Dissertations / Theses on the topic 'Rifiuti organici'

2011 - 2012
The enhancing waste productions, the change in its composition along with the widespread awareness of environmental issues have increased the technical interest towards the implementation of suitable waste management strategies. Aim of these strategies is the minimization of waste amount and hazardousness as well as the identification of correct treatment and disposal systems, reducing the environmental impact and enhancing the recovery of materials and energy. The implementation of an integrated waste management system represents the most suitable option to enhance waste recovery, thus reducing landfill disposal. In this context, the characterization of the materials subjected to recovery activities is a fundamental phase, because of the potential health and environmental risk connected to the reintroduction, in the cycle of matter, of waste substances, which are potentially harmful. Into consideration of these problems, the research was aimed at: identifying innovative methods for material recovery from waste; studying and promoting the implementation of the most appropriate characterization procedures, in order to minimize the risk associated with the products of recovery activities. According to the different characteristics of waste, the experimental activity was carried out with reference to two different matrixes: a source sorted cellulosic material; an organic fraction coming from the mechanical selection of unsorted waste. The identification of non-conventional recovery solutions is, indeed, particularly interesting, for both cellulosic material and mechanically sorted organic waste. In the former case, the reason is related to the uncertain prospects of the pulp market, so that its use for litter production was proposed. On the other hand, the possible use of the mechanically selected organic fraction represents one of the most important issues due to the its high content of impurities, which limits its recovery. For this matrix, the use as landfill daily cover material was proposed. [edited by author]
XI n.s.

Lo scopo di questo studio è quello di valutare come sono variati gli impatti dell’impianto di compostaggio Romagna Compost a seguito dell’intervento di ampliamento e adeguamento, che ha portato ad un’evoluzione impiantistica notevole: dal processo di compostaggio tradizionale ad un sistema integrato anaerobico-aerobico. Per fare ciò si è scelto di utilizzare la metodologia di valutazione del ciclo di vita Life Cycle Assessment (LCA). Il vantaggio di questa analisi, è quello di riuscire a considerare tutti gli aspetti del ciclo di vita dei diversi sotto-processi considerati, dal compostaggio vero e proprio, all’utilizzo di reagenti, combustibili e materiali ausiliari, dal trasporto e smaltimento dei flussi di rifiuti finali al recupero energetico. A tal proposito si è rivelata utile una ricerca bibliografica per individuare studi LCA applicati al campo d’interesse.Inoltre, è stato effettuato un riesame delle tecnologie utilizzate negli impianti di recupero dei rifiuti organici e del concetto di Best Available Techniques (BAT). Mediante l’analisi di inventario, è stato studiato in maniera approfondita l’impianto e le attività svolte al suo interno. Per quanto riguarda la valutazione degli impatti, eseguita con il metodo Recipe 2014, è stato preso in esame il periodo temporale dal 2007 al 2013, esaminando tutti gli anni di funzionamento. Nello specifico, ci si è posto l’obiettivo di valutare se e quanto l’introduzione del sistema di recupero energetico abbia portato ad un reale miglioramento del processo con una diminuzione complessiva degli impatti. Nella seconda fase dello studio, sono stati estesi i confini del sistema per valutare gli impatti associati al trasporto del rifiuto dal luogo di raccolta all’impianto Romagna Compost e alla diversa gestione dei rifiuti nell’ambito nazionale. La modellazione è stata effettuata con il programma di calcolo SimaPro e il database Ecoinvent, Infine, per convalidare i dati ottenuti è stato effettuata un’analisi di incertezza mediante il metodo Monte Carlo.

Il progressivo aumento della frazione organica dei rifiuti solidi urbani (FORSU) e dei fanghi di depurazione trattati mediante digestione anaerobica, ha portato negli ultimi anni ad una elevata produzione di digestato. Da ciò deriva la necessità di adottare un corretto sistema di gestione di questo residuo attraverso la creazione di una filiera di recupero sostenibile, che rappresenta oggi una soluzione importante in un’ottica di economia circolare. In particolare, il recupero come fertilizzante del digestato derivato dalla digestione anaerobica di rifiuti organici (quale la FORSU), presenta alcune criticità in quanto deve essere sottoposto a stabilizzazione attraverso idonei processi, come il compostaggio o l’idrolisi calcica con neutralizzazione. Questa fase di stabilizzazione appesantisce ulteriormente l’intera filiera di trattamento del rifiuto, in particolare se gli impianti dedicati hanno una localizzazione diversa rispetto agli impianti di digestione anaerobica. Inoltre, si evidenzia la necessità di un quadro normativo comune nell’Unione Europea che permetta di definire delle norme e delle linee guida generali per la gestione sostenibile del digestato prodotto dal trattamento anaerobico di rifiuti organici. Allo scopo di fornire le basi scientifiche a supporto delle decisioni legislative risulta quindi importante e necessaria la valutazione dei potenziali impatti ambientali associati ai diversi processi di trattamento di tale sottoprodotto. In questo lavoro di tesi è stata effettuata una caratterizzazione chimica delle matrici organiche oggetto di studio (fango e digestato) e un’analisi preliminare dei potenziali impatti ambientali a scala globale, secondo un approccio LCA (Life Cycle Assessment), dei processi di compostaggio e di idrolisi calcica del digestato disidratato. Questa analisi è stata svolta al fine di fornire una prima comparazione delle performance ambientali dei due processi. The gradual increase in organic fraction of municipal solid waste (FORSU) and sewage sludge treated by anaerobic digestion has led to a high digestate production in recent years. The production of waste, such as digestate and organic substrates entering the anaerobic digestion process, for example the organic fraction of municipal solid waste (FORSU) and sewage sludge, has shown a gradual increase over the last few years. That is why a proper management system of this residue is needed through the creation of a sustainable recovery chain, which today represents an important solution in order to achieve a circular economy. In particular, the recovery of the digestate resulted from anaerobic digestion of organic waste (such as FORSU), presents some critical issues because it shall be submitted to stabilization through suitable processes, such as composting or calcium hydrolysis with neutralization. This stabilization phase further weighs down the entire waste treatment chain, in particular if the dedicated plants have a different location with respect to the anaerobic digestion plants. Furthermore, there is a need for a common regulatory framework in the European Union that allows defining general rules and guidelines for the sustainable management of digestate produced by the anaerobic treatment of organic waste. In order to provide the scientific background in support of legislative decisions, it is therefore important and necessary to assess the potential environmental impacts related to different processes of the management scenarios of this by-product. In this thesis, it was carried out a chemical-physical characterization of the organic substrates (sludge and digestate) studied and a preliminary analysis of the potential environmental impact at a global scale, according to an LCA (Life Cycle Assessment) approach, of the composting and calcic hydrolysis process of the dehydrated digestate. This analysis was performed to evaluate and provide a first comparison of environmental performance of the two processes.

L'aumento della produzione di rifiuti è una delle maggiori preoccupazioni in molte aree del mondo. Una rigida normativa sulla tracciabilità dei rifiuti, che ne impedisce usi alternativi e comporta costi non indifferenti, ed una crescente domanda di fonti rinnovabili per la produzione di energia, prodotti chimici, combustibili e materiali, sta portando ad una forte richiesta di tecnologie innovative per la gestione e la valorizzazione dei rifiuti, in particolare per deiezioni/scarti zootecnici e frazione organica dei rifiuti urbani. Negli ultimi anni sono state proposte strategie alternative per la valorizzazione di tali materiali di scarto che comprendono approcci termochimici (ad esempio pirolisi e trattamento idrotermico), l'uso di fonti energetiche meno convenzionali come microonde, ultrasuoni o energia meccanica, fermentazione e digestione microbica insieme ad ulteriori bio-based strategy, tra cui la bioconversione per mezzo di insetti rappresenta sicuramente una delle tecniche più promettenti. In effetti la conversione delle biomasse di rifiuti organici in preziose biomolecole è una caratteristica peculiare di diversi tipi di insetti. Tra questi insetti l’Hermetia illucens (Linneus 1758, meglio noto come Black Soldier Fly - BSF) rappresenta un esempio eccellente, con numerosi vantaggi rispetto ad altre specie. BSF è una mosca non nociva (gli adulti vivono solo per pochi giorni, non si nutrono e non trasmettono agenti patogeni), le cui larve sono in grado di lavorare e svilupparsi molto rapidamente su substrati diversi tra cui sottoprodotti agricoli, escrementi di bestiame e rifiuti organici, limitando in modo significativo la crescita batterica e lo sviluppo di cattivi odori. Nonostante i problemi o le considerazioni ambientali e sulla salute umana, le prepupe di BSF sono buone fonti di lipidi, proteine e chitina, che sono state sfruttate negli ultimi anni nella produzione di biodiesel, mangimi e bioplastiche. In questo studio la pollina viene sfruttata per allevare prepupe di BSF che verranno frazionate in laboratorio per purificare la frazione proteica, lipidica e quella chitinosa. A partire dalle proteine si è individuata una appropriata miscela di componenti/additivi per l’ottenimento di bioplastiche funzionali ad un loro uso in agricoltura. In particolare lo scopo di questo lavoro è la valutazione ambientale mediante analisi LCA di tutti i diversi processi, dall'allevamento di BSF alla produzione di bioplastiche, passando attraverso la fase di isolamento, caratterizzazione ed estrazione della frazione lipidica, proteica e chitinosa. Sebbene il numero di studi che hanno valutato la bioconversione dei rifiuti organici tramite insetti (in particolare BSF) sia cresciuto considerevolmente negli ultimi anni, solo alcuni di essi riportano l’applicazione della metodologia LCA, seppur limitatamente al solo processo di bioconversione, valutando solo l'impatto ambientale associato alla produzione di prepupe di BSF e confrontandolo con fonti di alimentazione più convenzionali. Il presente studio, applicando l'analisi LCA a un sistema complesso, che parte dall’allevamento fino ad arrivare alla produzione di bioplastiche, ha l'obiettivo di analizzare in modo sperimentale alcuni aspetti metodologici che non sono ancora stati approfonditi fino ad oggi. Il progetto rappresenta perciò una sfida da affrontare con l'approccio del Life Cycle Thinking, ma è anche una opportunità per studiare gli aspetti deboli degli attuali modelli di valutazione ambientale basati sull’analisi LCA, come ad esempio le emissioni locali e indoor, per le quali è stato proposto un framework di calcolo (per il comparto aria) sviluppato a partire dai metodi EcoIndicator99, USEtox e dal modello Gaussian Plume Modeling.
The increasing in waste production is among the major concern in many areas around the world. A strict regulations in relation to its traceability, which prevents any alternative uses and carries considerable costs, and the increasing demand for renewable sources for production of energy, chemicals, fuels and materials, is leading to a strong demand for innovative technologies for the management and valorisation of waste, particularly for livestock manure and organic fractions of municipal waste. In the last years, alternative strategies for enhancing such waste materials have been proposed that include thermochemical approaches (for example pyrolysis and hydrothermal treatment), the use of less conventional energy sources such as microwaves, ultrasounds or energy mechanical, fermentation and microbial digestion together with additional bio-based strategies, among which bioconversion by insects is certainly one of the most promising techniques. Indeed conversion of organic waste biomasses into valuable biomolecules is a peculiar characteristic of several kinds of insects. Among these insects Hermetia illucens (Linneus 1758, better known as Black Soldier Fly - BSF) represents an excellent example, possessing several advantages with respect to other species. Black Soldier Fly is a non-pest fly (adults live for a few days only, they do not feed and do not transmit pathogens), whose larvae are able to process and to develop very quickly on different substrates, including agricultural by-products, livestock excrements and organic waste, significantly restraining bacterial growth and bad odours development. Despite environmental and human health issues or considerations, BSFs prepupae are good sources of lipids, proteins and chitin, which have been exploited in recent years in the production of biodiesel, feed and bioplastics. In this study poultry manure is exploited to breed BSFs prepupae which will be fractioned in a laboratory in order to purify the protein, lipid and chitin fraction. Starting from BSF proteins an appropriate mixture of components and additives was identified to obtain bioplastics functional to their use in agriculture. Particularly the aim of this work is the environmental assessment through LCA analysis of all of the different processes from BSFs breeding to the bioplastics production, by passing through the phase of isolation, characterization and extraction of protein, lipid and chitinous fraction. Although, the number of studies evaluating bioconversion of organic waste by insects (in particular by BSFs) has considerably grown during the recent years, only a few of them reported the application of LCA methodology, limitedly to the only bioconversion process, thus assessing the environmental impact associated with the production of BSF prepupae, and comparing it with more conventional feed sources. The present study, applying the LCA to a complex system, which starts from breeding up to the production of bioplastics, aims to experimentally analyze some methodological aspects that have not yet been studied in depth to date. The project is a challenge to be tackled with a Life Cycle Thinking approach, but it is also an opportunity to study the weak aspects of the current LCA-based environmental assessment models, for example the local and indoor emissions, for which, a calculation framework (for air compartment) was developed based on the EcoIndicator99 and USEtox methods and the model Gaussian Plume Modeling.

Questo elaborato si basa su uno studio effettuato in collaborazione con l’istituto di ricerca ENI-Donegani durante il quale si è esaminata la possibilità di trattare attraverso un processo biologico accoppiato, anaerobico-aerobico, le acque derivanti dal trattamento idrotermale (HTL, hydrothermal liquefaction) della frazione organica del rifiuto solido urbano (FORSU). Lo studio si è incentrato sulla resa del processo in termini di biogas prodotto e sull’ identificazione dei composti presenti all’interno del refluo da trattare. Per il monitoraggio del processo biologico sono state condotte le seguenti analisi: GC-TCD (gas cromatografia-detector a conduttività termica) per l’identificazione della composizione del biogas; estrazione e analisi in GC-MS (gas cromatografo-spettrometro di massa) per l’identificazione degli acidi grassi volatili prodotti nel processo di digestione anaerobica; analisi del pH, dell’ammoniaca e del COD (Chemical Oxygen Demand) delle sostanze organiche disciolte. Per la caratterizzazione chimica dei composti organici idrosolubili non volatili stata effettuata una derivatizzazione, tramite sililazione, dei flussi di entrata e di uscita al reattore, con successiva analisi in GC-MS. L’analisi quantitativa è stata effettuata grazie al metodo dello standard interno. Dai risultati dello studio e stato riscontrato un problema di inibizione dei metanogeni e dei microrganismi aerobi con una maggiore produzione di VFAs rispetto a biometano. Tale inibizione è stata attribuita principalmente alla variabilità del sistema NH3/VFAs/pH ed alla presenza di molecole inibenti nel refluo acquoso (HTL-WW). Vista la maggiore produzione di VFAs potrebbe essere interessante valutare la separazione di questi composti ad alto valore economico utilizzati nelle industrie chimiche per la produzione di vernici, gomma, materie plastiche, pesticidi, e conservanti alimenti.

Il processo di digestione anaerobica dei rifiuti solidi urbani, è una tecnologia che si basa sul duplice concetto di riduzione dei rifiuti e recupero energetico. La ricerca di nuovi vettori energetici ha portato recentemente allo sviluppo di nuove tecnologie che si basano sulla produzione biologica di idrogeno utilizzando substrati organici, mediante processi di tipo fotosintetici o fermentativi. Questo lavoro di dottorato ha come obiettivo l’ottimizzazione del processo di digestione anaerobica termofila a fasi separate finalizzato alla produzione di bio-idrogeno, ottenuto nella prima fase del processo (fermentazione), e biogas ottenuto nella seconda fase di trattamento dell’effluente idrolizzato. Punto chiave del lavoro è l’applicabilità in piena scala dell’intero processo, infatti si è scelto di agire su parametri facilmente modificabili e che non comportino ulteriori spese di esercizio. Oltre a questo aspetto, nel lavoro di tesi è stata considerata anche la qualità dell’effluente da digestione anaerobica di rifiuti organici, testata mediante prove di Indice Respirometrico Dinamico e mediante la misura del potenziale di biometanizzazione.
The anaerobic digestion process is a well-known technology for organic waste treatment, and it met the necessity to treat wastes and recover energy from renewable sources. Recently, the urgent necessity of new energy vectors drove the scientific research to biological hydrogen production technology, through photosynthetic and fermentative processes. This PhD thesis deals with the optimization of a two-phase thermophilic anaerobic digestion process treating organic waste for hydrogen and methane production. Nor physical neither chemical pretreatment were used to treat the inoculum or the substrates in order to optimize the process for a sustainable scale-up. It was further verified the biologic stability of the digested material by means of aerobic tests, based on the dynamic respirometric index (DRI), where the oxygen uptake rate by the substrate was continuously monitored, and anaerobic tests that were based on the biochemical methane potential (BMP), where the biogas produced by digestate in long-term batch tests, was measured. These values can be used to define the stability of the reactors effluent to verify the possibility to reduce the treatment time

La tematica dell’efficienza energetica e lo sviluppo delle energie rinnovabili sono, al giorno d’oggi, al centro delle politiche energetiche di molti Paesi. In tale ottica, lo studio realizzato si propone di esaminare i possibili interventi di efficientamento energetico, processuali ed impiantistici, realizzabili in un impianto di recupero della frazione organica del rifiuto da raccolta differenziata, in cui, mediante processo anaerobico/aerobico vengono prodotti biogas e ammendante. L’impianto preso in esame è l’impianto di digestione anaerobica e compostaggio sito in località Ca’ Baldacci nel comune di Rimini. A tal fine, si è ragionato, nella prima parte dello studio, in termini di ottimizzazione della produzione di biogas per aumentare l’energia elettrica prodotta nell’impianto stesso, in parte destinata all’ autoconsumo. Nella seconda parte dello studio, si sono cercate soluzioni che consentissero di ridurre i consumi di energia elettrica legati alle attività del processo; per fare ciò si sono individuate le sezioni impiantistiche e le utenze più energivore e, sulla base dei risultati ottenuti, si sono esaminati alcuni interventi di efficientamento di tipo impiantistico e processuale, realizzabili nell’ impianto ed i relativi risparmi energetici, in termini di energia elettrica. A conclusione dell’analisi fatta, si è stimato che, grazie all’ efficientamento energetico ipotizzato, si potrebbero risparmiare complessivamente 1.180 MWh/ anno di energia elettrica, proveniente dalla rete locale.

I rifiuti organici e i fanghi di depurazione rappresentano i due maggiori flussi di scarto del metabolismo urbano. L’obiettivo di questo lavoro di tesi consiste nella loro valorizzazione attraverso l’ottimizzazione della produzione di acidi grassi volatili (AGV) mediante fermentazione e successivamente attraverso la produzione di biogas mediante digestione anaerobica dell’effluente della fermentazione. Entrambi i processi di fermentazione e biometanazione sono stati condotti in condizioni mesofile, a T=37°C e T=42°C rispettivamente. I rifiuti organici e i fanghi di depurazione sono stati miscelati in rapporto 1:1 su base TVS e sottoposti a cavitazione. La resa di AGV è stata determinata per la miscela cavitata e non cavitata su un primo test batch con un carico organico (OL) pari a 21,4 kgtCOD/m3 e 22,4 kgtCOD/m3 per la miscela cavitata e non cavitata rispettivamente. Nel secondo test batch è stato applicato un carico organico pari a 33,4 e 34,8 kgtCOD/m3 rispettivamente per la miscela cavitata e non cavitata. Dopo aver raggiunto il picco della concentrazione dei VFA, i due reattori sono stati alimentati in semi-continuo con un tasso di carico organico (Organic Loading Rate, OLR) pari a 8 kgTVS/m3*d ed un tempo di ritenzione idraulica (Hydraulic Retention Time, HRT) pari a 5 d e 6,6 d per il substrato cavitato e non cavitato rispettivamente. I test di biometanazione sono stati condotti sui substrati singoli (rifiuti organici e fanghi di depurazione), sulla miscela di rifiuti organici e fanghi cavitata e non cavitata in rapporto 1:1 su base TVS, sull’effluente della fermentazione di queste due miscele e sulla sua frazione solida. Organic waste and biological sludge produced from wastewater treatment plants are the two major waste streams of the urban metabolism. The aim of this thesis is their valorization by optimizing the production of volatile fatty acids (AGVs) through fermentation and subsequent biogas production through the anaerobic digestion of the fermentation effluent. Both processes of fermentation and biomethanation were conducted under mesophilic conditions, with T=37°C and T=42°C respectively. Organic waste and biological sludge were mixed at a 1:1 ratio on TVS basis and then cavitated. The VFAs yield was determined for the cavitated and untreated mixture by carrying out a batch test with an organic loading (OL) of 21,4 kgtCOD/m3 and 22,4 kgtCOD/m3 for the cavitated and untreated mixture respectively. A second batch test was conducted, with an OL of 33,4 and 34,8 kgtCOD/m3 for the cavitated and untreated mixture respectively. After reaching the peak in VFAs production, both reactors were fed in a semi-continuous manner with an organic loading rate (OLR) of 8 kgTVS/m3*d and a hydraulic retention time (HRT) of 5 d and 6,6 d for the cavitated and untreated mixture respectively. The biochemical methane potential (BMP) tests were conducted on the single substrates (organic waste and biological sludge), on the mixture of organic waste and biological sludge cavitated and untreated in a 1:1 ratio on TVS basis, and finally on the fermentation effluent of the two mixtures and on its solid fraction.

An anaerobic consortium, capable of efficiently converting into methane the organic fraction of mechanically sorted municipal solid waste (MS-OFMSW), was obtained through a dedicated enrichment procedure in a 0.36 L up-flow anaerobic recirculated reactor. This result was obtained after several micro-reactor fed-batch procedures that allowed to obtain only a few methanization of the MS-OFMSW.

An anaerobic consortium, capable of efficiently converting into methane the organic fraction of mechanically sorted municipal solid waste (MS-OFMSW), was obtained through a dedicated enrichment procedure in a 0.36 L up-flow anaerobic recirculated reactor. This result was obtained after several micro-reactor fed-batch procedures that allowed to obtain only a few methanization of the MS-OFMSW.

La metodologia Life Cycle Assessment (LCA) è un metodo oggettivo di valutazione e quantificazione dei carichi energetici ed ambientali e degli impatti potenziali associati ad un processo o attività produttiva lungo l’intero ciclo di vita. Il lavoro presentato in questa tesi ha avuto come obiettivo l’analisi del ciclo di vita dell’impianto di trattamento della FORSU (la frazione organica di rifiuti solidi urbani) di Voltana di Lugo, in provincia di Ravenna. L’impianto attuale si basa sull'utilizzo accoppiato di digestione anaerobica a secco (sistema DRY) e compostaggio. Si è voluto inoltre effettuare il confronto fra questo scenario con quello antecedente al 2012, in cui era presente solamente il processo di compostaggio classico e con uno scenario di riferimento in cui si è ipotizzato che tutto il rifiuto trattato potesse essere smaltito in discarica. L’unità funzionale considerata è stata “le tonnellate di rifiuto trattate in un mese“, pari a 2750 t. L’analisi di tutti i carichi energetici ed ambientali dell’impianto di Voltana di Lugo è stata effettuata con l’ausilio di “GaBi 5”, un software di supporto specifico per gli studi di LCA. Dal confronto fra lo scenario attuale e quello precedente è emerso che la configurazione attuale dell’impianto ha delle performance ambientali migliori rispetto alla vecchia configurazione, attiva fino a Dicembre 2012, e tutte e due sono risultate nettamente migliori rispetto allo smaltimento in discarica. I processi che hanno influenzato maggiormente gli impatti sono stati: lo smaltimento del sovvallo in discarica e la cogenerazione, con produzione di energia elettrica da biogas. Il guadagno maggiore, per quanto riguarda lo scenario attuale rispetto a quello precedente, si è avuto proprio dal surplus di energia elettrica prodotta dal cogeneratore, altrimenti prelevata dal mix elettrico nazionale.

The bioproduction of materials and energy from renewable sources (industrial biotechnology) is getting more and more interest in order to improve environmental sustainability of chemical industrial processes and to decrease their dependence from oil. Anaerobic digestion of organic waste matrices (agricultural and industrial wastes, organic fraction of municipal wastes, sewage sludges etc.) may play an important role in the implementation of industrial biotechnology being a well developed strategy in the valorization of complex matrices, as it can mineralize them while producing bioenergy in the form of a biogas rich in methane. In this research the potential of anaerobic digestion in the treatment of polluted sewage sludge was studied by developing three set of anaerobic microcosms with sludges differently contaminated by xenobiotic compounds. The effect of different incubating temperatures and of exogenous carbon and vitamine sources was investigated along with the role of the occurring microbial populations in the pollutant degradation activity. So, while confirming the potential of anaerobic digestion for the biomethanization of sewage sludges, this work proved the effectiveness of this technology in the removal of pollutants too. Moreover, since the degradation of lignocellulose appears to be a limiting step in the anaerobic treatment of a wide range of biomass, the possibility of optimizing anaerobic digestion of lignocellulosic substrates was also studied. To this aim a research was carried out at the BOKUUniversity of Natural Resources and Applied Life Sciences, Department for Agrobiotechnology, IFA - Tulln, where mixed cellulolytic cultures were isolated from biogas plants while assessing the metabolic pathway leading to cellulose degradation and verifying their capability to grow on lignocellulose too, proving that on the long term such bacterial cultures could be used as inoculum in order to improve the hydrolysis of lignocellulose in anaerobic digestion plants.

The bioproduction of materials and energy from renewable sources (industrial biotechnology) is getting more and more interest in order to improve environmental sustainability of chemical industrial processes and to decrease their dependence from oil. Anaerobic digestion of organic waste matrices (agricultural and industrial wastes, organic fraction of municipal wastes, sewage sludges etc.) may play an important role in the implementation of industrial biotechnology being a well developed strategy in the valorization of complex matrices, as it can mineralize them while producing bioenergy in the form of a biogas rich in methane. In this research the potential of anaerobic digestion in the treatment of polluted sewage sludge was studied by developing three set of anaerobic microcosms with sludges differently contaminated by xenobiotic compounds. The effect of different incubating temperatures and of exogenous carbon and vitamine sources was investigated along with the role of the occurring microbial populations in the pollutant degradation activity. So, while confirming the potential of anaerobic digestion for the biomethanization of sewage sludges, this work proved the effectiveness of this technology in the removal of pollutants too. Moreover, since the degradation of lignocellulose appears to be a limiting step in the anaerobic treatment of a wide range of biomass, the possibility of optimizing anaerobic digestion of lignocellulosic substrates was also studied. To this aim a research was carried out at the BOKUUniversity of Natural Resources and Applied Life Sciences, Department for Agrobiotechnology, IFA - Tulln, where mixed cellulolytic cultures were isolated from biogas plants while assessing the metabolic pathway leading to cellulose degradation and verifying their capability to grow on lignocellulose too, proving that on the long term such bacterial cultures could be used as inoculum in order to improve the hydrolysis of lignocellulose in anaerobic digestion plants.

Il presente studio di tesi vuole investigare le rese di produzione specifica di biogas (SGP) della digestione anerobica di FORSU pretrattata mediante screw press; in particolare per la prima volta si è operato un processo di trattamento anaerobico in due reattori separati CSTR senza effettuare il ricircolo. Inizialmente il lavoro sperimentale ha previsto la stabilizzazione delle condizioni operative di un fermentatore monitorando parametri fondamentali quali pH, alcalinità, concentrazione di VFA ecc... Una volta raggiunte le condizioni operative si è proceduto alla digestione del fermentato ricco in VFA in due digestori operanti rispettivamente in mesofilia e termofilia. Lo studio di tesi si prefigge anche l'obiettivo di confrontare le rese di produzione di biogas con i risultati ottenuti operando il ricircolo.

Il presente elaborato è stato finalizzato allo sviluppo di un processo di digestione anaerobica della frazione organica dei rifiuti solidi urbani (FORSU oppure, in lingua inglese OFMSW, Organic Fraction of Municipal Solid Waste) provenienti da raccolta indifferenziata e conseguente produzione di biogas da impiegarsi per il recupero energetico. Questo lavoro rientra nell’ambito di un progetto, cofinanziato dalla Regione Emilia Romagna attraverso il Programma Regionale per la Ricerca Industriale, l’Innovazione e il Trasferimento Tecnologico (PRRIITT), sviluppato dal Dipartimento di Chimica Applicata e Scienza dei Materiali (DICASM) dell’Università di Bologna in collaborazione con la Facoltà di Ingegneria dell’Università di Ferrara e con la società Recupera s.r.l. che applicherà il processo nell’impianto pilota realizzato presso il proprio sito di biostabilizzazione e compostaggio ad Ostellato (FE). L’obiettivo è stato la verifica della possibilità di impiegare la frazione organica dei rifiuti indifferenziati per la produzione di biogas, e in particolare di metano, attraverso un processo di digestione anaerobica previo trattamento chimico oppure in codigestione con altri substrati organici facilmente fermentabili. E’ stata inoltre studiata la possibilità di impiego di reattori con biomassa adesa per migliorare la produzione specifica di metano e diminuire la lag phase. Dalla sperimentazione si può concludere che è possibile giungere allo sviluppo di metano dalla purea codigerendola assieme a refluo zootecnico. Per ottenere però produzioni significative la quantità di solidi volatili apportati dal rifiuto non deve superare il 50% dei solidi volatili complessivi. Viceversa, l’addizione di solfuri alla sola purea si è dimostrata ininfluente nel tentativo di sottrarre gli agenti inibitori della metanogenesi. Inoltre, l’impiego di supporti di riempimento lavorando attraverso processi batch sequenziali permette di eliminare, nei cicli successivi al primo, la lag phase dei batteri metanogeni ed incrementare la produzione specifica di metano.

L'elaborato di tesi svolto in collaborazione con la Prof.ssa Bonoli ed in seguito ad un'esperienza semestrale con i docenti dell'Università di Granada, UGR, presso il dipartimento di Ingegneria Civile, è inerente ad uno studio di fattibilità tecnico-economica rivolto agli impianti di trattamento biologico della frazione organica dei rifiuti solidi urbani (FORSU). Lo studio in prima analisi si serve degli strumenti offerti dalla letteratura finanziaria, ossia attraverso l'analisi del Valore Attuale Netto. A partire da un'analisi costi / benefici effettuata attraverso lo studio delle fonti letterarie in merito alla tematica in questione, è risultato possibile valutare, in ottica multi-scenario, la fattibilità economica di differenti impianti di trattamento biologico della FORSU. L'approccio implementato per lo studio di fattibilità si serve della metodologia stocastica offerta tramite la simulazione Montecarlo. A seguito di un numero di iterazioni sufficientemente elevato di permutazioni degli input, nella forma di costi e benefici, è stato possibile, processando questi mediante la formula tradizionale del Valore Attuale Netto, ottenere una moltitudine di output, indici per lo studio della fattibilità tecnico - economica delle diverse tipologie di impianti di trattamento biologico. Tre sono gli scenari oggetto d'analisi, inerenti, rispettivamente, al compostaggio via digestione aerobica, alla produzione di energia elettrica rinnovabile, via digestione anaerobica ed infine la produzione di biometano mediante impianti di trattamento anaerobici. Applicando la metodologia definita per l'analisi stocastica tecnico - economica ad ogni scenario definito, si è potuto in ultima analisi definire quale sia la soluzione impiantistica maggiormente redditizia ed economicamente perseguibile rispetto le restanti.

Il seguente lavoro di tesi mira a sviluppare tecnologie e processi sostenibili per la produzione di biopolimeri, quali poliidrossialcanoati (PHA). I PHA sono poliesteri di base biologica prodotti dai batteri, in sistemi di fermentazione a colture microbiche miste (MMC). Come substrato carbonioso è stata utilizzata la frazione organica dei rifiuti solidi urbani (FORSU). Il processo consiste in un sistema accoppiato di fermentazione acidogenica e strippaggio in ipertermofilia (70°C), per la produzione e recupero di acidi grassi volatili (VFA), utilizzati come fonte carboniosa in MMC per la produzione di PHA. Lo strippaggio è stato utilizzato come tecnica di recupero dei VFA dalla fermentazione, i primi test sono stati effettuati mediante l’utilizzo di soluzioni standard raggiungendo una resa massima del 99 % di VFA in 23h. L’esperimento reale, (fermentazione acidogenica accoppiata a strippaggio) ha auto una conversione massima del 65 % di FORSU in VFA, il recupero tramite lo strippaggio è stato del 90 % mentre la resa globale del processo accoppiato è stata pari al 18%. Per la produzione di PHA è stato utilizzato il ProBiotipo, impianto pilota di B-PLAS DEMO, progetto finanziato dalla EIT Climate-KIC. Le percentuali di produzione di PHA da MMC raggiunte sono dell’83 % su peso secco. Successivamente sono state effettuate estrazioni di PHA dalle biomasse batteriche con l’utilizzo di sodio dodecil solfato (SDS) per lisare la parete cellulare e dimetilcarbonato (DMC) solvente green per l’estrazione. Le rese di estrazione sono state del 94 %.

Waste management is becoming, year after year, always more important both for the costs associated with it and for the ever increasing volumes of waste generated. The discussion on the fate of organic fraction of municipal solid waste (OFMSW) leads everyday to new solutions. Many alternatives are proposed, ranging from incineration to composting passing through anaerobic digestion. “For Biogas” is a collaborative effort, between C.I.R.S.A. and R.E.S. cooperative, whose main goal is to generate “green” energy from both biowaste and sludge anaerobic co-digestion. Specifically, the project include a pilot plant receiving dewatered sludge from both urban and agro-industrial sewage (DS) and the organic fraction of MSW (in 2/1 ratio) which is digested in absence of oxygen to produce biogas and digestate. Biogas is piped to a co-generation system producing power and heat reused in the digestion process itself, making it independent from the national grid. Digestate undergoes a process of mechanical separation giving a liquid fraction, introduced in the treatment plant, and a solid fraction disposed in landfill (in future it will be further processed to obtain compost). This work analyzed and estimated the impacts generated by the pilot plant in its operative phase. Once the model was been characterized, on the basis of the CML2001 methodology, a comparison is made with the present scenario assumed for OFMSW and DS. Actual scenario treats separately the two fractions: the organic one is sent to a composting plant, while sludge is sent to landfill. Results show that the most significant difference between the two scenarios is in the GWP category as the project "For Biogas" is able to generate “zero emission” power and heat. It also generates a smaller volume of waste for disposal. In conclusion, the analysis evaluated the performance of two alternative methods of management of OFMSW and DS, highlighting that "For Biogas" project is to be preferred to the actual scenario.

Il lavoro di dottorato si inquadra nell’ambito delle energie da fonti rinnovabili, ed in particolare in quello del recupero di combustibili gassosi da matrici ad alta biodegradabilità. I filoni affrontati sono due: da una parte, la messa a punto di un sistema integrato AD a 2 fasi per il trattamento di FORSU, al fine di produrre biohythane, controllando il sistema attraverso il flusso di ricircolo da una fase all’altra. L’altro filone invece ha riguardato l’ambito agroindustriale, nell’ottica di definire le migliori condizioni operative per matrici di origine zootecnica ed agricola. I risultati ottenuti sono stati notevoli sotto molteplici aspetti: le rese di conversione sono state elevate, la produzione di idrogeno si è rivelata in linea con le necessità di formare una miscela gassosa di interesse industriale e le possibilità offerte dal controllo sulla linea di ricircolo aprono la strada a possibili implementazioni di un controllo di processo on line basato su sonde a basso costo.
This Ph.D thesis is focused on the energy production from renewable resources. In particular it deals with the gaseous biofuels recovery from high biodegradable waste streams. Two studies has been carried out. The first one deals with the optimization of a two-phase anaerobic digestion process treating the OFMSW for bio-hythane production through reject water recirculation. The second study is focused on the anaerobic co-digestion process treating waste from agro-food industry ( manure, energy crops and agro-waste) in order to define the better operating conditions. The results shows that high biogas yields can be achieved. Moreover a stable bio-hythane production was obtained and the overall process can be implemented with a low cost automatic control system.

Despite significant efforts have been directed toward reducing waste generation and encouraging alternative waste management strategies, landfills still remain the main option for Municipal Solid Waste (MSW) disposal in many countries. Hence, landfills and related impacts on the surroundings are still current issues throughout the world. Actually, the major concerns are related to the potential emissions of leachate and landfill gas into the environment, that pose a threat to public health, surface and groundwater pollution, soil contamination and global warming effects. To ensure environmental protection and enhance landfill sustainability, modern sanitary landfills are equipped with several engineered systems with different functions. For instance, the installation of containment systems, such as bottom liner and multi-layers capping systems, is aimed at reducing leachate seepage and water infiltration into the landfill body as well as gas migration, while eventually mitigating methane emissions through the placement of active oxidation layers (biocovers). Leachate collection and removal systems are designed to minimize water head forming on the bottom section of the landfill and consequent seepages through the liner system. Finally, gas extraction and utilization systems, allow to recover energy from landfill gas while reducing explosion and fire risks associated with methane accumulation, even though much depends on gas collection efficiency achieved in the field (range: 60-90% Spokas et al., 2006; Huitric and Kong, 2006). Hence, impacts on the surrounding environment caused by the polluting substances released from the deposited waste through liquid and gas emissions can be potentially mitigated by a proper design of technical barriers and collection/extraction systems at the landfill site. Nevertheless, the long-term performance of containment systems to limit the landfill emissions is highly uncertain and is strongly dependent on site-specific conditions such as climate, vegetative covers, containment systems, leachate quality and applied stress. Furthermore, the design and operation of leachate collection and treatment systems, of landfill gas extraction and utilization projects, as well as the assessment of appropriate methane reduction strategies (biocovers), require reliable emission forecasts for the assessment of system feasibility and to ensure environmental compliance. To this end, landfill simulation models can represent an useful supporting tool for a better design of leachate/gas collection and treatment systems and can provide valuable information for the evaluation of best options for containment systems depending on their performances under the site-specific conditions. The capability in predicting future emissions levels at a landfill site can also be improved by combining simulation models with field observations at full-scale landfills and/or with experimental studies resembling landfill conditions. Indeed, this kind of data may allow to identify the main parameters and processes governing leachate and gas generation and can provide useful information for model refinement. In view of such need, the present research study was initially addressed to develop a new landfill screening model that, based on simplified mathematical and empirical equations, provides quantitative estimation of leachate and gas production over time, taking into account for site-specific conditions, waste properties and main landfill characteristics and processes. In order to evaluate the applicability of the developed model and the accuracy of emissions forecast, several simulations on four full-scale landfills, currently in operative management stage, were carried out. The results of these case studies showed a good correspondence of leachate estimations with monthly trend observed in the field and revealed that the reliability of model predictions is strongly influenced by the quality of input data. In particular, the initial waste moisture content and the waste compression index, which are usually data not available from a standard characterisation, were identified as the key unknown parameters affecting leachate production. Furthermore, the applicability of the model to closed landfills was evaluated by simulating different alternative capping systems and by comparing the results with those returned by the Hydrological Evaluation of Landfill Performance (HELP), which is the most worldwide used model for comparative analysis of composite liner systems. Despite the simplified approach of the developed model, simulated values of infiltration and leakage rates through the analysed cover systems were in line with those of HELP. However, it should be highlighted that the developed model provides an assessment of leachate and biogas production only from a quantitative point of view. The leachate and biogas composition was indeed not included in the forecast model, as strongly linked to the type of waste that makes the prediction in a screening phase poorly representative of what could be expected in the field. Hence, for a qualitative analysis of leachate and gas emissions over time, a laboratory methodology including different type of lab-scale tests was applied to a particular waste material. Specifically, the research was focused on mechanically biologically treated (MBT) wastes which, after the introduction of the European Landfill Directive 1999/31/EC (European Commission, 1999) that imposes member states to dispose of in landfills only wastes that have been preliminary subjected to treatment, are becoming the main flow waste landfilled in new Italian facilities. However, due to the relatively recent introduction of the MBT plants within the waste management system, very few data on leachate and gas emissions from MBT waste in landfills are available and, hence, the current knowledge mainly results from laboratory studies. Nevertheless, the assessment of the leaching characteristics of MBT materials and the evaluation of how the environmental conditions may affect the heavy metals mobility are still poorly investigated in literature. To gain deeper insight on the fundamental mechanisms governing the constituents release from MBT wastes, several leaching experiments were performed on MBT samples collected from an Italian MBT plant and the experimental results were modelled to obtain information on the long-term leachate emissions. Namely, a combination of experimental leaching tests were performed on fully-characterized MBT waste samples and the effect of different parameters, mainly pH and liquid to solid ratio (L/S,) on the compounds release was investigated by combining pH static-batch test, pH dependent tests and dynamic up-flow column percolation experiments. The obtained results showed that, even though MBT wastes were characterized by relatively high heavy metals content, only a limited amount was actually soluble and thus bioavailable. Furthermore, the information provided by the different tests highlighted the existence of a strong linear correlation between the release pattern of dissolved organic carbon (DOC) and several metals (Co, Cr, Cu, Ni, V, Zn), suggesting that complexation to DOC is the leaching controlling mechanism of these elements. Thus, combining the results of batch and up-flow column percolation tests, partition coefficients between DOC and metals concentration were derived. These data, coupled with a simplified screening model for DOC release, allowed to get a very good prediction of metal release during the experiments and may provide useful indications for the evaluation of long-term emissions from this type of waste in a landfill disposal scenario. In order to complete the study on the MBT waste environmental behaviour, gas emissions from MBT waste were examined by performing different anaerobic tests. The main purpose of this study was to evaluate the potential gas generation capacity of wastes and to assess possible implications on gas generation resulting from the different environmental conditions expected in the field. To this end, anaerobic batch tests were performed at a wide range of water contents (26-43 %w/w up to 75 %w/w on wet weight) and temperatures (from 20-25 °C up to 55 °C) in order to simulate different landfill management options (dry tomb or bioreactor landfills). In nearly all test conditions, a quite long lag-phase was observed (several months) due to the inhibition effects resulting from high concentrations of volatile fatty acids (VFAs) and ammonia that highlighted a poor stability degree of the analysed material. Furthermore, experimental results showed that the initial waste water content is the key factor limiting the anaerobic biological process. Indeed, when the waste moisture was lower than 32 %w/w the methanogenic microbial activity was completely inhibited. Overall, the obtained results indicated that the operative conditions drastically affect the gas generation from MBT waste, in terms of both gas yield and generation rate. This suggests that particular caution should be paid when using the results of lab-scale tests for the evaluation of long-term behaviour expected in the field, where the boundary conditions change continuously and vary significantly depending on the climate, the landfill operative management strategies in place (e.g. leachate recirculation, waste disposal methods), the hydraulic characteristics of buried waste, the presence and type of temporary and final cover systems.

Il continuo sviluppo del trasporto pone ai Paesi europei la difficile sfida di conciliare le accresciute esigenze di mobilità con quelle di tutela dell’ambiente e della salute dei cittadini. Il trasporto, soprattutto quello su strada, è tradizionalmente un’importante fonte di produzione di ossidi di carbonio (CO e CO2), di azoto (NOx), di zolfo (SOx), di idrocarburi incombusti e di particolato solido. Tale settore rappresenta, dunque, una delle priorità su cui intervenire immediatamente, dato che da esso proviene circa un quarto delle emissioni totali di gas serra e che una mobilità sostenibile è indispensabile anche su scala globale. Pertanto, nel corso degli ultimi anni si stanno avviando attività sperimentali e di ricerca finalizzate alla produzione di biofuel a partire dalla valorizzazione di scarti provenienti dall’industria agroalimentare, del legno e dal settore dei rifiuti urbani. In quest’ottica, i rifiuti lignocellulosici ed in particolare quelli organici di origine urbana rappresentano una materia prima ampiamente disponibile e reperibile sul territorio e al tempo stesso una valida risorsa ambientale, giacché possiedono un potenziale energetico che può essere recuperato e riutilizzato tramite le attuali tecnologie a disposizione. In questo quadro si inserisce il presente Progetto di Ricerca di durata triennale, sviluppato nell’ambito del Dottorato di Ricerca in Ingegneria Ambientale di SAPIENZA, Università di Roma. L’obiettivo è stato quello di valutare le rese produttive in termini di idrogeno e metano da scarti organici di origine diversa, mediante il processo di digestione anaerobica, evidenziando le differenze e le criticità emerse nella valutazione delle rese di processo legate alla natura stessa dei substrati impiegati e alle specifiche condizioni operative richieste per l’applicazione del processo. Le matrici utilizzate nella sperimentazione sono state le seguenti:  rifiuti organici da raccolta differenziata costituiti da diverse tipologie di scarti umidi (FW);  frazione organica selezionata meccanicamente rifiuto urbano indifferenziato (OF);  scarti di origine domestica prelevati da una mensa universitaria (M). L’attività è stata interamente svolta nel laboratorio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale, presso il Dipartimento di Ingegneria Civile, Edile e Ambientale, di SAPIENZA, Università di Roma. L’iter procedurale della sperimentazione, seguito ad una fase di approfondita ricerca bibliografica, ha previsto la realizzazione delle seguenti fasi principali di cui sono riportati sinteticamente i risultati più importanti.