DIGESTIONE ANAEROBICA: ASPETTI MICROBIOLOGICI E AMBIENTALI M. Petruccioli Dipartimento per l’Innovazione nei sistemi Biologici, Agro-alimentari e Forestali (DIBAF), Università della Tuscia, Viterbo. [email protected] 1° arpaworkshop - Bastia, 12 Ottobre 2016 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 Valori medi delle quantità (mt, milioni di tonnellate) di residui agricoli per uso alimentare non utilizzati in Italia Pianta Grano tenero Grano duro Orzo Avena Mais Mais Riso Girasole Legumi da granella Soia da granella Barbabietola da zucchero Patata Pomodoro Cavolo Vite Olivo (tronchi) Olivo (rami) Melo Pero Pesco Limone Residuo Paglia Paglia Paglia Paglia Paglia Stocchi Paglia Stocchi e paglia Steli e foglie Steli e foglie Foglie e colletto Steli e foglie Steli e foglie Steli e foglie Sarmenti Potatura Potatura Potatura Potatura Potatura Potatura Quantità (in secco) (mt) 2.1 2.1 1.1 0.2 3.1 0.6 0.6 0.3 0.2 0.9 0.9 0.3 0.02 0.3 1.5 0.3 0.9 0.1 0.05 0.1 0.2 Frazione utilizzata (%) 40-60 40-60 40-60 40-60 40-60 0 15-30 0-10 0-20 0 10-20 0-10 0-10 0-10 5-10 100 5-10 0-10 0-10 0-10 0-10 Quantità non utilizzata (mt) 1.1 1.0 0.50 0.09 1.6 0.6 0.5 0.3 0.2 0.9 0.8 0.3 0.2 0.2 1.4 0 0.8 0.1 0.05 0.1 0.2 Esempi di rifiuti vegetali e dell’industria alimentare in varie Nazioni Nazione Quantità (tonnellate/anno) e tipo di rifiuto 380000 t/a rifiuti organici dall’industria di trasformazione della patata, frutta e verdura Germania 1954000 t/a malto e luppolo spenti (ind. birraria) 3000000 t/a residui grezzi fibrosi (ind. zucchero) 25000 t/a residui dalla produzione dei succhi di mela Belgio 105000 t/a rifiuti di frutta, verdura e giardini 2400000 t/a vinacce, vinaccioli e raspi 700000 t/a sansa di olive 40000 t/a gusci di mandorla Italia 40000 t/a gusci di nocciola 200000 t/a bucce e semi di pomodoro 200000 t/a tegumento dei semi di soia 50000 t/a tegumenti dei semi di girasole Spagna > 250000 t/a sansa di olive 300000 t/a vinacce, vinaccioli e raspi in California 9525 t/a residui dalla produzione dei succhi di mirtillo USA 200000 t/a gusci di mandorla 330000 t/a bucce d’arancia in Florida Portogallo 14000 t/a bucce e semi di pomodoro EU 14000000 t/a polpa di barbabietola Reflui agro-industriali Carico inquinante di alcuni reflui BOD5 (mg/l) Reflui zootecnici 8000-40000 Liscivi solfitici 25000-50000 Reflui di distilleria 10000-20000 Acque di vegetazione delle olive 15000-100000 Siero di latte 20000-35000 Reflui di caseificio 600-3500 Acque reflue di cantina 6000-15000 Acque reflue di mattatoio 2000-4000 La digestione anaerobica di matrici organiche miste (co-digestione) può garantire: Significativa riduzione del carico inquinante (fino al 95% del BOD20 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 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 Il microbiota/microbioma è in equilibrio con le condizioni ambientali/condizioni di processo La digestione anaerobica, pur essendo una tecnologie consolidata, è oggetto di numerosi studi 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 ? 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) 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 …… Effetto sanitizzante della concentrazione di ammonio Importanza del rapporto C/N iniziale: Deve essere 20-30 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) 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 Conclusione Non sono stati individuati ceppi riconducibili a ceppi e/o specie patogene appartenenti al Gen. Clostridium in ciascuna delle 4 condizioni studiate. 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 ………….. 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 CO2 limitata - liquidi che possono essere riciclati nel digestore 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 ………….. 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 (NH4)2SO4 o di struvite (fosfato idrato di ammonio e magnesio) (NH4)MgPO4·6(H2O) 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!!) 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) Grazie per l’attenzione ([email protected])