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Studio di nuove tecnologie applicate alla individuazione e caratterizzazione delle
emissioni di biogas da discaricaCandidato: MANZO CIRO
Siena 14 Dicembre 2012
SCUOLA SUPERIORE S. CHIARASCUOLA DI DOTTORATO IN SCIENZE E TECNOLOGIE APPLICATE ALL’AMBIENTE
SEZIONE TECNOLOGIE INNOVATIVE PER LA GESTIONE DEL TERRITORIO(XXV CICLO)
Tutor: Prof. SALVINI RICCARDOCo-Tutor: Prof. DISPERATI LEONARDO
Ing. MANLIO PACITTI
Outline
1. Premessa
2. Obiettivi
3. Attività di ricerca
4. Fasi di sviluppo
5. Work-flow misure
6. Conclusioni
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 2
Framework
• Progetto Valutazione e individuazione di metodologie di caratterizzazione delle emissioni di biogas da discarica (acronimo BIOGAS-CGT), previsto nell’Accordo di Programma Quadro Ricerca e Trasferimento Tecnologico per il Sistema Produttivo tra Centro di Geotecnologie dell’Università di Siena (Capofila dell’ATS) e la Regione Toscana
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 3
BIOGAS DA DISCARICA
La qualità e i componenti del biogas sono influenzate da:• tipi e merceologia del rifiuto
• quantità e tipi di composti organici
• U% e TEMP. del rifiuto
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 4
Il biogas si genera dalla decomposizione della parte organica dei Rifiuti Solidi Urbani durante la fase anaerobica
Farquhar e Rovers, 1973
III III IV V t
Gas (% vol) Fasi metanigene
Discarica Reattore
R
A
B
P
R = RifiutoA = AcquaB = BiogasP = Percolato
E’ possibile tramite modelli teorici «stimare» il biogas producibile dalla discarica
QCH4 =ijktt
n
i j
eM
KL
101
1
1,00
ProblemaOpportunità
Premessa
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 5
RifiutiSource EDGAR 4.0 (JRC/PBL.2009)
Tg C
H4
Premessa
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 6
Strategico disporre di diversi metodi di misura indipendenti
dal momento che a priori non è noto il valore “vero” di emissione
Approssimazione modelli di max produzione di LFG Misura puntuale della emissione diffusa COSTOSA E CON QUALITA’ STRETTAMENTE f:griglia e tempo di misura
• LFTGN03 è la guida tecnica per la valutazione dell’emissione per i siti ormai chiusi diffusa dall’EA (Environmental Agency)
?
Non tutto il BIOGAS può essere captato
Metano generato = Estratto + Emesso + Migrato + Ossidato + differenza nello stoccaggio del metanoDiossido di Carbonio generato = Estratto + Emesso + Migrato +
Ossidazione Metano + Combustione metano + CO2 nel percolato + differenza nello stoccaggio del metano
Modificato da Bogner & Scott, 1997
Obiettivi
1. Messa a punto di METODOLOGIE DI RILEVAMENTO
DIVERSE/ALTERNATIVE rispetto a quelle correnti
2. Confronto dei valori ottenuti con diverse metodologie di
misura
3. Stima dei valori globali di emissione in base ai dati rilevati
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 7
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 8
Tuneable diode Laser
Attività di ricerca
Termocamera
FTIR Multigas Analyzer
Rilevatore a ionizzazione di fiamma (FID)
Anemometro 3dsonico
Spettroradiometro
Attività di ricerca
13/04/2023 9Discussione dottorato di Manzo Ciro
0,35-2,5 mm
Attività di ricerca
13/04/2023 10Discussione dottorato di Manzo Ciro
Slank + Metano
ml
1 50
cm
Metano
Alloggiamento Fibra Ottica 8° IFOV
Attività di ricerca
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 11
ml
Attività di ricerca
13/04/2023 12Discussione dottorato di Manzo Ciro
ppm CH4
ml
Attività di ricerca
13/04/2023 13Discussione dottorato di Manzo Ciro
Idea progettuale
Campo di vento sull’area della discarica
Attività di ricerca
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 14
Low conc
High conc
Discarica
BIOGAS
Vento
•Griglia o percorsi di misura sul lato sottovento della discarica•Intercettazione del plume emissivo
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 15
Low conc
High conc
Discarica
BIOGAS
Vento
•Griglia o percorsi di misura sul lato sottovento della discarica•Intercettazione del plume emissivo•Misura concentrazioni metano sui nodi della griglia•Modellazione all’indietro per la determinazione delle sorgenti e dell’emissione totale
Campo di vento sull’area della discarica
Idea progettuale
Attività di ricerca
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 16
Low conc
High conc
Discarica
BIOGAS
Vento
•Griglia o percorsi di misura sul lato sottovento della discarica•Intercettazione del plume emissivo•Misura concentrazioni metano sui nodi della griglia•Modellazione all’indietro per la determinazione delle sorgenti e dell’emissione totale
Campo di vento sull’area della discarica
Idea progettuale
Attività di ricerca
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 17
Discarica
BIOGAS
Vento
Low conc
High conc
Tuneable Diode Laser
•Griglia o percorsi di misura sul lato sottovento della discarica•Intercettazione del plume emissivo•Misura concentrazioni metano lungo percorsi ottici•Modellazione all’indietro per la determinazione delle sorgenti e dell’emissione totale
Campo di vento sull’area della discarica
Idea progettuale
Attività di ricerca
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 18
Discarica
BIOGAS
Vento
Low conc
High conc
Retroriflettore posto a terra
Retroriflettori posti su carrello
elevatore
Misura diretta del plume
Raggio IR che esegue una singola misura
Tuneable Diode Laser
•Griglia o percorsi di misura sul lato sottovento della discarica•Intercettazione del plume emissivo•Misura concentrazioni metano lungo percorsi ottici•Modellazione all’indietro per la determinazione delle sorgenti e dell’emissione totale
Campo di vento sull’area della discarica
Idea progettuale
Attività di ricerca
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 19
Low conc
High conc
Discarica
BIOGAS
Vento
•Griglia o percorsi di misura sul lato sottovento della discarica•Intercettazione del plume emissivo•Misura concentrazioni metano sui nodi della griglia•Modellazione all’indietro per la determinazione delle sorgenti e dell’emissione totale
Campo di vento sull’area della discarica
Idea progettualeIdea progettuale
Attività di ricerca
Sistema di campionamento basato sull’impiego di un vettore aerostatico
Messa a punto del pallone aereostatico Osservazioni:-Elevato numero di analisi sul lato della discarica-Campioni acquisiti tutti nelle medesime condizioni atmosferiche-Uso multiplo di micropompe radiocomandate per migliorare la produttività del sistema
Campionamento su sezione verticale
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 20
Fasi di sviluppo e misure
Messa a punto del pallone aereostatico Osservazioni:-Elevato numero di analisi sul lato della discarica-Campioni acquisiti tutti nelle medesime condizioni atmosferiche-Uso multiplo di micropompe radiocomandate per migliorare la produttività del sistema
Campionamento su sezione verticale
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 21
Sistema di campionamento basato sull’impiego di un vettore aerostatico
Messa a punto del pallone aereostatico Osservazioni:-Elevato numero di analisi sul lato della discarica-Campioni acquisiti tutti nelle medesime condizioni atmosferiche-Uso multiplo di micropompe radiocomandate per migliorare la produttività del sistema
Campionamento su sezione verticale
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 22
Sistema di campionamento basato sull’impiego di un vettore aerostatico
Sacco di nalophanda 8 L
Messa a punto del pallone aereostatico
Campionamento su sezione verticale
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 23
Sistema di campionamento basato sull’impiego di un vettore aerostatico
650 ml/min Sacco di nalophanda 8 L
Osservazioni:-Elevato numero di analisi sul lato della discarica-Campioni acquisiti tutti nelle medesime condizioni atmosferiche-Uso multiplo di micropompe radiocomandate per migliorare la produttività del sistema
Messa a punto del pallone aereostatico
Campionamento su sezione verticale
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 24
Strumento FTIR Gasmet DX 4030
Sistema di campionamento basato sull’impiego di un vettore aerostatico
Sacco di nalophanda 8 L
Osservazioni:-Elevato numero di analisi sul lato della discarica-Campioni acquisiti tutti nelle medesime condizioni atmosferiche-Uso multiplo di micropompe radiocomandate per migliorare la produttività del sistema
Confronto Gasmet vs GC MS
13/04/2023 25Discussione dottorato di Manzo Ciro
Campionamento su sezione verticale
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 26
Campionamento su sezione verticale
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 27
Campionamento su sezione verticale
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 28
Esempio di applicazione
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 29
Esempio di applicazioneCampionamento su sezione verticale
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 30
N
Section of the plume= 40 m2
Average conc. = 8 mg/m3
Wind Speed = 3,2 m/s 1,02 g/s??
Legend
Grid
CH4
mg/mc
0,714 - 1,08
1,08 - 1,77
1,77 - 2,2
2,2 - 2,4
2,4 - 2,91
2,91 - 3,6
3,6 - 4,68
4,68 - 6,04
6,04 - 9,12
9,13 - 13,44
#0 #0 #0
#0 #0 #0
#0 #0 #0
#0#0 #0
#0 #0
#0
#0#0 #0
#0
#0
4786782 4786785 4786788 4786791 4786794 4786797 4786800 4786803 4786806
342
345
348
351
354
357
Legend
Grid
CH4
mg/mc
0,714 - 1,08
1,08 - 1,77
1,77 - 2,2
2,2 - 2,4
2,4 - 2,91
2,91 - 3,6
3,6 - 4,68
4,68 - 6,04
6,04 - 9,12
9,13 - 13,44
#0 #0 #0
#0 #0 #0
#0 #0 #0
#0#0 #0
#0 #0
#0
#0#0 #0
#0
#0
4786782 4786785 4786788 4786791 4786794 4786797 4786800 4786803 4786806
342
345
348
351
354
357
Campionamento su sezione verticale
40 m2
Partial plume
section
Tuneable Diode Laser
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 31
1-4 mm
Coeff. di attenuazione
Irradianza spettrale
Range di misura: 0 – 5,000 ppmDetection limit: 0,29 – 0,56 ppm*mRapidità e numerosità delle misure
Discarica
BIOGAS
Vento
Low conc
High conc
Retroriflettore posto a terra
Retroriflettori posti su carrello
elevatore
Misura diretta del plume
Raggio IR che esegue una singola misura
Fasi di sviluppo
Campagne test con il TDL
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 32
• Indentificare il miglior array di misura del metano
Tuneable Diode Laser
Path measurement array
13/04/2023
horizontal
vertical
33Discussione dottorato di Manzo Ciro
Tuneable Diode Laser
Path measurement array
13/04/2023
horizontal
vertical
34Discussione dottorato di Manzo Ciro
Path measurement array
Tuneable Diode Laser
13/04/2023
horizontal
vertical
35Discussione dottorato di Manzo CiroCornercube 100m Retroriflettori fino a 500m
Tuneable Diode Laser
Path measurement array
13/04/2023
horizontal
vertical
36Discussione dottorato di Manzo Ciro
Fasi di sviluppo
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 37
Concentrazione media di metano in funzione del tempo sul percorso ottico
Fasi di sviluppo
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 38
Concentrazione media di metano in funzione del tempo sul percorso ottico
Valutazione delle emissioni
1. Definizione della distribuzione sul piano orizzontale
13/04/2023 39Discussione dottorato di Manzo Ciro
b=A*c
A = matrice di convoluzione
c = concentrazione
b = misure lungo i percorsi ottici
2. I valori delle emissioni sono scalati rispetto ad una misura di riferimento• Assegnazione di un valore di riferimento ad una sotto-area (massimo assoluto)• Applicazione di un modello di dispersione (Calpuff)
Valutazione delle emissioni
3. Calcolo dei flussi e dei valori integrati sul piano verticale sottovento all’area sorgente
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 40
Valutazione delle emissioni
3. Calcolo dei flussi e dei valori integrati sul piano verticale sottovento all’area sorgente
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 41
4. Stima globale dell’emissione• Calcolo totale dell’emissione e della varianza
•Applicazione di un modello di dispersione (Calpuff), in corrispondenza di una serie di misure meteorologiche
•Calcolo di un fattore di scala per l’emissione di ogni sotto-area
Gasfinder 2.0
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 42
Work-flow misure
Campagne misure effettuate• Tecniche utilizzate:
– Laser– Sezione Verticale– FID con camera di flusso
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 43
Discussione dottorato di Manzo Ciro
Campagne misure effettuate
13/04/2023 44
Le analisi sono state effettuate in 3 differenti tipologie di discarica per Rifiuti NP: Sito in attività Discarica chiusa In fase di chiusura
Work Flow
Studio della discarica (Conf. t/a, Lotti etc…)
Analisi Termografica e Walk Over
Campagna di misure
Elaborazione dati meteo e modellazione
EMISSIONE GLOBALE13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 45
Studio della discarica
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 46
Studio della discarica
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 47
Rifiuti conferiti e Modelli predittivo produzione totale biogas
Analisi Termografica
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 48
Analisi Termografica
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 49
Area Emissiva?
Walk Over
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 50
FID Gastec TM
Rilievi puntuali effettuati con il FID effettuati sulla superfice della discarica in maniera speditiva.
Walk Over
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 51
Rilievi puntuali effettuati con il FID effettuati sulla superfice della discarica in maniera speditiva.
Walk Over
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 52
Rilievi puntuali effettuati con il FID effettuati sulla superfice della discarica in maniera speditiva.
Walk Over
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 53
Rilievi puntuali effettuati con il FID effettuati sulla superfice della discarica in maniera speditiva.
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 54
Esempi di rilievi puntuali nelle altre discariche
Walk Over
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 55
• Gasmet DX4030– Analisi di miscele di gas a 1.5m dal suolo
Aprile 2011
Misure di emissione puntuale secondo i criteri della EA 2003
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 56
Ottobre 2010
0,259 g/s 6,35 g/s
Strumentazione FID Gastec con camera di flusso Magnano
Misure puntuali con camera CGT e nuovo
FID Gastec
Condizioni Meteo
hour
mba
r
Definizione dell’emissione globaletramite Laser
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 57
16,2 g/s
Risultati ottenuti per diverse tipologie di discarica
Tipologia di discarica Emissione (g/s) Sigma (g/s) CV (%)
In attività 16,18 6,20 38 %
In gestione post chiusura da più di 5 anni
2,81 0,32 11 %
In fase di chiusura 25,31 7,60 30 %
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 58
1a campagna laser – Luglio 2010
Risultati ottenuti per diverse tipologie di discarica
Tipologia di discarica Emissione (g/s) Sigma (g/s) CV (%)
In attività 28,85 10,9 38%
In gestione post chiusura da più di 5 anni
2,55 1,24 49%
In fase di chiusura 37,2 7,9 21%
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 59
2a campagna laser – Febbraio 2011
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 60
Tipologia di discarica Emissione (g/s)
In attività 0.259
In gestione post chiusura da più di 5 anni -
1a Campagna misure camera di flusso – Ottobre 2010
Tipologia di discarica Emissione (g/s)
In attività 6,35
In gestione post chiusura da più di 5 anni 0.83
2a Campagna misure camera di flusso – Aprile 2011
Risultati
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 61
Applicazione del Modello BIO5 (Magnano, 2010) ad una delle discariche e confronto con i dati misurati
6213/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro
Risultati
Applicazione del Modello BIO5 (Magnano, 2010) ad una delle discariche e confronto con i dati misurati
6313/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro
Risultati
Applicazione del Modello BIO5 (Magnano, 2010) ad una delle discariche e confronto con i dati misurati
6413/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro
Risultati
Applicazione del Modello BIO5 (Magnano, 2010) ad una delle discariche e confronto con i dati misurati
6513/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro
Risultati
Applicazione del Modello BIO5 (Magnano, 2010) ad una delle discariche e confronto con i dati misurati
TDL GasFinder Measures
Pro• Ampio dataset di misure per path• Misura contemporanea di ampie
aree della discarica• Non è necessario captare
integralmente il plume emissivo• È possibile proporlo come SME
(sistema di monitoraggio delle emissioni)
Contro• Risulta necessaria una fase di post
processing• Costo dello strumento elevato
Sezione verticale di dispositivi di campionamento aeriforme
Pro• valutazione diretta del plume
emissivo• Poco complessa l’elaborazione
emissione• Meno costosa della precedente
Contro• Necessita di strade di accesso• Necessarie molte risorse umane in
campagna• Più sensibile alle variazioni delle
condizioni meteo• Sezioni campionate non coeve
Conclusioni
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 66
Conclusioni
• Il confronto tra gli approcci di misure adottati ci ha permesso di concludere che:– Il metodo EA può non essere esaustivo nella valutazione
delle emissioni– La tecnica laser permette di ottenere risultati che
prendono in considerazione le variabili ambientali– Tecnica della sezione verticale con array di misura
fornisce valori di flusso approssimati Per il futuro…• Resta da ampliare la casistica delle misure su base annuale e su
un più ampio dataset di discariche
13/04/2023 67Discussione dottorato di Manzo Ciro
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 68
• Pacitti P., Disperati L., Lodi M., Manzo C., Robasto G., Salerno R., Veggi S., Vannucci F., Colombo A.,Rotella G., Borghero N. (2011). Development and implementation of new techniques for landfill biogas emission assessment SETAC Europe 21st Annual Meeting Abstract Book, 15-19 May 2011, pp 8 (Special Session) [oral presentation]
• Pacitti P., Disperati L., Lodi M., Manzo C., Robasto G., Salerno R., Veggi S., Vannucci F."Laser
technique as new frontier on landfill biogas emission assessment in Italy" Atti del Field Laser Application in Industry and Research (FLAIR) Congress, Murnau 11-17 September 2011 pp 112 [poster presentation]
• Pacitti P., Disperati L., Lodi M., Manzo C., Robasto G., Salerno R., Veggi S., Vannucci F. “New techniques for landfill biogas emission assessment in Italy” 34th International Geological Congress Brinsbane, 5-11 Agosto 2012 [oral presentation]
• Giornata di studio su “Valutazione ed individuazione di metodologie di caratterizzazione delle emissioni di biogas da discarica (Progetto CIPE)”, San Giovanni Valdarno (Ar), 7 Marzo 2012
Grazie per l’attenzione.
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 69
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 70
luce alogena calda (3000°K) da 500 watt con picco di irradianza a 1110 nm.
2
1
3Slank + Metano
Slank
Attività di ricerca
Hitran, 2004
Attività di ricercaImplementazione della
camera di flusso secondo
la LFTGN 03 dell’Agenzia
per l’Ambiente Inglese
(EA)
13/04/2023 71Discussione dottorato di Manzo Ciro
Campionamento biogas in discarica
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 72
Campionamento biogas da sorgente puntuale
Campionamento biogas da sistema di captazione
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 73
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 74
Esempi di array in altre discariche
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 75
µ
Discarica B Discarica C
µ
IN ITALIANon esistono allo stato attuale
normative tecniche nazionali atte a definire un metodo analitico preciso e ripetibile.
Allegato II del D.Lgs. 36/2003, relativo ai piani di sorveglianza e controllo, al punto 5.4 è precisato che “ deve essere previsto un monitoraggio delle emissioni gassose, convogliate e diffuse, della discarica stessa, in grado di individuare anche eventuali fughe di gas esterne al corpo della discarica”.
Normativa tecnica dell’Agezia per l’Ambiente Inglese (EA):
Guidance for Monitoring Landfill Gas Surface Emissions – LFTGN07
Fornisce i dettagli tecnici sulla metodologia e strumentazione da applicare e sull’elaborazione dei dati
Identifica i limiti di accettabilità per le emissioni in atmosfera di metano attraverso la superficie:
Temporary Capping (TC): 10-1 mg/m2/sec
Permanent Capping (PC): 10-3 mg/m2/sec
Normativa tecnica
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 76
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 77
Condizioni meteo durante le misure
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 78
15 luglio 2010
15 Febbraio 2011ora
ora
°C
°C
mbar
mbar
Condizioni meteo durante le misure
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro79
19 Aprile 2011
8 ottobre 2010
ora
°Cmba
r
ora
°Cmba
r
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 80
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 81
13/04/2023 Discussione dottorato di Manzo Ciro 82
Confronto misurato/captato