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Ambiente, Archivio, Biogas da Biomasse, DAX – Guida Operativa/Trouble-Shooting Dig. Anaerobica, FDA, Software

DAX – Guida Operativa/Trouble-Shooting per la Digestione Anaerobica

Fig2Fig1DAX

Guida Interattiva Operatore per la Gestione “Early-Warning” della Digestione Anaerobica  finalizzata alla Massimizzazione della Produzione di Biogas

Si tratta della procedura  software di “trouble-shooting DAX finalizzata a supportare gli operatori del processo di digestione anaerobica nella identificazione precoce dei problemi di funzionalità e nello sviluppo di azioni di intervento correttivo. In particolare, il sistema DAX è caratterizzato da una Base di Conoscenza Inferenziata” (Knowledge Based System), sviluppata su supporto informatico e in grado di interagire sia “off-line” con gli operatori del controllo del processo di digestione anaerobica, sia “on-line” con il sistema di monitoraggio EarlyWarning (FDA), per la individuazione precoce di possibili criticità o anomalie, nonché per la definizione diagnostica e nella scelta delle azioni correttive operative più idonee. Infatti, il processo di digestione anaerobica dei fanghi è un processo biologico che può presentare instabilità. Queste derivano dalla natura del processo stesso di degradazione, che è caratterizzato da una catena trofica di microrganismi operanti in serie. Le popolazioni batteriche in fondo alla catena, in particolare gli acetogeni (che producono acido acetico a partire da acido butirrico e propionico) ed i metanogeni acetoclasti (che producono CH4 e CO2 a partire dall’acido acetico), sono le popolazioni più sensibili alle variazioni ambientali, per cui essi possono bloccare le reazioni terminali della degradazione dei fanghi. Pertanto, una delle cause più frequenti di instabilità del processo di digestione anaerobica, è quella legata all’inibizione dei batteri metanogeni dovuta all’eccesso di acidi grassi (VFA).

Il Sistema DAX è organizzato secondo differenti tipologie di interazione “Input/Output”, nel senso che è possibile interagire con esso in maniera flessibile, sia con dati input di tipo quantitativo derivanti ad es. dal monitoraggio di “routine”, da misure dirette (temperatura, pH,ecc.), ovvero di concentrazione di Acidi Volatili, l’Alcalinità totale, la %CH4, di %CO2 e di %H2 nel biogas, ecc., sia con informazioni di tipo qualitativo derivanti ad es. da osservazioni visive di routine o occasionali, in relazione alla rilevazione di un evento anomalo.

Contenuti e Aree Tematiche del Sistema di Trouble-Shooting: i contenuti di conoscenza del Sistema DAX sono distribuiti per aree tematiche e riguardano principalmente le problematiche legate al verificarsi di:

  • Condizioni di Instabilità di processo
  • Stato Funzionale Componenti e Apparecchiature Elettromeccaniche
  • Gestione dei Transitori del Processo (ri/avviamento)

Per quanto riguarda le instabilità del processo, queste si possono riassumere come derivante da cinque possibili cause:

  1. Sovraccarico Organico (Idraulico)
  2. Sovraccarico Tossico
  3. Bassa Temperatura
  4. Shock di Temperatura
  5. Formazione di Schiume nel digestore e/o nel surnatante

In particolare, in condizioni di sovraccarico organico i batteri acidogeni, caratterizzati da una veloce cinetica di accrescimento, danno luogo ad una maggiore produzione di acidi volatili che non possono essere degradati altrettanto velocemente dai batteri acetogeni (OHPA – Obligate Hydrogen Producing Acetogens), pertanto si ha inevitabilmente un accumulo di acidi volatili nel sistema. Tale accumulo, se il potere tampone non è sufficiente ad evitarlo, provoca variazioni di pH e della concentrazione di acidi volatili in dissociati, tali da inibire l’attività dei metani geni. I parametri che influiscono maggiormente sul sovraccarico organico e/o idraulico sono l’età del fango (se inferiori ai 10 gg) e la percentuale di solidi nell’alimentazione (se superiore al 4%). In condizioni di sovraccarico tossico, si verifica una situazione analoga alla precedente: anche in presenza di sostanze tossiche si verifica un accumulo di acidi volatili, in quanto l’effetto di inibizione si manifesta prevalentemente sui microrganismi metanogeni più che sugli acidogeni, che continuano a metabolizzare il substrato producendo acidi volatili. I parametri che influiscono maggiormente sulle condizioni di sovraccarico tossico sono la concentrazione di N-NH4 nell’influente, la presenza di tossici organici e la scomparsa del caratteristico odore dell’idrogeno solforato. Quest’ultimo parametro può essere sintomo della presenza di elevate concentrazioni di metalli pesanti o alcalino terrosi (che sono tossici per i metano geni). Infatti, normalmente il biogas contiene piccole quantità di H2S, la sua scomparsa vuol dire che esso ha formato solfuro di metallo insolubile. I rimedi più utilizzati sono: la rimozione del tossico dallo scarico, diluizione al di sotto del livello di inibizione, formazione di complessi insolubili o di precipitati. Sia una diminuzione che uno shock di temperatura (variazioni di 1-2°C in un intervallo di tempo di 10-15 giorni) comporta un accumulo di acidi volatili, poiché i microrganismi metanogeni sono più sensibili alla temperatura rispetto agli acidogeni. Oltre alla temperatura all’interno del digestore e alle sue variazioni, l’età del fango. La formazione di schiume nel digestore è un’altra situazione abbastanza frequente, essa comporta una diminuzione del volume utile del digestore e quindi, del tempo di residenza idraulico, provocando un tipo di sovraccarico idraulico con le medesime conseguenze del sovraccarico organico.

DAX anaerobic digestion  Trouble-Shooting

Fig3

Allo stato attuale non esiste un sistema di monitoraggio sostenibile, in grado di restituire informazioni dirette sull’alcalinità ALK e sul tenore degli acidi grassi volatili VFA. Con l’applicazione DAX l’alcalinità (ALK) può però essere ricavata indirettamente mediante lo sviluppo di Sensori Virtuali Software (v. FDA), in grado di stimare parametri non direttamente misurabili (ALK, VFA) e che utilizzano comuni sensori on-line, in genere presenti negli impianti di biogas, come il pH, il potenziale redox (ORP), Temperatura (T) e la Conducibilità (EC).

 

Parametri di Stabilità del Processo DA – I principali fattori che influenzano la digestione anaerobica sono tipicamente il pH, la temperatura (shock di temperatura), le concentrazioni di nutrienti (di ammoniaca) e di sostanze tossiche organiche. Tra questi, (per l’influenza che esercita nello sviluppo del processo) può essere incluso nella tipologia e nello stato di agitazione della miscela in digestione, la formazione di schiume e la scomparsa del caratteristico odore dell’idrogeno solforato da biogas. La digestione anaerobica si svolge attraverso una catena metabolica che, partendo da composti carboniosi complessi, conduce a intermedi metabolici più semplici, fino alla produzione di acidi grassi volatili (fase acidogena), poi ridotti a metano nella fase metanigena.

La reazione di metanazione è la reazione più lenta e condiziona l’intera velocità del processo: se si mantiene l’equilibrio tra la quantità di acido acetico prodotta nella fase acidogena e la quantità metabolizzata a metano, si parla di condizioni metanigene stabili. Diversamente, l’accumulo di acido acetico non ancora metabolizzato a metano determina un rallentamento dei processi, tossicità per i batteri metanigeni, acidificazione del mezzo e, in certe condizioni, anche blocco del digestore e della produzione di biogas. Per favorire le condizioni metanigene stabili, si bilancia il rapporto tra materiale già digerito, il digestato, e materiale fresco ancora da decomporre. Il digestato funge da inoculo fornendo batteri metanigeni acclimatati e contribuisce a tamponare l’acidità dovuta alle prime reazioni di degradazione della sostanza organica. I valori di carico organico dei digestori non dovranno superare, a seconda del materiale introdotto, valori di 2-6 [kg SV/m3*d] per processi in digestori completamente miscelati. I parametri chimici di processo vengono determinati sul materiale prelevato nell’ambiente di reazione (digestore) per verificare il perdurare di condizioni metanigene stabili.

I principali parametri di processo comunemente considerati sono i seguenti:

  • Acidi grassi volatili (VFA): acidi organici prodotti nel corso della degradazione della sostanza organica. La concentrazione di VFA (Volatile Fatty Acid) è espressa come concentrazione di acido acetico nel volume di materiale [mg/l], dipende dalla quantità e qualità del materiale caricato nel digestore e dall’equilibrio tra batteri acidogeni e batteri metanigeni. Come parametro di stabilità non viene assunta la concentrazione assoluta, ma le variazioni di concentrazione: incrementi repentini di concentrazione indicano che il processo volge verso la fase acidogenica piuttosto che metanogenica. In generale, un incremento degli VFA è conseguente all’aumento del carico organico da trattare.
  • Alcalinità (Alk): rappresenta la capacità del sistema di accettare protoni ed è espressa come concentrazione di carbonato di calcio. L’alcalinità di un digestore anaerobico è determinata dalla coesistenza di ammoniaca, originata dalla degradazione proteica, e bicarbonato, derivato dalla dissoluzione dell’anidride carbonica (CO2) nel mezzo, che formano un sistema in grado di tamponare l’abbassamento del pH dovuto dall’accumulo degli acidi grassi volatili.
  • Rapporto VFA/Alk totale: la concentrazione di VFA e l’alcalinità ALK sono due parametri molto sensibili alle variazioni del sistema e il rapporto è diagnostico di condizioni di instabilità. Valori intorno a VFA/Alk £ 0,3 indicano un’operatività stabile del digestore, mentre valori superiori possono indicare l’accumulo di VFA e l’insorgere di problemi di stabilità. Il rapporto VFA/Alk ha significato diagnostico in quanto descrive la dinamica tra materiale già digerito (alcalinità rappresentata da ceneri e ammoniaca) e materiale fresco in via di degradazione (AGV). Valori di rapporto VFA/Alk totale superiori indicano spesso una sovralimentazione del digestore.
  • Concentrazione di ammoniaca NH3 (v. Par.6.1): l’ammoniaca è prodotta durante la degradazione delle proteine. Un’alta concentrazione (> 3.000 mg/l) di ammoniaca può inibire i batteri sia acidogeni, sia metanigeni. La presenza di ammoniaca è comunque importante per tamponare il sistema dentro al digestore e compensare l’accumulo di acidi grassi volatili mantenendo un pH stabile.
  • pH: il suo valore dipende dai parametri visti in precedenza: concentrazione di acidi grassi volatili (VFA), ammoniaca (NH3), alcalinità (Alk). In un digestore in fase stabile il valore di pH dovrebbe aggirarsi intorno a 6,5÷8. Cadute del valore di pH sotto 6,5 indicano un accumulo di acidi grassi volatili (spesso a causa della sovralimentazione del digestore).

Per quanto riguarda lo stato funzionale componenti e apparecchiature elettromeccaniche il Sistema di Trouble-Shooting DAX contiene una serie di informazioni correlate  “Indicatori/Osservazioni”, “Probabili Cause”, “Verifica e Monitoraggio”, “ Soluzioni”, a partire da eventi del tipo qui di seguito riportato:

  • Aumento del Rapporto Acidi Volatili/Alcalinità VA/Alk
  • Incremento della concentrazione di CO2 nel biogas
  • Il pH incomincia a diminuire mentre la CO2 aumenta fino al punto (42-45%) che non si ha più fiamma dalla torcia
  • La qualità del surnatante di ritorno dal processo è bassa e tale da causare disturbi
  • Il surnatante proveniente da entrambi i digestori primario e secondario ha un odore sulfureo
  • Presenza di schiume nel surnatante dal digestore primario (o dal digestore a singolo stadio)
  • Il fango del fondo digestore è troppo diluito o il punto di smaltimento troppo piccolo
  • La temperatura del fango è in diminuzione e non si riesce a mantenere al livello di normalità
  • La temperatura del fango è in crescita
  • La pompa di ricircolo non sta funzionando; l’impianto di riscaldamento sta funzionando
  • Le linee di alimentazione del mixer gas si stanno otturando
  • Usura del riduttore sul mixer meccanico
  • Perdita di olio dal mixer meccanico
  • Usura delle parti interne del mixer meccanico
  • Squilibrio delle parti interne a causa di accumulo di detriti sulle parti mobili del mescolatore meccanico (giranti o turbine di grande diametro ne risentirebbero di più)
  • Il movimento di rotolamento della coltre di schiuma è basso o assente
  • La coltre di schiuma è troppo spessa
  • La coltre di schiuma è troppo spessa
  • I boccagli dei mixer non si operano adeguatamente in superficie
  • Il gas fuoriesce attraverso la valvola di sicurezza (PRV) sul tetto
  • Il manometro segnala che la pressione del gas è sopra il livello di normalità
  • Il manometro segnala che la pressione del gas è sotto il livello di normalità
  • La valvola di regolazione della pressione non si apre all’aumentare della pressione
  • Fiamma di colore giallastro dalla torcia
  • Contatore di gas guasto (tipo a elica o a lobi)
  • Contatore di gas guasto (tipo a soffietto)
  • Pressione del gas più elevata del normale in condizioni ambientali di gelo
  • Pressione del gas più bassa del normale
  • Perdite dalle coperture metalliche
  • Sospetto di uscite di gas sospette dal copri ferro
  • Copertura mobile inclinata con poca o nessuna presenza di schiume lungo i bordi
  • Copertura mobile inclinata con molta presenza di schiume lungo i bordi
  • Copertura bloccata anche se i rulli e le guide sono liberi

Per quanto riguarda la gestione dei transitori del processo, il Sistema di Trouble-Shooting DAX le procedure nelle situazioni (anche di rischio) riguardanti l’avviamento del processo di digestione:

  • Riempimento
  • Riscaldamento
  • Inoculazione
  • Carico di Fango Fresco
  • Agitazione della massa
  • Gestione della Temperatura
  • Gestione del Gas Biologico
  • Gestione del Funzionamento (impianti a singolo o più stadi)
  • Gestione dei Controlli
  • Eliminazione delle croste galleggianti

Logica di Consultazione del Sistema: la logica di consultazione del Sistema DAX è estremamente flessibile e fa riferimento a 4 livelli informativi di base, in relazione a ciascuna delle possibili anomalie:

  1. Osservazione/Rilevazione di parametri
  2. Analisi Possibile Cause
  3. Verifica e Monitoraggio 
  4. Azioni Correttive

È possibile consultare il Sistema DAX partendo da uno qualsiasi dei precedenti 4 livelli e “navigare” in maniera trasversale rispetto agli altri livelli. E’ possibile ad es. rilevare direttamente dal Sistema Real-Time FDA un “EarlyWarning” di instabilità di processo legata ad un incremento di acidità volatile (VFA) e dover decidere se operare in maniera semiautomatica con il dosaggio di calce, piuttosto che con bicarbonato, o altro. È possibile altresì consultare off-line il Sistema DAX partendo dal considerare le azioni correttive che è possibile attuare, per riscontrare “quando” e ”come” (rispetto a quale anomalia e rilevazione di parametri) esse devono essere attuate.

 

DAX è un sistema di “allerta precoce” circa il non corretto funzionamento del processo di digestione anaerobica  permette di rilevare anticipatamente eventuali variazioni degli parametri/indicatori dell’andamento del processo DA, così da poter bilanciare automaticamente ad es. il carico organico del digestore.

 

(richiedi informazioni: g.mappa@anovastudi.com)

 

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Informazioni su Giovanni Mappa

Ingegnere tecnologo/ricercatore senior, operante nell’ambito delle applicazioni reali dell’Ingegneria della Conoscenza finalizzate al Monitoraggio e Controllo dei Processi Ambientali/Energetici - Formatore KWI "Knowledge Working Interdisciplinare/Innovativo".

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