Biogas - Impianto: Reattore
DIGESTORI
Il digestore, o reattore, è il contenitore nel quale
avvengono le reazioni che portano alla trasformazione della
sostanza volatile del biogas.
In generale il digestore è caratterizzato da un volume in
grado di assicurare il tempo di residenza ed il carico
organico desiderato, da un sistema di riscaldamento per
avere la temperatura ottimale, da un meccanismo di carico e
scarico, da alcuni sensori elementari per la misura della
temperatura e del pH, e dal sistema di movimentazione del
liquame dove si possono inserire alcuni punti di
campionamento/condizionamento del liquame.
Una prima, fondamentale, suddivisione tiene conto dei
diagrammi di carico e scarico rispetto al tempo di residenza
avendosi:
a) DIGESTORI CONTINUI quando la frequenza del
carico/scarico è elevata (a regime)
b) DIGESTORI DISCONTINUI quando la frequenza coincide
con il tempo di residenza (ciclico)
Il processo di digestione si può suddividere in due fasi
principali: alla idrolisi ed acidogenesi segue l’acetogenesi
e la metanazione. I digestori possono avere queste due fasi
separata da un setto od essere costituiti da due reattori
separati.
Nei digestori continui il flusso di materia verso l’uscita è
continuo o pulsante in funzione della frequenza di carico.
La movimentazione del flusso differenzia i digestori anche
in:
a) DIGESTORI CON FLUSSO A PISTONE dove si ha
movimento solo verso l’uscita, con eventuali miscelamenti in
direzione normale a quella del flusso ma sulla stessa
sezione di avanzamento
b) DIGESTORI COMPLETAMENTE MISCELATI dove si ha
movimento anche in senso normale al flusso verso l’uscita
che produce un continuo mescolamento indipendente dal
processo di metanizzazione
Il contenuto dei solidi totali permette una suddivisione in
Umido (Wet) con ST <10%
a) Semisecco (Semidry) con ST 10 -20%
b) Secco (Dry) con ST >20%
La temperatura di lavoro dei batteri permette di distinguere
in processi in
a) Psicrofilo. Usato soltanto in lagunaggi coperti dove
lavorano batteri efficienti sotto ai 20 °C. Il rendimento è
modesto.
b) Mesofilo. E’ il processo più diffuso e sfrutta i batteri
più diffusi che lavorano tra 30 e 40°C con un optimum a 38°.
Garantisce un processo continuo e flessibile in grado di
gestire variazioni del mix in alimentazione anche se non
completamente performante
c) Termofilo. E’ il processo più rapido e con la più elevata
conversione in metano con batteri che lavorano tra 45° e
60°C. Viene garantita l’eliminazione di germi patogeni, ma
in termini energetici è il processo più dispendioso ed è
anche relativamente instabile.
DIGESTORI CONTINUI
DIGESTORI CONTINUI MONOFASE
a) PROCESSO UMIDO
Nei processi ad umido la matrice ha un tenore in solidi
totali inferiore al 10% così da poter utilizzare un classico
reattore completamente miscelato.
A causa delle caratteristiche fisiche si hanno all’interno
del reattore tre fasi separate, caratterizzate da distinte
densità. La frazione più pesante tenderà ad accumularsi sul
fondo del reattore e può determinare danni nel sistema di
miscelazione mentre materiali leggeri e schiume si
accumulano nella parte superiore del reattore. La fase a
densità intermedia è quella in cui avvengono per lo più le
effettive reazioni di degradazione e produzione del biogas.
Nella gestione dell’impianto sono generalmente previste
saltuarie rimozioni sia dello strato più pesante, presente
sul fondo del reattore, che di quello leggero. Uno dei
problemi che può essere connesso con la digestione
anaerobica ad umido consiste nella corto-circuitazione
idraulica del reattore: cioè, 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 a
determinare una minore degradazione del substrato trattato,
e quindi una minor produzione di biogas, può determinare
problemi di igienizzazione dei fanghi effluenti. Per questo
motivo alcuni brevetti prevedono uno step di pastorizzazione
dell’effluente dal reattore di digestione.
I processi ad umido operano generalmente con carichi
organici piuttosto bassi, inferiori a 6 kgSV/m3giorno,
nell’intervallo 2-4 kgVS/m3giorno. Non è chiaro quale sia il
fenomeno che limita la possibilità di applicare carichi
organici maggiori nei processi ad umido: una possibile
spiegazione potrebbe essere che la concentrazione della
biomassa attiva nel reattore è per operare al meglio (???).
Qualora il digestore venga alimentato con carichi organici
superiori si osserva subito una diminuzione nella produzione
del biogas. E’ chiaro che reattori in cui la biomassa è
totalmente dispersa in un mezzo liquido (reattori
completamente miscelati) sono particolarmente soggetti a
problemi di inibizione, dal momento che biomassa e sostanze
inibenti sono in intimo contatto e che masse maggiormente
digerite entrano in contatto con masse ancora non in fase di
metanizzazione.
Vantaggi
Applicabilità in co-digestione con rifiuti liquidi ad alto
contenuto in sostanza organica; Spese ridotte per i sistemi
di pompaggio e miscelazione, ampiamente diffusi sul mercato.
Svantaggi
Corto-circuitazione idraulica; Fasi separate di materiale
galleggiante e pesante; Abrasione delle parti meccaniche
dovuta alla presenza di sabbie ed inerti;Forte sensibilità
ad eventuali shock per la presenza di sostanze inibitorie e
carichi organici variabili che entrano in contatto intimo
con la biomassa; Perdita di sostanza volatile; Produzione di
elevate quantità di acque di processo.
b) PROCESSO SEMISECCO
Reattore miscelato sia mesofilo che termofilo con un
contenuto in solidi del 15-20%. Il sistema di miscelazione è
generalmente garantito da miscelatori meccanici che possono
essere coadiuvati da lance a gas che provvedono a
ricircolare il biogas prodotto per incrementare l’efficienza
di miscelazione, può essere inoltre previsto il ricircolo
del materiale.
Il principale vantaggio economico di questo tipo di processo
consiste nella possibilità di ricorrere a mezzi di pompaggio
e miscelazione commerciali e quindi disponibili a basso
costo.
Le volumetrie del reattore sono minori rispetto ai sistemi
umidi ma comunque superiori a quelle dei sistemi a secco.
Complessivamente, quindi, i costi di investimento per i
sistemi semiseccco e secco sono confrontabili.
Sperimentazioni in scala pilota hanno dimostrato la
possibilità di operare con carichi organici fino a 18 kgSV/m3d
in regime termofilo (55°C) con tempi di ritenzione idraulica
di soli 6 giorni.
c) PROCESSO SECCO
Oltre ai processi ed alle tecnologie ad umido e semicecco si
si può ricorrere a processi in cui la matrice abbia un
tenore di solidi tra il 25 ed il 40%. Ciò non comporta
significative variazioni dal punto di vista biochimico e
microbiologico nel processo anaerobico ma determina la
necessità di particolari metodi di pompaggio e miscelazione.
Infatti, a causa delle proprietà reologiche dei flussi
trattati, il materiale organico viene trasportato con nastri
e pompato attraverso il ricorso a speciali pompe
appositamente progettate per operare con flussi molto
viscosi. Ciò incide sui costi di realizzazione di questo
tipo di impianti.
A causa della elevata densità e viscosità dei flussi
trattati i reattori per il trattamento dry non sono del tipo
completamente miscelato (CSTR) ma con flusso a pistone (plug-flow):
ciò rende i reattori più semplici dal punto di vista
meccanico ma comporta problemi di miscelazione tra
l’influente fresco e la biomassa fermentante. La risoluzione
di questo problema è fondamentale per evitare fenomeni
localizzati di sovraccarico organico ed eventuale
acidificazione che porterebbe ad inibizione del processo
metanigeno.
Il fatto di operare con flussi molto densi porta inoltre al
superamento del problema della suddivisione di tre fasi
distinte all’interno del reattore, come poteva invece
avvenire nei processi ad umido e semisecco.
Uno dei maggiori problemi connessi ai processi di tipo a
secco è il rischio di squilibrare il processo verso la fase
acidogenica, a causa degli elevati carichi organici
applicati ai reattori, quando la frazione organica è
caratterizzata da un elevato grado di biodegradabilità.
Vantaggi
Nessun bisogno di miscelatori interni al reattore; Nessuna
corto circuitazione idraulica; Elevati carichi organici
applicabili; Pre-trattamenti minimi e più Ridotti volumi dei
reattori; Ridotto utilizzo di acqua fresca; Minime richieste
di riscaldamento del reattore.
Svantaggi
Elevati costi di investimento a causa egli equipaggiamenti
utilizzati per il trattamento.
DIGESTORI CONTINUI A DUE FASI
Questo tipo di approccio prevede la separazione fisica,
attraverso due reattori, della fase idrolitica ed
acidogenica dalla vera e propria fase metanigena ma ha oggi
solo poche applicazioni su scala commerciale.
Dal momento che i processi vengono separati ed avvengono in
condizioni ottimali le rese in termini di degradazione della
sostanza biodegradabile e di produzione di biogas sono
ottimizzate. Nella prima fase si osserverà quindi l’idrolisi
e l’acidogenesi secondo una cinetica di primo ordine
limitata dalla presenza di cellulosa, mentre la seconda fase
è deputata alla acetogenesi e metanogenesi.
Si è comunque osservato che, nonostante i maggiori sforzi in
termini tecnologici e di investimenti, molto spesso i
sistemi a due fasi non consentono incrementi delle rese in
termini di produzione di biogas tali da giustificare i
maggiori costi di investimento e di gestione.
Il maggior vantaggio consiste, piuttosto, nella capacità di
trattare alcuni tipi particolari di rifiuto organico che
vengono in genere evitati nei sistemi a fase unica, quali ad
esempio particolari residui agro-industriali o zootecnici
che presentano rapporti C/N < 20. Nei processi a due stadi
si può operarei con o senza ritenzione della biomassa nel
secondo stadio.
Vantaggi
Elasticità del processo; Processo più affidabile anche con
basso contenuto in cellulosa; Minor quantità di sostanze
tossiche (metalli pesanti) nell’effluente del digestore.
Svantaggi
Complessità impiantistica; Minori rese in termini di
produzione di biogas quando i solidi non vengono
metanizzati; Elevati costi di investimento a causa della
complessità impiantistica.
PROCESSI SENZA RICIRCOLO
Si possono avere svariate configurazioni: ad esempio
reattori miscelati in serie oppure reattori con flusso a
pistone in serie. In questo secondo caso si possono avere
configurazioni con due reattori operanti con processi ad
umido o a secco.
Nel caso di reattori miscelati il tenore i solidi è di circa
il 10% altrimenti maggiore.
Il sistema a fasi separate ha dimostrato di essere
particolarmente affidabile e stabile anche matrici ad
elevata biodegradabilità come frutta e verdura, dove la
rapida idrolizzazione ed acidificazione causa un
abbassamento del pH, con accumulo di acidi grassi volatili
inibenti per la biomassa metanigena. Nel secondo reattore si
mantengono così le condizioni ideali.Questo tipo di
configurazione permette di operare con carichi organici pari
a 7 kgSV/m3d, mentre reattori a singola fase con lo stesso
tipo di substrato incontravano problemi quando il carico
organico era superiore a 3.3 kgSV/m3d
PROCESSI CON RICIRCOLO
Per aumentare la resa di processo e la resistenza a shock di
carichi organici e di sostanze inibenti sono stati
sviluppati sistemi in cui i reattori operano con ricircolo
di biomassa disaccoppiando il tempo di ritenzione idraulica
(HRT) dal tempo di ritenzione dei solidi (SRT) incrementando
la biomassa nel reattore metanogenico. Si ricircola parte
dell’effluente mescolandolo con la matrice fresca. Questo
tipo di soluzione è particolarmente efficace nel caso
matrici molto biodegradabili in quanto smussa la fase
acidogena. La separazione dell’HRT dall’SRT può essere
ottenuta mediante un decantatore interno al secondo reattore
o per mezzo di una membrana per la separazione
dell’effluente liquido dalla biomassa che viene ricircolata
nel reattore.
DIGESTORI DISCONTINUI
Nei processi discontinui, il reattore di digestione viene
riempito con materiale organico ad elevato tenore di
sostanza solida (30-40% ST), in presenza o meno di inoculo,
e viene quindi lasciato fermentare: il percolato che si
produce viene continuamente ricircolato. Il processo opera
per fasi successive:
a) fase idrolitica ed acidogenica,
b) fase in cui gli acidi grassi volatili vengono trasformati
in metano.
c) Le soluzioni impiantistiche possono essere due:
1 Reattore monostadio con ricircolo del percolato in testa
al reattore.
2 Tre reattori monostadio in serie con ricircolo del
percolato prodotto nel reattore che tratta influente fresco
nel terzo reattore, che tratta influente maturo, mentre il
percolato qui raccolto viene rinviato al primo reattore.
Vantaggi
Semplice - Robusto;Affidabilità di processo;Ridotto utilizzo
di acqua; possibilità di utilizzo modulare; rendimento
maggiore
Svantaggi
Può subire intasamenti - Rischi di esplosività durante la
fase di caricamento del reattore; Rese di biogas ridotte a
causa dell’incanalamento nel corpo del reattore - minimi
carichi organici applicabili; Problemi di innesco del
processo dovuti al riempimento/svuotamento del digestore
I processi batch hanno dimostrato di poter operare
stabilmente con carichi organici nell’intervallo 3-5 kgSV/m3d
tanto in regime mesofilo che termofilo.