The biological self-management of the biogas plant

Re-publication of an article by Mario A. Rosé on Agronotizie

Optimally manage a biogas plant it means becoming a "breeder of bacteria".
Like farm animals, i battery they do their best if they are kept in conditions that are optimal for them, it is therefore essential to monitor the various aspects that affect the functioning of the entire anaerobic system. It is known to all that the different manufacturers and some independent workshops, offer biological care service.
Typically all of these services have a weakness: the results are not provided in real time. Moreover, the analyzes provided, generally they only concern the dynamics of the anaerobic degradation process, but not the verification of the biomass quality – silage or by-products that are – with which the system is powered.

Some plant managers have equipped themselves with simple tools such as the pHmetro or the automatic titrator (called FOS / TAC in the lingo) and the results are often disappointing e, in some cases, even disastrous.

This table clarifies why:

ParameterUtilityNecessary tool
pHAlmost nothing. When there are significant changes in pH, it is generally too late and the plant is collapsing.pHmetro
FOS / TACPoor. The guidelines apply to single tank systems fed with cow manure and corn. If other matrices or their mixtures are used, the "canonical" values ​​are no longer valid. In plants a 2 or more tanks, it would take a specific FOS / TAC table for each stage of digestion. The tool does not provide any a priori assessment on the quality of biomass or manure, only an indirect indication of the state of the bacterial system (when it can sometimes be too late).Automatic titrator or pH meter and burettes for manual titration
Biomethanization efficiency of the plantHigh, as it indicates the % of degradation of the silage achieved by the processMuffle furnace and thermobalance or precision balance
Dry matter of biomassMedia. By only detecting the dry matter, only a rough indication of the biomass quality is obtained. Two different batches of biomass, the parity of SS, they can make more or less methane.Thermobalance or precision scale and oven
Volatile solids of biomassHigh. SV content provides a’ more reliable indication of the methanogenic potential of a biomass, however, it is not a definitive figure.Muffle furnace and thermobalance or precision balance
Residual methane potential of the digestateVery high. Provides an indication of the unused fraction of the silage or feed biomass.Laboratory batch reactor and measurement system for the volumes of gas produced by fermentation
BMP (Methanigen potential) of biomassVery high. Provides an indisputable indication of the actual yield that can be expected from a batch of silage or other biomass, allowing to evaluate if the price of the same is appropriate. When using biomass mixtures, the BMP test allows to evaluate any inhibitory or synergistic effects.Laboratory batch reactor and measurement system for the volumes of gas produced by fermentation
Complete degradation curve of biomassVery high. Allows you to program the digester feeding and establish the optimal retention time of solids for each substrate or mixture of them. The ultimate value of the curve, For definition, is the BMP.Laboratory batch reactor and measurement system for the volumes of gas produced by fermentation
Hydrolytic activity of the inoculumVery high. It allows you to predict biological problems in time, or diagnose them more accurately when they happen.Laboratory batch reactor and measurement system for the volumes of gases produced by fermentation and reference matrices.
Substrate inhibitionVery high. It allows you to measure the maximum amount of a given substrate that can be fed into the digester without causing problems. This test is particularly suitable when using "problematic" substrates (manure of animals treated with antibiotics, pollina, likely, remains of slaughter…)Laboratory batch reactor and measurement system for the volumes of gas produced by fermentation
High school (specific methane activity)Very high. Together with the hydrolytic activity test, allows you to measure the actual bacterial activity of the inoculum and therefore the health of the digester.Batch laboratory batch reactor and measurement system for the volumes of gas produced by fermentation
Effectiveness of additives (probiotics, enzymes, etc.)Very high. Additives are usually expensive, but their effectiveness is more often than not magnified by the sellers. Some even have unwanted effects: increase the amount of gas produced, but they lower the methane content.At least 2 laboratory batch reactors with relative system for measuring the volumes of gas produced by fermentation
Small-scale simulation of the process, accelerated start-up strategies of the plantVery high. In fase d’avviamento dell’impianto consente di risparmiare oltre il 50% del gasolio necessario per il riscaldamento iniziale. In fase di funzionamento, consente di ottimizzare le strategie di alimentazione, di agitazione, di ricircolo fra vasche, temperatura ottimale di lavoro, ecc.Kit di reattori continui da laboratorio, sistema di misurazione delle portate di gas e sistema di data logging con apposito software


 

Come possiamo vedere, gli strumenti minimi di cui dotarsi per poter monitorare preventivamente l’impianto di biogas senza lasciare nulla al caso, sono una termobilancia o bilancia di precisione, un forno muffola e un sistema di reattore(i) batch e misuratore(i) del volume di gas prodotto nel tempo.

Un mini-laboratorio così configurato consente di realizzare le prove in piccola scala, in modo da non dover rischiare perdite di produttività causate dalla gestione “a tabelle” dell’impianto.

Come tutte le tecniche, la misurazione dei vari parametri utili a gestire un impianto a biogas richiede un minimo di apprendimento e un po’ di attenzione nel seguire correttamente le procedure.
In genere, con 8 ore di formazione teorica e un po’ di pratica, è possibile ottenere risultati più che soddisfacenti.
Gli investimenti in strumentazione oscillano dai 3.200 € per un kit base con buona precisione ma a lettura manuale, fino ai 16.000 € per un mini-laboratorio con 6 reattori batch, misurazione del volume di gas con ±1% di margine di errore e gestione automatica dei dati.

Esistono dei sistemi ancora più potenti, ma in genere eccedono le effettive necessità del gestore impianti a biogas, in quanto pensati per ricerca accademica o per lo sviluppo o miglioramento di tecnologie da parte dei costruttori di impianti.

2 Replies to “The biological self-management of the biogas plant”

  1. Buongiorno,
    nell’articolo non si parla della quantità di N ammoniacale che è il “veleno” of bacteria. Cosa proponete per controllarlo e, in caso di necessità, contenerlo?

    1. Quella dell’N ammoniacale che avvelena gli impianti è una delle tante “mezze verità” che girano nel folklore biogasista italiano. Il fatto è che la concentrazione di N ammoniacale influisce o no sul processo, a seconda di una serie di fattori: temperatura, concentrazione simultanea di SH2, concentrazione di acidi grassi volatili , rapporto C/N… Purtroppo in Italia è pieno di autoproclamati “biology” che non hanno mai fatto una prova biiologica e parlano estrapolando dati dalla “letteratura”, che tra l’altro è piena di generalizzazioni sbagliate o perfino vizi di logica (si veda quella del FOS/TAC e quella della conduttività elettrica).
      Se si sospetta che un impianto possa avere problemi per eccesso di NH4- , è d’obbligo fare delle prove biologiche con inoculo prelevato dallo stesso impianto, e testare cosa succede con diverse ipotesi. Ad esempio, io ho fatte delle prove per un cliente al quale il “biologist” di turno aveva detto di ridurre la percentuale di pollina perché “l’NH3 inibisce il processo”. Dalle prove è risultato che l’impianto poteva funzionare meglio addirittura aumentando la pollina e modificando le proporzioni degli altri substrati. In un altro caso, un “inventore” sosteneva che l’aggiunta di una polvere ricavata da una zeolite doveva migliorare le prestazioni perché “neutralizza l’NH4-“. Dalle prove in laboratorio è risultato che l’aggiunta del prodotto cambiaso solo un po’ la forma della curva, ma il BMP finale della pollina era lo stesso con o senza prodotto. Inoltre la polvere tendeva a precipitare, che è una cosa che si deve sempre evitare negli impianti costruiti “alla tedesca”, con reattori bassi e larghi. La riposta al suo quesito è dunque che non c’è una risposta univoca che vada bene per tutti, va verificato caso per caso.

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