Digestione aerobica
La digestione aerobica è un processo microbico che avviene in presenza di ossigeno e fu comunemente utilizzato inizialmente per il trattamento delle acque reflue e successivamente per il trattamento e la riduzione di rifiuti organici di diversa origine. Il compostaggio e la digestione aerobica costituiscono infatti una delle opzioni di trattamento dei rifiuti organici.
Durante la digestione aerobica il materiale organico viene ossidato in condizioni aerobiche e vengono prodotte specie come nitrati, fosfati e biossido di carbonio, pur avendo dei costi di gestione maggiori rispetto alla digestione anaerobica il processo viene solitamente eseguito a temperatura ambiente ed è molto meno complesso ed è di più facile gestione rispetto alla digestione anaerobica.
La digestione aerobica si basa sull’attività dei batteri, alghe unicellulari, funghi, lieviti e cianobatteri aerobici che consumano rapidamente la materia organica e producono acqua, biossido di carbonio e proteine da cellula singola usate come sostituenti per cibi ricchi in proteine, nell’alimentazione umana e animale.
Reazioni nella digestione aerobica
Per effettuare la digestione aerobica che consiste nella degradazione dei fanghi organici in presenza di ossigeno nella vasca o nel serbatoio viene immesso ossigeno per consentire ai microrganismi presenti nei fanghi di convertire il materiale organico in anidride carbonica e acqua, e l’ammoniaca e le specie amminiche in azoto.
I cambiamenti biochimici in un digestore aerobico seguono le seguenti reazioni:
Distruzione della biomassa: biomassa + ossigeno → anidride carbonica + acqua + bicarbonato di ammonio
C5H7NO2 + 5 O2 → 4 CO2 + H2O + NH4HCO3
Nitrificazione: ammonio + ossigeno → nitrato + acqua
NH4+ + 2 O2 → NO3– + 2 H+ + H2O
Pertanto la reazione complessiva è:
biomassa + ossigeno → anidride carbonica + acqua + acido nitrico
C5H7NO2 + 7 O2 → 5 CO2 + 3 H2O + HNO3
Nel processo di denitrificazione avviene la seguente reazione:
biomassa + nitrato + acqua → ammonio + azoto + bicarbonato
C5H7NO2 + 4 NO3– + H2O → NH4+ +2 N2 +5 HCO3–
Il processo completo che comprende nitrificazione e denitrificazione può essere scritto come:
biomassa + ossigeno → anidride carbonica + acqua + azoto
4 C5H7NO2 + 23 O2 → 20 CO2 + 14 H2O +2 N2
Condizioni di reazione
Le reazioni della digestione aerobica avvengono in appositi digestori le cui caratteristiche variano a seconda del tipo di trattamento e sono progettati per funzionare a diversi intervalli di temperatura. Alcuni processi di digestione aerobica operano a temperature comprese tra 20 e 35 °C e utilizzano l’aria come fonte di ossigeno.
![digestore digestore](https://www.chimicamo.org/wp-content/uploads/2023/11/digestore.jpg)
In questi processi detti mesofili intervengono i batteri mesofili nel campo di temperature comprese tra 16 e 38 °C, con temperature ottimali pari a 35 °C. Altri processi utilizzano un digestore termofilo o biodigestore termofilo che è un tipo di biodigestore che opera a temperature comprese tra 50 °C e 60 °C in cui si utilizzano batteri termofili.
Questo tipo di digestore, rispetto a un digestore mesofilo, non necessita di agitazione ed è più veloce nella fermentazione. I principali vantaggi di operare a temperature termofile più elevate sono tempi di detenzione inferiori.
Tecnologia
La digestione aerobica è simile al processo convenzionale a fanghi attivi ma ha tempi di ritenzione più lunghi e avviene senza alimentazione di acque reflue, cioè nutrimento per i microrganismi. Quando non si ha una nuova fornitura di sostanze organiche per i microrganismi, questi muoiono e diventano nutrimento per altri batteri nel serbatoio, riducendo la concentrazione di solidi organici nei fanghi.
![acque reflue acque reflue](https://www.chimicamo.org/wp-content/uploads/2023/11/acque-reflue-300x166.jpg)
Questo processo è noto come respirazione endogena. La digestione aerobica ha anche la capacità di nitrificare in determinate condizioni. Le operazioni tipiche sono controllate dal pH; tuttavia, è possibile utilizzare altri parametri per controllare il processo.
Poiché per il processo di digestione aerobica sono necessarie sia l’aria che la miscelazione, le apparecchiature tipiche possono includere l’aerazione a bolle grossolane, l’aerazione a getto, l’aerazione superficiale e l’aerazione a bolle fini.
Poiché la riduzione dei solidi è tipicamente l’obiettivo principale della digestione aerobica, i cambiamenti nel pH determinano la capacità di distruggere la biomassa. Quando il pH diminuisce, diventa quindi necessaria l’aggiunta di sostanze alcaline.
![schema schema](https://www.chimicamo.org/wp-content/uploads/2023/11/schema.jpg)
In genere, il trattamento aerobico viene applicato per trattare acque reflue a bassa concentrazione e con una domanda chimica di ossigeno inferiore a1000 mg/L e quando il trattamento richiede la presenza di ossigeno.
Tra i vantaggi della digestione aerobica vi è la mancata produzione di solfuro di idrogeno o metano tipici prodotti della digestione anaerobica e una migliore efficacia di rimozione dei nutrienti che facilita lo scarico diretto nelle acque superficiali o la disinfezione.
Tuttavia il trattamento aerobico presenta anche diversi svantaggi infatti l’ossigenazione è un processo ad alta intensità energetica che aumenta notevolmente il consumo energetico complessivo, i costi e la manutenzione del processo. Inoltre i rifiuti solidi che i microbi non sono in grado di digerire spesso si depositano come biosolidi che richiedono uno smaltimento adeguato con conseguenti costi aggiuntivi.