10.4 Trattamenti anaerobici

La digestione anaerobica (AD) è stata a lungo utilizzata per la stabilizzazione e la riduzione del processo di massa dei fanghi, principalmente a causa della semplicità di funzionamento, dei costi relativamente bassi e della produzione di biogas come potenziale fonte di energia. La rappresentazione stechiometrica generale della digestione anaerobica può essere descritta come segue:

$CNHaob+ (n-a/4-b/2)\ cdot H_2O\ rarr (n/2-a/8+b/4)\ cdot CO_2+ (n/2+a/8-b/4)\ cdot CH4 $ (10.4)

Equazione 10.4 Bilancio di massa generale del biogas (Marchaim 1992).

E la concentrazione teorica di metano può essere calcolata come segue:

$ [CH_4] =0.5+ (a/4+b/2) /2n$ (10.5)

Equazione 10.5 Concentrazione teorica prevista di metano nel biogas (Marchaim 1992).

I prodotti finali di AD sono principalmente materiali inorganici (ad esempio minerali), composti organici leggermente degradati e biogas che sono generalmente composti da metano (CHsub4/sub) e anidride carbonica (COsub2/sub), con solo piccoli livelli (\ 1%) di idrogeno solforato (H<sub2/subs) e azoto ammoniacale totale (NHsub3/ SubSUP+/SUP/NH4SUP+/SUP) (Appels et al. 2008).

Fig. 10.4 Schema schematico che mostra la degradazione anaerobica della materia organica basata su Garcia et al. (2000)

Durante il processo di AD, il fango organico subisce notevoli cambiamenti nelle sue proprietà fisiche, chimiche e biologiche e schematicamente può essere suddiviso in quattro fasi (Fig. 10.4). Il primo stadio è l’idrolisi, dove sostanze organiche complesse come lipidi, polisaccaridi, proteine e acidi nucleici degradano in sostanze organiche solubili (zuccheri, amminoacidi e acidi grassi). Questo passaggio è generalmente considerato un limite di velocità (Deublein e Steinhauser 2010). Nella seconda fase dell’acidogenesi, i monomeri formati nel primo passo si dividono ulteriormente, e gli acidi grassi volatili (VFA) sono prodotti da batteri acidogeni (fermentativi) insieme a ammoniaca, COsub2/sub, Hsub2/subs e altri sottoprodotti. Il terzo passo è l’acetogenesi, dove il VFA e gli alcoli vengono ulteriormente digeriti dagli acetogeni per produrre principalmente acido acetico, così come COsub2/sub e Hsub2/sub. Questa conversione è controllata in larga misura dalla pressione parziale di Hsub2/sub nella miscela. L’ultimo passo è la metanogenesi in cui il metano è prodotto principalmente da due gruppi di batteri metanogeni: l’archea acetotrofico, che divide l’acetato in metano e COsub2/sub, e l’archea idrogenotrofico, che utilizzano l’idrogeno come donatore di elettroni e l’anidride carbonica come accettore di elettroni per produrre metano (Appels et al. 2008).

Vari fattori come pH dei fanghi, salinità, composizione minerale, temperatura, velocità di carico, tempo di ritenzione idraulica (HRT), rapporto carbonio-azoto (C/N) e contenuto di acidi grassi volatili influenzano la digeribilità dei fanghi e la produzione di biogas (Khalid et al. 2011).

Fig. 10.5 Schema di un reattore a coperta di fanghi anaerobici a flusso ascendente (UASB)

Il trattamento dei fanghi anaerobici della RAS è iniziato circa 30 anni fa con relazioni sui fanghi provenienti da RAS d’acqua dolce (Lanari e Franci 1998) seguite da relazioni sui mari (Arbiv e van Rijn 1995; Klas et al. 2006; McDermott et al. 2001) e sulle operazioni delle acque salmastre (Gebauer e Eikebrokk 2006; Mirzoyan et al. 2008). Recentemente è stato suggerito l’uso di UASB (Fig. 10.5) per l’AD dei fanghi RAS seguiti dalla produzione di biogas come fonte alternativa di energia (Mirzoyan et al. 2010). Il reattore è costituito da un serbatoio, parte del quale è riempito con una coperta di fanghi granulari anaerobici contenente la specie di microrganismi attivi. I fanghi fluiscono verso l’alto attraverso una «coperta microbica» dove vengono degradati dai microrganismi anaerobici e si produce biogas. Un colono di cono rovesciato nella parte superiore del digestore permette la separazione tra gas e liquidi. Quando il biogas viene rilasciato dal floc, viene orientato nel cono dai deflettori da raccogliere. Una lenta miscelazione nel reattore deriva dal flusso verso l’alto associato al movimento naturale dei flocs microbici attaccati alle bolle di biogas. Ad un certo punto, il floc lascia la bolla di gas e si deposita indietro permettendo all’effluente di essere privo di TSS, che può quindi essere riciclato nel sistema o rilasciato. I principali vantaggi dell’UASB sono i bassi costi operativi e la semplicità di funzionamento, garantendo al contempo un’elevata efficienza di rimozione solida (\ > 92%) per rifiuti a basso contenuto di TSS (1— 3%) (Marchaim 1992; Yogev et al. 2017).

Due recenti studi di casi hanno dimostrato l’uso di UASB come trattamento per solidi nelle RAS marine e saline su scala pilota, che forniscono un esempio dei potenziali vantaggi di questa unità in acquaponica (Tal et al. 2009; Yogev et al. 2017). Uno sguardo dettagliato sul bilancio del carbonio ha suggerito che circa il 50% del carbonio introdotto (dal mangime) è stato rimosso dall’assimilazione e dalla respirazione dei pesci, il 10% è stato rimosso dalla biodegradazione aerobica nel bioreattore di nitrificazione e il 10% è stato rimosso nel reattore di denitrificazione (Yogev et al. 2017). Pertanto, nel reattore UASB è stato introdotto complessivamente circa il 25% di carbonio, di cui il 12,5% è stato convertito in metano, il 7,5% in COsub2/sub e il resto (\ ~ 5%) è rimasto come carbonio non degradabile nell’UASB. In sintesi, è stato dimostrato che l’uso di UASB ha permesso un migliore ricircolo dell’acqua (\ > 99%), una produzione minore (\ 8%) di fanghi rispetto alle RAS tipiche che non dispongono di trattamento solido in loco e un recupero di energia che può rappresentare il 12% del fabbisogno energetico complessivo della RAS. Va notato che l’uso di UASB in acquaponica consentirà anche un significativo recupero fino al 50% in più di sostanze nutritive come azoto, fosforo e potassio poiché vengono rilasciati nell’acqua a seguito della biodegradazione solida (Goddek et al. 2018).

Il bioreattore a membrana anaerobica (ANMBR) è una tecnologia più avanzata. Il processo principale consiste nell’utilizzare una membrana speciale per separare i solidi dal liquido invece di utilizzare un processo di decantazione come in UASB. La fermentazione dei fanghi avviene in un semplice serbatoio anaerobico e gli effluenti lo lasciano attraverso la membrana. A seconda delle dimensioni dei pori della membrana (scendendo a 0,1—0,5 μm), possono essere mantenuti anche i microrganismi. Esistono due tipi di bioreattore a membrana: uno utilizza una modalità a flusso laterale all’esterno del serbatoio e l’altro ha l’unità a membrana immersa nel serbatoio (Fig. 10.6), quest’ultimo è più favorevole nell’applicazione ANMBR grazie alla sua configurazione più compatta e al minor consumo energetico (Chang 2014). Le membrane di materiali diversi quali ceramica o polimerica (ad esempio fluoruro di polivinilidene (PVDF), polietilene, polietersulfone (PES), cloruro di polivinile (PVC)) possono essere configurate come piastre e telaio, unità di fibra cava o tubolari (Gander et al. 2000; Huang et al. 2010). AnMBR presenta numerosi vantaggi significativi rispetto ai reattori biologici tipici, come l’UASB, vale a dire il disaccoppiamento del tempo di ritenzione dei fanghi (lungo) e del tempo di permanenza idraulica (HRT) (breve), consentendo di superare il problema della lenta cinetica del processo AD; qualità degli effluenti molto elevata in cui la maggior parte dei nutrienti rimangono; e la rimozione di agenti patogeni e una piccola impronta (Judd e Judd 2008). Inoltre, una produzione efficiente di biogas nell’ANMBR può portare a un bilancio energetico netto.

Fig. 10.6 (a) MBR a flusso laterale con un’unità di filtrazione separata con il fluido trattenuto riciclato al bioreattore; (b) MBR sommerso: unità di filtrazione integrata nel bioreattore. (Gander et al. 2000)

Sebbene questa tecnologia meriti molta attenzione e ricerca, va notato che, poiché si tratta di una tecnologia abbastanza nuova, ci sono ancora diversi inconvenienti significativi che devono essere affrontati prima che l’ANMBR venga adottato dall’industria dell’acquacoltura. Questi sono gli elevati costi operativi dovuti alla manutenzione della membrana per prevenire il biofouling, lo scambio regolare delle membrane e l’elevata frazione CO<sub2/sub (30— 50%) nel biogas che ne limita l’utilizzo e contribuisce all’emissione di gas serra (Cui et al. 2003). A titolo positivo, nel prossimo futuro saranno sviluppate nuove tecniche di prevenzione del biofouling, mentre il costo della membrana diminuirà sicuramente con l’uso più ampio di questa tecnologia. La combinazione di un UASB con un reattore a membrana per filtrare l’effluente UASB è stata studiata con successo per rimuovere carbonio organico e azoto (An et al. 2009). Questa combinazione sembra un’opzione promettente per l’acquaponica per l’uso sicuro e sanitario degli effluenti UASB.

10.4.1 Implementazione

Una possibile soluzione di attuazione dei reattori anaerobici è in modo sequenziale (cfr. anche cap. 8). Una combinazione «pH elevato — basso pH» consente di raccogliere metano (riducendo così il carbonio) nella prima fase di pH elevato e mobilitare i nutrienti nei fanghi decarbonizzati in un ambiente successivo a basso pH. Il vantaggio di questo metodo è che la riduzione del carbonio in condizioni di pH elevato si traduce in un minor numero di VFA, che può verificarsi durante il secondo passo a basso pH (Fig. 10.7). Questo approccio consente anche la co-digestione della materia vegetativa verde (cioè da qualsiasi raccolta di piante, ci saranno rifiuti vegetativi che potrebbero essere messi attraverso un tale digestore) per aumentare sia la produzione di biogas che il recupero di nutrienti dallo schema generale.

Un’altra possibilità di integrazione tecnica è stata presentata da Ayre et al. (2017). Propongono di scaricare l’effluente di un digestore anaerobico ad alto pH in uno stagno di coltura algale. All’interno di tale stagno vengono coltivate alghe la cui biomassa può essere utilizzata per l’alimentazione animale — acquacoltura o per la biofertilizzazione (fig. 10.8). Informazioni più dettagliate su questo approccio possono essere trovate in cap. 11.

Fig. 10.7 Sistema anaerobico a due stadi. Nella prima fase (pH elevato), il carbonio sarà rimosso dai fanghi come biogas, mentre il pH basso nella seconda fase consente ai nutrienti che sono intrappolati nei fanghi di dissolversi nell’acqua. Di solito, gli acidi grassi volatili (VFA) si formerebbero in ambienti a basso pH. La rimozione della fonte di carbonio nella prima fase, tuttavia, limita la produzione di VFA in tale configurazione sequenziale

Fig. 10.8 Sistema di digestione anaerobica integrato con acquacoltura e coltura algale basato su Ayre et al. (2017)