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] Di crescente importanza è anche la necessità di uno sviluppo sostenibile per creare e utilizzare energia rinnovabile. [3] Questa pagina affronterà questa necessità attraverso la forma di biogas prodotto attraverso il processo di digestione anaerobica con enfasi posta sui biodigestori a barile. La biodigestione a barile 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 in 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]
Contenuto
Digestione anaerobica
La digestione anaerobica è un processo microbico che avviene in assenza di ossigeno ed è un processo metanogenico. Durante questo processo la materia carboniosa viene metabolizzata per produrre una serie di gas. La digestione anaerobica è un processo relativamente antico, con il primo processo industrializzato che ha avuto luogo nel 1859 e la prima raccolta e utilizzo del biogas nel 1895. [5] La digestione anaerobica si trova in molte aree diverse dell'ambiente naturale e ingegnerizzato, inclusi sedimenti, intestini animali e discariche, [6] ed è un metodo collaudato per il trattamento di rifiuti organici con elevati contenuti 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 35-42 °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 45-60 °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 una maggiore velocità di distruzione di patogeni e semi di erbacce e produrrà più biogas rispetto ai sistemi mesofili. [9] [4]
Il pH del sistema ha anche un effetto significativo sul processo di digestione. La formazione di metano nella digestione anaerobica avviene tra 6,5 e 8,0, con un intervallo ottimale di 7,0-8,0. Una volta che il pH esce dall'intervallo di produzione di metano, la metanogenesi completa non si verificherà e non verrà prodotto biogas di metano. [4] I prodotti finali di una corretta digestione anaerobica sono un prodotto gassoso biogas e un prodotto di scarto solido con un elevato contenuto di nutrienti.
Biogas
Il biogas prodotto tramite digestione anaerobica è relativamente inodore, incolore, stabile, non tossico e infiammabile. [10] Nei tipici processi di digestione anaerobica ea 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 prodotte 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 che i digestori anaerobici usano per produrre biogas, ed è prodotta dalle piante attraverso la fotosintesi. La biomassa può essere categorizzata attraverso molti metodi diversi, ma i quattro tipi principali di biomassa sono: [1]
La materia prima, che viene immessa nel 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 adatti alla produzione di metano tramite digestione anaerobica. Il contenuto volatile è un'indicazione della quantità di gas che verrà prodotto tramite digestione. [1] Si è scoperto che la manipolazione della materia prima, in alcuni casi, aumenta la velocità e il volume del prodotto biogas.
Pretrattamento meccanico
Il pretrattamento dei rifiuti avviene frequentemente nei digestori anaerobici [13] e gli studi hanno dimostrato una correlazione tra pretrattamento e aumento delle rese 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 le dimensioni delle particelle che vengono immesse nel digestore, il che aumenta la superficie disponibile per i 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 rifiuti può aumentare la produzione di gas fino al 25% [15] e aumentare la riduzione dei solidi del 25%. [16]
Co-gestione
La codigestione consiste nel mescolare tipi di biomassa primaria per aumentare la velocità e la produzione di biogas tramite digestione anaerobica. La codificazione presenta diversi vantaggi, in particolare l'aumento della produzione di biogas e il miglioramento della qualità dei fertilizzanti dell'effluente. [17] Il vantaggio principale della codigestione risiede principalmente nel fatto che nessuna materia prima è perfetta e la miscelazione delle materie prime consente di ridurre al minimo le imperfezioni bilanciando i nutrienti. [18] Numerosi studi hanno concluso che la codigestione 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 ritenzione 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 bassa, mentre la velocità di caricamento e la produzione di gas mostrano una correlazione molto più forte. [20] Mentre è 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 dell'effluente sono tutte massimizzate a diversi tempi di residenza. [21]
Miscelazione
Analogamente al pretrattamento della materia prima, alcune azioni intraprese durante il processo di digestione possono aumentare la produzione di gas. L'azione principale 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 ascendente delle bolle e agisce per ridurre le differenze di temperatura in tutto il 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 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 alle piante con maggiore efficienza. [20] Il processo di digestione anaerobica inattiva anche semi di erbacce, batteri e virus (E. coli, Salmonella), funghi e parassiti che erano nella materia prima. Questa inattivazione è un importante vantaggio 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 a vasca agitata in modo continuo anziché come un reattore discontinuo. La digestione anaerobica di un biodigestore a barile avviene all'interno di un tamburo di acciaio da 55 galloni. Di seguito è riportato una guida passo passo per facilitare la costruzione di un biodigestore a barile utilizzando un tamburo superiore a bande, un tamburo contenente un coperchio rimovibile.
Fase 1: Rubinetto dell'effluente, tubo di alimentazione, tubo del gas
Per prima cosa, il rubinetto dell'effluente, il tubo di alimentazione e il tubo flessibile del gas devono essere applicati al digestore. Lo scarico dell'effluente e il tubo flessibile del gas possono essere montati sulle aperture filettate sul rispettivo lato e sulla parte superiore del barile, mentre il tubo di alimentazione richiede un foro da tagliare nel coperchio.
Rubinetto di scarico
Il rubinetto di scarico mostrato in Fig. 1 è costituito da una valvola a sfera in PVC da 1" collegata al collegamento filettato da 2" nel barile tramite giunto in PVC. All'interno del barile, un sistema di drenaggio in PVC è costruito in PVC da 2" con fori praticati (Fig. 2).
Tubo flessibile del gas
Il tubo flessibile del gas mostrato nella Fig. 3 è costituito da un foro filettato da 1" sul coperchio del barile collegato a un tubo di ottone da 1/4" che conduce al tubo flessibile del gas. Il collegamento del tubo di ottone mostrato presenta un manometro e due valvole a sfera. A seconda della semplicità desiderata del sistema, è necessaria solo una 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'altro. Il mandrino ad aria consente la raccolta e lo stoccaggio del biogas in uno pneumatico di bicicletta o di auto.
sondino nasogastrico
Il tubo di alimentazione consente di aggiungere i rifiuti al digestato, consentendo una produzione continua di gas una volta che il digestore è maturato, a differenza di un digestore batch in cui i rifiuti vengono aggiunti a una poltiglia di avviamento e il digestore sigillato fino a quando la produzione di gas cessa. Il tubo di alimentazione consente inoltre di mantenere lo stato anaerobico del digestore durante l'alimentazione a causa della quantità estremamente piccola di digestato esposto all'ossigeno durante il processo di alimentazione. Innanzitutto è necessario tagliare un foro da 4" nel coperchio. Ciò può essere fatto con materiali e conoscenze di saldatura o un taglierino al plasma. Il tubo di alimentazione mostrato nella Fig. 4 è un tubo in PVC da 3" con una lunghezza di 24 cm. ". Il tubo di alimentazione è attaccato al coperchio da due flange pop top in PVC 4X3, su ciascun lato del coperchio. La flangia esterna è coperta con un tappo e una pulizia in PVC da 4", consentendo la sigillatura del tubo di alimentazione , come mostrato nella Fig. 5. Per ulteriori spiegazioni, vedere il video qui sotto. [24]
Fase 2: Sigillatura di fori e perdite
Il primo passo nella costruzione è trovare e sigillare eventuali perdite o buchi che potrebbero esserci nel barile. Per trovare le perdite, riempire il tamburo con acqua ed esaminare l'esterno del tamburo per eventuali perdite. Se si trovano perdite, contrassegnare la posizione per riferimento futuro. Dopo aver identificato tutte le perdite, svuotare l'acqua dal tamburo e procedere con la sigillatura delle perdite. Le perdite possono essere sigillate con l'applicazione di catrame nella posizione. Continuare a riempire il tamburo con acqua e rattoppare le perdite con catrame fino a quando non se ne trova più nessuna. [25]
Avviamento
L'avvio di un digestore anaerobico è un componente chiave per il successo del digestore. La produzione di gas non raggiungerà il suo pieno potenziale finché il digestore non sarà maturo. Mentre è possibile avviare un digestore semplicemente combinando rifiuti e acqua nel digestore e sigillandolo, questo processo richiederà un tempo estremamente lungo per maturare e raggiungere le sue piene capacità. È ormai comune nella ricerca e nella pratica "seminare" il digestore con effluenti da 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 "avvio" non avrà le stesse caratteristiche di infiammabilità del gas prodotto da un digestore maturo e non dovrebbe 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 necessario a un nuovo digestore per raggiungere la maturità. [27]
Utilizzo
Come discusso in precedenza, per produrre biogas è necessario materiale organico. Poiché il digestore funziona come un reattore a serbatoio continuo, dovrebbe essere alimentato quotidianamente alla stessa ora. Il tasso di carico dei rifiuti dovrebbe essere compreso nell'intervallo 1-6,8 g/L*giorno. [28] Per mantenere un volume costante, dovrebbe essere prelevata una quantità di effluenti pari al volume di rifiuti aggiunti. [11] Dopo la maturazione del digestore, la raccolta del gas è pronta per iniziare. La raccolta del gas può avvenire costantemente tramite l'uso di un mandrino ad aria di bloccaggio sull'apparato di stoccaggio o periodicamente quando è necessario il biogas.
Impatto sociale ed economico
Ci sono significativi impatti sociali ed economici della biodigestione sia nei paesi sviluppati che in quelli in via di sviluppo. In entrambi i casi ci sono significativi sprechi di materiali organici e crescenti esigenze energetiche. Mentre la digestione anaerobica nel mondo sviluppato avviene su una scala significativamente più grande rispetto ai sistemi domestici, 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, birrerie, aziende agricole commerciali e mercati biologici su larga scala, tutti praticano frequentemente la digestione anaerobica. [29] [30] [31] Si sta svolgendo un lavoro significativo per portare ulteriormente i biodigestori nei paesi in via di sviluppo. Progetti in Perù e Nepal hanno mostrato impatti significativi all'introduzione di digestori anaerobici. Mentre questi progetti non vengono certamente replicati in tutto il mondo, vengono eseguiti abbastanza frequentemente con vari livelli di successo. Questi progetti hanno rilevato impatti positivi sulla salute derivanti dall'uso di un combustibile per cucinare più pulito, impatti economici dovuti a migliori rese agricole, impatti ambientali derivanti da tassi di deforestazione più bassi derivanti da un minor consumo di combustibile da legna e impatti sociali sulle donne e sui bambini che non devono dedicare molto tempo alla raccolta della legna. [32] [3]
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