Il biogas

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Testo

ISTITUTO PROFESSIONALE DI STATO
PER L'INDUSTRIA E L'ARTIGIANATO "G. MARCONI"
MONTALTO UFFUGO.
DIGESTIONE ANAEROBICA
"BIOGAS"
Anno scolastico 1999/2000
Antonio Pierro
Classe V sez. A
T.C.B.
PREMESSA
L'eccessivo scarico di rifiuti da parte dell'uomo nell'ambiente ha reso insufficiente il processo di autodepurazione naturale.
Facciamo un esempio banale: paragoniamo il fenomeno di inquinamento da residui organici a quelli di una comune indigestione; se ingeriamo una quantità moderata di alimenti, li digeriamo senza alcun tipo di inconveniente. Viceversa, se eccediamo nel mangiare andremo incontro a una indigestione; l'organismo infatti non é capace di assimilare cibo oltre una certa quantità. Lo stesso accade per i corsi d'acqua. Se gli scarti che vi vengono immessi sono in quantità modesta, i microrganismi riescono a decomporre queste sostanze in composti semplici, che rientrano nei normali cicli biologici. Tuttavia, se le quantità immesse superano la possibilità di autopurificazione presenti nelle acque, si verifica un profondo avvelenamento dei corsi d'acqua. Gli enti pubblici e privati sono stati costretti ad affrontare il problema della depurazione delle acque di scarico prima di immetterli nei corsi naturali.
Però nel corso delle varie fasi di depurazione dei liquami si formano notevoli quantità di fanghi, che scaricati nei corsi d'acqua senza essere stati sottoposti a nessun trattamento, ostacolano il passaggio della luce impedendo la fotosintesi, portando così ulteriore inquinamento.
Per ovviare a questo inconveniente si ricorre a vari tipi di trattamenti, ma quello fondamentale è la digestione anaerobica, che oltre a rendere inoffensivi i fanghi produce biogas che può essere utilizzato come fonte di energia alternativa.
Capitolo 1
Cenni storici sul biogas
Il biogas "gas delle paludi" fu scoperto da Shirley nel 1667, anche se era conosciuto in tempi più remoti, per la sua presenza nella decomposizione dei vegetali.
Nel 1776 fu Volta a mettere in evidenza la fermentazione metanica come trasformazione energetica della biomassa. Nel corso degli anni furono fatti diversi studi e nel 1868 Reiset parlò della presenza del metano nel letame.
Nel 1883 Ulysse Layon, miscelando acqua e letame a 35° C. ottenne (in seguito alla fermentazione anaerobica) circa 100 I. di gas per ogni metro cubo di materia prima. Secondo la tesi di Layon ciò avveniva perché i microbi anaerobici attaccando la cellulosa trasformavano il letame fresco in letame grasso.
A distanza di 1 anno Layon propone l'uso di questa fermentazione come fonte di energia.
Nel 1889 Déherain e Dupond dall'analisi di un gas proveniente da letame, nella parte alta dove la temperatura varia tra 250 C. e 350 C. trovarono un gas composto da metano e anidride carbonica.
Fu ad opera di Ducellier e Isman che, negli anni '40 fu messa a punto la fermentazione del letame con fermentazione aerobica per poter produrre biogas senza troppi inconvenienti.
Capitolo 2
Biogas
Il biogas è una miscela gassosa di metano, anidride carbonica acido solfidrico, con tracce di azoto ed ossido di carbonio. Nel corso del processo di digestione, il materiale organico volatile, viene degradato in gas attraverso successivi stadi e prodotti finali organici.
C4,42H7O1,44S0,03+2,82H20 → 1,14NH3+2,13CO2+2,29CH4+
+O,O3H2S+154KJ
C6H12O6→3CO2+3CH4+17OKJ
5C6H 1206+2HN03→30C02+12N2+42H20+1250KJ
C6H12O6+4H2S04→6C02+4S+10H20+328KJ
Composizione del biogas.
La composizione del biogas è riportata nella tabella seguente
(tab. 1) ed il suo potere calorifico è compreso tra 4,5-6,5
McaI/Nmc a seconda della sua composizione.

Componente Composizione % volume.
Metano 50-70
Anidride carbonica 35-40
Idrogeno 1-3
Azoto 0,5-3
Ossigeno 0,1-1
Ossido di carbonio 0-0,1
Altri (H2S) 0,5-3
Acqua (vapore) Variabile

Digestione anaerobica
La digestione anaerobica è un processo biologico impiegato per la trasformazione dei fanghi organici in composti più semplici (C02 e CH4 con una piccola percentuale di H2S). Si basa su: processi di mineralizzazione, gassificazione e humificazione delle sostanze organiche.
- La mineralizzazione è la condizione in cui il materiale presente non può essere ulteriormente degradato.
- La gassificazione è la trasformazione di materiale organico solido e liquido in prodotti gassosi.
- La humificazione è la trasformazione di materiale organico putrescibile in un prodotto innocuo soggetto a decomposizione molto lenta.
Questi processi vengono effettuati per mezzo di una flora batterica di natura anaerobica che si sviluppa nei fanghi di fogna.
Si cerca quindi, durante il processo di digestione di sfruttare le loro reazioni cataboliche per ottenere la stabilizzazione delle sostanze organiche.
Tale digestione mira ai seguenti obiettivi:
- Stabilizzazione di materiali organici.
- Distruzione degli eventuali microrganismi patogeni.
- Riduzione del volume dei fanghi.
- Facilitazione per lo smaltimento finale.
Nel corso del processo di digestione, il materiale organico volatile viene degradato in gas.
Tale gas è essenzialmente costituito da metano ed anidride carbonica (vedi tab.1).
Secondo Isaac, la digestione anaerobica presenta i seguenti vantaggi:
a) Le sostanze organiche vengono stabilizzate in modo che il BOD ed il COD ne risultino notevolmente ridotti.
b) La struttura del fango è modificata in modo tale che esso diventi più disidratabile.
c) Il lungo periodo di ritenzione, a temperatura relativamente elevata, fa diminuire fortemente il numero di organismi patogeni.
d) Parte della sostanza solida è degradata in modo da formare liquidi e gas così che, il numero finale di fango da smaltire è senz’altro minore.
e) Il fango digerito non attira i roditori.
f) Il gas prodotto durante la decomposizione della sostanza organica ha un elevato potere calorifico e può essere riutilizzato.

Fasi della fermentazione.
Liquefazione, formazione di acidi e gassificazione, costituiscono i tre stadi fondamentali mediante cui avviene la degradazione (fig. 1 A).
La liquefazione avviene ad opera di enzimi idrolitici extracellulari che idrolizzano i carboidrati a zuccheri semplici, le proteine ad aminoacidi i grassi a glicerolo ed acidi grassi.
Questi prodotti vengono trasformati in acidi organici volatili per azione di colonie batteriche (produttori di acidi).
E la gassificazione che poi, trasforma parte di questi prodotti liquidi in gas (biogas).
Tale trasformazione avviene ad opera dei batteri metanigeni
Esaminiamo ora più approfonditamente le fasi della fermentazione.
Biodegradazione
Le molecole costituenti la sostanza organica, composta essenzialmente da carbonio, azoto ed idrogeno, si dividono in tre gruppi fondamentali:
a) Proteine, con 1' importante ruolo d'enzimi.
b) Glucidi, che costituiscono la struttura della cellula
fungendo anche da accumulatori di energia.
c)Lipidi che fungono esclusivamente da accumulatori di
energia.
I batteri, mediante gli enzimi, decompongono queste sostanze (proteine in aminoacidi ed ammoniaca, lipidi in acidi grassi, ecc.) crescono e soddisfano le loro necessità energetiche.
Le molecole naturali, costituite da lunghe catene di polimeri, non possono essere direttamente assorbite dai batteri per cui, solo dopo un attacco da parte degli enzimi essi possono utilizzare i frammenti per poter costruire delle molecole complesse. Prendiamo ora in esame le principali fasi della fermentazione, provvedendo ad indicare per ogni fase i microrganismi che vi prendono parte.
La prima fase corrisponde con la distruzione dei corpi azotati quali urea e proteine; qui si ha la formazione di ammoniaca, anidride carbonica, ed idrogeno in ambiente aerobico ad opera dei microrganismi della putrefazione (muffe appartenenti al genere pencillium, aspegrillus, rhizopus e batteri appartenenti al genere bacillus, pseudomonas, protes, serratia) ed in ambiente anaerobico ad opera dei batteri del genere clostridium:
La seconda fase corrisponde invece con la degradazione della cellulosa che può essere anaerobica o aerobica. Essa viene trasformata prima in cellobioso e poi in glucosio. I microrganismi che intervengono in questa fase sono batteri (Bacterium, Cellulomas, Bacillus, Pseudomonas), muffe (Aspergillus, Pencillium, Trichoderma) ed attinomiceti. Il glucosio viene decomposto in vari costituenti ad opera dei batteri Clostridies. Prodotti della decomposizione sono alcoli, chetoni, acidi organici (acidi grassi). Questi ultimi vengono poi neutralizzati con formazioni di sali che in un secondo tempo saranno decomposti in anidride carbonica a metano.
La conversione in metano
Gli acidi organici ed i sali formatisi nella decomposizione, possono essere convertiti in metano direttamente, infatti i batteri metanogeni presenti nei sedimenti naturali, nelle discariche controllate, utilizzino esclusivamente acidi organici. Questi batteri, che sono caratterizzati da una crescita lenta e da un ambiente strettamente anaerobico, si raggruppano nei seguenti generi:
a) Methanobacteriu (ruminantium, mobilis, formicicum);
b) Methanobacillus (omelianskii);
c) Methanococcus (vaneillii);
d) Methanosacrina (barkeri).
Di fondamentale importanza nella formazione del metano è la coballamina (vitamina B12) al centro della quale si trova uno ione cobalto di cui sono noti i poteri catalitici. I batteri metanogeni possiedono enzimi (biocatalizzatori di proteine) che utilizzano come coenzima la vitamina B12. L'insieme +[C02] enzima reagendo con un datore di un radicale metile (es. acido acetico) dà origine alla metilcoballamina. A questo punto, mediante una riduzione, il radicale metile può trasformarsi in metano.
A questo punto, alcoli, acidi e sali, possono essere convertiti in metano mediante due diversi processi;
1) per fermentazione acida;
2) per riduzione con l'anidride carbonica;
Non sono ancora chiari i meccanismi di riduzione della C02 in CH4 tuttavia, si pensa che alla base di essi, ci sia l'ossido di carbonio dei gruppi carbossilici ottenuto dalla decomposizione degli acidi grassi, secondo le seguenti reazioni:
4C0+4H20 → 4C02+4H2
CO+4H2 → CH4+2H20
4C0+2H20 → 3CO2+CH4
Ogni microrganismo, mediante la fermentazione, recupera dal substrato l'energia che gli è necessaria per poter svolgere le sue funzioni vitali. E' chiaro che le condizioni di vita dei microrganismi debbono essere controllate sino al raggiungimento dello scopo voluto: la produzione di biogas.

Fig.1b impianto di depurazione
Esperienza diretta
Questo impianto è stato realizzato per il trattamento ed il riciclo delle deiezioni prodotte dalle aziende suinicole, situate nel comprensorio agricolo di Bettona “Perugia”.
Inoltre vengono trattati, durante la stagione olearia, anche le acque di vegetazione dell’oleificio proveniente dall’Umbria.
L’impianto prevede:
1) una rete di adduzione dei liquami costituita da un rete di tubazioni, parte in pressione, parte in gravità. I liquami passano da una vasca di scarico, al sistema di trattamento.
2) Un digestore anaerobico primario, che ha un volume di 7.000 metri cubi interamente in acciaio. Internamente protetto da una resina epossidica ed esternamente coibentato con uno strato di poliuretano. La termostazione del digestore è di 37, 38 gradi e viene effettuata attraverso una fascia di riscaldamento ad acqua calda, mentre l’omogeneizzazione della massa in fermentazione all’interno del digestore viene effettuata tramite una parte del biogas insufflata tramite un compressore. Durante la digestione anaerobica si raggiunge una stabilizzazione complessiva del carico in ingresso pari a circa il 50%.
3) Digestore anaerobico secondario. Ha una capacità di 25.000 metri cubi e non comprende il sistema d’agitazione e termostazione. Mentre è coibentato con poliuretano. La funzione principale è di sedimentatore, allo scopo di separare il liquido digerito che fuoriesce dalla parte superiore, dalla fase semi liquida costituita da fanghi biologici, che si raccolgono nella parte inferiore e vengono periodicamente riciclati nel digestore primario. L’eccesso di fanghi raccolti sul fondo del digestore secondario, vengono inviati alla disidratazione.
4) Trattamento fanghi. I fanghi anaerobici estratti dal digestore secondario hanno concentrazione media di solidi pari al 5%. Essi vengono inviati alla disidratazione meccanica svolte da due nastro presse, dopo aggiunta di polielettrolita. Così si ottengono fanghi palabili, con un contenuto circa al 30% di solidi, riutilizzabili come ammendamenti in agricoltura.
5) Ossidazione biologica degli effluenti digeriti. Questa fase ha la funzione di fissaggio depurativo e consente una riduzione dei livelli di COD residuo e dei solidi sospesi, effettuando una deodorazione completa dei liquami digeriti.
6) Stoccaggio dei liquami trattati. Gli effluenti stabilizzati dallo stadio aerobico vengono raccolti in un bacino di circa 100.000 metri cubi da dove possono essere trasferiti per pompaggio ad un sistema fisso d’irrigazione al servizio di un’area agricola di circa 7.000 ha.
Capitolo 3
Conclusioni
L’esigenza di cercare vie energetiche alternative ha creato negli ultimi anni diversi campi di ricerca. La produzione di biogas è la via più utile ed ambientalmente compatibile. Il biogas essendo prodotto dall’azione di microrganismi durante la trasformazione delle sostanze organiche contenute in sostanze non più utilizzabili oltre a permettere di risparmiare energia, ci permette anche un risparmio economico attraverso la digestione anaerobica.
L’installazione di un impianto di digestione per la produzione di biogas comporta diversi aspetti positivi, sia per una migliore qualità di vita sia per salvaguardare l’ambiente dall’inquinamento e perciò migliorare la difesa e la tutela delle cose e dell’uomo.
Ci si augura che sempre di più in futuro le aziende e gli enti pubblici accrescano di responsabilità che hanno nel settore della depurazione.

Indice
Premessa Pag.2
Cenni storici sul biogas Pag.3
Biogas Pag.4
Composizione del biogas Pag.4
Tab. 1 Composizione del biogas Pag.5
Digestione anaerobica Pag.6
Fasi della fermentazione Pag.8
Fig.1a Processo di digestione anaerobica Pag.9
Biodegradazione Pag.10
La conversione in metano Pag.11
Fig.1b Impianto di depurazione Pag.13
Esperienza diretta Pag.13
Conclusioni Pag.15
Indice Pag.16
Bibliografia Pag.17
BIBLIOGRAFIA
Depurazione biologica. Renato Vismara
Teoria e processi II edizione hoepli
Editore
Introduzione alla microbiologia Zanichelli
Microbiologia Zanichelli
Il trattamento delle acque inquinate Giovanni Bianucci
Biotecnologia Vincenzo Petrione
Dispense varie.
3

Esempio



  



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