Definizione e composizione

Il biogas è una miscela di vari tipi di gas prodotto dalla fermentazione batterica in anaerobiosi

(assenza di ossigeno) dei residui organici provenienti da rifiuti, vegetali in decomposizione, carcasse in putrescenza, liquami zootecnici o fanghi di depurazione, scarti dell'agro-industria. Il biogas si forma spontaneamente nelle discariche per RSU, in quanto normalmente il 30-40% del rifiuto è rappresentato dalla frazione organica. Nella sua composizione predomina il metano (CH4),

seguito nell’ordine, dal biossido di carbonio (CO2) e da una vasta gamma di composti in traccia, tra

i quali si ricordano idrocarburi, alogenati, idrogeno solforato, alcoli, esteri e vapori metallici. Di seguito si riporta una tabella in cui è stata sintetizzata la composizione chimica di questa miscela gassosa.

Tabella 9.11 - Composizione percentuale tipica del biogas㻌

Componente % in volume su base secca

Metano 45÷60 Anidride carbonica 40÷60㻌㻌

Azoto 2÷5㻌㻌 Ossigeno 0,1÷1,0㻌㻌 Solfuri, mercaptani ed altri composti dello zolfo _0÷1,0㻌㻌

Ammoniaca _0÷1,0㻌㻌 Idrogeno 0÷0,2㻌㻌 Monossido di Carbonio 0÷0,1㻌㻌 Costituenti in traccia 0,01÷0,6㻌㻌

㻝㻣㻢㻌 A completezza del paragrafo si riporta di seguito la formula chimica che regola il processione di degradazione anaerobica della frazione organica presente nei rifiuti, con conseguente produzione di biogas.

Sostanza Organica + H2O ÆÆ CH4+ CO2 + NH3 + gas in traccia㻌 㻌

9.2.4.3.2 Processo di formazione

Nel seguito vengono illustrati i principali fenomeni che concorrono al processo di biogassificazione dei rifiuti, nonché i principali fattori che influenzano qualità e quantità del biogas prodotto. La decomposizione dei rifiuti solidi in uno scarico controllato assume spesso aspetti vari e complessi: principalmente processi fisici, chimici e biologici, che agiscono simultaneamente alla degradazione della componente organica dei rifiuti stessi. Per degradazione fisica s’intende la trasformazione delle componenti del rifiuto che comporta il mutamento delle caratteristiche fisiche del rifiuto stesso, fra cui la riduzione del volume. Fra i fenomeni fisici si possono inoltre ricordare la precipitazione di sostanze, nonché i fenomeni di assorbimento e di rilascio di sostanze. Per degradazione chimica s’intende il complesso delle reazioni che avvengono tra le diverse sostanze componenti il rifiuto; ha riflessi anche nella qualità dei percolati, con variazione della solubilità, del potenziale redox e del pH. Il principale meccanismo di decomposizione dei rifiuti in discarica è però la degradazione biologica, cioè la trasformazione della materia per opera di microrganismi, quali i batteri. La degradazione biologica si svolge in varie fasi, le principali delle quali risultano:

- la fase aerobica;

- la fase facoltativa anaerobica; - la fase metanigena anaerobica.

La figura seguente sintetizza la fasi di fermentazione della sostanza organica, nonché il relativo andamento della composizione in cui: A1 è la fase aerobica, B la fase anaerobica, suddivisa nella fase anaerobica acida (B1) e la fase anaerobica metanigena (B2), A2 la fase conlusiva aerobica.

Fig. 9.21 - Particolare del sistema drenante: dreni, pozzo del percolato e pozzetto spia - Fonte: Enrico Magnano – Biogas da discarica – EPC Libri

㻝㻣㻣㻌 Di seguito, per dare chiarezza al presente lavoro, le tre fasi sopra elencate sono state trattate in dettaglio.

Fase aerobica

La degradazione aerobica avviene subito dopo il deposito dei rifiuti nello scarico controllato a seguito dell’impiego, da parte dei microrganismi, dell’ossigeno libero. Questo viene prelevato dall’aria inglobata nella discarica durante la deposizione del rifiuto o penetrata dopo la chiusura (ad es. per l’aspirazione eccessiva del sistema di captazione del biogas). Il processo utilizza altresì l’ossigeno disciolto nell’acqua meteorica infiltrata dal capping di chiusura della discarica. Il processo di degradazione aerobica è quindi legato alla disponibilità di ossigeno ed è quindi normalmente di breve durata (da qualche ora ad alcuni mesi) e comunque proporzionale alla tipologia gestionale della discarica. Il fenomeno è inoltre legato alla tipologia dei rifiuti. Nella prima fase il fenomeno è favorito dalla presenza nel rifiuto di sostanze facilmente e rapidamente degradabili. Il processo aerobico è fortemente esotermico (produzione di calore che può raggiungere temperature di 70° C) ed è caratterizzato da emissioni di anidride carbonica, acqua e sostanze organiche parzialmente degradate.

Fase facoltativa anaerobica (acida)

La decomposizione facoltativa anaerobica avviene quando la disponibilità di ossigeno è ridotta al punto in cui non è più possibile un processo aerobico. Gli organismi presenti, definiti facoltativi, prediligono l’ossigeno libero ma, se esso è assente, possono utilizzare l’ossigeno “legato”. Caratteristiche di questa fase sono la produzione di anidride carbonica, una minore generazione di energia termica rispetto al processo aerobico e una notevole produzione di sostanza organica parzialmente degradata, la maggior parte della quale è costituita da acidi organici. Detti acidi, con l’anidride carbonica disciolta, si ritrovano inoltre nel percolato a cui conferiscono un certo livello di acidità.

Fase metanigena anaerobica

Lo stadio finale della decomposizione dei rifiuti organici consiste nella decomposizione metanigena anaerobica. In questa fase gli organismi convertono la sostanza organica, parzialmente degradata dagli organismi aerobici facoltativi, in metano ed anidride carbonica. A seguito del consumo dei substrati solubili, la produzione di metano diviene dipendente dall’idrolisi della cellulosa; peraltro detta frazione contiene la più alta quantità di carbonio potenzialmente convertibile in metano. Le caratteristiche di questa fase sono sempre la produzione di energia termica (comunque inferiore rispetto alla fase aerobica), l’utilizzazione di materia organica disciolta, la produzione di metano ed anidride carbonica, nonché l’aumento del pH con valori vicini alla neutralità. Gli effetti della decomposizione metanigena sono quelli che maggiormente interessano il presente testo. Gli studi condotti da numerosi ricercatori hanno accertato che di norma la fase metanigena si instaura dopo un periodo variabile tra i 3 e i 9 mesi dalla deposizione del rifiuto. Una volta avviata la fase metanigena, la produzione di biogas si manifesta, normalmente, per parecchi anni (anche oltre 40), secondo un andamento che evidenzia la massima produzione nei primi anni e un progressivo esaurimento asintotico fino alla completa degradazione della sostanza organica o fino a quando esistono le condizioni ambientali idonee al processo.

㻝㻣㻤㻌 Fase conclusiva aerobica

Teoricamente al completamento della fermentazione metanigena, in assenza di sovrapressione, gli interstizi alveolari della discarica tendono ad essere pervasi nuovamente da aria che consentirebbe residui fenomeni fermentativi aerobici.