Upgrading biologico del biogas tramite metanogenesi idrogenotrofa in-situ

Many renewable energy sources are characterized by an intermittent and fluctuating behavior, with a trend that does not always correspond to that one of energy demand. This makes necessary to use devices to store excess energy in order to satisfy energy needs during the minimum production hours. In this context, a valid alternative is represented by the Power-to-Gas technology, which consists in integrating the electricity produced in excess from renewable sources with technologies that produce biomethane. The electricity is used to support the electrolysis of water for the production of hydrogen. The H2 produced can be methanised with a chemical process (Sabatier process) or with a biochemical process. In the biochemical pathway, that hydrogen is used to stimulate the activity of hydrogenotrophic methanogenic microorganisms, present in the trophic chain of anaerobic digestion, so that they produce a biogas with a high methane content, called biomethane. The process that allows the purification of biogas to obtaining biomethane is known as upgrading. Biomethane is a renewable alternative to natural gas and can exploit the same management and distribution infrastructure. It can also be stored using technologies that are cheaper than those required for storing electricity. In the present work of experimental thesis, the in-situ biological upgrading process was evaluated by managing a laboratory-scale plant. The reactor was fed with a mixture of primary and secondary sewage sludge and with exogenous H2, injected directly into the reactor. The experimental activity took place at the Rozzi Laboratory of the Department of Civil and Environmental Engineering of the Politecnico di Milano, at the Cremona campus. The sewage sludge used as a substrate was sampled at the waste water treatment plant of Bresso-Niguarda (MI). The aim of the experimentation was the evaluation of the maximum performance reached by the upgrading process through in-situ hydrogenotrophic methanogenesis in converting the CO2 of the biogas into CH4, dosing different quantities of hydrogen and working in a condition of pH controlled dosing reagents, and uncontrolled. The experimental plan has been divided into phases, characterized by increasing hydrogen dosages, in order to allow the progressive acclimatization of the bacterial consortium. During the first part of the experiment the pH was controlled to a value of 7.2±0.2. In this period, the process was characterized by a condition of equilibrium, in which a maximum methane content of 88.3% and a minimum carbon dioxide content of 7.8% were reached in the biogas, at a stoichiometric ratio H2: CO2 equal to 6. Later, the dosage of hydrogen was increased to reach a stoichiometric ratio of 7 H2: CO2 and, at the same time, the pH-control was removed. The process entered in a condition of instability, indicated by the increase of the concentration of VFAs, from 100 mgCOD∗L−1 to 1400 mgCOD∗L−1, and from the increase of the pH, which reached a value close to 8.2. Therefore, the automatic pH-control has been reactivated to 7.9 ±0.3. The effects of the upgrading continued also in this period, in which the maximum content of CH4, equal to 89.8%, and the minimum content of CO2, close to zero, were obtained. The involuntary feeding of a sludge with a concentration of organic substance equal to about half of the one of the sludge used up to that time has involved that the dosage of hydrogen was characterised by a ratio H2:CO2 higher of about 40% compared to the ratio H2:CO2 planned. This fact contributed, together with the high pH, equal to 8, and the low content of CO2 in the biogas, close to zero, to increase the imbalance of the system until reaching, at the end of the experimentation, a condition of inhibition, represented by a specific production of methane equal to 51 mLCH4 ∗gCODin-1 .

Molte fonti energetiche rinnovabili sono contraddistinte da un carattere intermittente, con un andamento che non sempre corrisponde a quello della domanda energetica. Ciò rende necessario l’utilizzo di dispositivi per stoccare l’energia prodotta in eccesso al fine di soddisfare il fabbisogno energetico nelle ore di minima produzione. In questo contesto, una valida alternativa è rappresentata dalla tecnologia Power-to-Gas, che consiste nell’integrare l’energia elettrica prodotta in eccesso dalle fonti rinnovabili con tecnologie che producono biometano. L’energia elettrica viene utilizzata per sostenere l’elettrolisi dell’acqua per la produzione di idrogeno. L’H2 prodotto può essere metanizzato per via chimica (processo Sabatier) o via biochimica. La via biochimica prevede che l’idrogeno venga utilizzato al fine di stimolare l’attività dei microrganismi metanigeni idrogenotrofi, presenti nella catena trofica della digestione anaerobica, affinché producano un biogas con un elevato contenuto di metano, denominato biometano. Il processo che permette la purificazione del biogas fino ad ottenere biometano è noto con il nome di upgrading. Il biometano rappresenta un’alternativa rinnovabile al gas naturale e può sfruttare le stesse infrastrutture di gestione e distribuzione di quest’ultimo. Inoltre può essere stoccato tramite tecnologie più economiche di quelle necessarie allo stoccaggio dell’energia elettrica. Nel presente lavoro di Tesi sperimentale si `e valutato il processo di upgrading biologico in-situ attraverso la gestione di un impianto a scala di laboratorio. Il reattore è stato alimentato con una miscela di fanghi di depurazione primario e secondario e tramite tramite H2 esogeno, iniettato direttamente all’interno del reattore. L’attività sperimentale ha avuto luogo al Laboratorio Rozzi del Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale del Politecnico di Milano, presso il polo di Cremona. I fanghi di depurazione utilizzati come substrato sono stati campionati all’impianto di trattamento di acque reflue di Bresso-Niguarda (MI). Lo scopo della sperimentazione è stato la valutazione della massima performance raggiungibile dal processo di upgrading tramite metanogenesi idrogenotrofa in-situ nel convertire la CO2 del biogas in CH4, dosando differenti quantità di idrogeno e lavorando in una condizione di pH controllato, tramite dosaggio di reagenti, e non controllato. Il piano sperimentale è stato suddiviso in fasi, caratterizzate da dosaggi dell’idrogeno crescenti, allo scopo di permettere l’acclimatazione progressiva del consorzio batterico. Durante la prima parte della sperimentazione il pH è stato regolato ad un valore pari a 7.2±0.2. In questo periodo, il processo è stato caratterizzato da una condizione di equilibrio, in cui si è raggiunto un tenore massimo di metano nel biogas di 88.3% e un tenore minimo di CO2 pari a 7.8%, in corrispondenza di un rapporto stechiometrico H2:CO2 pari a 6. In seguito, è stato aumentato il dosaggio di idrogeno per raggiungere un rapporto stechiometrico di 7 H2:CO2; contemporaneamente è stato rimosso il controllo del pH. Il processo è entrano in una condizione di instabilità, indicata dall’aumento della concentrazione dei VFA, da circa 100 mgCOD∗L−1 a 1400 mgCOD∗L−1, e dall’aumento del pH, che ha raggiunto un valore prossimo a 8.2. Si `e dunque reimpostato il controllo automatico del pH a 7.9±0.3. Gli effetti dell’upgrading si sono protratti anche in questo periodo, nel quale si è ottenuto il tenore massimo di CH4, pari a 89.8%, ed il tenore minimo di CO2, prossimo allo zero. L’alimentazione involontaria di un fango con una concentrazione di sostanza organica pari a circa la metà del fango di alimento utilizzato fino a quel momento ha comportato che dosaggio di idrogeno fosse caratterizzato da un rapporto H2:CO2 reale superiore di circa il 40% rispetto al rapporto H2:CO2 pianificato. Ciò ha contribuito, insieme al pH elevato, pari a 8, e al basso tenore di CO2 nel biogas, prossimo a zero, ad accrescere lo squilibrio del sistema fino a a raggiungere, alla fine della sperimentazione, una condizione di inibizione, rappresentata da una produzione specifica di metano pari a 51 mLCH4∗gCODin−1 .