Come selezionare l'inoculo per l'impianto di biogas - II Parte

Nella I Parte di questo articolo abbiamo illustrato come si misura l’attività biologica di un inoculo introducendo una certa quantità di substrato di riferimento in un reattore di prova e verificando che per ogni grammo di Cod (Domanda chimica di ossigeno) vengano prodotti almeno 350 Ncm³ di metano.

Analizziamo in questa II Parte dell’articolo le peculiarità della prova di Attività metanogenica specifica (Sma).

Come realizzare la prova Sma nella pratica

La letteratura scientifica sulla prova Sma è molto varia per quanto riguarda i substrati da utilizzare (Rif.[ⁱ]).
Il primo dubbio che il principiante deve sanare prima di iniziare una prova di attività metanogenica è dunque: quale substrato si deve utilizzare? In linea di massima, qualsiasi substrato 100% digeribile produrrà 350 Ncm³ CH₄/gCod, come dimostra la Tabella 1.

Tabella 1: Cod e Bmp (potenziale metanigeno) di alcuni substrati puri e 100% digeribili, di facile reperimento. Calcolo della Cod realizzato dall’autore in base alla stechiometria dell’ossidazione totale, e Bmp teorico ricavato con la formula di Buswel e Symons (Norma UNI 11723, appendice B.2)
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Da un punto di vista formale, però, una prova realizzata con un substrato che non sia acetato di sodio o acido acetico è certamente un test dell’attività biologica, ma non si può considerare un test specifico dell’attività metanogenica. Per esempio, una prova realizzata con zucchero anziché con acetato coinvolgerà due gruppi di microrganismi: i batteri fermentativi, che convertiranno lo zucchero in acido acetico, e le Archaea, che convertiranno l’acido acetico in metano e diossido di carbonio. Se la prova dovesse dare un risultato negativo: come possiamo affermare con certezza quale dei due gruppi di microrganismi sia quello mancante o inibito?

Il secondo aspetto da considerare riguarda la quantità di acido acetico o acetato di sodio da introdurre nel reattore di prova. La norma UNI/TS 11703:2018 raccomanda di realizzare un controllo positivo in parallelo con ogni prova di Bmp per accertare la qualità dell’inoculo. La norma non stabilisce però quale sia il rapporto inoculo: substrato (I/S) da adottare, sottintendendo che esso debba essere “maggiore di 2” come per qualsiasi prova di Bmp. Nel caso particolare dell’acido acetico, il rapporto I/S dovrebbe però essere molto maggiore di 10, perché altrimenti si rischia di abbassare troppo il pH, ed inoltre la reazione dell’acido con i carbonati e bicarbonati presenti nell’inoculo produrrà abbondante schiuma, fino a fare traboccare il reattore. L’acetato di sodio, invece, non altera il pH dell’inoculo perché è un sale, ma un rapporto I/S troppo vicino a 2 può provocare “falsi negativi” perché il sodio è inibitore delle Archaea, come abbiamo già dimostrato in un altro articolo di questa colonna (La conducibilità elettrica è inaffidabile per la gestione dell’impianto di biogas).

La Foto 1 mostra l’esempio di una prova realizzata su uno stesso campione di inoculo, con diverse quantità di acetato di sodio.

Foto 1: Una prova di digestione anaerobica dell’acetato di sodio, realizzata dall’autore su un unico campione di inoculo, ma con diversi rapporti I/S
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Agli effetti pratici, la prova di attività metanogenica va realizzata con un dosaggio di acetato di sodio – o di acido acetico – sufficientemente basso da non innescare “falsi negativi” per l’effetto inibitore proprio di tali substrati. Per evitare i “falsi negativi”, il dosaggio di acetato di sodio non dovrebbe mai superare la soglia d’inibizione. La letteratura scientifica non è univoca su quale sia tale valore di soglia. Si riscontrano valori che vanno dai 7 g di acetato/l d’inoculo (Rif. [ⁱ]), al range 4-8 g/l valido se – come spesso capita negli impianti di biogas agricoli – l’inoculo ha pH > 7,5 (Rif. [ⁱⁱ]) fino ad un minimo di 2 g /l (Rif. [ⁱⁱⁱ]). Va segnalato che tutte le esperienze indicate prima si riferiscono a digestato da impianti di trattamento fognario, l’autore ha ottenuto buoni risultati con concentrazioni di acetato fino a 12 g/l d’inoculo. Per prove con digestati da impianti agricoli, sembra dunque ragionevole ipotizzare un limite pari a 10 g di acetato/l di digestato agricolo. Se invece si utilizza acido acetico, la concentrazione totale non dovrebbe superare i 2,4 g/l di inoculo, altrimenti si rischia di abbassare troppo il pH (Rif. [^iv]). Se non si dispone di acido acetico puro, tale concentrazione si raggiunge con 40 ml di aceto/ l di inoculo (l’aceto contiene circa 6% di acido acetico in volume).

L’unità di misura della Sma

Il tasso respiratorio di qualsiasi essere vivente si esprime in Nm³ di gas per unità di peso vivo, per unità di tempo. Nel caso di un digestato, la massa di batteri è rappresentata dai solidi volatili (SV), solitamente espressi in g/litro. La curva di attività metanogenica si traccia riportando sull’asse Y la portata giornaliera di metano per unità di solidi volatili dell’inoculo, in funzione del tempo, sull’asse X. La Sma è il valore numerico che corrisponde al picco di tale curva, solitamente espresso in Ncm³ di CH4/ (g SV_inoculo x giorno).

La Foto 2 mostra le curve di attività metanogenica corrispondenti alla stessa prova riportata nella Foto 1.

Foto 2: Attività metanogenica di un digestato proveniente da un impianto agricolo, misurata con diversi rapporti I/S. In questo caso concreto, la massima Sma si è verificata con I/S = 4 corrispondente ad un dosaggio di 12 g acetato/l inoculo
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In generale, un valore di Sma > 10 Ncm³/g SV . d si considera buono.

Un caso di studio reale

Un impianto di biogas richiede il riavvio in seguito a degli interventi di manutenzione straordinaria. Nella zona ci sono due impianti dai quali si potrebbe prelevare l’inoculo, a distanze diverse. Il costo di trasporto dell’inoculo dall’impianto A è 3,65 euro/tonnellata e quello dall’impianto B è 4 euro/tonnellata. Le Sma degli inoculi sono quelle indicate nella Foto 3. Analizziamo quale dei due inoculi conviene utilizzare.

Dal punto di vista puramente biologico, l’inoculo B è migliore dell’A, ma entrambi sono comunque validi, in quanto hanno Sma > 10 Ncm³/g SV_inoc . d mentre i costi specifici sono differenti (inoculo A: 3,65 euro/14 = 0,26 euro per unità di Sma e inoculo B: 4 euro/18 = 0,22 euro per unità di Sma).

Il criterio generale parte da un presupposto: se la quantità d’inoculo necessaria per avviare l’impianto è direttamente proporzionale alla attività biologica, allora dobbiamo verificare se conviene usare l’inoculo più economico in quantità maggiore o una quantità minore dell’inoculo più caro. In termini economici è più conveniente avviare l’impianto con l’inoculo B (curva blu, Foto 3), il cui trasporto è più caro ma, avendo una attività metanogenica maggiore, richiederà una quantità minore.

Foto 3: Sma di due inoculi provenienti da impianti diversi. Rosso = Impianto A, Blu = Impianto B
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Conclusioni

La prova di Attività metanogenica specifica (Sma) è un test abbastanza veloce ed economico: consente di selezionare l’inoculo biologicamente più attivo, in modo da velocizzare l’avviamento di un impianto di biogas con il minimo costo. La sua realizzazione è abbastanza semplice, ma non esiste ancora una norma che stabilisca una procedura univoca. Il segreto per una buona riuscita della prova è mantenere la concentrazione di acetato di sodio – o di acido acetico – al di sotto della soglia d’inibizione delle Archaea, altrimenti si potrebbero generare dei “falsi negativi”. In linea di massima, un dosaggio di 10 g acetato/l inoculo, oppure 2,4 g acido acetico/l inoculo (equivalente 40 ml di aceto/l inoculo) si ritiene abbastanza ragionevole per testare inoculi anaerobici da impianti agricoli.

Referenze bibliografiche e approfondimenti consigliati

1. Athar Hussain, Shashi Kant Dubey; Specific methanogenic activity test for anaerobic degradation of influents; Appl Water Sci (2017) 7:535–542; DOI 10.1007/s13201-015-0305-z.
2. Arjen Rinzema, Jules van Lier, Gatze Lettinga, Sodium inhibition of acetoclastic methanogens in granular sludge from a UASB reactor, Enzyme and microbial technology, Volume 10, Issue 1, 1988, pages 24-32, ISSN 0141-0229.
3. Satoshi Fukuzaki, Naomichi Nishio and Shiro Nagai; Kinetics of the methanogenic fermentation of acetate; Applied and environmental microbiology, Oct. 1990, p. 3158-3163 Vol. 56, No. 10.
4. Souto, T.F., Aquino, S.F., Silva, S.Q. et al. Influence of incubation conditions on the specific methanogenic activity test. Biodegradation 21, 411–424 (2010).
5. Franke-Whittle IH, Walter A, Ebner C, Insam H. Investigation into the effect of high concentrations of volatile fatty acids in anaerobic digestion on methanogenic communities. Waste Manag. 2014; 34(11):2080-2089.

Si veda inoltre:
M. A. Rosato, S. Stromberg; Quick restart of a biogas plant and micronutrients cost minimization with AMPTS II Light, Application note, Bioprocess control.