DIGESTIONE ANAEROBICA: ASPETTI MICROBIOLOGICI E AMBIENTALI

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1 DIGESTIONE ANAEROBICA: ASPETTI MICROBIOLOGICI E AMBIENTALI M. Petruccioli Dipartimento per l Innovazione nei sistemi Biologici, Agro-alimentari e Forestali (DIBAF), Università della Tuscia, Viterbo. petrucci@unitus.it 1 arpaworkshop - Bastia, 12 Ottobre 2016

2 E sempre più importante considerare i sottoprodotti, residui, surplus, rifiuti e reflui come un risorsa che deve essere riutilizzata, valorizzata e gestita in modo ottimale Green economy Economia circolare Bioraffinerie

3 Valori medi delle quantità (mt, milioni di tonnellate) di residui agricoli per uso alimentare non utilizzati in Italia Pianta Residuo Quantità (in secco) (mt) Frazione utilizzata (%) Quantità non utilizzata (mt) Grano tenero Paglia Grano duro Paglia Orzo Paglia Avena Paglia Mais Paglia Mais Stocchi Riso Paglia Girasole Stocchi e paglia Legumi da granella Steli e foglie Soia da granella Steli e foglie Barbabietola da zucchero Foglie e colletto Patata Steli e foglie Pomodoro Steli e foglie Cavolo Steli e foglie Vite Sarmenti Olivo (tronchi) Potatura Olivo (rami) Potatura Melo Potatura Pero Potatura Pesco Potatura Limone Potatura

4 Esempi di rifiuti vegetali e dell industria alimentare in varie Nazioni Nazione Quantità (tonnellate/anno) e tipo di rifiuto t/a rifiuti organici dall industria di trasformazione della patata, frutta e verdura Germania t/a malto e luppolo spenti (ind. birraria) t/a residui grezzi fibrosi (ind. zucchero) t/a residui dalla produzione dei succhi di mela Belgio t/a rifiuti di frutta, verdura e giardini t/a vinacce, vinaccioli e raspi t/a sansa di olive t/a gusci di mandorla Italia t/a gusci di nocciola t/a bucce e semi di pomodoro t/a tegumento dei semi di soia t/a tegumenti dei semi di girasole Spagna > t/a sansa di olive t/a vinacce, vinaccioli e raspi in California 9525 t/a residui dalla produzione dei succhi di mirtillo USA t/a gusci di mandorla t/a bucce d arancia in Florida Portogallo t/a bucce e semi di pomodoro EU t/a polpa di barbabietola

5 Reflui agro-industriali Carico inquinante di alcuni reflui BOD 5 (mg/l) Reflui zootecnici Liscivi solfitici Reflui di distilleria Acque di vegetazione delle olive Siero di latte Reflui di caseificio Acque reflue di cantina Acque reflue di mattatoio

6 La digestione anaerobica di matrici organiche miste (co-digestione) può garantire: Significativa riduzione del carico inquinante (fino al 95% del BOD 20 di reflui); Limitata mineralizzazione della sostanza organica; Ottenimento di biogas da cui ricavare biometano o energia; Riuso del digestato che può rappresentare una risorsa per la fertilità dei suoli

7 Digestione anaerobica (DA) Processo microbico che avviene naturalmente in ambiente anaerobico (es. rumine, intestino, paludi, stagni, ecc.) E da tempo utilizzato, insieme al trattamento aerobico, nel trattamento dei reflui Entrambi i trattamenti sono storicamente applicati anche per igienizzare i reflui e/o i fanghi di depurazione

8 Il microbiota/microbioma è in equilibrio con le condizioni ambientali/condizioni di processo

9 La digestione anaerobica, pur essendo una tecnologie consolidata, è oggetto di numerosi studi

10 Digestione anaerobica ed impatto ambientale Odori sgradevoli (materiali/reflui conferiti) Uso di bio-filtri a compost o bio scrubber Gas da combustione Il biometano è l idrocarburo più pulito Non c è particolato né rilascio di composti pericolosi Produzione di biometano (in alternativa alla energia elettrica) Residui azotati e componenti recalcitranti nel digestato liquido e solido (fanghi) Possibili percolati Riciclo dei percolati in tasta all impianto Processi di DA a secco Microrganismi?

11 Dopo decenni di uso della digestione anaerobica nasce il sospetto: Si possono liberare microrganismi dannosi? Batteri enterici es., Salmonella spp., Escherichia coli, Enterococcus spp., Campylobacter spp., Yersinia spp. Batteri sporigeni ambientali La maggior parte delle specie di Clostridium sono innocue ma se ne conoscono di dannose o patogene es., Clostridium butyricum e C. tyrobutyricum (gonfiore dei formaggi) es., C. tetani (responsabile del tetano) es., C. botulinum e C. perfringens (naturalmente diffusi nel suolo e in molti ambienti, responsabili di tossinfezioni alimentari)

12 Destino dei batteri enterici La letteratura scientifica è concorde nel dire che sia la digestione anaerobica (DA) come i trattamenti aerobici (TA) riducono drasticamente la loro concentrazione anche se si parte da reflui civili (TA), di mattatoi (DA) e zootecnici (DA). salmonelle, E. coli, streptococchi, stafilococchi, erano inattivati in 24 ore di digestione anaerobica in termofilia; in mesofilia

13 Effetto sanitizzante della concentrazione di ammonio Importanza del rapporto C/N iniziale: Deve essere 20-30

14 Destino dei Clostridium spp. La loro presenza nel digestato dipende dalla loro concentrazione nella materia prima (es. insilati o reflui) e dalle condizioni del processo Numerosi studi riportano concentrazioni molto basse di clostridi e, inoltre, spesso si tratta di clostridi ambientali non riconducibili a ceppi patogeni Parametri di processo che riducono la concentrazione di clostridi: - termofilia - alta produzione di biogas - processi discontinui - ph più acido (scelta della materia prima) - aggiunta di acidi grassi volatili - uso di opportuni inoculi (fanghi da altri impianti)

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16 E stata studiata la flora microbica derivante da bio-digestione di reflui zootecnici (da bestiame e maiali) in processi condotti in mesofilia o termofilia Sono stati impiegati approcci metodologici che permettono di indagare anche tra i microrganismi cosiddetti non-coltivabili

17 Conclusione Non sono stati individuati ceppi riconducibili a ceppi e/o specie patogene appartenenti al Gen. Clostridium in ciascuna delle 4 condizioni studiate.

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19 Quali strategie adottare per azzerare/minimizzare il rischio? Utilizzare materia prime a basso contenuto in clostridi Utilizzare inoculi appropriati in fase di avvio Completare il trattamento del digestato: - frazione solida attraverso: - compostaggio # riduce la concentrazione della microflora anaerobica # stabilizza la sostanza organica (umificazione) - pirolisi/torrefazione con ottenimento di BIOCHAR - frazione liquida..

20 La pirolisi/torrefazione condotta a diverse condizioni di processo garantisce: - igienizzazione del digestato; - ottenimento di biochar (utile come ammendante, nel biorisanamento di siti contaminati, nel trattamento di reflui, ecc.); - combustione pulita con rilascio di CO 2 limitata - liquidi che possono essere riciclati nel digestore

21 Quali strategie adottare per azzerare/minimizzare il rischio? Utilizzare materia prime a basso contenuto in clostridi Utilizzare inoculi appropriati in fase di avvio Completare il trattamento del digestato: - frazione solida attraverso: - compostaggio # riduce la concentrazione della microflora anaerobica # stabilizza la sostanza organica (umificazione) - pirolisi/torrefazione con ottenimento di BIOCHAR (ammendante) - frazione liquida..

22 Quali strategie adottare per azzerare/minimizzare il rischio? La frazione liquida può essere gestita attraverso: Lagunaggio con lenta riduzione del carico inquinante e oculato impiego nella fertirrigazione. Recupero dell azoto: stripping, ottenimento di (NH 4 ) 2 SO 4 o di struvite (fosfato idrato di ammonio e magnesio) Ricircolo del digestato liquido nel caso di trattamento anaerobico della FORSU o di residui ad alto contenuto in solidi sospesi Trattamento aerobico che: # riduce la conc. della microflora batterica (per predazione) # riduce il carico inquinante residuo dopo la digestione # ossida l azoto a nitrato (ATTENZIONE!!) (NH 4 )MgPO 4 6(H 2 O)

23 CONCLUSIONI L adozione di procedure che portano a buone efficienze di conversione in biogas è garanzia di adeguata qualità igienico-sanitaria. L alimentazione dell impianto deve essere stabile nel tempo e eventuali variazioni vanno introdotte gradualmente. Puntare su biomasse di scarto/rifiuti o reflui che garantiscono una certa continuità. Prediligere processi di co-digestione ottimizzando il rapporto C/N (20-30)

24 Grazie per l attenzione (petrucci@unitus.it)

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