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Studio preliminare dei fanghi Primario e Secondario

3. Descrizione generale del progetto sperimentale

3.1. Studio preliminare dei fanghi Primario e Secondario

In questa prima fase della sperimentazione si procede alla caratterizzazione chimica delle matrici fangose che saranno oggetto di studio, analizzando i parametri tipici:

- pH

- COD

- Contenuto di solidi

- Contenuto di azoto

- Contenuto di solfuri

- Contenuto di metalli e anioni

In questo modo si può valutare quale siano le criticità per i due tipi di matrice, che non saranno caratterizzate dalle stesse problematiche, dato che provengono da due impianti differenti e sono prelevanti in due fasi diverse del processo di depurazione.

Questo periodo ha permesso inoltre di prendere familiarità con le matrici, soprattutto per quanto riguarda la loro maneggiabilità: la loro natura di sospensione organica in acqua rende il campione molto poco omogeneo e di difficile prelievo, offrendo svariati problemi dal punto di vista operativo. I risultati ottenuti sono quindi affetti da una certa variabilità e sono necessarie diverse ripetizioni per la solita analisi per poter ottenere un risultato di una certa affidabilità.

I campioni di fango oggetto di studio della tesi sono stati sottoposti ad una prova di digestione anaerobica mesofila, in modo da poter integrare lo studio delle caratteristiche della matrice di partenza con l’efficacia del processo digestivo, valutata in termini di produzione quali-quantitativa di biogas. Grazie a questa fase, si acquista quindi familiarità con la digestione anaerobica, riuscendo a valutare bene i fenomeni che la caratterizzano e anche a gestire in pratica le operazioni necessarie al suo allestimento e monitoraggio.

44 I processi di digestione anaerobica sono stati realizzati tutti nelle medesime condizioni operative, considerate ideali ai fini della produzione di biogas:

- Processo anaerobico mesofilo realizzato in camera termostatica a 37°C

- Inoculo di biomassa mesofila anaerobica attiva costante, in rapporto 1:3 col fango - Reattore anaerobico ermetico di volume fisso e costante

I processi di digestione anaerobica dei fanghi così realizzati portano alla produzione di un biogas, la cui composizione è stata analizzata mediante tecnica GC-TCD tramite vari prelievi durante il processo fermentativo e alla fine del processo.

In particolare, è stata evidenziata la qualità del biogas prodotto, esprimendo l’evoluzione del rapporto tra metano (CH4) e anidride carbonica (CO2). Inoltre il gas è stato analizzato anche

dal punto di vista del contenuto di H2S, una delle problematiche che si presentano nel

successivo utilizzo del biogas come fonte energetica.

È necessario sottolineare l’importanza dell’aggiunta di un inoculo al fango da sottoporre a digestione anaerobica: infatti qualsiasi processo di digestione biologica richiede una quantità variabile di “starter”, ovvero di biomassa attiva che riesca in tempi relativamente brevi ad innescare la degradazione delle porzione di substrato che vi viene miscelata. Tale starter è rappresentato dall’inoculo che, quindi, dovrà essere preventivamente acclimatato (ovvero condizionato alla digestione del fango in esame). Questa esigenza deriva dal fatto che qualsiasi tipo di digestione anaerobica, e non, prevede una combinazione inoculo/substrato assolutamente specifica.

Essendo la produzione di biogas una reazione condotta da microrganismi viventi, è necessario che vengano rispettate in maniera molto accurata le condizioni relative all’ambiente in cui vivono e proliferano tali microorganismi. I parametri critici su cui è maggiormente importante porre l’attenzione per garantire la sopravvivenza dei batteri anaerobi, e quindi una buona riuscita della biodigestione, sono:

 Assenza di ossigeno: trattandosi di batteri anaerobi, ovvero che vivono e compiono il loro metabolismo in atmosfera priva di ossigeno, è necessario che al momento dell’avvio della digestione non sia presente ossigeno all’interno del bioreattore.

45  pH: l’ambiente di reazione deve avere condizioni più prossime possibili alla neutralità, e comunque non andare al di fuori dell’intervallo di pH 6,5-7,5. Superare tali limiti vorrebbe dire limitare l’attività dei batteri, fino a portarli alla loro morte qualora si dovesse essere in presenza di un ambiente altamente acido o altamente alcalino.

 Temperatura: i microrganismi hanno bisogno di un ambiente termostatato in condizioni ottimali per il loro sviluppo. La scelta della temperatura di esercizio varia in base alla tipologia di microrganismi che viene utilizzata nella conduzione della biodigestione. Di seguito sono riportati i principali:

o Batteri psicrofili: hanno un optimum di sviluppo attorno ai 20-25 °C.Tuttavia sono poco usati per scopi industriali a causa del lungo tempo di residenza nel reattore, dovuto alle lente cinetiche.

o Batteri mesofili: la loro temperatura ottimale per la sopravvivenza è compresa tra i 35-40 °C, e il tempo di sviluppo metabolico va dai 14 ai 30 giorni. Sono molto spesso usati in ambito bioindustriale per le loro relativamente elevate cinetiche e la quantità di calore necessaria non troppo elevata.

o Batteri termofili: hanno bisogno di una temperatura sui 55-60 °C. I tempi di residenza nel biorettore si riducono, anche se difficilmente si scende al di sotto delle due settimane.

Per rispettare queste condizioni, nel corso del lavoro sperimentale qui presentato, sono stati presi alcuni accorgimenti:

- L’assenza di ossigeno è stata garantita mediante saturazione del fango e dell’ambiente di reazione con azoto prima dell’avvio della digestione anaerobica. - È stata condotta una opportuna regolazione del pH mediante l’utilizzo di correttori

acidi o basici prima dell’inizio della reazione di digestione. Durante le varie fasi è stata studiata anche l’incidenza del tipo di correttore di pH sul successivo processo di digestione anaerobica.

- La temperatura dell’ambiente di reazione è stata mantenuta costante per tutto l’arco della digestione, grazie all’utilizzo di una camera climatica di termostatazione.

46 Le fermentazioni sono state realizzate su piccola scala, in un barattolo di vetro dal volume complessivo di 500 mL, con tappo a vite, a chiusura ermetica, sul quale è stato installato un setto per il campionamento del biogas da analizzare mediante una siringa. Il sistema viene riportato in Figura 3.1.

Figura 3.1. Bioreattore utilizzato per la digestione anaerobica, nel quale si nota il setto di silicone al centro del tappo, attraverso il quale sono possibili i campionamenti del biogas.

Le prove così allestite offrono il vantaggio di poter monitorare la composizione del biogas tramite il setto di silicone; inoltre, data la dimensione di scala di laboratorio, è possibile organizzare e gestire più prove in parallelo, vantaggio non trascurabile data la durata piuttosto lunga di ogni singola prova (solitamente almeno 28 giorni). Questo permette di poter effettuare anche prove ripetute per ogni campione, da cui poter ricavare un valore medio per ogni parametro monitorato. In questo modo si fa fronte al problema della variabilità dei processi biologici che utilizzano organismi viventi, molto sensibili e suscettibili a varie condizioni.

D’altra parte, su una scala di processo così piccola e così strutturata, non si riesce a effettuare un monitoraggio costante della qualità del digestato durante la fermentazione per due motivi principali:

1) Il sistema non può essere aperto per prelevare aliquote di campione solido ed il prelievo del fango è quindi difficolto.

2) Date la basse quantità di fango utilizzato per ogni prova (200 mL) il campionamento periodico di biomassa da destinare alle analisi porterebbe al consumo di una quantità

47 relativa di substrato che risulterebbe eccessiva per poter permette il corretto svolgimento della digestione.

In questa fase, ai due campioni è stato aggiunto lo stesso inoculo mesofilo, proveniente da un digestore anaerobico di fanghi di supero dell’ossidazione biologica.

Al fine di trarre la massima informazione possibile da questo set di esperimenti, e comprendere a fondo i fenomeni e le reazioni coinvolte durante i processi fermentativi, oltre all’analisi del biogas sono state impostate anche delle campagne di caratterizzazione della biomassa oggetto di studio.

In particolare, è stato analizzato il pH, il contenuto di carbonio organico, i solidi (volatili e totali) e il contenuto di azoto e metalli della miscela di reazione (inoculo mesofilo + fango organico) all’inizio e alla fine del processo di digestione, per stimare il consumo effettivo di sostanza organica da parte della popolazione microbica anaerobica.

I dettagli ed i risultati di questo studio preliminare sono riportati nel Capitolo 4.

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