Biogas - Digestione Anaerobica
IL PROCESSO
La degradazione biologica della sostanza organica in assenza
di ossigeno genera metano ed anidride carbonica. Essa
coinvolge diversi gruppi microbici interagenti tra loro: i
batteri idrolitici, i batteri acidificanti (acetogeni ed
omoacetogeni) ed, infine, i batteri metanigeni, quelli cioè
che producono metano e CO2.
Se si considerino substrati organici complessi si possono
ottenere ulteriori prodotti dal processo degradativo
anaerobico e, in particolare, l’ammoniaca che deriva dalla
demolizione delle proteine.
Il processo di digestione anaerobica si può suddividere in
diverse fasi
Prima fase - Idrolisi ed acidogenesi
Degradazione di substrati organici complessi, proteine,
grassi e carboidrati, con formazione di composti semplici:
quali aminoacidi, acidi grassi e monosaccaridi in forma
solubile.
Seconda fase - Acetogenesi
A partire dagli acidi grassi formatisi nel corso della fase
di idrolisi ed acidificazione (acidi volatili,
essenzialmente propionato e butirrato, ma anche alcoli) i
batteri acetogeni producono acido acetico, acido formico,
CO2 ed H2.
Terza fase - Metanogenesi
La produzione di CH4 rappresenta il prodotto finale della
catena trofica anaerobica. La produzione del metano può
avvenire essenzialmente attraverso due differenti reazioni:
- metanogenesi ad opera dei batteri idrogenotrofi, che
operano l’ossidazione anaerobica dell’idrogeno, secondo la
reazione
CO2 + 4 H2 = CH4 + 2H2O
- dismutazione anaerobica dell’acido acetico con formazione di metano e biossido di carbonio detta via acetoclastica. La maggior parte della produzione di metano avviene attraverso questo secondo meccanismo
CH3COOH = CH4 + CO2
Il sistema microbiologico della digestione anarerobica si
caratterizza per due differenti processi:
1) la velocità di crescita netta della biomassa su un dato
substrato che è una funzione della temperatura interna del
di gestore e del tipo di batteri. L’attività biologica
anaerobica è possibile infatti in un ampio intervallo di
temperatura:
tra - 5 e + 70 °C con microrganismi diversi classificabili
in base all’intervallo termico ottimale di crescita:
psicrofili (temperature inferiori a 20 °C),
mesofili (temperature comprese tra i 20 °C ed i 40 °C)
termofili (temperature superiori ai 45 °C).
2) la velocità di utilizzo del substrato che dipende dalla
concentrazione del substrato e dall’affinità tra batteri e
substrato.
Aumentando la concentrazione di substrato, è possibile
avvicinarsi alla massima velocità possibile, compatibilmente
con l’ affinità tra lo specifico enzima ed il substrato.
PARAMETRI DI PROCESSO
Tempo di residenza
Il tempo di residenza o di ritenzione è il tempo in cui la
biomassa rimane nel digestore. La produzione di biogas
aumenta con il tempo di residenza dopo aver raggiunto un
massimo nelle prime due settimane. Il tempo di residenza
ottimale dipende dalla temperatura e diminuisce
all’aumentare di questa.
Si distingue una residenza idraulica (HRT)
HRT(giorni) = V reattore (m3)/ Input biomassa giornaliera (m3/giorno)
Da una residenza dei solidi (SRT), diversa soltanto per i reattori con ricircolo
SRT(giorni) = V reattore (m3) * conc.SV (Kg/m3) / Solidi volatili effluenti ogni giorni (Kg/giorno)
Carico organico
La biomassa sottoposta alla digestione anaerobica viene
definita attraverso pochi parametri facili da misurare.
Solidi Totali o Sostanza Secca (% sul tal quale)
E’ il contenuto in sostanza secca di un campione,
determinato per essiccamento a 105 °C. Questi rappresentano
la somma della Sostanza Organica e della Sostanza Inerte.
Sostanza Inerte (% sulla sostanza secca)
E’ la frazione residua dopo la combustione a 550 °C fino a
peso costante.
Sostanza Organica (% sulla sostanza secca)
E’ il complemento ad 1 della sostanza inerte e comprende sia
la Sostanza Organica Volatile, che si trasforma in gas, sia
la Sostanza Organica Fissa che non può gassificarsi.
Sostanza Volatile (% sulla sostanza secca)
E’ la frazione di sostanza organica che si può volatilizzare
ed è circa il 70/80% del totale organico. Operativamente si
assume che la Sostanza Volatile sia uguale alla Sostanza
Organica e si definisce anche substrato.
Carico Organico Volumetrico
E’ la quantità di Sostanza Volatile che viene immessa nel
reattore nell’unità di volume e di tempo:
COV (KgSV/m3 reattore giorno) = Influente (m3/giorno)*conc
SV(Kg(m3)/Vreattore (m3)
Fattori inibenti e tossici
L’ottimizzazione del processo di digestione anaerobica deve
considerare alcuni fattori che possono inibire o limitare
sia la crescita del consorzio batterico che la resa di
trasformazione del substrato nel prodotto finale. I
parametri che possono avere un’influenza negativa sono
rappresentati dal substrato stesso , quando troppo
abbondante o molto reattivo, ed eventuali elementi inibenti
quali metalli pesanti, sali, azoto ammoniacale, residui di
pesticidi e prodotti farmaceutici, detergenti e
disinfettanti, solventi, inibitori da trattamenti chimici
per la conservazione di cibi, ecc.
|
Concentrazione (mg/l) |
|||
| IONE | SINERGICA | INIBENTE | TOSSICA |
| Sodio | 100-200 | 4000 | 8000 |
| Potassio | 200-400 | 3500 | 12000 |
| Calcio | 100-200 | 3500 | 8000 |
| Magnesio | 70-150 | 1200 | 3000 |
| Ammonio | 50-200 | 1700 | 3000 |
| Zolfo | <10 | <200 | >200 |
| Zinco | <1 | >1 | >160 |
| Rame | <1 | >1 | >170 |
| Cadmio | <1 | >1 | >180 |
|
COMPOSTI DI SINTESI |
|||
| Detergenti | mai | >15 | |
| Antibiotici | mai | sempre | sempre |
|
Fenolo (disinfettante) |
<400 | >400 | |
|
Formaldeide (disinfettante) |
<2000 | >2000 | |
Il nutrimento dei batteri è assicurato da carbonio azoto
fosforo e zolfo che non devono mai mancare. Perché si abbia
un rendimento in metano ottimale il rapporto Carbonio/Azoto
non deve mai superare il 35 con un ottimo di trenta.
La paglie ed il legno (segatura, trucioli) hanno un valore
di questo rapporto superiore a 100 e quindi le quantità
vanno accuratamente dosate in funzione della qualità del
rimanente substrato.
Infatti le deiezioni animali hanno un C/N relativamente
elevato di 20-25 tollerando poca paglia mentre i residui
vegetali (C/N medio 15) ed i residui animali (C/N medio 10)
possono essere miscelati con paglia o segatura per
correggere il tenore di solidi.
pH ed alcalinità (effetto tampone)
Il pH indica se l’ambiente del digestore è favorevole alla
reazione. Per valori di pH compresi tra 6.5 e 7.5 il
processo di digestione è stabile.
In fase acidogena i batteri producono acidi grassi e quindi
fanno diminiuire il pH e già a pH=6,2 i batteri metanogeni
sono inibiti mentre gli acidogeni lavorano fino ad un pH di
4,5.
Bisogna quindi bloccare la produzione di acidi grassi in
modo che il pH non scenda sotto a 6,2, questa operazione
viene fatta con il controllo dell’alcalinità.
L’alcalinità rappresenta la capacità di neutralizzare gli
ione idrogeno ed è
generalmente espressa come concentrazione di carbonato di
calcio. Valori di alcalinità dell’ordine di 3000-5000 mg
CaCO3 per litro sono tipici per i
digestori anaerobici operanti in condizioni stabili
Questo parametro è di fondamentale importanza nei processi
anaerobici considerando che i tassi di crescita della
biomassa metanigena sono estremamente ridotti. Può capitare
che in occasione di un incremento del carico organico le
aumentate capacità idrolitiche ed acidificanti del sistema
determinino uno sbilanciamento della popolazione batterica a
favore della componente acidogenica e quindi a sfavore della
componente metanigena. Durante questa fase si osserva un
aumento di concentrazione degli acidi grassi volatili e
proprio allora la capacità tamponante del sistema, che deve
essere in grado di neutralizzare l’abbassamento di pH.
Nel caso in cui l’acidità esaurisca l’effetto tampone del
bicarbonato l’ammoniaca, originata dalla degradazione di
proteine, sciogliendosi in acqua come idrato d’ammonio
riassorbe l’acido facendo ripartire la reazione.
La concentrazione degli acidi volatili, generalmente
espresso in termini di acido acetico o di COD, dipende dal
tipo di substrato trattato, e varia da circa 200 fino a 2000
mgAc/l. La concentrazione degli acidi grassi volatili e
l’alcalinità sono i due parametri che mostrano una più
rapida variazione quando il sistema tende ad allontanarsi da
condizioni di stabilità. Dal momento che, in caso di
problemi, la concentrazione degli acidi grassi tende ad
aumentare mentre l’alcalinità tende a diminuire, un utile
parametro da considerare è il rapporto tra queste due
grandezze: valori del rapporto intorno a 0.3 indicano un
digestore stabile, mentre valori superiori possono indicare
l’insorgere di problemi di stabilità.
La variazione della composizione (almeno in termini di
metano e biossido di carbonio) del biogas permette di
monitorare la stabilità del processo di digestione
anaerobica.
Una diminuzione nella produzione complessiva di biogas ed un
aumento nella percentuale di CO2 indicano inibizione della
componente metanigena dovuti all’eccessiva presenza di acidi
grassi volatili.
Temperatura e riscaldamento
L’attività dei batteri metanogeni è influenzata dalla
temperatura: temperature molto basse, al di sotto di 10°C,
implicano un’attività ridotta mentre temperature molto alte,
superiori a 65°C comportano la morte dei batteri.
L’attività dei batteri tuttavia aumenta all’aumentare della
temperatura per cui per alte temperature, diventando la
produzione di gas più rapida, risulta un minor tempo di
ritenzione del materiale all’interno del digestore.
La temperatura ottimale per la maggior parte dei batteri
metanigeni è di 35÷55°C; la temperatura deve essere inoltre
il più possibile costante, in quanto i batteri metanigeni
sono molto sensibili ad improvvise variazioni termiche.
Gli intervalli tipici di temperatura incontrati nei reattori
di digestione anaerobica sono: il mesofilo, il termofilo, e
lo psicrofilo. Quando si passa da un regime di temperatura
ad un altro si osserva un vero e proprio cambiamento nella
composizione della comunità batterica che presenta dei
picchi in corrispondenza di ben definiti intervalli di
temperatura, differenti per ciascuna specie. Una variazione
di temperatura, all’interno di un certo intervallo, e,
quindi, per una data popolazione, determina una variazione
nelle velocità di reazione
Ne deriva la necessità di controllare con particolare la
temperatura interna del reattore
con due stistemi
- riscaldamento dall’esterno;
- riscaldamento dall’interno.
Nel primo caso viene sfruttata la radiazione solare per il
riscaldamento della biomassa. I digestori sono nella parte
inferiore sommersi, per evitare la loro esposizione al vento
che farebbe aumentare le perdite di calore verso l’esterno,
mentre la parte superiore, con bassa resistenza termica per
permettere il passaggio del calore, è esposta alla
radiazione solare.
Nel secondo caso riscaldamento dall’interno viene ottenuto
mediante l’utilizzo di serpentine disposte all’interno del
digestore e contenenti del fluido a temperatura prefissata.
Per il riscaldamento del fluido si può utilizzare parte
della produzione di biogas, la cogenerazione o altra fonte
di energia.
Parametri di gestione del reattore
I parametri di gestione del reattore definiscono l’esercizio
in termini di tempi di rese di produzione di biogas in
relazione al volume del reattore, allea permanenza della
biomassa nel reattore,alla concentrazione dei microrganismi
ed alle caratteristiche del substrato trattato.
Produzione specifica di gas (SGP)
Questo parametro rappresenta la quantità di biogas che viene
prodotta per quantità di sostanza volatile immessa nel
reattore; viene quindi espressa in termini di m3biogas/kgSV.
E’ molto utilizzata per definire le rese dei processi di
digestione anaerobica ed è strettamente correlato alla
biodegradabilità del substrato trattato piuttosto che alle
proprietà del processo adottato.
Dal punto di vista analitico è espresso come il rapporto:
SGP = Qbiogas/Q * C
SGP = produzione specifica di biogas, (m3biogas/kgSV);
Qbiogas, =portata di biogas prodotto, (m3/giorno);
Q= portata influente, (m3/giorno);
C,=concentrazione di substrato nella portata influente, (kg
SV/m3).
Velocità di produzione del biogas (GPR)
E’ definita come la portata di biogas prodotto rispetto al
volume del reattore ed al tempo:
GPR = Qbiogas/V
dove:
GPR = velocità di produzione del biogas, (m3biogas
/m3reattoregiorno);
Qbiogas = portata di biogas prodotto, (m3/giorno);
V = volume del reattore, (m3)