COGENERAZIONE DA BIOGAS

IL PROCESSO BIOLOGICO DI DIGESTIONE ANAEROBICA

La digestione anaerobica è un processo biologico complesso, per mezzo del quale, in assenza di ossigeno, la sostanza organica viene trasformata in biogas (o gas biologico), costituito principalmente da metano e anidride carbonica. La percentuale di metano nel biogas varia a seconda del tipo di sostanza organica digerita e delle condizioni di processo, da un minimo del 50% fino all’80% circa.

Affinché il processo abbia luogo è necessaria l’azione di diversi gruppi di microrganismi, in grado di trasformare la sostanza organica in composti intermedi, principalmente acido acetico, anidride carbonica ed idrogeno, utilizzabili dai microrganismi metanigeni che concludono il processo producendo il metano.

I microrganismi anaerobi presentano basse velocità di crescita e basse velocità di reazione e quindi occorre mantenere ottimali, per quanto possibile, le condizioni dell’ambiente di reazione. Nonostante questi accorgimenti, i tempi di processo sono relativamente lunghi se confrontati con quelli di altri processi biologici; tuttavia il vantaggio del processo è che la materia organica complessa viene convertita in metano e anidride carbonica e quindi porta alla produzione finale di una fonte rinnovabile di energia, sotto forma di un gas combustibile ad elevato potere calorifico. L’ambiente di reazione, definito solitamente digestore (o reattore anaerobico), per permettere la
crescita contemporanea di tutti i microrganismi coinvolti, dovrà risultare da un compromesso tra le esigenze dei singoli gruppi microbici. Il pH ottimale, ad esempio, è intorno a 7/7.5. La temperatura ottimale di processo è intorno ai 35°C, se si opera con batteri mesofili, o intorno a 55°C, se si utilizzano batteri termofili.

Partecipano al processo i seguenti gruppi di batteri:

• batteri idrolitici, che spezzano le macromolecole biodegradabili in sostanze più semplici;
• batteri acidogeni, che utilizzano come substrato i composti organici semplici liberati dai batteri idrolitici e producono acidi organici a catena corta, che a loro volta rappresentano il substrato per i gruppi batterici successivi;
• batteri acetogeni, produttori obbligati di idrogeno (OPHA: Obbligate Hydrogen Producing Acetogens),
  che utilizzano come substrato i prodotti dei batteri acidogeni dando luogo ad acetato, idrogeno ed anidride carbonica;
• batteri omoacetogeni che sintetizzano acetato partendo da anidride carbonica e idrogeno;
• batteri metanigeni, distinti in due gruppi:
  a) quelli che producono metano ed anidride carbonica da acido acetico, detti acetoclastici;
  b) quelli che producono metano partendo da anidride carbonica e idrogeno, detti idrogenotrofi.
  Mentre il metano viene liberato quasi completamente in fase di gas vista la sua scarsa solubilità in acqua, l’anidride carbonica partecipa all’equilibrio dei carbonati presenti nella biomassa in reazione. Le interazioni tra le diverse specie batteriche sono molto strette ed i prodotti del metabolismo di alcune specie possono essere utilizzati da altre specie come substrato o come fattori di crescita.

Influenza della qualita' del liquame da trattare sulle rese in biogas
La biodegradabilità complessiva dei liquami analizzata a livello della vasca di raccolta delle fognature può variare alquanto, tra il 60 e l’80%, in funzione sia dell’età del liquame che del tipo di alimentazione. Una ulteriore classificazione delle frazioni biodegradabili, permette di distinguere all’interno della frazione solubile tra una frazione disciolta prontamente biodegradabile (circa 20% dei SSV) ed una più lentamente biodegradabile, e all’interno della frazione sospesa tra una frazione sospesa facilmente idrolizzabile ed una lentamente idrolizzabile.

Dall’applicazione dei valori riportati nella tabella precedente si possono, a livello esemplificativo, calcolare le seguenti rese in biogas ed energia in cogenerazione riferite ai valori medi per unità di prodott.

I dati ricavati da prove di laboratorio a lungo termine, in condizioni normali del reattore anaerobico, con tempi di permanenza idraulica limitati, raggiungono livelli di trasformazione della sostanza organica in gas biologico variabili tra il 70 e il 90% della biodegradabilità massima in funzione dello stato del liquame. Bassi livelli di trasformazione in biogas possono essere imputabili a basse temperature, a tempi di ritenzione idraulica troppo corti (o a carichi organici troppo elevati) in funzione della temperatura di processo, a cattivi comportamenti idrodinamici del reattore con formazione di zone morte e flussi di by-pass tra entrata e uscita o alla presenza di sostanze inibenti o antibiotiche in elevate concentrazioni.

Una ulteriore riduzione del 12.5% circa della sostanza organica trasformabile in biogas deriva dalle operazioni di pretrattamento dei liquami (vagliatura) necessarie per rimuovere i solidi più grossolani che possono provocare problemi di croste superficiali nei reattori non miscelati.Al fine poi di calcolare la resa in biogas, bisogna ricorrere all’analisi stechiometrica, da cui si ottiene che per ogni g di COD distrutto si producono 0.35l di metano in condizioni standard (volume calcolato a 0°C e a pressione di 1 atmosfera assoluta).

In realtà questo valore va corretto in quanto una frazione mediamente valutabile nel 5% del COD distrutto è utilizzato per la crescita cellulare della biomassa anaerobica responsabile del processo. Il fattore di conversione si abbassa pertanto a 0.33. Dato che il biogas è di solito misurato a temperatura e pressione diversa dalle condizioni standard, questo valore andrà moltiplicato per un fattore uguale a (273 + T)/273 ove T è la temperatura di misura in °C, e diviso per un fattore (10.33 + P) /10.33 ove P è la pressione di misura in mm di colonna d’acqua (il procedimento inverso andrà fatto se si vuole riportare una misura in condizioni di reattore ad una misura in condizioni standard). Spesso però come indicato in precedenza si stimano le rese di produzione di biogas con parametri più facilmente determinabili a livello zootecnico, e comunque correlati al COD, come la sostanza organica presente nei liquami.