Le Bioenergie: dalla depurazione delle acque alla produzione di biocarburanti

Da uno sguardo sull’attuale panorama scientifico risulta evidente il continuo incremento delle attività di ricerca aventi ad oggetto lo studio di nuovi sistemi per la produzione di energia rinnovabile; negli ultimi anni, l’attenzione è stata focalizzata, tra l’altro, sulle tematiche riguardanti la produzione di biocarburanti ed in particolare, la loro produzione dalle acque reflue, campo al quale una unità di ricerca del CIRPS -BIOFUELS & EINEP- sta dedicando particolare interesse. Nello studio che segue, partendo da un’analisi storica dell’evoluzione dei processi a biomassa fissata – dai sistemi a filtri fino alle attuali tecnologie che permettono di produrre biometano – si descrive un nuovo processo a contattori biologici la cui sostenibilità energetica è stata dimostrata grazie all’utilizzo di una particolare tecnologia innovativa italiana che consente un’elevata razionalizzazione dei consumi.

Per facilitare la comprensione dei processi di depurazione delle acque devono evidenziarsi, innanzitutto, le differenze tra le tre categorie nelle quali possono essere suddivisi tali processi: fisici, chimico-fisici, biologici; ciascuno di essi viene utilizzato a seconda del tipo di acqua da trattare e del grado di severità richiesto. Ad esempio, un’acqua che contiene solamente particelle in sospensione può essere trattata con mezzi fisici (decantazione, filtrazione,ecc.). Un’acqua che contiene sostanze disperse o disciolte quali sali minerali deve essere trattata con mezzi chimico-fisici (precipitazione con idonei reagenti chimici). Un’acqua contenente principalmente sostanze organiche viene trattata per via biologica. E’ frequente l’abbinamento di tutte le tre categorie al fine di ottimizzare il ciclo depurativo nel suo complesso. Nelle acque reflue è frequente la contemporanea presenza di acque domestiche e industriali, cosicché tali acque subiscono, dapprima, un trattamento fisico (separazione delle particelle insolubili quali sabbia e detriti vari, separazione degli oli e dei grassi, ecc.); segue un trattamento chimico-fisico onde precipitare metalli pesanti; infine, si procede al trattamento biologico che assicura l’abbattimento di quasi tutte le sostanze organiche presenti. Nella maggioranza dei casi le tre categorie di trattamento non sono intercambiabili, sia per ragioni tecniche sia per ragioni di costo e, pertanto, le scelte processuali sono praticamente obbligate. Naturalmente, nell’ambito di ciascuna categoria, esiste la possibilità di scelta tra processi e apparecchiature differenti, scelte dettate dall’esperienza o dalle preferenze dei progettisti. Per le applicazioni riguardanti la produzione di biofuels risulta estremamente interessante lo studio dei processi biologici e, in particolare, dei sistemi cosiddetti a biomassa fissata. Questi processi riproducono fenomeni naturali in cui microrganismi di diverse specie si nutrono delle sostanze di rifiuto presenti nelle acque, consentendo a queste ultime di essere scaricate liberamente o, eventualmente, recuperate per altri usi. Normalmente, gli impianti di depurazione delle acque richiedono la somministrazione dell’ossigeno necessario al metabolismo dei microrganismi coinvolti (processi aerobi). Esistono anche sistemi metabolici che operano in assenza di ossigeno (processi anaerobi), ma questi sono molto più lenti e sono utilizzati per trattamenti collaterali o nel caso in cui la concentrazione di sostanze organiche di rifiuto sia superiore a quanto normalmente presente nelle acque reflue. Dal punto di vista della sostenibilità energetica vi è da osservare che in tali processi aerobi la somministrazione di ossigeno comporta un elevato dispendio energetico e, pertanto, occorre molta cura nella scelta impiantistica in modo da ottenere risultati adeguati a costi contenuti. Tale problematica non si pone, invece, con riferimento ai processi anaerobi nei quali, infatti, non vi è dispendio energetico in quanto generalmente con essi si produce un biocarburante chiamato biometano (il cosiddetto biogas) che serve a coprire il fabbisogno energetico del processo, oltre a renderne disponibile un certo eccesso impiegabile in usi diversi. Gli impianti a colture fissate utilizzano gli stessi processi metabolici degli impianti a colture sospese (fanghi attivi) ma si differenziano da questi ultimi in quanto le colonie di microrganismi aderiscono su degli appositi supporti posti all’interno della vasca.

L’analisi della storia evolutiva dei processi a biomassa fissata evidenzia la mole di ricerca ed il numero di menti che oramai per due secoli sono state coinvolte datando il 1887 come l’inizio di tale “avventura”. In tale anno, infatti, il Massachussets State Board of Health decise di studiare l’impiego di materiali solidi per ossidare la materia organica: vennero utilizzati dieci filtri in cui si posero vari materiali, tra cui torba, ghiaie e sabbie di varie granulometrie. I risultati furono positivi e venne deciso di costruire un impianto costituito da contenitori in cui venne posta della ghiaia e dalla cui sommità si versavano, a intervalli di venti minuti, i liquami che, scendendo lungo lo strato di ghiaia, subivano un certo grado di depurazione. La tecnica attirò l’attenzione degli Inglesi che la migliorarono ottenendo riduzioni del 75% delle sostanze organiche ossidabili. Negli anni successivi vennero sperimentate e applicate numerose varianti che costituiscono quelli che sono conosciuti ai giorni nostri come ’filtri percolatori’. Questi ultimi, pur presentando indubbi vantaggi, anche economici, sono condizionati da vincoli di processo che non consentono di ottenere il massimo grado di efficienza depurativa. Nel 1921 Buswell iniziò a studiare in dettaglio i processi a ‘contattori biologici’ e nel 1928 concluse che fosse utile evitare la formazione di colonie anaerobie a scapito delle colonie aerobie nonché aumentare le superfici specifiche rispetto al volume delle vasche. Nacquero così i primi sistemi in cui, al posto della ghiaia, furono fissate nelle vasche dei supporti piani di varia foggia sui quali potessero depositarsi le colonie di microrganismi. Il processo si svolgeva in due tempi nei quali si alternavano periodi di riposo a periodi di insufflazione di aria al di sotto delle superfici di contatto. Buswell si rese conto che la biomassa di microrganismi dopo un certo arco temporale andava in parte allontanata perchè raggiungeva una sorta di “maturazione” che rallentava l’efficienza del processo. Pertanto, suggeriva di scuotere periodicamente le superfici di contatto in modo da disporre di biomassa “fresca” in grado di accelerare nuovamente il grado di depurazione. Negli anni ’30< con Hays si svilupparono i contattori in serie (nel 1942 esistevano 63 impianti di questo tipo) ma essendo il processo abbastanza laborioso non si riuscì a dimostrare la sua superiorità rispetto ai sistemi a fanghi attivi. Negli anni ’50, Hartmann, sotto la guida del Professor Popel dell’Università di Stoccarda, valutando la letteratura esistente determinò criticamente i motivi degli scarsi risultati ottenuti con gli impianti a contattori sino ad allora conosciuti: egli decise di costruire i primi contattori a dischi rotanti. Questi erano costituiti da una serie di dischi sufficientemente spaziati tra loro e fissati su di un asse orizzontale sul quale agiva un motoriduttore che consentiva una lenta rotazione. Tali rotori, erano posti in una vasca e immersi per circa il 40% del loro diametro in modo da permetterne l’aerazione e lo scarico della biomassa in eccesso. La spaziatura tra i dischi era tale da assicurare l’ossigenazione e il ricambio della biomassa in eccesso. Hartmann condusse esperimenti con vari stadi di trattamento, ricavandone i dati di carico. Finalmente, il processo a contattori biologici approdò a risultati soddisfacenti e cominciò ad intaccare il predominio dei processi a fanghi attivi. Sulla base dei lavori di Hartmann, la tedesca Stengelin realizzò rotori costituiti da dischi di polistirene espanso dello spessore di 12,5 mm, distanziati ciascuno di 20 mm. La tecnologia risultò così brillante da costituire oggetto di licenza di costruzione negli USA. In quel paese venne dato ulteriore impulso alle ricerche mirate ad ottenere elevate superfici specifiche in quanto i valori dell’epoca si aggiravano sui 100 m2/m3 di rotore. Negli anni ’70 la Società Autotrol depositò un brevetto in cui si illustrava la realizzazione di rotori costituiti da dischi piani alternati a dischi corrugati in modo tale che la superficie fosse più alta: si ottenevano, così, valori compresi tra 127 e 174 mq/mc, a seconda del grado di impaccamento delle corrugazioni e delle distanze tra ogni disco.

Contattore biologico italiano energeticamente sostenibile

Solo nel 1993 è stato messo a punto in Italia dalla DEATEC s.r.l. un contattore biologico rotante non azionato meccanicamente denominato commercialmente “ARCHIMEDE” e di seguito illustrato. La novità di tale processo è costituita dalla nuova progettazione di innovativi contattori caratterizzati da cabalette disposte a schiera parallelamente all’asse di rotazione ed orientate in modo tale da ricevere il flusso di gas proveniente dal basso. In questo modo, si viene a creare una superficie di supporto per una grande quantità di microrganismi che operano quindi in condizioni ideali per utilizzare le sostanze organiche presenti nei liquami.

L’apparecchiatura,originariamente nata per trattamenti aerobici, funziona grazie all’insufflazione di aria al di sotto del contattore che, con i due mozzi terminali, appoggia semplicemente su due supporti a ruota libera.

Quando sono previsti trattamenti di tipo anaerobico, i contattori Archimede vengono alloggiati in vasche chiuse, fuori dal contatto con l’atmosfera. I gas iner ti (anidride carbonica e azoto), che si liberano nelle trasformazioni anaerobiche, costituiscono l’aria nel compito di indurre la rotazione e di tenere in sospensione la massa di microrganismi da allontanare. La biomassa anaerobia che si forma sul supporto plastico si riproduce e si r innova continuamente, mentre le cellule inattive che si sfaldano escono dalla vasca mantenute in sospensione dal gas biologico insufflato. A valle del contattore viene posto un sedimentatore di tipo chiuso nel quale si separano i fanghi in eccesso che possono essere parzialmente riciclati in testa o subire trattamenti di disidratazione. Deve evidenziarsi che i biofilm –che hanno una complessa architettura tridimensionale fatta di microcolonie con uno spessore medio di 20 micron solcate da canali acquosi – sono noti per la loro elevata tolleranza agli ambienti ostili se comparati alle cellule liberamente flottanti nei liquami. La validità di tale affermazione è stata confermata da studi mirati di tossicità nei quali vengono iniettate quantità note di prodotti tossici nel sistema e viene valutata l’attività metabolica residua. Quando sono previsti trattamenti di tipo anaerobico, i contattori Archimede vengono alloggiati in vasche chiuse, fuori dal contatto con l’atmosfera. I gas iner ti (anidride carbonica e azoto), che si liberano nelle trasformazioni anaerobiche, costituiscono l’aria nel compito di indurre la rotazione e di tenere in sospensione la massa di microrganismi da allontanare. La biomassa anaerobia che si forma sul supporto plastico si riproduce e si r innova continuamente, mentre le cellule inattive che si sfaldano escono dalla vasca mantenute in sospensione dal gas biologico insufflato. A valle del contattore viene posto un sedimentatore di tipo chiuso nel quale si separano i fanghi in eccesso che possono essere parzialmente riciclati in testa o subire trattamenti di disidratazione. Deve evidenziarsi che i biofilm –che hanno una complessa architettura tridimensionale fatta di microcolonie con uno spessore medio di 20 micron solcate da canali acquosi – sono noti per la loro elevata tolleranza agli ambienti ostili se comparati alle cellule liberamente flottanti nei liquami. La validità di tale affermazione è stata confermata da studi mirati di tossicità nei quali vengono iniettate quantità note di prodotti tossici nel sistema e viene valutata l’attività metabolica residua.

L’ultimo processo sopra descritto evidenzia la possibilità di produrre biogas e non solo (da recenti studi, infatti, è emersa la possibilità di produrre per mezzo di tale processo anche altri biocarburanti) a partire da substrati liquidi, o resi tali, ricchi di sostanze organiche presenti nelle acque reflue o negli scarichi delle attività agroindustriali. L’efficiente sinergia riscontrata, quindi, tra la depurazione delle acque, la razionalizzazione energetica e la produzione di biocarburanti può costituire un punto di contatto tra imprese ed enti di ricerca di notevole interesse oltre che di utilità per lo sviluppo di progetti mirati al dimensionamento ed alla costruzione in ambito agricolo ed industriale di impianti capaci di produrre in modo sostenibile i biocarburanti sempre più necessari sia al trasporto sia alla produzione di energia elettrica distribuita. L’implementazione di una siffatta filiera dei biocarburanti, dunque, se da un lato va incontro ad una domanda sempre più sostenuta di fonti rinnovabili, destinata ad amplificarsi negli anni a venire, dall’altro garantisce un ritorno economico certo di attività agricole razionali e sostenibili, assicurando una crescita economica nel pieno rispetto delle esigenze ambientali.

 

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