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domenica 17 agosto 2014

La digestione anaerobica recupera materia (un pò meno del compostaggio).


Ci sono alcune persone irriducibilmente contrarie al biogas, in particolare agli impianti che, grazie alla digestione anaerobica di biomasse vegetali ed animali, permettono il recupero di una miscela di metano ed anidride carbonica, chimata biogas ed utilizzata a scopo energetico.

Questa opposizione, in parte, è dovuta alla diffidenza verso l'uso della combustione nel trattamento dei rifiuti.

Gran parte di queste stesse persone sono favorevoli, incondizionatamente, al  compostaggio quale metodo per il trattamento delle frazioni organiche dei rifiuti urbani.

In particolare, questa preferenza è dovuta al fatto che il compostaggio è visto come una forma di recupero di materia, in quanto il residuo di questo trattamento, il compost, è un ottimo ammendante agricolo.

Su questo blog  abbiamo più volte parlato di biogas e in particolare di biometano e ne abbiamo parlato bene, in quanto nella nostra ricerca non abbiamo trovato documentati motivi ambientali e sanitari che potessero giustificare una opposizione alla digestione anaerobica.

In questo post cercherò di illustrare la questione del recupero di materia dimostrando, numeri alla mano, che anche con la digestione anaerobica, oltre al biogas, si recupera materia utile all'agricoltura, in quantità leggermente inìferiore al compostaggio, ma niente affatto trascurabile.

Cominciamo a chiarire che compostaggio e digestione anaerobica sono entrambi processi naturali in cui diverse e complesse comunità microbiche degradano le grandi molecole organiche presenti negli scarti vegetali ed animali: cellulosa, lignina, zuccheri, proteine, grassi, carboidrati, molecole in cui è sempre presente il carbonio.

Ovviamente la finalità "biologica" delle comunità di microorganismi che degradano la materia organica non è quella di produrre ammendanti per l'agricoltura ma quello di produrre energia per i processi vitali e la riproduzione delle rispettive comunità.

In natura sono presenti due differenti comunità di microorganismi che basano il loro sviluppo sulla degradazione di organismi viventi, una volta che questi sono arrivati alla fine dei loro giorni e delle loro deiezioni.

Una di queste famiglie è composta da micro-organismi definiti aerobi, in quanto, come noi, hanno bisogno di ossigeno per vivere; la seconda famiglia, molto più antica, comparsa sulla Terra quando nella sua atmosfera l'ossigeno era in pratica assente, ha imparato a "mangiare" la materia organica facendo a meno dell'ossigeno e per questo motivo questi mico-organismi sono definiti anaerobi.

Entrambe queste famiglie vivono e si riproducono grazie all'energia prodotta dalla degradazione chimica delle grandi molecole organiche ( cellulosa, carboidrrati, proteine...) che si trasformano in molecole via via più semplici.

Alla fine dei rispettivi banchetti, oltre alle molecole di acqua, restano due sostanze gassose: l'anidride carbonica ( CO2 ) e, nel caso dei batteri anaerobi, quelli che fanno biogas il metano (CH4).

Nel recupero dell'energia chimica delle sostanze organiche animali e vegetali, i batteri aerobi sono più efficienti di quelli anaerobi in quanto i primi, utilizzando l'ossigeno atmosferico, riescono a sfruttare al massimo l'energia chimica dei composti organici biodegradabili, con l'ossidazione del carbonio a CO2 e pertanto sono in grado di sintetizzare una maggiore quantità di biomassa ( la loro popolazione vivente) a parità di peso di frazione organica a loro disposizione.

In questo caso, dal punto di vista energetico l'energia prodotta per via biochimica corrisponde a quella della combustione diretta.
 Il fatto che l'ossidazione biologica, grazie all'attività enzimatica, avvenga a temperature basse ( al massimo intorno ai 60-70 gradi centigradi), evita la produzione dei sottoprodotti tossici delle combustioni (ossidi di azoto, polveri fini, diossine, IPA...).

I batteri anaerobi, per i quali l'ossigeno è una sostanza altamente tossica, non sono in grado di sfruttare la reazione diretta del carbonio con l'ossigeno atmosferico e pertanto il loro metabolismo si ferma alla formazione di metano.

L'anidride carbonica, presente in abbondanza nel biogas ( circa il 40%) , deriva dalla rottura di legami carbonio-carbonio da composti organici in cui è già presente ossigeno legato al carbonio, come gli acidi grassi.

L'attività metabolica dei batteri anaerobi ed aerobi produce in entrambi i casi  anche una frazione solida, non utilizzabile a scopo energetico dai batteri, a cui noi umani diamo il nome di compost e digestato, in cui sono presenti, in forma prevalentemente colloidale,  carbonio e azoto, in un rapporto ottimale per lo sviluppo delle piante.

Da 100 chili di frazione organica (scarti agricoli, scarti alimentari, scarti di cucina...) sottoposti a compostaggio o a digestione anerobica si originano circa 30 chili (peso umido) di compost con il compostaggio diretto, mentre dalla digestione con successivo trattamento aerobico del digestato si producono  20 chili (peso umido) di compost, il 10% in meno.

Questa differenza può essere attribuita, come si è detto, alla minore efficenza energetica del metabolismo anaerobico che riduce la crescita della popolazione di microbi anaerobi.

L'uomo si è inserito in questi cicli naturali e recupera ed utilizza in entrambi i casi il compost prodotto, utilizzato come ammendante agricolo e, nel caso del biogas, intercetta il metano per sfruttarne il potenziale energetico per quei fini in cui le alte temperature sono indispensabili (cottura cibi, produzione di mattoni e cemento, autotrazione, produzione di vapore ad alta pressione...).

Con l'intercettazione del metano e la sua combustione, si recupera l'energia chimica che i batteri anaerobi non sono stati capaci di utilizzare e più rapidamente (rispetto alla fotoossidazione del metano immesso direttamente in atmosfera ) si trasforma il metano, con elevato potere clima-alterante, in anidride carbonica biogenica che le piante, grazie alla sintesi clorofilliana, possono di nuovo utilizzare per sintetizzare, grazie all' energia solare, tutte le molecole complesse necessarie alla loro vita (cellulosa, carboidrati, zuccheri...) e questo a partire da anidride carbonica (CO2) e acqua (H2O).

Infatti, il carbonio bio-genico, così chiamato per distinguerlo dal carbonio petro-genico fossile (carbone, petrolio, gas naturale), sotto forma di anidride carbonica (emessa direttamente come sotto prodotto del metabolismo dei batteri o a seguito  della foto-ossidazione, combustione  del metano) rientra successivamente, come "fertilizzante" gassoso, nella produzione ex-novo di vegetali.

Per quanto riguarda i bilanci del Carbonio, con tutte le approssimazioni del caso, ipotizzando che la frazione organica dei rifiuti abbia un contenuto di umidità del 45% e che la percentuale di carbonio elementare presente nella Frazione Organica dei rifiuti Urbani (FORSU) sia pari al 48% del peso secco, in 100 kg di FORSU sono presenti 26,4 chilogrammi di carbonio organico.

Di questi 26,4 chili di carbonio organico:

- con il compostaggio,  4,9 chilogrammi di carbonio finiscono in atmosfera, come anidride carbonica.

- con la digestione anaerobica, 3,7 chilogrammi di carbonio sono recuperati come metano  e 3 chili sono recuperati come anidride carbonica, in totale 6,7 chilogrammi di carbonio organico

- con l'incenerimento,  tutti i 26,4  chili di carbonio organico finiscono in atmosfera come anidride carbonica.

Pertanto se con l'incenerimento e successivo recupero energetico tutto il carbonio organico viene sottratto al possibile uso come ammendante agricolo, la quantità di carbonio trasformato in metano (3 chili) e successivamente usato a scopi energetici è inferiore alla quantità di carbonio organico che il compostaggio perde per immissione diretta in atmosfera ( 4,9 chili).

In conclusione, la minore efficenza energetica della digestione anaerobica giustifica la sua minore produzione di biomassa solida (digestato), rispetto al compostaggio.

Tuttavia, tali differenze non sono elevate e pertanto, a mio giudizion, anche la digestione anaerobica può rientrare a pieno titolo tra i processi cicilici antropogenici che permettono il recupero di materia  sia sotto forma di compost, come pure di anidride carbonica che può essere utilizzata sia come fertilizzante gassoso nelle serre che in numerosi usi industriali ( refrigereante, anti incendio ...) e di metano per produrre calore, elettricità e per alimentare autovetture a metano.