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

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

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

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.

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