Immobilizzazione di enzimi

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])