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).
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).
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 SVinoculo 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 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 SVinoc . 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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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.
[i] 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.
[ii] 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.
[iii] 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.
[iv] 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).
[v] 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.
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 SVinoculo 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 SVinoc . 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
[i] 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.[ii] 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.
[iii] 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.
[iv] 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).
[v] 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.
