Reattori a Crescita Sospesa

4.2.2.1 Reattori miscelati

Questi rappresentano la tipologia classica di digestori (Figura 4.3). Sono realizzati in cemento armato o in acciaio, a forma di silos. Questi reattori sono predisposti per funzionare in condizioni mesofile o termofile, infatti sono coibentati e riscaldati mediante scambiatore di calore.

Il liquame che si trova all‟interno del digestore può essere miscelato in diversi modi; questi si possono raggruppare in tre categorie: sistemi ad

100 agitazione meccanica (fanno ricorso ad un albero rotante a cui sono calettate delle pale: turbine o mixer a bassa velocità), sistemi ad iniezione di gas (il biogas recuperato dalla parte alta del bioreattore viene inviato all‟esterno, compresso ed immesso ad alta velocità nella massa del liquido all‟interno del bioreattore) e sistemi meccanici di pompaggio (il liquame all‟interno del bioreattore viene prelevato con delle pompe e riciclato all‟interno). A seconda della modalità dell‟agitazione e dell‟intensità, il reattore può essere completamente o parzialmente miscelato.

Si va affermando sempre più la tendenza di posizionare, sulla sommità di questo tipo di reattore, una calotta gasometrica, generalmente costituita da un telo polimerico che ha il compito di trattenere il biogas.

Questi bioreattori miscelati consentono il trattamento di liquami con un contenuto in sostanza secca mediamente inferiore al 10%, con tempi di permanenza medi di 15-35 giorni, in relazione alla composizione del substrato e alla temperatura di processo. I bioreattori miscelati sono generalmente utilizzati negli impianti di codigestione.

Infine, si registra che le configurazioni impiantistiche a flusso continuo sono più diffuse di quelle a flusso discontinuo (batch).

Figura 4.3 - Schema di reattore a miscelazione completa (fonte CETA).

4.2.2.2 Reattori con flusso a pistone (plug-flow)

Questi digestori sono caratterizzati dal flusso orizzontale del liquame, essi sono dotati di sistema di riscaldamento, di agitatori e gasometro. In questo tipo di processi una delle dimensioni del reattore risulta maggiore dell‟altra, di conseguenza si potranno avere reattori sviluppati di più lungo l‟asse orizzontale o lungo quello verticale. Nella Figura 4.4 è riportata una rappresentazione schematica del reattore con flusso a pistone.

Il processo ideale prevede l‟alimentazione (continua o semi-continua) da un lato del reattore e successivo avanzamento lungo uno degli assi del reattore

101 verso l‟uscita, senza che avvenga mescolamento lungo questa direzione; l‟unico mescolamento possibile è quello in direzione ortogonale rispetto all‟asse di avanzamento della corrente in ingresso. Inoltre, il tempo di residenza di ogni elemento di liquido corrisponde effettivamente al tempo di residenza idraulico e la concentrazione dei composti lungo l‟asse di avanzamento sarà quindi variabile. Motivi di natura tecnica ed economica ne limitano la taglia a 300-400 m3 di volume.

Figura 4.4 - Schema di reattore con flusso a pistone (fonte CETA).

Processo in reattore con ricircolo (o reattori per contatto)

Nelle tipologie impiantistiche già descritte, il tempo di permanenza idraulico risulta pari al tempo di permanenza della biomassa attiva (i microrganismi) all‟interno del reattore. Se invece si ricircola al bioreattore parte della biomassa presente nell‟effluente si riesce ad aumentare il tempo di permanenza della biomassa attiva del reattore, il che consente di realizzare più elevate efficienze di degradazione della sostanza organica. La separazione solido/liquido sull‟effluente viene di norma realizzata con dei semplici sedimentatori.

Figura 4.5 - Schema di reattore biologico con ricircolo.

4.2.2.3 Reattori a Crescita Supportata o Biomassa Adesa

In questi reattore la biomassa cresce adesa a supporti inerti di diverso tipo formando una pellicola sottile ma densa. Questo permette al reattore di

INGRESSO LIQUAME SEPARAZIONE SOLIDO LIQUIDO FANGO DI SUPERO EFFLUENTE CHIARIFICATO BIOREATTORE

102 trattenere efficacemente la biomassa che si forma nel suo interno anche in presenza di flussi notevoli di gas e/o di liquido. Inoltre sono caratterizzati da una maggiore stabilità dovuta al formarsi, nell'ambito del biofilm, di un microambiente avente caratteristiche ottimali, di difficile perturbabilità, per i microorganismi. Tra i principali inconvenienti di questo tipo di reattori va evidenziata da un lato la possibilità che possa intasarsi per effetto di un eccessivo sviluppo di biomassa che occlude gli spazi destinati al flusso del liquido e del gas, e dall‟altro l‟insorgere della "canalizzazione", cioè la formazione di canali di deflusso preferenziali per il liquido, col risultato che una frazione della superficie di biofilm rimane inattiva perchè non “lambita” dal liquido.

4.2.2.4 Reattori a Letto Fisso

I reattori stazionari a letto fisso sono costituiti da un contenitore in cui vengono inseriti dei mezzi di riempimento che fungono da supporto per l‟immobilizzazione della biomassa che crea un biofilm.

Il refluo da trattare può essere alimentato con flusso ascendente (Upflow Anaerobic Filter, UAF) o discendente (Downflow Anaerobic Filter, DAF). Nel primo l‟ingresso dell'influente avviene dal basso e la fuoriuscita dell'effluente dall‟alto, il secondo ha un funzionamento idraulico opposto.

Un'altra distinzione tra i due tipi di filtri anaerobici può essere fatta in base al tipo di riempimento utilizzato: modulare o alla rinfusa. Ancora si possono fare classificazioni a seconda della natura, forma e caratteristiche del materiale di riempimento, in passato costituito da pietrisco, oggi costituito da pacchi lamellari di materiale plastico o appositi corpi di minore dimensione posti alla rinfusa la cui natura varia ampiamente (carbone attivo, anelli in ceramica anelli in plastica, ecc.). I materiali di plastica presentano una minore attitudine all'adesione rispetto al pietrisco, ma hanno superfici specifiche e grado di vuoto di gran lunga superiori. Le differenti caratteristiche, quali forma, spazi e canalizzazioni del materiale di riempimento, influiscono sul comportamento idrodinamico del reattore [238].

I reattori a letto fisso, che hanno il vantaggio di una semplice costruzione, sono particolarmente indicati per trattare reflui con alto contenuto in sostanza organica solubile, inoltre possono operare anche in condizioni di alto carico organico volumetrico (sino 20 kgCOD/(m3.d)) [239] con tempi di ritenzione che possono arrivare a solo qualche ora. Ancora, sono in grado di sopportare un elevato carico tossico [240].

103 I difetti di questi reattori sono quelli tipici dei reattori a film fisso, cioè l'intasamento dovuto all‟aumento dello spessore del biofilm, l‟elevata concentrazione di solidi sospesi nelle acque reflue e la canalizzazione con l‟effetto di una più bassa efficienza di rimozione. Al fine di ridurre questi inconvenienti, molti impianti sono dotati di dispositivi per attivare la circolazione del liquido con alti flussi, in senso opposto a quello di alimentazione, in modo da rimuovere la biomassa che ostruisce il flusso normale.

Il limite principale del reattore è determinato dall‟elevato volume occupato dalla grande quantità di materiale di riempimento e dall‟elevato costo di questo.

4.2.2.5 Reattori Anaerobici a Letto Espanso e Fluidizzato

I reattori del tipo a letto espanso e a letto fluidizzato sono dei particolari reattori a biomassa adesa, in cui il materiale di supporto, costituito da particelle fini (0,1-1 mm di diametro) di materiale inerte caratterizzato da elevata area superficiale, viene tenuto in sospensione allo stato fluidizzato. Il materiale di supporto permette la formazione del biofilm e ne facilita la crescita. L‟elevata area superficiale consente di ottenere un elevato carico di biomassa e favorisce l‟ottenimento di un sistema efficiente e stabile. Questo sistema è particolarmente utile nel caso di più elevati carichi organici e offre maggiori garanzie in presenza di sostanze inibitrici. [241].

Il materiale di supporto può essere costituito da sabbia, granuli di carbone, particelle di materiale plastico, zeoliti, sepiolite, etc.. Al fine di favorire la crescita del biofilm attorno alle particelle e di evitare la sedimentazione e l'impaccamento delle stesse è indispensabile operare con un flusso idraulico sufficiente a mantenere le particelle del materiale in sospensione.

La differenza fra letto espanso e letto fluidizzato sta nel grado di espansione del letto. Nel letto espanso il diametro delle particelle è leggermente più grande rispetto a quello usato nei letti fluidificati, nei primi il volume del letto espanso è pari a 1.2-1.25 volte il volume del letto a riposo, mentre nei secondi risulta essere maggiore di 1.3 volte. Per mantenere un flusso idraulico è indispensabile un forte riciclo con conseguente dispendio energetico per il funzionamento delle pompe. Questi tipi di reattori, per la grande concentrazione di biomassa e la grande superficie esposta del biofilm, consentono di operare con carichi organici volumetrici rilevanti (fino a 100 kgCOD/(m3.d), in condizioni di laboratorio) adottando tempi di ritenzione idraulica di poche ore. Inoltre, sono adatti al trattamento di reflui a basso e medio contenuto di solidi sospesi.

104 La tecnologia dei letti fluidizzati risulta più efficace rispetto alla tecnologia del filtro anaerobico poichè viene favorito il trasporto delle cellule microbiche dal bulk alla superficie con conseguente miglioramento del contatto tra i microrganismi e il substrato [242]. Rispetto ai filtri anaerobici, essi presentano diversi vantaggi:

 l‟eliminazione dell‟intasamento del letto;

 una minore perdita di carico combinata con una migliore circolazione idraulica [243];

 una più grande area superficiale per unità di volume del reattore;

 un costo inferiore per via del ridotto volume dello stesso.