Tutte le. in metallo. dimensioni. e/o biologico. meccanico. i rifiuti.

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1 Chapter page Putrescibili- Catene di approvvigionamento Introduzione alla gestione delle biomasse digestibili Tutte le tecnologie europee fanno largo uso di processi di trattamento pre-ee post-digestione, indipendentementee dalla fonte di rifiuti o del di tipo digestore. Una U pre-selezione è necessaria per impedire l'intasamento delle pompe e per r ridurre la quantità di volume v del reattore occupata dal materiale inerte. Anche i rifiuti differenziati contengono inevitabilmente contaminanti in metallo e plastica e devonoo essere separati. Una tipica linea di smistamento comprende i seguenti componenti; Ricevimento - Può comprenderee un tipo di smistaments to visivo (manuale o robotizzato) e la rimozione di oggetti ingombranti o potenzialmente dannosi - Costituisce un serbatoio per le l variazioni di afflusso delle quantità riduzione delle dimensioni delle particelle - Può essere di tipo meccanico e/o biologico - Si basaa sulla relativa facilità di ridurre laa granulometria della frazione f organica Separazione - Può essere basataa sull attrazione da parte di dispositivi magnetici, sulla densità e sulle dimensioni Proprietà e gestione di rifiuti solidi urbani La Figura mostra alcune delle unità di trattamento dei materiali, m utilizzate nel sistema di digestione a secco della Dranco e Valorga. L'area di ricezione permette lo scarico dei rifiuti r solidi urbani (RSU) grezzi e la separazione dei rifiuti solidi urbani provenienti da fontii diverse. Alcune zone beneficiano dell uso di robot per ridurre al minimoo il contatto umano con i rifiuti. Altri utilizzano una linea di smistamento con personale per rimuovere manualmente i materiali inorganici più evidenti. Una volta che i RSU sono stati caricati nel n sistema di separazione meccanica, il contatto umano è minimo poiché i processi biologici e meccanici preparano i RSU alla separazione in base alla densità e /o alle dimensioni.

2 Chapter page 2 Figura : Sistemi per la gestione del materialee per digestore a secco. In senso orario da sinistra in alto: area di sosta con artiglio robotizzato; bio-betoniera rotante ad alta velocità con integrato vaglio e separatore magnetico; pompa per liquamee con alto contenuto di solidi; rotante; r uscita dei rifiuti dalla selezione con vaglioo a tamburo rotante; tamburo mixer di alimentazione con iniezione a vapore, e dosatore con vapore v a iniezione e pompa per liquame con alto contenuto di solidi. Per la separazione in base alla densità è necessario bagnare i RSU; quindi è più comunemente applicata quando si usano digestori per rifiuti a basso contenuto di solidi. Il materiale organico viene ridotto in particelle più piccole più facilmente f rispetto al materiale inorganico, per questo viene spesso impiegato un maceratore o agitatore a meccanico prima dello screening. Inoltre, alcuni trattamenti aerobici possono aiutare a frantumare la materia organica. Questi trattamenti possono anche causaree una perdita di sostanza organica digeribile; pertanto vengonoo utilizzati per brevi tempi. Tra alcune ore e uno o due giorni è il tempo tipico per la rotazione nei tamburi rotanti, o "biomixers", che combinano agitazione conn trattamento aerobico. I biomixers sono attualmente utilizzati in circa 20 impianti di rifiuti solidi urbani neglii Stati Unitii per il compostaggioo aerobico, con tempi di ritenzione di 3-5 giorni. Recentemente i ricercatori dell Universitàà della California, Davis hanno studiato il potenziale di produzione di biogas a partire dai materiali organici separati daii rifiuti urbani ( Frazione Organica dei Rifiuti Solidi Urbani FORSU) mediante l utilizzo di tamburi rotanti in sei impianti di compostaggio di RSU neglii Stati Uniti. Hanno scoperto che i materiali organici hanno un alta resa di biogas e metano anche quando i RSU avevano trascorso solo 24 oree nel tamburo (dati nonn pubblicati). Ciò indica che i sistemi di AD potrebbero essere inseriti nelle operazioni di compostaggio di RSU esistenti negli Statii Uniti per il recupero energetico e da FORSU. In un sistema a tamburo rotante, un setaccio può essere allineatoo su un lato del tamburo permettendo alle particelle sottodimensionate di passare all unità di dosaggio mentre le l particelle

3 Chapter page 3 grandi, soprattutto quelle inorganiche vengono espulse. In alternativa, i rifiuti possonoo passare attraverso uno o più vagli a tamburo dopoo il tamburo per setacciatura. Le unità di dosaggio mantengono mescolati i rifiutii per compensare le fluttuazioni nel contenutoo e nel volume dei RSU destinati al digestore. Tali unità possono anche essere utilizzate per riscaldare e inoculare i le sostanze nel digestore. Il calore può essere aggiunto come vapore, che può essere prodotto utilizzando il calore residuo dei gruppi elettrogeni. Alcuni sistemi hanno unn mixer di alimentazione separata che unisce i RSU con pasta del digestore, al fine di inoculare la nuova alimentazione e portarla contenuto di umidità appropriato. In Bassano, in Italia, a Valorga il digestore accetta sia rifiuti differenziati che rifiuti grigi [1]. Come si può vedere dal diagramma sotto,, anche i rifiuti differenziati passano attraverso un setaccio primario e un unità magnetica per la rimozione dei metalli. I rifiuti grigi che sono s la frazione inorganicaa dei rifiuti differenziati, sono costituiti principalmente da materiali inorganici. (In effetti, gli organici costituiscono solo il percento di questo materiale e la carta costituisce un ulteriore percento.) I rifiuti grigi passano attraverso unn ulteriore vaglio a tamburo e un separatore densimetrico chee sospende i rifiuti in acqua, rimuovendo lo strato galleggiante nonché le particelle pesanti che cadono sul fondo. Figura : Bassano, Italia diagramma del pre-processo. Adattato A da [1] All'impianto di trattamento delle acque reflue di Treviso i gestori si sono accorti che i digestori anaerobici sono troppo grandi per trattaree soltanto i rifiuti dei fanghi attivi (waste activated sludge WAS), per questo hanno costruitoo un impianto di separazione per separare la frazione organicaa dei RSU da utilizzare per la co-digestione con il fango [2]. Come si può vedere in Figura , i rifiuti passano attraverso un trituratore e un separatore magnetico e, poi in un secondoo trituratoree e vaglio a tamburo, e infine in unn separatoree per densità. I rifiuti ottenuti sono per il 96 % composti da materiali organici e carta, rispetto al 76 % dei i rifiuti in ingresso e considerando anche il fatto che il 24 % dei materiali organici e della carta in entrata vengono persi durante il processo di smistamento. I metalli sono ridotti al 100 %, materie plastiche sono ridotte del 93 %, e il vetro viene ridotto del d 98 % Proprietà e raccolta del letame e degli escrementi Il letame e i liquami di bovini e suini sonoo la materiaa prima di base per la maggior parte delle impianti per la produzione di biogas in Europa. Il tipo di attrezzature e procedure utilizzate per raccogliere e gestire il letame dipende principalmente dalla consistenza o "spessore" del letame. Il termine "contenuto di solidi" o "percentuale di solidi" è spessoo usato per descrivere questa caratteristica nel letame. Diversee tipologie di allevamenti producono letame con differenti percentuali di solidi (http://www.extension.org/pages/31732/farm-energy-anaerobic-digestion-and-biogas).

4 Chapter page 4 Le percentuali di solidi del letame dei suini, e dei bovini da carne e da latte, rientra in un intervallo piuttostoo ristretto (da 10 a 13 % di solidi), mentre la pollina p ha unn contenutoo notevolmente superiore di solidi. Il contenuto di solidi del letame viene spesso modificato attraverso processi come l aggiunta delle lettiere, l essiccazionee del concime su un lotto di superficie, aggiungendo acquaa di lavaggioo o disidratando il concime mediante la separazione di solidi. Il letame solido viene tipicamente prodotto nei sistemi in cui viene aggiunta la lettieree al letame per assorbire l'umidità e migliorare le condizioni ambientali dell area di produzione. Ill letame solido può anche derivare dall essiccazione, per esempio sulla superficie s dii un recinto per l ingrasso del bestiame. Letame solido è normalmente raccolto utilizzando u ruspe, raschiatoi, lame, pale scavatrici o miniescavatori o dispositivi simili. Le dimensioni delle attrezzature variano dalle piccole lame perr trattori da 50 hp o meno alle benne di grandii dimensioni montate su macchinari dedicati alle operazioni perr la raccoltaa di grandi quantità q di letame. Letame semisolidoo viene tipicamente ottenuto nei sistemi in cuii si aggiunge poca lettiera o nulla al letame/urina. Il letame semisolido ha inn genere tra il 5 % e il 15 % di solidi. È più "spesso" del letame liquido, ma non può essere impilato o trattato allo stesso modo del letame solido. La più semplice soluzione di raccoltaa per il letame semisolido è il pavimento con scanalature o perforato con sottoo una vasca di raccolta del letame. In questo contesto il letame cade semplicemente attraverso le aperture del pavimento su cui stanno gli animali e viene raccoto in un serbatoio. Il letame semisolido può anche essere raccolto utilizzando ruspe. In questo caso il letame è di solito confinato in una corsia (stalle( liberee di mucche da latte) o nei canali di scolo (porcilaie coperta) ). Una ruspa si muove lungo la lunghezza del canale di scolo e alla fine deposita il letame in una fossa di recupero o serbatoio. Un altro tipo di dispositivo di raccolta dell letame semisolido utilizza il vuoto per "aspirare" il letame da una superficie di calcestruzzo e depositarloo in un serbatoio. Questo approccio elimina la necessità di pompare il letame in un serbatoio o carro. Il letame semisolido essendo in i parte fluido può essere spostato da pompe appositamente progettate per gestire liquidi densi contenenti corpi solidi e materiale fibroso. Le pompe per letame semisolido sono progettate con giranti di tipo aperto e di solito hanno dispositivi in ingresso alla girante per tagliare o sminuzzare così da minimizzare i problemi di otturamento. Pompe a bassa pressione/ grande volume per letame vengono utilizzate perr riempire i carri- Pompe cisterna e spostare il letame per altri impieghi dove non sono richieste pressioni elevate. ad alta pressione per letame vengono utilizzate per trasportare ill letame attraverso le lunghe condutture e forniscono la pressione necessaria per l impiego dii esso nei campi coltivati. Il liquame contenente 5 per cento o menoo di solidi generalment te risultata dall'aggiuntaa di acqua piovanaa o di lavaggio al letame. Esempi di fonti di acqua per liquami sono laghetti perr il lagunaggio, depositi d acqua e acqua di lavaggio dei caseifici. Un esempio tipico di un sistema di raccolta per il letame liquidoo è la rimozione mediante ricircoloo d acqua superficiale (flushing) di letame proveniente da d una stallaa di mucche da latte. In

5 Chapter page 5 questo ambiente le acque di lavaggio vengono pompate nelle vasche di ricircolo che a loro volta rilasciano l'acqua nelle corsie delle stalle per lavare via il letamee e conferirlo nei depositi. Un'altraa modo per ottenere il letame liquido o diluito consiste nel raccogliere il letamee che defluisce dai lotti di superficie. In questi casi, la maggior parte del d letame solido rimanere sul lotto, oppure viene rimosso dai dispositivi di separazione dei solidi prima che liquame defluisca nei laghetti, nelle lagune per ill lagunaggioo o nei depositi. Il materiale che defluisce quindi contienee in primo luogo particelle fini solide sospesee o discioltee che si traducono in un liquido diluito nel bacino ricevente Proprietà e gestione delle acque reflue e dei fanghi industriali I reattori anaerobici sono stati utilizzati principalmente per il trattamento delle acque reflue r industriali. Ricerche hanno dimostrato che i sistemi anaerobici come c Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB), e Anaerobic Sequencingg Batch Reactor (AnSBR) e il filtro anaerobico (AN) possonoo trattare con successo acque reflue industriali ad alta resistenza, nonché acque reflue di sintesi a bassa resistenza. L'applicazione dei sistemi anaerobici per il trattamento delle acque reflue urbane è finora molto limitata. Il motivo predominante è dato dal fatto che le acque reflue urbanee sono deboli, a basso BOD (Biochemical Oxygen Demand) o COD (Chemical Oxygen Demand) ), per mantenere alta la quantità di biomassa (in forma di granuli - solidi sospesi o film stabili) contenuta nel reattore. r Ci sono, tuttavia, alcuni esempi di successo su scala pilota e su scala s finale. Orozco [3] ha esaminato un reattore r anaerobico su scala finalee deviato (AnBR) per ill trattamento di acque reflue urbane con BOD media di 314 mgo2 /L per un tempo di ri idraulica di 10.3 ore, (velocità di caricamento del materiale organico 0.85 kg/m 3 d) tenzione e ha raggiunto un'efficienza di rimozione del 70 %. Va sottolineato che c il processo è stato eseguito a bassissima temperatura tra i 13 e 15 C. Il trattamento delle acque reflue domestiche in una UASB e due reattori ibridi anaerobici (ANH) è stata condotto da Elmitwalli et al. [3] ad una temperatura di 13 C. Nel pretrattamento delle acque reflue, i reattori ANH hanno rimosso il 64 % del COD totale, valore superiore alla rimozione nei reattori UASB. La maggior parte degli impianti di digestione anaerobica sono operativi o in condizioni di mesofilia (circa 35 C), tuttavia, la maggior parte dei reflui sonoo prima del il trattamento a temperature inferiori a 18 C. Pertanto le acque reflue sono comunemen nte riscaldate prima dell trattamento, consumando così fino al 30 % dell'energia prodotta. L'obiettivo principale è quello di diminuire il costo di trattamento delle acque reflue e di minimizzare la quantità di fanghi prodotti in eccesso. Vi è, tuttavia, un altro aspetto importante che può rendere l utilizzo del d trattamento anaerobico attraentee come primo step per il trattamento dei fanghi urbani o industriale.. È stato dimostrato che molti composti organici difficilmentee (refrattari) biodegradabili possono essere decomposti (almeno a sostanze più semplici) in condizioni anaerobiche. Una diminuzione della temperatura è accompagnata da un cambiamento delle proprietà fisiche e chimiche del refluo, che può influenzare sensibilmente la progettazione ed il funzionamento del sistema di trattamento. Ad esempio, la solubilità dei composti gassosi aumenta quando la

6 Chapter page 6 temperatura scendee sotto i 20 C. Ciò implica che le concentrazioni disciolte di metano, acido solfidrico e idrogeno saranno maggiori nell'effluentee di reattori operanti a temperaturee basse rispetto ai reattori operanti a temperature più elevate. Il notevolee aumento di solubilità di CO 2 indica che un ph leggermente inferiore nel reattore può prevalere in condizioni psicrofile. Trattamento anaerobico delle acque refluee domestiche può anche essere molto interessante e conveniente in paesi dove viene data priorità nel controllo degli scarichi alla rimozione degli inquinanti organici Adattamento del substrato al processo Questa sezione è una recensione basata suu [4]. In linea di principio, tutti i materiali organici possonoo fermentare o essere digerito. Tuttavia, solo substrati omogenei e liquidi possono essere utilizzatii per impianti di base per il biogas. Rifiuti e acque reflue da industrie alimentari di trasformazione sono adatti solo per impianti di base se sono omogenei e in forma liquida. La massima produzione di gas da una data quantità di materiale grezzo dipende dal tipo t di substrato. Il materiale inserito nel processo di produzione di biogas è il substrato (alimento) per i microbi e le sue proprietà hanno una grande influenza sulla stabilità e sull'efficienza del processo. La composizione chimica del substrato è importante sia per la quantità di gas formato che per la qualità del gas. La composizione pregiudica la qualità del residuo ottenuto dalla digestione (digestato), sia in termini di contenuto di nutrienti per le piante sia s per l eventuale contaminazione (metalli, composti organici, organismi patogeni, ecc). La scelta del materiale appropriato dà la possibilità dii influenzare l'esito del processo, massimizzarm re la produzione di energia e produrre una biofertilizzante di buona qualità a Substrati adatti per la produzione di biogas Possonoo potenzialmente esseree utilizzate molte tipologie diversee di materiali organici per la produzione di biogas, probabilmente molti di più rispetto a quelli usati oggi. La principale fonte di materiale organico per la produzione di biogas in diversi paesi è costituito ad oggi dai fanghi provenienti da impianti urbanii di trattamento delle acque reflue.. Altri substrati comunii per la produzione di biogas in impianti di co-digestione comprendono i rifiuti dei i macelli, i rifiuti r delle industrie alimentari e dei mangimi, rifiutii alimentari differenziati e letame. Esempi di altri materiali trattati in questi impianti includono i rifiuti dai disoleatori, olii fritti, i rifiuti provenienti dalle industrie lattiero-casearie e farmaceutich he, i foraggii insilati e rifiuti r di distillazione (residui della produzione di etanolo). In futuro, le diverse d colture energetiche, e i rifiuti provenienti dal settore agricolo sono probabilmente destinati a diventare importanti substrati per la produzione di biogas. Materiali meno comuni, attualmente in corso di valutazione per la produzione di biogas, sono le alghe, l erba, le piume e la biomassa legnosa (es. il salice). La produzione p totale di biogas in Svezia oggi corrisponde ad una produzione di energia di circa 1.3 TWh/anno (in Europa ~ 98 TWh), ma la produzione teorica di energia potenziale da rifiuti domestici, d esclusi i rifiuti da selvicoltura, è considerata di circa 15 TWh/anno [5 ], [6].

7 Chapter page 7 Figure : La percentuale di produzione di biogas da diversi substratii negli impianti svedesi di co-digestione (fanghi di depurazione non inclusi) [5] Scelta di un substrato per un processo di produzione di biogas Diversi materiali organici possono esseree decomposti in biogas in una camera di digestione. Alcuni materiali sono più adatti di altri, ed alcune linee guida generali possono essere prese in considerazione. Tuttavia, parametri di processoo quali il caricamento, la temperatura e il tempo di ritenzione hanno una grande influenza sull efficienza della trasformazione del dato substrato. L andamento di un materiale particolare in un processo di biogas può dipendere anche dal tipo di pre-trattamento che viene applicato e dal suo utilizzo da solo o in i co-digestione con altri materiali. La presenza di sostanze tossiche o di lignina, sostanzee non degradabili per niente in un processoo di biogas, gioca un ruolo fondamentale.

8 Chapter page b L'importanza dei substrati per i microrganismi e per la produzione di gas La composizione di un substrato è molto importante per i microrganismi nel processo di biogas e quindi anche per la stabilità del processo e produzione di gas. Il substrato deve soddisfare le esigenzee nutrizionali dei microrganismi, in termini di apporto dii energia e componentii vari necessari per costruire nuove cellule. Il substrato deve inoltre includere vari componenti necessari per l'attività dei sistemi enzimatici dei microbi, come oligoelemeno nti e vitamine. Nel caso della decomposizione dell materiale organico in un processo di biogas,, anche il rapporto tra carbonioo e azoto (rapporto C/N) è considerato di grande importanza per il processo (Tabella ). Materiali Rapporto C/N Liquami di bovini 6 20 Deiezioni avicole 3 10 Liquami di suini 5 Paglia Erba Patate Barbabietola da zucchero / / 14 foglie della barbabietola Cereali Frutta e verdura 7 35 Rifiuti alimentari misti Rifiuti dei macelli, dei tessuti molli 4 Rifiuti dei macelli, budella Rifiuti alimentari 3 17 Avanzi di distilleria 8 Tabellaa :Rapporto C/N di alcuni materiali che possono essere usatii come substrato per la produzione di biogas. Il rapporto può variare leggermente a seconda della provenienza/allevamentoo di un dato materiale [4] È anche preferibilee usare un substrato nonn troppo diluito, cioè che non contenga troppa acqua in relazione alla quantità del substrato organico. Se il materiale è troppo diluito, e contiene troppo poca materia organica, il rischio è che i microrganism siano lavati via in unn processo continuo. Questo perché il loro tasso di crescita è basso. Il contenuto di acqua corretto dipende dal tipo di processoo usato. Un materiale altamente diluito può essere trattato mediantee varie tecniche per mantenere i microrganismi, per esempio, utilizzando un materiale di supporto o aggiungendo biomassa. Una buona procedura per un processo continuo, usato generalmente più perr i rifiuti solidi, è un valore di solidi (DS) del 7-10 %. Il contenuto di solidi dei fanghi che vengono digeriti in impianti di trattamento delle acque refluee è di solito leggermente inferiore, circa del 4-6 %. Un altro fattore importante è la biodisponibilità del substrato per gli organismi. Sminuzzare il materiale aumenta la sua disponibilità perr i microrganismi che possono p accelerare il processo di formazione di gas e fornire un rendimentoo più elevato.

9 Chapter page 9 La biodegradazionee è valutata a partire dalla produzione di biogas metano ottenuto durante le prove rispetto alla produzione massima teorica. Il protocollo si basa b sulla misura della produzione di metano da un sistema chiuso in cui sono messi in contatto una quantità nota del campione di prova e una quantità nota di microrganismi anaerobi, inseriti inn condizioni favorevoli per la degradazionee del campione. Nella tabella sotto ( ) sono mostrati i potenziali di produzione di metano per alcuni rifiuti agricoli in m 3 di metano per tonnellata di materia prima. Produzione potenziale di Materiale metano (m 3 /t) Liquami bovini 20 Contenuto delle interiora 30 Letame bovino 40 Polpa di patate 50 Rifiuti di birreria 75 Taglio del prato 125 Residui di mais 150 Grassi di macelleria 180 Melassaa 230 Oli usati 250 Rifiuti di cereali 300 Tabellaa : Potenziale di metano dii alcuni (principali) rifiuti agricoli c Influenza dei vari componenti del substrato sul processoo I vari componenti del substrato possono fornire quantità variabili di gas a causa delle differenze nel contenuto energetico. I componenti possono anche influenzare il processo in altri modi. Alcune informazioni generali sono riportate di seguito riguardo alla digestione anaerobica di materiali con un alto contenutoo di proteine, carboidrati o grassi. Sostanze ricche di proteine Molti rifiuti organici contengono proteine, che, come i grassi, sono ricchi inn energia e producono una quantità relativamente altaa di metanoo nel biogas. Esempi di materiali ricchi di proteine sono i rifiuti dei macelli, letame di suini e di pollame e scarti della distillazione dall industriaa dell'etanolo. Altre sostanze come i rifiuti alimentari, contengonoo anche proteine, ma in quantità minori. Le proteine sono costituiti da lunghe l catene di aminoacidi. Ci sono 20 differenti aminoacidi nelle proteine, e la composizione delle catene varia. Tutti gli aminoacidi hanno come in comune la presenza di gruppi amminici (-NH 2 ). In un processo di biogas, durante d l'idrolisi le proteine sono convertite prima di tutto in singoli amminoacidi o peptidi (catene corte di aminoacidi).

10 Chapter page 10 Nella successiva fase, la fermentazione, i legami chimici degli amminoacida di vengono spezzati con conseguente produzione di gruppi amminici sotto forma di ammoniacaa (NH 3 ) o ammonio (NH + 4 ). L'ammoniaca e l ammonio sono in equilibrio tra loro. Quale Q di questi domina dipende fortemente dal ph e dalla temperatura prevalente. Ad alte concentrazioni, l'ammoniacaa (non l ammonio) può uccidere molti organismi. Nel processo di biogas, microrganismi metano- ad aumentare. Questa inibizione provoca l instabilità del processo. produttori sono i primi a essere inibiti quando la concentrazionee di ammoniaca inizia Sostanze ricche di carboidrati I carboidrati sono un nome comune per i vari zuccheri, compresi zuccheri semplici (monosaccaridi) come il glucosio, i disaccaridi (due unità di monosaccaridii uniti come nello zucchero di canna), o catene di zuccheri (polisaccaridi). Il gruppo di polisaccaridi comprende cellulosa, emicellulosa, amido e glicogeno. I materiali di originee vegetale sono substrati tipicamente ricchi di carboidrati. Dal momento che i carboidratii sono, tra loro, molto diversi nellaa loro natura, sono digeriti a ritmi diversi nel processoo del biogas. Zuccheri semplici e disaccaridi vengono scomposti facilmente e molto rapidamente. Questo può sembraree positivo, ma in realtà può portaree a problemii d instabilità dovuti al contenuto crescentee di acidi grassi. L idrolisi e la fermentazione avvengono molto rapidamente per substrati add alto contenuto di zuccheri appena menzionati. Tuttavia, i microbi che producono metano sono a crescita lenta e questo rappresenta il collo di bottiglia dell processo perché essi sono s importanti per degradare gli acidi grassi. La situazione è che batteri metanogeni non possonoo forzare la degradazione degli acidi grassi alla velocità a cui si formano,, per cui questi acidi si accumulano. A causa dell'accumulo di acidi grassi, e poiché i materiali ricchi di carboidrati tendono ad averee scarsa capacità tampone, vi è il rischio di problemi di processo dovuti all aumentoo dell acidità. I materiali con elevato contenuto di zuccheri dovrebbero essere miscelati con altro materiale contenente composti meno digeribili e, preferibilmente, con più azoto al fine di ottenere un processoo equilibrato. Questo per garantiree che le fasi iniziali dell processo non siano troppo veloci. Un'alternativa consiste nell utilizzare un processo in duee fasi, in cuii le fasi di formazione dell acido e della formazione del metano sono separate. Esempii di sostanzee ricche di zuccheri rapidamente biodegradabili comprendonoo le soluzioni di zucchero puro, i frutti, le patate e le barbabietole da zucchero. I polisaccaridi sonoo composti da vari monosaccaridi, e sono anche degradati a tassi molto diversi in un processo di biogas. L'amido è il polisaccaride più comune nei principali alimentii come le patate, il riso e la pasta. È costituito da catene linearii o ramificate di glucosio e viene digerito con relativa facilità nel processo di biogas. Troppo materiale ricco di d amido puòò portare a problemi analoghi a quelli che si hanno con zuccheri semplici, vale a diree che il processo vira all acido". La cellulosa è il composto organico più diffuso sulla terra, e rappresenta quindi un grande potenziale per la produzione di biogas. Tuttavia, è molto più difficile da degradare. La cellulosa è un componente importante nelle pareti cellulari delle piante, ed è costituita da lunghe catene di glucosio. Nella parete cellulare, alcune catene parallele di cellulosa si legano l'una all'altra per

11 Chapter page 11 formare microfibrille. A causaa di questa struttura complessa, la cellulosa non è solubile e quindi risulta di difficile digeribilità. La lignina, che è un composto aromatico con una struttura moltoo complessa, nel processo del biogas non si decompone affatto. L emicellulosa è composta da vare unità di monosaccaridi, non soltantoo da glucosio, e la composizione esatta varia a seconda della sua origine (vale a dire piante diverse hanno emicellulose differenti tra di loro). L emicellulosa si compone anche di polisaccaridi ramificati, il che riduce la sua degradabilità. A causa delle strutture complesse di cellulosa ed emicellulosa, e al fatto che esse sono anche legate l'una all'altra, l idrolisi è la fase che rallenta la velocità di degradazione del materialee vegetale. Gli G enzimi secreti dai microrganismi idrolizzanti hanno difficoltà di "accesso" alla struttura, e la fase d idrolisi è quindi lenta. Nel caso di sostanze ricche di cellulosa quali paglia o insilato, ill pre-trattamento determina la velocità dell idrolisi, e quindi di conseguenza, la velocità di produzione dell gas. L accessibilità e la digestibilità può essere migliorata frantumando il materiale. Più P piccole sono le dimensioni delle particelle, migliore è l accessibilità. Il pre-trattamento chimico, che rompe la struttura cristallina della cellulosa, può aumentare la velocità di degradazione e fornire un rendimento più elevato. Tuttavia, i microrganismi nel processo del biogas sono essi stessi in grado di degradare la cellulosa, dopo un certo tempo. Sostanze grasse Materiali tipicamente grassi che sono attualmente utilizzati nei processi p di produzione di biogas sono i rifiuti dei macelli, i grassi dalle fognature, i rifiuti provenienti dall'industria del latte e gli oli vari, quali oli fritti. Come i materiali ricchi di proteine, i grassi sono molto ricchi di energia e possonoo produrre una grande quantità di gas con un alto contenuto di metano. Tuttavia, i grassi possono anche causare problemi alla stabilità del d processo. I grassi sono costituiti principalmente da acidi grassi e glicerina, e la composizione degli acidi grassi è variabile. Essi sono solitamente classificati come grassi saturi, monoinsaturi o polinsaturi. I grassi saturi si trovano nei prodotti a base di carne e latticini, i grassi polinsaturi, per esempio, si trovano nel pesce e nell olio di mais, mentre i grassi monoinsaturi si trovano negli oli vegetali e nella frutta secca. I grassi saturi hanno un punto di fusione più elevato rispetto ai grassi insaturi, il che li rende meno disponibili per la biodegradazione. Ill pre-trattamento mediante calore può aumentare la digeribilità di questi grassi. I trigliceridi (grassi neutri) sono la tipologia di grasso più comune. In un reattore per la produzione di biogas sono facilmente idrolizzati in acidi grassi a catena lunga (Long Chain Fatty Acids LCFA) e glicerina. La glicerina viene rapidamente trasformata in biogas, mentre la degradazione dei LCFA è più complicata. Un'ulteriore complicazione è data dal fatto che diversi LCFA ad alte concentrazioni, nel processo del biogas, hanno unn effetto inibitorio su molti gruppi di organismi, incluso quelli che producono il metano. Un altro aspetto è che gli acidii grassi a catena lunga hanno proprietà tensioattive e, se le concentrazioni sono troppo alte facilmente formano schiuma. Uno U studio recentementee condotto su 13 impianti di co-digestionee ha mostrato un chiaro legame traa la percentuale di grassi nel

12 Chapter page 12 materiale utilizzato e la presenza di schiuma [7]. E stato anche osservato che comunemente i rifiuti dei macelli o delle fognature formano schiuma sia nel camion cisterna durante ill trasporto del materiale all'impianto che nei serbatoii di miscelazione del substrato. Il problema è stato maggiore nei mesi estivi quando le temperature erano relativamente elevate. La ragione di ciò sta nel fatto che l'idrolisi dei grassi è iniziata prima p che il materiale venisse immesso nel digestore, e questo processo è stato accelerato dallaa temperatura elevata. Durante l'idrolisi, i LCFA sono stati rilasciati, conn conseguente formazione di schiuma. Quando questo materiale è stato aggiunto al reattore, si è verificato un sovraccarico di concentrazione di acidi grassi, causando problemi schiuma. Se gli acidi grassi vengono rilasciati lentamente durante la digestione dei grassi nel processo del biogas, e se non vengono raggiunte eccessive concentrazioni, il rischio di instabilità sii riduce rispetto ai processi caricati istantaneamente con alte quantità di LCFA. Le differenze di composizione tra substrati forniscono quindi variazioni significative nel loro potenziale di metano, come dimostrato dalla seguente tabella dove alcuni rifiuti industriali sono elencati: Tipi di rifiuti Compositione del materiale org. (OM:: Other organic Matter, altra Cont. Organico Resa di metano sostanza organico) (% in peso) (mm /t) Stomacoo & intestini Fanghi diflottazione Oli su bentonite Fanghi di olio di pesce Rifiuti organici domestici Siero Siero (conc) Size water Marmellata Olio di soia /margarina Alcoli metilati 3 Fanghi di depurazione Fanghi di depurazione (conc) Carboidrati, proteine, lipidi % proteine, il resto lipidi % lipidi, il resto OM % lipidi e OM. Carboidrati, proteine, lipidi % lattosio, il resto proteine % lattosio, il resto proteine 70 % proteine, ill resto lipidii 90 % zuccheri, acidi della frutta 90 % oli vegetale Alcoll Carboidrati, lipidi, proteine Carboidrati, lipidi, proteine Disidratati 2 Differenziati 3 40 % di alcol Tabellaa : Produzione potenziale di metano da alcuni rifiuti (soprattutto) industriali e della collettività

13 Chapter page Politiche dell'unione europea sul biogas [8] Il settore del biogas non ha mai suscitato tanta attenzione come oggi. Gli interessi dei funzionari e degli investitori sono stati allontanati con l'introduzione graduale delle restrizioni regolamentari in materia di trattamento dei rifiuti organici e dagli impegni sulle energie rinnovabili fatte f di recente dagli Stati membri dell'unione Europea. Il settore del biogas sta gradualmente abbandonando le sue attività principali di pulizzia e trattamento dei rifiuti per essere coinvoltoo pienamente nella produzione di energia, con così tanto entusiasmo che in alcuni paesii il suo campo d'azione si è esteso all uso di colture energetiche. Nell intera Unione europea, il progresso del settore è alla luce del d sole, dal momento che nel 2009, la crescita di energia primaria ha avuto un ulteriore balzo del 4,3%. La produzione di biogas ha il vantaggio di conciliare due politiche dell'unione europea. In primo luogo è in linea con l'obiettivoo principale della direttiva sulle energie rinnovabili (2009/28/CE) che mira a una quota del 20% di energie rinnovabili del consumo finale di energia entro il Risponde anche agli obiettivi europei di gestione dei rifiuti organici sanciti i nella normativa europea (direttiva 1999/31/CE relativa alle discariche di rifiuti) che richiede agli Stati membri di ridurre la quantità di rifiuti biodegradabilii smaltiti in discarica e di emanaree leggi che incoraggino il riciclaggio dei rifiuti r e il recupero (direttiva 2008/98/CE, relativa ai rifiuti). La metanizzazione è considerata il i miglior metodo da un punto di vista v ambientale per il recupero r di energia dai rifiuti. Queste politiche hanno spinto un certo numero di Stati membri ad incoraggiare la produzione di biogas e hanno istituito sistemi di incentivazione per il pagamento dell energia elettrica (tariffe agevolate in ingresso, certificati verdi, appalti). In un certo numero di paesi, il mercato del biogas è stimolato da incentivi per l'uso delle colture energetiche. Esse mirano a stimolare l'incremento della produzione di energia rinnovabile, mentre tale politica inoltre consente anche alle aziende agricole di ridurre la loro dipendenza energetica e di diversificare il loro reddito in caso di crollo dei prezzi dei cereali, latte o carne. Altri paesi sono dubbiosi circa la compatibilità ambientale nell utilizzazione di colture energetiche come il mais per la metanizzazione, preferendo convertire materiali di rifiuto già esistenti. L'uso del mais come materia prima per la produzione di biogas è particolarmente controversa a causa della grande quantità di acqua e di lavorazioni per la sua coltivazione, le stesse considerazioni valgono per il suo uso come materia prima per bio-carburanti.

14 Chapter page 14 Riferimenti 1 Bolzonella D, Pavan P, Mace S, Cecchi F. Dry anaerobic digestion of differently sorted organic municipal solid waste: a full-scale experience. Waterr Science and Technology, (8) ): Bolzonella D, Battistoni P, Susini S, Cecchi F. Anaerobic codigestion off waste activated sludge and OFMSW: the experiences of Viareggio and Treviso plants (Italy). Water Science and Technology, ( 8): p Orozco A. Pilot and full scale anaerobic treatment of low strength wastewater at sub-optimal temperature (15oC) with a hybrid plugg flow reactor. Proceedings of 8th International Conference on Anaerobic Digestion, Sendai, Japan, : : Schnürer A, Jarvis Å. Microbiologicall Handbook for Biogas Plants. Swedish Waste Management U2009:03 Swedish Gas Centre Report as_plants.pdf 5 Nordberg Å, Edström M et al. Samrötning av vallgrödor ochh hushållavfall. JTI report no 13. quality.net/fileadmin/eac_quality/user documents/3_pdf/microbiological_handbook_for_biog Uppsala Linné M, Ekstrand A et al. Den svenska biogaspotentailen från inhemska restprodukter. Avfall Sverige, Swedish Biogas Association, Swedish Gas Association, A Swedish Water. Lund In Swedish. 7 Albertsson I. Skumning vid Svenska samrötningsanläggningar. Avfall Sverige report B2007: In Swedish. 8 Biogas Barometer. Eurobserv ER. November 2010.

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