SCHEDA DI PROCESSO

SCHEDA TECNICA INFORMATIVA NR.104 REATTORE ANAEROBICO RAPIDO

1. DESCRIZIONE REATTORE ANAEROBICO RAPIDO

Il reattore abbatte le sostanze organiche solubili per via ANAEROBICA ossia esse vengono trasformate in ;

METANO (CH₄)+ANIDRIDE CARBONICA(CO₂)+ACQUA(H₂O)

Il reattore è detto RAPIDO perchè la grande quantità di fango attivo anaerobico contenuto nel reattore permette l'abbattimento dell'inquinamento organico in un basso tempo di ritenzione.

2. IL PROCESSO ANAEROBICO

BIOCHIMICA DELLA DIGESTIONE ANAEROBICA

In un reattore anaerobico convivono, in equilibrio tra loro, molte speci batteriche che insieme cooperano a trasformare l'inquinamento organico in CH₄ e CO₂.
I batteri metanigeni infatti agiscono essenzialmente su due substrati, cioè acido acetico (CH₃COOH) e idrogeno (H₂) mediante le seguenti reazioni:

a) CH₃COOH + metanigeni acetoclastici ---> CH₄ +CO₂

b) 4 H₂ + CO₂ + metanigeni utilizzatori di idrogeno ---> CH₄ + 2 H₂O

Queste sono le due reazioni terminali del processo di trasformazione della sostanza organica in metano, anidride carbonica ed acqua.

Nel reattore ci sono quindi oltre ai metanigeni altre speci di batteri anaerobici in grado di "elaborare e preparare" la sostanza organica grezza alla "metanazione",con una serie di trasformazioni ,"reazioni biochimiche " che producono idrogeno ed acido acetico a partire da proteine, grassi, zuccheri ecc. presenti nell'acqua da trattare.

Riassumendo si può dire che la digestione anaerobica è un processo prodotto da una comunità di colonie batteriche anaerobiche, (fango attivo anaerobico) che,mantenute in equilibrio tra loro formano un sistema stabile, in grado di trasformare la sostanza organica di rifiuto in metano anidride carbonica ed acqua.

Fig. 1

La Fig.1 mostra sinteticamente il processo di digestione e ne evidenzia le due fasi principali che sono l'acidificazione e la metanazione. L'efficienza del reattore dipende essenzialmente dall'equlibrio tra queste due fasi.L'acidificazione è la fase più rapida perché le reazioni che la producono forniscono ai batteri i tre quarti dell'intero salto energetico tra le sostanze iniziali ossia grassi ,proteine, carboidrati e i prodotti finali ossia CH₄ , CO₂ , H₂O . La metanazione è invece la fase più delicata proprio per la ragione suddetta ossia il piccolo salto energetico utile, mentre agli effetti della depurazione (cioè dell'abbattimento del COD ) essa è responsabile dell'99% dell'abbattimento. Questo concetto ci appare più chiaramente esaminando il COD dei prodotti iniziali e finali nella digestione di uno zucchero (vedi fig.n°2) ad esempio glucosio.

Fig. 2

C6H12O6 + 2H2O 2CH3COOH + 4H2 glucosio acqua acido acetico idrogeno che scritta in forma ponderale su base COD diventa: 1Kg(COD)C6H12O6 + H2O 0,666Kg(COD)CH3COOH+CO2+0,33Kg(COD)H2 Se tutto l'idrogeno prodotto nell'acidificazione venisse perduto l'abbattimento del COD sarebbe stato solamente del 33%. La fase di metanazione espressa in maniera ponderale su base COD è la seguente: 0,666Kg(COD)CH3COOHCO2+0,666Kg(COD)CH4 0,33Kg(COD)H2+CO20,33Kg(COD)CH4+H2O

Dalla Fig. 2 si può notare che è la reazione di metanazione dell'acido acetico che trasforma il COD solubile dell'acido acetico in COD poco solubile del metano. Questa reazione trasforma il 66% del COD iniziale del glucosio in metano. Il restante 33% del COD del glucosio è rappresentato dall'idrogeno liberato nell'acidificazione che viene successivamente trasformato in metano dai metanigeni utilizzatori di idrogeno.Un altro importante aspetto da sottolineare di queste due principali reazioni è che la prima produce acidità e la seconda la consuma. In un reattore completamente miscelato (digestore anaerobico di fango tradizionale) a basso carico organico le due reazioni avvengono omogeneamente in tutto il reattore, gli acidi prodotti dalla acidificazione vengono trasformati in CO₂ e CH₄ entrambi gassosi che lasciano il reattore come BIOGAS.

Una piccola capacità tampone da bicarbonato di ammonio sarebbe sufficiente a tamponare perfettamente il pH del reattore (nella digestione dei fanghi in realtà l'alcalinità è molto elevata perché il fango in digestione libera notevoli quantità di ammoniaca che si trasforma in bicarbonato di ammonio) .
Nei reattori rapidi che sono stati sviluppati per l'abbattimento di sostanze organiche solubili il flusso dell'acqua da trattare è del tipo a pistone, ossia l'acqua grezza viene distribuita al fondo del reattore e viene scaricata da un sistema di sfioro uniforme sulla sommità del reattore. Il regime idraulico è di tipo lamellare quindi si stabilisce nel reattore un vero gradiente di concentrazione di sostanze organiche che è massimo al fondo e quasi nullo oltre lo strato di fango. Dato che la reazione di acidificazione è la più rapida nella zona bassa del reattore vi sarà una relativa abbondanza di acidi grassi volatili ( soprattutto acetico e propionico) ed una elevata concentrazione di idrogeno. Questo eccesso di acidi in mancanza di una adeguato potere tampone ( ossia alcalinità bicarbonatica) abbasserebbe il pH del fondo del reattore a valori nei quali entrambe le reazioni di metanazione verrebbero bloccate.
E' quindi di estrema importanza nei reattori rapidi tenere sotto controllo l'alcalinità bicarbonatica dell'acqua ed il pH del reattore.

D'altra parte sembra proprio che sia il forte gradiente di concentrazione e l'elevata pressione parziale dell'idrogeno al fondo del reattore che produce il fango in forma granulare in questo tipo di reattore e come vedremo la produzione di un fango anaerobico granulare è una condizione fondamentale senza la quale non si può avere un processo di depurazione anaerobica rapida.

IL FANGO GRANULARE

Il fango attivo granulare è un magnifico adattamento spontaneo prodotto della simbiosi dei batteri anaerobici. L'aspetto è di granuli tondeggianti a forma irregolare del diametro di 1-3 mm di vari colori a seconda del tipo di refluo trattato e del carico organico applicato al fango stesso. Ad es. in un reattore che tratta le acque di scarico di una cartiera il colore dei granuli è grigio, essi sono completamente neri invece in un impianto che depura gli scarichi di una industria di trasformazione della patata. In certi casi addirittura vi sono contemporaneamente granuli di diverso colore nello stesso reattore.

Ogni granulo è composto da un consorzio di batteri anaerobi in grado di trasformare le sostanze organiche in biogas. Da studi eseguiti al microscopio elettronico si sono potute vedere zone all'interno del granulo specializzate nella acidificazione , nella metanazione degli acidi grassi e nella metanazione dell'idrogeno.

I vantaggi del fango granulare sono principalmente due :

a) I granuli hanno una notevole velocità di sedimentazione che produce così un bassissimo indice di volume del fango. L'indice di volume o SVI ( Sludge volume index) è il volume occupato da un gr di fango. Ad es. un buon fango aerobico ha uno SVI di 100 ossia un gr di quel fango occupa un volume di 100 mL. Un fango anaerobico granulare ha uno SVI da 10 a 15 mL/gr che significa una concentrazione da sei a dieci volte maggiore.

b) Una elevata attività a parità di peso. Ossia la possibilità di applicare ad un grammo di questo fango nell'unità di tempo un maggiore carico organico rispetto a quello applicabile ad un fango di tipo fioccoso.
La sua maggiore attività viene spiegata con la minore distanza che i prodotti delle varie reazioni simbiotiche devono percorrere da una specie batterica all'altra che li utilizza come substrato(nutrimento) .

Un altro vantaggio non trascurabile è che questo fango se portato a temperatura ambiente conserva gran parte della sua attività anche dopo un notevole periodo di assenza di alimentazione .
Questo permette ad esempio di stoccare in apposita vasca il fango di supero e di riutilizzarlo in caso di malfunzionamento del reattore o per l'avviamento rapido di un altro impianto.

Le condizioni per lo sviluppo di fango granulare e per il suo mantenimento sono le seguenti:

a) Una buona distribuzione dell'acqua al fondo del reattore. Occorre quindi controllare bene il sistema di distribuzione contro eventuali intasamenti che possono provocare una cattiva distribuzione dell'acqua da trattare.

b) Una sufficiente alcalinità dell'acqua in ingresso al reattore per mantenere il pH sopra 6,5. Quando l'acqua da trattare non contiene una alcalinità sufficiente l'impianto è dotato di un sistema di dosaggio automatico di alcalinità ( ad es. un dosaggio di soda caustica nell'acqua grezza, che si trasforma in bicarbonato reagendo con l'anidride carbonica contenuta nell'acqua di riciclo). Il dosaggio è comandato dal pH dell'acqua in riciclo. Per questo motivo occorre fare particolarmente attenzione al sistema di misura del pH.

c) Un sufficiente apporto di sali nutritivi quali azoto e fosforo.
A tale scopo occorre mantenere in uscita dal reattore una concentrazione di fosfati superiore ai 3-5 mg/L di fosfato solubile, ed una concentrazione di azoto di almeno 10 mg/L . In pratica occorre garantire che l'acqua in ingresso al reattore abbia un rapporto tra COD ed azoto di circa 60. Naturalmente va conteggiato anche l'azoto del riciclo.

Il fango granulare all'interno del reattore forma un letto con una superficie netta di separazione , sopra il letto normalmente vi è una zona ricca in fango fioccoso.
Per evitare che il letto di fango venga trascinato via , la sommità del reattore è provvista di un sistema di setti che catturano il gas e creano delle zone di decantazione con ricaduta spontanea del fango chiarificato.

La crescita del fango granulare è molto modesta in paragone alla crescita di fango in condizioni aerobiche ed è intorno al 3-6% del carico giornaliero di COD abbattuto dall'impianto.
Lo scarico del fango di supero va fatto in base al livello del fango granulare nel reattore, normalmente esso viene scaricato quando si raggiunge un livello di circa 4m.