Processi di digestione a due stad

Nei vecchi impianti a due stadi venivano realizzati due digestori di dimensioni simili, ma con funzioni diverse; il primo digestore era ad alto carico e a miscelazione completa, mentre la seconda fase era di sola stratificazione. I rendimenti furono piuttosto bassi ed i costi elevati.

Oggi per processo bi-stadio si intende invece un processo che prevede la separazione fisica delle due fasi principali: quella idrolitica (e di acidogenesi) e quella metanigena (e acetogenesi). Le reazioni avvengono in due digestori distinti posti in successione; in queste condizioni la gestione del fenomeno risulta più semplice ed è possibile mantenere le condizioni ottimali di digestione in entrambi i reattori.

Il vantaggio maggiore (tabella 3.14) dei processi di digestione bi-stadio consiste nella possibilità di lavorare con substrati molto diversi, difficili da trattare per i sistemi monostadio, come ad esempio residui agricoli industriali e zootecnici con rapporti C/N < 20. I costi di installazione sono però elevati a causa della complessità impiantistica; inoltre tali costi non sono totalmente ripagati dai rendimenti di questi processi.

89 Tabella 3.14.Principali vantaggi e svantaggi nei processi bi-stadio (Vandevivere et al., 2001)

Criterio Vantaggi Svantaggi

TECNOLOGICO Elasticità del processo. Complessità impiantistica.

BIOLOGICO Processo più affidabile anche per rifiuti _{con basso contenuto in cellulosa;} Minori rese in termini di produzione di biogas quando i solidi non vengono metanizzati;

ECONOMICO E AMBIENTALE

Minor quantità di sostanze tossiche (metalli pesanti) nell’effluente del

digestore.

Elevati costi di investimento a causa della complessità impiantistica..

Le rese sono diverse a seconda che gli impianti operino con o senza ritenzione della biomassa.

Nei sistemi senza ritenzione di biomassa le configurazioni possibili sono: · due reattori miscelati in serie,

· due reattori con flusso a piste in serie.

Nel primo caso è necessario effettuare la triturazione e la diluizione del rifiuto fino ad ottenere un contenuto di solidi di circa 10%; nel secondo caso si può operare con processi wet o dry.

I rifiuti organici ad alta biodegradabilità (es. frutta e verdura) possono essere trattati con sistemi a fasi separate, senza che ne risentano le condizioni ambientali della digestione.

I sistemi con ritenzione della biomassa sono stati sviluppati per poter accrescere il rendimento del processo e la resistenza a repentine variazioni del carico organico e di sostanze tossiche o inibenti.

Un metodo per ottenere la ritenzione è quello che prevede il disaccoppiamento del tempo di ritenzione idraulica (HRT) dal tempo di ritenzione dei solidi (SRT), attraverso l’incremento della biomassa nel reattore metanigeno; ciò viene ottenuto dal ricircolo dell’effluente del digestore, miscelato con rifiuto fresco e reimmesso nel digestore. La separazione dei due tempi di ritenzione può essere effettuata anche tramite un decantatore interno al secondo stadio, oppure grazie ad una membrana per la separazione dell’effluente liquido dalla biomassa che viene ricircolata nel reattore.

Un’altra possibilità è il posizionamento, nel secondo reattore, di appositi supporti per facilitare la crescita e la colonizzazione delle biomasse.

I substrati per questa tipologia di impianto devono essere il più possibile liberi da materiale sospeso, che tenderebbe a ricoprire le colonie impedendone il contatto con i substrati solubili.

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Un’altra tipologia di processo è quella che utilizza i reattori Batch che prevedono il riempimento del reattore di digestione con materiale organico con tenore di sostanze solide elevato (30-40% in TS).

Il processo opera per fasi successive: prima una fase idrolitica ed acidogenica, poi una fase in cui gli acidi grassi volatili vengono trasformati in metano. Le soluzioni impiantistiche possono essere tre (Figura 3.5).

Figura 3.5. Soluzioni impiantistiche per reattori BATCH (Vismara et al., 2010)

La prima soluzione è il reattore BATCH con ricircolo del percolato che viene ricircolato in testa al reattore. Qui c’è il rischio che si otturino i fori posti sul fondo del reattore.

Un’altra soluzione è quella che prevede il ricircolo del percolato prodotto nel reattore che tratta rifiuto fresco nel terzo reattore, che tratta rifiuto stabilizzato, mentre il percolato qui raccolto viene rinviato al primo reattore.

La terza soluzione prevede che il percolato prodotto nel reattore di digestione venga inviato ad un reattore di tipo Up-flow Anaerobic Sludge Blanket (UASB).

Anche se i costi sono piuttosto bassi, questi impianti non hanno trovato larga diffusione.

Il problema principale per questi reattori (Tabella 3.15) è il pericolo di intasamenti sul fondo, dove sono presenti i fori per il ricircolo del percolato.

Tabella 3.15.Principali vantaggi e svantaggi nei processi BATCH (Vandevivere et al., 2001)

Criterio Vantaggi Svantaggi

TECNOLOGICO Semplice;

Tecnologicamente semplice; Robusto;

Può subire intasamenti; Necessita di bulking agent;

Rischi di esplosività durante la fase di caricamento del reattore;

BIOLOGICO Affidabilità di processo; Rese di biogas ridotte a causa

dell’incanalamento nel corpo del reattore; minimi OLR applicabili;

ECONOMICO E AMBIENTALE

Economico;

Applicabile in Paesi in via di sviluppo; Ridotto utilizzo di acqua.

Elevata necessità di superficie (confrontabile con il compostaggio).

91 3.7. Digestione anaerobica degli scarti di macellazione

Durante il terzo anno del dottorato di ricerca, nell’ambito dello studio sui possibili impieghi di biomasse di scarto e residuali per la produzione di biogas, è stato affrontato uno studio bibliografico sulla possibilità di utilizzare in processi di digestione anaerobica i Sottoprodotti di Origine Animale (SOA). Tali sottoprodotti derivano essenzialmente dalla macellazione degli animali per il consumo umano, dallo smaltimento di animali morti e dalle misure di controllo di capi malati.

Lo smaltimento dei SOA può determinare elevati costi e rischi per l’ecosistema, pertanto sarebbe opportuno utilizzare tali matrici secondo modalità sostenibili, minimizzando i rischi per la salute umana ed i rischi ambientali.

In particolare, lo studio ha riguardato la possibilità di impiegare gli scarti di macellazione in processi di digestione anaerobica per la produzione di biogas. In Europa tale possibilità è legiferata attraverso i Regolamenti N. 1069/2009 e N. 142/2011, descritti dettagliatamente nei lavori riportati in appendice:

· Slaughterhouse Wastes: a review on Regulation and Current Technologies for Biogas Production; pubblicato sulla rivista Advanced Material Research (Carlini et al., 2014a);

· Anaerobic Digestion and Co-digestion of Slaughterhouse Wastes; pubblicato sulla rivista Journal of Agricultural Engineering (Castellucci et al., 2013); Nelle pubblicazioni è inoltre riportato un riepilogo dei risultati di studi precedenti riguardanti la digestione e co-digestione di scarti di macellazione, per fissare un punto di partenza per ricerche future.

In realtà, lo studio, con analisi di laboratorio, per la produzione di biogas da SOA, non è stato continuato a causa delle difficoltà nella conservazione dei campioni e, talvolta, la necessità di sottoporli a preventiva pastorizzazione.

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Capitolo 4.

Potenziale di bio-metanizzazione: analisi della sansa