tra loro producono un determinato odore In Tabella 2 11 sono riportati alcuni composti odorigeni rintracciabili nei reflui zootecnici evidente che man mano che si riduce nel refluo il contenuto di frazione organica facilmente degradabile si riduce anche la possibilit da parte dei batteri di produrre molecole odorigene Va da s che se la produzione di odori dipende dalla degradabilit della sostanza organica contenuta e se la misura della stabilit biologica di un refluo digestato risulta una misura semplice e poco costosa essa pu essere utilizzata quale parametro di caratterizzazione del digestato e del suo potenziale impatto odorigeno 53 Digestione anaerobica di reflui zootecnici Tabella 2 9 Composti odorigeni rintracciabili nei reflui
109. e l influenza del trasporto di massa nello scambio termico In assenza di dati meteorologici sito specifici stato ipotizzato che nel sistema oggetto di studio il fenomeno convettivo sia prevalentemente di origine naturale e non forzata Nella convezione naturale il moto del fluido dovuto alla presenza di forze di galleggiamento cio alla contemporanea presenza di un campo di forze di volume es gravitazionali e al gradiente di densit del fluido Le forze di inerzia e quelle viscose restano importanti ma un ruolo pi importante giocato dalle forze di galleggiamento Per la convezione naturale il numero di Nusselt Nu pu essere determinato in funzione di altri parametri adimensionali quali e I numero di Grashof Gr _ un gruppo adimensionale utilizzato in fluidodinamica e trasmissione del calore per convezione naturale per misurare gli effetti delle forze 114 Analisi termica dell impianto semplificato di digestione anaerobica di galleggiamento rispetto alle forze viscose di un fluido ed analogo al numero di Reynolds Re _ 8 Bj T Gp a e n e I numero di Prandtl Pr il gruppo adimensionale che esprime il rapporto della Gr diffusivit cinematica rispetto alla diffusivit termica Vj Pr Dove e g rappresenta l accelerazione di gravit posta pari 9 81 E e rappresenta il coefficiente di espanzione del mezzo j espresso 71 ed assunto all inverso d
110. e 3 5 Presentazione del piano di monitoraggio 3 5 1 Informazioni di ordine organizzativo 3 5 2 Attivit di monitoraggio in campo Analisi termica dell impianto semplificato di digestione anaerobica 4 1 Introduzione alla teoria della trasmissione del calore 4 2 Modalit di trasmissione del calore 4 2 1 Conduzione 4 2 2 Convezione 4 2 3 Irraggiamento 4 3 Implementazione del modello di scambio termico 4 4 Calcolo dei percorsi solari e degli angoli di incedenza sulle superfici del sistema 4 4 1 L angolo di declinazione solare 6 4 4 2 Angolo orario 4 4 3 Altezza del Sole 4 4 4 Angolo azimutale solare Y 4 5 Radiazione incidente sulle superfici esterne della serra 4 6 Radiazione incidente sulle superfici interne della serra 4 6 1 Componente diretta della radiazione incidente sulle superfici interne 4 6 2 Componente diffusa della radiazione incidente sulle superfici interne 4 6 3 Componente riflessa della radiazione incidente sulle superfici interne 4 7 Trasferimento di calore per irraggiamento tra le diverse superfici interne alla serra pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag pag amp 2 83 84 84 85 86 87 88 89 89 90 90 90 94 94 94 95 95 97 98 100 101 102 103 104 105 106 107 109 112 112 5 4 6 Trasferimento di
111. e ONG senza contare le rimesse inviate da migranti individuali ai propri familiari nei paesi in via di sviluppo Alcuni governi tendono ad includere l assistenza militare nella nozione di aiuto estero bench molte ONG disapprovino tale definizione Il mondo della cooperazione internazionale 1 3 Cooperazione allo sviluppo La cooperazione allo sviluppo nasce governativa dopo il secondo conflitto mondiale con le prime conferenze delle Nazioni Unite dalla fine del XX secolo viene affiancata e sostenuta grazie a un forte sistema di valori da quella non governativa legittima rappresentanza della societ civile La cooperazione governativa si occupa del trasferimento di risorse finanziarie assistenza tecnica servizi e beni da un governo o da un organo pubblico di un Paese sviluppato a favore di un paese in via di sviluppo PVS mentre la cooperazione non governativa maggiormente slegata da interessi politico economici particolari e rappresenta il canale privilegiato delle istanze provenienti dalla societ civile Recentemente nuovi soggetti associativi hanno configurato una forma di cooperazione detta decentrata che si basa sul contatto diretto tra due comunit con obiettivi comuni e che quindi collabora con la tradizionale forma di cooperazione In Italia la Cooperazione allo Sviluppo parte integrante della politica estera italiana ed e gestita dalla Direzione Generale per la Cooperazione allo Sviluppo del Ministero degli Af
112. e a riempirlo con un volume di acqua pari ad 1 3 del volume che in fase di progetto stato calcolato verr destinato al materiale in digestione 3 4 9 Carica del digestore Il volume pari ai 2 3 restanti dello spazio adibito al materiale in digestione viene colmato con l inserimento della miscela vera e propria costituita da acqua con sterco di maiale o di porcellino d India Dopodich si inserisce il contenuto del rumine di uno o pi bovini circa 200 L che funge da inoculo di biomassa metanigena di cui densamente popolato In questo modo si riduce il tempo di acclimatazione della biomassa e avvio del processo Figura 3 20 Fasi dell operazione di carica del digestore Una volta sistemato il digestore nella sede predisposta si procede col fissare stabilmente le tubazioni di alimentazione e scarico va tenuto presente che la fuoriuscita della frazione liquida del digestato avviene secondo il principio dei vasi comunicanti Per tale ragione il livello del pelo libero del digestato deve essere inferiore di 50 60 cm rispetto al livello di ingresso dell ingestato 82 Materiali e metodi 3 4 10 Installazione delle tubazioni di collettamento del biogas La rete di tubazioni convoglia il biogas prodotto verso il gasometro e successivamente verso la cucina dove sono installati 1 bruciatori Nel tratto immediatamente successivo all uscita del biogas dal digestore 1 tubi sono posizionati con una pendenza di almeno 1 1 in
113. ealt del fenomeno non giustificano comoplessit maggiori per il modello Si consideri un corpo di forma arbitraria di massa m volume V area superficiale A densit p e calore specifico cp inizialmente con temperatura uniforme T posto all istante t 0 in un ambiente a temperatura T Se gt si avr trasmissione di calore dall ambiente al corpo con un coefficiente di scambio termico al contrario per To lt Ti L ipotesi che la temperatura di tutta la massa m sia uniforme ci consente di scrivere un equazione nella quale possiamo imputare al calore che entra o esce nell unit di tempo attraverso l involucro del corpo con la corrispondente variazione di temperatura trascurando di fatto la distribuzione di temperatura entro il corpo stesso in altre parole ipotizzando una conducibilit infinitamente grande 99 Analisi termica dell impianto semplificato di digestione anaerobica 4 4 Calcolo dei percorsi solari e degli angoli di incedenza sulle superfici del sistema Il sistema riceve la quasi totalit dell energia termica entrante escludendo l energia dell ingestato alimentato dalla radiazione solare incidente sulle sue diverse parti sia esternamente che internamente Il calcolo della radiazione solare richiede un preventivo studio dei percorsi solari in modo tale che sia possibile determinare l angolo con cui i raggi del Sole incidono sulle superfici del sistema A causa della rotazione terrestre il Sole d
114. ecessit di migliorare l efficienza complessiva del processo di digestione anaerobica negli impianti di biogas Ci potrebbe essere fatto in diversi modi impiegando diversi additivi chimici e biologici 2 soddisfando le esigenze nutrizionali delle popolazioni batteriche interessate Lettinga et al 1980 Wilkie e Colleran 1986 o manipolando le proporzioni di alimentazione dell impianto Sanders e Bloodgood 1965 Nyns 1986 3 inoculando biomassa e ricircolando parte del liquame digerito carico di biomassa batterica naturalmente trasportata al di fuori del reattore 4 apportando modifiche a livello di progettazione degli impianti esistenti 5 pretrattamenti ed ottimizzazione dei parametri Recentemente sono stati compiuti sforzi per ridurre l HRT o aumentare la produzione di biogas a parit di HRT incorporando supporti che aiutano a trattenere la biomassa nei reattori 2 5 1 Uso di additivi Sono stati fatti alcuni tentativi in passato per aumentare la produzione di gas stimolando l ativit microbica utilizzando vari additivi chimici e biologici in diverse condizioni di funzionamento Additivi biologici includono diverse piante erbe infestanti Gunaseelan 1987 sfalci colture microbiche che sono naturalmente disponibili nei dintorni dell impianto Come tali questi residui sono generalmente di minore importanza in termini di un loro uso nell habitat tuttavia se utilizzati come additivi nella produzione di biogas
115. ei studi senza mai farmi mancare nulla e senza mai farmi pesare il ritardo accumulato durante il percorso formativo Rigrazio anche tutti i miei Amici sia quelli di sempre come Stefano Mattia Jacopo e Giovanni sia tutti 1i compagni di corso con cui nell arco del quinquennio ho condiviso tante bellissime emozioni Non avrei desiderato incontrare altre persone se non tutti loro Infine last but not least voglio ringraziare in modo particolare Danila la mia fidanzata e amica e compagna di corso con cui ho condiviso gioie fatiche soddisfazioni e delusioni sempre cercando di sostenerci l uno con l altra attraverso un cammino di crescita iniziato proprio sui banchi universitari il 18 Settembre 2006 L opportunit di condividere gli anni del Politecnico ci ha permesso di fortificare il nostro rapporto e di vivere con pi spensieratezza anche 1 periodi di maggiore tensione Abstract Lo scopo di questa tesi studiare il comportamento termico dell impianto al fine di valutare possibili soluzioni progettuali alternative e loddove fosse possibile quantificare il beneficio che si trarrebbe apportando degli accorgimenti al design del digestore tubolare in materiale plastico installato nel sito oggetto di studio Vilcabamba Grau Apurimac Per Allo stato attuale il digestore si presenta come una struttura a serra Il digestore propriamente detto ovvero il reattore costituito da un tubo in geomembrana di PVC del diametro di circa 1 4
116. el solfuro di idrogeno Dimpl 2010 La rimozione dell acqua ottenuta mediante raffreddamento come in un tubo sotterraneo per condensare l umidit Il biogas brucia con una fiamma blu pulita e pertanto i fornelli da cucina sono considerati il miglior mezzo di sfruttamento del biogas nelle aree rurali dei paesi in via di sviluppo ISAT GTZ 1999 A causa delle propriet fisico chimiche del biogas i bruciatori di propano e butano commerciale non sono adatti per il biogas senza alcuna modifica poich 6 litri di aria sono necessari per la combustione di un litro di biogas ipotizzando una composizione di metano del 60 rispetto ai 31 litri e 24 litri di aria per butano e propano Tabella 2 10 Caratteristiche dei differenti combustibili Tipologia Camposzdone FORTC Velocit di Domanda di di gas fiamma ana kWh m cm s aria m gas Metano CH4 100 9 94 43 9 5 Propano C3Hg 100 25 96 57 23 8 Butano 100 34 02 45 30 9 ad H2 65 35 7 52 60 1 H CH4 50 26 24 4 07 82 3 7 Biogas CH 60 40 5 96 40 57 L efficienza delle cucine a biogas stata valutata intorno a 20 56 Itodo et al 2007 ISAT GTZ 1999 anche se tali cifre sono fortemente influenzate da condizioni di funzionamento e design dei bruciatori Inoltre molti benefici per la salute possono derivare dal passaggio dai carburanti tradizionali ai pi puliti
117. ella temperatura del mezzo fluido stesso 2 E s e vj rappresenta la viscosit cinematica del mezzo misurata in ni rappresenta la diffusivit termica del mezzo definita come il rapporto fra conducibilit termica e il prodotto di densit p e calore specifico Cp del corpo oggetto di studio La diffusivit termica una caratteristica intrinseca del corpo in quanto dipende esclusivamente da parametri relativi al materiale di cui composto Come tutti i 2 coefficienti di diffusione misurata in c nel sistema internazionale Il numero di Rayleigh Raj invece viene definito come il prodotto tra il numero di Grashof ed il numero di Prandtl _ 9 Bj Ti Tj Pr Ra _ Gr i j i j j La formulazione del numero di Nusselt varia in funzione del valore assunto dal numero di Rayleigh 115 Analisi termica dell impianto semplificato di digestione anaerobica SeRaj 10 1 0 67 9 0 49216 hG ol gt Se Raj _ gt 10 1 0 387 Ra _ 8 0 492 16 7 5222 Con le suddette formule possibile calcolare i coefficienti di trasferimento di calore convettivo per tutti 1 casi presenti nel sistema oggetto di studio e vale a dire e Trasferimento di calore convettivo tra le superfici interne alla serra e l aria interna alla serra a cui corrisponder un h o5 e Trasferimento di calore convettivo tra le superfic
118. elle fasi e si configurano come impianti a due stadi in entrambi si svolge la metanogenesi piuttosto che impianti bi fase con minor efficacia complessiva compensata da una maggior stabilit del processo e da minori necessit di controllo sull andamento delle due fasi 2 9 Il digestato Il processo di digestione anaerobica consiste nella degradazione in assenza di ossigeno della sostanza organica contenuta nell ingestato materiale in ingresso costituito da effluenti di allevamento e o biomassa vegetale Il digestato con il metano la ed altri gas minori uno dei sottoprodotti di questo processo Durante la digestione anaerobica peraltro i composti azotati presenti nell ingestato non vengono eliminati ma solo parzialmente trasformati da una forma in un altra e si ritrovano quindi integralmente nel digestato Il digestato il risultato della stabilizzazione con buone capacit fertilizzanti per l elevato contenuto di azoto e fosforo e ammendanti soprattutto per la capacit di ritenzione di umidit e di contenuto organico sostanze umiche per il terreno 51 tratta di una miscela con un contenuto in secco generalmente variabile tra il 15 e il 30 Tuttavia in Italia l inquadramento normativo del digestato non chiaro e attualmente viene generalmente avviato a smaltimento finale sia in discarica dove le norme stringenti attualmente vigenti ne rendono sempre pi difficile il conferimento oppure in agricoltura Un opzi
119. ello dell assenza di profitto nell attivit Il mondo della cooperazione internazionale 1 6 Apurimac Onlus LA SPERANZA DOVE NON C Apurimac onlus nata nel 1992 per affiancare la missione agostiniana italiana che opera dal 1968 nella regione peruviana dell Apurimac dalla quale abbiamo preso il nome Il nostro lavoro iniziato sulle Ande a 4 000 metri di altezza estendendosi poi alle citt di Cuzco e Lima La regione dell Apurimac caratterizzata da un estremo isolamento geografico ed economico La popolazione locale sopravvive solo grazie ad un economia di sussistenza mancando sia vie di comunicazione sia capitali e tecnologie utili per lo sfruttamento delle ricchezze del sottosuolo Tali disagi insieme ad un alto tasso di analfabetismo e a precarie condizioni igienico sanitarie sono le principali piaghe che ci siamo impegnati a curare Dal 2003 con il riconoscimento di ONG Organizzazione Non Governativa da parte del Ministero degli Affari Esteri siamo giunti fino in Africa con lo stesso obiettivo guida ovvero sostenere i progetti di sviluppo delle missioni agostiniane che lavorano per il Sud del mondo Quando siamo partiti nel 1992 la nostra meta erano le cime pi alte del Per pi povero Ci siamo andati al fianco dei missionari agostiniani per prenderci cura di chi non aveva una casa una scuola un lavoro A volte anche una famiglia E da allora abbiamo creato una rete di assistenza e solidariet
120. embre Ottobre Aprile e Marzo Completo annullamento nel periodo dal 29 Ottobre fino al 12 Febbraio poich il Sole rivolto a Sud in tale periodo dell anno e Per la parete Sud come del resto anche per le pareti laterali sono stati considerati i due differenti lati esposti alla radiazione quello esterno e quello interno alla serra Per quanto riguarda il lato esterno la parete Sud mostra un andamento speculare seppur in termini percentuali rispetto alla parete Nord circa 2 3 della radiazione assorbiti in forma diffusa e riflessa e solamente 1 3 in forma diretta Chiaramente vale lo stesso discorso legato alla posizione del Sole durante l anno Sul lato interno invece la componente diretta e quella diffusa pi riflessa sono pi bilanciate Complessivamente il fenomeno preponderante la radiazione diffusa pi riflessa assorbita all esterno che contribuisce per circa 11 40 mentre il restante 60 all incirca equamente distribuito tra le altre 3 componenti Le pareti laterali sono caratterizzate da un andamento analogo delle componenti di radiazione solare assorbita Ad eccezione degli inevitabili inconvenienti legati al passaggio del Sole da Nord a Sud durante l anno che vanno a limitare la radiazione diretta assorbita sul lato interno le altre 3 componenti di radiazione quella diretta sul lato esterno e quella diffusa pi riflessa su ambo 1 lati non subisco apprezzabili 144 Analisi dei risultati e conclusioni va
121. ero di istanti Dalla analisi del Grafico 5 2 si evince che per una superficie rivolta a Nord ed inclinata di 20 la radiazione solare totale giornaliera presenta un andamento caratterizzato da variazioni molto contenute rispetto agli altri angoli di inclinazione sub orizzontale dunque confortante il confronto tra l inclinazione di progetto della falda della copertura della serra ed i valori teorici ottimali Avviando una ottimizzazione con il componente aggiuntivo Risolutore di Excel stato possibile ricavare i parametri di giacitura che massimizzano il valore cumulato annuo di radiazione solare incidente su una generica superficie 0 71 12 77 127 Analisi dei risultati e conclusioni MWh Radiazione incidente totale annua 2 68 Z m anno Radiazione solare totale giornaliera in funzione dell inclinazione di una superficie rivolta a Nord PE on en oo e Ss Del 52 51 E o e p Ss R 24 01 01 2012 31 01 2012 01 03 2012 31 03 2012 30 04 2012 30 05 2012 29 06 2012 29 07 2012 28 08 2012 27 09 2012 27 10 2012 26 11 2012 26 12 2012 5 quie S Grafico 5 2 Radiazione solare totale giornaliera in funzione dell inclinazione di una superficie rivolta a Nord Il Grafico 5 2 mostra ancora una volta come le inclinazioni in grado di ricevere i maggiori contributi
122. escrive durante la giornata un arco parabolico funzione dell angolo di altezza rispetto al piano orizzontale e dell angolo azimutale Essendo note le coordinate geografiche del sito di Vilcabamba e le giaciture delle singole parti del sistema stato possibile calcolare l angolo di incidenza dei raggi solari su ciascuna di esse in funzione dell ora del giorno Tabella 4 2 Caratteristiche del sito di Vilcabamba Grau Apurimac Per 13 70806 72 39000 2800 0 7071 65 Dove la pressione atmosferica stata calcolata con la seguente formula 7 0 9877100 in cui 2 rappresenta la quota sul livello del mare misurata in metri L umidit dell aria stata posta inizialmente pari al 6596 in mancanza di dati sito specifici sono stati utilizzati 1 dati della stazione meteorologica di Chuquibambilla capuologo della provincia di Grau Pressione ed umidit saranno necessarie per il calcolo di ulteriori parametri come di seguito verr esposto 100 Analisi termica dell impianto semplificato di digestione anaerobica Tabella 4 3 Caratteristiche delle parti costituenti il sistema C S N E G NY Esposizione y 0 00 180 00 0 00 90 00 90 00 0 00 0 00 Inclinazione 22 20 90 00 90 00 90 00 90 00 0 00 22 20 Area m 16 64 9 03 2 75 1 47 1 47 11 12 16 64 Coefficiente di assorbimento 0 0 20 0 80 0 80 0 80 0 80 0 00 0 60 sul lato e
123. esigenza di applicare i pretrattamenti ad esempio la termolisi a monte della digestione anaerobica con lo scopo di aumentare la degradabilit della sostanza organica e la produzione di biogas ottenendo una riduzione dei quantitativi di digestato da smaltire I pretrattamenti possono essere applicati anche per incrementare la biodegradabilit di matrici difficilmente degradabili favorendone la digestione I materiali lignocellulosici ad esempio rappresentano una componente abbondante degli scarti dei settori agro alimentare ed agricolo nonch dei rifiuti solidi urbani frazione organica dei rifiuti e sfalci di potatura del verde urbano La biodegradabilit e di conseguenza la potenziale produzione di biogas dei materiali lignocellulosici dipende principalmente dal loro contenuto di cellulosa emicellulosa e lignina Generalmente la cellulosa e l emicellulosa vengono degradate 37 Digestione anaerobica di reflui zootecnici facilmente dai microrganismi Tuttavia nei materiali lignocellulosici esse sono associate alla lignina che funge da barriera prevenendone la biodegradazione Il pretrattamento tramite l impiego di microrganismi specifici agisce rimuovendo il contenuto di lignina e di emicellulosa riducendo la struttura cristallina della cellulosa e incrementando la porosit dei materiali e la superficie disponibile all attacco dei microrganismi Dar e Tandon 1987 hanno osservato un miglioramento del 31 42 in degradabi
124. essuna ulteriore informazione in particolare non spiega le modalit con cui tale scambio avviene n determina il tempo necessario per lo scambio stesso Tali problemi sono l oggetto di una disciplina tecnica detta Trasmissione del Calore Lo scopo della trasmissione del calore descrivere quantitativamente le modalit con cui la differenza di temperatura tra due corpi regola lo scambio di calore tra di essi Queste conoscenze sono indispensabili per determinare il tempo in cui si compiono le trasformazioni termodinamiche infatti in termodinamica lo scambio di calore e di lavoro dipende solo dalle trasformazioni del sistema e non dal tempo in cui il sistema evolve a parit di trasformazioni il calore ed il lavoro scambiati sono gli stessi sia che la evoluzione del sistema avvenga in un millisecondo che in un milione di anni Le conoscenze di trasmissione del calore sono anche indispensabili per risolvere altri problemi tecnici ad esempio controllo di temperatura in impianti industriali isolamento termico di macchinari ed edifici raffreddamento efficiente delle macchine Una parte importante della trasmissione del calore riguarda lo studio dello scambio termico nella persona umana e delle condizioni ambientali per le quali l uomo si trova in stato di benessere 4 2 Modalit di trasmissione del calore I processi di scambio termico sono generalmente classificati in tre categorie anche se in pratica non si presenta mai una sola modalit ma
125. estione anaerobica e Parete Ovest N 1 gt 4 Asote 0 esterno sote rotate 0 interno 4 ds o j 46 Qc o 1 7 Gig Tae 055 Ao Fvistag Uto P e Fompra o Rconva_o Ao To 13 9 Ao Ao 0 Fvistao n Ao 97 T Fvistao s Ao T T6 Fvistag g 9 TG Fvistao g Ao 9 Fvistag c Ao e Copertura in agrofilm N 1 gt Qj c dsoie CJesterno da c dy c ds c dg c 90 9 j 1 _ Ac Ta 0 Ac Tc honoy c Tc 0 TC 90 i T x Fyistac s Acto Ti Fvistac E Acto Fvistac_o 87 Fvistac a Ac h cond Ny c Ac In particolare il termine di scambio termico conduttivo tra la copertura in agrofilm e la coperta in nylon sar calcolato solo per le ore in cui tale coperta e effettivamente presente e sar proporzionale al coefficiente di colore conduttivo cosi espresso h Karia stagnante condyy c 6 aria stagnante Coperta di nylon N 1 4 Asote nv esterno j 1 70 Reonva yy TA i 97 A
126. eutrofizzazione dei laghi e delle paludi L implementazione di fosse settiche una buona alternativa per le aree rurali dove le condizioni degli inurbamenti ostacolano l nstallazione di sistemi di fognatura non sempre accompagnata da una preparazione adeguata soprattutto nella compattazione del terreno e impermeabilizzazione della vasca cosi da generare un impatto inquinante sulle acque sotterranee falda e il terreno circostante pericoloso per 11 suo effetto cumulato nel medio e lungo termine Nelle auto officine e stazioni di servizio pratiche di gestione e smaltimento degli idrocarburi sono prive di cura e attenzione generando grandi macchie di contaminazione che si infiltrano nel sottosuolo tramite un deflusso che trascina oli e combustibili attraverso le insenature impermeabilizzano il terreno e talvolta raggiungendo i corpi idrici sotterranei e superficiali Figura 1 4 Acque reflue sversate nel recettore senza subire alcun trattamento L uso indiscriminato di fertilizzanti chimici insetticidi e pesticidi produce ripercussioni igienico sanitarie di varia natura Questo ha anche influito su alcuni tipi di controllo biologico esercitato da una fauna che si praticamente estinta come rospi serpenti gufi e barbagianni cacciati inoltre a causa di assurde superstizioni che li considerano predicatori di morte o di sventura e che ha favorito la proliferazione di parassiti roditori e insetti che danneggiano la produzione e l
127. evati tempi di residenza e carichi organici volumetrici relativamente bassi nell ordine di 1 4 kgSV m d che consentono una maggiore stabilit del sistema Trattamenti bi stadio e bi fase Nei trattamenti bi fase la separazione delle fasi consente di ottimizzare le condizioni per ciascuna comunit microbica Ghosh et al 2000 In un processo a due fasi generalmente nel primo reattore si svolgono le fasi di idrolisi e acidogenesi con un tempo di ritenzione idraulico basso da 1 3 fino a 5 giorni e un elevato carico organico volumetrico superiore ai 10 kgSV m 47 Nel secondo reattore la digestione termina con le fasi di acetogenesi e 50 Digestione anaerobica di reflui zootecnici metanogenesi I fattori limitanti sono la velocit di idrolisi nel primo reattore e la velocit di crescita batterica nel secondo una separazione delle due reazioni consente di incrementare la velocit di produzione di metano grazie ad una maggiore ritenzione della biomassa Ghosh et al 2000 La presenza del primo reattore consente inoltre di tamponare l impatto sulla produzione di metano di eventuali improvvise variazioni nella velocit di alimentazione o nella concentrazione del substrato Un ulteriore vantaggio del processo a due fasi consiste nel poter trattare anche substrati con bassi rapporti C N quali appunto i reflui agro industriali e agro zootecnici Alcuni impianti sono definiti bi stadio perch non operano con una chiara distinzione d
128. fari Esteri Nel definire iniziative e Paesi in cui intervenire la Cooperazione italiana tiene conto di linee guida e impegni concordati nel pi ampio contesto internazionale ONU UE In termini di priorit le iniziative sono focalizzate principalmente sul continente africano Africa sub sahariana sui Paesi nei quali sono stati assunti importanti impegni internazionali Afghanistan Libano nonch in aree nelle quali la presenza del nostro Paese ha radici profonde America Latina Medio Oriente e Mediterraneo In termini di aree tematiche e settori le priorit sono l ambiente e beni comuni con particolare attenzione allo sviluppo rurale all agricoltura biologica o convenzionale alla ricerca di fonti alternative e rinnovabili le politiche di genere e in particolare l empowerment delle donne accanto ai tradizionali interventi sulla salute e sull educazione 1 4 Organizzazione non lucrativa di utilit sociale Nell ordinamento italiano l espressione organizzazione non lucrativa di utilit sociale meglio nota con l acronimo ONLUS indica una categoria tributaria alla quale secondo l art 10 del D Lgs 4 dicembre 1997 n 460 appartengono determinati enti di carattere privato anche privi di personalit giuridica i cui statuti o atti costitutivi rispondono ai requisiti elencati nello stesso articolo L appartenenza a tale categoria attribuisce la possibilit di godere di agevolazioni fiscali Il mondo della cooperazione internazionale
129. gas Solamente nel periodo dal 16 al 22 Luglio tuttavia la produzione seguiva un andamento costante e prossimo al metro cubo di progetto Per tale ragione si deciso di non estendere l analisi agli altri periodi in modo da valutare le prestazioni dell impianto durante un funzionamento il pi possibilie rappresentativo del comportamento a regime Le temperature misurate sono Temperatura dell aria ambiente impiegata come forzante esterna e per calcolare la temperatura di bulbo umido considerata essere la temperatura dell ingestato Temperatura dell aria interna alla serra e Temperatura dello slurry contenuto nel reattore calcolato come media aritmetica delle misure effettuate a 2 distinte profondit di immersione del sensore all interno del reattore Le temperature rispettivamente dell aria interna alla serra e dello slurry sono state utilizzate per la calibrazione del modello 145 Analisi dei risultati e conclusioni Tabella 5 8 Coefficienti di scambio termico ottenuti in fase di calibrazione interessante notare come vi sia una differenza di due ordini di grandezza tra il valore dei coefficienti di scambio termico per convezione interni alla serra rispettivamente v pareri per le pareti e h per la geomebrana e quelli tra le superfici esterne e l aria ambiente rispettivamente A A parei per le pareti della serra e 4 yy per la coperta di nylon La motivazione potrebbe risiedere nel fatto che all ester
130. gerito che il ricircolo della frazione liquida del digestato induce una cinetica pi rapida che non in condizioni anaerobiche controllate come quelle di un impianto pilota alla temperatura di 35 C inoltre hanno dimostrato che il fattore di scala non ha influenza sulle cinetiche Il ricircolo era nell ordine di 0 3 m m giorno 2 5 4 Tecniche di installazione per ottenere condizioni di temperatura ottimali La maggior parte dei rimedi citati in letteratura per migliorare la produzione di biogas sono volti ad aumentare la temperatura del digestore al campo mesofilo temperatura ottimale Alcune precauzioni prese durante l installazione di impianti di biogas e il loro rivestimento con materiali isolanti aiuta anche a mantenere la temperatura nel digestore all interno dell intervallo desiderato Molnar e Bartha 1989 Al fine di aumentare il rendimento di biogas si preferisce costruire impianti opportunamente orientati al Sole e in modo tale da proteggerli dai venti freddi Gli impianti di biogas devono essere coperti con residui colturali disponibili a livello locale per ridurre al minimo le perdite di calore Una semplice tecnica di rivestimento del terreno intorno al digestore con carbone migliora la produzione del 7 15 Anand e Singh 1993 L installazione di una struttura tipo serra in PVC consente un riscaldamento solare del substrato da 18 C a circa 37 C stato possibile ottenere un notevole aumento della produzione di biogas in una
131. gestion of organic fractions of municipal solid waste and domestic sewage of Coimbatore Indian J Environ Health 39 3 193 196 Tiedje J M 1988 Ecology of denitrification and dissimilatory nitrate reduction to ammonium p 179 244 In A J B Zehnder ed Environmental Microbiology of Anaerobes John Wiley and Sons N Y Tirumale S Nand K 1994 Influence of Anaerobic cellulolytic bacterial consortia in the anaerobic digesters on biogas production Biogas Forum III 58 12 15 Tiwari G N Chandra A 1986 Solar assisted biogas system a new approach Energy Conserv Manage 26 2 147 150 Tiwari G N Rawat D K Chandra A 1988 A simple analysis of conventional biogas plant Energy Conserv Manage 28 1 1 4 Van der Berg L Kennedy K J 1983 Comparison of advanced anaerobic reactors In Proceedings of III International Conference on Anaerobic digestion August 1983 Boston NRCC no 22613 Van de Graaf AA de Bruijn P Roberston LA Jetten MSM Kuenen JG 1996 Autotrophic growth anaerobic ammonium oxidizing micro organims in a fluidized bed reactor Microbiology 142 2187 2196 Van Lier JB Rebac S Lettinga G 1997 High rate anaerobic wastewater treatment under psychrophilic and thermophilic conditions Water Sci Technol 35 199 206 Vartak D R Ensler C R McFarland M J and Ricke S C 1997 Attached film media performance in psychrophilic anaerobic treatment of dairy cattle wastewater Bioresouorce Tech
132. ggiamento dell osservazione dei diritti umani l incremento del benessere per le fasce di popolazione meno benestanti o per rappresentare un agenda corporativa ma ci sono tantissime organizzazioni e i loro scopi coprono un ampia gamma di posizioni politiche e filosofiche Tipicamente fanno parte del movimento ecologista pacifista laburista progressista o dei popoli indigeni e non sono affiliate formalmente ad alcun partito politico o punto di vista che non siano i diritti umani la pace o l ecologia o la tolleranza Alcune ONG sono coperture di gruppi politici o religiosi ma queste hanno minore credibilit globale Le ONG di cooperazione allo sviluppo sono libere associazioni create da privati cittadini che per motivazioni di carattere ideale o religioso intendono impegnarsi a titolo privato e diretto per dare un contributo alla soluzione dei problemi del sottosviluppo principalmente quelli del Sud del mondo Queste non avendo fonti di finanziamento istituzionali ed essendo per statuto senza finalit di lucro in ragione della filosofia umanitaria e sociale che le anima realizzano le loro attivit grazie a finanziamenti esterni 51 basano comunque anche sull apporto di lavoro volontario gratuito o semigratuito offerto da membri e simpatizzanti I due caratteri essenziali per definire un organizzazione non governativa di cooperazione allo sviluppo sono quindi costituiti dal carattere privato non governativo dell associazione e da qu
133. giorno uc SV allevamento giorno 16 0096 5 096 12 0096 3 822 kg SV kg ST L biogas kg SV L biogas kg sterco i kg acqua di diluizione 75 00 350 42 95 55 Volume occupato dalla Volume totale frazione liquida L digestore L 72 Materiali e metodi Tabella 3 3 Parametri di funzionamento del 2 digestore Animali allevati Unit a regime Peso vivo per animale kg sterco su peso vivo i porcellini d India 700 1 3 00 0 03 Kg ST kg sterco pre fermentazione kg ST kg sterco kg ST allevamento giorno kg SV kg sterco 67 0096 84 60 5040 kg SV kg ST L biogas kg SV L biogas kg sterco 48 75 1024 63 5 Volume occupato dalla Volume occupato dal Volume totale k ela alimentata HRT Goa frazione liquida L biogas L digestore L 6720 6 Per determinare i parametri di dimensionamento del digestore e conseguentemente della fossa in cui verr alloggiato necessario tenere in conto 1 seguenti parametri L cupola Figura 3 4 Sezione del digestore alloggiato nella fossa Figura 3 5 Fossa di alloggiamento del digestore e consigliabile che vi sia un rapporto compreso tra 5 e 10 tra la lunghezza ed il diametro del digestore tubolare in prima approssimazione di forma cilindrica 5 lt 2 lt 10 daig e parametro di forma F della cupola gasometrica pari al rapporto tra
134. he Gesellschaft f r Technische Zusammenarbeit GTZ 1999 ISAT GTZ Biogas Digest Volume II Biogas Application and Product Development Information and Advisory Service on Appropriate Technology ISAT Deutsche Gesellschaft f r Technische Zusammenarbeit GTZ 1999 ISAT GTZ Biogas Digest Volume Biogas Costs and Benefits and Biogas Programme Implementation Information and Advisory Service on Appropriate Technology ISAT Deutsche Gesellschaft f r Technische Zusammenarbeit GTZ 1999 ISAT GTZ Biogas Digest Volume IV Biogas Country Reports Information and Advisory Service on Appropriate Technology ISAT Deutsche Gesellschaft f r Technische Zusammenarbeit GTZ 1999 184 Riferimenti bibliografici Itodo IN Agyo GE GE Yusuf P Performance evaluation of a biogas stove for cooking in Nigeria Journal of Energy in Southern Africa 2007 18 3 Kalia A K Singh S P 1996 Performance evaluation of Pragati and KVIC biogas plant in hilly regions Biogas Forum 64 6 10 Kugelman e McCarthy 1964 Cation toxicity and stimulation in anaerobic waste treatment J Water Pollut Cont Fed 1964 37 97 116 Lallai A Mura G Onnis N 2002 The effects of certain antibiotics on biogas production in the anaerobic digestion of pig waste slurry Lettinga G Van Velson A F M Hobma S W De Zeeuw W Klapwijk A 1980 Use of upflow sludge blanket reactor for biological wastewater treatment especially for anaero
135. i la resistenza alla trazione minore e la resilienza maggiore Inoltre siccome le sue molecole sono impaccate meno strettamente e sono meno cristalline per le ramificazioni laterali la sua densit minore e Resistenza eccellente non subisce attacchi a soluzioni diluite e concentrate di acidi alcoli basi ed esteri e Buona resistenza attacchi minori ad aldeidi chetoni ed oli vegetali e Resistenza limitata attacchi moderati adatti solo per utilizzi a breve termine ad idrocarburi alifatici ed aromatici oli minerali ed agenti ossidanti Resistenza scarsa agli idrocarburi alogenati non se ne raccomanda l uso 65 Materiali e metodi Polistirene am H H n Il polistirene chiamato polistirolo da molti anche se erroneamente il polimero dello stirene un polimero aromatico termoplastico dalla struttura lineare A temperatura ambiente un solido vetroso al di sopra della sua temperatura di transizione vetrosa circa 100 C acquisisce plasticit ed in grado di fluire comincia a decomporsi alla temperatura di 270 C Il polistirene espanso si presenta in forma di schiuma bianca leggerissima spesso modellata in sferette o chips e viene usato per l imballaggio e l isolamento L espanso trova ampio uso nella produzione di imballaggi Inoltre essendo un isolante termico molto usato in edilizia per l isolamento degli edifici e nella realizzazione di pannellature isolanti o per il cosiddetto isolament
136. i consiste nella fermentazione dei monomeri organici A partire da amminoacidi e zuccheri risultato della degradazione delle proteine e dei carboidrati vengono prodotti in rapporti diversi sia acidi grassi volatili in particolare propionico butirrico valerico sia acido acetico Invece a partire dagli acidi grassi a lunga catena originatisi dalla degradazione dei lipidi viene prodotto soltanto acido acetico questa reazione quindi non prende propriamente parte in questa fase ma direttamente in quella successiva di acetogenesi La cinetica della crescita batterica netta dei batteri acidogeni descritta da una classica espressione di Monod Le cinetiche da utilizzare dovrebbero essere differenziate per i batteri che utilizzano carboidrati o amminoacidi tuttavia pu essere in via semplificativa assunta una sola cinetica per entrambi Gujer e Zehnder 1983 22 Digestione anaerobica di reflui zootecnici La cinetica di degradazione del substrato descritta dalla seguente equazione Malpei e Gardoni 2007 T ops Ij X mentre la crescita di nuova biomassa descritta dal seguente modello di Monod Malpei e Gardoni 2007 CUR ks tS ka is In entrambe le relazioni e d rappresenta il tasso massimo di rimozione del substrato e S g m rappresenta la concentrazione dei monosaccaridi e o degli amminoacidi e ks g m costante di semisaturazione e tiene conto di eventuali inib
137. i dai batteri Mentre alcuni composti semplici solubili non richiedono idrolisi la maggior parte dei residui organici composta da materiale in forma particolata o colloidale e richiede quindi una prima fase di disgregazione a macro composti lipidi proteine e carboidrati Quindi sostanze come lipidi carboidrati e proteine sono convertite rispettivamente in molecole di dimensioni minori come acidi grassi a catena lunga monosaccaridi e amminoacidi L idrolisi rappresenta solitamente lo stadio limitante dell intero processo di digestione L azione principale svolta da enzimi extra cellulari exoenzimi prodotti da batteri idrolitici anaerobi facoltativi La tipologia di enzimi predominante in ambiente anaerobico quella legata alla molecola di substrato i batteri aderiscono alla molecola di substrato producono gli enzimi e successivamente utilizzano i substrati solubili prodotti Vavilin et al 1996 La fase di idrolisi solitamente espressa con una cinetica del primo ordine Eastman e Ferguson 1981 r K Xs dove e r iltasso di idrolisi del substrato g concentrazione di particolato g m K lacostante di idrolisi 4 Essa rappresentativa di tutte le reazioni biochimiche e i fenomeni fisici di trasporto e diffusione coinvolti nel processo L idrolisi pi lenta quella dei lipidi seguono in ordine decrescente quella della proteine e quella dei carboidrati 2 2 2 Acidogenesi L acidogenes
138. i di altro volume di stoccaggio Nell ottica a lungo termine di poter impiegare il biol come fertilizzante fogliare per la fertirrigazione quindi con l idea di conservare le sue propriet si ipotizza un periodo di stoccaggio massimo di una settimana Conseguentemente come si evince dai calcoli sotto riportati si rende necessario l acquisto di 4 contenitori ulteriori Produzione teorica di biol 4 120 giorno Produzione teorica di biol 5 84 giorno Volume utile di ogni cilindro 200 L Tempo di stoccaggio 7 giorni Volume di biol 4 prodotto in 7 giorni 120 7 giorni 840 L 4cilindri giorno Volume di biol 72 prodotto 7 giorni 84 7 giorni 588 L 3cilindri giorno Chiaramente le frazioni liquide del digestato raccolte da ciascun digestore vanno tenute separate 5 Misurazione del potere calorifico del biogas prodotto Per la determinazione di questo parametro si porteranno ad ebollizione 2 litri di acqua in un recipiente impiegando rispettivamente il biogas prodotto da ciascun digestore Si misurer la temperatura dell acqua prima e dopo ebollizione e quindi l incremento AT misurato in gradi Kelvin cosi sar possibile calcolare il calore assorbito dal liquido Contestualmente verr misurato tramite il contatore il volume di biogas consumato Il potere calorifico espresso MJ m sar calcolato mediante le seguenti relazioni energia termica liberata Q
139. i di solidi quali i RSU o la FORSU ed possibile anche nel caso della digestione di sole colture energetiche Grazie al minor contenuto d acqua nel reattore possibile operare a maggiori carichi volumetrici fino a circa 10 kgSV m 4 Balzonella et al 2006 da cui conseguono minori volumetrie e quindi costi di realizzazione Inoltre grazie al fatto che nella digestione a secco non si realizza la separazione delle fasi si evitano i conseguenti problemi di presenza di croste sulla superficie o di sostanze sedimentate sul fondo del reattore che determinano una diminuzione del volume effettivo del reattore Nei sistemi a secco sono maggiormente utilizzati i reattori di tipo plug flow per una serie di motivi quali la maggior facilit di movimentazione del materiale le pi elevate cinetiche il minor rischio di cortocircuiti Lo svantaggio dei processi a secco consiste nella necessit di sistemi pi robusti e quindi pi costosi per la movimentazione e digestione del substrato Lissens et al 2001 richiedendo particolari sistemi di pompaggio e miscelazione Inoltre la mancanza di acqua di diluizione minimizza la possibilit di diluire l eventuale presenza di sostanze inibenti o carichi organici troppo elevati che possono sbilanciare il processo verso la fase acidogena Digestione a umido La digestione a umido si applica ai substrati aventi concentrazioni di secco inferiori a 10 12 all interno dei quali rientrano 1 reflui zootecnici
140. i esterne e l ambiente Agony e Trasferimento di calore convettivo tra la cupola della geomembrana e il biogas in essa contenuto Acony _p 4 10 Trasferimento di calore conduttivo tra il suolo e lo slurry L ultima modalit con cui viene trasmesso calore tra le parti del sistema la conduzione In particolare secondo le ipotesi introdotte tale fenomeno si registra solamente tra il suolo circostante la fossa di alloggiamento e lo slurry contenuto nel reattore tubolare La formulazione la seguente Qi j Ai j T Tj Dove e Aj j la superficie di contatto tra il materiale i e il materiale j heond rappresenta il coefficiente di trasferimento conduttivo tra i due materiali 116 Analisi termica dell impianto semplificato di digestione anaerobica Nel caso in cui 1 materiali tra cui avviene lo scambio termico siano separati da una interfaccia costituita da un solo mezzo isolante il coefficiente di trasferimento conduttivo assume la seguente forma h _ kisoi condj j 7 disol Dove Kiso e rappresentano rispettivamente la conduttivit termica e lo spessore del material isolante Nel caso in esame tuttavia si in presenza di uno strato isolante composito ovvero formato da diversi materiali ciscuno con il relativo spessore Tabella 4 6 Isolamento tra suolo circostante la fossa di alloggiamento e slurry contenuto nel reattore Materiale isolante Simbo
141. i metanigeni e produzione di biogas ricco in CO ma non in metano Fase metanigena e diminuzione della concentrazione di innalzamento del valore di pH 7 8 favorisce la crescita dei batteri metanigeni e produzione di biogas ricco in metano 2 3 6 Acidi grassi a catena lunga Gli acidi grassi a catena lunga sono 1 prodotti di degradazioni dei lipidi essi vengono poi ulteriormente degradati ad acido acetico ed idrogeno dai batteri acetogeni Effetti di inibizione si possono presentare a basse concentrazioni per i batteri Gram positivi e non per i batteri Gram negativi Chen et al 2008 La tossicit dovuta all assorbimento degli acidi organici nella parete cellulare 11 quale interferisce con il trasporto e o le funzioni di protezione della cellula 2 3 7 Composti tossici Oltre agli elementi gi citati pH ammoniaca acidi volatili idrogeno solforato vi sono numerose altre sostanze che esercitano una azione tossica nei confronti dei batteri anaerobici e metanigeni in particolare 29 Digestione anaerobica di reflui zootecnici Sostanze come 1 metalli pesanti zinco rame piombo cadmio posso esercitare un effetto inibente sull attivit dei microrganismi se presenti in determinate concentrazioni A basse concentrazioni invece favoriscono il metabolismo dei batteri poich fungono da micronutrienti Non esistono limiti di concentrazioni che definiscano univocamente la soglia di tossicit poich l inibiz
142. i solfati eventualmente presenti a H2S ossidando gli acidi organici a CO o l idrogeno ad acqua I secondi riducono i nitrati ad o Tiedje 1988 Entrambi questi gruppi operano in competizione con i processi riportati in Figura 2 1 e comportano quindi una certa riduzione del potenziale di produzione di biogas Tale riduzione generalmente trascurabile a meno che si tratti di substrati particolarmente ricchi di questi composti L idrogeno solforato in forma indissociata per contro esplica una azione inibente nei confronti dei metanigeni a concentrazioni molari dell ordine di 0 002 0 003 Speece 1996 19 Digestione anaerobica di reflui zootecnici 100 COD PARTICULATE ORGANIC MATERIAL PROTEINS CARBOHYDRATES LIPIDS HYDROLYSIS iA 18 39 10 21 40 5 34 AMINO ACIDS SUGARS FATTY ACIDS FERMENTATION 66 34 3 ANAEROBIC OXIDATION 20 0 INTERMEDIARY PRODUCTS PROPIONATE BUTYRATE METHANE 100 COD Figura 2 1 Flusso di massa del COD particolato La biodegradazione anaerobica inoltre regolata da una serie di processi di tipo chimico fisico non mediati quindi dalla popolazione batterica La conoscenza di questi equilibri e la loro quantificazione hanno una grande importanza perch essi determinano condizioni che influiscono sulla biodegradazione pH concentrazione di ed in fase liquida maggiori minori effetti di inibizione causati dalla presenza di ammoniaca
143. icamente per quanto riguarda la potenzialit a fornire azoto per la crescita delle colture L alta concentrazione di azoto ammoniacale presente nel digestato comporta tuttavia la necessit di distribuzione in pre semina con immediato interramento per limitare le perdite di volatilizzazione dell ammoniaca Il digestato tal quale in uscita dall umpianto di digestione anaerobica andrebbe preferibilmente sottoposto ad un processo di separazione solido liquido La frazione liquida pu essere utilizzata per fertirrigazione avendo tale frazione caratteristiche simili a quelle di un concime di sintesi a pronto effetto mentre la frazione solida deve essere gestita come un effluente di allevamento con un immediato interramento a seguito della distribuzione La diversificata gestione dei due sottoprodotti frazione liquida e solida consente di ottenere migliori risultati agronomici favorendo una migliore utilizzazione dell azoto da parte delle colture e di conseguenza la sua minore potenziale dispersione nell ambiente 52 Digestione anaerobica di reflui zootecnici 90 N or Separato nig 12251210 Digestato Liquido 38 TE 38 Zo N NH4 72 Norg N NH4 N NH4 62 62 36 3 10 9 Separato N Solido 637 Figura 2 5 Variazione della composizione relativa dei composti azotati durante il processo di digestione anaerobica 2 10 Abbattimento dei cattivi odori L emissione di molecole odorigene in attivit pro
144. iceti e consorzi misti contribuiscono ad un incremento nel range di 8 4 44 a partire da sterco di bestiame Tirumale e 1994 Attar et al 1998 Tutti 1 ceppi mostrano una gamma di attivit di tutti gli enzimi coinvolti nella idrolisi della cellulosa Geeta et al 1994 hanno trovato che la bagassa della canna da zucchero pretrattata con Phanerochaete chrysosporium per 3 settimane in condizioni di temperatura ambiente produce pi biogas che le deiezioni bovine 2 5 3 Inoculo di biomassa nel digestore e ricircolo del digestato E spesso necessario introdurre un di biomassa batterica all interno del digestore avviare il processo di fermentazione anaerobica Generalmente l inoculo costituito da reflui pre digeriti oppure dai contenuti stomacali del bestiame in particolare il contenuto del rumine dei bovini estremamente ricco di popolazioni batteriche metanigene L inoculo tende a migliorare sia la resa di produzione di biogas che la composizione in termini di metano inoltre consente una riduzione del tempo di ritenzione idraulica Il ricircolo del liquame digerito con sterco fresco potrebbe aiutare a superare il problema di impianti sotto alimentati cosi come a mantenere la produzione di biogas pi elevata nella stagione invernale In compenso si presentano altri problemi come la precipitazione di substrato aumento dell acidit alcalinit e la tossicit da ammoniaca Brummeler et al 1992 hanno sug
145. identi complicazioni pratiche fanno di questo aspetto una considerazione puramente teorica 5 2 Radiazione solare assorbita dalle diverse superfici costituenti il sistema Vengono di seguito riportati 1 grafici di radiazione solare assorbita su base giornaliera per le diverse superfici costituenti il sistema I giorni presi in esame sono 12 Febbraio ultimo giorno della stagione estiva australe in cui al mezzogiorno il Sole si trova a Sud 13 Febbraio primo giorno della stagione estiva australe in cui al mezzogiorno il Sole si trova a Nord e 2 Marzo equinozio di autunno australe in cui il di e la notte hanno pari durata 12 ore vedi Grafico 5 7 e 21 Giugno solstizio di inverno australe giorno in cui la durata del di raggiunge il suo minimo 22 Settembre equinozio di primavera australe 28 Ottobre ultimo giorno della primavera australe in cui il Sole al mezzogiorno si trova a Nord 29 Ottobre primo giorno della primavera australe in cui il Sole al mezzogiorno si trova a Sud 22 Dicembre solstizio d estate australe giorno in cui la durata del di raggiunge il suo massimo Per ciascune delle suddette date in Allegato A2 riportato il percorso solare Dapprima con il Grafico 5 3 viene riportato l andamento della radiazione su tutti i giorni presi in esame per tutte le parti del sistema considerate al fine di mostrare le evidenti differenze sia in funzione del periodo che della superficie
146. igestore di tipo continuo Digestori continui sono preferibili quando il substrato ha gi una quantit elevata di umidit come nel caso deiezioni animali mentre i batch sono preferibili in caso di digestione a secco contenuto di solidi totali superiore al 25 3 2 2 Tipo di flusso Nel digestore tubolare in materiale plastico i reflui si muovono con un flusso di tipo pistone Idrolisi e acidogenesi del substrato si verificano principalmente all inizio del digestore mentre la produzione di metano va aumentando lungo il reattore In un digestore tubolare la concentrazione del substrato massima in prossimit dell ingresso per andare diminuendo lungo il digestore In digestori completamente miscelati come i modelli cinesi e indiani la concentrazione del substrato invece uniforme in tutto il reattore Alcune reazioni come l idrolisi presentano una velocit che aumenta proporzionalmente alla concentrazione del substrato e a questo proposito il flusso a pistone preferibile Il modello plug flow evita anche la possibilit di corto circuito del residuo tra ingresso e uscita e nel caso in cui l influente contenga eccezionalmente qualsiasi sostanza tossica la diffusione della tossicit sar inferiore evitando cos di inibire tutta la biomassa batterica come nel caso di un digestore completamente miscelato Il rapporto lunghezza diametro L d solitamente fra 3 1 e 10 1 Un PTD eccessivamente stretto non consente
147. igestore verr a regime utilizzato per la produzione di energia elettrica per questo sar possibile valutare la sola produzione del primo digestore tramite la seguente relazione 91 Materiali e metodi Produzione Consumo 142 Produzione 7 Consumo generatore elettrico A termine della cena si dovranno svuotare completamente 1 gasometri e solo dopo tale operazione sar possibile effettuare una lettura dei contatori che sia effettivamente rappresentativa del consumo giornaliero Gasometro del 1 biodigestor Medidor del consumo de biogas de los dos 9 biodigestores Medidor de la production de biogas del 2 biodigestor Generador de energia electrica de 800 W Figura 3 39 Schema del sistema di tubazioni di convogliamento del biogas per entrambi i digestori 3 Misurazione del pH per verificare il corretto funzionamento del processo di digestione anaerobica Si dispone che venga misurato settimanalmente il pH dell ingestato miscela di sterco con acqua e della frazione liquida del digestato di entrambi i digestori Il pH della miscela deve essere misurato giusto prima di alimentarla il pH del biol sarebbe opportuno misurarlo dopo aver caricato la miscela ed essere sicuri che il biol fresco sia uscito da ambo i digestori questo potrebbe avvenire all incirca per le 12 30 quando la temperatura e l attivit batterica raggiongono il loro apice 4 Oltre al pH necessario misurare il volume di biol prodot
148. igestori a cupola mobile sono normalmente realizzati in calcestruzzo e acciaio mentre quelli a cupola fissa sono costruiti con vari materiali disponibili come per esempio mattoni I digestori tubolari invece sono fabbricati con pellicole di polietilene Anche se in teoria qualsiasi tipo di biomassa pu essere degradata a biogas la crescita vertiginosa nella tecnologia di produzione di biogas in Cina e in India si basata sul letame suino e su quello bovino rispettivamente Lo sterco dei bovini particolarmente adatto come substrato per la presenza di batteri metanigeni negli stomaci dei ruminanti La produzione di biogas per rifornire una famiglia di cinque membri con due pasti cucinati al giorno di 1500 2400 L ISAT GTZ 1999 Prendendo il valore inferiore come riferimento ci indicherebbe un apporto minimo derivante da e un suino e cinque mucche e 130 polli e 35 persone Un rapporto carbonio azoto tra 20 e 30 stato individuato per la produzione di biogas con una composizione ottimale das Neves et al 2009 Substrati con eccessivo carbonio azoto possono causare scarse prestazioni ed una produzione di biogas con un contenuto elevato di anidride carbonica Paglia e urina sono esempi di risorse di biomassa con alto tenore di carbonio e azoto rispettivamente Specialmente in Europa c stato interesse per le colture energetiche coltivate come substrati Queste includono il mais Zea mays segale Secale cereale tritic
149. il baratto di prodotti Il mondo della cooperazione internazionale Leyenda L mite departamental TU Pw L mite provincial RIONE Carretera en proyecto Carretera afirmada Carretera pavimentada Ferrocarril 13 Capital departamental Capital de provincia Otras poblaciones 35 km 22 AREQUIPA p 2 af gt ey 2 n 22 nan Ea Figura 1 1 Carta politica dell Apurimac 10 Il mondo della cooperazione internazionale Attualmente questo dipartimento sta sviluppando il progetto las Bambas mining situato nella Provincia di Cotabambas che sar pienamente operativo nell anno 2014 l anno in cui questo dipartimento del Per uno dei pi poveri ricever le tasse di licenza mineraria con la quale si prevede di migliorare il tenore di vita della popolazione in questa parte dimenticata del Per Il paesaggio apurime o cos contrastante ed estremo pu essere condensato in due parole bellezza e sfida Anche se storicamente con il suo isolamento in tempi moderni con i cambiamenti nei valori e preoccupazioni ambientali il paesaggio si trasforma in un attributo con un grande potenziale economico Montagne fiumi e altopiani rappresentano una risorsa che pochi posti al mondo possiedono e dovrebbero trasformare quello che fino ad ora sono stati una sorta di ostacolo alla loro integrazione in una delle sue principali fonti di ricchezza
150. ilimento delle condizioni di pH di alcune settimane In questo caso mentre l attivit metanigena si ferma la produzione di acidi grassi volatili continua La produzione di acidi grassi volatili pu abbassare il pH durante la digestione anaerobica questo abbassamento contrastato dall alcalinit in entrata e da quella prodotta dai batteri metanigeni Il pH ottimale per il processo di produzione di biogas 7 8 4 se questo aumenta o diminuisce 1 pu avere un inibizione dell intero processo All effetto proprio sul metabolismo dovuto al pH si somma anche l effetto dovuto allo spostamento degli equilibri degli acidi organici verso la forma indissociata a pH acidi Queste forme possono attraversare passivamente la membrana cellulare dissociarsi all interno della cellula e compromettere cos l omeostasi Tra questi in particolare la forma indissociata dell H2S la causa di molti fenomeni di tossicit e inibizione Speece 1996 Per quanto detto quindi molto importante in un processo a piena scala controllare e prevenire fenomeni di instabilit e riduzione del pH sia evitando sovraccarichi sia controllando frequentemente non solo il valore di pH ma anche il rapporto tra alcalinit ed acidi volatili presenti pi indicativo di buoni condizioni del processo del solo pH Per la digestione dei fanghi tale valore raccomandabile non scenda sotto 3 5 gCaC03 gCH3C00H 1997 27 Digestione anaerobica di ref
151. in PVC chiaramente con le seguenti differenze e Il volume di ciascun serbatoio sar pari al volume dell ingestato alimentato giornalmente e La lunghezza massima del singolo serbatoio non potr eccedere la met della longitudine della parete Sud Non parsa ragionevole l implementazione degli scenari alternativi suggerendo tale analisi in termini di proposta di miglioramento da valutare quand ora il modello termico sia perfezionato Le motivazioni che hanno spinto verso tale decisione sono molteplici e Limiti del modello riscontrati durante la fase di calibrazione e Dubbi sulla reale efficacia del provvedimento o L installazione dei tubi in PVC all interno della serra agevolerebbe il riscaldamento dell ingestato che assorbirebbe una determinata quantit di energia proveniente dal Sole e dalle superfici interne alla serra stessa Tuttavia diminuirebbe inevitabilmente di una pari quantit l energia che nello scenario di funzionamento attuale raggiunge le superfici interne compresa la geomembrana Pertanto all effetto positivo di pre riscaldo si aggiungerebbe un effetto negativo di riduzione dell apporto energetico 157 Analisi dei risultati e conclusioni verso la geomembrana e quindi verso lo slurry contenuto nel reattore Allo stato attuale il modello termico non stato considerato in grado di apprezzare quantitativamente quale dei due fenomeni prevalga poich vi sarebbe il rischio di incorrere in erronee conclusi
152. inconvenienti si ricorre spesso ad un tipo di reattore con poche esigenze operante sull intero effluente senza alcun pretrattamento e con tempi di ritenzione dei solidi abbastanza lunghi da consentire una discreta riduzione del contenuto di solidi digeribili In genere viene impiegato un reattore di tipo plug flow costituito da una vasca dotata di opportuni setti per aumentare il rapporto lunghezza larghezza del percorso adeguatamente coperta per il recupero del biogas Tabella 2 5 Caratteristiche chimiche principali dei liquami di origine suina e bovina valori medi e variabilit Fonte CRPA Caratteristiche Liquami suini Liquami bovini indicative Valore medio Intervallo Valore medio Intervallo Sostanza secca ST 96 44 28 60 8 2 57 107 Sostanza organica SV 70 63 77 73 64 82 96 ST Azoto totale ST 8 0 6 3 9 7 4 7 2 8 6 6 43 Digestione anaerobica di reflui zootecnici Tabella 2 6 Coefficiente di produzione su base annua e per unit di peso vivo dell animale Fonte CRPA 25 Liquami suini Liquami bovini Coefficiente di Su a produzione uantit OSTIA uantit Lira Q stabulativa Q stabulativa Stabulazione Pavimentazione m deiezioni anno t parzialmente o libera su 37 44 20 33 fessurato peso vivo totalmente cuccette senza fessurata 3 uso di paglia Rimozione con Stabulazione m deiezioni anno t 55 73 acqua 9 16 liber
153. inicoli I reflui provenienti dagli allevamenti suinicoli sono costituiti dagli escrementi e dalle urine degli animali allevati diluiti nelle acque impiegate per le pulizie dei locali di allevamento A questi si aggiungono residui di alimenti peli paglie sostanze impiegate per la disinfezione e detergenti Le caratteristiche quantitative e qualitative di questi reflui variano in misura considerevole da allevamento ad allevamento in funzione del tipo di allevamento suino leggero suino pesante riproduttori ecc dei sistemi di pulizia impiegati grigliati lavaggi con ribaltine e con getti d acqua in pressione ecc dalle dimensione numero di capi allevati e dalla composizione della popolazione animale diverse razze diverse et diverso tipo di destinazione del suino ecc dall et degli animali e dal tipo di alimentazione a secco in umido diversi tipi di mangime ecc A causa di questo grande numero di variabili non possibile dare una descrizione generale abbastanza precisa delle quantit del refluo scaricato da una porcilaia e della sua composizione Per quanto riguarda la concentrazione dei solidi totali negli escrementi uniti alle urine essa varia dal 6 7 utilizzando un alimentazione umida al 16 18 con un alimentazione a secco In ogni caso essi vengono ulteriormente diluiti dalle acque impiegate per la pulizia che varia moltissimo a seconda dei sistemi adottati ed in media si aggira attorno ai 10 20 litri al giorno
154. interna al digestore Vai gestore 1 5 biogas prodotto lt V gasometro lt 4 75 Materiali e metodi 3 4 Fasi costruttive di un digestore tubolare plug flow di basso costo 3 4 1 Ubicazione La cosa migliore sarebbe individuare un luogo molto soleggiato nei pressi delle stalle per facilitare le operazioni di trasporto e carico della miscela dal punto di stoccaggio fino al pozzetto di alimentazione e sufficientemente vicino alla cucina per limitare l utilizzo di tubi in PVC per convogliare il biogas Se si desidera alimentare il digestore direttamente dalla zona di stoccaggio del substrato bisogna prevedere un dislivello topografico di almeno 1 5 metri tale da consentirne il deflusso con una adeguata cadente considerando la elevata viscosit dell ingestato Inoltre sarebbe opportuno installare il pozzetto di raccolta della frazione liquida del digestato biol nelle vicinanze delle coltivazioni che potranno beneficiare della fertirrigazione Il luogo destinato ad ospitare il digestore deve essere caratterizzato da una topografia ed una composizione degli strati superficiali di terreno che consentano un rapido assorbimento ed allontanamento dell acqua piovana particolarmente abbondante nel periodo che va da Gennaio ad Aprile In caso contrario sar utile predisporre un sistema di drenaggio alla base delle pareti di sostegno della struttura in cui sar alloggiato il digestore Altro aspetto importante ai fini della durabilit
155. ionare e rimuovere la coperta di nylon Sarebbe altresi importante l analisi di dettaglio dei singoli contributi di dissipazione del calore per ciscuna delle forme di trasmissione coinvolte Conduzione con il suolo e Convezione forzata con l aria ambiente e Irraggiamento del lato esterno delle superfici della serra In questo modo si potrebbe ottimizzare il materiale isolante impiegato ed eventualmente considerare l opportunit di estendere la copertura in nylon anche alle pareti stesse 5 6 3 Modifiche del disegno e dello schema di impianto Oltre alla analisi dello stato di fatto come precedentemente descritto questo studio si prefigge di suggerire ed analizzare la possibilit di implementazione di scenari alternativi Di seguito vengono riportati 2 diverse tipologie di soluzione impiantistica applicabile 1 Implementazione di un sistema di tubazioni in PVC all interno della serra dimensionati al fine di alimentarvi quotidianamente l ingestato per una fase di pre riscaldo della miscela sterco suino con acqua di lavaggio in rapporto 1 3 Tale materiale dovr essere successivamente introdotto all interno del reattore PTD plastic tubular digester con schema di funzionamento plug flow ad un orario opportunamente scelto in funzione della massima temperatura raggiungibile all interno dei tubi e delle tempistiche delle reazioni biologiche al fine di garantire ed incrementare la produzione giornaliera di biogas dell impianto Sar
156. ione spesso frutto di un insieme di fattori azione sinergica con altre sostanze temperatura pH grado di adattamento della biomassa Altre sostanze con effetti inibitori sono solventi sostanze alogenate chetoni pesticidi ecc Mata Alvareze 2004 Determinante ai fini dell effetto inibente in termini di attivit metanigena stato sperimentato essere il tempo di esposizione L attivit metanigena pu quindi essere rapidamente stabilizzata con una rapida rimozione del tossico dalla biomassa attuabile soprattutto in reattori plug flow Speece e Parkin 1986 Per alcuni tossici come l ammoniaca l idrogeno solforato il sodio i fenoli o il cloroformio stata verificata la possibilit di acclimatamento della biomassa dosando quantitativi crescenti e intervallati delle sostanze Con un sistematico acclimatamento possibile aumentare la concentrazione tossica di alcune sostanze fino a 10 volte Speece 1996 Nel caso della digestione di liquami zootecnici un effetto inibente pu essere provocato oltre che dai metalli dagli antibiotici Esistono differenti tipologie di antibiotici molte delle quali possono essere espulse ancora attive dagli organismi a cuivengono somministrati tali sostanze si ritroveranno quindi nei liquami Lallai et al 2002 hanno condotto ricerche e sperimentazioni valutando l effetto di specifici antibiotici quali la Amoxicillina e il Tiofenicolo sulla produzione di biogas da un liquame
157. ione costante della sostanza considerata Tip la temperature di riferimento a cui stato calcolato il valore del calore specifico a volume pressione costante utilizzato 25 C Ting la temperatura dell ingestato posta pari alla temperatura di bulbo umido calcolata con la formula di Jeevananda e Reddy 0 45 0 006 u Fn Tine T bulbo umido 1060 Dove T la temperatura dell aria ambiente l umidit relativa dell aria e p la pressione atmosferica del sito espressa in hPa Dalla precedente relazione possibile ricavare la temperatura T del contenuto del reattore m Us B Se 1 US PCSgs 5 Mes CVs MsL B Cys T Cv jo 120 Analisi termica dell impianto semplificato di digestione anaerobica 4 12 Calcolo dei bilanci energetici per le singole parti del sistema semplice procedimento per approssimare un sistema dinamico continuo con uno discreto quello di Eulero Le soluzioni del sistema discreto cosi ottenuto approssimano le soluzioni del sistema continuo in un senso che pu essere reso rigoroso con la nozione di convergenza uniforme La differenza tra i due cio l errore di discretizzazione una funzione rapidamente crescente con il passo per cui la potenza di calcolo richiesta per ottenere soluzioni accurate notevole Nell algoritmo di calcolo implicito si utilizza un meto
158. ione di biogas arrecando evidenti disagi alla famiglia che vive presso la Granja Alfacancha La fase di avviamento di un digestore anaerobico semplificato ha una durata dello stesso ordine di grandezza dell HRT In ultima analisi merita di essere fatto un appunto legato alla fattibilit economica di questi impianti Al momento difficile radicare questa nuova tecnologia rinnovabile nella comunit apurimefia poich l economia della regione sta subendo un brusco cambio di rotta da quella che era una vocazione agricola la popolazione sta migrando verso il settore minerario che garantisce una paga fissa e cospicua Esistono combustibili alternativi alle biomasse legnose come per esempio le bombole di GPL che possono essere acquistate ad una modica cifra e che non implicano il lavoro in fattoria Semina irrigazione raccolto di frutta e ortaggi Cura degli animali stabulati e Raccolta del refluo e Attivit connesse all impianto di digestione anaerobica Queste sono solo alcune delle attivit di routine del campesino tipo che decide di munirsi di un impianto PTD Risulta pertanto evidente che per risultare pi appetibile tali impianti debbano garantire efficienze elevate e una sempre meno onerosa gestione Solo cos il costo del tempo e del lavoro verrebbe ammortizzato In aggiunta andrebbe analizzato il modo migliore per la valorizzazione dei sottoprodotti generati dal processo al fine di generare una forma di guadagn
159. ipartimentale La penetrazione di prodotti industrializzati contenitori usa e getta imballaggi pubblicit implica un sostanziale aumento nella produzione di rifiuti la cui raccolta trattamento e stoccaggio scarso o quasi inesistente quindi comune vedere accumuli di immondizia nei pressi o addirittura dentro le citt stesse A poco a poco la presenza di rifiuti in plastica associata alla mancanza di coscienza civica deficit educativi e la mancanza di interesse da parte delle autorit su questo problema si andata diffondendo anche in zone rurali remote permettendo che praticamente non ci siano pi luoghi esenti da contaminanti Non essendo in progetto discariche attualmente la raccolta e lo stoccaggio di rifiuti ospedalieri chimici batterie ed esplosivi e sostanze infiammabili avvengono in maniera parziale ed incontrollata Oltre all inquinamento chimico questo comporta un rischio di infezione e intossicazione o avvelenamento Figura 1 3 Cumulo di rifiuti plastici nello scenario montano andino 12 Il mondo della cooperazione internazionale Le acque reflue non ricevono alcun trattamento e sono scaricate direttamente nei corsi d acqua superficiali che si riversano nei fiumi lagune e paludi Ci induce l inquinamento delle fonti di acqua potabile e dell abbeveraggio di bestiame con la conseguente trasmissione di parassiti e la diffusione di malattie gastrointestinali cutanee e oculari Questo facilita anche l
160. ivit svolta all estero ha contribuito ad incrementare le conoscenze tecniche e la consapevolezza della realt culturale economica e sociale in cui il progetto si inserisce grazie al lavoro svolto in affiancamento al personale locale sia tecnico che non specializzato gi operativo sul territorio con l obiettivo di instaurare un diagolo interdisciplinare e multi culturale finalizzato ad un mutuo scambio ed arricchimento sia in termini personali che in relazione al progetto stesso In particolare sono stati definiti i seguenti obiettivi di carattere prioritario e Miglioramento del disegno dell impianto sia in termini di dimensionamento che di scelta dei materiali considerando prioritario l impiego di prodotti economicamente ed ambientalmente sostenibili reperibili sul territorio e Valutazione di soluzioni impiantistiche di basso costo alternative all attuale schema di funzionamento con l obiettivo di ottimizzare i parametri di processo con particolare attenzione alla temperatura la quale deve essere incrementata e mantenuta entro un ristretto range di variabilit per favorire le cinetiche metaboliche delle popolazioni batteriche coinvolte Figura 1 6 Azienda agricola Granja Alfacancha a Vilcabamba 17 Digestione anaerobica di reflui zootecnici 2 Digestione anaerobica di reflui agro zootecnici 2 1 Introduzione al processo La digestione anaerobica DA un processo biochimico che in assenza di ossigeno porta al
161. izioni concentrazione della biomassa acidogena g e rappresenta il tasso massimo di crescita specifico della biomassa e ka d il tasso di scomparsa della biomassa L acidogenesi un processo microbiologico in cui i composti organici funzionano sia da donatori che da accettori di elettroni Esistono inoltre diversi possibili percorsi di degradazione per uno stesso composto Le principali reazioni di degradazione del glucosio C H 206 utilizzato come esempio di monomero sono e acido acetico CgH 0g 290 2CH3COOH 2 4 e acido propionico 2 gt 2CH3CH2COOH 2H20 e acido acetico e propionico 3C6H1306 gt 4CH3CH C00H CH3 C00H 2C0 2H30 e acido butirrico CH3CH5CH COOH 2 2H5 e acido lattico gt 2CH3CHOHCOOH 2 2H2 e etanolo 20 2CH3CH2OH 2C0 Per quanto riguarda gli amminoacidi la loro fermentazione dipende dalla struttura originaria delle proteine ed esistono due principali processi il primo denominato fermentazione di Stickland prevede l ossidazione di un amminoacido accoppiata alla riduzione di un altro e avviene pi rapidamente il secondo invece prevede l ossidazione di un singolo amminoacido con ioni idrogeno o anidride carbonica come accettori esterni di elettroni 23 Digestione anaerobica di reflui zootecnici 2 2 3 Acetogenesi Durante questo processo sia gli acidi grassi a lunga catena provenienti dalla
162. l interno del digestore L implementazione sinergica su entrambi i fronti potrebbe di gran lunga migliorare le rese produttive e la stabilit del processo di digestione anaerobica Oltre agli aspetti strettamente legati alla trasmissione del calore l incremento delle rese di produzione di biogas pu essere ottenuto tramite una corretta scelta dei materiali impiegati riguardo bene ricordare che per la natura stessa del progetto di cooperazione allo sviluppo la tecnologia trasmessa alla comunit deve essere il pi possibile replicabile attraverso l utilizzo di materiali facilmente reperibili sul territorio e o di basso costo Ovviamente tutte queste congetture ingegneristiche non possono prescindere da una adeguata formazione che deve essere impartita e successivamente trasmessa e diffusa da pari a pari all interno della comunit al fine di ridurre al minimo quelli che possone essere errori gestionali evitabili Presso l impianto di Vilcambamba per esempio capitato che inavvertitamente il personale addetto alla alimentazione dell ingestato caricasse il reattore con refluo di suino vaccinato Un tale errore derivante da una incomprensione di 160 Analisi dei risultati e conclusioni fondo o da una mancata comunicazione ha comportato un brusco abbattimento della biomassa attiva nel reattore la quale stata integrata inoculando il contenuto dei rumini bovini e quindi ha determinato un arresto della produz
163. l azione di numerosi ceppi batterici con vie metaboliche spesso indipendenti consentono di degradare un ampia gamma di composti organici Presentano valori di ks elevati e quindi le velocit di rimozione di crescita si riducono quando siano richieste basse concentrazioni effluenti Non quindi consentito ottenere concentrazioni di substrato molto ridotte allo scarico Per ovviare si pu procedere ad una configurazione a stadi Si basa sull azione di ceppi batterici specifici in sequenza capaci di utilizzare una ristretta gamma di composti organici Processi pi sensibili alle condizioni operative Elevata dipendenza da condizioni di temperatura e pH conseguenti alla fase acidogena aggiunta di agenti basificanti Il coefficiente di resa cellulare Y molto pi elevato di circa un ordine di grandezza per i processi aerobici rispetto a quelli anaerobici A parit di substrato rimosso la produzione di biomassa e quindi assai maggiore nel processo aerobico Ne consegue una pi rapida fase di avviamento dei processi aerobici In seguito la maggior produzione di biomassa si traduce nella necessit di maggiori estrazioni di fango di supero con maggiori alimentazioni della linea fanghi 33 Digestione anaerobica di reflui zootecnici Tabella 2 3 Elementi per la scelta tra depurazione aerobia e anaerobica di reflui biodegradabili Elementi per la scelta tra depurazione aerobia e anaerobica di reflui biodegradabili
164. l refluo si muove con un flusso di tipo a pistone il refluo viene alimentato da un lato mentre da quello opposto esce circa una pari volumetria di digestato in forma liquida Con questo tipo di digestore nell effluente si perde continuamente una certa quantit di biomassa batterica Questo implica che una parte del materiale organico utilizzata per la sintesi di nuova biomassa batterica riducendo la quantit di materia organica che viene convertita in biogas Il PTD quindi come anche gli altri digestori rurali tradizionali modelli cinese ed ind meno efficiente nella produzione di biogas rispetto ai digestori in grado di trattenere le biomasse batteriche al loro interno Il digestore installato sotto il livello del piano campagna in una fossa per mantenere la forma cilindrica e scaricare il peso del fluido sulle pareti della medesima Parte del volume occupato da fluido in digestione mentre sulla parte superiore del digestore si accumula il biogas prodotto Se si decide di installare un gasometro a parte per immagazzinare il gas possibile sfruttare fino a 90 del volume totale del digestore per la digestione della miscela Il modello PTD realizzato a Taiwan alla fine degli anni sessanta nacque come alternativa ai digestori in metallo o cemento che presentavano e tuttora presentano le seguenti limitazioni e Elevati costi di installazione In generale la diffusione di questi digestori diventata possibile grazie al s
165. l suo nome unicamente all assenza di riflessione 112 Analisi termica dell impianto semplificato di digestione anaerobica amp 4 1 Lo spettro intensit o densit della radiazione emessa in funzione della lunghezza d onda di un corpo nero uno spettro dalla caratteristica forma campana dipendente unicamente dalla sua temperatura T La luce emessa da un corpo nero viene detta radiazione del corpo nero e la densit di energia irradiata spettro di corpo nero Negli esperimenti un corpo nero costituito da un oggetto cavo mantenuto a temperatura costante le pareti di questo oggetto cavo una sorta di forno emettono e assorbono continuamente radiazioni elettromagnetiche di tutte le possibili lunghezze d onda dello spettro Tale fenomeno dipende unicamente dalla temperatura e non dal materiale utilizzato Nel caso di corpo nero la formula di scambio netto di energia radiante si semplifica 0 Tt Tj A Da cui per la propriet di reciprocit del fattore di vista possibile ricavare qj i 0 Tj Fvistaj_ 4j E per la legge di conservazione dell energia Qi j dj i 4 8 Trasferimento di calore per irraggiamento tra le superfici esterne e l ambiente Per quanto concerne invece l irraggiamento tra le superfici esterne e l ambiente la formula ulteriormente semplificata and di A amp 0 Dove 5 e il coefficiente di emissione caratteristico del materiale infa
166. la crosta che si crea in prossimit del pelo libero della fase liquida dove il materiale in sospensione coagula e costituisce una barriera per le bolle di biogas prodotte che rimangono intrappolate nello strato sottostante e Aumento delle possibilit di contatto tra la biomassa attiva ed il substrato e Riduzione del tempo di ritenzione idraulica La sua costruzione semplice e prevede l impiego di un tubo di PVC del tutto simile a quelli utilizzati per il trasporto del biogas al quale sono fissati dei dischetti di gomma responsabili della turbolenza indotta Figura 3 37 Dettaglio del dispositivo di agitazione 89 Materiali e metodi 3 5 Presentazione del piano di monitoraggio Per raccogliere informazioni di maggior dettaglio stato ritenuto opportuno intensificare le attivit di monitoraggio al fine di migliorare la comprensione del processo di digestione anaerobica e misurare i parametri pi importanti Il progetto sar sviluppato nella fattoria Alfacancha propriet di Caritas Chuquibambilla che si trova nel distretto di Vilcabamba provincia di Grau regione di Apurimac Questa attivit fa parte del progetto MAE AIUTO 9550 APURIMAC PERU Energie rinnovabili da bio digestori in Apurimac 3 5 1 Informazioni di ordine organizzativo Periodo di monitoraggio 6 mesi dal giorno 25 febbraio 2013 fino al giorno 25 agosto 2013 Questo periodo consigliabile perch rappresenta una lunghezza pari a 3
167. la degradazione di sostanze organiche complesse con produzione di un gas biogas costituito per il 50 70 da metano e per la restante parte da Il Global Warming Potential GWP del metano di 25 uno dei gas serra pi inquinanti ed quindi necessario evitare rilasci di biogas in atmosfera Il potere calorifico del biogas funzione del tenore di metano mediamente compreso tra 20 e 24 MJ Nm La degradazione della sostanza organica inizialmente presente e conseguentemente la conversione a biogas pu variare dal 40 ad oltre il 90 in ragione della tipologia di substrato della sua biodegradabilit e delle condizioni di processo La digestione anaerobica un processo biologico in cui avviene la degradazione della materia organica da parte di batteri anaerobi in condizioni di assenza di ossigeno Essa coinvolge diversi gruppi microbici interagenti tra loro i batteri idrolitici i batteri acidificanti acetogeni ed omoacetogeni ed infine i batteri metanigeni quelli cio che producono metano e Il processo svolto da un consorzio batterico e comprende una serie di reazioni biodegradative la pi lenta delle quali determina il passaggio limitante il processo Speece 1996 Nessun ceppo batterico in grado di condurre autonomamente la completa degradazione anaerobica della sostanza organica ciascuna popolazione quindi ha un ruolo ben definito nella demolizione della sostanza organica producendo come cataboliti
168. la lunghezza della volta e la luce della volta quest ultima pari alla larghezza superiore della fossa deve essere uguale a 1 2 73 Materiali e metodi Lcupola b 1 2 e Una altezza massima della cupola rispetto al piano campagna compresa tra 30 e 40 centimetri Y min 0 3 lt Y m lt 0 4 Y max e L inclinazione delle pareti longitudinali della fossa deve essere pari a 15 b a tan 15 2 Nel dimensionamento della fossa di alloggiamento va tenuto in conto lo spessore del materiale impiegato come isolante termico Per entrambi 1 digestori stato adottato uno strato di 10 centimetri in polistirene espanso appoggiato sul ciascun lato interno della fossa Pertanto le dimensioni calcolate per il contenimento del digestore tubolare andranno maggiorate rispettivamente di 20 cm lungo le pareti laterali e 10 centimetri per quanto riguarda la profondit dello scavo 74 Materiali e metodi Tabella 3 4 Principali parametri di dimensionamento dei digestori e delle rispettive fosse di alloggiamento 1 56 1 2 E J S Volume teorico Volume di progetto Sovradimensionamento pressione di lavoro cm colonna d acqua 7 volume del gasometro viene scelto a seconda delle esigenze di immagazzinamento tuttavia consigliabile dimensionarlo per immagazzinare il 150 del gas prodotto Altrimenti si pu decidere di realizzare un gasometro di volumetria uguale alla cupola gasometrica
169. la superficie i esima 1 7 ed alla climatologia del sito una forzante del modello 1 7 e Volumetria del digestore dimensionata precedentemente in funzione della disponibilit di reflui zootecnici e o delle necessit energetiche del nucleo familiare da cui potrebbero essere derivati tutti i parametri di dimensionamento sia del reattore che della serra diametro del digestore daig lunghezza del digestore Laig larghezza della serra W e altezza della parete maggiore A hsya nel caso esame denominata anche parete Sud 3 daig Van d Laig aig 7 3 4 Vaig Laig Ndig daig p daig Y W daig 2 P sin ap hz hsua h W Teoricamente quindi in qualsiasi luogo geografico per qualsiasi condizione climatica sarebbe possibile determinare il design ottimale dell impianto volto a massimizzare la temperatura mantenuta dallo slurry contenuto nel reattore e quindi favorire le cinetiche di degradazione biologica operate da un consorzio di batteri 152 Analisi dei risultati e conclusioni 5 6 2 Analisi delle perdite di calore dal sistema verso l ambiente esterno Quantificare le perdite di calore dal sistema verso l ambiente durante il corso dell anno avrebbe una importanza strategica nell ottica di ottimizzare la gestione dell impianto per esempio calcolando il momento pi opportuno per posiz
170. la tecnologia a basso costo low cost technology La tecnologia leggera non sempre identificabile con una tecnologia appropriata il termine indica una tecnologia solitamente a basso impatto ambientale in quanto largamente basata su procedure informatiche certo difficilmente utilizzabili dagli abitanti dei paesi in via di sviluppo La tecnologia a basso costo invece pi frequentemente una tecnologia appropriata anche se non sempre si identifica con essa Le tecnologie possono essere caratterizzate attraverso una serie di fattori Intensita e tipo di lavoro In certi casi una tecnologia pu essere appropriata quando technology intensive e richiede personale di buona qualificazione sar quindi appropriata in questo caso rispetto ad aree nel quale presente una forza lavoro a buon livello culturale In altri casi invece di maggiore interesse per noi una tecnologia per essere appropriata deve essere labour intensive cio tale da determinare un ottimale utilizzo delle risorse umane locali adeguandosi alla cultura locale Il mondo della cooperazione internazionale e Uso razionale delle risorse naturali Non razionale l abitudine di bruciare aree forestali per ricavarne nel breve periodo terreni coltivabili non razionale la deforestazione realizzata per ricavarne legname da ardere cio una fonte di energia In questo quadro si inserisce il recupero dai rifiuti e Decentramento delle attivit sul territorio La va
171. le condizioni di funzionamento 165 Allegati lari l percorsi 50 de lagrammi Allegato A2 0081 el 0091 006 yseq YNUIIZY Je og gt 15 009 008 00 08 o0ST 0 1 9 AAA neay Q 9402 19106 009 a o06 021 Wd 9 6 24 3uoT TL ET OLA 1osuodg TNUS uoZo40 Jo 5 Nd NY 6 Wd PW Wd Dec oOT 005 007 00S 009 004 008 006 UuotjeAo q4 Teos 166 Allegati 0081 0091 021 06 09 o0 06 o09 o06 021 o0SI TT T T T T Y TT T T T T T VT T T T T TT T T T T T TT T T T T L oeuntaindy Wylo nean Wd 9 L 6 9uoz att 1910 6 24 9 1221 v7 H OLA 108uodg TNUS Jo atun L Wy Was Wy 9 Nd Y E L E L NY 6 Wa za Wd L lt ks plo L NV E L Dec gg d 11d ER LLL seg lt ujnurzy Teog gt 389A 001
172. libera acidi volatili organici non dissociati ecc il trasferimento dei gas disciolti alla fase gassosa e i fenomeni di precipitazione che possono portare nel tempo ad incrostazioni riduzione del volume utile dei reattori ecc In Figura 2 2 sono schematizzati tali equilibri ed il legame con i processi di tipo biologico Particolare importanza hanno CO bicarbonati l equilibrio NH3 NHy e l equilibrio tra le forme dissociate ed indissociate degli acidi organici 20 Digestione anaerobica di reflui zootecnici LIQUIDO Morte e Inerti Proteine Carboidrati Lipidi y Amminoacidi Monosaccaridi Acidi acetico piruvico butirrico valerico grassi a lunga catena dissociati 6 HCO 1 wv Biomassa Figura 2 2 Processi di conversione delle sostanze in digestione anaerobica I processi di natura biochimica sono schematizzati dall alto verso il basso della figura mentre gli equilibri di natura chimico fisica sono schematizzati orizzontalmente IWA 2002 Vengono di seguito descritte in maniera sintetica le diverse fasi secondo il modello ADMI Anaerobic Digestion Model predisposto dall International Water Association Batstone et al 2002 21 Digestione anaerobica di reflui zootecnici 2 2 1 Idrolisi Nella fase di idrolisi le molecole complesse sono convertite in molecole pi semplici e facilmente metabolizzabil
173. lit e un quasi raddoppio della produzione di biogas quando residui vegetali trattati con alcali 1 NaOH per 7 giorni sono stati utilizzati in integrazione a sterco di bestiame Un pretrattamento di digestione di reflui zootecnici freschi in un reattore di tipo batch per un periodo di 1 o 2 giorni alla temperatura di 30 35 C comporta una produzione di acetato alimentando questo materiale all interno di un digestore anaerobico continuo la produzione aumenta del 17 19 e la frazione di metano passa dal 68 75 al 75 86 Singh et al 1983 Patel et al 1993 hanno osservato che il pretrattamento termochimico del giacinto d acqua migliora la biometanazione ed i migliori risultati sono stati ottenuti quando il giacinto d acqua stato trattato a pH 11 0 e a 121 C Il pretrattamento dei fanghi attivi per 30 minuti con ultrasuoni determina un aumento del 64 nella produzione di metano Wang et al 1999 L insilamento di buccia di mango per 6 mesi come pretrattamento ha favorito la conversione dei carboidrati in acidi grassi volatili producendo il 58 di biogas in pi Madhukara et al 1993 In generale il pretrattamento termico di reflui pu aumentare notevolmente la produzione di metano prodotto per via mesofila e in misura minore in termini di incremento percentuale per digestione anaerobica termofila in quanto la digestione termofila gi pi efficiente nella riduzione dei solidi sospesi volatili e produzione di meta
174. lla conoscenza umana Gli effetti dell uso delle macchine e a maggior ragione la capacit di creare innovazioni tecnologiche non dipendono tanto dal capitale fisico quanto dal capitale umano Questo concetto oggi in primo piano negli studi sulla crescita economica e nei nuovi piani di sviluppo Esso ha spostato l accento sui fattori immateriali della crescita in particolare sulla formazione della popolazione e la sua qualit di vita e di lavoro L idea di tecnologie appropriate ha origine nella concezione Gandhiana di sviluppo Gandhi ritiene che la tecnologia non deve creare forme di sfruttamento degli esseri umani n a livello internazionale n a livello nazionale e tanto meno a livello locale fra citt campagna e villaggi Per questo Gandhi nel suo impegno per rendere indipendente India Il mondo della cooperazione internazionale dall impero britannico propone tecnologie a piccola scala sistemi cooperativi e produzioni di beni e servizi di cui gli uomini abbiano veramente bisogno Le macchine secondo Gandhi devono si aumentare la produzione purch ci non contrasti con la dignit dell uomo I popoli che non hanno sviluppato tecnologie proprie incontrano oggettive difficolt nell importare ed utilizzare le tecnologie dei paesi pi sviluppati Esperienze relative alla industrializzazione dei paesi e delle regioni emergenti mostrano che le tecnologie proposte non sempre rispondono in maniera adeguata alle esigenze re
175. lo k Wm K h Wm Polietilene a bassa densit LDPE 0 33 0 0002 1650 Polistirene PS 0 04 0 1 0 4 Policloruro di vinile PVC 0 17 0 001 170 Totale LDPE PS PVC _ 0 40 Il coefficiente di trasferimento di calore conduttivo stato calcolato considerando il caso di materiali differenti disposti in serie 1 1 7 A d Sa Kisol 1717 isol isol Come si evince dai valori riportati in Tabella 4 6 il coefficiente globale non risente significativamente della presenza di due materiali come il PVC e il LDPE il cui impiego non rivolto principalmente all isolamento termico quanto ad un isolamento igroscopico LDPE e ad un semplice effetto contenitivo PVC L effetto secondario quasi trascurabile di tali materiali plastici anche ovviamente dovuto all esiguo spessore che essi presentano Per quanto riguarda invece il calcolo della superficie di contatto A _ si fatto ricorso alla geometria del sistema Oltre alle dimensioni sopra riportate sono determinanti la profondit p dello scavo e l inclinazione rispetto alla verticale delle pareti della fossa di alloggiamento 2 Asu sL B cos Af W 2 p sin Lm 2 2 2 W 2 p sin ap p 117 Analisi termica dell impianto semplificato di digestione anaerobica 4 11 Dinamica dei fenomeni di scambio termico all interno del reattore Il sotto sistema costituito dal reattore anaerobico schem
176. lorizzazione delle risorse umane e delle risorse naturali e la tutela dell ambiente sono maggiori se capitale e lavoro vengono suddivisi in aree relativamente piccole Si pensi per contrasto alla negativit delle megalopoli che si sono formate in India Brasile ed altri Paesi del Sud America e Pluralismo tecnologico Sembra opportuno individuare ove possibile diverse soluzioni per uno stesso problema tecnologico questo presenta il vantaggio di rendere meno vulnerabile la struttura produttiva 1 2 Aiuto allo sviluppo L aiuto allo sviluppo anche Aiuto Estero Assistenza Tecnica una forma di aiuto fornita da governi ed altre agenzie a sostegno dello sviluppo economico sociale e politico dei paesi in via di sviluppo 51 distingue dall aiuto umanitario poich punta ad alleviare la povert nel lungo termine pi che le sofferenze nel breve termine La maggior parte dell aiuto allo sviluppo viene dai paesi industrializzati cooperazione Nord Sud ma anche alcuni paesi meno ricchi contribuiscono cooperazione Sud Sud L aiuto essere e Bilaterale 70 da un paese ad un altro direttamente e Multilaterale 30 dal paese donatore ad organizzazioni internazionali quali la Banca Mondiale o le agenzie delle Nazioni Unite che lo ridistribuiscono tra 1 paesi in via di sviluppo Circa 180 85 dell aiuto allo sviluppo viene da fonti governative Aiuto Pubblico allo Sviluppo Il restante 15 2096 viene da organizzazioni privat
177. lui zootecnici 2 3 3 Agitazione Diverse esperienze hanno dimostrato che l agitazione all interno dei reattori essenziale e favorisce il conseguimento dei seguenti obiettivi Noone 1990 e mettere in contatto il substrato con i batteri e prevenire la sedimentazione nel reattore e garantire una distribuzione uniforme delle popolazioni batteriche e prevenire la formazione di zone morte che ridurrebbero il volume effettivo del reattore e la conseguente formazione di percorsi di favore e mantenere una temperatura uniforme evitando la stratificazione termica In particolare per la digestione anaerobica la miscelazione importante per limitare l accumulo degli intermedi di processo e rendere omogenee le condizioni ambientali in tutto il volume 2 3 4 Ammoniaca L azoto ammoniacale il prodotto della degradazione dei composti organici azotati costituiti principalmente da proteine e urea Appels et al 2008 L ammoniaca indissociata costituisce tra queste la forma pi tossica poich si comporta come una base debole ed capace di attraversare la parete cellulare del microrganismo e bloccarne l attivit metabolica Appels et al 2008 La dissociazione dell ammoniaca in acqua data NH o NH Ht La concentrazione di ammoniaca libera governata dalla seguente equazione di equilibrio tra ione ammonio ed ammoniaca indissociata in funzione del pH e della temperatura NH 10PH NH N e
178. minare il quantitativo di substrato a disposizione oppure le necessit energetiche del nucleo familiare servito dal futuro impianto a biogas Tipicamente la comunit rurale della regione di Apurimac dispone di un esiguo numero di capi di bestiamo bovino o suino L attivit di allevamento di cuy porcellini d India costituisce invece una abitudine ben radicata nella cultura quechua Non raro inoltre che alcune famiglie dispongano di un certo numero di ovini o pollame Tuttavia in prima analisi la produzione di biogas pu essere avviata solamente a partire da letame di origine bovina suina e di 1 cui escrementi rappresentano il contributo quantitativo maggioritario Di seguito in Tabella 3 1 vengono elencate le principali caratteristiche delle differenti matrici avviabili a digestione anaerobica disponibili sul territorio esaminato Tabella 3 1 Caratteristiche medie delle principali biomasse di scarto avviabili a digestione anaerobica Fonte OEKOTOP Substrato ST sul tal quale 9o SV sui ST L biogas kg SV CH Bovino 17 13 250 65 Suino 16 12 350 67 Ovino 30 20 200 Equino 25 15 250 Pollame 25 17 400 60 Porcellino d India 25 Deiezioni umane 20 15 300 Paglia di riso 89 93 220 Paglia di grano 82 94 250 55 Buccia di mais 80 91 410 59 Erba fresca 24 89 410 58 Giacinto d acqua 7 75 325 32 Pula 65 78 160 2 12 86 350 65 5 15 10 250 50 Per qua
179. na crosta di materiale fibroso che galleggia al di sopra del pelo libero della fase liquida addensandosi tale crosta crea una barriera alla risalita del biogas verso la volta del digestore ed il circuito di adduzione del biogas al gasometro I digestori orizzontali offrono una superficie di separazione maggiore a parit di volume di liquido e conseguentemente lo spessore della crosta risulta minore e di pi facile attraversamento o destabilizzazione 3 2 4 Agitazione L agitazione del refluo ha un certo numero di vantaggi e Riduce la formazione della crosta e Limita la sedimentazione degli inerti che riducono lo spazio per la digestione e Elimina la stratificazione termica che pu essere problematica in un PTD esposto direttamente al Sole e Favorisce la dispersione dei metaboliti e il contatto tra microrganismi e substrato e Riduce la dimensione degli aggregati e particelle che presentano bassa superficie specifica 63 Materiali e metodi Affinch l agitazione sia efficiente dovrebbe essere prolungata per un considerevole periodo di tempo generando un dispendio di energia non trascurabile L agitazione manuale occasionale presenta minori vantaggi 3 2 5 Materiali impiegati per la costruzione Nell ottica di sviluppare una tecnologia appropriata importante che i materiali utilizzati siano normalmente disponibili nella zona ad un costo accessibile e che il loro utilizzo non rappresenti un rischio per la salute e l
180. nclusioni Tabella 5 6 Radiazione solare assorbita mensilmente dalla geomembrana a 6116 61 60 143 Analisi dei risultati e conclusioni 5 3 Analisi delle diverse forme di assorbimento della radiazione solare durante l anno Le Tabelle 5 2 5 8 sopra riportate rappresentano la radiazione solare assorbita dalle superfici del sistema suddivisa nelle due componenti considerate diretta e diffusa pi riflessa per 1 diversi mesi dell anno Viene anche riportato il valore cumulato annuo Sono infine indicati in termini percentuali i pesi relativi della componente diretta e diffusa pi riflessa in rapporto alla radiazione totale assorbita dalla superficie Possono essere fatte le seguenti considerazioni La copertura in agrofilm riceve pi dell 85 della radiazione sottoforma diretta ed in maniera costante durante tutti 1i mesi dell anno confermando quanto prima detto riguardo il buon posizionamento della stessa La parete Nord riceve circa i 2 3 della radiazione per via diretta e il restante 30 circa per via diffusa e riflessa marcato in questo caso il diverso andamento in funzione dell anno della componente diretta della radiazione o Massimo nei mesi dell autunno australe quando il Sole rivolto a Nord ed caratterizzato da angoli di elevazione contenuti che come anticipato precedentemente favoriscono le superfici verticali Decrescente bruscamente per i mesi di Sett
181. ncurabili come l avvelenamento da piombo e il Plutonismo inducendo anche paralisi e disabilit 14 Il mondo della cooperazione internazionale Figura 1 5 Complesso minerario di Las Bambas 15 Il mondo della cooperazione internazionale 1 8 Descrizione del progetto di cooperazione Il lavoro di tesi si inserisce all interno di un progetto di cooperazione internazionale coordinato da Apurimac Onlus con codice AID 9550 APURIMAC PER e co finanziato dal Ministero degli Affari Esteri Il progetto intitolato Energia renovable a partir de biodigestores en Apurimac nasce con l obiettivo di investigare le possibilit di applicazione della tecnologia della digestione anaerobica per il trattamento di reflui zootecnici per soddisfare le esigenze energetiche della popolazione rurale della regione Andina del Per Il progetto si prefigge di realizzare una decina di piccoli impianti di digestione anaerobica per la produzione di biogas distribuiti omogeneamente sul territorio provinciale di Grau Apurimac Peru con l obiettivo di sopperire alla mancanza di fonti energetiche pulite a basso costo Al momento le fonti primarie impiegate per la cottura dei cibi e la generazione di calore nell ambito domestico sono le biomasse legnose le quali secondo uno studio condotto dalla Organizzazione Mondiale della Sanit sono una delle fonti principali di malattie respiratorie e di mortalit nelle famiglie contadine Al contempo parte del biogas
182. ndosi Ovviamente anche la geomembrana risente di tali fenomeni Nota la geometria del sistema stato possibile calcolare una serie di angoli critici per ciascuna superficie interna alla serra ad eccezione del lato interno della parete Nord ovvero esposto a Sud In quest ultimo caso si ritenuto ragionevole trascurare il contributo sul lato interno in quanto il Sole rivolto a Sud solo per un breve periodo dell anno che va dal 29 Ottobre fino al 12 Febbraio compresi come si pu riscontrare dai diagrammi dei percorsi solari riportati in Allegato A2 e durante il quale la sua altezza rispetto all orizzonte molto alta formando un angolo ottuso con la copertura della serra e quindi riducendo di molto almeno dal punto di vista teorico visto che considerato costante il coefficiente di trasmissione dell agrofilm Tabella 4 4 Parametri geometrici e costruttivi di interesse per il calcolo degli angoli critici Altezza della parete Nord 0 35 Altezza della parete Sud h3 hs 1 2 Larghezza interna della serra 17 Lunghezza interna della serra Lin 8 1 Tabella 4 5 Angoli critici le pareti per irraggiamento all interno della serra attraverso la copertura in agrofilm Angoli critici per la parete Angoli critici per la parete Angoli critici per la parete Angoli critici per la Sud Est Ovest geomembrana rispetto al rispetto al rispetto al rispe
183. ne alla serra come la parte interna delle pareti in adobes e la parte della geomembrana in PVC emergente dalla fossa di alloggiamento Per tali superfici interne il calcolo della radiazione solare pi complicato per una serie di ragioni fisiche ottiche e geometriche 106 Analisi termica dell impianto semplificato di digestione anaerobica 4 6 1 Componente diretta della radiazione incidente sulle superfici interne La radiazione solare diretta sulle superfici ubicate all interno della serra una frazione della radiazione diretta sulla copertura in agrofilm Uno dei fattori di proporzionalit dato dal coefficiente spettrale di trasmissione dell agrofilm quest ultimo oltre a dipendere dalla lunghezza d onda della radiazione varia in funzione dell angolo di incidenza dei raggi solari ma in prima approssimazione stato considerato costante e pari a 0 65 Chiaramente ogni parete avr un lato esposto verso un punto cardinale e l altro verso il punto cardinale opposto Pertanto la componente diretta sul lato interno della parete i dipender dall angolo di incedenza dei raggi solari sulla superficie esterna della parete dirimpetto j Un altro fattore di proporzionalit legato alla posizione del Sole ed pertanto chiamato fattore di ombra La geometria del sotto sistema interno della serra infatti tale per cui al variare dell altezza e dell azimut solari le pareti si facciano mutuamente da schemo ombreggia
184. ne di processo a due stadi I benefici per sottolineano il significato di questa particolare tecnologia di digestione e quindi giustificano l applicazione e lo sviluppo di un tale modello di processo 39 Digestione anaerobica di reflui zootecnici 2 6 Il biogas Il biogas una miscela di gas che si forma attraverso la fermentazione di sostanze organiche in assenza di ossigeno composta per il 50 70 da metano e per il 30 50 da anidride carbonica In pi contiene minime concentrazioni di altre sostanze gassose in particolare idrogeno e anidride solforosa Il biogas indicato dall Unione Europea tra le fonti energetiche rinnovabili eolica solare geotermica del moto ondoso idraulica biomassa gas di discarica gas residuati dai processi di depurazione che possono garantire autonomia energetica ed attraverso la loro progressiva sostituzione alle fonti energetiche fossili la riduzione graduale dell attuale stato di inquinamento dell aria e quindi dell effetto serra Il biogas pu essere direttamente utilizzato per l alimentazione di motori a scoppio o microturbine per produrre energia elettrica e recuperando il calore di combustione per usi termici Si parla in tal caso di cogenerazione Nel caso in cui impiegando particolari macchine termiche il calore sia utilizzato per produrre raffrescamento si parla di trigenerazione L energia prodotta dalla digestione anaerobica a tutti gli effetti energia rinnovabile in quanto il
185. nergia radiante misurato in W tra due corpi grigi pari a o T Tj ug m 1 Fvista j 23 Dove rappresenta la costante di Stefan Boltzmann pari a 5 67 1078 amp rappresenta il coefficiente spettrale di emissivit della superficie considerata come corpo grigio In fisica in particolare in termodinamica si definisce corpo grigio un corpo la cui emissivit costante su tutto lo spettro elettromagnetico L analogia con il colore grigio dovuta al fatto che un oggetto che appare di tale colore ha la caratteristica di assorbire allo stesso modo la luce a tutte le frequenze dello spettro visibile Er 1 Nell ipotesi semplificativa adottata le superfici interne alla serra sono state considerate come corpi neri al fine di valutare gli effetti del fenomeno di riflessione internamente alla serra x In fisica un corpo nero un oggetto ideale che assorbe tutta la radiazione elettromagnetica incidente e quindi n riflette n trasmette alcuna energia apparendo in prima approssimazione nero secondo l interpretazione classica del colore dei corpi entro i limiti della propria emissivit termica Non riflettendo il corpo nero assorbe dunque tutta l energia incidente e per la conservazione dell energia re irradia in funzione della sua temperatura parte dell energia assorbita coefficiente di emissivit uguale a quello di assorbimento e pari ad uno e deve quindi i
186. no l ipotesi di convezione naturale viene meno a causa delle correnti ventose trascurate in prima approssimazione in quanto non si dispone di dati sito specifici Come possibile notare dai dati della stazione meteo di Chuquibambilla riportata in Allegato A3 la velocit media giornaliera del vento durante il periodo di studio sempre superiore a 5 km h Fa eccezione a tale comportamento il coefficiente di scambio termico convettivo dell agrofilm con l aria ambiente h Il coefficiente di scambio termico globale tra il suolo e lo slurry U 50 5 maggiore rispetto al valore calcolato nella ipotesi che il fenomeno fosse regolato solamente da meccanismi di tipo conduttivo La differenza pu essere imputata sia a errori del modello che vengono compensati con questo termine sia all infiltrazione d acqua tra sacca e polistirene che cambia sostanzialmente la conduttivita del mezzo Inoltre stata trascurata la variazione di temperatura del terreno nell immediata vicinanza della sacca Il coefficiente di scambio termico tra la copertura in agrofilm e la coperta in nylon h assume un valore relativamente elevato ci potrebbe essere causato dalla presenza di uno strato di condensa che si crea superficialmente in ragione del forte sbalzo termico tra interno ed esterno della serra nelle ore notturne 146 Analisi dei risultati e conclusioni T aria serra MODELLO aria serra MISURATA 108 120 132 144 156 168
187. no rispetto alla via mesofila Climent et al 2007 hanno studiato il pretrattamento termico a bassa temperatura tra 1 70 C ed 1 134 C prima della digestione termofila il quale ha comportato un aumento del 50 nella produzione di biogas Ferrer et al 2008 hanno studiato l effetto di un pretrattamento a bassa temperatura 70 C sulla efficienza della digestione anaerobica termofila dei fanghi che ha mostrato un effetto di iniziale solubilizzazione aumentando solidi disciolti volatili di quasi 10 volte dopo 9 ore seguito da una progressiva generazione di acidi grassi volatili La produzione di biogas aumentata fino al 30 rispetto a quella dei fanghi non trattati Evidentemente il pretrattamento termico richiede l immissione di una quantit considerevole di calore in quanto la materia prima fanghi deve essere preriscaldato alla temperatura di esercizio 700 a scapito di utilizzare parte del biogas prodotto Inoltre la produzione di biogas non proporzionale alla temperatura del pretrattamento La maggior parte degli studi ha dimostrato che temperature troppo elevate superiori a 170 190 C portano ad una diminuzione della biodegradabilit dei reflui a dispetto di ottenere efficienze elevate di solubilizzazione Infatti in alcuni casi vi la formazione di composti tossici refrattari durante il pretrattamento Delgenes et al 2002 38 Digestione anaerobica di reflui zootecnici Digestione anaerobica in due stadi Il pr
188. nology 62 1997 79 84 Vavilin V A Rytov S V Lokshina L Y 1996 A description of hydrolysis kinetics in anaerobic degradation of particulate organic matter Bioresource Technol 56 2 3 229 237 187 Riferimenti bibliografici Wang Q Kuninobu M Kakimoto K Ogawa H L Kato T 1999 Upgrading of anaerobic digestion of waste activated sludge by ultrasonic pretreatment Bioresour Technol 68 3 309 313 WHO Indoor air pollution Retrieved 10th January 2011 from http www who int indoorair en 2011 Wilkie A Colleran E 1986 Pilot scale digestion of pig slurry supernatant using an upflow anaerobic filter Environ Lett 7 65 76 188
189. nte sulle superfici interne alla serra Lib Tac Aa Ai Fombra i sore diretta t 4 6 2 Componente diffusa della radiazione incidente sulle superfici interne La componente diffusa della radiazione solare incidente sulle superfici interne alla serra pari alla radiazione diffusa che raggiunge la copertura in agrofilm abbiamo considerato il fattore di vista unitario e quindi tutte le superfici comuqneue orientate ricevono la stessa componente di radiazione diffusa a meno di alcuni fattori di proporzionalit Anch essa dipende inevitabilmente dal coefficiente di trasmissione della copertura Inoltre l altro elemento di proporzionalit dato dai fattori di vista tra la copertura e le diverse superfici interne La componente di radiazione solare diffusa che raggiunge la superficie i esima interna alla serra sar pertanto dsoie dif fusa i Tac a Ar Foista interno Il fattore di vista j i rappresenta la frazione dell area del corpo j vista dal corpo i e quindi la frazione della radiazione che parte da j ed intercetta i Per i fattori di vista vale la propriet di reciprocit Fvistaj i Aj Fvistaj Ai All interno di una cavit come pu essere perlappunto considerato l interno della serra sotto la ipotesi che sia la copertura di agrofilm sia la geomembrana di PVC siano non trasparenti nei confronti della radiazione infrarossa la somma dei coefficienti di vista
190. nto riguarda le necessit energetiche medie di una famiglia apurimefia il cui nucleo composto da 4 5 individui si pu pensare che come ordine di grandezza il fabbisogno giornaliero possa essere soddisfatto da circa 1 m di biogas Tendenzialmente tale biogas 69 Materiali e metodi verr impiegato in cucina con un sistema di bruciatori opportunamente adattati per poter funzionare con quest ultimo e Il primo digestore installato stato dimensionato sulla base del letame proveniente da un allevamento di maiali costituito a regime da 7 capi e Il secondo digestore installato stato dimensionato sulla base dello sterco proveniente da una allevamento che a regime conter 700 porcellini d India 2 A seconda della tipologia di substrato necessario calcolare un opportuno fattore di diluizione generalmente la proporzione tra acqua e sterco costituenti la miscela alimentata compresa tra 3 1 e 4 1 in peso Per i digestori tubolari con schema plug flow usualmente viene adottata una percentuale di solidi totali nella miscela compresa tra 3 e 5 Date le caratteristiche medie dei substrati ed in particolare il contenuto di solidi totali riportati in Tabella 3 1 appare evidente come tali valori obiettivo in termini di ST possano essere raggiunti mediante diluizione con acqua e Per il primo digestore stato adottato un rapporto acqua sterco pari a 3 1 e Per il secondo digestore si mantenuto tale rapporto tuttavi
191. ntrato Ringrazio Apurimac Onlus per aver curato l organizzazione del progetto in tutti 1 suoi aspetti comprese le esigenze di ogni natura del personale volontario Ringrazio il personale amministrativo della Casa dei volontari di Cuzco presso la quale sono stato ospite per 2 mesi sentendomi accolto e rispettato come se fosse stata da sempre la mia casa Ringrazio il personale tecnico e non specializzato con cui ho avuto il piacere di collaborare condividendo conoscenza e cultura difficolt in campo seguite da grandi soddisfazioni per l esito complessivamente positivo del progetto Ringrazio il Professor Federico Vigan che si sempre dimostrato disponibile ad offrire tutto il suo aiuto e le sue competenze tecniche e didattiche per consentirmi di elaborare il modello termico cuore scientifico della tesi Ringrazio l Ingegner Davide Scaglione per aver curato la redazione della tesi nel suo complesso e per non avermi mai fatto sentire solo durante il lungo e tortuoso percorso di lavoro che questa tesi ha comportato Voglio inoltre ringraziare con particolare affetto tutta la mia Famiglia senza il cui sostegno economico psicologico ed emotivo non avrei mai potuto arrivare alla linea di questo traguardo tanto atteso ripagandoli solo regalando loro un piccolo motivo per essere orgogliosi di me In particolar modo voglio dedicare questa tesi alla mia nonna Emilia che mi ha ospitato presso la sua abitazione per tutta la durata dei mi
192. o danneggiare la struttura oppure in funzione della altezza rimanerne intrappolati all interno la profondit della serra infatti di circa 1 metro e potrebbe essere difficile riemergere per un infante Tale valore rappresenta un compromesso con le esigenze di mantenimento di un certo angolo di inclinazione della copertura e conseguentemente il risparmio economico legato ad un minor impiego di materiale e tempo per la fabbricazione del mattoni in terra cruda a parit di angolo di inclinazione anche per ridotte variazioni dell altezza della parete inferiore si avrebbero notevoli aumenti della superficie laterale della serra L angolo di inclinazione della pareti della serra stato considerato costante e pari a 15 rispetto alla verticale per motivi strutturali Il modello cosi implementato offrirebbe la possibilit di dimensionare in modo ottimale un digestore anaerobico semplificato in materiale plastico con flusso a pistone e inserito in una struttura a serra solamente in funzione di e Coordinate geografiche del sito da cui dipenderebbe la giacitura della copertura della serra conseguentemente l orientazione della serra nella sua globalit considerando le pareti laterali ortogonali tra loro 151 Analisi dei risultati e conclusioni A gt P gt Wc ac gt Y e Serie storica di temperatura ambiente la quale costituisce assieme alla radiazione solare incidente sul
193. o a cappotto Adobes Adobe l impasto di argilla sabbia e paglia essiccata al Sole utilizzata da molte popolazioni in ogni epoca per costruire mattoni Si fabbrica con terra argillosa e acqua usando uno stampo e si lascia essiccare al Sole L adobe ha un importante comportamento termico che gli permette di mantenere il calore durante l inverno e rilasciarlo durante l estate mantenendo una temperatura fresca in tutte le stagioni Pu sciogliersi con la pioggia per cui generalmente richiede una manutenzione continua che solitamente si effettua con strati di fango Non corretto invece realizzare la protezione con impasto di cemento dato che lo strato risultante risulta poco permeabile al vapor d acqua e conserva l umidit interna per cui si potrebbe provocare lo sfaldamento dell adobe dall interno Naturalmente l adobe molto economico e permette di fabbricarsi da soli 1 materiali per costruire la propria casa Anticamente tradizione ancora in uso nelle comunit campesine andine nei giorni nei quali non c erano attivit da svolgere nei campi i lavoratori fabbricavano mattoni di adobe che poi venivano venduti a chi avesse avuto intenzione di costruirsi una casa Legno di eucalipto Nome Eucalyptus globulu Blue Gum e Origine cresce nel Sud Est asiatico tra il Nuovo Galles del Sud e la Tasmania E stato importato alla fine del secolo XIX dall Australia per arginare 11 dissesto 66 Materiali e metodi idrogeologico
194. o che andrebbe a ridurre 1 tempi di ammortamento dell investimento iniziale di capitale economico da parte del campesino Va anche fatto notare che per molte persone mangiare attorn ad un fal la prassi una abitudine molto radicata che si scontra con i bruciatori dei moderni fornelli disposti per motivi impiantistici e di sicurezza a ridosso di una parete e non certo al centro della stanza 161 Allegati Allegati Allegato A1 sensori e apparecchiature installate ed impiegate per il monitoraggio Sensore di temperatura di tipo PT 100 e Sensore in ceramica tre fili tipo Platinum 100 ohm corpo adatto per movimento vibrazione Coefficiente di temperatura 0 00385 Ohm C e Temperatura di esercizio 20 C 100 C Grado di precisione CLASSE B STANDARD IEC 751 e Materiale Acciaio Inox 55316 di diametro 1 4 e lunghezza 3 pollici e Con 10 m di cavo su tre fili con rivestimento in PVC rinforzato con tubo flessibile in acciaio inox Interfaccia ottica USB IR Marca NOVUS Modello IR LINK3 Riferimento 8813099050 Comunicazione a infrarossi con il PC usando l interfaccia di comunicazione IrLink3 collegata alla Porta USB Il software Logchart II consente la configurazione la raccolta la visualizzazione l analisi e l esportazione dei dati 162 Allegati Data logger a due canali Marca NOVUS Modello LogBox AA Riferimento 8813002001 Origine Brasile
195. o della serra sia visibile non introduce una severa penalizzazione in quanto come gi detto il coefficiente di trasmissione di un mezzo tende ad annullarsi laddove la fonte radiativa sia molto defilata Per le medesime ragioni l angolo critico tra la parete Sud e le superfici interne stato posto uguale a 90 ipotizzando che oltre tale altezza il Sole si trovi a Sud e quindi formante un angolo ottuso con la copertura in agrofilm Pu essere dunque istituito un range di valori ammissibili degli angoli di posizione del Sole h lt lt 90 Ls List tan lt V lt 180 tan an W an W All interno del range di visibilit invece la porzione di area effettivamente soggetta ad irraggiamento varia in funzione della posizione del Sole e quindi in funzione dell altezza e dell azimut Sono stati pertanto introdotti dei coefficienti moltiplicativi trigonometrici che modificano proporzionalmente l area delle superfici irraggiate Fombra S cos f i cos W Fombra E Fombra 0 cos f sin W Fombra G sin f E cos W Il fattore di ombra relativo alla parte interna della parete Nord invece nullo poich come detto precedentemente si sta trascurando la radiazione incidente su tale superficie 108 Analisi termica dell impianto semplificato di digestione anaerobica Mettendo insieme 1 diversi fattori moltiplicativi si ottiene la seguente formulazione della componente diretta della radiazione incide
196. o di fondazione per le pareti della struttura portante del tetto Il consolidamento inglober il terreno circostante la fossa a partire da una distanza A di circa 10 cm dal bordo della medesima La profondit dello scavo di consolidamento ps sar di circa 10 15 cm La fondazione viene realizzata mediante uno strato di pietre per esempio quelle rimosse dal terreno in fase di scavo della fossa ricoperto da uno strato di terreno argilloso barro 71 Materiali e metodi Figura 3 8 Dimensioni della fossa e dello scavo di consolidamento del primo digestore installato Figura 3 9 Posizionamento del materiale di Figura 3 10 Livellazione del terreno di consolidamento fondazione 3 4 4 Elevazione delle pareti della struttura della serra Le pareti insieme alla copertura andranno a costituire la struttura di una serra con lo scopo di conservare al suo interno una parte del calore trasmesso per irraggiamento dal Sole in questo modo sar possibile aumentare la temperatura all interno del digestore favorendo le cinetiche dell attivit batterica con evidenti risvolti positivi sul rendimento del processo Le pareti avranno uno spessore s di 40 cm circa vincolato alle dimensioni degli adobes mattoni in terra cruda realizzati artigianalmente dal personale in loco 40 x 20 x 15 Con riferimento a quanto prima accennato riguardo l orientamento del tetto 6 possibile classificare il modello impiegato come una copertura ad un sol
197. o il punto cardinale opposto il quale anch esso ricever una quota parte di radiazione solare come successivamente verr dettagliato Per quanto riguarda gli scenari alternativi saranno ovviamente presenti le rispettive parti di sistema opportunamente introdotte ovvero i tubi in PVC per il pre riscaldo della miscela T all interno della serra o i serbatoi reattori di pre fermentazione SER sulla parete Sud In tutti 1 casi il sistema globale si completa con un sotto sistema costituito dal contenuto del reattore e materiale in digestione SL a cui si aggiunge la quota parte di ingestato ING alimentato diariamente ad un orario opportuno a seconda dello scenario e Il biogas B prodotto durante le reazioni e contenuto all interno della cupola gasometrica del reattore e Lageomebrana G Il sistema cos descritto in contatto seppur con un sistema di isolamento termico con l ambiente costituito per semplicit da Il suolo SU circostante la fossa ambiente 98 Analisi termica dell impianto semplificato di digestione anaerobica In particolare i fenomeni di scambio termico che sono stati presi in considerazione sono i seguenti Radiazione solare incidente sulle superfici esterne Radiazione solare incidente sulle superfici interne alla serra e Trasferimento di calore per irraggiamento tra le diverse superfici interne alla serra e Trasferimento di calore per irraggiamento tra le
198. o spiovente La parete Nord 78 Materiali e metodi sar dunque pi bassa di quella Sud la differenza di elevazione tra le due dipende dalla larghezza della fossa secondo la seguente relazione x b 24 22 hsua e Tale angolo di inclinazione consente di ricevere l energia radiante in direzione ortogonale nelle ore pi calde della giornata ed inoltre costituisce un modo sufficientemente efficace per scolare l acqua piovana e la grandine senza il rischio di perforazione della pellicola plastica costituente il tetto a causa dell urto con le gocce che precipitano Le pareti Est ed Ovest saranno erette in modo da unire le suddette pareti Nord e Sud h Sud Ps b Figura 3 11 Sezione della struttura a serra dell impianto Figura 3 12 Elevazione delle pareti della Figura 3 13 Completamento delle operazioni serra di realizzazione della struttura portante della serra 79 Materiali e metodi 3 4 5 Isolamento Ultimata l elevazione e la livellazione delle pareti si procede all operazione di isolamento della parte interna della fossa Il processo si svolge in due fasi successive e Posizionamento di teli in materiale plastico come PE polietilene su tutta la superficie della base e delle pareti della fossa fissate a queste ultime per mezzo di chiodi preventivamente infilzati dentro un piccolo spessore in gomma per non causare la perforazione o pi in generale il danneggiamen
199. ocesso anche una maggiore solubilizzazione dei composti organici facilitando la fase di idrolisi e una riduzione della carica patogena soprattutto per quanto riguarda il campo termofilo Dall altra parte per l impiego di alte temperature digestione termofila pu produrre degli effetti collaterali come l aumento della frazione di ammoniaca libera che inibisce l attivit dei microorganismi Appels et al 2008 2 3 2 pH Ogni gruppo di batteri richiede uno specifico intervallo di pH ottimale L effetto inibente del pH dovuto alla combinazione di diversi fattori ed certamente uno dei parametri di maggior rilievo nel controllo e nella ottimizzazione della digestione anaerobica La dipendenza dal pH stata rilevata per tutti i ceppi batterici coinvolti anche se l effetto pi marcato e pi importante si ha sui batteri metanigeni I batteri acidogeni e acetogeni sono meno sensibili al pH e continuano la loro attivit anche in condizioni di pH acido fino a un valore di 4 5 L acidogenesi e l acetogenesi sono favorite a pH acidi dell ordine di 5 5 5 mentre l intervallo entro il quale dovrebbe essere compreso il pH per consentire una adeguata attivit dei metanigeni generalmente indicato tra 6 8 e 8 2 Speece 1996 con valori ottimali tra 7 e 7 5 A valori inferiori l attivit metanigena risulta via via ridotta ed al di sotto di pH 6 gravemente compromessa con tempi di recupero dell attivit al ristab
200. ocesso di digestione anaerobica in due fasi consente la selezione e l arricchimento di batteri diversi controllando in modo indipendente le condizioni operative in ciascun sistema digerente La denominazione originale di digestione a due fasi si basa sullo studio di Pohland e Ghosh 1971 che per primi hanno proposto di separare i due principali gruppi di microrganismi batteri che formano acido e di batteri metanigeni fisicamente in due reattori Cos sono previste condizioni ottimali per le loro diverse cinetica di crescita L acido che forma o batteri acidogeni sono favorite nella prima fase producendo acidi grassi volatili VFA come acetato da fonti di carbonio complessi I VFA vengono poi utilizzati dalla popolazione metanigena nella seconda fase del processo Biogas Biogas Transfer Sludge Feed Sludge ita SE Mesophilic Reactor mas Digested Sludge eactor First Stage Second Stage Figura 2 4 Schema di processo generale del processo di digestione anaerobica a due fasi Uno schema generale del processo anaerobico due fasi processo mostrato nella Figura 2 4 Molti ricercatori hanno dimostrato i vantaggi dei due stadi di digestione anaerobica rispetto ai sistemi monostadio convenzionali ad esempio Cohen et al 1979 e Cohen et al 1980 D altra parte alcuni svantaggi quali elevati costi di investimento e di instabilit operativa in determinate circostanze sono noti come inconvenienti della configurazio
201. one interessante quella di avviarlo a recupero di materia in impianti di compostaggio per formare un ammendante con buone propriet nutritive previsto dal nostro ordinamento normativo sui fertilizzanti ammendante compostato misto Lo smaltimento del digestato insieme ai costi energetici rappresenta una voce di costo significativa che varia sensibilmente a seconda delle modalit utilizzate di destinazione finale di tale prodotto agricoltura compostaggio discarica 51 Digestione anaerobica di reflui zootecnici 2 9 1 Caratteristiche agronomiche del digestato Il digestato un prodotto ottenuto in seguito a profonde modificazioni biologiche e chimiche Rispetto al materiale di origine il digestato caratterizzato da e sostanza organica ad alta stabilit biologica e sostanza organica con alta concentrazione di molecole cosiddette recalcitranti humus precursori e azoto prontamente disponibile alta concentrazione di azoto ammoniacale 50 70 sull azoto totale e azoto organico contenuto in molecole complesse La dinamica di decomposizione della sostanza organica contenuta nel digestato ancora oggetto di studio tuttavia ormai certo che si tratta di una matrice organica stabilizzata igienizzata e pulita di alto valore agronomico Prove sperimentali di campo hanno dimostrato che non ci sono differenze tra effluente di allevamento conservato in vasche di stoccaggio e effluente di allevamento digerito anaerob
202. ongitudinali prive di miscelazione ed eventualmente compartimentalizzate in una prima sezione di accumulo e idrolisi del materiale sospeso e in una seconda sezione in cui il liquame giunge per stramazzo di metanogenesi In Italia l utilizzo di reattori plugflow per il trattamento di reflui zootecnici ricorre per circa il 23 dei trattamenti Fabbri et al 2010 Il reattore a pistone pu essere utilizzato sia nel trattamento dei liquami zootecnici sia nella stabilizzazione dei fanghi derivanti dalla flottazione di reflui agro zootecnici I sistemi plug flow che trattano substrati liquidi inferiori al 10 di secco possono essere soggetti a stratificazione quando le componenti pi pesanti ad esempio sabbia e limo sedimentano mentre il biogas favorisce la flottazione delle componenti pi leggere ad esempio le fibre organiche formando spesse croste e richiedendo interventi periodici di manutenzione del reattore L altro ambito di applicazione si ha nella digestione a secco di matrici solide quali le coltivazioni energetiche in analogia con quanto avviene per la FORSU Teoricamente infatti la velocit del processo superiore in un sistema a pistone rispetto ad un reattore completamente miscelato purch vi sia ricircolo per garantire l inoculo della biomassa metanigena Inoltre sono sistemi che risentono meno della presenza di inerti ed elementi estranei Reattori completamente miscelati CSTR I reattori completamente miscelati
203. oni non potendo distinguere un incremento reale di temperatura da una oscillazione del modello La scelta di posizionare i serbatoi di pre fermentazione dell ingestato al di sopra della parete Sud si scontra in prima battuta con le effettive capacit di resistenza strutturale dell adobe e con 11 rischio di precoce deterioramento della parete a seguito delle operazioni di carico e scarico dei serbatoi stessi A causa delle ridotte disponibilit economiche di una famiglia contadina dell area andina l acquisto di un serbatoio in materiale metallico buon conduttore termico potrebbe risultare troppo oneroso anche in relazione ai benefici che potrebbe trarne in termini di una ipotica maggiore produzione di biogas Inoltre essendo il serbatoio all aria aperta necessiterebbe di un adeguato isolamento notturno del tutto simile a quello predisposto per la serra Infine la possibilit di miscelare manualmente il materiale contenuto nel serbatoio oltre ad una non facile installazione comporterebbe un aggravio gestionale per il fattore 158 Analisi dei risultati e conclusioni 5 7 Conclusioni Allo stato attuale il modello presenta una serie di limitazioni che non hanno reso possibili ulteriori analisi di dettaglio le quali sono state suggerite come proposte di miglioramento Le potenzialit degli sviluppi futuri sono strettamente legate alla quantit ed alla qualit dei dati a disposizione e disponibilit di una serie storica di dati di
204. per capo Una caratteristica comune a tutti i reflui suini ma in genere anche quelli bovini e di altri animali l elevato contenuto di azoto Questo costituisce un problema in quanto la digestione anaerobica non in grado di abbassare il contenuto di azoto che si ritrova quasi completamente nell effluente sotto forma ammoniacale e con valori tali da precludere lo scarico diretto in base alle normative vigenti Quindi quasi sempre si rende necessario un post trattamento in genere biologico che risulta sfavorito dal basso rapporto C N carbonio utilizzato nella digestione anaerobica Dall altra parte un processo aerobico potrebbe risolvere il problema della rimozione dell azoto nitrificazione denitrificazione tuttavia l elevato carico organico dei reflui suini presenta notevoli richieste energetiche e quindi costi rilevanti Per superare questi inconvenienti spesso si ricorre parallelamente ad entrambi i sistemi di depurazione biologica trattamento aerobico del surnatante e anaerobico della frazione sedimentata del refluo Infine si ricorda che i reflui suini contengono solidi grossolani che possono causare inconvenienti a dispositivi meccanici ed idraulici oltre che essere di difficile biodegradabilit Quindi si consiglia un pretrattamento di filtrazione grossolana utilizzando stacci vibranti o rotanti che tolgono dall influente peli paglie ecc 42 Digestione anaerobica di reflui zootecnici 2 7 2 Reflui di allevamenti bovini I
205. petto 108 46 15164 281 68 506 56 115 96 756 65 672 15 18429 591 97 195 75 428 19 55 67 23 42 140 Analisi dei risultati e conclusioni Tabella 5 4 Radiazione solare assorbita mensilmente dalla parete Est 87 67 82 95 86 54 76 40 6121 6527 74 50 80 79 89 98 87 88 81 Totale MWh anno 0 95 26 rispetto all esterno 67 29 26 rispetto al Totale 54 58 31 sa B15 xs se ss sa gt e 9 ss s ma sm 1 gt 5 ne 55 e se sa Be sa a ss ue us n sese 2e 2e 05 __ 18 rispetto al Totale 141 Analisi dei risultati e conclusioni Tabella 5 5 Radiazione solare assorbita mensilmente dalla parete Ovest 1 v se 1i 3 se se me 3 s sos x 4 ox sen ma s ss sa sa s x sa gt sa ss ns su 4e i9 _ mn 839 ses sn 05 E d ba bo i rispetto all esterno 66 83 33 17 5 rispetto al Totale 2671 o 19 e p p ooa os N x de SE E p oon p ome 16 sn ssa se Gs nu e as n o mne ns se n e re e 3e 142 Analisi dei risultati e co
206. potrebbero migliorare le prestazioni dell impianto in modo significativo L idoneit di un additivo dovrebbe essere fortemente dipendente dal tipo di substrato E stato dimostrato che le foglie polverizzate di alcune piante e leguminose come Gulmohar Leucacena leucocephala Acacia auriculiformis Dalbergia sisoo ed Eucalyptus tereticonius sono in grado di stimolare la produzione di biogas tra il 18 e il 40 SPOBD Cina 1979 Chowdhry et al 1994 L aumento della produzione di biogas sembra dovuto all adsorbimento del substrato sulla superficie degli additivi questo pu portare alla concentrazione del substrato ed alla realizzazione di un ambiente pi favorevole per la crescita batterica Chandra e Gupta 1997 Gli additivi aiutano anche a mantenere le condizioni favorevoli per la produzione di biogas nel reattore come il pH l inibizione promozione delle fasi di acetogenesi e metanogenesi per un miglior rendimento Residui colturali come stocchi di mais paglia di riso steli di cotone paglia di grano e di giacinto d acqua aggiunti allo sterco di bestiame parzialmente digerito aumentano la produzione di biogas nel range di 10 80 El Shinnawi et al 1989 Somayaji e 1994 35 Digestione anaerobica di reflui zootecnici 2 5 2 Ceppi microbici Alcuni ceppi di batteri e funghi sono in grado di migliorare la produzione di biogas stimolando l attivit di particolari enzimi Ceppi di batteri cellulosolitici come attinom
207. radiativi corrispondano ai valori pi prossimi alla latitudine geografica Inoltre esso mostra la distribuzione della radiazione solare giornaliera ricevuta durante l anno da una superficie rivolta a Nord e caratterizzata da un determinato angolo di inclinazione E confortante osservare come i dati mostrati nel Grafico 5 2 siano in linea con i dati climatici della regione dell Apurimac riportati nell Allegato A3 facile notare come una superficie verticale riceva meno radiazione durante l estate australe poich in tale stagione il Sole alto nel cielo mentre al contrario durante l inverno australe quando il Sole pi basso tali superfici siano maggiormente irraggiate rispetto a quelle orizzontali E interessante notare come per angoli di inclinazione di circa 45 si ottiene una curva che presenta un plateau che si estende dai primi giorni di Aprile fino agli ultimi giorni di Agosto in cui la radiazione solare totale assorbita rimane pressoch 128 Analisi dei risultati e conclusioni costante inoltre quantitativamente la radiazione massima raggiunta in corrispondenza del 22 Settembre equinozio di primavera australe raggiunge i 7100 Wh m nel caso di parete inclinata 459 509 mentre solamente 5100 Wh m nel caso di parete verticale Questo risultato induce a considerare la possibilit di erigere la parete Nord quella di altezza inferiore con una pendenza di 45 circa tuttavia le caratteristiche meccaniche dell adobe e le ev
208. rature l irraggiamento responsabile di una frazione trascurabile del flusso di calore rispetto alla convezione e alla conduzione ma al crescere della temperatura la sua importanza aumenta rapidamente fino a diventare il principale artefice della trasmissione del calore per temperature medio alte Fisicamente l irraggiamento consiste nell emissione di onde elettromagnetiche generate dagli atomi e molecole eccitati dall agitazione termica che si diseccitano emettendo fotoni di frequenza proporzionale alla loro temperatura per esempio i corpi a temperatura ambiente emettono in prevalenza fotoni nella lunghezza degli infrarossi che per questo sono anche detti raggi termici corpi molto freddi irradiano microonde quelli vicini allo zero assoluto semplici onde radio mentre i corpi molto caldi arrivano ad emettere luce visibile dapprima rossa temperatura del cosiddetto calor rosso circa 700 C poi sempre pi bianca temperatura del calor bianco circa 1200 C man mano che la temperatura aumenta la frequenza della luce emessa aumenta fino al bianco azzurrino per poi passare ai raggi ultravioletti e ai raggi X nel caso di plasmi stellari a temperature dell ordine di milioni di gradi Il calore scambiato per irraggiamento si trasmette prevalentemente dal corpo a temperatura maggiore a quello a temperatura minore in realt l energia si propaga in entrambe le direzioni ma con minore intensit da quello freddo a quello caldo Infatti se un
209. rbita dalla radiazione solare in data 13 02 2012 135 Analisi dei risultati e conclusioni Potenza assorbita dalla radiazione solare in data 21 03 2012 Copertura W Parete Sud W Parete Nord W Parete Est W m 5 2 n n 8 g N E a Parete Ovest W Geomembrana 12 14 16 18 20 22 24 w Grafico 5 10 Potenza assorbita dalla radiazione solare in data 21 03 2012 Potenza assorbita dalla radiazione solare in data 21 06 2012 Copertura W Parete Sud W Parete Nord W Parete Est W Parete Ovest w Geomembrana w Potenza assorbita W Copertura in Nylon W Grafico 5 11 Potenza assorbita dalla radiazione solare in data 21 06 2012 136 Analisi dei risultati e conclusioni Potenza assorbita dalla radiazione solare in data 22 09 2012 Copertura W Parete Sud W gt Parete Nord W gt Parete Est W gt Parete Ovest W Geomembrana W Copertura Nylon W Potenza assorbita W 16 18 20 22 24 Grafico 12 Potenza assorbita dalla radiazione solare in data 22 09 2012 Potenza assorbita dalla radiazione solare in data 28 10 2012 Copertura W Parete Sud W Parete Nord W Parete Est W Potenza assorbita W Parete Ovest W Geomembrana Copertura 24 Nylon W
210. re 2012 Anand R C Singh R 1993 A simple technique charcoal coating around the digester improves biogas production in winter Bioresour Technol 45 151 152 Appels L Baeyens J Degreve J and Dewil R 2008 Principles and potential of the anaerobic digestion of waste activated sludge Progress in Energy and Combustion Science 34 6 755 781 Attar Y Mhetre S T Shawale M D 1998 Biogas production enhancement by cellulytic strains of Actinomycetes Biogas Forum I 72 11 15 Bansal N K 1988 Techno economic assessment of solar assisted biogas systems Energy Res 10 216 Bardiya N Gaur A C 1997 Effects of carbon and nitrogen ratio on rice straw biomethanation J Rural Energy 4 1 4 1 16 Barnett A 1978 Biogas technology in the third world Batstone D J Keller J Newell B and Newland M 2000 Modelling anaerobic degradation of complex wastewater I model development Bioresource Technology Elsevier Science Ltd 75 1 67 74 Batstone et al 2002 The Anaerobic Digestion Model No 1 ADMI Bolzonella D Battistoni P Susini C and Cecchi F 2006 Anaerobic codigestion of waste activated sludge and OFMSW The experiences of Viareggio and Treviso plants Italy Water Sci Technol 53 203 211 Brummeler E T Aarnink M M J Koster I W 1992 Dry anaerobic digestion of solid organic waste in a biocell reactor at pilot plant scale Water Sci Tech 25 7 301
211. re orientate preferenzialmente in direzione Est od Ovest La condizione di ortogonalit tra le pareti della serra oltre ad agevolare le attivit di realizzazione della stessa consente di ottimizzare il flusso radiativo incidente Riferendosi alla serie di dati per superfici inclinate di 90 altresi possibile osservare come per l orientazione Nord la curva presenti un minimo relativo in cui la radiazione non si discosta molto dai valori ottimali mentre per l orientazione Sud la curva presenta un minimo assoluto ad indicare la posizione estremamente svantaggiosa La scelta progettuale di dimensionamento della parete Sud la pi estesa delle pareti della serra stata fatta nella consapevolezza che per pi di 8 mesi l anno da Febbraio ad Ottobre vedi serie 90 del Grafico 5 2 ed Allegato A2 il Sole descrive un arco in cui la culminazione al mezzogiorno in corrispondenza del Nord Le curve rappresentate non si intersecano tra loro salvo il caso particolare delle curve relative ad angoli di inclinazione 0 10 e 20 Questo significa che tendenzialmente all aumentare dell angolo di inclinazione diminuisce la radiazione solare totale assorbita su base annua Il fenomeno smentito per gli angoli di inclinazione sub orizzontale ed in particolare per quei valori a cavallo della latitudine del sito 13 71 che rendono l angolo di incidenza tra la normale alla superficie e la direzione dei raggi solari nullo nel maggior num
212. rebbe nessun moto convettivo ma l acqua rimarrebbe ferma trasferendo calore dal corpo pi caldo a quello freddo solo per conduzione 516 fino ad ora descritta la convezione libera o naturale La convezione pu anche essere forzata vale a dire che in alcuni casi per scopi pratici il moto del fluido pu essere obbligato da ventole o pompe semplicemente dall effetto di correnti ventose il trasferimento di energia tra una superficie solida ed un fluido adiacente in movimento rispetto ad essa effetto combinato di conduzione termica trasporto di massa In assenza di trasporto di massa la trasmissione di calore avviene solo per conduzione la conduzione pu essere vista come caso limite della convezione quando il fluido in quiete a convezione forzata aria n AN 50 C Su A 20 b convezione naturale correnti di 50 C convezione assenti aria 20 C C conduzione Figura 4 1 Diverse forme di convezione Tabella 4 1 Valori tipici del coeficiente di scambio termico convettivo Tipo di fenomeno convettivo h W m K Convezione naturale nei gas 2 25 Convezione naturale nei liquidi 10 1000 Convezione forzata nei 25 250 Convezione forzata nei liquidi 50 20000 Ebollizione e condensazione 2500 100000 96 Analisi termica dell impianto semplificato di digestione anaerobica 4 2 3 Irraggiamento x Irraggiamento o r
213. resenza di tante piccole imprese di successo in Italia e non solo Gli effetti delle innovazioni tecnologiche per l intero sistema economico riguardano la crescita e la composizione della produzione di una economia e la sua occupazione Infatti le innovazioni tecnologiche possono aumentare la quantit e migliorare la qualit della produzione oppure ridurre il lavoro impiegato disoccupazione tecnologica Prevale il primo effetto se gli aumenti dell efficienza e di qualit stimolano sufficientemente la domanda di nuova produzione altrimenti l occupazione si riduce Visto il ruolo fondamentale che il progresso tecnico ha avuto per i paesi industrializzati una delle visioni pi consolidate del problema della povert ne vede la causa principale nella arretratezza tecnologica accompagnata da una limitata espansione del settore industriale dell economia La soluzione pi appropriata vista nella industrializzazione e in particolare una forte accumulazione di capitale fisico trasferimento nei paesi poveri di tecnologie avanzate Questi piani di sviluppo tradizionali adottati tra il 1950 e il 1980 hanno spesso dato risultati insoddisfacenti soprattutto in America Latina e in Africa Lo studio dei casi in cui questi interventi hanno fallito ha messo in luce aspetti pi complessi e profondi del ruolo della tecnologia L aspetto pi interessante la comprensione del fatto che la tecnologia non una propriet delle macchine ma un prodotto de
214. rfezioni durante il processo e gli inconvenienti generati da una cattiva pianificazione dei lavori Tutti questi aspetti chiaramente concorrono nel basso rendimento che questa tipologia di impianti pu offrire Va inoltre ricordato che principalmente il biogas prodotto viene impiegato a valle del processo di desolforazione e di rimozione dell umidit direttamente come combustibile per sostituire le biomasse legnose Tuttavia esiste la possibilit di utilizzare parte del biogas prodotto per alimentare un moto generatore in grado di produrre energia elettrica qualora vi fosse la necessit come spesso accade nelle pi remote comunit andine dove la rete pubblica fatica a giungere I cascami energetici del moto generatore potrebbero essere trasferiti sottoforma di calore nuovamente verso l impianto per avviare una fase di riscaldamento del reattore 159 Analisi dei risultati e conclusioni Come dimostrano 1 risultati ottenuti 11 cammino per un efficientamento del processo e delle rese dell impianto 6 ancora lungo Questa tesi vuole offrire uno spunto di riflessione verso l importanza di una corretta progettazione e gestione dell impianto in via del tutto passiva dal punto di vista energetico ovvero senza l impiego di fonti esterne che apportino calore verso il sistema all infuori chiaramente della radiazione solare e Il corretto orientamento dell impianto sia ad una falda che a doppia falda per ottimizzare la potenza assorbita
215. ri 101 Analisi termica dell impianto semplificato di digestione anaerobica La declinazione solare 6 pu essere calcolata per mezzo della formula approssimata di Cooper o 6 23 45 sin 200 284 sm 365 J Dove rappresenta il giorno Giugliano ovvero il numero cardinale corrispondente al giorno dell anno al primo Gennaio corrisponde 1 al 31 Dicembre corrisponde 365 4 4 2 Angolo orario w E la distanza angolare tra il Sole e la sua posizione a mezzogiorno lungo la sua traiettoria apparente sulla volta celeste anche pari all angolo di cui deve ruotare la Terra affinch il Sole si porti sopra il meridiano locale Risulta nullo a mezzogiorno positivo nelle ore antimeridiane e negativo nelle ore pomeridiane Il mezzogiorno in generale l istante di culminazione del Sole in meridiano dove per culminazione si intende il passaggio di un corpo celeste attraverso il meridiano locale Considerando che la Terra ruota di 15 all ora esso risulta pari al numero di ore di distanza dal mezzogiorno moltiplicato per 15 poich la Terra ruota di 15 gradi all ora alla velocit nominale di 360 gradi al giorno L angolo orario si calcola con la seguente formula w 180 15 tsolare Nella quale tsolare rappresenta l ora solare del meridiano dell osservatore espressa in ore pu essere calcolata a partire dall ora solare convenzionale tony letta dall orologio corretta con la seguente formula 4
216. riazioni durante l anno Complessivamente il fenomeno che contribuisce maggiormente per pi del 50 la radiazione diretta sul lato esterno Laradiazione assorbita dalla geomembrana per il 68 costituita dalla componente diretta mentre il restante 3296 circa in forma diffusa e riflessa L andamento del tutto analogo a quello della parete Nord Questo dovuto al fatto che nonostante la geomembrana sia una superficie disposta orizzontalmente ha una direzione preferenziale di captazione della radiazione ovvero il Nord La parete Sud infatti crea un ombreggiamento tale da impedire ai raggi solari di penetrare all interno della serra e quindi raggiungere la geomembrana di cui costituita la cupola del gasometrica del reattore emergente dal piano campagna 5 4 Analisi della calibrazione del modello Sono di seguito riportati e commentati i grafici ottenuti rappresentando a valle della calibrazione le temperature misurate dal sensore e quelle calcolate mediante il modello termico implementato A continuazione la Tabella 5 8 recante il valori numerici dei coefficienti di scambio termico x La calibrazione del modello stata effettuata a partire dalle registrazioni di dati di temperature tramite la strumentazione descritta nei paragrafi precedenti riferiti al periodo tra il 16 07 2012 ed il 22 07 2012 La serie di misure si estendeva fino al 4 10 2012 Per alcuni giorni di tale periodo si disponeva di dati di produzione di bio
217. semplificato di digestione anaerobica 4 4 4 Angolo azimutale solare E l angolo formato tra la proiezione sul piano orizzontale dei raggi solari e la direzione Sud positivo se la proiezione cade verso Est prima del mezzogiorno solare ed negativo se la proiezione cade verso Ovest dopo mezzogiorno L angolo azimutale solare si calcola con la seguente formula _ 510 8 sin sin 6 cos B zenit 1 altezza del Sole Y azimut del Sole Una volta noti tutti questi angoli possibile calcolare l angolo di incidenza della radiazione solare su ogni superficie i esima in funzione della giacitura W aj di quest ultima con la seguente formula cos cos f cos Y W sin a sin f cos a 104 Analisi termica dell impianto semplificato di digestione anaerobica 4 5 Radiazione incidente sulle superfici esterne della serra Nel caso in cui non si disponga di dati meteorologici sufficienti per poter impostare il modello di trasferimento di calore sar necessaria una previa simulazione della radiazione solare Per il calcolo stato adottato il modello di Campbell e Norman secondo il quale possibile approssimare le componenti diretta diffusa e riflessa della radiazione solare a partire dal valore della radiazione solare diretta incidente su di una superficie normale ai raggi del Sole 1 Jun data dalla seguente formula Ina a 9
218. spetto all orizzontale della copertura della serra 0 lt ac lt 90 o Emersione della cupola gasometrica rispetto al piano campagna in metri 0 3 lt Y min lt Y lt Y max 0 4 o Parametro di forma del digestore Laig 5 X di ig 10 150 Analisi dei risultati e conclusioni e Parametri gestionali o Orain cui viene alimentato l ingestato all interno del reattore tryg o Ora in cui viene posizionata la coperta di nylon a protezione dell agrofilm e per minimizzare le dispersioni di calore attraverso il tetto tyy up o Ora in cui viene rimossa la coperta di nylon tyy down I suddetti parametri vengono fatti variare mentre alcuni parametri sono considerati costanti L altezza della parete inferiore hi Rhyora nel nostro caso denominata parete Nord stata fissata pari a 35 cm poich si ritenuto ragionevole prevedere un minimo sollevamento della copertura della serra rispetto al piano campagna per una serie di motivazioni o Riparare l agrofilm e successivamente la geomembrana in PVC dal rischio di danneggiamento legato al trasporto di polveri e materiale abrasivo con le correnti ventose spesso sottoforma di raffica che sono presenti durante tutto l anno o Creare una barriera fisica a protezione dell impianto da eventuali animali da compagnia o Protezione da e per le persone che abitualmente popolano l appezzamento di terreno in cui situato l impianto i quali nelle loro attivit potrebber
219. ssenza di moti macroscopici Il gas occuper lo spazio tra le due superfici mantenute a differente temperatura Ad ogni punto si associa la temperatura con l energia delle molecole del gas in prossimit del punto Questa energia riferita al moto casuale di traslazione nonch a quelli di rotazione e di vibrazione delle molecole La temperatura alta associata all alta energia delle molecole quando queste molecole ad alta energia entrano in collisione con quelle contigue si ha un trasferimento di energia dalle molecole pi energetiche a quelle meno In presenza di un gradiente lo scambio avverr in direzione della diminuzione di temperatura Questo discorso pu essere esteso ai liquidi e ai solidi dove la collisione delle molecole pi frequente in quanto avviene in uno spazio ancor pi ridotto 4 2 2 Convezione x La convezione un tipo di trasporto di materia ed energia assente nei solidi e trascurabile per i fluidi molto viscosi causato da un gradiente di pressione e dalla forza di gravit e caratterizzato da moti di circolazione interni al fluido Il moto convettivo risultante uno stato di moto caratterizzato da un alto grado di miscelazione che dipende dal regime idrodinamico in particolare in regime laminare il grado di miscelazione basso mentre in regime turbolento il grado di miscelazione maggiore e di conseguenza i coefficienti di scambio sono pi elevati Un fluido a contatto con un corpo la cui
220. ssere esposto all irraggiamento su una superficie pi ampia un lato rivolto ad Est e l altro ad Ovest lo scavo della fossa dovr essere orientato Nord Sud La base della fossa deve essere livellata in modo tale da consentire una adeguata messa in opera del digestore la presenza di una cadente topografica darebbe luogo ad una concentrazione del materiale ispessito all interno del digestore verso valle Il digestore dotato di una tubazione di alimentazione e di due tubazioni uscenti una pi in alto per la fuoriuscita della componente liquida del digestato biol ed una pi in basso per la frazione solida biosol In linea teorica la bocca di uscita del biol deve trovarsi ad una altezza maggiore rispetto alla bocca di ingresso dell ingestato Tale configurazione progettata per un terreno bolla potrebbe variare a seguito della presenza di una cadente compromettendo il corretto funzionamento del processo flusso a pistone Durante la fase di scavo opportuno considerare anche la realizzazione dei canali di alloggiamento delle suddette tubazioni di adduzione dell ingestato e di allontanamento del digestato Figura 3 6 Scavo della fossa Figura 3 7 Rimozione materiale pietroso dal fondo della fossa 3 4 3 Scavo di consolidamento del terreno di fondazione per le pareti della struttura portante del tetto Terminate le operazioni di scavo della fossa si procede con lo scavo di consolidamento del terren
221. sterno Coefficiente di assorbimento la 1 00 1 00 1 00 1 00 1 00 1 00 0 00 sul lato interno Coefficiente di trasmissione 0 65 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 In cui rappresenta l angolo di inclinazione della superficie i esima rispetto al piano orizzontale Per quanto riguarda l inclinazione della copertura della serra si rimanda al calcolo effettuato al capitolo precedente in cui si descrivevano le fasi di progettazione dell impianto Come anticipato la posizione del Sole nell arco che descrive nel cielo dipende dal giorno dell anno e dall ora rispettivamente tramite i seguenti parametri astronomici 4 4 1 L angolo di declinazione solare E l angolo che la direzione dei raggi solari forma a mezzogiorno sul meridiano considerato col piano equatoriale risulta anche pari all angolo che i raggi solari formano a mezzogiorno con la direzione dello zenit sull equatore e coincide inoltre con la latitudine geografica alla quale in un determinato giorno dell anno il Sole a mezzogiorno sta sullo zenit E positiva quando il Sole sta al di sopra del piano equatoriale ed negativa quando il Sole al di sotto di esso Considerata l elevata distanza tra Sole e Terra ed il fatto che il primo ha un diametro circa cento volte maggiore i raggi solari investono il nostro pianeta tutti paralleli tra di loro ed alla linea immaginaria che congiunge i due cent
222. superficie comunque orientata Normalmente la radiazione diffusa proporzionale ad fattore di vista tra la superficie esaminata e la volta celeste Per semplificare il modello e stato imposto un fattore di vista unitario di tutte le superfici considerate in modo da includere nel termine di radiazione diffusa anche la componente riflessa dall ambiente circostante Altrimenti sarebbe stato molto complicato a livello geometrico specificare la frazione di radiazione riflessa internamente ed esternamente alla serra in funzione del percorso solare cos 0 Ixp P i Inp P sin Ira P i Ina P Con questo metodo possibile calcolare agevolmente la radiazione solare incidente sulla parte esterna delle superfici formanti la serra e quindi in particolare le pareti la copertura in agrofilm e quando presente la coperta in nylon Tpit 1 Detta I 7 q la radiazione totale incidente sulla superficie i esima per unit di superficie misurata quindi in W m risulta immediato calcolare l energia termica totale assorbita nell unit di tempo misurata in W con la seguente formula Asole iesterno dove A rappresenta l area della superficie i esima a il coefficiente spettrale di assorbimento caratteristico del materiale costituente tale superficie 4 6 Radiazione incidente sulle superfici interne della serra La radiazione solare raggiunge tuttavia anche le superfici inter
223. tallazione di pi di 7 milioni di digestori He 2010 Dalla seconda met degli anni ottanta mentre la tecnologia aveva trovato pi applicazioni nel trattamento dei rifiuti industriali e urbani e la conservazione dell energia rallentata la diffusione in aree rurali Nei Paesi in via di sviluppo l espansione dei sistemi di recupero del biogas stata basata su piccoli reattori progettati per la digestione di escrementi di bovini suini e pollame Il biogas viene spesso utilizzato per cucinare riscaldamento o produzione di elettricit Impianti pi grandi possono fornire biogas nelle reti di alimentazione Molti tipi diversi di reattori anaerobici per la produzione di biogas sono utilizzati in tutto il Mondo In generale i modelli utilizzati nei Paesi in via di sviluppo per la digestione dei reflui agro zootecnici sono classificati come low rate essendo pi semplici rispetto a quelli nelle regioni pi temperate e privi di riscaldamento e sistemi di agitazione Questo anche legato al clima impianti senza isolamento non funzionano in modo soddisfacente quando la temperatura media inferiore a 15 C ISAT GTZ 1999 Tre tipi principali di digestori sono utilizzati nei Paesi in via di sviluppo per 1 reflui agro zootecnici e idigestori CSTR cupola fissa Cina e idigestori CSTR a cupola mobile India e idigestori plug flow tubolari Pl chl e Heiermann 2006 55 Digestione anaerobica reflui zootecnici Pressure
224. tante del digestore tubolare in materiale plastico I basso costo dovuto al tipo e alla quantit dei materiali utilizzati e al fatto che l installazione pu essere eseguita direttamente dall utente grazie all iniziativa privata dei contadini senza sostegno economico da parte di governi o ONG anche se va notato che nei casi di pi grave povert l installazione del PTD ancora economicamente impraticabile Questo aspetto importante quando si pianifica l eventuale diffusione di PTD nelle Comunit andine al fine di evitare che la diffusione della tecnologia sia un altra causa delle differenze tra le condizioni di vita tra i membri della stessa comunit 67 Materiali e metodi 3 2 7 Uso e manutenzione e L uso del digestore si apprende intuitivamente La quantit di biogas prodotta giornalmente pu essere facilmente determinata anche a livello visivo tramite lo stato di insufflazione del digestore e del gasometro nonch basandosi sul tempo a disposizione per cucinare questo pu aiutare nella diffusione e accettazione della tecnologia Laquantit di lavoro giornaliero dipende da una serie di aspetti tipo del digestore tipologia di substrato alimentato posizione del digestore rispetto alle stalle topografia della zona rurale disponibilit di acqua con cui diluire le deiezioni e causa della loro fragilit i PTD hanno bisogno di maggiori protezioni attenzione per evitare che gli anim
225. te riceva un contributo aggiuntivo rispettivamente nel pomeriggio per quanto riguarda la parete Est e nella mattina per quanto riguarda la parete Ovest Ci dovuto al fatto che l effetto di mutuo ombreggiamento tra la parete Est e la parete Ovest nettamente inferiore rispetto a quello operato dall parete Sud Infine importante notare come la radiazione solare assorbita da entrambe raggiunga il suo minimo durante il 21 Giugno solstizio di inverno australe La causa di questo comportamento risiede nel fatto che come si osservare dal diagramma del percorso solare relativo a quella data il Sole sorge a 60 Est e tramonta a 60 Ovest ovvero rimane per tutto il tempo entro gli angoli di vista dell interno della serra verso l estero limitando le componenti incidenti sul lato esterno di entrambe le pareti La radiazione assorbita dalla geomebrana vedi Grafico 5 3 e Grafico 5 6 caratterizzata da un netto cambio di comportamento a seconda che il Sole culmini a Nord o a Sud al mezzogiorno Nel primo caso la radiazione raggiunge dei valori molto elevati sopratutto tra le ore 8 e le ore 16 quando il Sole rimane entro gli angoli di vista dell interno della serra Al contrario nel secondo caso subendo il pesante effetto dell ombreggiamento operato dalla parete Sud la geomembrana riceve solamente la quota parte di radiazione solare diffusa E importante osservare che la componente di radiazione diffusa risulta considerevole in ragione del fat
226. tema che le variabili corrispondenti all ambiente circostante pertanto gli scambi termici avvengono sempre tra una parte e le restanti N 1 In Tabella 4 7 sotto riportata sono specificate le propriet fisiche e termiche dei materiali impiegati per la realizzazione dell impianto e dei materiali costituenti gli elementi naturali del sistema e dell ambiente circostante Le masse sono state calcolate come prodotto tra la densit del materiale riportata appunto in Tabella ed il volume della singola componente del sistema Quest ultimo stato desunto dalla geometria nota A seguire verranno esplicitati 1 bilanci energetici per ciascuna componente del sistema 121 Analisi termica dell impianto semplificato di digestione anaerobica Tabella 4 7 Caratteristiche fisiche dei materiali impiegati per la realizzazione dell impianto c 100000 0 5100000 Ip JPY 25100000 20100000 PE CA BODA QUOISSRUSEX Ip I 60SOTTF6L 0 665277269 O L8L0F LTZ O FFLIS6CIZO 50 11809971 JUSPEJSOD Auno 01201910552 Ip 23129200 058 81 LETT 890 9 55200 C C89I 9511 soot TOTI rp ORUMN Q3UOISSRUSEX Ip ca PARI 3UOISSRUIS 2JU3I2Ig207 0077 076 00cc 076 OSLI OSTI 0001 0051 122 An
227. temperatura maggiore di quella dell ambiente che lo circonda si riscalda e per l aumento di temperatura subito si espande nella maggior parte dei casi A causa della spinta di Archimede questo fluido sale essendo meno denso del fluido circostante che pi freddo Contemporaneamente il fluido pi freddo scende e prende il posto di quello pi caldo che sale in questo modo si instaura una circolazione convettiva 95 Analisi termica dell impianto semplificato di digestione anaerobica Per esempio supponendo di avere un sistema isolato dall esterno costituito da due corpi aventi temperature differenti l uno al di sopra dell altro divisi da uno strato di acqua che come vedremo svolger la funzione del sopraccitato fluido Supponendo che venga posto in superficie il corpo pi freddo siccome l acqua calda tende a salire e l acqua fredda a scendere per la diversa densit si sviluppa un moto convettivo per cui nella zona centrale l acqua riscaldatasi a contatto con il corpo caldo sale verso il corpo freddo mentre nelle zone pi esterne si ha una movimento verso il basso dell acqua che raffreddatasi per il contatto con il corpo freddo si dirige verso quello caldo Si pu osservare che si avrebbe una situazione molto diversa nel caso in cui i due corpi venissero invertiti ossia se il corpo a temperatura maggiore fosse posto in superficie ed il corpo a temperatura minore sotto lo strato d acqua in questo caso non si av
228. tipica giornata invernale coprendo la sommit del reattore con un foglio di polietilene trasparente durante le ore di Sole e usando un materiale isolante mobile durante le ore di scarsa radiazione Bansal 36 Digestione anaerobica di reflui zootecnici 1988 Tiwari et al 1988 Desai 1988 ha scoperto che se la temperatura dell ingestato potesse essere mantenuta a 40 C sarebbe possibile ridurre di oltre il 40 stato dimostrato come gli stagni solari siano un utile sistema per prevenire perdite di calore durante la notte e nel mantenimento della temperatura di processo del digestore al livello desiderato Uno stagno solare una piscina di acqua salata che funge da collettore solare a larga scala con immagazzinamento di calore integrato per la fornitura di energia termica Uno stagno solare pu essere utilizzato per varie applicazioni come processo di riscaldamento dissalatore refrigerazione essiccamento e di generazione di energia solare Impianti che sfruttano l energia solare raggiungono rendimenti di produzione di biogas superiori in particolare durante 1 mesi invernali Tiwari e Chandra 1986 2 5 5 Pretrattamenti ed ottimizzazione dei parametri x Nella digestione anaerobica l idrolisi biologica identificata come la tappa limitante Ghyoot e Verstrate 1997 La maggior parte dei materiali organici solubili che possono essere convertiti in biogas sono prodotti durante il processo di idrolisi Di conseguenz
229. to a titolo di esempio il procedimento di dimensionamento dei tubi nella ipotesi che essi siano in numero di 4 e che l ingestato venga introdotto alle ore 7 della mattina informazione di carattere gestionale e non di dimensionamento 154 Analisi dei risultati e conclusioni Volume dei tubi per contenere l ingestato 0 12 Lunghezza dei tubi 8 1 Area dell unico tubo ideale T totale 0 0148 Numero di tubi installati 4 Raggio dei tubi rr m 0 034 Diametro dei tubi dr m 0 069 Superficie laterale dei tubi Siaterate r 6 990 Area efficace dei tubi in termini di schermo m 2 225 Lunghezza caratteristica dei tubi Li m 0 017 Spessore dei tubi 0 003 Volume di PVC costituente i tubi m 0 022 Massa di PVC costituente i tubi kg 30 640 Ora in cui viene caricato l ingestato nei tubi tingestato tubi 7 Tabella 5 9 Dimensionamento dei tubi in PVC per il pre riscaldo dell ingestato Il volume interno dei tubi deve essere posto uguale al volume di ingestato che dovr a regime essere alimento al reattore quotidianamente Vingestato La lunghezza dei tubi stata posta pari alla lunghezza dell interno della serra per sfruttare tutta la distanza longitudinale possibile Lr Lint Come rapporto tra le due suddette grandezze e stata calcolata l area dell unico tubo ideale ovvero l
230. to che la geomembrana o meglio la cupola del reattore che esposta alla radiazione ha una superficie elevata e che per le ipotesi adottate le superfici interne alla serra hanno un coefficiente di assorbimento unitario Nei giorni di transizione del percorso solare tra esposizione a Nord ed esposizione a Sud la geomembrana in corrispondenza del mezzogiorno riceve un contributo considerevole di radiazione solare diretta a causa della altezza del Sole che vale circa 90 La potenza assorbita dalla coperta in nylon ha un andamento caratterizzato da 2 picchi in corrispondenza dell orario in cui viene posizionata ed uno pi ingente nell orario in cui viene rimossa Questo dato pu significare una gestione dell impianto non ottimizzata in quanto parte di tale radiazione potrebbe essere assorbito dalle superfici interne alla serra Tuttavia un giudizio pi accurato riguardo tale aspetto richiede una analisi delle perdite di calore del sistema verso l ambiente come di seguito esposto 132 Analisi dei risultati e conclusioni Potenza assorbita dalla radiazione solare per la parete Est W 1000 2319410556 2709304 84 96 108 120 132 144 156 168 180 192 72 24 36 48 60 12 0 Data e ora Grafico 5 4 Potenza assorbita dalla radiazione solare per la parete Est Potenza assorbita dalla radiazione solare per la parete Ovest W 1000 231410556 ezuajog 96 108 120 132 144 156 168 180 192 24 36
231. to ponendo un asta graduata all interno dei pozzetti di raccolta di ciascun digestore affinch note le sezioni geometriche rispettive sia possibile il calcolo della volumetria Per consentire tale operazione anch essa con cadenza settimanale bisogner svuotare totalmente 1 pozzeti di raccolta e stoccare il materiale liquido in appositi cilindri La misura del volume di biol prodotto avverr contestualmente alla misura del pH del medesimo In realt sarebbe pi corretto misurare la produzione di biol ad una ora pi tarda affinch si abbia la ragionevole certezza che tutto il biol prodotto sia gi uscito dal digestore Per facilitare lo svolgimento delle attivit in campo assegnate ad un personale non tecnico e dedito ad altre mansioni al di fuori del piano di monitoraggio si optato per svolgere la misura intorno alle 12 30 sapendo che comunque la maggior parte del biol 92 Materiali e metodi fuoriesce prima di tale orario A favore di precisione e a scanso di approssimazioni per un ristretto numero di giorni si potrebbe misurare la frazione di digestato liquido che fuoriesce dopo l effettuazione della misura cosi da poter aggiungere un contributo percentuale X96 di biol che seppur prodotto nell arco della giornata sfugge alla misura Dati 1 quantitativi teorici di produzione del digestato liquido di ciascun digestore risulta evidente come disponendo di 3 soli cilindri metallici del volume di 200 L cada uno serva munirs
232. to dei teli La funzione dei suddetti teli quella di proteggere dall umidit lo strato isolante pi interno e Posizionamento di uno strato di polistirene espanso dello spessore 10 cm lungo tutta la superficie delle pareti interne precedentemente ricoperte di telo in PE Le buone caratteristiche del polistirene come isolante termico aiuteranno a mantenere il digestore in un rango di temperatura il pi costante possibile minimizzando le brusche oscillazioni termiche a cui soggetta l aria ambiente Figura 3 14 Posizionamento strato isolante in Figura 3 15 Posizionamento strato isolante in LDPE PS 3 4 6 Gonfiaggio del digestore Prima di collocare il digestore nella fossa viene riempito con aria al fine di individuare eventuali perdite causate per esempio da danneggiamento in fase di trasporto e per agevolarne la messa in posa senza incorrere nella formazione di pieghe che potrebbero portare alla foratura durante il riempimento con acqua L aria viene fatta entrare attraverso la tubazione di alimentazione della miscela sterco acqua mentre le restanti tubazioni vengono opportunamente sigillate Per gonfiare il digestore si svolgono le seguenti fasi e Collocare il digestore al di sopra di un telo per esempio la copertura in nylon a protezione del tetto in modo da evitare il contatto con le asperit del suolo e Infilare l estremit della tubazione di alimentazione della miscela ad un telo plastico tu
233. trollo dell apertura della curva durante l impostazione in fabbrica che permette di controllare la planarit della curva di errore attraverso un indice su una scala graduata In questo modo pu soddisfare i pi alti requisiti di taratura richiesti nei regolamenti e Basso coefficiente di attrito tra gli elementi di distribuzione frutto di un attenta progettazione che ha consentito di ridurre le dimensioni dei canali di distribuzione e delle valvole In questo modo si ottiene una bassa suscettibilit alla contaminazione del sistema di distribuzione del misuratore il cui risultato quello di aumentare la stabilit della curva di errori di misura nel tempo anche in condizioni di portata minima e Le membrane assemblate e tarate in modo pressurizzato assicurano una bassa perdita di carico e minima emissione di rumore e Il design materiali e componenti garantiscono i pi alti standard di qualit del dispositivo Prestazioni Quattro camere di misurazione simmetriche a due a due sono separate da membrane sintetiche Le camere sono riempite e svuotate alternatamente Il movimento alternato delle membrane mette in rotazione un albero eccentrico che regola il movimento delle valvole di distribuzione per il riempimento e lo svuotamento delle camere di misura Il movimento dell albero eccentrico viene trasmesso attraverso la catena cinematica all integratore del dispositivo dove si indica il volume di gas che ha attraversato l unit nel
234. tti sul lato esterno non si applica la ipotesi di corpo nero ma la superficie considerata come corpo grigio stato trascurato il contributo radiativo della volta celeste 113 Analisi termica dell impianto semplificato di digestione anaerobica 4 9 Trasferimento di calore convettivo tra le superfici e l aria Il calore scambiato convettivamente tra una superficie i e un mezzo j si pu calcolare con la seguente formula Qi j hon j Ai T T Dove hconvi_j rappresenta il coefficiente di trasferimento di calore convettivo tra la superficie i e il mezzo j espresso in Tale coefficiente dipende dalle propriet fisiche e termiche del fluido dalla geometria della superficie dalle temperature del fluido e della superficie ma sopratutto dal campo di moto del fluido Nui j kj hconvi L 1 Dove e kj rappresenta la conducibilit termica del mezzo misurata in mm e L rappresenta la lunghezza caratteristica della superficie in esame misurata in Per tutte le superfici la lunghezza caratteristica amp stata assunta come rapporto tra area e perimetro pea Ep e Nu _ il numero di Nusselt tra la superificie e il mezzo e rappresenta il rapporto tra il calore che viene scambiato per convezione tra la superficie ed il fluido ed il calore che la stessa superficie scambierebbe per conduzione attraverso uno strato di fluido fermo di spessore Li Maggiore il valore del numero di Nusselt maggior
235. tto al N S piano 11 63 Qer N E piano 11 63 11 63 11 63 orizzontale orizzontale orizzontale orizzontale tisheti rispetto al rispetto al yispetto rispetto Qer E S all Est 11 85 dese piano 90 00 ar s o piano 90 00 Qer E G all Est 11 85 orizzontale orizzontale rispetto rispetto rispetto rispetto F 11 168 1 05 110915 1645 50 aes 85 aroa 16515 107 Analisi termica dell impianto semplificato di digestione anaerobica Gli angoli critici sono stati calcolati tramite le seguenti formule m 1 N Acr N S Qer N E cr N 0 CcrNn G tan W ES ta j Lint Acr E S Acre 0 Acr g tan w L Acro s Acr o E ecr o c 180 tan mad o 5 Uers 0 Acr s e 90 I suddetti angoli determinano dei valori limite per gli angoli di altezza e azimut solare oltre i quali le superfici interne alla serra non sono pi visibili dall esterno e quindi suscettibili di ricevere la componente diretta della radiazione solare In realt per quanto riguarda il calcolo degli angoli critici delle pareti Est ed Ovest nei confronti della parete Sud e della geomembrana si sta assumendo che la forma delle pareti laterali sia regolare e rettangolare anzich trapezoidale tale assunzione nonostante restringa l angolo solido entro il quale l intern
236. tto funzionamento dell impianto verificando che il biogas fosse addotto alla pressione di progetto e che il contatore registrasse opportunamente il flusso La tubazione infine stata connessa ad un piano cottura dotato di due fornelli Figura 3 31 Manometro Figura 3 32 Contatore del gas Figura 3 33 Bruciatori adattati al Figura 3 34 Piano cottura allestito ed in funzionamento con biogas funzione 88 Materiali e metodi 3 4 17 Realizzazione dei pozzetti di carico e scarico Per agevolare le operazioni di miscelazione ed omogeneizzazione della miscela nonch la fase di carico del digestore da un lato e la raccolta della frazione liquida del digestato dall altro sono state costruiti due pozzetti impermeabili in cemento dimensionati in funzione delle volumetrie di materiale alimentato e digerito quotidianamente I pozzetti sono costruiti in modo tale che le tubazioni di carico e scarico risultino poi al centro dei medesimi Figura 3 35 Costruzione del pozzetto di Figura 3 36 Pozzetto terminato raccolta del biol 3 4 18 Realizzazione di un dispositivo per l agitazione Anche se non Figura in letteratura come una fase necessaria nel caso si adotti un sistema di tipo flusso a pistone si ritenuto opportuno dotare il digestore di un semplice dispositivo di agitazione manuale del materiale contenuto al suo interno I benefici che se ne traggono sono elencati di seguito e Destabilizzazione del
237. ua di rete proveniente dal fiume che si mescola alle urine e trascina lo sterco depositatosi durante la giornata sulla piazzola impermeabile in cemento realizzata con una leggera cadente topografica verso una pozza impermeabile di raccolta ove avviene la fase di prelievo della miscela Per quanto riguarda 1 porcellini d India essi sono allevati all interno di gabbie multi piano in legno Figura 3 3 sul fondo di ciascun livello amp predisposta una griglia che dovrebbe trattenere medica alfalfa di cui tali roditori principalmente si nutrono e lasciar filtrare solamente le deiezioni Al di sotto di tale griglia presente un vassoio metallico con la funzione di scivolo e lo scopo di convogliare tali residui verso un sistema di tubazioni interconnesse che deviano il flusso e lo raccolgono ad una estremit delle gabbie Lo sterco dunque si trova da subito a mollo nelle urine nelle quali rimane per un prefissato periodo di tempo in fase di pre fermentazione Figura 3 3 Gabbie multi piano per allevamento di porcellini d India 71 Materiali e metodi 3 Determinazione del tempo di ritenzione idraulica HRT Nel caso di modelli semplici in cui non previsto un ricircolo HRT corrisponde al tempo di effettiva permanenza del materiale degradabile all interno del reattore Pertanto tale tempo dipende dalla natura del substrato e sopratutto dall andamento delle temperature nel contesto territoriale in cui sar
238. un sufficiente contatto tra l influente ed i batteri metanigeni contenuti nel digestore Un PTD 62 Materiali e metodi eccessivamente ampio non consentir un flusso a pistone ed implicher un maggior rischio di cortocircuitazione dell influente 3 2 3 Disposizione I digestori rurali possono essere divisi tra verticali ed orizzontali ed entrambi i tipi sono di solito interrati Digestori in superficie consentono una manutenzione pi agevole tuttavia necessitano dell umpiego di materiali molto resistenti come l acciaio per sopportare la pressione e sono pi esposti alle variazioni climatiche Interrando un digestore si pu beneficiare dell importante vantaggio di alimentare il substrato per gravit senza bisogno di impianti di sollevamento Un digestore orizzontale interrato rispetto ad uno verticale presenta le seguenti caratteristiche e adatto quando non possibile scavare troppo in profondit per la presenza di uno strato roccioso o l intercettazione della linea di falda e Necessita di superfici di installazione maggiori Questo pu rappresentare un problema quando le metrature di terreno disponibile sono ridotte e Per quanto riguarda un digestore verticale di uguale volume ha una superficie pi grande esposta all atmosfera e quindi il suo isolamento minore Pu essere un vantaggio nel caso di regioni assolate per aumentare la temperatura interna del digestore e Tl refluo in digestione tende a formare u
239. unque a Nord ben irraggiato Il 21 Giugno in particolare la radiazione assorbita dalla parete Sud quasi eguaglia quella assorbita dalla copertuta in agrofilm Va ricordato che la parete Sud come anche le parete laterali pu beneficiare di un doppio affaccio e quindi anche nei periodo di assenza di radiazione diretta su un lato rimane comunque una componente rilevante di radiazione diffusa La radiazione diffusa specifica per unit di superficie stata assunta costante ed indipendente dalla giacitura delle pareti data la notevole estensione della parete Sud rispetto alle altre tale contributo risulta tutt altro che trascurabile vedere Tabella 5 4 La radiazione assorbita dalla parete Nord presenta un regolare andamento parabolico durante tutto l anno L entit modesta del valore di radiazione prevalentemente dovuta al fatto che la superficie della parete ridotta e inoltre per le assunzioni fatte la parete Nord irraggiata solo sul lato esposto verso l esterno 131 Analisi dei risultati e conclusioni Le pareti laterali presentano un andamento speculare tra loro e pressoch costante durante l anno nelle ore anti meridiane la radiazione assorbita dalla parete Est raggiunge il suo massimo in quanto 6 presente la componente diretta Analogamente questo accade nelle ore post meridiane per la parete Ovest Dai Grafici 5 4 e 5 5 possibile notare come nei mesi in cui il Sole culmina a Nord al mezzogiorno ciascuna pare
240. upporto e sussidi governativi caso di Cina e India e Difficolt tecnica nella costruzione del digestore realizzata proficuamente solo da personale qualificato Difficolt di manutenzione e sostituzione di parti del digestore per il difficile reperimento di alcuni materiali e le competenze necessarie 60 Materiali e metodi e Necessit di una efficiente organizzazione centrale che preveda momenti di formazione All inizio il digestore tubolare era costruito in neoprene o altre membrane ricavate dagli scarti della produzione di alluminio La lamina saldata termicamente per darle la forma tubolare L operazione di saldatura deve essere effettuata con cura per evitare qualsiasi fuoriuscita di liquidi o gas durante il funzionamento del digestore e necessita di macchinari particolari di scarsa diffusione Negli anni successivi si iniziato a lavorare con PVC il digestore viene costruito unendo diverse membrane di PVC mediante saldatura incollaggio Uno dei vantaggi del PVC consiste proprio nella disponibilit di materiali collanti sufficientemente forti a welding sheets together half circle for cone end Figura 3 1 Assemblaggio del digestore in materiale plastico Il design stato in seguito ulteriormente semplificato in progetti effettuati in Etiopia Colombia e Vietnam da Thomas Preston ed i suoi colleghi Questo tipo di digestore prevede l impiego di fogli di polietilene a bassa densit
241. volte il tempo di ritenzione idraulica dei due digestori HRT volume utile ART alimentazione giornaliera 10000L 7596 6700L 75 HRT gt 62 giorni HRT 59 giorni giorno giorno Strumentazione vedere Allegato A1 con i dettagli dei singoli strumenti STRUMENTO PARAMETRO MISURATO MODALIT Data Iogear Asta graduata Volume di biol prodotto ogni giorno Contatore del gas Volume di biogas prodotto consumato 3 5 2 Attivit di monitoraggio in campo progetto amp gi in possesso dei dati di temperatura relativi ai primi 3 mesi di funzionamento del primo digestore 1 dati sono stati raccolti dall Ing Vladimir Morales Romero per mezzo della sua personale strumentazione che consiste di 4 sensori di temperatura e 2 data logger Questa apparecchiatura installata dal giorno 18 dicembre 2012 nel secondo digestore e rimarr li per tutta la durata del monitoraggio Per tale ragione si reso necessario acquisire le stesse apparecchiature 4 sensori di temperatura e 2 data logger per il monitoraggio del primo digestore e continuare la valutazione di entrambi i digestori sul lungo periodo come si prefigge il progetto 90 Materiali e metodi Il processo di monitoraggio consiste di 1 Misurazione della temperatura in continuo per l intero periodo di monitoraggio con i 4 sensori gi installati nel secondo digestore ed 1 4 che verranno acquistati ed inst
242. zzata una semplice vagliatura e per gli insilati pu essere prevista un eventuale riduzione della pezzatura I sistemi ad umido operano generalmente con carichi organici contenuti attorno ai 2 4 kgSV m d 2 8 4 Numero di stadi 51 ricorda brevemente che il processo di digestione anaerobica avviene secondo le quattro fasi biochimiche principali che avvengono sia simultaneamente sia in modo sequenziale ciascuna caratterizzata da un proprio metabolismo e da ottimali condizioni in termini di temperatura a pH La separazione delle fasi tanto pi opportuna quanto pi 1 substrati alimentati sono particolati e complessi e richiedono una spinta ed efficace fase di idrolisi ed acidogenesi coltivazioni energetiche FORSU Trattamenti monostadio Nello schema del trattamento monostadio tutte le quattro fasi della digestione anaerobica avvengono nello stesso reattore e il biogas viene raccolto nel digestore Per impianti che trattano reflui agro zootecnici importante disporre di una struttura al contempo semplice e solida cosicch l agricoltore possa mettere mano direttamente all impianto se necessario Per questo motivo gli impianti monostadio sono diffusi in questo settore anche se presentano una minore flessibilit e devono operare in condizioni il pi possibile costanti Questa configurazione utilizzata nel caso di fermentazione di colture energetiche che vengono alimentate direttamente nel digestore Questi digestori operano con el

Tesi di Laurea - Associazione Ingegneri Ambiente e Territorio

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