Ottimizzazione del processo di digestione anaerobica della frazione organica dei rifiuti solidi urbani mediante l’aggiunta di biochar = Optimization of the anaerobic digestion process of organic fraction of municipal solid wastes through biochar addition

Nel 2022, il mondo ha prodotto 1.3 miliardi di tonnellate di rifiuti solidi urbani, cifra che, entro il 2050, si ipotizza possa raggiungere 3.4 miliardi di tonnellate a causa dell’aumento della popolazione globale. Metà dei rifiuti prodotti è costituita dalla frazione organica che è la materia prima adatta alla produzione di biogas attraverso il processo di digestione anerobica. Per migliorare le condizioni operative e le prestazioni del processo, si è deciso di indagare su essa mediante l’aggiunta di biochar proveniente dalla pirolisi, condotta a 500°C, del digestato relativo ad un processo precedente. La presente tesi promuove e analizza la circolarità della bioraffineria basata sul processo di digestione anaerobica. Lo studio consiste in due campagne sperimentali, la prima in condizioni mesofile con temperatura di lavoro pari a 35°C e un tempo di lavoro uguale a 35 giorni; la seconda in condizioni termofile condotta a 50°C per 27 giorni. L’effetto dell’aggiunta di biochar è stato valutato misurando la quantità di biogas prodotto e la quantità di metano prodotto analizzando inoltre: solidi totali (ST), solidi volatili (SV), pH, composizione elementare, FOS/TAC, cinetica del processo ed Energy Sustainable Index (ESI). Il substrato è composto dall’80% w/w SV da scarti alimentari derivanti dalla mensa del Politecnico di Torino e dal 20% w/w SV da letame fornito dalla Cooperativa Speranza di Candiolo (TO) la quale ha fornito anche l’inoculo per la prova in mesofilia. L’inoculo adoperato nella campagna di prova in termofilia proviene invece dall’impianto Acea di Pinerolo (TO). In entrambe le prove, il sistema è stato costituito da tre configurazioni in cui hanno operato reattori da 500 mL (bottiglie Duran) il cui volume di lavoro risultava pari a 400 mL. Le tre configurazioni sono state rinominate: codigestione semplice, codigestione con biochar dose 1 e codigestione con biochar dose 2 in base al loro contenuto che variava da inoculo, scarti alimentari e letame nella prima mentre seconda e terza differivano dalla semplice per l’aggiunta delle due diverse dosi di biochar pari rispettivamente a 2.82 g e 5.64 g. Una quarta configurazione denominata inoculo ha permesso il calcolo del biogas netto prodotto dalle precedenti tre. Dai risultati emerge che, in condizioni mesofile, la quantità maggiore di metano è stata prodotta dalle configurazioni semplice e biochar dose 1 e pari a 0.253 kg/kgSV ma la differenza tra le due è da ricercare nella quantità di biogas netto (ossia al netto del contributo dell’inoculo) prodotto pari a 0.457 Nm3/kgSV per quella contenente la dose 1 a fronte dei 0.427 Nm3/kgSV della semplice. Una situazione analoga è osservabile anche per le condizioni termofile in cui la configurazione con dose 1 ha prodotto 0.582 Nm3/kgSV di biogas seguita dalla dose 2 con un valore di 0.579 Nm3/kgSV. Quest’ultima configurazione, però, ha prodotto 0.374 kg/kgSV di metano superando la configurazione contenente la prima dose di biochar che ha riportato un valore di 0.361 kg/kgSV. Per quanto riguarda il calcolo dell’ESI,in condizioni mesofile risulta più autosufficiente la configurazione biochar dose 1 con un valore pari a 5.559, mentre in condizioni termofile, la configurazione contenente la dose 2 supera le altre tre con un valore di 6.040. In conclusione, è stato implementato in entrambe le campagne sperimentali, il modello cinetico del primo ordine avanzato da Angelidaki al fine di ricavare, mediante la linearizzazione dell’equazione cinetica, la costante di degradazione del substrato.