BICARBONATO DI SODIO SOLVAY NEL BIOGAS

TRATTAMENTO DELL’ACIDOSI DEL DIGESTORE ANAEROBICO

Luca Pelagatti (Technical Marketing), Alberto Galasco (Business Development) – Solvay Chimica Italia – Soda Ash & Derivatives

Sempre più allevamenti hanno costruito un impianto BIOGAS per sfruttare il potenziale energetico dei propri reflui zootecnici. E’ necessario adottare tutte le soluzioni possibili per far sì che tali impianti abbiano la redditività attesa e possano realmente contribuire ad incrementare i guadagni. Fondamentale è sfruttare al meglio le materie prime introdotte, visto che una parte consistente di queste viene talvolta acquistata sul mercato. Un importante supporto è l’utilizzo degli additivi in grado di permettere di “sfruttare” al meglio il potenziale metanigeno delle materie prime introdotte.

Il gruppo chimico multinazionale belga Solvay, leader mondiale del Bicarbonato di Sodio, propone l’utilizzo del Bicar®Z per migliorare ed ottimizzare il funzionamento e la produttività degli impianti di Biogas.

L’ACIDOSI e IL BIOGAS

L’acidosi può colpire anche un digestore anaerobico?
Sì! Le cause più tipiche possono essere:
sovra-alimentazione (soprattutto con insilati), fluttuazioni di temperatura, mancanza di micronutrienti, presenza di sostanze inibitrici dei microorganismi.
Spesso, infatti, per aumentare la redditività, si richiedono agli impianti alte prestazioni produttive, alimentandoli con sostanze ad alto contenuto di energia, quali gli insilati, come quello di mais che è il più utilizzato. Gli insilati, però, una volta introdotti nel digestore, possono, se non gestiti correttamente, portare più facilmente ad un eccesso di sostanze acide che condizionano la produzione di metano e causare l’acidosi del digestore.

L’acidosi del digestore è analoga a quella del rumine?
Sì, il Bicar®Z risolve velocemente il problema dell’eccessiva acidità nel digestore, visto che il digestore anaerobico può essere considerato come il Rumen dei bovini.

Quali sono i sintomi più comuni nei digestori anearobici?
Un iniziale calo di produzione di Biogas, spesso in coincidenza con un innalzamento del FOS (acidi organici volatili) e un abbassamento del TAC (Carbonati inorganici totali) può arrivare fino ad una conclamata e pericolosissima acidosi del sistema con calo del pH.

TEST DI LABORATORIO

Come abbiamo capito che il Bicar®Z poteva essere una soluzione utile per gli impianti di BIOGAS?
La grande analogia tra il processo digestivo del rumine e il funzionamento degli impianti di Biogas ha portato Solvay ad investigare alcuni anni fa, sull’effetto del Bicarbonato di Sodio nella digestione anaerobica di questi ultimi.

Via alla sperimentazione!
In collaborazione con l'Università di Rostock in Germania (paese con la più ampia diffusione degli impianti di Biogas in Europa) Solvay ha realizzato uno studio della durata di ben tre anni, per rispondere in maniera esaustiva a questa domanda.
Per misurare l’efficacia del Bicar®Z nei digestori Biogas, sono stati effettuati test su particolari reattori di laboratorio (digestori monostadio in miniatura di circa 11 litri – vedi Figura 1) in condizioni diverse:

  • in condizioni critiche di emergenza (acidosi già conclamata),
  • in condizioni di potenziale pericolo (alcuni parametri di processo non ben regolati)
  • in condizioni di normale funzionamento.

Le prove sono state effettuate tenendo a riferimento delle unità di controllo a regime.


Figura 1 – Digestori da laboratorio

Trattamento di emergenza
Sono stati trattati con bicarbonato di sodio due reattori (F2 e F3) nei quali si era ormai sviluppata un’acidosi del digestore con basso valore di pH nel digestato ed una percentuale di metano nel Biogas intorno al 40%. Dopo aver somministrato del bicarbonato di sodio si è registrata una rapida risalita del pH (vedi Figura 2) e un’accelerazione del processo metanigeno fino ai valori dell’unità di riferimento a regime (F1) (con picchi anche a 60% di metano). Si può affermare che il problema di acidosi è stato risolto senza danni alla biologia del digestore, che anzi rimane estremamente attiva.


Figura 2 – pH dei digestori in acidosi prima e dopo il dosaggio di Bicar®Z

Dosaggio continuo
Alcuni reattori già a regime sono stati trattati con una moderata aggiunta continua di bicarbonato di sodio. In questi digestori ciò ha portato, rispetto all’impianto di riferimento, a:

  • migliorare la resa in presenza di alti carichi organici
  • migliorare la qualità del Biogas aumentando la percentuale di metano
  • ridurre la concentrazione di Idrogeno Solforato (H2S)
  • migliorare il processo conferendo maggior stabilità ed efficienza
  • ottenere un minor potenziale metanigeno residuo nel digestato: ciò è significativo del fatto che i digestori oggetto della prova sono diventati più efficienti di quello di riferimento, SFRUTTANDO meglio il potere metanigeno delle materie prime alimentate.

In sintesi i laboratori di Rostock hanno dato importantissime indicazioni sul principio che il Bicar®Z può essere usato:

  • come trattamento di emergenza,
  • come agente di prevenzione a problemi legati ai cambi di tipologia di alimentazione
  • per migliorare le prestazioni dell’impianto,
  • come stabilizzatore di processo.
  • Il risultato di questa sperimentazione è oggetto del brevetto di proprietà Solvay EP 2 386 648 A1.

TEST INDUSTRIALI

Visti gli ottimi risultati ottenuti in laboratorio, test industriali sono stati organizzati per convalidare il tutto su scala reale.
Sempre con la collaborazione dell’università di Rostok, è stato scelto un parco Biogas ubicato in Germania orientale, il “Biogas Parc Anklam”. Si tratta di un insieme di 5 impianti monostadio con digestori da 2560 m3 da circa 526 kW ciascuno per un totale di 2630 kW alimentati a insilato di Mais e reflui zootecnici di allevamenti suinicoli.
Analogamente a quanto fatto in laboratorio è stato scelto un digestore di riferimento a regime che produceva senza problemi e un digestore in difficoltà perché in acidosi dovuta a sovralimentazione; entrambi i digestori erano alimentati con la stessa tipologia di biomassa (insilato di mais e liquame suino con sporadici altri cereali).
Il bicarbonato di sodio è stato introdotto insieme alla materia prima nelle tramogge di alimentazione.

Trattamento di emergenza
Il digestore in acidosi è stato trattato con una singola aggiunta di 5 tonnellate di Bicar®Z. In circa venti giorni i valori impiantistici sono migliorati fino a far uscire l’impianto dallo stato emergenza (vedi Figura 3 parte rosa).
Da sottolineare come il rapporto FOS/TAC sia passato in pochissimo tempo da valori di circa1,0-1,4 a valori di circa 0,4-0,5!

Stabilizzatore, Agente di Prevenzione, Barriera Alcalina
Il digestore è stato sottoposto a tre aggiunte da 2 tonnellate ciascuna di Bicar®Z per impedire che altre aggiunte di substrato, potenzialmente ancora eccessive per un impianto in uscita da una situazione critica, potessero far riaumentare gli acidi fermentati. Dopo queste aggiunte di bicarbonato l’impianto è definitivamente a regime (vedi Figura 3 parte blu).


Figura 3 – Dati relativi a prova industriale

Miglioratore delle Performance
Una volta che il digestore è stato definitivamente portato a regime, è iniziato un dosaggio continuo di 125 kg al giorno per 48 giorni consecutivi (vedi Figura 3 parte verde).
In questo periodo i risultati di resa in Biogas sono aumentati del 2% (vedi Figura 4) e il potere metanigeno residuo nel digestato è notevolmente calato rispetto al digestore di riferimento (vedi Figura 5), chiaro segno che l’impianto stava sfruttando meglio le materie prime alimentate


Figura 4 – Aumento resa in Biogas


Figura 5 – Miglior sfruttamento substrato – Calo del potere metanigeno residuo del digestato

Dopo queste interessanti esperienze sono stati effettuati dei test anche su impianti a doppio stadio ed i benefici sono stati analoghi, come era del resto prevedibile.

Concludendo, il dosaggio continuo del bicarbonato di sodio consente di migliorare la digestione, aumentando la resa in metano, mantenendo i valori di pH, FOS, TAC e FOS/TAC ai valori ottimali e garantendo un consistente potere tampone residuo, che mette al riparo da un’eventuale sovra-alimentazione.

ECCO COSA ACCADE OGGI SUGLI IMPIANTI BIOGAS

Già da diversi anni il Bicar®Z è utilizzato nel mercato tedesco e più recentemente anche in Italia, in diversi momenti di vita degli impianti come:

  • TRATTAMENTO di EMERGENZA in una singola aggiunta contro L’ACIDOSI CONCLAMATA DEL DIGESTORE E IL COLLASSO DEL SISTEMA: su digestori che avevano subito un forte abbassamento di pH finendo in acidosi; il Bicar®Z ha riportato il pH ed il rapporto FOS/TAC ai giusti valori grazie al suo apporto alcalino.
  • TRATTAMENTO PREVENTIVO con applicazione periodica su digestori che presentavano parametri di processo non ottimali a causa di sovralimentazione (temporaneo eccessivo apporto di nutrienti), o a causa di forti variazioni di qualità dei substrati; anche in questi casi il Bicar®Z ha stabilizzato il processo, grazie al suo potere tampone, prevenendo o riequilibrando situazioni anomale nei parametri di conduzione.
  • DOSAGGIO CONTINUO come MIGLIORATORE DELLE PERFORMANCE: aggiunto anche su digestori in marcia regolare, il Bicar®Z ha permesso di ottimizzare il processo e di migliorare la resa dell’impianto, producendo più biogas a parità di biomassa alimentata, producendo biogas più ricco in metano e consentendo di “spingere” maggiormente l’impianto ove possibile.

Un aumento dimostrato del 2% in resa di biogas, porta, su un impianto da 500 kW con tariffe incentivanti di 0,28 €/kW, ad un guadagno economico di quasi 13.000 €/anno al netto del costo del Bicarbonato di Sodio!!!!


Figura 6 – Risparmi annui con Bicar®Z su impianto da 500 kW

Negli impianti che già marciano a “targa” l’aggiunta continua di Bicar®Z permette, grazie al migliore sfruttamento dei substrati organici alimentati, di mantenere le stesse produttività a fronte di un minor consumo di materie prime.
In tal caso, il guadagno di simili importi, deriva dal risparmio legato a questo ridotto consumo.

Vantaggi del Bicar®Z

Il Bicar®Z è un Bicarbonato di Sodio purissimo (99,9% di purezza) prodotto sotto elevatissimi standard qualitativi (ISO 22000 – HACCP - GMP+ B2) caratterizzato da:

  • Buona solubilità in acqua senza formazione di residui
  • Graduale agente tampone grazie all’apporto dei Bicarbonati, ideale per i processi biologici
  • Facile dosaggio e grande sicurezza nella manipolazione (non è irritante, né tossico, né corrosivo)

Un aumento dimostrato del 2% in resa di biogas, porta, su un impianto da 500 kW con tariffe incentivanti di 0,28 €/kW, ad un guadagno economico di quasi 13.000 €/anno al netto del costo del Bicarbonato di Sodio!!!!


Figura 7 – Sacco di Bicar®Z

Il Bicar®Z

è quindi una ideale soluzione per gli impianti di Biogas:

come PREVENZIONE

  • Migliora il controllo del pH e dei parametri tipici di gestione (FOS-TAC)
  • Evita l’acidosi del digestore tamponando l’eccesso di acidi fermentati
  • Evita le eventuali crisi dei digestori sottoposti a stress per sovraccarichi temporanei o a cambi improvvisi di alimentazione
  • Aumenta il potere tampone globale
  • Non forma residui e incrostazioni indesiderati

come OTTIMIZZAZIONE

  • Migliora la resa dell’impianto
  • Migliora la qualità del biogas
  • Riduce il tenore di Idrogeno Solforato (H2S) nel Biogas prodotto
  • Riduce la formazione di schiume durante il processo.

BIBLIOGRAFIA

  • Brevetto EP 2 386 648 A1 (filing date 10.05.2010): Use of sodium bicarbonate in biogas - Process for producing biogas – Applicant: Solvay SA - Authors : Jan Bach (Solvay), Joerg Burgstaler (Rostock University), Denny Wiedow (Rostock University), Frederick Degraeve (Solvay).
  • J. Burgstaler, D. Wiedow, F. Godlinski, N. Kanswohl / Landbauforschung - vTI Agriculture and Forestry Research 4 2011 (61): 343-352 - Einsatz von Natriumhydrogencarbonat in landwirtschaftlichen Biogasanlagen – Application of sodium bicarbonate in agricultural biogas plants.
  • Burgstaler J, Blumenthal J, Wiedow D, Godlinski F, Kanswohl N / Landbauforsch - Agriculture and Forestry Research 4 2010 (60): 213-220 – Möglichkeit zur pH-Wertregulation versäuerter Biogasfermenter und die Auswirkungen auf die Biogasausbeute - Options to regulate the pH-value in acified biogas digesters and impacts on the biogas production yield – Discontinuous use of sodium bicarbonate.
  • Burgstaler J, Wiedow D, Godlinski F, Kanswohl N / Landbauforschung - vTI Agriculture and Forestry Research 2 2011 (61): 127-140 - Verminderung des Restgaspotentials und gasförmiger Emissionen aus Gärresten der Biogas produktion - Reduction of the residual biogas potential and gaseous emissions from fermentation residues of biogas production residues.
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