Acidi grassi volatil

Gli acidi grassi volatili vengono prodotti dai batteri idrolitici e acidificanti durante la digestione ed il livello della loro concentrazione viene in genere espresso in termini di acido acetico o di COD, a seconda del tipo di substrato trattato. L’indice di stabilità del processo è la variazione di concentrazione: incrementi repentini di acidi grassi volatili indicano che il processo si sta evolvendo verso processi acidogenici piuttosto che metanigeni.

Questo parametro però non può essere analizzato disgiuntamente dal dato di produzione del biogas e dalla sua composizione, oltre che dal pH e dall’alcalinità.

Dal momento che, in caso di problemi, la concentrazione degli acidi grassi aumenta mentre l’alcalinità diminuisce; un indice utile da prendere in considerazione è il rapporto tra queste due grandezze, con gli acidi grassi espressi in termini di concentrazione dell’acido acetico e l’alcalinità espressa in termini di concentrazione del carbonato di calcio.

73 3.3.6. Alcalinità

L’alcalinità rappresenta la capacità di un sistema di neutralizzare i protoni ed è generalmente espressa in termini di concentrazione del carbonato di calcio. Viene determinata generalmente tramite titolazione con acido cloridrico.

3.3.7. Rapporto C/N

Un rapporto C/N del substrato in digestione nell’intervallo 16:1 – 25:1 viene considerato ottimale per il processo (Yen e Brune, 2007; Ghasimi et al., 2010; Siddiqui Z. et al. 2011; Abbasi et al., 2012). Se il rapporto C/N è troppo elevato, l’azoto viene consumato rapidamente dai batteri metanigeni e non ne rimane abbastanza per reagire con il contenuto di carbonio rimanente, in questo modo la produzione di biogas diminuisce (Abbasi et al., 2012). Se invece il rapporto C/N è troppo basso, l’azoto viene liberato e si accumula sotto forma di ammoniaca, ciò determina un aumento del pH del materiale. Quando però il pH supera il valore di 8,5, come precedentemente accennato, comincia generalmente a svilupparsi una tossicità della reazione per i batteri metanigeni (Hartmann H., 2006). Al fine di mantenere il valore del rapporto C/N su livelli ottimali, è buona norma miscelare biomasse ad alto rapporto C/N con biomasse a basso C/N (Gajalakshmi et al., 2001; Abbasi et al., 2012).

3.3.8. Patogeni

Alcuni batteri patogeni (Salmonella, Escherichia coli, Listeria, etc.) e virus presenti nei rifiuti solidi urbani possono determinare dei rischi per la salute. Tali patogeni sono sensibili alla temperatura, quindi il controllo più efficace si ha quando la digestione anaerobica viene effettuata a temperature termofile e per lunghi tempi di ritenzione. Il 90% di riduzione della popolazione di salmonella può essere raggiunto a temperature termofile (53%) per sole 0,7 ore, mentre a temperature mesofile (35°C) sono necessari 2 giorni. Per alcune tipologie di rifiuti,è necessaria una fase di pastorizzazione separata a 70°C per 60 minuti, prima o dopo la digestione, come riportato dal Regolamento Europeo sui Sottoprodotti di Origine Animale (SOA). La pastorizzazione a 70°C è un’efficace alternativa alla sterilizzazione (130°C), ma il digestato pastorizzato è incline alla ricontaminazione (Weiland, 2010; Abbasi, 2012).

3.3.9. Luce

La luce non uccide i batteri metanigeni ma inibisce la fase di metanogenesi, dunque è buona norma non permettere alla luce di raggiungere l’interno del digestore.

74

I parametri di gestione del reattore, insieme ai parametri di stabilità del processo, permettono di dimensionare, valutare e gestire in modo appropriato il processo di digestione anaerobica. In particolare i prametri di gestione permettono di definire l’esercizio del sistema fissando i tempi di permanenza della massa nel reattore, la concentrazione dei microrganismi, le rese di produzione in biogas in funzione della tipologia di reattore e delle proprietà del substrato utilizzato. Il substrato può essere definito utilizzando le seguenti grandezze (UNI EN 10458:2011):

· Solidi Totali (TS)

· Solidi Totali Volatili (TVS)

· Domanda chimica di ossigeno (COD)

· Domanda biologica di ossigeno a 5 giorni (BOD5)

I Solidi Totali (o sostanza secca) TS rappresentano il contenuto di sostanza secca di un campione e si ottengono mediante l’essiccamento del campione a 105°C fino al raggiungimento della costanza in massa. Rappresentano la somma della sostanza organica e della sostanza inerte.

La Sostanza Inerte (in percentuale sulla sostanza secca) è la frazione residua dopo la combustione a 550°C.

La Sostanza Organica (come percentuale sulla sostanza secca) è il complemento ad 1 della sostanza inerte e comprende sia la Sostanza Organica Volatile, che si trasforma in gas, sia la Sostanza Organica Fissa che non può gassificarsi. Il Solidi Totali Volatili (TVS) vengono considerati come la frazione di sostanza secca che viene volatilizzata in seguito a combustione alla temperatura di 540-580°C. La sostanza Volatile (come percentuale sulla sostanza secca) è la frazione di sostanza organica che si può volatilizzare ed è circa il 70-80% del totale organico. Operativamente si assume che la Sostanza Volatile sia uguale alla Sostanza Organica che si definisce anche substrato (Reale et al., 2009).

Il COD rappresenta la quantità di ossigeno necessaria per l’ossidazione chimica della sostanza organica del campione, determinata attraverso l’utilizzo di un ossidante forte in ambiente acido a caldo.

Il BOD5 rappresenta la quantità di ossigeno consumata in 5 giorni per l’ossidazione

75 3.4.1. Tempo di ritenzione

Il tempo di ritenzione rappresenta la durata per la quale la materia (il substrato) e i microrganismi (i solidi) devono rimanere insieme nel digestore al fine di raggiungere il grado di degradazione desiderato. Minore è il tempo di ritenzione per il raggiungimento dell’obiettivo desiderato e più efficiente è il reattore (Abbasi et al., 2012). Ma per raggiungere un basso tempo di ritenzione del substrato, è necessario che simultaneamente si abbia un elevato tempo di ritenzione dei microrganismi.

Il termine generalmente utilizzato per indicare il tempo di ritenzione del substrato è Tempo di Ritenzione Idraulico (HRT, per Hydraulic Retention Time). Questo è il tempo che un materiale organico, da degradare anaerobicamente, passa all’interno del reattore dall’istante in cui entra a quello in cui esce dal digestore.

‘Solidi’ è il termine comunemente usato per indicare i microrganismi nel digestore. Ovviamente non è un termine preciso in quanto la maggior parte delle alimentazioni del digestore contengono solidi sospesi che non necessariamente sono costituiti da biomassa viva, quindi, oltre ai microrganismi, anche altri solidi sono presenti nella digestione anaerobica. Inoltre, in qualsiasi substrato che partecipa alla digestione anaerobica ci sono i solidi volatili. Pertanto nel campo della produzione del biogas vengono spesso usati termini come “high solids digestion” o “solid-feed digestion” dove la parola solids non sta ad indicare i microrganismi. Così l’utilizzo del termine solidi anziché microrganismi nel contesto del tempo di ritenzione dei microrganismi può generare confusione tuttavia è bene attenersi a questo termine stabilito. Il tempo di Ritenzione dei solidi (SRT da Solids Retention Time) è la durata per la quale i microrganismi attivi risiedono nel digestore (Abbasi et al., 2012).

La relazione tra HRT e SRT e il rapporto alimentazione/microrganismi.

A qualsiasi fissata temperatura, i microrganismi presenti nel digestore possono consumare solo una quantità limitata di cibo ogni giorno. Dunque, al fine di digerire una nota quantità di substrato, è necessario fornire un’adeguata quantità di microrganismi. Il rapporto tra la quantità di substrato e la quantità di batteri disponibili per consumare quel substrato è il rapporto F/M (Food/Microrganisms). Questo rappresenta il fattore di controllo in tutti i trattamenti biologici. Un rapporto minore rispetto a quello adeguato determinerà che una maggiore percentuale di substrato venga convertita in biogas (Abbasi et al., 2012).

L’unica modalità che permette al rapporto F/M di essere fissato adeguatamente basso, è cercare un modo per mantenere alto l’SRT, cioè trovare il modo per far passare velocemente il substrato attraverso il digestore, e lentamente i microrganismi. Questo assicurerebbe, per

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digestore (basso F/M) (Abbasi et al., 2012).

Nei digestori convenzionali low-rate e nei Continuously Stirred Tank Reactors (CSTRs) non ci sono modalità di conservazione dei solidi, quindi in questi sistemi HRT = SRT. Nei digestori high rate, invece si ha SRT>> HRT, tipicamente SRT è circa 3 volte più alto dell’HRT (Abbasi et al., 2012).

Il tempo medio di ritenzione idraulico è definito come il rapporto tra il volume del reattore considerato e la portata di alimentazione del reattore (Reale et al., 2009):

V

HRT

Q

=

Dove:

HRT è il tempo medio di ritenzione idraulica [d] V è il volume del reattore [m3]

Q è la portata in ingresso al reattore [m3_/d]

Considerando un reattore alimentato con un'influente contenente una concentrazione di solidi sospesi trascurabile rispetto a quella contenuta nel reattore e funzionante in condizioni stazionarie la concentrazione di microorganismi nel reattore sarebbe costante, cioè la quantità di fanghi prodotti sarebbe uguale alla quantità di fanghi smaltiti. In questo caso si definisce il tempo medio di ritenzione dei solidi (o dei fanghi) come il rapporto tra la massa totale dei solidi volatili presenti nel reattore e la portata dei solidi estratta dal reattore (Reale et al., 2009).

* V X SRT W = (30) Dove:

SRT è il tempo medio di residenza dei fanghi [d] V è il volume del reattore [m3_]

X è la concentrazione di solidi volatili nel reattore [kgTVS/m3]

W è la portata di sostanza volatile estratta dal reattore [kgTVS/d]