ambientali, energetici ed agronomici
DANIELA BONA LUCA GRANDI SARA BERTOLINI SILVIA SILVESTRI
La caratterizzazione analitica
di un biochar residuo
dalla gassificazione di
biomasse legnose per la
produzione di energia
rinnovabile fornisce
informazioni utili per integrare
qualitativamente le filiere
rinnovabili.
Il biochar è definito come il prodotto solido ottenuto da processi termochi- mici (200°C - 1.000°C) di conversione delle biomasse in condizioni di scarsi- tà di ossigeno, come pirolisi o gassifi- cazione (EBC, 2016). In virtù delle sue
caratteristiche chimico - fisiche, quali composizione elementare, porosità, capacità di scambio, area superficiale specifica e presenza di specifici grup- pi funzionali (Benedetti et al. 2018 Appl. Energy 227: 92-98), il biochar
assume proprietà interessanti per applicazioni in campo agronomico, energetico ed ambientale. Recenti studi hanno approfondito l’applicazio- ne del biochar come ammendante o come materiale adsorbente di diverse tipologie di inquinanti e contaminan- ti. L’aggiunta del biochar a processi di digestione anaerobica potrebbe avere interessanti effetti sul processo biologico, migliorando le produzioni finali di biogas/biometano attraverso l’interazione con batteri ed archea, filtrando composti contaminanti o inibenti del processo.
L’integrazione tra digestione anae- robica e gassificazione risponde agli obiettivi posti a livello europeo per il
passaggio ad un’economia circolare e alla riduzione degli scarti (EC, 2015). Infatti, i processi Waste-to-Energy sono riconosciuti come tecnologie chiave per favorire la transizione verso un’economia carbon-negati- ve, volta alla riduzione degli impatti ambientali connessi alla gestione di scarti e rifiuti e al miglioramento del recupero di energia e materiali da- gli stessi (Sanchez-Monedero et al. 2015 Bioresour. Technol. 247:1155- 1164; Shen et al. 2016 J. Clean. Prod. 135:1054-1064).
Per studiare l’integrazione tra queste due tecnologie, presso i laboratori della Fondazione Mach, in collabo- razione con l’Università di Padova e
Figura 1
Produzione cumulata di biogas (Nl biogas kgVS-1) nelle quattro diverse tesi testate,
confrontando due diverse tipologie di ino- culo e l’aggiunta di biochar. Test A, inoculo da impianto senza aggiunta di biochar; Test B, inoculo da impianto con aggiunta di biochar; Test C, inoculo “di laboratorio” senza aggiunta di biochar; Test D, inoculo “di laboratorio” con aggiunta di biochar.
Figura 2
Andamento della prova respirometrica di digestato, indice IR (mg O2 kg SV-1 h-1), con
e senza biochar ottenuto da precedenti test di digestione anaerobica alla scala semi-pilota di laboratorio. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 0 50 100 150 200 250 300 350 400
Test A - BMP Test B - BMP Test C - BMP Test D - BMP
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 0 200 400 600 800 1.000 1.200 1.400 1.600 1.800 2.000 2.200 2.400 2.600 2.800
la Libera Università di Bolzano, sono stati condotti dei test di digestione anaerobica in termofilia e in moda- lità “dry”, ovvero con un tenore di sostanza secca di circa 20% compa- rando tesi con e tesi senza aggiunta di biochar. Il biochar utilizzato è stato campionato in un impianto in scala industriale di gassificazione a doppio stadio di cippato di abete e aveva un contenuto di carbonio pari al 91,39% e un contenuto di ceneri del 4,20% sul tal quale. I test sono stati condotti applicando le norme tedesche (VDI 4630; 2016) che regolamentano la conduzione di test di stima della pro- duzione potenziale di biogas, ovvero per la stima del parametro definito come “BioMethane Potential” (BMP). Gli effetti del biochar sul processo di digestione anaerobica della frazione organica dei rifiuti solidi urbani (FOR- SU) sono stati valutati misurando la produzione di biogas/biometano, la degradazione della sostanza organi- ca e il contenuto in ammonio e fosfati prima e dopo i test di biometanazio- ne. Inoltre è stata verificata la quali- tà del digestato ottenuto a valle dei processi di metanazione attraverso la misura della stabilità biologica, l’in- tensità respirometrica, l’analisi della fitotossicità e l’analisi delle caratteri- stiche chimico fisiche, con particola- re riferimento al contenuto in metalli pesanti e IPA (idrocarburi policiclici aromatici).
I test sono stati condotti in reattori semi-pilota della capacità di circa 20 litri, mantenuti in anaerobiosi stretta in termofilia (51-53°C), dotati di un si- stema manometrico di misura del gas prodotto e di un sistema di campio- namento del biogas per l’analisi del suo contenuto in metano, anidride carbonica ed H2S. Ogni reattore è sta-
to caricato con circa 4 kg di materiale, costituto di un mix tra inoculo e rifiu- to organico fresco pari ad un rappor- to calcolato sul contenuto di sostanza organica volatile (SV) pari a 0,7 ± 0,06 e con un tenore di sostanza secca di circa 20%. La durata complessiva del test è stata di circa 21 giorni.
I primi risultati sperimentali hanno dimostrato che il tipo di biochar uti- lizzato, per effetto del carbonio aro- matico recalcitrante, non contribuisce ad un incremento nella produzione di biogas. L’aggiunta del biochar deter- mina piuttosto un aumento dell’alca- linità e quindi del potere tampone del digestato, utile in presenza di elevati carichi organici. Applicando la legge di Gompertz alle produzioni di biome- tano ottenute si è osservato che, in presenza di elevati carichi organici, la fase di lag si riduce in maniera signifi- cativa in presenza di biochar. Questo potrebbe quindi suggerire che la colo- nizzazione funzionale del biochar da parte di specifici microrganismi possa essere un valido aiuto in condizioni di elevato carico organico.
Foto 1
Reattori semi-pilota di laboratorio per l’analisi del processo di digestione anaerobica utilizzati per i test descritti
Il biochar utilizzato ha mostrato inol- tre un basso tasso di adsorbimento sia di ammonio che di fosfato. Anche in questo caso, i risultati ottenuti di- pendono sia dalle caratteristiche fi- sico-chimiche specifiche del biochar utilizzato, ma anche dalle particolari condizioni di prova imposte; l’eleva- to tenore di solidi totali potrebbero aver influenzato la velocità di trasfe- rimento di massa tra fase liquida e fase solida.
L’analisi qualitativa del digestato ot- tenuto ha evidenziato, nei campioni con biochar, una maggiore stabilità biologica, più basse concentrazioni di metalli pesanti e una diminuzione della tossicità (test di fitotossicità). Un aspetto negativo conseguente soprattutto al processo di gassifica- zione condotto a temperature ele-
vate (800°C), ma in parte anche per un effetto di accumulo nel ricircolo, è l’incremento significativo del contenu- to di idrocarburi policiclici aromatici (IPA), che in un test erano superiori ai limiti proposti sia per digestati che compost, nella nuova normati- va europea sui fertilizzanti, in fase di approvazione (Draft EC, 21 maggio 2019).
I dati ottenuti da questa prima spe- rimentazione hanno evidenziato la necessità di una corretta caratteriz- zazione del biochar, in quanto può assumere proprietà molto diverse a seconda sia del processo produttivo che della materia prima utilizzata e ha aperto numerose strade di approfon- dimento relative all’utilizzo di questo materiale sia in campo ambientale che agronomico.
Foto 2
Respirometro per l’analisi della stabilità biologica del digestato
Foto 3
Campione di biochar utilizzato nella sperimentazione oggetto del lavoro
Il laboratorio Biomasse FEM si è at- trezzato per l’esecuzione di test di produzione potenziale di biometano, (BMP, BioMethane Potential) secondo la norma tecnica italiana approvata nel 2018 (UNI/TS 11703:2018), che definisce il protocollo di analisi sulle procedure per la scelta e la gestione dell’inoculo e la restituzione del dato finale. Il test BMP misura la quantità di metano ottenibile da una specifica tipologia di biomassa o da miscele di biomasse differenti. L’analisi permet- te di stimare la degradabilità della sostanza organica e verificare l’effet-
to o l’accumulo di sostanze contami- nanti e tossiche per il processo bio- logico. Il dato ottenuto, espresso in Nm3 CH
4/ kg SV (solidi volatili), è utile
nella progettazione degli impianti di digestione anaerobica, ma anche nel monitoraggio del processo biologico e nella valutazione di strategie per migliorarne le rese. Il laboratorio FEM è dotato di reattori della capaci- tà di circa 20 l e di reattori più piccoli da 1 l, termostatati e attrezzati per la misura della produzione quantitativa e qualitativa di biogas (CH4, CO2, H2S
e O2).