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Messa a punto di prove di digestione anaerobica

3. Descrizione generale del progetto sperimentale

4.3. Messa a punto di prove di digestione anaerobica

In questa fase sperimentale, i campioni di fango sono stati sottoposti ad una prova di digestione anaerobica mesofila. Queste prove hanno lo scopo di:

- Mettere a punto un test di digestione anaerobica su piccola scala, verificando se l’utilizzo di barattoli di vetro Bormioli da 500 mL, chiusi ermeticamente con un tappo a vite, possa essere un sistema efficace nel quale poter condurre il processo.

- Valutare l’incidenza delle caratteristiche della matrice di partenza sull’efficacia del processo digestivo, controllando la risposta delle due diverse tipologie di fango alla digestione tramite l’analisi del biogas sviluppato.

I campioni di fango Secondario e Primario sono stati sottoposti alla digestione anaerobica, nelle medesime condizioni operative, ovvero:

- Aggiunta di un inoculo al campione secondo la proporzione:

inoculo : fango = 1 : 3

- Conduzione di un processo anaerobico mesofilo in camera termostatica a 37°C

- pH 7

- Ambiente anaerobico realizzato tramite il gorgogliamento di azoto nel reattore prima

del processo di digestione

- Reattore ermetico anaerobico di volume fisso e costante

- Processo digestione anaerobica monitorato per una durata di 53 giorni

Il biogas prodotto è stato analizzato ad intervalli determinati tramite analisi GC-TCD.

L’inoculo utilizzato per innescare il processi di digestione anaerobica per questi test consiste di un digestato anaerobico mesofilo, derivante dalla digestione di un fango di supero del processo di ossidazione biologica. Lo stesso inoculo viene utilizzato per le due matrici di fango.

Sono stati posti a digestione 12 campioni, ovvero 6 per il fango Secondario e 6 per il fango Primario, con una quantità di fango pari a 150 mL per ciascun reattore. Dopo l’aggiunta di 50 mL di inoculo, il fango è stato posto in un bioreattore ermetico nel quale viene effettuato il

63 processo di digestione; il bioreattore è costituito da un recipiente di vetro con tappo a vite sul quale è stato installato un setto per il campionamento del biogas da analizzare.

In Figura 4.4 viene riportata l’evoluzione nel tempo della concentrazione percentuale di CH4

e CO2 nel biogas sviluppato.

Figura 4.4. Andamento della percentuale di metano e anidride carbonica nel tempo

L’andamento dimostra che il fango Primario produce un biogas qualitativamente migliore dal processo di digestione: infatti fornisce percentuali di metano che raggiungono il 70%, mentre il fango Secondario arriva al 60%. Questo dimostra che il fango Primario risulta più facilmente aggredibile dai microrganismi metanigeni e a parità di tempo di incubazione, forma un biogas più ricco di metano rispetto al fango biologico secondario, probabilmente a causa dell’impossibilità di accedere alle sostanze intracellulari protette dalla membrana di quest’ultimo da parte dei microrganismi metanigeni.

Questo è in accordo con i valori di COD solubile che caratterizzano le due tipologie di fango (Figura 4.1): il Primario ha un COD solubile più elevato (CODs/CODt = 12%), di conseguenza la frazione organica disponibile è maggiore rispetto al Secondario (CODs/CODt = 2%). Il basso valore di COD solubile del Secondario è probabilmente dovuto al fatto che le sostanze solubili facilmente digeribili sono all’interno delle membrane cellulari e che quindi per migliorare l’efficacia della digestione è necessario provvedere alla lisi delle barriere delle cellule. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 % Giorni di digestione

Andamento % CH4 e % CO2 nel tempo

% CH4 Primario % CH4 Secondario % CO2 Primario % CO2 Secondario

64 La massima percentuale di metano ottenuta si ha intorno al ventisettesimo – trentaquattresimo giorno, ovvero nei classici tempi di residenza di un processo di digestione anaerobica. Successivamente si ha una decrescita della quantità di metano nel biogas, sintomo che i microrganismi rallentano il loro processo digestivo e che probabilmente la quantità di contenuto organico disponibile si è già in gran parte consumata, rimanendo così all’interno del substrato quella parte più refrattaria alla digestione.

Tra i due biogas, confrontando le percentuali di CH4 e CO2, quello proveniente dal fango

Primario risulta più selettivo verso la formazione di metano, come dimostrano i valori del rapporto CH4/CO2 riportati in Figura 4.5.

Figura 4.5. Rapporto CH4/CO2 durante la fase di digestione

Durante l’intero periodo di digestione non sono stati quantificati i volumi prelevati con la siringa per cui non può essere fatta una stima quantitativa del biogas prodotto. È stato però misurato il volume prelevato di biogas all’ultimo giorno di digestione, riportato in Tabella 4.5.

Tabella 4.5. Volumi prelevati al giorno 53 di digestione Reattore mL prelevati 53 giorni

Primario Secondario 1 8 20 2 30 119 3 50 102 4 10 18 5 7 23 6 71 98 Media 29 63 Dev. St. 26 48 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 CH 4 /CO 2 Giorni di digestione

Andamento rapporto CH4/CO2

Primario Secondario

65 Nonostante la grande variabilità dei dati, si osservi come i volumi del biogas prodotto dal fango Secondario sono mediamente maggiori di quelli prodotti dal fango Primario, di conseguenza questo porta a osservare che nonostante il fango Secondario fornisca un biogas qualitativamente peggiore, esso è quantitativamente più abbondante.

Durante la digestione, è stata analizzata anche la quantità di H2S all’interno del biogas. I

risultati ottenuti sono però molto variabili. Nel grafico di Figura 4.6 vengono riportate le 6 prove per ogni campione, il fango Secondario (A) e il fango Primario (C). Confrontando tra loro i campioni dello stesso fango si può notare come questi differiscano anche tra di loro, segno che il parametro è abbastanza variabile da matrice a matrice.

Figura 4.6. Percentuale di solfuri all’interno del biogas

Si può comunque stimare che i valori di concentrazione di solfuri nel biogas di Secondario siano leggermente maggiori di quelli del biogas Primario, anche se le differenze non sono così nette.

Si osservi inoltre che, con l’evolversi del processo fermentativo nei giorni, le concentrazioni diminuiscono in entrambi i casi.

A fine digestione è stato misurato il pH dei digestati (riportati in Tabella 4.6), al fine di verificare la stabilità del sistema, o se questo ha subito sbalzi a causa, per esempio, di variazioni della concentrazione di acidi grassi volatili.

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 A1 A2 A3 A4 A5 A6 C1 C2 C3 C4 C5 C6 % S 2-

% SOLFURI nel biogas

12 giorni 49 giorni

66

Tabella 4.6. pH a fine digestione

Reattore pH Primario Secondario pH iniziale 7,03 7,32 1 7,43 7,30 2 7,44 7,27 3 7,53 7,26 4 7,47 7,32 5 7,54 7,31 6 7,41 7,23 Media 7,47 7,28 Dev. St. 0,05 0,03

Il pH del fango Secondario rimane pressoché uguale a quello di partenza, mentre quello del fango Primario si alza leggermente. Lo spostamento a pH più basici può essere attribuibile alle sostanze prodotte dal processo di digestione (ammoniaca) e a quelle che lasciano l’ambiente di digestione (anidride carbonica, acido solfidrico e VFA).

4.4. Conclusioni sullo studio preliminare della digestione dei fanghi Primario e

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