Studio preliminare per l’automazione del processo di digestione anaerobica a due fasi per la produzione di idrogeno e metano da FORSU

Abstract

Lo scopo della seguente tesi magistrale è lo studio del processo di digestione anaerobica a fasi separate (idrolisi e metanogenesi) della Frazione Organica del Rifiuto Solido Urbano (FORSU), con il fine di ottimizzare il sistema per la produzione di una miscela gassosa costituita da idrogeno e biogas, denominata BioHythane, avente caratteristiche di combustibilità migliori rispetto al tradizionale biogas. In particolare si vuole verificare la fattibilità della gestione a lungo termine del processo modulando il rapporto di ricircolo in funzione a due parametri: il pH in prima e seconda fase e la concentrazione di ammoniaca nel sistema. Infatti, per mantenere il pH del reattore di idrolisi (Dark Fermentation, DF) nell'intervallo di produzione di H2 ottimale, ovvero in un range di pH tra 5-6, è stato utilizzato il ricircolo di digestato dal reattore di seconda fase. La sperimentazione è stata condotta in reattori CSTR su scala pilota, e una volta raggiunte le condizioni di stabilità dei processi si è passati a testare l’effetto di diversi rapporti di ricircolo. Il carico organico medio nella prima e seconda fase è stato rispettivamente di 18 KgTVS / m3d e 3.8 KgTVS /m3d, mentre il tempo di ritenzione idraulica è stato di 3.3 giorni e di 13 giorni, rispettivamente nella prima e nella seconda fase. La sperimentazione ha avuto una durata di 110 giorni, suddivisi in 4 periodi (RUN) nei quali sono stati testati 4 differenti rapporti di ricircolo (0.4, 1, 0.5, 0.6) e contemporaneamente monitorati i parametri operativi da utilizzare nella logica di controllo. Le migliori rese sia in termini di produzione che di stabilità di processo si sono ottenute con un rapporto di ricircolo pari a 0.6 che ha permesso di mantenere l’ammoniaca ed il pH in un range di valori ottimali per la produzione di idrogeno (3.1 m3/m3d, 0.07 m3H2/kgTVS) e metano (2.7 m3/m3d, 0.42 m3 CH4/kgTVS). Con i risultati ottenuti dalla sperimentazione, sono stati elaborati dei protocolli operativi finalizzati alla gestione del rapporto di ricircolo e al controllo della concentrazione di ammoniaca da applicare ad un software di controllo (LabView). L’implementazione del controllo automatico di processo è stata infine discussa per l’impianto pilota utilizzato, valutandone la configurazione impiantistica con il fine di garantire la possibilità di controllo dell’intero processo attraverso il monitoraggio dei parametri operativi e la relativa gestione degli stessi attraverso un software, in grado di acquisire dati, elaborarli e restituire degli output a sistemi meccanici.