Tipologie e configurazioni impiantistiche

La dimensione delle aziende agricole e perciò il substrato a disposizione rappresentano elementi limitanti nella scelta delle tipologie e configurazioni impiantistiche. Le grandezze perfette degli impianti sono legate ai programmi e agli incentivi economici previsti dalla normativa di ciascun paese, ancora molto diversa.

In Europa si registra un’ampia varietà di tipologie impiantistiche per la digestione di reflui agro- zootecnici e per la co-digestione di reflui e coltivazioni energetiche.

93 Figura 4.6 : Schema delle fasi del processo di digestione anaerobica (Fonte: Jäkel, 2002)

Al fine di semplificare la comprensione delle diverse tipologie di impianto, di seguito si riportano alcune tra le principali caratteristiche di un sistema di digestione anaerobica di reflui agro- zootecnici.

4.23.1 Sistema di alimentazione

I substrati di origine liquida (SS attorno al 12%) vengono alimentati al digestore attraverso un sistema di pompaggio mentre, i substrati secchi (SS tra il 25 e il 40%) vengono alimentati al reattore mediante nastri trasportatori o coclee.

4.23.2 Sistema di miscelazione

I digestori di substrati di origine agricola hanno numerosi problemi dovuti alla presenza di sostanze galleggianti o sedimentate sul fondo. Alla luce di questo, una scelta corretta del sistema di miscelazione risulta fondamentale. Bisogna al tempo stesso ottimizzare le prestazioni del processo e ridurre l’attrito e il consumo energetico. I sistemi maggiormente

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utilizzati risultano quelli di tipo meccanico, perché miscelazione pneumatica e idraulica vengono impiegati nella digestione di substrati con bassa tendenza alla formazione di strati flottanti.

Tre sono i principali agitatori messi in commercio: • Agitatori a movimento lento con braccia e pale; • Agitatori a media velocità;

• Agitatori intensi ad alta velocità.

4.23.3 Sistema di scambio termico

Raggruppando i sistemi di scambio in due grandi categorie è possibile classificare le modalità con cui avviene il riscaldamento del digestore:

• Sistemi di scambio interno: più economici, in grado id fornire calore in maniera omogenea. Però presentano qualche difficoltà al momento della pulitura e di lavori di manutenzione;

• Sistemi di scambio esterno: mantengono inalterata la loro efficienza nel tempo. Operano il riscaldamento interno del fango.

4.23.4 Stoccaggio, depurazione e combustione

Il digestore a copertura mobile è la configurazione più comune per la digestione dei reflui agro-zootecnici. Il biogas è raccolto direttamente dalla parte superiore attraverso una copertura a cupola. Il volume di accumulo del biogas deve essere dimensionato per garantire una fornitura costante di biogas al motore e limitarne le perdite, garantendo miglioramenti di efficienza dell’impianto. La presenza di una torcia è una misura di sicurezza fondamentale nonché di tutela ambientale per bruciare eccedenze di produzione di biogas rispetto al quantitativo che può essere stoccato o usato per la produzione di energia. Scopo ultimo della combustione del biogas in torcia risulta quindi, la massimizzazione della combustione del metano e la correlata minimizzazione del rilascio in atmosfera di metano o di altri gas incombusti.

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4.23.5 Tecnologie di fermentazione: Processi batch

Il reattore è riempito in una sola volta, il substrato viene degradato e il percolato prodotto ricircolato. E’ opportuno lavorare con più di un reattore in parallelo e con cicli sfalsati. I processi batch sono più utilizzati nel caso della digestione a secco, hanno bassi costi di esercizio e degli impianti meccanici ma, permettono solamente una produzione discontinua, con consumi energetici elevati e importanti costi da manutenzione.

4.23.6 Processi in continuo

Il substrato è alimentato di continuo al digestore e perciò anche il biogas è prodotto costantemente.

Sono di due tipo: reattori completamente miscelati o con flusso a pistone (plug- flow).

4.23.7 Contenuto dei solidi

Le due tecniche di digestione più usate sono a secco o a umido e la loro scelta influisce anche sulla tipologia pre- e post- trattamento del substrato.. Per gli impianti di trattamento dei reflui agro- zootecnici, prevale la digestione ad umido (Agrobiogas 2008), mentre in Europa la digestione a secco risulta quella più usata (De Baere et al., 2010).

4.23.8 Digestione a secco

Il livello di solidi nel reattore è superiore al 20%. Non avendo grandi carichi di acqua, nel reattore è possibile operare con grandi quantitativi volumetrici da cui minori volumetrie e minori costi. Non si verificano le separazioni di fase e perciò si eliminano anche sedimenti e croste. Per tale tipologia di digestione vengono impiegati maggiormente reattori di tipo plug-

flow.

4.23.9 Digestione a umido

Il tenore di solidi nel reattore è inferiore al 10% quindi reflui zootecnici e fanghi. La tipologia di impianto più comune è quella di reattori completamente miscelati. I sistemi di digestione a umido, generalmente, operano con carichi organici contenuti.

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4.23.10 Numero di stadi

Il processo di digestione anaerobica avviene secondo le quattro fasi biochimiche principali (ciascuna col il proprio metabolismo e ottimali condizioni di temperatura e pH):

1. Idrolisi 2. Acidogenesi 3. Acetogenesi 4. Metanogenesi

La separazione delle fasi è tanto più consigliata quanto più i substrati coinvolti sono particolari e complessi.

4.23.11 Monostadio

Tutte le quattro fasi della digestione anaerobica avvengo nel medesimo reattore e il biogas raccolto nel digestore.

4.23.12 Bi-stadio e Bi-fase

Nei processi bi- fase la separazione delle fasi permette di ottimizzare le condizioni per ciascuna comunità microbica (Ghosh et al., 2000). Nel primo reattore avvengono le fasi di idrolisi e acidogenesi, nel secondo le fasi di acetogenesi e metanogenesi. Le limitazione da tenere presenti sono la velocità di idrolisi nel primo reattore e la crescita microbica nel secondo. D’altro canto sono molteplici i fattori positivi:

• Incremento della velocità di produzione del metano; • Tamponamento dell’impatto di possibili variazioni; • Trattabilità anche di substrati con bassi rapporti C/N.

Gli impianti bi-stadio non operano con una netta distinzione delle fasi. Permettono una minor efficienza complessiva compensata però da una maggiore stabilità di processo e da minori necessità di controllo.

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4.23.13 Temperatura di digestione

La digestione mesofila è maggiormente stabile e richiede una minore quantità di calore per il riscaldamento. La digestione termofila presenta un’efficienza maggiore, consentendo inoltre, un’eliminazione dei microrganismi patogeni superiore e permettendo di sfruttare l’autoriscaldamento delle popolazioni microbiche nel digestore. Però è un processo particolarmente sensibile alla presenza di ammoniaca e non risulta vantaggiosa da un punto di vista economico quando si tratta di substrati poco concentrati (Dennis e Burke, 2001).