La degradazione anaerobia
del rifiuto organico
Marco Cason
1014609
aa 2010/2011
Degradazione anaerobia:
•Operato da MO anaerobi
(Clostridium,
Butyrivibrio, Fibrobacter, Ruminococcus);
•Non necessita l’insuflaggio di O2 ;
•Porta all’ossidazione parziale delle molecole
organiche con produzione di CH4 (molecola
utilizzabile come fonte di energia dall’uomo).
vs
Compostaggio:
•Sistema più usato per la degradazione degli
RSU;
•Operato da MO aerobi (lieviti, batteri e
funghi);
•Porta alla produzione di: un ammendante
ambientale (humus) stabile, H2O e CO2 ;
•Necessità di areare la massa in degradazione;
I materiali che possono essere trattati sono:
•Paglia e materiali ligno-cellulosici;
•Residui di lavorazioni agro-industriali;
•Deiezioni animali;
•RSU;
•Fanghi degli impianti di depurazione delle acque;
Co-digestione: sistema per rendere più efficiente la degradazione anaerobia che consiste nel
trattare una miscela di rifiuti di origini diverse: aumento della variabilità del substrato e della
complessità della comunità microbica.
La comunità microbica che si instaura nel materiale
organico in degradazione è molto complessa. E’ formata
da:
•Un gruppo di MO che degrada le molecole organiche
complesse a molecole più semplici (lattato, etanolo, H2,
acetato, acido butirrico ecc.);
•Una comunità microbica secondaria, che utilizza le
molecole prodotte da altri microrganismi per il proprio
sviluppo (es. metanogeni).
I fattori che influenzano la digestione anaerobia sono:
•Temperatura: durante il processo aumenta a causa del calore prodotto dai processi
degradativi stessi e può raggiungere temperature intorno ai 70-80°C (T che consentirebbe
l’eliminazione della maggior parte dei patogeni). L’optimum di T per lo sviluppo della
maggior parte dei MO è tra i 35-40°C, anche se l’optimum di alcune specie termofile è tra i
50 e i 55°C. Necessità di controllare tale parametro;
•pH: tende a diminuire nelle prime fasi della degradazione a causa della produzione di acidi
organici, raggiungendo valori attorno a 5,5. Il range di pH ottimale per avere una buona
digestione anaerobia si assesta tra 6,5 e 7,5, mentre il range di pH ottimale per l’attività dei
metanogeni è ancora più stretto attorno alla neutralità (7-7,2);
•Umidità: l’acqua permette la solubilizzazione dei substrati e dei prodotti e quindi anche il
progredire delle reazioni degradative operate dagli enzimi prodotti dai MO. La % di umidità
che consente la maggior produttività dei metanogeni è tra 60 e 80%.
•Il rapporto C/N: la maggior parte dell’azoto presente nella sostanza da degradare è
sottoforma organica (proteine). Se il rapporto C/N è troppo alto significa che l’azoto è
fattore limitante la crescita microbica e il processo degradativo è lento, se invece tale
rapporto è troppo basso l’azoto in eccesso viene perso per volatilizzazione sottoforma di
NH3. Rapporti ottimali C/N si assestano tra 20 e 35.
Il tipo di substrato:
anch’esso è un fattore importante e, come già evidenziato,
influenza la diversità della comunità microbica.
La formazione di molecole ricche di energia dalla sostanza organica in decomposizione fu messa
in evidenza già da Alessandro Volta nel 1776 attraverso il suo famoso esperimento dell’imbuto
rovesciato. Fu però solo nel corso del ‘900 che si scoprirono i responsabili di tale processo: i
microrganismi metanogeni.
Dal 1977, grazie a studi di similarità tra i geni del 16s rRNA , inizia la classificazione filogenetica
di tale gruppo microbico.
Dominio: Archea
Phylum: Euryarchaeota
Classi: Metanobacteria
Methanococci
Methanopyri
Tutte le forme morfologiche dei
microrganismi sono rappresentate in
questo gruppo.
Nonostante la grande diversità filogenetica che questo gruppo microbico dimostra, i
substrati che possono essere utilizzati sono pochi e semplici, la maggior parte dei
quali contengono un solo atomo di carbonio.
La maggior parte dei metanogeni utilizza uno o due substrati, solo alcuni ceppi di
Methanosarcina arrivano ad utilizzare sette diversi substrati.
Una delle conseguenze di questa specializzazione è che in alcuni habitat anaerobi
sono dipendenti da altri organismi per i loro substrati.
Metanogenesi dall’acetato
Principali vie
metaboliche per la
metanogenesi
Biosintesi di CH4 da metanolo
Biosintesi di CH4 da CO2
Uno studio sull’efficienza della digestione anaerobia e degli effetti di
una fase di pre-aerazione e dell’aggiunta dell’inoculo sulla produzione
di metano e sui tempi di degradazione.
Materiale utilizzato per lo studio: RSU organico della città
metropolitana di Perth nell’ovest dell’Australia, preventivamente
trattato per eliminare eventuali materiali inerti presenti (es. pezzi di
plastica, vetro, ferro ecc.)
Materiali e metodi:
Il reattore utilizzato è un cilindro di 7 L di volume che permette di combinare il compostaggio
alla digestione anaerobia.
La temperatura del core e della periferia del reattore viene mantenuta uguale e costante
intorno ai 55°C.
Le quantità dei diversi gas prodotti sono state analizzate con un gascromatografo accoppiato
ad un rivelatore a conducibilità termica.
• Fase aerobia: grazie alla possibilità di suddividere il reattore
in più sezioni mediante l’inserimento di pannelli di plastica
è stato possibile studiare l’effetto di diversi periodi di
aerazione. Il substrato inserito nella prima sezione è stato
sottoposto a 6 gg di aerazione, mentre il substrato inserito
nell’ultima ha subito 0 gg di fase aerobia.
• Fase anaerobia: viene indotta in due modi, o mediante
l’aggiunta di una soluzione in acqua deionizzata dei
substrati per la metanogenesi (acetato e formiato) o
mediante l’aggiunta di un inoculo anaerobio derivante dallo
spurgo di un reattore termofilico da laboratorio. Per
prevenire l’eccessivo impaccamento del substrato il liquido
viene inserito dal fondo del reattore ed estratto dalla
sommità.
Effetti della pre-aerazione:
•Utilizzo dei composti organici facilmente degradabili (reazioni di idrolisi e
ossidazione) con produzione di CO2 , nuove molecole organiche e calore.
•Il tasso di respirazione è superiore al tasso di idrolisi delle molecole organiche
(Fig. 3);
•Produzione di NH4+, che si accumula nel
substrato fino al 4° giorno, ma poi viene
persa per volatilizzazione sottoforma di
NH3;
Da osservazioni fatte al microscopio si è
visto come durante questa fase i MO
anaerobi, tra cui anche i metanogeni,
permangono nel substrato in quantità di
103-105 cellule per grammo di substrato
che non decrescono con l’aumentare del
periodo di aerazione.
Formazione di nicchie anaerobie nel
substrato in cui i MO possono
sopravvivere, o attivazione di meccanismi
di protezione.
Fase di anaerobiosi senza aggiunta di inoculo
Il substrato è stato posto in anaerobiosi mediante l’aggiunta di una soluzione di
acetato e formiato in acqua deionizzata. Acetato e formiato sono ottimi substrati
per l’attività dei metanogeni acetoclastici e idrogenotrofici.
Frazioni che hanno
subito da 0 a 3 gg di
pre-aerazione
Nessuna produzione di CH4
Frazioni che hanno
subito da 4 a 6 gg di preaerazione
Produzione di CH4
Nelle frazioni che hanno subito una fase di aerazione più breve la SO facilmente
degradabile non è stata consumata completamente e la sua fermentazione da origine alla
produzione di acidi organici che abbassano il pH fino a valori di 5,5 inibendo l’attività dei
metanogeni.
Nelle frazioni con pre-aerazione più prolungata il pH rimane intorno a valori superiori a 6
permettendo l’attività dei MO.
Effetti dell’aggiunta dell’inoculo anaerobio
L’inoculo liquido deriva da un reattore anaerobico termofilico in scala da laboratorio. La sua
aggiunta al substrato ha due effetti :
•Inoculo: vengono inseriti nel substrato grandi quantità di MO anaerobi attivi che iniziano
fin da subito a degradare la sostanza organica.
•Buffer: stabilizza il reattore contro l’acidificazione (necessari 150 mmoli di H+ per abbassare
il pH dell’inoculo da 8 a 6).
I campioni che hanno subito un
periodo minore di aerazione in
questo caso mostrano una
produttività (in termini di CH4)
superiore rispetto alle altre
frazioni.
Maggiore disponibilità di SO
facilmente degradabili
Analisi delle condizioni durante la fase anaerobica
Due picchi di produzione di CH4: il
primo dovuto all’attività dei MO
idrogenotrofici, il secondo all’attività
dei MO acetoclastici.
I secondi sono inibiti inizialmente dalle
alte concentrazioni di H2 (ipotesi
confermata anche con analisi con
isotopi del C i cui risultati non sono
mostrati).
Conclusioni:
La digestione anaerobia del substrato preceduta da una fase di degradazione
aerobica permette di ridurre i tempi necessari alla stabilizzazione del substrato
(utilizzabile poi come ammendante organico) da 20 gg a 12 gg e anche di avere
una discreta produzione di CH4 utilizzabile per produrre energia elettrica.
In base al risultato che si vuole ottenere (maggior produzione di CH4 o minori
tempi per la completa degradazione) si può allungare o abbreviare il periodo di
pre-aerazione.
Bibliografia:
•The anaerobic digestion of solid organic waste. Azeem Khalid a, Muhammad Arshad b,
Muzammil Anjum a, Tariq Mahmood a, Lorna Dawson c. Journal of waste management2009.
•Effect of pre-aeration and inoculum on the start-up of batch thermophilic anaerobic
digestion of municipal solid waste. W. Charles *, L. Walker, R. Cord-Ruwisch. Bioresource
Technology- 2009.
•Microbiologia ambientale. Biavati B, Sorlini C. 2008.