Tecniche di digestione anaerobica

3.4.1 Impianti mesofili, termofili e psicrofili

In base ai valori di temperatura in cui si opera, la digestione anaerobica può essere condotta in condizioni di mesofilia, temperatura compresa tra 30-35°C, di termofilia, per temperature di 55°C, di psicrofilia, nel range di 10-25°C. Quando si passa da un regime di temperatura ad un altro si osserva un vero e proprio cambiamento nella composizione della comunità batterica; infatti, come illustrato in Figura 3.7, gli andamenti di sviluppo delle diverse popolazioni batteriche non sono monotoni, ma presentano dei picchi in corrispondenza di ben definiti intervalli di temperatura, differenti per ciascuna specie. Una variazione di temperatura,

La produzione di biogas

all‘interno di un certo intervallo, e, quindi, per una data popolazione, determina una variazione nelle velocità di reazione [15, 16, 17, 18].

Figura 3. 7:Influenza della temperatura sulla cinetica biologica dei microorganissmi psicrofili, mesofili e termofili[19]

In genere, l'effetto della temperatura sulla prima fase del processo di digestione (idrolisi e acidogenesi) non è molto significativo, in quanto tra la popolazione batterica presente ci sono sempre alcuni ceppi che hanno la loro crescita ottimale nell'intervallo interessato; situazione diversa si verifica nella seconda e terza fase di decomposizione, in cui operano microrganismi specializzati (acetogeni e metanogeni), che sono molto più sensibili al cambiamento di temperatura [20]. La temperatura di reazione determina, in genere,sia la durata del processo (tempo di residenza o di ritenzione), che diminuisce all‘aumentare del suddetto parametro (Fig.3.8), sia la riuscita del processo di metanizzazione, ovvero della produzione di biogas, a sua volta legata al tempo di residenza (Fig.3.9). I tempi sono mediamente compresi tra 15 e 35 giorni se il processo avviene in mesofilia, tra 15-20 giorni se avviene in termofilia e di 30-90 giorni in psicrofilia [21].

La produzione di biogas

La produzione di biogas aumenta, infatti, con il tempo di ritenzione e presenta un andamento a campana: inizialmente nulla, nel giro di pochi giorni raggiunge il massimo per poi diminuire più lentamente con un andamento a campana. Il tempo di ritenzione ottimale è funzione della temperatura all‘interno del digestore e diminuisce all‘aumentare della stessa [23].

Figura 3. 9: Produzione di biogas in funzione del tempo di ritenzione [23]

Sebbene le condizioni mesofile siano quelle maggiormente impiegate, l‘interesse per la digestione termofila è spiegabile per i vantaggi che l‘impiego di queste condizioni fornisce;in

particolare, la digestioneanaerobicatermofilaè caratterizzata da un tasso dibioconversionepiù

elevato, in tempi più brevi rispetto alla digestione abassatemperatura [24, 25], pertanto, i costi

aggiuntivi legatial riscaldamento possono essere compensati dall'aumento dellaproduzione di

biogas[26,27], inoltre, alle elevate temperature cui si opera, l'effetto diigienizzazioneè più

marcato rispetto alle condizioni di mesofilia [24, 28, 29], in quanto si registra una notevole

riduzione dei batteri patogeni. D‘altro canto, il processo condotto a temperature minori (mesofilia)richiedemeno energiaper il riscaldamento, sebbene sia caratterizzata da unaconversionepiù lentadelmateriale organico, edè anche comunementemeno influenzata

daeffetti inibitori dovuti all‘ammoniacarilasciata durante lamineralizzazionedelle proteine[30,

31], oltre ad essere meno sensibile agli sbalzi termici.

L‘interesse periltrattamento anaerobicoin condizionipsicrofili(<20 ° C), allo stato attuale,

risulta essere in aumentoin virtùdei costidi riscaldamentonotevolmente inferiori[32] e

dell‘impiego dibioreattoridi nuova generazioneo modificaticon successo, chepossono

facilitare l'uso diquesta tecnicaa bassa temperatura[33].

3.4.2 Reattori mono o bi-stadio

I processi di digestione anaerobica possono essere, a seconda della soluzione adottata, ad una o due fasi. Nei processi a fase unica (Fig.3.10) le fasi biologiche della digestione,

La produzione di biogas

idrolisi/acidogenesi, acetogenesi e metanogenesi, hanno luogo nel medesimo reattore e contemporaneamente. In questo caso, il reattore assume una configurazione più complicata in quanto vanno garantite le condizioni ottimali di crescita delle diverse famiglie di microrganismi [34]. Pertanto, la fase più lenta del processo costituisce l‘elemento di dimensionamento del reattore.

Figura 3. 10: Schematizzazione del processo ad una fase

Il processo di digestione anaerobica a due stadi, invece, si basa sull‘idea di separare, in due reattori interconnessi, due differenti gruppi di batteri (acidogeni e metanogeni), e massimizzare la loro crescita mantenendo le condizioni ideali, in ciascun reattore, per ogni particolare gruppo di batteri (Fig.3.11). Il primo gruppo, gli acidogeni, è fatto sviluppare in un reattore in cui il pH è naturalmente basso ed il tempo di residenza è mantenuto tra 1 e 4 giorni. Il secondo gruppo, i batteri metanogeni, è fatto crescere in un secondo reattore interconnesso al primo, in cui il pH è più alto ed il tempo di residenza compreso tra 10 e 20 giorni, in funzione delle caratteristiche dei reflui. I batteri acidogenici non prospereranno nel reattore metanogenico poiché la maggior parte del loro nutrimento è usato nel reattore acidogenico, mentre i batteri metanogenici non cresceranno nel reattore acidogenico poiché il

tempo di ritenzione è troppo breve ed il pH troppo basso [35].

Il maggior vantaggio di questa tipologia di impianto consiste nella possibilità di operare su substrati molto vari, anche di difficile trattamento per i sistemi ad una fase, come ad esempio residui agroindustriali e zootecnici con rapporti C/N (carbonio-azoto) inferiori a 20. Gli svantaggi derivano dall‘aumento dellacomplessità dovuta alla presenza di più fasi; dalla necessità di mantenere tempi di ritenzione ristrettinel primo reattore, e di provvedere ad una gestioneseparatadelle due tipologie di biogas che si producono nei due reattori. Infatti, in questa particolare tipologia impiantistica, il biogas è prodotto in entrambi i reattori, sebbene con notevoli differenze quali-quantitative. Nel primo reattore, deputato allo svolgimento della fase di idrolisi, le quantità di gas metano prodotte sono minime, tipicamente meno del 6% del

La produzione di biogas

processo totale, e la qualità inferiore rispetto al gas prodotto dal secondo digestore, in quanto

ha un contenuto di metano inferiore al 40% [36].

Figura 3. 11: Schematizzazione del processo a due fasi [36]

3.4.3 Alimentazione in continuo e in discontinuo

Il digestore può essere alimentato in continuo o in discontinuo. Per processo continuo si intende un sistema alimentato in modo continuo o semicontinuo con un tempo di permanenza medio del substrato nel reattore espresso dal tempo di residenza idraulico (HRT) e quello dei microrganismi dal tempo di residenza dei solidi (SRT). Fanno parte di questa tipologia impiantistica i reattori plug-flow, i reattori a completa miscelazione ed i reattori ad alto carico. In tale processo, al fine di prolungare la formazione di biomassa, si fornisce al digestore substrato fresco in continuo a una velocità pari a quella con cui si toglie il prodotto della digestione esausto; in alternativa al substrato fresco, si può fare ricircolare in continuo la biomassa, in questo caso il processo è continuo con ricircolo (FEEDBACK). Il sistema FEEDBACK rende possibile il recupero di nutrienti e acqua non consumati, riduce la concentrazione di prodotti nocivi assorbibili dai microrganismi durante il processo di biodegradazione e permette di ridurre le dimensioni del digestore senza diminuire la resa di produzione. Gli svantaggi sono legati a tempi di start-up lunghi in conseguenza della frazione di substrato che viene ricircolato. Problema che viene superato se si opera in termofilia, attraverso un corretto inoculo, un corretto bilanciamento dei nutrienti e un carico organico inizialmente ridotto.

I sistemi in discontinuo (Fig.3.12), detti anche batch, prevedono il riempimento del reattore di digestione con materiale organico caratterizzato da un tenore di sostanze solide elevato, attorno al 30-40%. Quando il tasso di produzione di biogas raggiunge il suo massimo per poi scendere al di sotto di un certo livello, il 90-95% del residuo della digestione viene trasferito nel serbatoio di accumulo, mentre il resto rimane nel digestore per innescare il processo di digestione di un nuovo carico di substrato; se nel digestore vengono aggiunti alcuni nutrienti

La produzione di biogas

al fine di prolungare la crescita di biomassa si parla di processo discontinuo alimentato (FED- BATCH). Questi processi sono utilizzati in tutti quei casi in cui esiste una forte inibizione da substrato che limita la produttività. Un limite invalicabile di questi processi è dato dall‘instabilità genetica dei ceppi batterici, che dopo un certo numero di cicli spesso degenerano perdendo le loro caratteristiche produttive [13].

Figura 3. 12: Schematizzazione di un impianto di digestione in batch

I sistemi di digestione batch sono quelli più semplici dal punto di vista impiantistico, ma hanno lo svantaggio di emettere odori sgradevoli e di possedere cicli di svuotamento problematici: una volta avvenuta l'alimentazione iniziale, il reattore viene chiuso e sull'intera massa trattata non agisce alcun dispositivo di sorta per tutta la durata del processo; inoltre, vi è la concreta possibilità che si verifichino intasamenti sul fondo, laddove sono presenti i fori per il ricircolo del percolato.

3.4.4 Impianti ad umido ed a secco

Quando il substrato in digestione ha un contenuto di sostanza secca minore del 10%, il processo di digestione è definito ad umido (WET), mentre è definito a secco (DRY) se tale contenuto è maggiore del 20%, per valori intermedi si parla di digestione a semisecco (SEMIDRY), tuttavia tale processo non è molto diffuso [37].

Nei processi ad umido (Fig.3.13) la matrice, prima di essere caricata nel reattore anaerobico, subisce un trattamento finalizzato al raggiungimento di un giusto tenore di solidi totali e di un buon grado di omogeneizzazione; esso consiste principalmente in una diluizione effettuata mediante aggiunta di acqua (liquami vari e/o acqua di processo, ricircolata dal digestore stesso) ed in una rimozione sia di eventuali schiume che di eventuali plastiche, inerti e altri

La produzione di biogas

frequentemente utilizzato in questo tipo di processo è il classico reattore completamente miscelato (CSTR) ), in cui la biomassa fresca è pompata ad intervalli nel reattore ed immediatamente mescolata con la biomassa in fase di fermentazione.

Figura 3. 13: Schematizzazione di un impianto di digestione ad umido (wet)[38]

A causa delle caratteristiche fisiche, all‘interno del reattore si formano tre fasi separate, caratterizzate da distinte densità. La frazione più pesante tende ad accumularsi sul fondo del reattore e può determinare danni nel sistema di miscelazione, mentre materiali leggeri e schiume tendono ad accumularsi nella parte superiore. La fase a densità intermedia è quella in cui avvengono per lo più le effettive reazioni di degradazione e produzione del biogas. Uno dei problemi che può essere connesso con la digestione anaerobica ad umido consiste nella corto‐circuitazione idraulica del reattore, dovuta al fatto che il flusso di materiale entrante, non perfettamente miscelato con il materiale già presente nel reattore, fuoriesce con tempi di ritenzione ridotti rispetto a quelli previsti da progetto. Ciò, oltre adeterminare una minore degradazione del substrato trattato, e quindi una minor produzione di biogas, può determinare problemi di igienizzazione dei fanghi effluenti [23]. Nella Fig. 3.14 sono sintetizzati vantaggi e svantaggi connessi alla tipologia impiantistica di cui si è discusso.

La produzione di biogas

Figura 3. 14: Vantaggi e svantaggi dei processi wet [39]

La digestione di tipo a secco (Fig.3.15) è stata sviluppata per consentire il trattamento del rifiuto organico senza necessità di diluizioni, operando con tenori di sostanza secca superiori al 20%; il materiale utilizzato in questo tipo di sistema è, pertanto, molto più concentrato e viscoso di quello utilizzato con il sistema ad umido e la tecnologia dei reattori e dei sistemi di trasporto, pompaggio e miscelazione, di conseguenza, deve essere completamente adattata alle sue caratteristiche. L‘unico pre‐trattamento che è normalmente previsto in questo caso è una vagliatura grossolana che consenta di rimuovere le frazioni con dimensioni > 40 mm, consentendo di contenere la perdita di sostanza organica biodegradabile utile alla produzione di biogas. Il tipo di reattore che comunemente viene utilizzato in questo tipo di digestione è il reattore cosiddetto plug-flow, a pistone (Fig.3.15). Tali reattori sono più semplici dal punto di vista meccanico, ma presentano problemi di miscelazione tra il materiale fresco e la biomassa in fermentazione.

La produzione di biogas

La digestione a secco è applicata in particolare alla frazione organica dei rifiuti urbani, sia da raccolta indifferenziata che da raccolte differenziate [23]. I principali vantaggi e svantaggi connessi a tale tipologia impiantistica sono riportati in Fig.3.16.

Figura 3.16: Vantaggi e svantaggi dei processi dry [39]