Tipologie impiantistiche per la digestione anaerobica

Le tipologie impiantistiche utilizzabili per l’attuazione di un processo di digestione anaerobica possono essere diversamente classificate. Un primo criterio, le distingue in funzione del ciclo di trattamento, che può prevedere l’adozione di un processo condotto in reattori mono stadio oppure a doppio stadio. In entrambi i casi, a seconda delle modalità di alimentazione del substrato, i digestori si distinguono tra quelli a carica singola (cosiddetti, Batch) e quelli ad alimentazione continua. Questi ultimi, a loro volta, vengono differenziati a seconda del comportamento idrodinamico, e suddivisi in reattori a completa miscelazione (CSTR) e reattori con flusso a pistone (Plug flow). Per ciascuna suddetta tipologia, il processo viene distinto anche in funzione della temperatura di esercizio nel reattore, essendo denominato: psicrofilo allorquando esse sono dell’ordine di 10-15 °C; mesofilo per valori di 35-40 °C; termofilo con 50-55 °C. Infine, il processo di digestione anaerobica si differenzia in base al contenuto di umidità della miscela in digestione, essendo definito: wet, con tenori superiori al 90% in peso (e, quindi, percentuali di secco inferiori al 10%); semi-dry, con valori compresi tra l’80% ed il 90% in peso; dry, con percentuali minori dell’80% in peso.
La scelta della tipologia impiantistica più adeguata dipende, essenzialmente, dalle caratteristiche del substrato da trattare e discende, altresì, da considerazioni di carattere tecnico-economico. Vale la pena segnalare, a solo titolo di esempio, che un substrato che all’origine si presenti fortemente diluito, come un refluo zootecnico o un fango proveniente da un impianto di trattamento delle acque reflue (ITAR), ben si presta ad una digestione anaerobica di tipo wet, attuata in reattori mono stadio CSTR operanti in condizioni mesofile; a sua volta la frazione organica dei rifiuti solidi urbani (FORSU), caratterizzata da elevata putrescibilità e limitato contenuto di umidità (inferiore all’80%), può essere opportunamente trattata ricorrendo ad una digestione anaerobica dry, condotta in reattori a doppio stadio plug flow mantenuti a temperature termofile. Evidentemente, altri substrati, con caratteristiche intermedie tra i reflui zootecnici e la FORSU, possono ragionevolmente essere trasformati adottando soluzioni impiantistiche mediate tra quelle appena citate.
I digestori ad alimentazione continua CSTR mono stadio in condizione wet sono stati i primi ad essere impiegati per il trattamento di rifiuti organici e costituiscono ancora oggi la soluzione più frequentemente adoperata, anche, ma non esclusivamente, in virtù del fatto che sono non dissimili, per forma e caratteristiche tecnologiche, a quelli regolarmente utilizzati negli ITAR per la stabilizzazione dei fanghi. Con tale configurazione (Figura 1), il substrato avviato alla digestione deve essere caratterizzato da un tenore di solidi inferiore al 10%; ove non ricorra questa condizione, come avviene, ad esempio, per la FORSU, è necessario, all’interno di un vasca di omogeneizzazione, opportunamente equipaggiata con miscelatori meccanici, operarne la diluizione con acqua di rete o di processo (a condizione, per quest’ultima, che non risulti eccessivamente ricca di ammoniaca), nel caso preventivamente riscaldata a seguito del passaggio attraverso uno scambiatore di calore che si avvale della combustione del biogas prodotto. Ovviamente, l’aggiunta di acqua ha una forte incidenza sul costo della digestione anaerobica, in quanto alla fine del processo si rende necessario provvedere, in un primo momento, alla sua separazione dalla frazione solida a mezzo di una fase di disidratazione e, quindi, al suo trattamento prima dello scarico in un corpo idrico ricettore o del riutilizzo. Nei digestori la sostanza in trasformazione viene mantenuta in agitazione per mezzo dell’azione di opportuni dispositivi elettro-meccanici, peraltro di non difficilissimo reperimento sul mercato, e, quindi, con costi di norma contenuti. Nonostante l’azione di tali dispostivi, inevitabilmente nei reattori tendono a formarsi uno strato di fondo, ricco dei solidi più pesanti, e spesso pericoloso per l’incolumità delle eliche dei miscelatori, ed uno strato in superficie, costituito dal materiale più leggero, che tende a flottare, per rimuovere i quali si rende necessario prevedere saltuari fermi dell’impianto. La possibilità che si formino tali strati può essere limitata prevedendo a monte del digestore una fase di pretrattamento, specificamente volta alla separazione del materiale grossolano ed estraneo contenuto nell’influente, che assicura, peraltro, anche una maggiore tutela degli organi elettro-meccanici. Ovviamente, tale separazione incide anche sulla produzione di biogas, dal momento che inevitabilmente determina la perdita di una parte della sostanza organica, indicativamente stimata nell’ordine del 10-15% dei solidi volatili (SV) originariamente contenuti nel substrato.

Figura 1 - Schema di trattamento wet con digestore monofase CSTR

 

Un ulteriore elemento di criticità della configurazione in esame è rappresentato dai fenomeni di corto circuitazione idraulica, che possono determinare la degradazione solo parziale del substrato, una minore produzione di biogas ed una scarsa igienizzazione dell’effluente. Per evitare tali fenomeni, è necessario assicurare un adeguato livello di agitazione all’interno del digestore; talvolta, si è provveduto alla realizzazione di una cosiddetta camera di predigestione, costituita da un ambiente di dimensioni ridotte, dove avviene la preventiva miscelazione tra il flusso di sostanza organica influente e la massa in digestione, ricca di microrganismi che fungono da inoculo.
Le prestazioni dei digestori ad alimentazione continua CSTR mono stadio che operano in condizione wet risentono relativamente poco, di norma, sia di picchi saltuari della portata di substrato influente che della possibile presenza, in quest’ultimo, di sostanze inibenti. Tuttavia, l’assenza di stadi diversi per lo svolgimento delle fasi di acidogenesi/acetogenesi e di metanogenesi, può determinare considerevoli scadimenti delle prestazioni in presenza di sovraccarichi di sostanza organica che dovessero protrarsi nel tempo. In tali condizioni, infatti, la formazione di acidi organici ha luogo con tassi superiori a quelli di degradazione degli stessi (e, quindi, della produzione di metano), con la conseguente inevitabile tendenza all’abbassamento del pH, che può determinare la crisi dell’intero processo di digestione anaerobica. Anche alla luce della possibilità di tali evenienze, i digestori CSTR monostadio in condizioni wet vengono dimensionati adottando valori del Carico Organico (OLR) inferiori a 6 kg SV/(m3 d), generalmente dell’ordine di 2-4 kg SV/(m3 d).
I digestori ad alimentazione continua CSTR mono stadio operanti in condizioni semi-dry presentano molte caratteristiche comuni ai digestori wet. Il vantaggio principale è legato al più ridotto quantitativo di acqua richiesto per diluire i substrati, che si traduce, a parità di rendimento del processo, in volumetrie più contenute, minore dispendio energetico per il riscaldamento dei digestori e più limitati oneri di trattamento delle acque di processo. Per il relativo dimensionamento possono essere adottati valori più elevati dell’OLR fino a 8 kg SV/(m3 d).
Per effetto delle difficoltà di esecuzione e di gestione, ovvero per la loro minore convenienza economica rispetto ad altre soluzioni, non risulta che siano stati ancora realizzati, in scala reale, né impianti con digestori ad alimentazione continua CSTR mono stadio operanti in condizioni dry, né quelli con digestori plug flow mono stadio wet o semi-dry. Di contro, a partire dagli anni ‘80, hanno cominciato a diffondersi i digestori ad alimentazione continua plug flow mono stadio dry. Tali impianti sono alimentati con substrati caratterizzati da tenori di solidi superiori al 20%, fino ad un massimo del 40%, con elevate densità e viscosità, per i quali, quindi, non è richiesta, di norma, la diluizione con acqua, con evidenti vantaggi rispetto ai sistemi wet e semi-dry. Tuttavia, le elevate concentrazioni di solidi rendono difficoltose le operazioni di movimentazione e miscelazione della massa in trattamento all’interno del reattore, che viene spinta, senza che possano formarsi stratificazione o che possano aversi fenomeni di corto-circuitazione; tale moto è reso possibile dall’impiego di apparecchiature elettro-meccaniche particolarmente complesse e sofisticate, di elevato costo ed impegnative dal punto di vista dei consumi energetici. D’altra parte, la presenza di tali apparecchiature permette di superare il problema costituito dalla presenza nel substrato di elementi grossolani e di elevata consistenza, ad esempio di legno, per cui il pre-trattamento può essere limitato ad una semplice operazione di vagliatura, finalizzata all’eliminazione dei soli materiali estranei. Un ulteriore e significativo vantaggio dei sistemi in esame è costituito dalle ridotte volumetrie dei reattori, stimate adottando valori dell’OLR dell’ordine di 12-15 kg SV/(m3 d); in tali condizioni, è favorita l’adozione di temperature in campo mesofilo o addirittura termofilo senza l’esigenza di impegni energetici difficilmente sostenibili. Ovviamente, i digestori plug flow mono stadio in condizioni dry non sono adeguatamente applicabili con matrici organiche caratterizzate da bassi tenori di solidi, quali i reflui zootecnici e i fanghi della depurazione. La loro efficienza, inoltre, cala significativamente nel caso in cui all’impianto si abbiano picchi della portata in arrivo ovvero ingressi di sostanze inibenti.
Le principali, e più diffuse, tecnologie di digestori ad alimentazione continua plug flow mono stadio dry disponibili sul mercato sono quelle (Figura 2) Dranco, Kompogas e Valorga.
La tecnologia Dranco è caratterizzata da un flusso verticale discendente del substrato, che prima dell’immissione viene miscelato con un’aliquota della massa già in trattamento (secondo un rapporto di sei a uno), allo scopo di favorirne l’acclimatazione ed il contatto con i microrganismi. La tecnologia Kompogas utilizza reattori cilindrici disposti orizzontalmente, lungo i quali il substrato si muove con moto prevalentemente assiale, sospinto da miscelatori in lenta rotazione. Infine, la tecnologia Valorga fa ricorso a reattori cilindrici ad asse verticale, all’interno dei quali il substrato segue traiettorie elicoidali; la miscelazione è efficacemente ottenuta mediante il ricircolo del biogas al fondo del reattore, impiegando all’uopo opportuni iniettori, che, tuttavia, tendono frequentemente ad intasarsi.

 

 

Figura 2 - FiTipologie di processi in condizioni dry

 

Con i reattori ad alimentazione continua a doppio stadio la fase di metanogenesi del processo di digestione anaerobica viene condotta in bacini separati rispetto a quelli in cui hanno luogo le precedenti 4 fasi; in questo modo, è possibile adattare le condizioni ambientali nei singoli stadi alle caratteristiche delle diverse fasi, incrementando, globalmente, l’affidabilità e l’efficienza della trasformazione. Il sistema è particolarmente vantaggioso nei casi in cui all’impianto possano registrarsi, frequentemente, prolungati periodi di sovraccarico o l’arrivo di substrati altamente putrescibili, dal momento che gli abbassamenti del pH conseguenti all’accresciuta produzione di acidi interferiscono meno decisamente con l’attività dei microrganismi metanigeni. Ovviamente, i costi di realizzazione sono superiori rispetto a quelli che competono alle tipologie esaminate in precedenza, e non sono sempre giustificati dalle, spesso limitate, maggiori rese in termini di produzione di biogas.
Le configurazioni a doppio stadio si distinguono a seconda che si adottino, o meno, provvedimenti volti a favorire la ritenzione della biomassa nei reattori del secondo stadio.
Nelle configurazioni impiantistiche in cui non è prevista la ritenzione della biomassa, i reattori dei due stadi sono entrambi o del tipo CSTR oppure Plug flow: per quanto tecnicamente possibile, non risulta che siano mai stati realizzati impianti caratterizzati da reattori dei due stadi con diverso comportamento idrodinamico. Nel caso di reattori Plug flow, è possibile adottare condizioni wet (processo Schwarting-Uhde) o dry (processo BRV). In tutti i casi, comunque, i digestori presentano le medesime peculiarità descritte in precedenza per i sistemi mono stadio. In riferimento ai due processi poc’anzi menzionati le dimensioni dei reattori wet si ricavano adottando un OLR massimo di 6 kg SV/(m3 d), mentre quelli dry con valori di OLR fino a 8 kg SV/(m3 d).
Nelle configurazioni impiantistiche con ritenzione della biomassa, nel secondo stadio si persegue l’obiettivo di favorire la formazione della biomassa metanigena all’interno dei relativi reattori, in modo da aumentare la velocità di conversione dell’acetato in metano, e, quindi, nel complesso, accelerare il completamento del processo di digestione anaerobica, rendendo possibile l’adozione di OLR fino a 10-15 kg SV/(m3 d). All’uopo, è necessario che il tempo di detenzione dei solidi microbiologicamente attivi (SRT) sia superiore al tempo di detenzione della massa soggetta alla degradazione (HRT). Tale risultato può essere conseguito con diverse modalità: attraverso il ricircolo di un’aliquota dei solidi (Figura 3); prevedendo una digestione con ispessimento; effettuando sull’effluente una filtrazione su membrana, con susseguente re-immissione del concentrato nel reattore; installando nei reattori dei mezzi di supporto inerti, sui quali i microrganismi metanigeni possano aderire, senza sfuggire con l’effluente. Tale soluzione è quella adottata dai processi BTA e Biopercolat, molto diffusi sul mercato.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 3- Schema di trattamento wet con digestori bifase CSRT

 

Nelle configurazioni che prevedono l’impiego di reattori di tipo Batch si mantengono, di norma, condizione dry. Tali reattori sono giocoforza del tipo mono stadio e vengono dimensionati sulla base di valori dell’OLR compresi tra 3 e 5 kg SV/(m3 d).
La soluzione più frequentemente adottata è quella cosiddetta a fase singola (Figura 4a), nella quale il substrato da degradare viene immesso all’interno del reattore in presenza o meno di un inoculo microbico, permanendovi fino al raggiungimento della sua stabilizzazione. Le dovute condizioni di umidità, necessarie per il corretto svolgimento del processo di digestione anaerobica, sono assicurate attraverso il ricircolo del liquido (percolato) raccolto al fondo del reattore e frutto dell’attività di trasformazione operata dai microrganismi. I principali vantaggi di tale configurazione sono la semplicità di esercizio e l’economicità dell’impianto. Tuttavia, essa dà luogo a produzioni discontinue del biogas, per cui, nel caso di sfruttamento energetico di tale fluido, è indispensabile disporre di più reattori in parallelo, il cui riempimento deve essere opportunamente sfasato nel tempo, in modo da assicurare la costanza della portata di biogas necessaria per l’alimentazione dei motori.
Un’altra soluzione con reattori di tipo Batch è quella definita a fasi sequenziali (Figura 4b), che si caratterizza per il continuo ricircolo del percolato tra i diversi reattori operanti in parallelo. In particolare, viene eseguito uno scambio mutuo di percolato tra il bacino da più tempo in digestione (vecchio) e quello caricato più di recente (fresco). In questo modo nel bacino vecchio viene incrementata la concentrazione di composti acidi, accelerando la produzione di metano, mentre in quello fresco si ha una diluizione del carico organico in trattamento nonché l’ingresso di bicarbonati, idonei a tamponare l’abbassamento del pH determinato dalla produzione acida iniziale del processo di digestione anaerobica.
Meno frequentemente adoperata è la configurazione cosiddetta ibrida (Figura 4c), ottenuta accoppiando ad un reattore Batch un ulteriore reattore anaerobico del tipo a letto di fango (UASB).

Figura 6 - Schemi di processi batch