Analisi sperimentale e simulativa della produzione di biogas dai fanghi delle acque reflue delle bevande per la produzione di energia elettrica

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 9107 (2022) Citare questo articolo

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Questo studio ha valutato il potenziale di produzione di biogas e metano dei fanghi delle acque reflue generati dall’industria delle bevande. L'ottimizzazione del potenziale di produzione di biogas di un singolo digestore anaerobico a batch alimentato è stata effettuata a diverse temperature (25, 35 e 45 ℃), pH (5,5, 6,5, 7,5, 8,5 e 9,5) e rapporto di alimentazione organica (1 :3, 1:4, 1:5 e 1:6) con un tempo di ritenzione idraulica di 30 giorni. È stata determinata la produttività di metano e biogas dei fanghi delle acque reflue delle bevande in termini di solido volatile (VS) e volume. La produzione massima di biogas (15,4 m3/g VS, 9,3 m3) e il contenuto di metano (6,3 m3/g VS, 3,8 m3) sono stati ottenuti in termini di VS e volume a 8,5, 35 ℃, 1:3 di pH e temperatura ottimali e rapporto di carico organico, rispettivamente. Inoltre, il contenuto massimo di metano (7,4 m3/g VS, 4,4 m3) e il potenziale di produzione di biogas (17,9 m3/g VS, 10,8 m3) sono stati raggiunti ogni giorno a temperatura ambiente. Il biogas e il metano totali a 35 ℃ (30 giorni) sono rispettivamente 44,3 e 10,8 m3/g VS, mentre a 25 ℃ (48 giorni) sono aumentati rispettivamente a 67,3 e 16,1 m3/g VS. Inoltre, è stato stimato il potenziale di generazione di energia elettrica del biogas prodotto a temperatura ambiente (22,1 kWh a 24 giorni) e a temperatura ottimale (18,9 kWh) a 40 giorni. Il modello simulato una HRT ottimale (25 giorni) in termini di produzione di biogas e metano a temperatura ottimale era in buon accordo con i risultati sperimentali. Pertanto, possiamo concludere che i fanghi delle acque reflue industriali delle bevande hanno un enorme potenziale per la produzione di biogas e l’elettrificazione.

Al giorno d'oggi, vari rifiuti vengono riciclati in modo sostenibile in prodotti utili, ad esempio mattoni ad alta efficienza energetica1, imballaggi2, uso agricolo3, e creano diversi sistemi bioenergetici4,5 come il bioetanolo5,6, il biodiesel7,8, il biogas9 e la produzione di bricchette10. Per consentire lo sviluppo sostenibile dell’approvvigionamento energetico e mitigare le emissioni di gas serra, la produzione di biogas attraverso la digestione anaerobica da varie materie prime come colture, residui e rifiuti (rifiuti industriali, agricoli e urbani) svolge un ruolo chiave11. La produzione di biogas dai fanghi industriali presenta numerosi vantaggi. Oltre alla produzione sostenibile di energia da biogas, ha anche il vantaggio di trattare i rifiuti organici. Inoltre, lo sviluppo di tecniche avanzate di biogas incrementerà ulteriormente l’utilizzo del biogas per applicazioni versatili, tra cui nel settore della cucina e dei trasporti12. La digestione anaerobica è una sequenza del processo biologico mediante il quale i microrganismi convertono la materia organica in biogas in assenza di ossigeno. Il biogas è composto per circa il 60% da metano (CH4), per il 40% da anidride carbonica (CO2) e tracce di altri gas, ad esempio vapore acqueo (H2O) e idrogeno solforato (H2S). Pertanto, la digestione anaerobica può svolgere un ruolo significativo nell'affrontare tutte le preoccupazioni sopra menzionate che affliggono le nazioni sottosviluppate e in via di sviluppo (ad esempio, la gestione dell'energia e dei rifiuti), aumentando contemporaneamente la produttività agricola.

Negli studi precedenti di Ngoc e Schnitzler (2009)13 e Goňo et al. (2013)14 hanno riferito che il biogas prodotto dalla fermentazione può essere bruciato per generare calore ed elettricità combinati (CHP) e illuminazione durante i processi di produzione. Gli impianti di biogas con biogas di buona qualità possono essere utilizzati come fonte di elettricità, il che è di grande beneficio per la protezione e lo sviluppo dell’ambiente. Gli effluenti dell'industria alimentare e delle bevande sono contaminati da metalli tossici, che possono avere effetti negativi sulla salute umana come malattie acute o croniche15,16. I milioni di litri di acque reflue che passano ogni giorno attraverso gli impianti di trattamento contengono centinaia di tonnellate di biosolidi. Secondo il rapporto USEPA (1979), i biosolidi generano biogas attraverso la digestione anaerobica, che può produrre dal 55 al 70% di metano e dal 25 al 30% di anidride carbonica17. Tuttavia, la produzione di biogas dai rifiuti di biomassa e il suo utilizzo per applicazioni energetiche sono ancora impegnativi a causa delle complesse proprietà fisiche e chimiche dei rifiuti organici, che influenzano le vie metaboliche e il contenuto di metano. Di conseguenza, l’attenzione si è concentrata sulle opportunità per un ulteriore miglioramento della resa e della qualità del biogas18. Pertanto, i fanghi delle acque reflue rappresentano la principale area di ricerca nella comunità scientifica, in particolare nell’industria alimentare e delle bevande. Secondo Sreekrishnan et al. (2004) riferiscono che le materie prime a volte richiedono un pretrattamento per aumentare la resa di metano nel processo di digestione anaerobica16. Il pretrattamento scompone la complessa struttura organica in molecole più semplici che sono quindi più suscettibili alla degradazione microbica. Inoltre, la resa e il contenuto di metano nel biogas possono essere migliorati mediante l'utilizzo di sostanze chimiche (ad esempio CaO2) durante il processo di pretrattamento, consentendo un'ulteriore scomposizione e degradazione del materiale dei fanghi19,20.