Processo anaerobico e produzione di biogas

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Categoria:Biologia

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Testo

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PROCESSO ANAEROBICO E PRODUZIONE DI BIOGAS
Come nel processo aerobio, cosм anche in quello anaerobi sono sfruttate dall'uomo reazioni che avvengono in natura a opera di particolari microrganismi.
Con riferimento alla distinzione fatta sulla base del valore di BOD, si ricorda che questo tipo di intervento и attuabile con vantaggio per liquami organici molto concentrati e in particolare ricchi di cellulosa. Dal punto di vista dell’efficienza depurativa, il processo anaerobico и meno valido di quello aerobico per quanto riguarda la rimozione degli inquinanti, ma rimane pur sempre importante perchй abbassa molto il BOD di, reflui difficilmente trattabili in altro modo e li predispone a un eventuale successivo trattamento aerobio. Il processo anaerobio produce biogas, acqua e fanghi. - Il gas biologico detto comunemente biogas ha composizione variabile a seconda del materiale organico di partenza e delle condizioni di processo ed и utilizzabile come combustibile, dato che possiede un elevato potere calorifico, compreso fra 22.600 e 25.100 Kj x Nm-3 (5400 - 6000 Kcal - Nm-3). L'acqua in uscita, che con questo processo и in quantitа molto elevate, deve subire un ulteriore trattamento aerobico, per la rimozione del BOD residuo.
Il fango prodotto, che и quasi del tutto privo di patogeni a differenza di quello del processo aerobico, ha un volume ridotto ed и soggetto a spontanea e lenta umificazione e definitiva trasformazione in composti inorganici (mineralizzazione) che lo rendono utile come fertilizzante.
Il processo avviene in contenitori chiusi detti di gestori, coibentati per mantenere costante la temperatura: controllando e regolando opportunamente temperatura, Ph e durata del processo si puт favorire la depurazione oppure la produzione di biogas.
La degradazione anaerobia
Gli aspetti microbiologici e biochimici del processo di degradazione anaerobia sono ancora poco noti in molti dettagli; per uno studio razionale si и soliti distinguere alcuni passaggi fondamentali, che vengono descritti con riferimento alle solite molecole carboniose. La difficoltа dello studio di questo processo deriva dal fatto che esso inizia come aerobio e si conclude come anaerobio, passando attraverso tutte le possibili situazioni intermedie; questo attiva tutti i microrganismi sempre presenti nel refluo, e quindi mette in opera praticamente tutti i modelli metabolici noti e anche altri ancora oggetto di studio. Le trasformazioni che avvengono nel processo sono in generale schematizzate come segue:
1) idrolisi e fermentazione
2) deidrogenazione acetogenica
3) idrogenazione acetogenica
4) metanogenesi
1) Idrolisi e fermentazione
Questa fase del processo avviene ancora in presenza di ossigeno, rimasto imprigionato nel digestore al momento della carica. In queste condizioni sono attivi gli aerobi che aggrediscono le biomolecole complesse con i loro esoenzimi, producendo la solita idrolisi. Questa degradazione rende la massa molto piщ fluida e per tale ragione questa fase del processo и anche detta liquefazione.
I prodotti di questa prima fase sono sostanzialmente monosi, acidi grassi e amminoacidi che vengono catabolizzati a CO2 e H2O, oltre alla solita NH3 proveniente dagli amminoacidi, secondo le vie aerobie preferite dai vari microrganismi responsabili del processo. Questi microrganismi principalmente sono muffe e batteri. Anche la cellulosa trova in questi reflui i microrganismi capaci di idrolizzarla; questi sono degli aerobi stretti o anche dei facoltativi. Esaurito l’ossigeno, intervengono gli anaerobi, alcuni dei quali sono in grado di degradare ulteriormente la cellulosa, ma anche di fermentare monosi, acidi grassi e amminoacidi. Come si deduce anche dal nome dei batteri i prodotti di questi metabolismi fermentativi sono molecole intermedie come acido lattico, etanolo e altre che derivano da vari tipi di fermentazione, come, per esempio, la acido mista che porta anche a succinato, acetato e formiato, la acetonbutilica e altre. Fra tutti questi prodotti c'и anche l’acido propionico che crea qualche problema in quanto sembra che risulti tossico per i microrganismi.
2) Deidrogenazione acetogenica.
In questa fase i composti prodotti in precedenza vengono catabolizzati da particolari generi di batteri anaerobi, ancora poco noti, detti acetogenici in quanto sono in grado di trasformare la maggior parte di tali composti principalmente in acido acetico, rnediante processi di deidrogenazione, con formazione anche di CO2 e H2. Per quanto riguarda l'Acetil CoA, proveniente dai soliti acidi grassi, questo и trasformato in acido acetico con formazione di ATP, utile ala vita del batterio.
3) Idrogenazione acetogenica
In questa fase operano batteri anaerobi detti “omoacetogenici”, in grado di sintetizzare acido acetico da CO2 e da H2O con un processo che viene detto idrogenazione acetogenica; questo processo si avvia gia contemporaneamente alla fase precedente, ma diventa importante quando le concentrazioni dei due gas aumentano. Per semplicitа, tuttora, questa trasformazione viene considerata parte della precedente e presentata impropriamente come “fermentazione acida”.
4) Metanogenesi
In questa fase detta anche di gassificazione, dallo stato fмsico della maggior parte dei prodotti, si ha finalmente abbondante produzione di metano, insieme anche molta CO2. I microrganismi metanigeni sono soprattutto archebatteri, difficili da isolare, coltivare e studiare come tutti gli anaerobi stretti, per oggettive ragioni pratiche. Usando come marcatore l’isotopo 14 del carbonio sono state esplorate le vie metaboliche che hanno il metano come prodotto finale e,si sono cosi potuti accertare almeno alcuni passaggi. Sostanzialmente i substrati dei metanigeni sono sia l'acido acetico, formatosi in grande quantitа per deidrogenazione acetogenica, sia l'anidride carbonica e l'idrogeno provenienti un po' da tutte le precedenti fasi.
Dei due substrati quello di gran lunga piщ importante и l'acido acetico che contribuisce alla formazione del 70% del metano costituente il biogas; la reazione и detto acetoclastica. Anche l'aCido formico e il metanolo vengono metano, benchй il loro contributo sia meno importante. I trattamenti anaerobi possono essere applicati sia a reflui con elevato BOD, sia a fanghi provenienti da precedenti processi aerobi e sono quindi, in generale, vantaggiosi per materiali ad alto carico inquinante; un limite и costituito dal fatto che possono essere applicati a volumi non eccessivi. In entrambe le situazioni la concentrazione iniziale in microrganismi и comunque sufficiente per l'avvio del processo; dato perт che tale avvio puт avvenire con molta lentezza, si ricorre sia al riscaldamento, sia all'inoculo del di gestore con fango proveniente da un digestore giа a regime e quindi ricco soprattutto in metanigeni. Il trattamento anaerobio riduce di un terzo il volume della massa trattata ed elimina come gas metа dei solidi volatili: lo smaltimento finale di quanto rimane risulta cosм molto facilitato. I digestori sono sostanzialmente dei fermentatori e, come questi, possono essere continui o discontinui. Nel primo caso non si ha ricircolo di fanghi e la massa, tenuta in agitazione, и scaricata dopo un periodo di tempo che varia fra dieci e trenta giorni.
Nel secondo caso si pratica il ricircolo dei fanghi e i tempi si abbreviano anche fino a 1-2 ore. L’agitazione della massa и molto importante al fine di omogeneizzare il calore e distribuire uniformemente i microrganismi, anche se va periodicamente sospesa per permettere la separazione dei liquidi formatisi (surnatanti). La Produzione di gas и il dato piщ significativo del processo; esso dipende dal tempo di permanenza nel di gestore e dalla temperatura di esercizio. Per quanto riguarda il tempo и evidente che una lunga permanenza dei fanghi nel di gestore permette la miglior formazione del biogas, ma questo и antieconomico perchй abbassa il tasso d'utilizzo degli impianti. Per abbreviare il tempo del processo si ricorre al riscaldamento del digestore, utilizzando parte dello stesso gas prodotto, ma anche questo accorgimento presenta dei limiti. La digestione anaerobia, infatti, avviene ad opera di due categorie di batteri: mesofili e termofili; per cui almeno in teoria, la digestione anaerobia dovrebbe procedere con la stessa velocitа fra i 30 e i 60 °C. A temperature inferiori a 30 °C sarebbe perт svantaggiata per ragioni cinetiche, a temperature superiori a 60 °C lo sarebbe per ragioni biologiche, perchй morirebbero 41 batteri responsabili del processo, anche se con essi verrebbero eliminati pure i patogeni. La temperatura d'esercizio piщ comune, che tiene conto di tutte queste considerazioni и infine intorno ai 35 °C, che favorisce i microrganismi mesofili. Il processo anaerobio avviene con velocitа diverse nelle sue fasi: la fase di metanizzazione и in generale piщ lenta e di conseguenza si puт avere una grande formazione di acidi che non riescono a tra sformarsi in gas. Questo accade sia per oggettive ragioni di accumulo, sia perchй i metanigeni, che dovrebbero smaltire gli acidi volatili, operano al meglio a pH neutro e vengono quindi rallentati dall’aumento di aciditа. Quando l'impianto и correttamente gestito,una volta a regime, le velocitа si armonizzano e l'abbassamento del pH non si verifica sia perchй i metanigeni si sono moltiplicati in quantitа sufficiente a smaltire gli acidi, sia perchй la decomposizione degli amminoacidi produce ammoniaca che neutralizza l'aciditа, creando condizioni di pH ideali per i metanigeni stessi. Anche la forte produzione di anidride carbonica, che accompagna praticamente tutte le fasi del processo, svolge un ruolo importante: sciolta in acqua essa agisce come un tampone, insieme ai sali ammoniacali, e contribuisce ulteriormente a controllare l'aciditа. Il pH ottimale in condizioni normali и fra 6,8 e 7,6. Un po' genericamente si parla talvolta di una prima fase a fermentazione acida e di una seconda fase a fermentazione basica; anche il controllo del pH и quindi importante per conoscere e per regolare quanto avviene nel digestore.
Smaltimento dei fanghi
Dalla biodepurazione delle acque rimangono ingenti quantitа (contenenti ancora circa il 40% del BOD trattato);il loro smaltimento rimane un grave problema, suscettibile di molte soluzioni, sulle quali incidono fattori sanitari, economici e ambientali . In generale il problema principale и che i fanghi sono ricchi di acqua e putrescibili.La presenza di acqua, soprattutto in quelli che derivano dalla sedimentazione primaria, и altissima (fino al 99%); in quanto alla putrescibilitа, dovuta ai microrganismi che continuano a metabolizzare il BOD residuo, sono evidenti i problemi igienico-sanitari e ambientali che essa rappresenta. Quest'ultimo tipo di considerazioni porta a escludere assolutamente sia la discarica in corsi d’acqua, sia la discarica sui suoli. Nel primo caso si и visto che i fanghi produrrebbero la formazione di strati limacciosi sul fondo, con formazione di ambienti anaerobi pericolosi per la vita acquatica. Nel secondo caso le residue tracce di patogeni, di metalli pesanti, di composti tossico-nocivi non ancora comporterebbero rischi legati sia alla diffusione dei patogeni, sia all'assorbimento dei composti nocivi da parte dei prodotti del suolo e al rischio di inquinamento delle falde idriche. In alcuni paesi in riva al mare и praticata a dispersione al largo delle coste, ma й evidente che questa a lungo andare non si puт ritenere una soluzione biocompatibile. Si и giа accennato al fatto che una risoluzione parziale del problema si realizza avviando i fanghi alla digestione anaerobia; in questo modo il volume si riduce circa del 50 %, i patogeni sono in gran parte eliminati e cosм anche i cattivi odori. I1 fango che rimane puт ulteriormente venire riciclato avviandolo alle vasche di trattamento aerobio,dato il buon tenore in BOD ancora presente. Oltre al trattamento anaerobio (produttore anch'esso di fanghi che devono in qualche modo essere poi smaltiti se non vengono riciclati), sono stati studiati diversi altri procedimenti (di tipo chimico e fisico, adatti praticamente ad affrontare, se non a risolvere, ogni tipo di problema; l'obiettivo finale di tutti questi processi и poi l’incenerimento. Questa operazione sembra la piщ vantaggiosa per la forte riduzione dei volumi e la facilitа con cui si possono eliminare le ceneri: non и questa la sede per affrontare le problematiche dei gas di scarico degli inceneritori, dell'effetto serra e dell'eccessivo consumo di energia richiesto da questo sistema.
Un minimo di sensibilitа ai problemi della salvaguardia dell'ambiente e dei suoi cieli dovrebbe far preferire i metodi che tendono a reinserire anche i fanghi, con il loro potenziale energetico sia pur degradato, in una qualche via di recupero naturale. Questo si tenta di fare miscelandoli con residui solidi urbani (RSU), cioи con i rifiuti, e cercando di trasformare il tutto in Compost; questo tipo particolare di materiale sarebbe insieme fertilizzante dei suoli e regolatore della formazione dell'humus, quindi assai utile in agricoltura. L'obiettivo finale dei processi di trattamento di tipo sia biologico sia chimico-fisico rimane comunque l’epicresi, intesa nel suo significato piщ esteso di razionale e programmato riutilizzo dei residui o dei rifiuti di qualunque provenienza.
Disinfezione di fanghi e acque
Dopo qualunque trattamento le acque o vengono restituite all'ambiente o sono impiegate per utilizzi industriali o civili. I controlli da fare sono moltissimi e riguardano aspetti chimici e.fisici che non si esaminano in questa sede, mentre и opportuno almeno un cenno a quelli microbiologici. Per quest'ultimo aspetto le leggi che regolano i parametri e che definiscono i requisiti delle acque sono diverse nei vari paesi, anche se adesso c'и una tendenza a uniformarle, per esempio, in ambito europeo. Come giа accennato, i trattamenti biologici producono un considerevole abbattimento della presenza di microrganismi in quanto gli anaerobi risentono negativamente dell'ossidazione praticata col metodo dei fanghi attivi, mentre gli aerobi vengono distrutti nell’ambiente anaerobio dei di gestori ;queste considerazioni non riguardano i microrganismi facoltativi,capaci di grande adattamento, le resistentissime spore, i virus, le cisti, tutti in grado di sopravvivere anche a condizioni avverse per cui la rimozione dalle acque non и mai totale e, in ogni caso, rimangono inquinati i fanghi di risulta dei vari trattamenti.Fra tutte le forme di inquinamento biologico la piщ importante и quella presente nelle acque degli scarichi civili e degli allevamenti zootecnici: qui si trovano in gran numero e varietа soprattutto batteri dell’apparato digerente che sono principalmente patogeni o saprofiti. Fra questi ultimi importantissimo и l’E-coli assunto come indicatore di inquinamento fecale. Le tecniche d'intervento per abbattere la carica batterica sono svariate. La prima e piщ rudimentale и quella di scaricare acque o fanghi nell'ambiente: и dimostrato che i batteri piщ pericolosi cioи i patogeni e i virus presenti nei batteri, al passaggio dall'organismo ospitante all'esterno muoiono per le diversitа nei parametri di sopravvivenza che incontrano.
Un intervento di tipo fisico, praticato di preferenza sui fanghi e che fornisce risultati soddisfacenti, и la Pasteurizzazione: questa tecnica, che prende il nome dal chimico francese Pasteur che per primo la propose, sfrutta l'azione germicida del calore, e consiste nel trattare il fango a 70°C per 30 minuti; questo metodo non fornisce alcuna garanzia di eliminazione delle spore.
Fra tutti i tipi di trattamenti fisici e chimici sperimentati il piщ pratico e sicuro risulta quello chimico mediante ossidanti come cloro, biossido di cloro oppure ozono; in alcuni casi sono stati usati anche biossido di cloro e ozono in successione. Si illustrano di seguito gli aspetti principali di questi diversi tipi di disinfezione, i cui risultati dipendono molto dal tipo di disinfettante e dal tempo di contatto fra il disinfettante e il mezzo trattato.
Trattamento con cloro
Il gas cloro, fatto gorgogliare in acqua e quindi sotto forma di acqua di cloro, si idrolizza ad acido ipocloroso.
L'acido ipocloroso и attivo contro i microrganismi nella forma indissociata, di conseguenza, per evitarne la dissociazione occorre intervenire agendo principalmente sul PH che deve mantenersi al di sotto di 7.
Una volta che l'acqua di cloro viene aggiunta nel mezzo da disinfettare non viene assorbita solo dai microrganismi, bersaglio del trattamento, ma anche da composti azotati che possono trasformarsi in clorammine (disinfettanti anch'esse, anche se con minor efficienza) o da altre specie chimiche che possono ossidarsi come ioni metallici (ferrosi, manganosi), anioni solfuro e altro. Di tutto questo bisogna tener conto di volta in volta per valutare il dosaggio del cloro da erogare.
Trattamento con biossido di cloro
Il biossido di cloro и un gas che si puт preparare con due semplici reazioni. Pur essendo un poco piщ costoso dell'acqua di cloro, il biossido di cloro и piщ efficace (aggredisce anche le spore), и piщ
solubile nell’acqua, non и sensibile alle variazioni di PH come il cloro e in presenza di composti azotati non reagisce e quindi non viene consumato.
Trattamento con ozono
L'ozono и un composto molto efficiente perchй oltre ad essere letale per i microrganismi , si decompone in tempi brevi autoeliminandosi e senza lasciare residui.
Nei trattamenti con cloro e con biossido di cloro, data la difficoltа di valutare esattamente la quantitа di ossidante da usare, puт essere necessario rimuovere poi l'eventuale eccesso: si usano carbone attivo, aerazione, bisolfito e altro. Questo problema non si presenta se si usa ozono, che si decompone rapidamente in ossigeno elementare e in ossigeno nascente, tossico per i batteri in quanto provoca la formazione di radicali liberi .

Esempio



  



Come usare