Chhapter 03-03 page 1
BISYPLA
AN HANDBO
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ndrijevskaja
03-03
3 Putres
scibili- Catene
C
di apprrovvigio
onamen
nto
03-03--00 Intro
oduzione alla ges
stione de
elle biomasse dig
gestibili
Tutte lee tecnologie europee fan
nno largo uuso di processsi di trattam
mento pre-ee post-digestione,
indipenddentementee dalla fontee di rifiuti o del di tipo digestore. Una
U pre-seleezione è neccessaria perr
impedirre l'intasameento delle pompe e perr ridurre la quantità
q
di volume
v
del rreattore occcupata dal
materialle inerte. Annche i rifiutti differenziiati contengono inevitab
bilmente coontaminanti in metallo
e plasticca e devonoo essere sepaarati. Una tiipica linea di
d smistameento compreende i segueenti
componnenti;
• Riceviimento
- Può coomprenderee un tipo di smistament
s
to visivo (m
manuale o robotizzato) e la rimozio
one di
oggetti ingombrantti o potenziaalmente dannnosi
- Costituuisce un serrbatoio per le
l variazionni di afflusso
o delle quan
ntità
• riduzioone delle diimensioni delle particellle
- Può esssere di tipoo meccanico
o e/o biologiico
- Si basaa sulla relattiva facilità di ridurre laa granulomeetria della frazione
f
orgganica
• Separaazione
- Può esssere basataa sull’attraziione da partte di disposiitivi magnettici, sulla deensità e sullle
dimensiioni
03-03--01 Prop
prietà e gestione
g
di rifiuti solidi urrbani
La Figuura 03-03 1 mostra
m
alcu
une delle unnità di trattam
mento dei materiali,
m
utitilizzate nel sistema di
digestioone a secco della Drancco e Valorgaa. L'area di ricezione permette lo sscarico dei rifiuti
r
solidi urrbani (RSU
U) grezzi e laa separazionne dei rifiuti solidi urbaani provenieenti da fontii diverse.
Alcune zone benefi
ficiano dell’uso di roboot per ridurree al minimo
o il contatto umano con
n i rifiuti.
Altri utiilizzano unaa linea di sm
mistamento con personaale per rimu
uovere manu
nualmente i materiali
inorgannici più eviddenti. Una vo
olta che i R
RSU sono staati caricati nel
n sistema di separazione
meccannica, il contaatto umano è minimo ppoiché i proccessi biolog
gici e meccaanici preparano i RSU
alla separazione in base alla deensità e /o aalle dimensiioni.
Chhapter 03-03 page 2
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Figura 03-03 1: Siistemi per laa gestione ddel materialee per digesttore a seccoo.
In sensoo orario da sinistra
s
in alto: area di sosta con arrtiglio robotizzato; bio--betoniera rotante;
r
uscita ddei rifiuti daalla selezion
ne con vaglioo a tamburo
o rotante; taamburo rotan
ante ad alta velocità
v
con inteegrato vaglio e separato
ore magnetiico; pompa per liquamee con alto coontenuto di solidi;
mixer ddi alimentaziione con iniiezione a vaapore, e dossatore con vapore
v
a inieezione e pom
mpa per
liquamee con alto coontenuto di solidi.
Per la seeparazione in base alla densità è nnecessario bagnare i RS
SU; quindi è più comun
nemente
applicatta quando sii usano digeestori per riffiuti a basso
o contenuto di solidi.
Il materriale organicco viene rid
dotto in partticelle più piccole più facilmente
f
ri
rispetto al materiale
m
inorgannico, per queesto viene sp
pesso impieegato un maaceratore o agitatore
a
me
meccanico prrima dello
screeninng. Inoltre, alcuni trattaamenti aerobbici posson
no aiutare a frantumare la materia organica.
o
Questi ttrattamenti possono
p
ancche causaree una perditaa di sostanza organica ddigeribile; pertanto
p
vengonoo utilizzati per
p brevi tempi. Tra alccune ore e uno
u o due giorni è il tem
mpo tipico per
p la
rotazionne nei tambuuri rotanti, o "biomixerrs", che com
mbinano agiitazione conn trattamentto aerobico.
I biomixxers sono atttualmente utilizzati
u
in circa 20 im
mpianti di riffiuti solidi uurbani neglii Stati Unitii
per il coompostaggioo aerobico, con tempi ddi ritenzione di 3-5 gio
orni.
Recenteemente i ricercatori dell’Universitàà della Califfornia, Davis hanno stuudiato il pottenziale di
produzione di bioggas a partire dai materiaali organici separati daii rifiuti urbaani ( Frazion
ne
Organicca dei Rifiutti Solidi Urb
bani FORSU
U) mediante l’utilizzo di tamburi rrotanti in seei impianti
di comppostaggio dii RSU neglii Stati Unitii. Hanno sco
operto che i materiali oorganici han
nno un’alta
resa di bbiogas e meetano anche quando i R
RSU avevan
no trascorso solo 24 oree nel tamburro (dati nonn
pubblicaati). Ciò inddica che i siistemi di AD
D potrebberro essere insseriti nelle ooperazioni di
d
composstaggio di RSU
R
esistentti negli Statii Uniti per il
i recupero energetico
e
dda FORSU.
In un sisstema a tam
mburo rotantte, un setacccio può esseere allineato
o su un lato del tamburro
permetttendo alle paarticelle sotttodimensioonate di passsare all’unittà di dosagggio mentre le
l particelle
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grandi, soprattutto quelle inorg
ganiche venngono espullse. In altern
nativa, i rifiu
iuti possono
o passare
attraverrso uno o piùù vagli a tam
mburo dopoo il tamburo
o per setacciiatura. Le un
unità di dosaaggio
mantenggono mescoolati i rifiutii per compeensare le flu
uttuazioni neel contenutoo e nel volum
me dei
RSU deestinati al diigestore. Taali unità pos sono anche essere utilizzate per riiscaldare e inoculare
i
le
sostanzee nel digestore. Il calorre può esserre aggiunto come vaporre, che può essere prod
dotto
utilizzanndo il calore residuo deei gruppi eleettrogeni. Alcuni
A
sistem
mi hanno unn mixer di
alimentaazione sepaarata che unisce i RSU con pasta del
d digestoree, al fine di inoculare laa nuova
alimentaazione e portarla conteenuto di umiidità approp
priato.
In Bassaano, in Italiia, a Valorga il digestorre accetta siia rifiuti diffferenziati chhe rifiuti grrigi [1].
Come sii può vederre dal diagraamma sotto,, anche i riffiuti differen
nziati passanno attraversso un
setaccioo primario e un’unità magnetica
m
peer la rimozio
one dei mettalli. I rifiutiti grigi che sono
s
la
frazionee inorganicaa dei rifiuti differenziatti, sono costtituiti princiipalmente dda materiali inorganici.
(In effettti, gli organnici costituiiscono solo il 10-16 perrcento di qu
uesto materiiale e la carrta
costituissce un ulterriore 34-50 percento.)
p
I rifiuti grigi passano atttraverso unn ulteriore vaglio
v
a
tamburoo e un separratore densimetrico chee sospende i rifiuti in accqua, rimuoovendo lo sttrato
galleggiiante nonchhé le particellle pesanti cche cadono sul fondo.
Figura 03-03 2: Baassano, Italiia diagramm
ma del pre-p
processo. Adattato
A
da [[1]
All'impiianto di tratttamento delle acque reeflue di Trev
viso i gestorri si sono acccorti che i digestori
anaerobbici sono trooppo grandi per trattaree soltanto i rifiuti
r
dei faanghi attivi ((waste activ
vated
sludge W
WAS), per questo
q
hann
no costruitoo un impiantto di separazzione per seeparare la frrazione
organicaa dei RSU da
d utilizzaree per la co-ddigestione con
c il fango [2].
Come sii può vederre in Figura 03-03 2, i rrifiuti passan
no attraversso un trituraatore e un seeparatore
magnetiico e, poi inn un secondo
o trituratoree e vaglio a tamburo, e infine in unn separatoree per
densità. I rifiuti ottenuti sono per
p il 96 % composti da
d materiali organici e ccarta, rispettto al 76 %
fiuti in ingreesso e consid
derando ancche il fatto che
c il 24 % dei materiaali organici e della
dei i rifi
carta in entrata venngono persi durante il pprocesso di smistamento. I metalli sono ridotti al 100 %,
d 98 %.
materie plastiche soono ridotte del 93 %, e il vetro vieene ridotto del
03-03--02 Prop
prietà e ra
accolta d
del letam
me e deglli escrem
menti
Il letam
me e i liquam
mi di bovini e suini sonoo la materiaa prima di base per la m
maggior parte delle
impiantti per la prodduzione di biogas
b
in Euuropa. Il tip
po di attrezzature e proccedure utilizzzate per
d letame.
raccogliiere e gestirre il letame dipende priincipalmentte dalla conssistenza o "sspessore" del
Il terminne "contenuuto di solidi" o "percenntuale di soliidi" è spesso
o usato per descrivere questa
caratteriistica nel leetame.
Diversee tipologie di
d allevamen
nti produconno letame con differentti percentuaali di solidi
(http://w
www.extenssion.org/pag
ges/31732/ffarm-energy
y-anaerobic--digestion-aand-biogas).
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Le percentuali di soolidi del letame dei suiini, e dei bovini da carn
ne e da lattee, rientra in un
u
intervallo piuttostoo ristretto (d
da 10 a 13 % di solidi), mentre la pollina
p
ha unn contenuto
o
notevolm
mente superiore di soliidi. Il contennuto di solidi del letam
me viene speesso modificcato
attraverrso processi come l’agg
giunta delle lettiere, l’essiccazionee del concim
me su un lottto di
superficcie, aggiunggendo acquaa di lavaggioo o disidrataando il conccime mediaante la separrazione di
solidi.
me solido vieene tipicam
mente prodottto nei sistem
mi in cui viene aggiuntta la lettieree al letame
Il letam
per assoorbire l'umiddità e miglio
orare le conndizioni amb
bientali delll’area di prooduzione. Ill letame
solido ppuò anche derivare
d
dalll’essiccazionne, per esem
mpio sulla superficie
s
dii un recinto per
ruspe, rasch
l’ingrasso del bestiiame. Letam
me solido è nnormalmentte raccolto utilizzando
u
hiatoi,
lame, paale scavatricci o miniesccavatori o ddispositivi siimili. Le dim
mensioni deelle attrezzaature
variano dalle piccoole lame perr trattori da 50 hp o men
no alle benn
ne di grandii dimension
ni montate
su maccchinari dediicati alle opeerazioni perr la raccoltaa di grandi quantità
q
di lletame.
Letame semisolidoo viene tipiccamente otteenuto nei sistemi in cuii si aggiungge poca lettiera o nulla
me/urina. Il letame
l
semiisolido ha inn genere traa il 5 % e il 15 % di sollidi. È più "sspesso" del
al letam
letame lliquido, ma non può essere impilatto o trattato
o allo stesso modo del lletame solid
do. La più
semplicce soluzionee di raccoltaa per il letam
me semisolid
do è il pavim
mento con sscanalature o
perforatto con sottoo una vasca di raccolta ddel letame. In questo contesto il leetame cade
sempliccemente attrraverso le ap
perture del ppavimento su
s cui stann
no gli animaali e viene raccoto in
un serbaatoio.
Il letam
me semisoliddo può anche essere racccolto utilizzzando ruspee. In questo caso il letaame è di
solito coonfinato in una corsia (stalle
(
liberee di mucchee da latte) o nei canali ddi scolo (po
orcilaie
coperta)). Una ruspaa si muove lungo la lunnghezza dell canale di scolo e alla ffine depositta il letame
in una ffossa di recuupero o serb
batoio.
Un altroo tipo di dispositivo di raccolta dell letame sem
misolido utilizza il vuot
oto per "aspiirare" il
letame dda una supeerficie di callcestruzzo e depositarlo
o in un serb
batoio. Quessto approcciio elimina
la necesssità di pom
mpare il letam
me in un serrbatoio o caarro.
Il letam
me semisoliddo essendo in
i parte fluiddo può esseere spostato da pompe aappositamente
progettaate per gestiire liquidi densi
d
contennenti corpi solidi
s
e mateeriale fibrosso. Le pomp
pe per
letame ssemisolido sono progetttate con girranti di tipo
o aperto e di solito hannno dispositiv
vi in
ingressoo alla girantte per tagliaare o sminuzzzare così da
d minimizzare i probleemi di otturaamento.
Pompe a bassa presssione/ gran
nde volume per letame vengono uttilizzate perr riempire i carricisternaa e spostare il letame peer altri impiieghi dove non
n sono ricchieste presssioni elevatte. Pompe
ad alta ppressione peer letame veengono utiliizzate per trrasportare ill letame attrraverso le lu
unghe
conduttuure e forniscono la pressione neceessaria per l’impiego dii esso nei caampi coltivaati.
Il liquame conteneente 5 per ceento o menoo di solidi generalment
g
te risultata ddall'aggiuntaa di acqua
piovanaa o di lavagggio al letam
me. Esempi ddi fonti di accqua per liq
quami sono laghetti perr il
lagunagggio, deposiiti d’acqua e acqua di laavaggio deii caseifici.
Un esem
mpio tipico di un sistem
ma di raccollta per il letaame liquido
o è la rimoziione median
nte
ricircoloo d’acqua suuperficiale (flushing) ddi letame proveniente da
d una stallaa di mucchee da latte. Inn
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questo aambiente le acque di laavaggio venngono pomp
pate nelle vaasche di riciircolo che a loro volta
rilascianno l'acqua nelle
n
corsie delle stalle per lavare via
v il letamee e conferirllo nei depossiti.
Un'altraa modo per ottenere
o
il letame liquiido o diluito
o consiste neel raccoglieere il letamee che
defluiscce dai lotti di
d superficiee. In questi ccasi, la mag
ggior parte del
d letame ssolido riman
nere sul
lotto, opppure viene rimosso daai dispositivvi di separazzione dei solidi prima cche liquamee defluisca
nei laghhetti, nelle laagune per ill lagunaggioo o nei depo
ositi. Il mateeriale che ddefluisce quiindi
contienee in primo luogo
l
particcelle fini sollide sospesee o discioltee che si traduucono in un
n liquido
diluito nnel bacino ricevente.
r
03-03--03 Prop
prietà e gestione
g
delle acq
que reflu
ue e dei ffanghi
indus
striali
I reattorri anaerobicci sono stati utilizzati prrincipalmen
nte per il traattamento deelle acque reflue
r
industriali. Ricerchhe hanno dim
mostrato chhe i sistemi anaerobici
a
come
c
Upfloow Anaerobic Sludge
Blankett (UASB), e Anaerobic Sequencingg Batch Reaactor (AnSB
BR) e il filtrro anaerobico (AN)
possonoo trattare con successo acque refluue industrialli ad alta ressistenza, nonnché acque reflue di
sintesi a bassa resisstenza.
L'appliccazione dei sistemi anaaerobici per il trattamen
nto delle acq
que reflue uurbane è fino
ora molto
limitataa. Il motivo predominan
p
nte è dato daal fatto che le acque reflue urbanee sono debolli, a basso
BOD (B
Biochemicall Oxygen Demand)
D
oC
COD (Chem
mical Oxygeen Demand)), per manteenere alta laa
quantitàà di biomasssa (in formaa di granuli - solidi sosp
pesi o film stabili) cont
ntenuta nel reattore.
r
a
esemp
pi di succes so su scala pilota e su scala
s
finale .
Ci sonoo, tuttavia, alcuni
r
anaaerobico su scala finalee deviato (A
AnBR) per ill
• Orozco [3] ha esaaminato un reattore
bane con BO
OD media di
d 314 mgO2 /L per un tempo di ritenzione
trattameento di acquue reflue urb
idraulica di 10.3 orre, (velocitàà di caricam
mento del maateriale orgaanico 0.85 kkg/m3·d) e ha
h
raggiunnto un'efficieenza di rimo
ozione del 770 %. Va so
ottolineato che
c il processso è stato eseguito
e
a
bassissima temperaatura tra i 13
3 e 15 °C.
ue reattori ibbridi anaero
obici
• Il tratttamento dellle acque refflue domesttiche in una UASB e du
(ANH) è stata conddotto da Elm
mitwalli et aal. [3] ad un
na temperatu
ura di 13 °C
C. Nel pretraattamento
delle accque reflue, i reattori AN
NH hanno rrimosso il 64
6 % del CO
OD totale, vvalore superriore alla
rimozioone nei reatttori UASB.
d
impian
nti di digestiione anaero
obica sono operativi
o
in ccondizioni di
La magggior parte degli
mesofiliia (circa 35 °C), tuttaviia, la maggiior parte deii reflui sono
o prima del il trattamen
nto a
temperaature inferioori a 18 °C.
Pertantoo le acque reeflue sono comunemen
c
nte riscaldatte prima dell trattamento
to, consumaando così
fino al 330 % dell'ennergia prodo
otta. L'obietttivo princip
pale è quello di diminuuire il costo di
trattameento delle accque reflue e di minim
mizzare la qu
uantità di fan
nghi prodottti in eccesso. Vi è,
tuttavia, un altro asspetto imporrtante che ppuò rendere l’utilizzo del
d trattamennto anaerobico
attraentee come prim
mo step per il trattamennto dei fang
ghi urbani o industriale.. È stato dim
mostrato
che mollti compostii organici diifficilmentee (refrattari)) biodegradaabili possonno essere deecomposti
(almenoo a sostanzee più sempliici) in condiizioni anaerrobiche.
Una dim
minuzione della
d
temperratura è accoompagnata da un camb
biamento deelle propriettà fisiche e
chimichhe del refluoo, che può in
nfluenzare ssensibilmen
nte la progetttazione ed il funzionam
mento del
sistema di trattameento. Ad eseempio, la soolubilità dei composti gassosi aumeenta quando
o la
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temperaatura scendee sotto i 20 °C. Ciò impplica che le concentrazioni discioltte di metano
o, acido
solfidricco e idrogenno saranno maggiori
m
neell'effluentee di reattori operanti a ttemperaturee basse
rispetto ai reattori operanti
o
a teemperature più elevate. Il notevolee aumento ddi solubilitàà di CO2
indica cche un pH leeggermente inferiore neel reattore può
p prevalerre in condizzioni psicrofile.
Trattam
mento anaeroobico delle acque
a
refluee domestich
he può anch
he essere moolto interesssante e
conveniiente in paesi dove vien
ne data prioorità nel con
ntrollo degli scarichi allla rimozione degli
inquinannti organicii.
03-03--04 Adatttamento
o del sub
bstrato all process
so
Questa sezione è unna recension
ne basata suu [4].
o fermentarre o essere ddigerito. Tu
uttavia, solo
In linea di principioo, tutti i materiali organnici possono
substratti omogeneii e liquidi po
ossono esseere utilizzatii per impian
nti di base pper il biogass. Rifiuti e
acque reeflue da inddustrie alimeentari di traasformazion
ne sono adattti solo per iimpianti di base
b
se
sono om
mogenei e inn forma liqu
uida. La maassima produ
uzione di gaas da una daata quantitàà di
materialle grezzo diipende dal tipo
t
di substtrato.
Il materriale inseritoo nel processso di produuzione di bio
ogas è il sub
bstrato (alim
mento) per i microbi e
le sue proprietà hannno una graande influennza sulla staabilità e sull'efficienza ddel processo
o. La
compossizione chim
mica del sub
bstrato è impportante sia per la quan
ntità di gas fformato chee per la
qualità ddel gas. La composizio
one pregiudiica la qualittà del residu
uo ottenuto dalla digesttione
(digestaato), sia in teermini di co
ontenuto di nutrienti peer le piante sia
s per l’eveentuale
contamiinazione (m
metalli, comp
posti organiici, organism
mi patogenii, ecc). La s celta del maateriale
approprriato dà la possibilità dii influenzarre l'esito dell processo, massimizzar
m
re la produzzione di
energia e produrre una biofertiilizzante di buona quallità.
03-03--04a Subs
strati ada
atti per la produzio
one di bio
ogas
Possonoo potenzialm
mente esseree utilizzate molte tipolo
ogie diversee di materiaali organici per
p la
produzione di bioggas, probabillmente moltti di più risp
petto a quelli usati ogggi. La princip
pale fonte
di materriale organiico per la prroduzione ddi biogas in diversi
d
paessi è costituitto ad oggi dai
d fanghi
provenienti da impianti urbanii di trattameento delle accque reflue.. Altri substtrati comunii per la
produzione di bioggas in impian
nti di co-diggestione com
mprendono i rifiuti deii macelli, i rifiuti
r
delle
industrie alimentarri e dei mang
gimi, rifiutii alimentari differenziati e letame.
Esempi di altri matteriali trattatti in questi iimpianti inccludono i rifiuti dai dissoleatori, oliii fritti, i
d
industrrie lattiero-ccasearie e farmaceutich
f
he, i foraggii insilati e rifiuti
r
di
rifiuti prrovenienti dalle
distillazzione (residuui della produzione di eetanolo). In
n futuro, le diverse
d
coltuure energetiiche, e i
rifiuti prrovenienti dal
d settore agricolo
a
sonno probabilm
mente destin
nati a divenntare importanti
substratti per la prodduzione di biogas.
b
muni, attuallmente in coorso di valu
utazione per la produzioone di biogaas, sono le
Materiaali meno com
alghe, l’’erba, le piuume e la bio
omassa legnnosa (es. il salice).
s
La produzione
p
ttotale di bio
ogas in
Svezia ooggi corrispponde ad un
na produzionne di energiia di circa 1.3 TWh/annno (in Europ
pa ~ 98
TWh), m
ma la produuzione teoricca di energiia potenziale da rifiuti domestici,
d
eesclusi i rifiiuti da
selvicolltura, è conssiderata di circa
c
15 TW
Wh/anno [5 ],
] [6].
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Figure 03-03 3: Laa percentualle di produzzione di bio
ogas da diversi substratii negli impiianti
svedesi di co-digesstione (fangh
hi di depuraazione non inclusi)
i
[5]
Scelta d
di un substrrato per un
n processo di produzio
one di biog
gas
Diversi materiali orrganici posssono esseree decompostti in biogas in una cameera di digesstione.
Alcuni m
materiali soono più adattti di altri, e d alcune lin
nee guida geenerali posssono essere prese in
considerazione.
Tuttaviaa, parametrii di processo
o quali il caaricamento, la temperattura e il tem
mpo di ritenzzione
hanno uuna grande influenza
i
su
ull’efficienzza della trasformazione del dato suubstrato.
L’andam
mento di unn materiale particolare
p
iin un processso di biogaas può dipenndere anchee dal tipo di
pre-tratttamento chee viene appllicato e dal suo utilizzo
o da solo o in
i co-digesttione con altri
materialli. La presennza di sostaanze tossichhe o di lignin
na, sostanzee non degrad
adabili per niente
n
in un
processoo di biogas,, gioca un ru
uolo fondam
mentale.
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03-03--04b L'importanza dei subs
strati per i microrg
ganismi e per la
duzione di
d gas
prod
La compposizione di
d un substraato è molto importante per i microrganismi neel processo di biogas e
quindi aanche per laa stabilità deel processo e produzion
ne di gas. Il substrato ddeve soddisffare le
esigenzee nutrizionaali dei micro
organismi, iin termini di
d apporto dii energia e ccomponentii vari
necessaari per costruuire nuove cellule.
c
Il suubstrato dev
ve inoltre in
ncludere varri componen
nti
necessaari per l'attivvità dei sisteemi enzimattici dei micrrobi, come oligoelemen
o
nti e vitamine. Nel
caso dellla decompoosizione dell materiale oorganico in un processo di biogas,, anche il raapporto tra
carbonioo e azoto (rrapporto C/N
N) è consideerato di gran
nde importaanza per il pprocesso (Tabella 0303 1).
Materiaali
Rapporto C/N
Liquam
mi di bovini
6 – 20
Deieziooni avicole
3 – 10
5
Liquam
mi di suini
50 – 15
Paglia
50
Erba
12 – 26
Patate
35 – 60
Barbabiietola da zucchero /
35 – 46 / 14
foglie ddella barbabietola
Cereali
16 – 40
Frutta e verdura
7 – 35
Rifiuti aalimentari misti
m
15 – 32
2
Rifiuti ddei macelli, dei tessuti molli
4
Rifiuti ddei macelli, budella
22 – 37
Rifiuti aalimentari
3 – 17
Avanzi di distilleria
8
Tabellaa 03-03 1:R
Rapporto C/N
N di alcuni materiali ch
he possono essere usatii come subsstrato per la
prooduzione di biogas. Il rrapporto può
ò variare leg
ggermente a seconda della
d
proovenienza/aallevamentoo di un dato materiale [4
4]
È anchee preferibilee usare un su
ubstrato nonn troppo dilluito, cioè ch
he non conttenga troppaa acqua in
relazionne alla quanntità del subsstrato organnico. Se il materiale
m
è trroppo diluitto, e contien
ne troppo
poca maateria organnica, il risch
hio è che i m
microrganism
mi siano lav
vati via in unn processo continuo.
Questo perché il looro tasso di crescita
c
è baasso. Il con
ntenuto di accqua correttto dipende dal
d tipo di
processoo usato. Unn materiale altamente
a
diiluito può essere
e
trattatto mediantee varie tecniiche per
manteneere i microrrganismi, peer esempio, utilizzando
o un materiaale di suppoorto o aggiun
ngendo
biomasssa.
p
conntinuo, usatto generalmente più perr i rifiuti solidi, è un
Una buoona proceduura per un processo
valore ddi solidi (DS
S) del 7-10 %. Il contennuto di solid
di dei fangh
hi che vengoono digeriti in
impiantti di trattameento delle acque
a
refluee è di solito leggermente inferiore, circa del 4--6 %.
Un altroo fattore impportante è laa biodisponnibilità del substrato
s
per gli organissmi. Sminu
uzzare il
materialle aumenta la sua dispo
onibilità perr i microrgaanismi che possono
p
acccelerare il prrocesso di
formaziione di gas e fornire un
n rendimentoo più elevatto.
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La bioddegradazionee è valutata a partire daalla produziione di biog
gas metano oottenuto durante le
prove riispetto alla produzione
p
massima teeorica. Il pro
otocollo si basa
b sulla m
misura dellaa
produzione di metaano da un siistema chiusso in cui son
no messi in contatto unna quantità nota
n del
campionne di prova e una quantità nota di microrganismi anaerob
bi, inseriti inn condizion
ni
favorevvoli per la deegradazionee del campioone.
ono mostratti i potenziaali di produzzione di met
etano per alccuni rifiuti
Nella taabella sotto (03-03 2) so
3
agricoli in m di metano per to
onnellata di materia priima.
duzione
Prod
nziale di
poten
Materiaale
metaano
(m3/t)
Liquam
mi bovini
20
Contenuuto delle intteriora
30
Letame bovino
40
Polpa di patate
50
Rifiuti ddi birreria
75
Taglio ddel prato
125
Residui di mais
150
Grassi ddi macelleriia
180
Melassaa
230
Oli usatti
250
Rifiuti ddi cereali
300
Tabellaa 03-03 2: Potenziale
P
di
d metano dii alcuni (principali) rifiuti agricoli
03-03--04c Influenza dei vari com
mponenti del
d substtrato sul p
processo
o
I vari coomponenti del
d substrato
o possono ffornire quan
ntità variabili di gas a ccausa delle differenze
d
nel conttenuto energgetico. I com
mponenti poossono anch
he influenzaare il processso in altri modi.
m
Alcune informazioni generali sono riportaate di seguitto riguardo alla digestiione anaerob
bica di
materialli con un altto contenuto
o di proteinne, carboidraati o grassi.
Sostanzze ricche dii proteine
Molti riifiuti organiici contengo
ono proteinee, che, comee i grassi, so
ono ricchi inn energia e producono
una quaantità relativvamente altaa di metanoo nel biogas.. Esempi di materiali riicchi di protteine sono i
rifiuti dei macelli, letame
l
di su
uini e di polllame e scarrti della disttillazione daall’industriaa
s
come i rifiuti alimentari, contengono
o anche protteine, ma in
n quantità
dell'etannolo. Altre sostanze
minori.
l
cateene di amino
oacidi. Ci so
ono 20 diffeerenti amino
oacidi nelle
Le proteeine sono coostituiti da lunghe
proteinee, e la compposizione deelle catene vvaria. Tutti gli aminoaccidi hanno ccome in com
mune la
presenza di gruppi amminici (-NH2). In uun processo di biogas, durante
d
l'idrrolisi le protteine sono
convertiite prima dii tutto in sin
ngoli amminnoacidi o peeptidi (caten
ne corte di aaminoacidi).
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Nella suuccessiva faase, la fermeentazione, i legami chim
mici degli amminoacid
a
di vengono spezzati
con connseguente prroduzione di
d gruppi am
mminici sottto forma di ammoniacaa (NH3) o am
mmonio
(NH4+). L'ammoniaaca e l’amm
monio sono iin equilibrio
o tra loro. Quale
Q
di queesti domina dipende
fortemeente dal pH e dalla temp
peratura preevalente. Ad
d alte conceentrazioni, ll'ammoniacaa (non
l’ammoonio) può ucccidere moltti organismii. Nel proceesso di biogas, microrgganismi metanoproduttoori sono i prrimi a esserre inibiti quaando la con
ncentrazionee di ammoniiaca inizia ad
a
aumentaare. Questa inibizione provoca
p
l’innstabilità deel processo.
Sostanz
ze ricche dii carboidra
ati
I carboiidrati sono un
u nome com
mune per i vari zuccheeri, compressi zuccheri ssemplici
(monosaaccaridi) coome il gluco
osio, i disacccaridi (due unità di mo
onosaccaridii uniti comee nello
zuccherro di canna), o catene di
d zuccheri ((polisaccaridi). Il grupp
po di polisacccaridi com
mprende
cellulossa, emicellulosa, amido
o e glicogenno. I materiaali di originee vegetale ssono substraati
tipicameente ricchi di
d carboidraati.
Dal mom
mento che i carboidratii sono, tra looro, molto diversi
d
nellaa loro naturra, sono digeeriti a ritmi
diversi nnel processoo del biogass. Zuccheri semplici e disaccaridi
d
vengono sccomposti faccilmente e
molto raapidamente. Questo pu
uò sembraree positivo, ma
m in realtà può portaree a problemii
d’instabbilità dovutii al contenutto crescentee di acidi grrassi.
L’idroliisi e la ferm
mentazione avvengono
a
m
molto rapidamente per substrati add alto conten
nuto di
zuccherri appena menzionati. Tuttavia,
T
im
microbi che producono metano sonno a crescitaa lenta e
questo rrappresenta il collo di bottiglia
b
dell processo perché
p
essi sono
s
importtanti per deg
gradare gli
acidi grassi. La situuazione è ch
he batteri m
metanogeni non
n possono
o forzare la degradazione degli
acidi grassi alla vellocità a cui si formano,, per cui queesti acidi si accumulanno. A causa
dell'accuumulo di accidi grassi, e poiché i m
materiali riccchi di carbo
oidrati tendoono ad averee scarsa
capacitàà tampone, vi
v è il rischiio di probleemi di proceesso dovuti all’aumentoo dell’acidittà.
uto di zucchheri dovrebb
bero essere miscelati coon altro maateriale
I materiiali con elevvato contenu
conteneente compossti meno dig
geribili e, prreferibilmen
nte, con più azoto al finne di ottenere un
processoo equilibratto. Questo per
p garantiree che le fasii iniziali dell processo nnon siano tro
oppo
veloci. U
Un'alternatiiva consiste nell’utilizzzare un proccesso in duee fasi, in cuii le fasi di fo
ormazione
dell’aciddo e della formazione
fo
del
d metano sono separaate. Esempii di sostanzee ricche di zuccheri
z
rapidam
mente biodeggradabili co
omprendonoo le soluzion
ni di zuccheero puro, i fr
frutti, le pataate e le
barbabieetole da zuccchero.
I polisacccaridi sonoo composti da vari monnosaccaridi,, e sono ancche degradat
ati a tassi mo
olto diversi
in un prrocesso di biogas.
b
L'am
mido è il pol isaccaride più
p comune nei princippali alimentii come le
patate, iil riso e la pasta.
p
È costtituito da caatene linearii o ramificatte di glucossio e viene digerito
d
conn
relativa facilità nel processo di biogas. Trroppo materriale ricco di
d amido puòò portare a problemi
p
analoghhi a quelli chhe si hanno con zuccheeri semplici,, vale a diree che il proccesso vira “aall’acido".
La celluulosa è il coomposto org
ganico più ddiffuso sullaa terra, e rap
ppresenta quuindi un graande
potenziaale per la prroduzione di
d biogas. Tuuttavia, è molto
m
più diffficile da deegradare. Laa cellulosa
è un com
mponente im
mportante nelle
n
pareti ccellulari dellle piante, ed è costituitta da lunghee catene di
glucosioo. Nella parrete cellulare, alcune caatene paralleele di cellullosa si leganno l'una all'aaltra per
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formaree microfibrillle. A causaa di questa sstruttura com
mplessa, la cellulosa noon è solubille e quindi
risulta ddi difficile digeribilità.
d
La ligniina, che è unn composto aromatico con una stru
uttura molto
o complessaa, nel proceesso del
biogas nnon si decom
mpone affattto. L’emiceellulosa è co
omposta da vare unità di monosacccaridi, non
soltantoo da glucosio, e la comp
posizione essatta varia a seconda della sua origgine (vale a dire piantee
diverse hanno emiccellulose diffferenti tra ddi loro). L’eemicellulosa si componne anche di
bilità. A cau
usa delle struutture comp
plesse di
polisacccaridi ramifficati, il che riduce la suua degradab
cellulossa ed emicelllulosa, e al fatto che essse sono anche legate l'una all'altraa, l’idrolisi è la fase
che ralleenta la veloocità di degrradazione deel materialee vegetale. Gli
G enzimi ssecreti dai
microrgganismi idroolizzanti han
nno difficolltà di "accessso" alla stru
uttura, e la ffase d’idrolisi è quindi
lenta.
Nel casoo di sostanzze ricche di cellulosa quuali paglia o insilato, ill pre-trattam
mento determ
mina la
velocitàà dell’idrolissi, e quindi di consegueenza, la velo
ocità di produzione dell gas. L’acccessibilità e
la digesstibilità può essere miglliorata franttumando il materiale.
m
Più
P piccole ssono le dim
mensioni
mico, che roompe la stru
uttura
delle paarticelle, miggliore è l’acccessibilità. Il pre-trattaamento chim
cristallinna della celllulosa, può aumentare la velocità di degradazzione e fornnire un rendiimento più
elevato.. Tuttavia, i microrganiismi nel proocesso del biogas
b
sono essi stessi iin grado di degradare
d
la cellullosa, dopo un
u certo tem
mpo.
Sostanz
ze grasse
Materiaali tipicamennte grassi ch
he sono attuualmente utiilizzati nei processi
p
di pproduzione di biogas
sono i riifiuti dei maacelli, i grasssi dalle foggnature, i riffiuti proven
nienti dall'inndustria del latte e gli
oli vari,, quali oli frritti. Come i materiali rricchi di pro
oteine, i grasssi sono moolto ricchi di energia e
possonoo produrre una
u grande quantità
q
di ggas con un alto
a contenu
uto di metanno.
Tuttaviaa, i grassi poossono anch
he causare pproblemi allla stabilità del
d processoo.
I grassi sono costituuiti principaalmente da acidi grassii e glicerina, e la compoosizione degli acidi
grassi è variabile. Essi
E sono so
olitamente cclassificati come
c
grassi saturi, monnoinsaturi o
polinsatturi. I grassii saturi si tro
ovano nei pprodotti a baase di carne e latticini, i grassi poliinsaturi,
per esem
mpio, si trovvano nel pesce e nell’oolio di mais,, mentre i grrassi monoiinsaturi si trrovano
negli oli vegetali e nella fruttaa secca. I graassi saturi hanno
h
un pu
unto di fusioone più elev
vato rispettoo
ai grassi insaturi, ill che li rend
de meno dispponibili perr la biodegraadazione. Ill pre-trattam
mento
mediantte calore puuò aumentarre la digeribbilità di quessti grassi.
no la tipologgia di grasso
o più comun
ne. In un reeattore per laa
I trigliceeridi (grassii neutri) son
produzione di bioggas sono facilmente idroolizzati in acidi
a
grassi a catena lunnga (Long Chain
C
Fatty
Acids L
LCFA) e gliccerina. La glicerina
g
vieene rapidam
mente trasforrmata in bioogas, mentre la
degradaazione dei LCFA
L
è più complicata . Un'ulteriore complicaazione è datta dal fatto che
c diversi
LCFA aad alte conccentrazioni, nel processso del biogaas, hanno un
n effetto inibbitorio su molti
m
gruppi
di organnismi, incluuso quelli ch
he produconno il metano
o.
Un altroo aspetto è che
c gli acidii grassi a caatena lunga hanno prop
prietà tensiooattive e, se le
concenttrazioni sonno troppo altte facilmentte formano schiuma. Uno
U studio reecentementee condotto
su 13 im
mpianti di coo-digestionee ha mostraato un chiaro
o legame traa la percentu
tuale di grasssi nel
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materialle utilizzatoo e la presen
nza di schium
uma [7]. E’ stato
s
anche osservato cche comunemente i
rifiuti dei macelli o delle fognaature formaano schiumaa sia nel cam
mion cisternna durante ill trasporto
del mateeriale all'im
mpianto che nei serbatoii di miscelaazione del su
ubstrato. Il pproblema è stato
maggiorre nei mesi estivi quando le tempeerature eran
no relativam
mente elevatee.
La ragioone di ciò stta nel fatto che
c l'idrolissi dei grassi è iniziata prima
p
che il materiale venisse
v
immesso nel digesttore, e questto processo è stato acceelerato dallaa temperatuura elevata. Durante
nte formazio
one di schiuuma. Quando
o questo
l'idrolisii, i LCFA sono stati rillasciati, conn conseguen
materialle è stato agggiunto al reeattore, si è verificato un
u sovraccaarico di conccentrazione di acidi
grassi, ccausando prroblemi schiuma.
Se gli accidi grassi vengono
v
rilaasciati lentaamente duraante la digesstione dei grrassi nel pro
ocesso del
biogas, e se non veengono ragg
giunte eccesssive concen
ntrazioni, il rischio di innstabilità sii riduce
rispetto ai processi caricati istaantaneamennte con alte quantità di LCFA.
Le diffeerenze di coomposizionee tra substraati forniscon
no quindi vaariazioni siggnificative nel
n loro
potenziaale di metanno, come dimostrato daalla seguentte tabella do
ove alcuni riifiuti industtriali sono
elencatii:
Tipi di rifiuti
Stomacoo & intestinni
Fanghi diflottazionne1
Oli su bbentonite
Fanghi di olio di
pesce
Rifiuti oorganici
domestiici2
Siero
Siero (cconc)
Size waater
Marmelllata
Olio di soia
/margarrina
Alcoli m
metilati3
Fanghi di depurazione
Fanghi di depurazione
(conc)
1
2
3
Compositione d
del materiale org.
(OM:: Other orgaanic Matterr, altra
sostanza organicco)
Carbo
oidrati, protteine, lipidi
65-70
0 % protein e, il resto lipidi
70-75
5 % lipidi, iil resto OM..
50-50
0 % lipidi e OM.
ont.
Co
Organico
(%
% in peso)
15 – 20
13 – 18
40 – 45
80 – 85
Reesa di
meetano
(m
m3/t)
40 – 60
80 – 130
350 – 450
450 – 600
Carbo
oidrati, protteine, lipidi
20 – 30
150 – 240
75-80
0 % lattosioo, il resto pro
oteine
75-80
0 % lattosioo, il resto pro
oteine
70 % proteine, ill resto lipidii
90 % zuccheri, aacidi della frutta
fr
90 % oli vegetalle
7 – 10
18 – 22
10 – 15
50
90
40 – 55
100 – 130
70 – 100
300
3
800 – 1000
Alcoll
Carbo
oidrati, lipiddi, proteine
Carbo
oidrati, lipiddi, proteine
40
3–4
15 – 20
240
2
17 – 22
85 - 100
Disidrratati
Differrenziati
40 % di alcol
Tabellaa 03-03 3: Produzione
P
potenziale
p
ddi metano da
d alcuni rifiiuti (sopratttutto) industtriali e
della coollettività
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03-03--05 Polittiche delll'Unione europea
a sul biog
gas [8]
Il settorre del biogass non ha maai suscitato tanta attenzzione come oggi. Gli innteressi dei funzionari
e degli iinvestitori sono
s
stati allontanati coon l'introduzzione gradu
uale delle resstrizioni reg
golamentarii
in materria di trattam
mento dei riifiuti organiici e dagli im
mpegni sullle energie riinnovabili fatte
f
di
recente dagli Stati membri
m
delll'Unione Euuropea.
Il settorre del biogass sta graduaalmente abbbandonando le sue attiv
vità principaali di pulizzia e
trattameento dei rifiuuti per essere coinvoltoo pienamentte nella produzione di eenergia, con
n così tanto
entusiassmo che in alcuni
a
paesii il suo cam
mpo d'azionee si è esteso all’uso di ccolture energetiche.
Nell’inttera Unione europea, il progresso ddel settore è alla luce del
d sole, dal momento che
c nel
2009, laa crescita dii energia priimaria ha avvuto un ulteeriore balzo del 4,3%.
La prodduzione di biogas
b
ha il vantaggio
v
ddi conciliaree due politicche dell'Uniione europea. In primo
luogo è in linea conn l'obiettivo
o principale della direttiva sulle en
nergie rinnovvabili (2009
9/28/CE)
che mira a una quoota del 20% di energie rrinnovabili del consum
mo finale di eenergia entrro il 2020.
Rispondde anche aggli obiettivi europei
e
di ggestione deii rifiuti orgaanici sancitii nella norm
mativa
europeaa (direttiva 1999/31/CE
1
E relativa allle discarich
he di rifiuti) che richiedde agli Stati membri di
ridurre lla quantità di
d rifiuti bio
odegradabilii smaltiti in
n discarica e di emanaree leggi che
incoragggino il ricicclaggio dei rifiuti
r
e il reecupero (dirrettiva 2008/98/CE, relaativa ai rifiu
uti). La
metanizzzazione è considerata
c
il
i miglior m
metodo da un
n punto di vista
v
ambienntale per il recupero
r
di
energia dai rifiuti.
Queste ppolitiche haanno spinto un certo nuumero di Staati membri ad incoragggiare la prod
duzione di
biogas e hanno istittuito sistem
mi di incentivvazione perr il pagamen
nto dell’ener
ergia elettricca (tariffe
agevolaate in ingresso, certificaati verdi, apppalti). In un
n certo num
mero di paesii, il mercato
o del biogass
è stimollato da incentivi per l'u
uso delle collture energeetiche. Esse mirano a sttimolare l'in
ncremento
della produzione dii energia rin
nnovabile, m
mentre tale politica
p
inoltre consentte anche alle aziende
l loro dipendenza enerrgetica e di diversificarre il loro redddito in casso di crollo
agricolee di ridurre la
dei prezzzi dei cereaali, latte o carne. Altri ppaesi sono dubbiosi
d
cirrca la compaatibilità amb
bientale
nell’utillizzazione di
d colture en
nergetiche ccome il maiss per la metanizzazionee, preferend
do
convertiire materialli di rifiuto già
g esistentii. L'uso del mais come materia prim
ima per la produzione
di biogaas è particollarmente controversa a causa dellaa grande quaantità di acqqua e di lavorazioni
per la suua coltivazione, le stessse consideraazioni valgo
ono per il su
uo uso come
me materia prrima per
bio-carbburanti.
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