Svantaggi digestione anaerobica in pressione

La conseguenza principale, di carattere negativo, è l’abbassamento del pH all’interno del digestore; tale fenomeno è dovuto all’incremento della concentrazione di CO2 all’interno del substrato. Infatti, come descritto in precedenza, l’incremento di pressione provoca l’aumento della solubilità della CO2 all’interno del substrato, tuttavia man mano che ciò si verifica, aumenta la formazione dell’acido carbonico (H2CO3), il quale tende a dissociarsi in bicarbonato (HCO^-3) e carbonato (CO2-3); questi composti liberati nel substrato tendono ad abbassarne il pH. Inoltre è importante ricordare che il pH viene calcolato come il logaritmo in base 10 della concentrazione dei cationi, quindi il pH non varia linearmente con la variazione

76 W. M. Budzianowski, K. Postawa, Renewable energy from biogas with reduced carbon dioxide footprint:

Implications of applying different plant configurations and operating pressures, in «Renewable and Sustainable Energy Reviews», 68, 2017, pp. 852-868.

pag. 60

della pressione, infatti differenti studi mostrano che il pH subisce una riduzione più lenta rispetto all’aumento di pressione. L’abbassamento del pH nel reattore, risulta un aspetto negativo per il processo poiché, il pH acido può provocare una riduzione delle capacità idrolitiche delle popolazioni microbiche; infatti quando nel reattore è presente un pH acido, gli acidi organici tendono a rimanere in uno stato indifferenziato, in questo modo penetrano più facilmente all’interno della parete cellulare, e ciò può provocare un forte effetto tossico sui microrganismi.

Tuttavia è presente una nota positiva, infatti anche se la capacità idrolitica è ridotta, dagli studi si è osservato che la variazione del pH e della pressione non induce un accumulo di VFA o altri composti organici solubili.

Quindi il pH rappresenta un parametro da monitorare costantemente nel reattore, in modo da garantire che il processo si svolga sempre in condizioni ottimali; tuttavia sono presenti differenti tecniche che possono essere adottate per cercare di ripristinare il valore ottimale del pH: uno dei possibili metodi per controllare il pH è introdurre delle sostanze basiche in modo da garantire il corretto equilibrio fra materiale acido e alcalino; oppure un’altra soluzione è quella di introdurre nel reattore sostanze che leghino la CO2 nella fase liquida come ad esempio minerali alcalini; un’ulteriore soluzione è quella di neutralizzare l’eccesso di CO2

introducendo idrogeno, che provoca un piccolo incremento della produzione di metano. In realtà, durante uno studio sull’applicazione della PDA, si è osservato che l’olivina e la wollastonite (CaSiO3) hanno la capacità di tamponare l’abbassamento del pH; inoltre tale studio ha evidenziato come il loro impiego tenda a migliorare la qualità del biogas aumentando il contenuto del metano fino al 70-96%⁷⁷.

Un altro elemento da tenere in considerazione sono i microrganismi, infatti l’incremento di pressione e di conseguenza l’abbassamento del pH possono generare delle problematiche nei confronti delle popolazioni microbiche che effettuano la digestione anaerobica; i microrganismi rappresentano coloro che effettuano la degradazione dei composti organici all’interno del substrato e formano il biogas, quindi è molto importante che le condizioni in cui agiscono siano per loro ottimali. Inoltre, come descritto all’inizio del capitolo, durante il processo vengono impiegati differenti tipologie di popolazioni microbiche ed esse reagiscono in modo diverso alla variazione di pressione. Generalmente i batteri possono essere

77 R.E.F. Lindeboom, C.E. Zagt, S.G. Shin, J. Weijma, C.M. Plugge, J.B. van Lier, Autogenerative High

Pressure Digestion: Future Potentials and Constraints, in

«https://repository.tudelft.nl/islandora/object/uuid%3A0bbd0066-681f-43f6-bdfd-fdaab5dd77c6», 2013.

pag. 61

classificati in tre categorie, in funzione della pressione a cui riescono a sopravvivere e crescere: piezosensibili, piezotolleranti e piezofili; i primi crescono in maniera ottimale alla pressione atmosferica e sono maggiormente sensibili alle pressioni elevate; i piezotolleranti e i piezofili, invece, sono microrganismi in grado di proliferare fino a pressioni di circa 1000 bar. Tuttavia i piezotolleranti crescono meglio alla pressione atmosferica.

I batteri che lavorano durante le prime fasi (idrolisi e acidogenesi) sono più sensibili a questo parametro, perché di solito crescono e agiscono a pressione atmosferica, infatti generalmente vengono inoculati da liquami, escrementi o acque reflue fango di trattamento a pressione atmosferica; secondo la ricerca di Abe e Horikoshi i tassi di crescita di queste popolazioni batteriche tendono ad essere fortemente inibiti da pressioni superiori ai 10 bar⁷⁸. Mentre i batteri metanigeni, dal momento che in natura si possono trovare in habitat diversi ed estremi:

come i sedimenti marini, apparati digestivi e intestinali degli animali, nonché in sorgenti geotermiche e idrotermali sia superficiali che profondi, hanno maggiori capacità di resistere alle variazioni di pressioni. Quindi i batteri metanigeni riescono a crescere anche a pressioni elevate.

Un ulteriore svantaggio derivante dall’incremento di pressione è la riduzione della degradazione dei SV, infatti secondo gli studi osservati la rimozione di questi composti, all’aumentare della pressione, tende a ridursi fino al 25% da pressione atmosferica fino a 6 bar. Inoltre anche la degradazione del COD tende a ridursi con la pressione, anche se meno rispetto ai SV, fino al 15% a 6 bar⁷⁹.

Un aspetto importante da tenere in considerazione riguarda la sicurezza, infatti dal momento che nella PDA il reattore lavora a pressioni maggiori di quella atmosferica, è necessario impiegare dispositivi per monitorare costantemente la pressione e sistemi per ridurre, quando necessario, la pressione all’interno del reattore, in modo tale da garantire in ogni momento la sicurezza dei lavoratori. Inoltre tali sistemi richiederanno una manutenzione ordinaria, quindi ulteriori costi, per garantirne sempre il funzionamento.

78 Y. Chen, B. Rößler, S. Zielonka, A. Lemmer, A. Wonneberger, T. Jungbluth, The pressure effects on two-phase anaerobic digestion, in «Applied Energy», n.116, a.2014, pp. 409-415.

79 M. A. Latif, C. M. Mehta, D. J. Batstone, op. cit., p. 48.

pag. 62 Tabella 2.5: Confronto vantaggi e svantaggi dell'applicazione della digestione anaerobica in pressione.

Vantaggi PDA Svantaggi PDA

Produzione biogas purificato e in pressione

senza utilizzo tecnologie di upgrading. Riduzione del pH all’interno del digestore.

Pressione nel reattore autogenerata dall’accumulo di gas nel digestore.

Inibizione delle popolazioni microbiche e riduzione delle cinetiche di degradazione.

Riduzione dei costi. Riduzione della degradazione dei SV.

Maggiore solubilità dei fosfati all’interno

del substrato. Riduzione della degradazione del COD.

Maggiore solubilità di H2S nel substrato. Necessita maggiori sistemi di sicurezza.

Riduzione dell’impronta di CO2.