Impianto integrato di digestione anaerobica e compostaggio per la produzione di energia elettrica e biometano in area ad alta urbanizzazione Giorgio Ghiringhelli ghiringhelli@arsambiente.it, Michele Giovini - ARS ambiente Srl, Gallarate, Varese Paolo Pagani, Alfredo Amman - AMGA Legnano Spa, Milano Riassunto In questo lavoro viene presentato l’impianto tecnologico che AMGA Legnano Spa intende realizzare nell’Altomilanese e che permetterà, anche in un ambito fortemente urbanizzato, di trasformare la frazione organica dei rifiuti urbani (Forsu) in biogas e biometano, da impiegare per produrre energia elettrica ed alimentare mezzi di trasporto. Partendo dalla descrizione dei processi e tecnologie scelte, vengono approfonditi i vantaggi ambientali ed economici risultanti dall’elevata integrazione operativa delle diverse fasi di processo. Summary This work is focused on the anaerobic digestion facility to be built soon by AMGA Legnano Spa in the greater Milan area, a densely populated territory. It will convert food waste (FORSU) collected with a residential kerbside scheme to biogas and biomethane, to be used both in a CHP engine for electricity and heat production, and in a fuel station dedicated to CNG powered waste collection trucks. Starting from the description of processes and chosen technologies, environmental and economic benefits related to the strong integration of processes are presented. 1. Introduzione AMGA Legnano Spa (Gruppo AMGA), azienda a capitale pubblico operativa nell’Altomilanese per la gestione calore, l’igiene urbana, il global service ed altri servizi pubblici [1], ha progettato e completato l’iter autorizzativo, con il supporto di ARS ambiente Srl, di un centro integrato per la gestione rifiuti su area di proprietà in Legnano (MI), nel quale è previsto un impianto di digestione anerobica e compostaggio per il trattamento della frazione organica dei rifiuti urbani (Forsu) intercettata nel territorio di riferimento. La Forsu viene intercettata dalle utenze domestiche e assimilate attraverso raccolta “porta a porta” (ovvero domiciliare) mediante l’impiego di sacchetti biodegradabili. Il biogas prodotto sarà principalmente composto da metano (CH4, 35-70% del volume) ed anidride carbonica (CO2, 15-50% del volume) e da piccole quantità di idrogeno solforato (H2S) ed ammoniaca (NH3) [2]. Si prevede lo sfruttamento del biogas mediante tre modalità: – combustione diretta in caldaia, per la sola produzione di energia termica;
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– combustione in un cogeneratore, per la produzione combinata di energia termica ed elettrica. Il calore prodotto può essere ulteriormente sfruttato in sistemi ad assorbimento per la produzione di energia frigorifera (trigenerazione); – trattamento per la produzione di biometano (autotrazione e/o immissione nella rete gas). Il termine biometano si riferisce a un biogas che ha subito un processo di raffinazione per arrivare ad una concentrazione di metano del 95-98% ed è utilizzato come biocombustibile per veicoli a motore al pari del gas naturale (o metano fossile) e/o immissione nella rete del gas naturale (gas domestico o di città) [2]. La frazione solida estratta dall’impianto di digestione anerobica (digestato) sottoposta a processi di disidratazione ed essiccazione verrà inviata alla sezione di compostaggio dove, miscelata a scarti verdi triturati, permetterà, in condizioni di aerobiosi, di produrre compost di qualità (ammendante compostato misto). 2. Relazione 2.1 L’impianto di digestione anerobica e compostaggio 2.1.1 Descrizione delle componenti principali dell’impianto Il Centro Integrato per la Gestione Rifiuti progettato da AMGA Legnano SpA è un impianto polifunzionale composto da: – Impianto di digestione anaerobica della frazione organica dei rifiuti urbani (FORSU) con relativi pre- e post- trattamenti; – Impianto di compostaggio dedicato al trattamento del digestato essiccato, risultante dalla sezione di digestione anaerobica, e della frazione verde; – Impianto di depurazione; – Impianto di cogenerazione per la produzione di energia elettrica e calore da biogas; – Impianto per la produzione di biometano; – Edificio adibito a uffici, magazzino e laboratorio.
Fig. 1 – Rendering 3D dell’impianto (AMGA Legnano Spa)
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2.1.2 Schema di flusso L’impianto di digestione anaerobica e compostaggio si propone di trattare 40.000 t/anno di FORSU e 5.000 di scarti verdi. Si riporta in forma di schema di flusso il processo dell’impianto.
Fig. 2 – Schema di flusso semplificato dell’impianto (AMGA Legnano Spa)
2.1.3 Sezioni operative dell’impianto Di seguito sono riportate le sezioni operative principali dell’impianto: – Ricezione e stoccaggio; – Pretrattamenti materiali entranti; – Vasche di equalizzazione e polmone stoccaggio; – Digestione anaerobica; – Stoccaggio e purificazione biogas; – Disidratazione digestato; – Fabbricato macchine e servizi;
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– Produzione di energia elettrica; – Impianto di produzione di biometano; – Essiccamento digestato disidratato; – Compostaggio del digestato essiccato con frazione verde; – Trattamento frazione liquida del digestato; – Fabbricato uffici, pesa e servizi. 2.2 Descrizione del processo di digestione anerobica Per l’avvio della Forsu alla digestione anerobica sono fondamentali i pretrattamenti per rimuovere gli eventuali elementi indesiderati e non biodegradabili (plastica, tessili, pietre, metalli, sabbia). Nell’impianto si prevedere di effettuare il primo stadio del pretrattamento con un sistema di spremitura veloce a coclee e aggiunta di acqua. Il materiale pretrattato sarà inviato tramite pompe fisse alle vasche di equalizzazione. La sospensione organica pretrattata (con concentrazione mediamente al 10% di s.s.) é immessa direttamente dentro il reattore anaerobico, mantenuto termostatato a circa 55°C (condizione termofila) e mescolato dal ricircolo del biogas prodotto, quindi l’elevata concentrazione di cellule batteriche a contatto col carico organico, permetteranno la sua trasformazione in energia sotto forma di gas combustibile (biogas). L’essiccamento del fango originato dalla disidratazione del digestato (centrifugazione) estratto dai digestori al termine del processo, avviene in un essiccatore a turbina riscaldato a olio, alimentato da una tramoggia di carico dotata di una coclea che alimenta in continuo l’impianto. Il progetto è studiato in modo da utilizzare il calore prodotto dai recuperatori dei fumi del cogeneratore, presente nell’impianto, così da rendere il processo di essiccamento quasi totalmente autonomo dal punto di vista energetico.
Fig. 3 – Schema semplificato dell’impiego del biogas nell’impianto (AMGA Legnano Spa)
Il biogas prodotto dalla digestione anaerobica e purificato viene alimentato alla centrale di cogenerazione. Il motore è dotato di circuito chiuso di raffreddamento che, attraverso uno scambiatore, cede calore a un secondo circuito chiuso di acqua calda servizi che viene utilizzato per il riscaldamento dei fanghi nel digestore. Il calore dei fumi di scarico del cogeneratore è
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recuperato e verrà utilizzato come vettore termico per la sezione di essiccamento del digestato. L’impianto impiegherà un cogeneratore con motore a combustione interna per una potenza complessiva istallata pari 0,9 MWel. La scelta di ridurre il dimensionamento della sezione di produzione di energia elettrica è stata effettuata per l’opportunità di sfruttare la tariffa omnicomprensiva prevista dalle vigenti normative [3]. La sovraproduzione di biogas rispetto al consumo del motore endotermico sarà impiegata per la produzione di biometano destinato ad integrare il distributore di metano per autotrazione previsto nel sito, o, qualora le normative lo permettano, di essere immesso in rete, sfruttando la presenza della cabina primaria di distribuzione del metano presente. Affinché il biogas possa essere trasformato in biometano, deve essere sottoposto ad un processo di purificazione (deidratazione, desolforazione e rimozione di altri componenti indesiderati) e di upgrading (eliminazione dell’anidride carbonica, CO2) [2]. 2.3 Descrizione del processo di compostaggio Il digestato essiccato viene avviato alla linea di compostaggio dove é miscelato con gli scarti verdi triturati al fine di ottenere un ammendante compostato misto in conformità con le normative vigenti. Il compostaggio è una fermentazione in condizioni aerobiche delle sostanze organiche putrescibili ad opera di batteri. Il processo di compostaggio viene suddiviso in due fasi processistiche in relazione all’intensità dei processi microbici, alla conseguente velocità di consumo di ossigeno e necessità di apporto di aria: – una prima fase in cui la biomassa si presenta come forte consumatrice di ossigeno e nella quale si sviluppano elevate temperature: fase definita ACT, (Active Composting Time) o “fase attiva”; – una fase successiva di rallentamento dei processi metabolici, con conseguente riduzione del consumo di ossigeno e delle necessità di controllo del processo: fase definita Curing Phase (fase di maturazione). La tecnologia proposta per l’impianto in oggetto, è quella del compostaggio in trincee statiche in aspirazione. Si tratta di trincee realizzate in calcestruzzo armato (pavimento e pareti), il cui pavimento è provvisto di un sistema integrato di aspirazione dell’aria di processo. Il processo di compostaggio avviene in un ambiente completamente chiuso, in cui il flusso aeriforme può essere controllato. Il sistema descritto si caratterizza anche per il fatto che esso applica il processo statico, evitando cioè i rivoltamenti. Il principio su cui si basa l’adozione di sistemi statici è quello di non disturbare lo stato dei rapporti tra biomassa, ife fungine e popolazione microbica locale, evitando nel contempo lo “shock termico” temporaneo dovuto alla perdita di calore durante le operazioni di rivoltamento. Altro possibile vantaggio è rappresentato dal minor sviluppo di odori dovuto all’assenza di rivoltamento durante l’ACT, perché consente alle molecole odorose (generalmente intermedi di degradazione) di essere metabolizzate all’interno dei rifiuti in trattamento [4]. Il tempo di trattamento autorizzato, nonostante il forte abbattimento delle frazioni putrescibili che avviene nelle fasi componenti il sistema di digestione anaerobica, è pari a complessivi 90 giorni. 2.4 Tematiche autorizzative e ambientali in un’area ad alta urbanizzazione 2.4.1 Autorizzazioni ottenute L’impianto presentato nella relazione ha già ottenuto tutte le autorizzazioni, nulla osta e permessi necessari alla sua completa realizzazione ed esercizio da parte degli Enti competenti, ed in particolare: – autorizzazione alla costruzione e gestione di impianti di trattamento rifiuti (art. 208 D.Lgs 152/06 e s.m.i.);
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– autorizzazione alle emissioni in atmosfera (art. 269 c2 del D.Lgs 152/06 e s.m.i.); – parere di conformità dei Vigili del Fuoco; – autorizzazione di ENEL per l’allaccio alla rete e la produzione di energia elettrica e regolamento di esercizio; – autorizzazione alla realizzazione di un pozzo di emungimento; – autorizzazione alla realizzazione e gestione dell’isola ecologica comunale; – autorizzazione alla realizzazione della viabilità accessoria all’impianto. 2.4.2 Presidi ambientali e indagini preliminari Trattandosi di un impianto dedicato al trattamento di rifiuti organici fermentescibili, con potenziale impatto odorigeno, nelle attività di progettazione è stata eseguita una scelta tecnologica improntata alla massima tutela ambientale e sanitaria, e posta particolare attenzione ai flussi d’aria nell’impianto e ad i collegamenti di questo con l’esterno. In particolare la scelta di abbinare la digestione anaerobica al compostaggio garantisce che l’impianto migliori il controllo delle arie e degli impatti olfattivi, in quanto le fasi più potenzialmente odorigene (fasi di degradazione) avvengono nell’impianto di digestione anaerobica, per sua natura senza contatti con l’esterno. In considerazione della particolare attenzione alla presenza del nuovo polo ospedaliero di Legnano a poco più di un chilometro dal perimetro dell’impianto, è stato realizzato e trasmesso agli Enti interessati un dettagliato studio di modellistica diffusionale per valutare il possibile impatto di emissioni odorigene sul territorio, tenendo presente che le uniche emissioni in tal senso sono quelle del biofiltro.
Fig. 4 – Mappa dello studio di modellistica diffusionale (ARS ambiente Srl)
Nella mappa è riportato il 98° percentile delle concentrazioni al suolo, ossia il valore che il 98% delle ore di un anno non viene superato. Tale valore è fondamentale in quanto tipicamente la normativa internazionale, e le bozze di norme locali nazionali, impongono di confrontare il 98° percentile con un certo valore soglia. Nello studio effettuato, si è considerata la soglia di 3 UO/m3 – 2% come livello di odore percettibile. Le curve di isoconcentrazione sono rappre-
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sentate ogni ai livelli 3, 5, 8 UO/m3. Come si vede, il polo ospedaliero non è per nulla interessato dalla ricaduta al suolo delle emissioni, e la isocurva di concentrazione a 3 UO/m3 è situata in area agricola senza presenza di edifici residenziali [5]. Tutte le fasi di ricezione, stoccaggio e lavorazione interne al capannone prevedono la raccolta ed il recupero dei percolati (reflui) eventualmente prodotti mediante una linea dedicata. Le caratteristiche specifiche dell’impianto e in particolare la presenza dell’impianto di digestione anaerobica rende gestibili internamente tutte le tipologie di reflui, percolati e colaticci prodotti nelle diverse sezioni dell’impianto medesimo (originate sia dall’impianto di digestione anaerobica-compostaggio che dalla stazione di trasferenza del vetro) che hanno caratteristiche idonee ad essere avviate al digestore. Per quanto attiene invece alle acque di risulta del processo di digestione anaerobica, l’impianto è dotato di uno specifico impianto di depurazione biologica interno in grado di ricevere e trattare anche le acque provenienti dal biofiltro. 3. Conclusioni L’integrazione dei processi anaerobico (digestione anaerobica) e aerobico (compostaggio), e l’impiego del biogas nelle diverse modalità (produzione congiunta di energia termica, elettrica e biometano) nell’impianto presentato può portare dei notevoli vantaggi, in particolare: – migliora nettamente il bilancio energetico dell’impianto, in quanto nella fase anaerobica si ha la produzione di un surplus di energia rispetto al fabbisogno dell’intero impianto; – ottiene un controllo migliore e con costi minori i problemi olfattivi; le fasi maggiormente odorigene sono gestite in reattore chiuso finalizzato a captare ogni emissione di processo che rappresentano un prodotto (biogas). Il digestato è già un materiale semi-stabilizzato e, quindi, il controllo degli impatti olfattivi durante il post-compostaggio aerobico risulta più agevole; – comporta un minor impegno di superficie a parità di rifiuto trattato, pur tenendo conto delle superfici necessarie per il post-compostaggio aerobico, grazie alla maggior compattezza dell’impiantistica anaerobica; – estende la possibilità di trattare tutte le tipologie di rifiuti organici indipendentemente dalla loro umidità, a differenza del compostaggio che richiede un certo tenore di sostanza secca nella miscela di partenza; – permette con la produzione di biometano di produrre diverse forme di energia impiegabili e ambientalmente compatibili. Bibliografia [1] www.amga.it [2] G. Ghiringhelli, M. Giavini, M. Centemero, “Dai rifiuti organici al biometano in rete”, in RS - Rifiuti Solidi, Vol. XXV – n. 4 luglio-agosto 2011; [3] D.M. Ministero Sviluppo Economico del 6 luglio 2012; [4] M. Centemero, “Biogas e Compost da rifiuti organici selezionati”, CIC - Consorzio Italiano Compostatori, 2011; [5] M. Giovini, “I metodi coromatografici per la misura degli odori nel compostaggio”, atti del convegno CIC, Cavenago, Giugno 2001.
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