IT201800008006A1

IT201800008006A1 - Un processo di digestione anaerobica a fasi separate con un ricircolo dinamico di digestato

Info

Publication number: IT201800008006A1
Application number: IT102018000008006A
Authority: IT
Inventors: Marco Gottardo; Paolo Pavan; Cristina Cavinato; Federico Micolucci; David Bolzonella; Mauro Majone; Francesco Valentino
Original assignee: Universita' Ca' Foscari Venezia; Università Degli Studi Di Verona; Universita' Degli Studi Di Roma "La Sapienza"
Priority date: 2018-08-09
Filing date: 2018-08-09
Publication date: 2020-02-09
Also published as: EP3833769A1; WO2020031094A1

Description

DOMANDA DI BREVETTO PER INVENZIONE INDUSTRIALE DAL TITOLO:

UN PROCESSO DI DIGESTIONE ANAEROBICA A FASI SEPARATE CON UN RICIRCOLO DINAMICO DI DIGESTATO

CAMPO DELL’INVENZIONE

La presente invenzione si riferisce al campo dei processi di digestione anaerobica a fasi separate, in particolare con ricircolo di digestato.

STATO DELL’ARTE

In generale un processo di digestione anaerobica a fasi separate si compone di due fasi: dalla prima fase (la fermentazione) il substrato organico alimentante il processo viene convertito in una miscela gassosa, costituita principalmente da diossido di carbonio ed idrogeno gassoso, e da un effluente liquido, noto come fermentato, ricco di carbonio organico in forma solubile, come Acidi Grassi Volatili (VFA), alcoli, acido lattico ed altri composti a catena più lunga. Il fermentato prodotto o parte di questo (nel caso di recupero di VFA) successivamente viene alimentato nella seconda fase (la digestione) da cui si ottiene biogas ed un effluente liquido (il digestato).

L’impiego di processi di digestione anaerobica a fasi separate nel trattamento di rifiuti organici sono ampiamente descritti e consolidati. In questo campo trovano applicazione diversi metodi per la produzione di biogas e di precursori delle materie bioplastiche, come i VFA.

L’idrogeno miscelato al metano, noto anche come idrometano, rappresenta un carburante di seconda generazione per motori a combustione interna, che permette maggiori performance rispetto al tradizionale CNG e minori emissioni di inquinanti in atmosfera. I VFA trovano attualmente un grosso interesse sia nel settore depurativo, come carbonio di supporto ai processi biologici di rimozione dell’azoto e di rimozione e recupero di fosforo dalle acque reflue civili ed industriali, sia nel settore della produzione di bioplastiche.

Allo scopo di evitare l’inibizione dei processi di fermentazione o un cambio metabolico del processo fermentativo verso sottoprodotti meno appetibili, come acido lattico ed alcoli, e riduzione di idrogeno gassoso prodotto, è necessario controllare e mantenere il pH nel mezzo di reazione del fermentatore in un range compreso tra 5 e 6, con un valore ottimale di 5.5 (Micolucci et al., “Automatic process control for stable biohythane production in two phase thermophilic anaerobic digestion of food waste” International Journal of Hydrogen Energy 2014, 39, 17563 – 17572). Tale controllo si può ottenere mediante l’addizione di sostanze chimiche (basi) o attraverso il dosaggio di digestato ricircolato (Fig. 1). Tra questi metodi, l’utilizzo del ricircolo del digestato è la soluzione più economica che, però, richiede particolare attenzione al fine di evitare un accumulo eccessivo di ammoniaca nel sistema con conseguente inibizione sia dello stesso processo fermentativo che di quello metanogenico.

È stato dimostrato (e.g. Micolucci et al.,2014) che mantenendo stabile la portata di ricircolo, ossia operando con un rapporto di ricircolo (RR) fisso, il processo non dà garanzie di stabilità nel lungo periodo di esercizio. Nello stesso lavoro (Micolucci et al., 2014), gli autori hanno evidenziato come il processo possa mantenersi stabile operando con un RR variabile ma in quel caso il RR veniva deciso di giorno in giorno dall’operatore sulla base del valore di pH nel fermentatore e dell’andamento settimanale del contenuto di ammoniaca nel digestore, determinato analiticamente. In Gottardo et al. (“Dark fermentation optimization by anaerobic digested sludge recirculation: effects on hydrogen production”. Chemical Engineering Transactions 2013, Vol 32, 997 – 1002) è stato studiato l’effetto di un RR fisso nella stabilità di un processo di digestione anaerobica a fasi separate, evidenziando come anche il processo fermentativo risenta in negativo dell’effetto inibitorio causato dall’accumulo di ammonica generato da un RR statico.

In un secondo studio condotto da Gottardo et al., (“Pilot scale fermentation coupled with anaerobic digestion of food waste – Effect of dynamic digestate recirculation” Renewable energy 2017, 114, 455–463.), la prova che ha prodotto il miglior risultato era caratterizzata da un rapporto di ricircolo oscillato automaticamente tra due valori prestabiliti (0.5 e 0.7) con una frequenza temporale trisettimanale ; in questo caso, il contenuto di ammoniaca nel digestore è risultato elevato (1.5 g N-NH4<+>/L) e prossimo al livello di inibizione della componente metanigena.

CN104866913 descrive un metodo per predire la concentrazione di azoto ammoniacale in un fermentatore anaerobico in un processo con ricircolo. Il metodo può facilmente prevedere il cambiamento dinamico della concentrazione di azoto ammoniacale nel fermentatore con l'aumento del tempo di ricircolo attraverso una formula basata sull’azoto totale e del volume del carico in entrata.

Risulta pertanto evidente la necessità di operare un processo di digestione anaerobica a fasi separate con un ricircolo di digestato dinamico, la cui variabilità venga dedotta con lo scopo di soddisfare contemporaneamente le due condizioni sopracitate, ovvero di mantenere il pH nel fermentatore ad un valore prossimo a 5.5 ed il contenuto ammoniacale nel digestore al di sotto della soglia di inibizione a carico della componente metanigena.

SOMMARIO DELL’INVENZIONE

Oggetto della presente invenzione, in riferimento alla Fig.2, è un processo di digestione anaerobica a fasi separate con un ricircolo dinamico di digestato, detto processo comprendente un flusso di alimento (Q0) e caratterizzato dal fatto che il flusso di digestato ricircolato (QR) più appropriato è stabilito in maniera dinamica durante il processo attraverso un algoritmo in base a degli input provenienti da un sistema di sonde; detto sistema di sonde comprendente un pHmetro (a1) nel reattore di fermentazione, un pHmetro (a2) e una sonda di conducibilità (b2) nel reattore di digestione, detto algoritmo essendo il seguente:

- se il pH del mezzo di reazione nel fermentatore (pHa1), indicato dalla sonda (a1), è inferiore a 5.2, allora QR=Q0 e quindi il Rapporto di Ricircolo (RR), definito come il rapporto QR/Q0, è 1;

- se pHa1 è superiore a 5.7, allora QR=0 e quindi il RR è 0 (zero);

- se pHa1 è compreso fra 5.2 e 5.7, allora QR, e di conseguenza anche il RR, è stabilito in base all’equazione (I)

dove, [NH3]Set è il valore di concentrazione di ammoniaca totale del mezzo di reazione nel digestore fissato (Set) al di sotto della soglia di inibizione a carico della componente metanigena, [NH3]Pred è il valore di concentrazione di ammoniaca totale del mezzo di reazione nel digestore predetto (Pred) dalla equazione (II)

dove pHa2 è il pH indicato dal pHmetro (a2) nel digestore e Cb2 è in valore di conducibilità indicato dalla sonda di conducibilità (b2) nel digestore.

La presente invenzione presenta le seguenti caratteristiche vantaggiose:

- La gestione automatica del processo di fermentazione per:

o l’avviamento del processo (start up)

o la stabilizzazione in caso di shock o

o il mantenimento delle condizioni ottimali del processo.

- Il controllo dei parametri – pH e conducibilità elettrica – effettuato in linea e in continuo non con test puntuali o di titolazione;

- Le facilità di utilizzo delle sonde per le misurazioni dei parametri on line e in continuo;

- La stima della concentrazione di ammoniaca effettuata con modello matematico;

- Il controllo della porzione di ricircolato sulla base della stima di concentrazione di ammoniaca.

L’applicazione del sistema di controllo secondo la presente invenzione ha permesso di migliorare le performance di produzione del processo di DA a fasi separate, rispetto a quelle ottenute in passato, mantenendo allo stesso tempo un’alta resilienza di processo ed una rapida ed automatica capacità di ripristino a seguito di condizioni di stress dovute a forze esterne

Il metodo di controllo secondo la presente invenzione, data la sua semplicità, richiede costi di investimento e di gestione minimi e permette di controllare il processo di digestione anaerobico senza l’ausilio di interventi esterni anche in condizioni di transiente (come ad esempio durante lo start up del processo o un cambio di alimento).

Oggetto della presente invenzione è anche un apparato, in riferimento alla fig. 4, per la digestione anaerobica a fasi separate con un ricircolo dinamico di digestato secondo il processo dell’invenzione, detto apparato comprendente:

un fermentatore (100), dove condurre una reazione di fermentazione anaerobica, detto fermentatore comprendente un pHmetro (a1), un ingresso per un flusso di alimentazione (Q0 opzionalmente miscelato con QR), un’uscita per i gas prodotti dalla fermentazione e un’uscita per il fermentato;

un digestore (101), dove condurre una reazione di digestione anaerobica, detto digestore comprendente un pHmetro (a2), una sonda di conducibilità (b2), un ingresso in comunicazione fluida con l’uscita del fermentato, un’uscita per i gas prodotti dalla digestione e un’uscita per il digestato in comunicazione fluida con il flusso di alimento (Q0);

mezzi di comando e controllo (103) funzionalmente connessi a tutti i componenti da attivare disattivare, e a quelli destinati a rilevare ed a fornire informazioni e/o dati.

BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE FIG. 1 - Schema di un processo di digestione anaerobica a fasi separate con un ricircolo di digestato secondo lo stato dell’arte

FIG. 2 - Schema di un processo di digestione anaerobica a fasi separate con un ricircolo dinamico di digestato secondo la presente invenzione

FIG. 3 – Algoritmo per la gestione dinamica del digestato ricircolato secondo la presente invenzione

FIG. 4 - Schema Impianto Pilota impiegato nelle forme di realizzazione della presente invenzione

FIG. 5 – A: Configurazione di processo adottata per le Run 1 e 2 dell’esempio 2; B: Configurazione di processo adottata per la Run 3 dell’esempio 2

FIG. 6 – A: Modello PCR (piano tratteggiato) nello spazio delle variabili: B: Risultati del modello PCR

FIG. 7 - Andamento di pH nel fermentatore e di ricircolo in forme di realizzazione del processo dell’invenzione

FIG. 8 - Andamento della concentrazione di azoto ammoniacale totale nel digestore e di ricircolo in forme di realizzazione del processo dell’invenzione

FIG. 9 - Andamenti della concentrazione di ammoniaca osservata e predetta dal modello nell’intero periodo di tempo della sperimentazione secondo la presente invenzione

FIG. 10 - Boxplot relativo alle produzioni specifiche riportate in Tabella 5 DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL’INVENZIONE

Nel processo secondo l’invenzione, dovendo essere il flusso totale (QTOT) di alimentazione al fermentatore costante (ovvero QTOT=2Q0), per valori di rapporto di ricircolo inferiori a 1, la quota di digestato non ricircolata rispetto al suo valore massimo viene sostituita da un’aggiunta di egual volume di un flusso di diluizione (Qa) che può essere rappresentato da acqua o altro rifiuto organico a basso tenore di solidi, ovvero Qa = Q0 - QR.

L’alimento per il processo secondo l’invenzione può essere preferibilmente scelto nel gruppo consistente di Rifiuto Organico Putrescibile come la Frazione Organica del Rifiuto Solido Urbano (FORSU) ed i fanghi provenienti dai trattamenti acque reflue, nonché rifiuti zootecnici ed agroindustriali.

Più preferibilmente l’alimento è FORSU, il quale può essere pretrattato mediante qualsiasi processo esistente allo stato dell’arte come ad esempio la macinazione, vagliatura e deferizzazione oppure mediante spremitura.

Secondo la presente invenzione la concentrazione di ammoniaca [NH3], sia essa Set o Pred, è espressa come azoto ammoniacale totale.

Preferibilmente secondo l’invenzione [NH3]Set è 0.70-1.3 g/L.

In caso l’alimento sia FORSU [NH3]Set è preferibilmente 0.73-0.77 g/L, più preferibilmente 0.74-0.76 g/L, ancora più preferibilmente 0.75 g/L.

L’algoritmo secondo la presente invenzione è rappresentato in schema a blocchi in Fig. 3.

Come si evince dallo schema a blocchi riportato in Fig. 3, l’algoritmo prevede un controllo a due livelli. Il primo livello utilizza l’informazione pervenuta dalla sonda di pH nel fermentatore (a1 – Fig.2) ed impone al sistema di gestione del ricircolo:

- nel caso il pH fosse inferiore al valore di 5.2, di ricircolare la quota massima stabilita (RR pari a 1);

- nel caso il pH fosse superiore al valore di 5.7, di sospendere il ricircolo (RR pari a 0).

Per la scelta dei valori limite di pH per il livello 1 dell’algoritmo di controllo, si è tenuto conto:

- di garantire al mezzo di reazione nel fermentatore di poter raggiungere velocemente una capacità tampone ideale da permettere una significativa riduzione nella variabilità del pH, nell’intorno del valore ottimale di 5.5, al variare del RR adottato,

- di garantire che la richiesta di intervento del livello 1 avvenga con una frequenza minima, preferenzialmente solo in occasioni di primo avviamento (start up) o ripristino a seguito di variazioni causate da eventi esterni.

Entrando maggiormente nello specifico, si è osservato, da prove sperimentali, come forzando, nelle fasi di avviamento o di ripristino del processo, il pH nel fermentatore ad assumere un valore compreso tra 5.2 e 5.7, è possibile, nella successiva fase di regime, ricondurre la gestione del RR esclusivamente in funzione del tenore di ammoniaca nel digestore (livello 2 dell’algoritmo di controllo) limitando significativamente il rischio che la variabilità del pH sia tale da compromettere la stabilità voluta del processo fermentativo e di conseguenza il ricorso ad un’ulteriore azione del livello 1 di controllo.

Anche la scelta di porre come valore massimo un RR unitario è riconducibile ad una logica che deriva da considerazioni di carattere sperimentale: è stato osservato, infatti, come con un RR maggiore di 1 si incorra facilmente nella proliferazione di biomassa metanigena, nel reattore di fermentazione, con il conseguente bioconsumo di VFA e Idrogeno.

Nel terzo caso, ovvero con un pH del fermentatore compreso nell’intervallo tra 5.2 e 5.7, la determinazione del RR, livello 2, viene ottenuta sulla base dei dati forniti dalle sonde di pH (a2 – Fig. 2) e conduttività elettrica (b2 – Fig. 2) presenti nel digestore. In base ai dati forniti da queste due sonde viene predetto il contenuto di ammoniaca nel mezzo di reazione del digestore. Tale predizione avviene mediante l’equazione (II) la quale è stata ottenuta attraverso un modello matematico conseguito mediante la metodologia di regressione multivariata nota come Principal Component Regression (PCR).

Stimato il contenuto di ammoniaca nel digestore attraverso il modello, il livello 2 dell’algoritmo imposta il valore di RR necessario per mantenere il contenuto di ammoniaca nel digestore prossimo ad un valore prestabilito ([NH3]Set); tale controllo viene ottenuto mediante un approccio di tipo proporzionale, attraverso l’equazione (I).

Entrando nello specifico dell’equazione (I), l’argomento compreso tra le parentesi tonde corrisponde all’intervallo tra il valore di concentrazione di ammoniaca fissato (Set) e quello predetto dal modello (Pred) (equazione (II)). Quindi la gestione del livello 2 non considera il valore di pH del fermentatore e per tale motivo agisce unicamente nel caso sia rispettata la condizione sopradescritta al livello 1.

Per quanto riguarda il sopracitato valore di concentrazione di ammoniaca al set point ([NH3]Set), nel caso in cui l’alimento è FORSU questo è stato impostato molto preferibilmente a 0.75 g/L; la scelta di tale valore è legata al fatto che diversi studi (Salerno et al, “Inhibition of biohydrogen production by ammonia.” Water Research 2006, 40, 1167 – 1172; Gottardo et al., “Dark fermentation optimization by anaerobic digested sludge recirculation: effects on hydrogen production”. Chemical Engineering Transactions 2013, Vol 32, 997 – 1002) hanno evidenziato come l’ammoniaca non solo possa inibire, ad elevate concentrazioni, l’attività metanigena nel digestore ma possa anche rallentare o addirittura inibire l’attività fermentante acidogenica, a partire già da valori di azoto ammoniacale totale nel fermentatore relativamente bassi (0.67 g/L). Sperimentalmente è stato osservato come mantenendo un contenuto di ammoniaca nel digestore nell’intorno del valore soprariportato è possibile evitare che l’ammoniaca nel fermentatore raggiunga valori potenzialmente inibitori per l’attività fermentante, con conseguente riduzione sia della produzione di idrogeno gassoso che di VFA.

Ovviamente nell’apparato secondo la presente invenzione il fermentatore (100) e il digestore (101) sono forniti di agitatore e mezzi di controllo della temperatura del mezzo di reazione.

Preferibilmente sia il fermentatore (100) che il digestore (101) sono costituiti da un reattore continuo completamente miscelato (CSTR).

Preferibilmente l’apparato secondo l’invenzione comprende quindi un primo condotto (104) di alimentazione al fermentatore, detto primo condotto in comunicazione fluida con l’ingresso al fermentatore; un secondo condotto (105) di alimentazione del digestore, detto secondo condotto in comunicazione fluida con l’uscita del fermentato e con l’ingresso del digestore; un terzo condotto (106) di ricircolo del digestato, detto terzo condotto in comunicazione fluida con l’uscita del digestato e con il primo condotto.

Preferibilmente l’apparato secondo l’invenzione comprende anche un sistema di pompe; preferibilmente comprendente almeno 3 pompe: una prima pompa (107) per la gestione del flusso di alimentazione in ingresso al fermentatore, una seconda pompa (108) per la gestione del flusso di fermentato dal fermentatore al digestore e una terza pompa (109) per la gestione del flusso di digestato.

Preferibilmente l’apparato secondo l’invenzione comprende anche almeno una valvola, preferibilmente una elettrovalvola (110) per la gestione del flusso di digestato ricircolato QR, detta valvola posizionata a valle della terza pompa (109) ovvero nella conduttura (106) di ricircolo del digestato.

Preferibilmente l’apparato secondo l’invenzione comprende inoltre un recipiente di miscelazione (111), anch’esso miscelato, comprendente un ingresso per il mezzo di diluizione (Qa) (e.g. acqua da rete idrica o altro rifiuto organico a basso tenore di solidi), un ingresso per il flusso di alimento (Q0) (pretrattato o no), un ingresso per il flusso di digestato ricircolato (QR) e un’uscita in comunicazione fluida con l’ingresso del fermentatore. Nel caso sia presente il recipiente di miscelazione (111) allora l’apparato presenta anche una quarta pompa (114) per la gestione del flusso di alimento (Q0) in ingresso al recipiente di miscelazione (111). Per la gestione del flusso del mezzo di diluizione Qa è utile una quinta pompa (115). Detta quinta pompa (115) può essere sostituita da un’elettrovalvola valvola a seconda che il mezzo di diluizione Qa sia un rifiuto organico a basso tenore di solido oppure acqua da rete idrica.

Preferibilmente l’apparato secondo l’invenzione comprende un recipiente intermedio (113) comprendente un ingresso in comunicazione fluida con l’uscita del fermentato dal fermentatore e un’uscita in comunicazione fluida con la seconda pompa (108). Detto recipiente intermedio (113) è vantaggiosamente presente per il recupero di fermentato da inviare ad altre linee (e.g. produzione di poliidrossialcanoati per bioplastiche) per l’utilizzo dei VFA.

Ovviamente l’apparato secondo l’invenzione comprende mezzi di alimentazione elettrica atti a fornire correnti e tensioni elettriche necessarie al funzionamento dei componenti che ne necessitano.

La presente invenzione potrà essere meglio compresa alla luce dei seguenti esempi realizzativi.

PARTE SPERIMENTALE

ESEMPIO 1 – Schema dell’impianto pilota

Al fine di verificare l’efficienza del sistema di controllo secondo la presente invenzione, è stato realizzato un impianto pilota costituito da 2 reattori di tipo CSTR (il fermentatore di 200 litri e il digestore di 760 litri) a cui sono stati applicati le sonde (a1, a2 e b2), come da descrizione soprariportata, e un mixing tank di 150 litri, utilizzato per la miscelazione dell’alimento con il digestato ricircolato (figura 4). Dal punto di vista meccanico, sono state utilizzate 5 pompe di tipo EP MIDEX, con attacchi da 1”1/4, 1400 Rpm ed una prevalenza massima di 27 metri.

Dal punto di vista elettrico, entrambi i reattori sono stati dotati di un quadro elettrico provvisto di controllo della temperatura, interruttore per l’agitatore, interruttore magnetotermico generale e salvavita.

Un quadro elettrico è stato previsto per la gestione delle pompe; questo è stato dotato di 5 teleruttori trifase, uno per ogni pompa. Un ulteriore quadro elettrico è stato adottato per l’alimentazione dell’Hardware di controllo; questo è stato realizzato con prese da 220V più un trasformatore 24V per collegamento jack-reed dei contatori gas e per il collegamento agli strumenti analitici.

Come sistema hardware è stato scelto il cRIO – compact Reconfigurable Input Output. Un sistema CompactRIO (cRIO) è un hardware device costituito da uno chassie e un controller con un processore caratterizzato da una matrice programmabile sul campo (FPGA), ovvero un circuito integrato progettato per essere configurato dall'utente via software. Nello chassie sono presenti uno o più moduli I/O (scambio di impulsi elettrici ovvero informazioni in o out) intercambiabili, condizionati dalla logica di programmazione LabVIEW (National Instruments) o da sorgenti esterne (sonde, motori, impulsi elettrici, sensori, etc.), i quali possono essere inseriti e gestiti dal processore. I moduli collegabili allo chassie del sistema cRIO offrono connettività diretta dei sensori utilizzati nel Sistema industriale che si vuole monitorare e/o controllare, nonché funzioni direttamente gestibili dal sistema software LabVIEW.

Il Sistema di controllo prevede la possibilità di monitorare i parametri di pH, temperatura e conducibilità elettrica tramite l’utilizzo di sonde direttamente collegate al cRIO attraverso moduli analogici con lettura in ingresso (input analogici, AI). L’utilizzo di moduli digitali (output digitali, DO) permette il controllo di impulsi elettrici per l’attivazione delle pompe e valvole di controllo. Moduli di tipo analogici con segnale in uscita (output analogici, AO) permettono il controllo della frequenza di lavoro delle pompe o altri tipi di strumentazioni che prevedono come fonte di manovra un segnale analogico.

Per quanto riguarda i misuratori di pH utilizzati, sono state scelte le sonde fornite dalla Mettler Toledo, adatte ad essere immerse in matrici aggressive e grasse. Queste sono infatti dotate di una porta sonda che evita il contatto diretto tra l’elettrodo ed il substrato presente nei reattori. Per ogni sonda è stato previsto un analizzatore con uscita a 4 - 20mA che permette di trasmettere un segnale analogico, inviato poi ad un sistema di raccolta dati.

Per quanto riguarda la misura di conducibilità, vista la natura aggressiva della matrice da analizzare, si è preferito optare per una sonda di conducibilità ad induzione fornita dalla Mettler Toledo. Il sensore è formato da due bobine metalliche a nastro: la bobina guida viene utilizzata per produrre una corrente nel mezzo, la seconda è una bobina di rilevazione che viene utilizzata per misurare la corrente nella soluzione di processo. La grandezza di questa corrente è proporzionale alla conducibilità della soluzione stessa.

La sonda di conducibilità è stata immersa all’interno del reattore e posizionata ad almeno 5 cm di distanza da pareti e agitatore, al fine di evirare interferenze ed ottenere una misura più accurata e precisa.

ESEMPIO 2 – CONDIZIONI OPERATIVE

Per valutare il metodo di controllo secondo l’invenzione, questo è stato applicato a due differenti configurazioni: la prima (Run 1 e 2) consiste nel sistema classico del processo DA a fasi separate, ovvero nel quale tutto il fermentato dal fermentatore (100) prodotto viene alimentato nel digestore (101) (figura 5A). In questo caso si ha come prodotto la miscela di idrometano.

La seconda configurazione (Run 3) è stata pensata per il contemporaneo recupero di VFA e idrometano; questo è possibile andando a trattare una parte del fermentato mediante un sistema di separazione solido – liquido (centrifugazione). In uscita dall’unità di separazione si ottiene una frazione liquida ricca in VFA da inviare ad eventuali altri processi (come produzione di PHA) ed una frazione più ricca in solidi (“Cake”) da inviare insieme alla quota di fermentato non trattato a digestione anaerobica (Figura 5B).

Nella prima configurazione, la distinzione della Run 1 con la Run 2 è riconducibile al cambiamento di tipologia di pretrattamento del substrato utilizzato, ovvero la frazione organica del rifiuto solido urbano (FORSU): nella Run 1, la FORSU è stata pretrattata mediante un approccio di tipo Wet Refine (WR) mentre nella Run 2 il pretrattamento è avvenuto mediante Pressatura.

Il primo approccio di pretrattamento consiste sostanzialmente in una serie di operazioni meccaniche volte alla rimozione di plastiche (vaglio), metallo (deferrizzatore) e riduzione della pezzatura (macinazione). Il secondo approccio, invece, consiste nella “spremitura” della FORSU, producendo una fase “liquida” denominata “spremuto” da inviare direttamente al trattamento anaerobico. Date le due diverse nature di pretrattamento, i due substrati ottenuti hanno evidenziato caratteristiche differenti (Tabella 1 e 2).

Tabella 1: Caratteristiche chimico – fisiche FORSU pretrattata con metodo Wet Refine

Tabella 2: FORSU pretrattata mediante Pressatura

Dal confronto tra le due tabelle è possibile evidenziare come:

- la FORSU spremuta presentava, a differenza di quella pretrattata mediante metodo di WR, un pH acido ed un contenuto significativo di acidi grassi volatili.

- la frazione di carbonio biodegradabile (esprimibile come TVS o COD) contenuta nel rifiuto secco è risultata più elevata nella FORSU spremuta.

Tali aspetti sono importanti in quanto possono giustificare come il cambiamento del substrato possa produrre una variazione di operatività del sistema; tale cambiamento è stato pertanto adottato al fine di verificare la risposta del controllo ad una variazione di una condizione operativa.

Le condizioni operative sono riportate nella tabella 3.

Tabella 3: Principali parametri operativi adottati nella sperimentazione (HRT = tempo di residenza Idraulico; OLR = Carico Organico Volumetrico; T= Temperatura di esercizio).

ESEMPIO 3 – ESECUZIONE DEL PROCESSO SECONDO L’INVENZIONE

L’equazione (II) è stata ottenuta attraverso un modello matematico conseguito mediante la metodologia di regressione multivariata nota come Principal Component Regression (PCR). Questo metodo si basa sull'idea di rappresentare lo spazio dei predittori con un numero ridotto di componenti principali, recuperando il massimo di informazione utile ed eliminando una parte marginale di informazione, ovvero quella legata alle direzioni di minima varianza, ritenuta non importante. L'impiego in regressione di componenti principali come variabili indipendenti ha il vantaggio di bilanciare l'importanza delle variabili indipendenti originali, in quanto il contributo di molte variabili "simili" viene unificato in un'unica componente. Un ulteriore vantaggio di questo approccio alla regressione è quello di superare le problematiche legate alla possibile condizione di multicollinearità tra le variabili esplicative: nel caso infatti queste siano altamente correlate tra loro, i coefficienti di regressione calcolati possono spesso risultare instabili e le statistiche per la valutazione del modello, errate.

Quindi il primo step della sperimentazione è stato quello di determinare i coefficienti del modello; a tale scopo sono state eseguite delle prove in scala laboratorio che hanno permesso di correlare le misure di pH e conducibilità all’aumentare della concentrazione di ammoniaca nel mezzo di reazione del digestore. Dai dati acquisiti è stato possibile realizzare la matrice dei dati da cui si è elaborato il modello (equazione (II)).

L’elaborazione del modello è avvenuta mediante l’utilizzo del software statistico open source R (versione 3.1.3). La figura 6A riporta graficamente il modello (il piano tratteggiato) nello spazio tridimensionale costituito dalle variabili considerate.

Per verificare la significatività del modello sono state condotte diverse analisi; in primo luogo è stato determinato sia il valore di R<2 >che di R<2 >aggiustato; entrambi i parametri sono risultati pari a 0.988.

Al fine di verificare la significatività nella regressione per ciascuna delle variabili esplicative adottate, è stato condotto un test ANOVA che ha evidenziato come questa sia risultata significativa, ovvero che il coefficiente di regressione sia risultato significativamente differente da 0, per entrambe le variabili esplicative (figura 6B). Inoltre, è stato condotto un test F che ha verificato l’accettabilità nell’assunzione di significatività della regressione individuata dal modello nel suo complesso (p- value < 2.2e-16).

La sperimentazione ha avuto una durata complessiva di 302 giorni: i primi 100 giorni sono stati impiegati per la Run 1, i successivi 102 giorni per la Run 2 ed i rimanenti 100 giorni per la Run 3.

La figura 7 riporta l’andamento di pH nel mezzo di reazione del fermentatore in funzione del RR adottato.

Dalla figura 7 si evince chiaramente come il livello 1 di controllo sia stato chiamato in causa, come atteso, esclusivamente nei primi giorni di esercizio della Run 1, ovvero nella fase di start up, e nei primi giorni della Run 2, ovvero a seguito del cambio di alimentazione. In altre parole, si può osservare come, in condizioni di stabilità, il pH del fermentatore si sia assestato attorno al valore ottimale di 5.5 gestendo il RR esclusivamente sulla base del contenuto ammoniacale presente nel digestore (livello 2). Ciò è stato possibile solo grazie all’intervento del livello 1 di controllo nelle fasi di avviamento e ripristino del processo che ha garantito il rapido raggiungimento, nel mezzo di reazione del fermentatore, di una capacità tampone ideale per ridurre significativamente la variabilità del pH nell’intorno al valore ottimale, al variare del RR.

La figura 8 riporta l’andamento di azoto ammoniacale totale nel digestore in funzione del RR adottato.

Come si evince dalla figura 8, il controllo del livello 2 ha efficacemente gestito il contenuto ammoniacale nel digestore, come dimostrato dal valore medio osservato, ovvero determinato analiticamente come azoto ammoniacale totale, che si è assestato a 756 mg/L (si ricorda che il valore di set point assegnato era di 750 mg/L). Chiaramente, il merito di tale accuratezza è in grande parte riconducibile al modello che ha permesso di predire in maniera ottimale le concentrazioni di ammoniaca nel digestore; a riprova di questo, la figura 9 riporta gli andamenti di ammoniaca osservata e predetta dal modello nell’intero periodo di sperimentazione.

Confrontando i valori di concentrazione di ammoniaca osservata con quelli di concentrazione di ammoniaca predetta dal modello, è stato possibile calcolare lo SDEP (Standard Deviation Error in Prediction) e la percentuale di varianza spiegata dal modello in predizione (Q<2>); questi parametri sono stati quindi confrontati con quelli ottenuti dai tre modelli studiati in Micolucci et al. (2014).

Tabella 4: Confronto tra prestazioni in predizione del modello prodotto in questo studio con i modelli presenti in Micolucci et al. (2014)

La tabella 4 evidenzia come il modello dedotto nel presente studio presenti una capacità previsionale decisamente migliore rispetto ai modelli ricavati nel precedente studio.

● CONCLUSIONI

Le sperimentazioni descritte nelle pagine precedenti hanno permesso di verificare la fattibilità del sistema di controllo proposto nel gestire adeguatamente il processo di DA a fasi separate, sia nella sua configurazione classica, applicata per le Run 1 e 2, ove l’intera produzione di VFA viene utilizzata per la produzione di metano, sia con una configurazione alternativa, applicata nella Run 3, pensata per il contemporaneo recupero di VFA e bioidrometano. Inoltre, il sistema di controllo è stato posto anche nella condizione di gestire un cambio nella tipologia di substrato riuscendo a riportare il sistema nella condizione di esercizio senza necessità di alcun intervento esterno.

Per finire, in questa seconda parte della discussione, si confronteranno i risultati ottenuti dal processo presente con i risultati evidenziati in due studi precedenti (Micolucci et al., 2014 e Gottardo et al., 2017). Per poter confrontare le tre sperimentazioni, delle tre prove condotte nello studio presente si andrà a considerare esclusivamente la Run 1, in quanto è quella operante alle medesime condizioni operative e caratteristiche di substrato di quelle dei due studi precedentemente citati.

Nello studio Micolucci et al. (2014), il rapporto di ricircolo<1 >veniva deciso di giorno in giorno dall’operatore sulla base del valore di pH nel fermentatore e dell’andamento settimanale del contenuto di ammoniaca nel digestore, determinato analiticamente; nello studio Gottardo et al., (2017), invece, il rapporto di ricircolo veniva gestito automaticamente facendolo variare tra due valori prestabiliti con una determinata frequenza temporale.

Nelle figure 7 e 8 è possibile evidenziare come il sistema di controllo della presente invenzione abbia mantenuto mediamente, salvo nella fase di start up, un rapporto di ricircolo pari a 0.5 con un valore massimo e minimo rispettivamente di 0.59 e 0.41. Anche in Micolucci et al. (2014), il rapporto di ricircolo è stato mediamente di 0.5 tuttavia si evidenziano in questo caso ampie oscillazioni di RR come dimostrato dai valori minimi e massimi, anche prolungati nel tempo, di rispettivamente 0 e 0.7. In Micolucci et al. (2014), il contenuto di azoto ammoniacale totale nel digestore è

<1 >Solo In Micolucci et al (2014) il rapporto di ricircolo è stato determinato come il rapporto tra la quota di ricircolo aggiunta al flusso alimentante e la portata totale alimentante

risultato più elevato di quello registrato nella presente sperimentazione (1.2 g/L vs 0.745 g/L) ma comunque al di sotto del valore limite per la inibizione della componente metanigena (indicativamente 1.8 g/L). Quello che si può evidenziare però è che in Micolucci et al. (2014) il pH del fermentatore è risultato mediamente pari a 5.2, ovvero coincidente con il limite inferiore del livello di controllo 1 della presente invenzione, e più distante dal valore ottimale (5.5) rispetto a quello rilevato nella presente sperimentazione (5.48). In Micolucci et al. (2014), l’alta concentrazione di ammoniaca nel digestore ed il basso valore di pH nel fermentatore hanno di fatto reso particolarmente problematico il controllo del sistema, cosa che ha obbligato l’operatore a dover continuamente aggiustare uno dei due parametri andando così però ad inficiare negativamente sull’altro. Nello studio condotto da Gottardo et al. (2017), l’unica condizione operativa che ha permesso di mantenere stabile il processo è stata quella in cui il RR è stato fatto variare tra il valore di 0.5 ed il valore di 0.7 con frequenza trisettimanale. Dato il più alto rapporto di ricircolo adottato, il contenuto di azoto ammoniacale totale nel digestore in Gottardo et al (2017) è risultato elevato (1.5 g/L) e prossimo al livello di inibizione della componente metanigena. A dispetto di ciò, il pH del fermentatore in Gottardo et al. (2017) è risultato (5.3) pressoché simile a quello osservato in Micolucci et al. (2014). Osservando le rese specifiche per i tre prodotti del processo (tabella 5 e Figura 10), si può notare come la sperimentazione attuale abbia avuto le migliori produzioni specifiche, sia in termini di gas prodotto che in termini di VFA (inteso come intero flusso di massa prodotto dal fermentatore).

Tabella 5: Produzioni medie specifiche e risultati del Duncan – Waller post – hoc test. Per le medie aventi apici differenti è rifiutata l’ipotesi nulla H0 con α = 0.05.

Dalla tabella 5 e figura 10, infatti, si evince come le produzioni specifiche associate al processo fermentativo siano risultate significativamente (ANOVA, Duncan – Waller post – hoc test, α = 0.05) più alte nel presente studio rispetto a quelle rilevate sia in Micolucci et al. (2014) che in Gottardo et al. (2017).

Ciò può essere dovuto sia al fatto che per lo studio presente, il valore di pH del fermentatore è risultato più vicino al valore ottimale (5.5) rispetto a quello osservato nei due precedenti studi, sia al fatto che la concentrazione di azoto ammoniacale totale nel fermentatore sia risultata in entrambi gli studi precedenti, più elevata (0.705 g/L e 0.687 g/L rispettivamente per Micolucci et al. (2014) e Gottardo et al. (2017) vs 0.555 g/L rilevato nel presente studio). A tal proposito si ricorda che Gottardo et al. (2013) avevano evidenziato una riduzione delle prestazioni del fermentatore a partire da un contenuto di azoto ammoniacale totale nel fermentatore di 0.67 g/L.

Dalla tabella 5 si evidenzia anche un netto miglioramento di prestazioni del digestore nella presente sperimentazione rispetto ai due studi precedenti; infatti nella sperimentazione attuale è stata osservata una produzione specifica media di metano significativamente superiore (ANOVA, Duncan – Waller post – hoc test, α = 0.05) rispetto a quelle registrate in Micolucci et al. (2014) e Gottardo et al. (2017). Ciò è in linea con i risultati ottenuti da Gottardo et al. (2017) i quali hanno evidenziato una connessione tra la gestione del fermentatore, ed in particolar modo il pH, e l’efficienza di conversione del substrato a biogas nel digestore.

Date le maggiori produzioni specifiche relative ai prodotti di natura gassosa, anche per la miscela complessiva, il idrometano, la produzione specifica è risultata maggiore (ANOVA, Duncan – Waller post – hoc test, α = 0.05) nel caso presente rispetto ai due studi precedenti (mediamente 0.69 m<3>/KgTVSALIM e 0.79 m<3>/KgTVSALIM, rispettivamente per Micolucci et al. (2014) e Gottardo et al. (2017) vs 0.88 m<3>/KgTVSALIM rilevato nello studio attuale).

In conclusione, l’applicazione del sistema di controllo proposto ha permesso di migliorare le performances di produzione del processo di DA a fasi separate, rispetto a quelle ottenute in passato, mantenendo allo stesso tempo un’alta resilienza di processo ed una rapida ed automatica capacità di ripristino a seguito di condizioni di stress dovute a forze esterne.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Un processo di digestione anaerobica a fasi separate con un ricircolo dinamico di digestato, detto processo comprendente un flusso di alimento (Q0) e caratterizzato dal fatto che il flusso di digestato ricircolato (QR) più appropriato è stabilito in maniera dinamica durante il processo attraverso un algoritmo in base a degli input provenienti da un sistema di sonde; detto sistema di sonde comprendente un pHmetro (a1) nel reattore di fermentazione, un pHmetro (a2) e una sonda di conducibilità (b2) nel reattore di digestione, detto algoritmo essendo il seguente: - se il pH del mezzo di reazione nel fermentatore (pHa1), indicato dalla sonda (a1), è inferiore a 5.2, allora QR=Q0 e quindi il Rapporto di Ricircolo (RR), definito come il rapporto QR/Q0, è 1; - se pHa1 è superiore a 5.7, allora QR=0 e quindi il RR è 0 (zero); - se pHa1 è compreso fra 5.2 e 5.7, allora QR, e di conseguenza anche il RR, è stabilito in base all’equazione (I)

dove, [NH3]Set è il valore di concentrazione di ammoniaca totale del mezzo di reazione nel digestore fissato (Set) al di sotto della soglia d’inibizione della componente metanigena, [NH3]Pred è il valore di concentrazione di ammoniaca totale del mezzo di reazione nel digestore predetto (Pred) dalla equazione (II)

dove pHa2 è il pH indicato dal pHmetro (a2) nel digestore e Cb2 è il valore di conducibilità indicato dalla sonda di conducibilità (b2) nel digestore; detto processo avente un flusso totale (QTOT) di alimentazione al fermentatore costante QTOT = 2Q0, così che per valori di rapporto di ricircolo inferiori a 1, la quota di digestato non ricircolata rispetto al suo valore massimo viene sostituita da un’aggiunta di egual volume di un flusso di diluizione (Qa) che può essere acqua o altro rifiuto organico a basso tenore di solidi, dove Qa = Q0 - QR.
2. Il processo secondo la rivendicazione 1 in cui l’alimento è selezionato nel gruppo consistente di Rifiuto Organico Putrescibile, preferibilmente selezionato nel gruppo consistente di Frazione Organica del Rifiuto Solido Urbano (FORSU), fanghi provenienti dai trattamenti di acque reflue, rifiuti zootecnici ed agroindustriali.
3. Il processo secondo una qualunque delle rivendicazioni 1-2 in cui [NH3]Set è 0.70-1.3 g/L.
4. Un apparato per la digestione anaerobica a fasi separate con un ricircolo dinamico di digestato secondo il processo delle rivendicazioni 1-3, detto apparato comprendente: un fermentatore (100), dove condurre una reazione di fermentazione anaerobica, detto fermentatore comprendente un pHmetro (a1), un ingresso per un flusso di alimentazione (Q0 opzionalmente miscelato con QR), un’uscita per i gas prodotti dalla fermentazione e un’uscita per il fermentato; un digestore (101), dove condurre una reazione di digestione anaerobica, detto digestore comprendente un pHmetro (a2), una sonda di conducibilità (b2), un ingresso in comunicazione fluida con l’uscita del fermentato, un’uscita per i gas prodotti dalla digestione e un’uscita per il digestato in comunicazione fluida con il flusso di alimento (Q0); mezzi di comando e controllo (103) funzionalmente connessi a tutti i componenti da attivare disattivare, e a quelli destinati a rilevare ed a fornire informazioni e/o dati.
5. L’apparato secondo la rivendicazione 4 in cui il fermentatore (100) e il digestore (101) sono forniti di agitatore e mezzi di controllo della temperatura del mezzo di reazione.
6. L’apparato secondo una qualunque delle rivendicazioni 4-5, in cui sia il fermentatore (100) che il digestore (101) sono costituiti da un reattore continuo completamente miscelato (CSTR).
7. L’apparato secondo una qualunque delle rivendicazioni 4-6 comprendente inoltre un sistema di pompe; preferibilmente comprendente almeno 3 pompe: una prima pompa (107) per la gestione del flusso di alimentazione in ingresso al fermentatore, una seconda pompa (108) per la gestione del flusso di fermentato dal fermentatore al digestore e una terza pompa (109) per la gestione del flusso di digestato.
8. L’apparato secondo una qualunque delle rivendicazioni 4-7 comprendente inoltre almeno una valvola, preferibilmente una elettrovalvola (110) per la gestione del flusso di digestato ricircolato QR, detta valvola posizionata a valle della terza pompa (109), ovvero nella conduttura (106) del digestato ricircolato.
9. L’apparato secondo una qualunque delle rivendicazioni 4-8 comprendente inoltre un recipiente di miscelazione (111) comprendente un ingresso per il mezzo di diluizione Qa, un ingresso per il flusso di alimento (Q0), un ingresso per il flusso di digestato ricircolato (QR) e un’uscita in comunicazione fluida con l’ingresso del fermentatore e detto apparato comprendente inoltre una quarta pompa (114) per la gestione del flusso di alimento (Q0) in ingresso al recipiente di miscelazione (111); detto apparato comprendente inoltre una quinta pompa (115) per la gestione del flusso di diluizione (Qa) in ingresso al recipiente di miscelazione (111).
10. L’apparato secondo una qualunque delle rivendicazioni 4-9 comprendente inoltre un recipiente intermedio (113) comprendente un ingresso in comunicazione fluida con l’uscita del fermentato dal fermentatore e un’uscita in comunicazione fluida con la seconda pompa (108).