Nel dicembre del 2017 si è concluso con successo il progetto di ricerca della durata di n. 2 anni “Innovative hydrodynamic cavitation device to efficiently increase the anaerobic biogas production in agroindustrial waste streams”, finanziato dalla fondazione CARITRO nell’ambito del bando Giovani ricercatori, che ha visto il coinvolgimento della post-doc Michela Langone, di tre centri di ricerca nazionali e di una realtà economica trentina.
Nel corso del progetto di ricerca è stato studiato un pretrattamento innovativo da applicare a sottoprodotti agroindustriali e ai fanghi di depurazione prima del loro invio al processo di digestione anaerobica, che si basa sul processo di cavitazione idrodinamica. Il pretrattamento studiato è stato implementato in una configurazione impiantistica sviluppata dalle Officine Parisi srl (partner industriale) e ottimizzata nell’ambito del presente progetto.
Grazie a tale progetto è stato possibile verificare l’efficacia del processo di cavitazione idrodinamica come pretrattamento alle biomasse, al fine di incrementare le rese degli impianti di digestione anaerobica in termini di aumento di biogas ed ottimizzazione del processo.
INTRODUZIONE
La cavitazione è un fenomeno fisico che avviene nei liquidi e che implica la formazione, la crescita e l’implosione di microbolle, che porta a condizioni locali di altissima pressione e temperatura, e quindi a notevoli sforzi di taglio su qualsiasi sostanza in sospensione nell’acqua da trattare. La cavitazione si genera quando la pressione in un punto si abbassa al di sotto di un valore critico. A seconda delle modalità di come essa viene prodotta, la cavitazione può essere distinta in:
- acustica: le variazioni di pressione vengono generate da ultrasuoni (16 kHz – 100 MHz);
- idrodinamica: le variazioni di pressione si ottengono utilizzando la geometria del sistema, secondo il principio di Bernoulli.
Tra i sistemi di cavitazione, a parità di rese, il processo di cavitazione idrodinamica è caratterizzato da consumi energetici inferiori (Lee and Han, 2013) e quindi sostenibile dal punto di vista sia economico che ambientale.
In generale,il processo di cavitazione idrodinamica è generato dal passaggio di un liquido attraverso una sezione ristretta, che può essere di varie forme (tubo Venturi, disco forato, camera vorticosa, ecc…). Più precisamente, nelle zone del sistema dove la pressione locale scende al di sotto di una determinata soglia critica di pressione si formano delle microbolle che di seguito implodono o condensano nelle zone di maggiore pressione. Utilizzare il processo di cavitazione idrodinamica come pretrattamento delle biomasse prima del processo di digestione anaerobica consente di raggiungere una maggiore disponibilità di sostanza organica rapidamente biodegradabile, una accelerazione dei processi di idrolisi e, di conseguenza, una accelerazione del processo di digestione anaerobica nel suo complesso.
La formazione e l’implosione di bolle è responsabile infatti di un’intensa attività meccanica e termica sulla sostanza organica presente in soluzione acquosa e ne determina una parziale destrutturazione fisica oltre che una lisi delle pareti cellulari della biomassa cellulare presente.
Ad oggi esistono differenti sistemi e configurazioni per la realizzazione del processo di cavitazione idrodinamica, quali:
- reattori a piastre forate (multiple-hole orifice plates), dove il flusso liquido viene fatto passare attraverso dei fori generando il fenomeno di cavitazione idrodinamica causata dalla contrazione dell’area di flusso (Sivakumar and Pandit, 2002)
- reattori a tubo Venturi, dove il flusso liquido viene fatto passare attraverso una graduale strozzatura dell’area di flusso (Gore et al., 2014);
- reattori a camere vorticose (swirling chambers), in grado di generare un flusso vorticoso facendo passare il fluido attraverso delle cavità appositamente progettate (Wang et al., 2008);
- reattori con rotore (Badve et al., 2013; Petkovšek et al., 2015).
Seguendo i recenti sviluppi della ricerca del settore, nell’ambito di tale progetto è stata studiata una tecnologia innovativa di cavitazione idrodinamica, sviluppata nel settore cartario (brevetto EP 2397220 A3), e ottimizzata e commercializzata dall’azienda Trentina “Officine Parisi s.r.l.”.
Il sistema studiato può definirsi un reattore a camera vorticosa, in cui il flusso liquido da trattare è fatto passare ad una determinata pressione dapprima attraverso un piatto forato posto alla sommità di una camera tronco-conica, realizzata in maniera tale da generare un multi-vortice con all’interno il vuoto, consentendo di generare delle micro bolle. Il vortice che si genera viene poi direzionato lungo l’asse longitudinale del dispositivo (non toccando le superfici del dispositivo) ed impatta su una piastra di collisione, dove le microbolle implodono, sprigionando energia e destrutturando le sostanze in esse contenute. Il sistema, realizzato completamente in acciaio inox, non ha parti in movimento, garantendo affidabilità e longevità elevate.
RISULTATI
I risultati ottenuti risultano essere stimolanti soprattutto nell’ottica delle nuove politiche ambientali ed energetiche europee e nazionali.
Per quel che concerne la depurazione delle acque, le azioni che si stanno implementando mirano sempre di più a considerare la depurazione come elemento strategico per una nuova economia circolare, considerando le acque reflue una ricchezza gratuita dalla quale recuperare una serie di risorse. Il processo di cavitazione idrodinamica applicata ai fanghi di depurazione ha consentito di: massimizzare la produzione di biogas, migliorare la reologia dei fanghi e ridurre i consumi legati alla rimozione dell’azoto, in quanto ha favorito lo strippaggio dell’azoto ammoniacale.
Applicata alle biomasse agroindustriali, la cavitazione idrodinamica ha consentito di massimizzare la produzione di biogas, concetto interessante anche in vista del futuro decreto sul biometano previsto per settembre 2018. Inoltre l’utilizzo di un pretrattamento delle biomasse agricole mediante un processo di cavitazione idrodinamica ha consentito un contestuale risparmio energetico dell’impianto di biogas dovuto al miglioramento della reologia delle biomasse trattate, giustificando i consumi energetici del pre-trattamento di cavitazione idrodinamica, a fronte di una stabile produzione di biogas e minori problemi di gestione dell’impianto.
Pubblicazioni legate al progetto
[1] Langone M., Soldano M., Fabbri C., Pirozzi F. Andreottola G. (2017). Anaerobic digestion of cattle manure influenced by swirling jet induced hydrodynamic cavitation. Applied Biochemistry and Biotechnology. DOI: 10.1007/s12010-017-2612-3.
[2] Garuti M., Langone M., Fabbri C. Piccinini S. (2017) Monitoring of full-scale hydrodynamic cavitation pretreatment in agricultural biogas plant. Bioresource Technology. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2017.09.100
[3] Mancuso G., Langone M., Andreottola G. (2016). A swirling jet-induced cavitation to increase activated sludge solubilisation and aerobic sludge biodegradability. Ultrasonics Sonochemistry 35 (2017) 489–501. http://dx.doi.org/10.1016/j.ultsonch.2016.11.006
[4] Mancuso G., Langone M., Andreottola G., (2016). Decolourization of Rhodamine B: A swirling jet-induced cavitation combined with NaOCl. Ultrasonics Sonochemistry 32, 18-30
[5] Limoli A., Langone M., Andreottola G., (2016). Ammonia removal from raw manure digestate by means of a turbulent mixing stripping process. Journal of Environmental Management 176 (2016) 1e10
Conferenze legate al progetto
[1] Langone M., Ferrentino R., Bruni L., Fabbri C., Pirozzi F. and Andreottola G., Effects of hydrodynamic cavitation on digested sludge. The 9th Eastern European Young Water Professionals Conference “, Budapest, 24th – 27th May 2017 in Budapest
[2] Langone M., Pirozzi F. Fabbri C., Andreottola G. Use of hydrodynamic cavitation for wastewater treatment. 19th International Symposium “Environment and Industry” – SIMI 2016.13-14 October 2016, Bucarest, Romania
[3] Garuti M., Langone M., Fabbri C. Piccinini S. A full-scale hydrodynamic cavitation pretreatment in an agricultural biogas plant: monitoring results. ManuREsource 2017 Conference, Eindhoven, 27-28 November 2017
[4] Garuti M., Langone M., Fabbri C., Piccinini S., Monitoring of full-scale controlled hydrodynamic cavitation pretreatment in agricultural biogas plant. The International Conference Progress in Biogas IV, Stuttgart, Germany, 8- 11 March 2017
[5] Mancuso G., Langone M., Andreottola G., Enhancement of wastewater and sludge treatment processes by hydrodynamic cavitation. Conference: RemTech 2017 – Remediation Technologies and Re qualification of Territory
Exhibition, Ferrara, Italy, September 2017, DOI: 10.13140/RG.2.2.26043.72480
[6] Garuti M., Langone M., Fabbri C. Piccinini S. Effect of trace elements supplementation in agricultural biogas plants. 1st International congress Metals in Anaerobic Biotechnologies, Seville, Spain, October 2017
Referenze
de Puiseau D. W. (2011). Patent EP 2397220 A3. Strömungsgenerator - Mixing by creating a vortex flow, e.g. by tangentially introducing jets.
Badve, M., Gogate, P., Pandit, A., and Csoka, L. (2013). Hydrodynamic cavitation as a novel approach for wastewater treatment in wood finishing industry. Sep. Purif. Technol. 106, 15–21. doi:10.1016/j.seppur.2012.12.029.
Gore, M. M., Saharan, V. K., Pinjari, D. V, Chavan, P. V, and Pandit, A. B. (2014). Degradation of reactive orange 4 dye using hydrodynamic cavitation based hybrid techniques. Ultrason. Sonochem. 21, 1075–82. doi:10.1016/j.ultsonch.2013.11.015.
Lee, I., and Han, J.-I. (2013). The effects of waste-activated sludge pretreatment using hydrodynamic cavitation for methane production. Ultrason. Sonochem. 20, 1450–5. doi:10.1016/j.ultsonch.2013.03.006.
Sivakumar, M., and Pandit, A. B. (2002). Wastewater treatment: a novel energy efficient hydrodynamic cavitational technique. Ultrason. Sonochem. 9, 123–31.
Wang, X., Wang, J., Guo, P., Guo, W., and Li, G. (2008). Chemical effect of swirling jet-induced cavitation: degradation of rhodamine B in aqueous solution. Ultrason. Sonochem. 15, 357–63. doi:10.1016/j.ultsonch.2007.09.008.
Petkovšek, M., Mlakar, M., Levstek, M., Stražar, M., Širok, B., and Dular, M. (2015). A novel rotation generator of hydrodynamic cavitation for waste-activated sludge disintegration. Ultrason. Sonochem. 26, 408–414. doi:10.1016/j.ultsonch.2015.01.006.
La ricerca è stata realizzata grazie al supporto di un finanziamento da parte della Fondazione Cassa di Risparmio di Trento e Rovereto (CARITRO) (http://www.fondazionecaritro.it/), mediante il Bando 2015 per progetti di ricerca svolti da giovani ricercatori.
Il progetto è stato svolto con la collaborazione attiva di diversi partners scientifici ed industriali, quali:
- il Dipartimento di Ingegneria civile, edile e ambientale (DICEA) dell’Università degli Studi di Napoli (http://www.dicea.unina.it/);
- il CRPA LAB sez. Ambiente ed Energia di Reggio Emilia (http://crpalab.crpa.it/nqcontent.cfm?a_id=9870)
- l’azienda Officine Parisi srl di Riva del Garda (http://www.officineparisi.com/Benvenuto.html)
