Una bioraffineria urbana per la conversione della frazione organica dei rifiuti solidi urbani (FORSU) e fanghi municipali in biopolimeri e biogas

Una bioraffineria urbana in scala pilota è stata sviluppata nel contesto territoriale del comune di Treviso (TV) per la produzione di biopolimeri (poliidrossialcanoati, PHA) e biogas da rifiuti organici urbani. In tale contesto, la raccolta differenziata altamente efficiente (87,9% sui rifiuti totali) garantisce la produzione di Frazione Organica di Rifiuti Solidi Urbani (FORSU) di alta qualità (alto contenuto organico biologicamente valorizzabile). Attualmente, la frazione liquida proveniente dal pre-trattamento meccanico della FORSU viene miscelata con fango biologico secondario (WAS) ed inviata al co-digestore anaerobico (ACoD) in piena scala all’interno dell’impianto di trattamento acque (WWTP) di Treviso (70.000 PE) per la produzione di solo biogas. Il sistema sviluppato in scala pilota (100-380 L) prevede l’upgrade dello schema attualmente operativo in piena scala tramite l’installazione di una linea aerobica per la produzione di PHA. Le unità pilota sono le seguenti: a) fermentatore acidogenico per la produzione di acidi grassi volatili (VFA); b) separazione solido/liquido (membrana tubolare di ultrafiltrazione); c) un Sequencing Batch Reactor (SBR) per la produzione aerobica di biomassa mista (MMC) PHAproduttrice; d) reattore aerobico fed-batch per la produzione intracellulare di PHA; e) ACoD per la produzione di biogas dai residui solidi miscelati con WAS prodotto dall’impianto in piena scala. FORSU pressata e WAS sono stati miscelati in una frazione volumetrica del 30% e 70% rispettivamente. La fermentazione acidogenica è stata condotta dopo un prepretrattamento termico (72°C, 48 ore), in modalità batch (5 d) e in mesofilia (37°C). Il processo fermentativo avveniva in un intervallo di pH compreso tra 5.0-5.5 ed era caratterizzato da un rendimento (YVFA) medio pari a 0.43 g CODVFA/g VS(0). La concentrazione di VFA in uscita era pari a 30 g CODVFA/L, con un rapporto CODVFA/CODSOL di 0.84. Questa caratteristica fondamentale della matrice fermentata permetteva di condurre la selezione aerobica della biomassa PHA-accumulante, la cui crescita è garantita dalla presenza di VFA, in modo efficace. Il reattore SBR è stato mantenuto operativo per più di 8 mesi, applicando un OLR di 3.2-4.0 kg COD/m3 .d e HRT pari a 1.0 d (uguale a SRT). La biomassa selezionata era in grado di accumulare fino al 60% di PHA rispetto al suo peso secco (w/w). In relazione al rifiuto organico di partenza, è stato stimato un rendimento complessivo di 107 g PHA/kg VS (approssimativamente del 10%). Il processo mesofilo (37°C) di codigestione (HRT 15-18 d, OLR 2-2.5 kg VS/m3 .d) ha permesso di produrre biogas dai flussi secondari in eccesso ricchi in solidi (30% w/w TS) dopo diluizione con WAS. La produzione specifica di gas (SGP) era pari a 0.4 m3 /kg VS. Applicando tale bioraffineria all’attuale impianto in piena scala è stata stimata una produzione di 114 ton PHA/y, 2314 m3 biogas/d e 5.9 MWh/d di energia elettrica. Rispetto allo scenario ACoD attuale, questo schema può essere ugualmente redditizio se il PHA prodotto è commercializzato ad una soglia minima di 0.82 €/kg. Quindi, un prezzo di mercato più alto e ancora ragionevole potrebbe rendere la bioraffineria un modello di valorizzazione dei rifiuti urbani preferibile rispetto al tradizionale approccio di digestione anaerobica.