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Per affrontare il cambiamento climatico globale e mitigare le emissioni di gas serra, è sempre più importante concentrarsi sull’uso di forme di energia rinnovabile. [1] [2] Sempre più importante è anche la necessità di uno sviluppo sostenibile di creare e utilizzare energie rinnovabili. [3] Questa pagina affronterà questa esigenza attraverso la forma di biogas prodotto attraverso il processo di digestione anaerobica con particolare attenzione ai biodigestori a botte. La biodigestione in barili è una forma di digestione anaerobica di materiali organici utilizzati per creare e raccogliere biogas e può essere facilmente eseguita su scala domestica. Il processo anaerobico avviene in un "barile" (fusto d'acciaio da 55 galloni o simile). I prodotti risultanti da questo tipo di digestione sono principalmente biogas ed effluenti ricchi di sostanze nutritive, ma esistono numerosi altri vantaggi. [4]

Digestione anaerobica

La digestione anaerobica è un processo microbico che avviene in assenza di ossigeno ed è un processo metanogeno. Durante questo processo la materia del carbonio viene metabolizzata per produrre una serie di gas. La digestione anaerobica è un processo relativamente antico, con il primo processo industrializzato avvenuto nel 1859 e la prima raccolta e utilizzo di biogas nel 1895. [5] La digestione anaerobica si trova in molte aree diverse dell'ambiente naturale e ingegnerizzato, inclusi sedimenti, animali intestini e discariche, [6] ed è un metodo collaudato per il trattamento dei rifiuti organici con elevato contenuto di umidità. [7] La ​​materia organica che viene metabolizzata subisce un processo in tre fasi o idrolisi, formazione di acido acetico e produzione di metano. [8] La temperatura ha un grande effetto sulla robustezza del processo anaerobico e sulla velocità con cui viene prodotto il biogas. Le due categorie di temperatura primarie sono mesofila e termofila. [9]

Mesofilo

La digestione mesofila avviene tra i 35 e i 42°C. La digestione anaerobica mesofila è la forma più comune di digestione ed è un sistema più robusto e tollerante rispetto alla digestione anaerobica termofila. [9] [10] È stato dimostrato che i microrganismi mesofili tollerano fluttuazioni di temperatura di +/- 3°C. [4]

Termofilo

La digestione termofila avviene tra i 45 e i 60°C. Nonostante la maggiore sensibilità del sistema rispetto alla digestione mesofila, presenta vantaggi interessanti e potrebbe essere appropriato per determinati scenari. La digestione anaerobica termofila avrà velocità di reazione più rapide, mostrerà un tasso più elevato di distruzione di agenti patogeni e semi di erbe infestanti e produrrà più biogas rispetto ai sistemi mesofili. [9] [4]

Anche il pH del sistema ha un effetto significativo sul processo di digestione. La formazione di metano nella digestione anaerobica avviene tra 6,5 ​​e 8,0, con il range ottimale tra 7,0 e 8,0. Una volta che il pH esce dall’intervallo di produzione del metano, non si verificherà la metanogenesi completa e non verrà prodotto biogas di metano. [4] I prodotti finali di una corretta digestione anaerobica sono un prodotto gassoso, il biogas e un prodotto di scarto solido con un elevato contenuto di nutrienti.

Biogas

Il biogas prodotto attraverso la digestione anaerobica è relativamente inodore, incolore, stabile, non tossico e infiammabile. [10] Nei tipici processi di digestione anaerobica e a seconda della materia prima utilizzata nella digestione, il biogas è costituito da circa il 60% di metano, il 40% di anidride carbonica e piccole quantità di idrogeno solforato e vapore acqueo. [6] La quantità di metano e la quantità di gas prodotta dipendono dal tipo e dalla quantità di materia prima utilizzata, dal tipo di digestione anaerobica utilizzata e dalle condizioni dell'ambiente di digestione. [11] Sebbene esistano numerosi modi per produrre biogas, la produzione tramite digestione anaerobica si è rivelata il metodo più conveniente [7]

Materia prima

La biomassa è la materia organica utilizzata dai digestori anaerobici per produrre biogas ed è prodotta dalle piante attraverso la fotosintesi. La biomassa può essere classificata attraverso molti metodi diversi, ma i quattro tipi principali di biomassa sono: [1]

La materia prima, che viene alimentata al digestore, è composta da biomassa e la qualità della materia prima dipende dalle caratteristiche della biomassa. Il contenuto di umidità e il contenuto volatile della materia prima svolgono un ruolo importante nel determinare la qualità della materia prima. [11] I prodotti organici ad alto contenuto di umidità come frutta, verdura, [12] e canna da zucchero sono particolarmente adatti alla produzione di metano attraverso la digestione anaerobica. Il contenuto volatile è un'indicazione della quantità di gas che verrà prodotta attraverso la digestione. [1] È stato riscontrato che, in alcuni casi, la manipolazione della materia prima aumenta la velocità e il volume del biogas prodotto.

Pretrattamento meccanico

Il pretrattamento dei rifiuti avviene spesso nei digestori anaerobici [13] e gli studi hanno dimostrato una correlazione tra il pretrattamento e l’aumento della resa di biogas. [14] Sebbene non tutti i pretrattamenti siano appropriati per tutte le operazioni di digestione anaerobica, il pretrattamento meccanico è appropriato per la digestione sia nei paesi sviluppati che in quelli in via di sviluppo grazie alla semplicità del processo. Il pretrattamento meccanico consiste semplicemente nel ridurre la dimensione delle particelle che vengono alimentate al digestore, aumentando così la superficie a disposizione dei microrganismi. È stato dimostrato che la riduzione delle dimensioni aumenta la velocità di digestione e aumenta la produzione di gas. [14] Gli studi hanno dimostrato che la riduzione delle particelle di rifiuto può aumentare la produzione di gas fino al 25% [15] e aumentare la riduzione dei solidi del 25%. [16]

Co-digestione

La co-digestione consiste nel mescolare tipi di biomassa primaria per aumentare la velocità e la produzione di biogas attraverso la digestione anaerobica. Ci sono diversi vantaggi della co-digestione, in particolare l’aumento della produzione di biogas e una migliore qualità dei fertilizzanti degli effluenti. [17] Il vantaggio principale della co-digestione risiede principalmente nel fatto che nessuna materia prima individuale è perfetta e la miscelazione delle materie prime consente di minimizzare le imperfezioni bilanciando i nutrienti. [18] Numerosi studi hanno concluso che la co-digestione ha aumentato la produzione di biogas da un digestore anaerobico, con particolare attenzione al letame e alle miscele di rifiuti alimentari [17] [18] [19]

Tempo di conservazione e velocità di caricamento

Il tempo di ritenzione idraulica nel digestore e la velocità di caricamento della materia prima nel digestore sono due fattori facilmente controllabili dall'uomo. Gli studi hanno dimostrato che il tempo di ritenzione e la produzione di gas mostrano una correlazione molto ridotta, mentre la velocità di caricamento e la produzione di gas mostrano una correlazione molto più forte. [20] Sebbene sia possibile determinare un tempo di residenza ideale per un determinato reattore, il tempo dipenderà da ciò che si sta cercando di massimizzare. La produzione di biogas, la resa di metano e la qualità degli effluenti sono tutti massimizzati in tempi di residenza diversi. [21]

Miscelazione

Analogamente al pretrattamento della materia prima, alcune azioni intraprese durante il processo di digestione possono aumentare la produzione di gas. L'azione primaria da intraprendere è la miscelazione del digestore. I vantaggi della miscelazione o dell'agitazione sono triplici; aumenta il contatto tra i microrganismi e il materiale organico, aumenta la facilità del flusso delle bolle verso l'alto e agisce per ridurre le differenze di temperatura all'interno del digestore. [4] Sebbene la miscelazione non sia necessaria per il funzionamento di un digestore, numerosi studi hanno confermato che la miscelazione del digestato aumenta la produzione di gas del digestore [22]

Effluente

Durante il processo di digestione, l'azoto organico contenuto nell'azoto organico viene convertito in ammoniaca ionizzata, una parte fondamentale del 90% dei fertilizzanti a base di azoto. [20] [23] Questa conversione dell'azoto consente di applicare l'effluente direttamente agli impianti con maggiore efficienza. [20] Il processo di digestione anaerobica inattiva anche i semi di piante infestanti, batteri e virus (E.coli, Salmonella), funghi e parassiti presenti nella materia prima. Questa inattivazione è un vantaggio importante della digestione anaerobica se l'effluente viene utilizzato come fertilizzante. [4]

Costruzione

Questa sezione discuterà la costruzione di un biodigestore a barile che funziona come un reattore con serbatoio agitato continuamente piuttosto che come un reattore batch. La digestione anaerobica di un biodigestore a botte avviene all'interno di un fusto d'acciaio da 55 galloni. Di seguito è riportata una guida passo passo per facilitare la costruzione di un biodigestore a barile utilizzando un tamburo superiore fasciato, un tamburo contenente un coperchio rimovibile.

Passaggio 1: rubinetto dell'effluente, tubo di alimentazione, tubo del gas

Innanzitutto è necessario applicare al digestore il rubinetto dell'effluente, il tubo di alimentazione e il tubo del gas. Il tubo di scarico degli effluenti e del gas può essere montato sulle aperture filettate sui rispettivi lati e sulla parte superiore del fusto, mentre il tubo di alimentazione richiede un foro nel coperchio.

Rubinetto degli effluenti

Il rubinetto per effluenti mostrato in Fig. 1 è costituito da una valvola a sfera in PVC da 1" collegata all'attacco filettato da 2" nel cilindro tramite raccordo in PVC. All'interno del fusto è presente un sistema di drenaggio in PVC da 2" con fori praticati al suo interno (Fig. 2).

Tubo del gas

Il tubo del gas mostrato in Fig. 3 è costituito da un foro filettato da 1" sul coperchio della canna collegato a un tubo in ottone da 1/4" che porta al tubo del gas. Il collegamento del tubo in ottone mostrato è dotato di un manometro e due valvole a sfera. A seconda della semplicità desiderata del sistema, è necessaria una sola valvola e consente l'eliminazione di una delle valvole a sfera e del manometro. Un tubo di gomma da 3/8" è collegato al sistema di tubi in ottone su un'estremità e un mandrino ad aria da 1/4" sull'altra. Il mandrino ad aria consente la raccolta e lo stoccaggio del biogas nel pneumatico di una bicicletta o di un'auto.

Tubo di alimentazione

Il tubo di alimentazione consente di aggiungere i rifiuti al digestato consentendo la produzione continua di gas una volta che il digestore è maturo, a differenza di un digestore batch in cui i rifiuti vengono aggiunti a un liquame iniziale e il digestore sigillato fino al termine della produzione di gas. Il tubo di alimentazione consente inoltre di mantenere lo stato anaerobico del digestore durante l'alimentazione grazie alla quantità estremamente ridotta di digestato esposto all'ossigeno durante il processo di alimentazione. Per prima cosa è necessario praticare un foro da 4" nel coperchio. Questo può essere fatto con materiali e conoscenze di saldatura o con un taglierino al plasma. Il tubo di alimentazione mostrato in Fig. 4 è un tubo in PVC da 3" con una lunghezza di 24". il tubo è fissato al coperchio tramite due flange pop-top in PVC 4X3, una su ciascun lato del coperchio. La flangia esterna è coperta con un tappo e un dispositivo di pulizia in PVC da 4" che consente la sigillatura del tubo di alimentazione, come mostrato in Fig. 5. Per ulteriori spiegazioni vedere il video qui sotto. [24]

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Passaggio 2: sigillatura di fori e perdite

Il primo passo nella costruzione è trovare e sigillare eventuali perdite o fori che potrebbero trovarsi nella canna. Per trovare le perdite, riempire il fusto con acqua ed esaminare l'esterno del fusto per individuare eventuali perdite. Se vengono rilevate perdite, contrassegnarne la posizione per riferimento futuro. Dopo aver individuato tutte le perdite, svuotare l'acqua dal fusto e procedere con la sigillatura delle perdite. Le perdite possono essere sigillate con l'applicazione di catrame nella posizione. Continuare a riempire il fusto con acqua e tappare le perdite con catrame finché non se ne trovano più. [25]

Avviare

L'avviamento di un digestore anaerobico è una componente chiave per il successo del digestore. La produzione di gas non raggiungerà il suo pieno potenziale finché il digestore non sarà maturo. Sebbene sia possibile avviare un digestore semplicemente combinando i rifiuti e l'acqua nel digestore e sigillandolo, questo processo richiederà un tempo estremamente lungo per maturare e raggiungere le sue piene capacità. È ormai un luogo comune nella ricerca e nella pratica "seminare" il digestore con gli effluenti di un altro digestore funzionante. [20] [17] [26] L'aggiunta di questo effluente fornirà un blocco di partenza per il digestore e aumenterà la velocità con cui raggiunge la maturità. Il gas prodotto durante questa fase di “avviamento” non avrà le stesse caratteristiche di infiammabilità del gas prodotto da un digestore maturo e non dovrà essere raccolto. È stato precedentemente affermato che la miscelazione è vantaggiosa per un biodigestore maturo, ma lo stesso non si può dire per la fase di avvio. È stato dimostrato che la miscelazione durante la fase di avvio aumenta il tempo impiegato da un nuovo digestore per raggiungere la maturità. [27]

Utilizzo

Come discusso in precedenza, per la produzione di biogas è necessario materiale organico. Poiché il digestore funziona come un reattore a serbatoio continuo, dovrebbe essere alimentato quotidianamente allo stesso tempo. Il tasso di carico dei rifiuti dovrebbe essere compreso tra 1 e 6,8 g/l*giorno. [28] Per mantenere un volume costante, è opportuno prelevare una quantità di effluenti pari al volume dei rifiuti aggiunti. [11] Dopo la maturazione del digestore, la raccolta del gas è pronta per iniziare. La raccolta del gas può avvenire costantemente attraverso l'uso di un mandrino ad aria con bloccaggio sull'apparato di stoccaggio oppure periodicamente quando è necessario il biogas.

Impatto sociale ed economico

Ci sono impatti sociali ed economici significativi della biodigestione sia nei mondi sviluppati che in quelli in via di sviluppo. In entrambi i casi si registrano notevoli sprechi di materia organica e un crescente fabbisogno energetico. Sebbene la digestione anaerobica nel mondo sviluppato avvenga su una scala significativamente più ampia rispetto ai sistemi su scala domestica, i concetti di entrambi sono gli stessi: produrre energia utilizzabile dai rifiuti. Su scala sviluppata, la digestione anaerobica avviene presso impianti di trattamento delle acque reflue, birrifici, aziende agricole commerciali e mercati biologici su larga scala, tutti praticano spesso la digestione anaerobica. [29] [30] [31] Si sta svolgendo un lavoro significativo per portare ulteriormente i biodigestori nel mondo in via di sviluppo. I progetti in Perù e Nepal hanno mostrato impatti significativi dovuti all’introduzione di digestori anaerobici. Sebbene questi progetti non siano certamente replicati in tutto il mondo, vengono eseguiti abbastanza frequentemente con diversi livelli di successo. Questi progetti hanno riscontrato impatti positivi sulla salute derivanti dall’utilizzo di un combustibile per cucinare più pulito, impatti economici dovuti al miglioramento dei rendimenti agricoli, impatti ambientali di tassi di deforestazione inferiori derivanti dal minor consumo di combustibile legnoso e impatti sociali sul fatto che donne e bambini non devono trascorrere grandi quantità di tempo raccogliere legna. [32] [3]

Note e riferimenti

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