Designing cost effective digestate treatment layouts for integrated anaerobic digestion-composting plants

Anaerobic digestion (AD) is a promising technique for the energy recovery of the Organic Fraction of Municipal Solid Waste (OFMSW). The organic waste is degraded by means of bacteria obtaining a methane-rich biogas and an inert semi-liquid digestate, which can be upgraded to soil improver through a post-composting process. According to the solid content in the digester, the AD can be conducted in wet (8-15%) or dry (17-25%) conditions, implying technical and operative differences. A combined OFMSW AD-composting plant located in Puglia, object of the case study, was designed as a dry process but was reported operating under semi-wet conditions (9-15%), with heavy economic impacts on the digestate post-composting costs. The objectives of the work are to identify possible causes of the issue and to suggest alternative cost-effective layouts of the digestate treatment process. The historical data are analysed to investigate the biochemical processes in the digester. Original and additional components are represented in an integrated plant model, developed to characterize interdependent mass balances, to estimate and compare investment and operational costs of each plant configuration. Findings show that the reactor is unable to work in dry regime with the OFMSW input quality, and that a temporary underfeeding favoured excessive liquefaction. Digestate dewatering coupled with pasteurization of the liquid separated stream guarantees the lowest Net Present Cost. Increasing the digester solid content does not improve the economics, because it has a minor effect on the digestate density, that majorly influences the operational costs. To improve the plant profitability, it is vital to maximize material recovery and minimize disposal of reject streams.

La digestione anaerobica (DA) ha un ruolo fondamentale nel recupero energetico della Frazione Organica dei Rifiuti Solidi Urbani (FORSU). Il rifiuto organico è degradato ad opera di comunità batteriche ottenendo un biogas ricco in metano ed un digestato semi liquido, il quale può essere trasformato in ammendante per uso agronomico attraverso un processo di post-compostaggio. A seconda del contenuto di solidi nel digestore, si distingue la DA ad umido (8-15%) e a secco (17-25%), comportando rilevanti differenze impiantistiche ed operative. L’oggetto del caso di studio, un impianto FORSU a DA e compostaggio situato in Puglia e costruito per operare “a secco”, ha registrato un comportamento semi umido (9-15%), con pesanti conseguenze economiche legate alla fase di post-compostaggio. Questo lavoro ne ricerca le possibili cause e propone configurazioni alternative del post-compostaggio economicamente convenienti. Lo storico di dati è analizzato per comprendere le dinamiche biochimiche del digestore. Si sviluppa, includendo componenti originali ed aggiuntivi, un modello impiantistico integrato che determini i flussi di massa interdipendenti, con cui vengono stimati i costi impiantistici per ogni configurazione. I risultati mostrano che il digestore non è dimensionato per lavorare a secco con la qualità del materiale organico conferito, e che una temporanea sottoalimentazione ha favorito una eccessiva liquefazione del substrato. La configurazione con disidratazione del digestato e pastorizzazione del suo separato liquido determina l’ottimo economico. Aumentare il tenore di solidi nel digestore non migliora le prestazioni economiche, perché ha poca influenza sulla densità del digestato che maggiormente influenza i costi operativi. Per migliorare la profittabilità dell’impianto è fondamentale implementare il ricircolo di materiale di scarto e minimizzarne lo smaltimento.