Idrolisi termica: funzionamento, substrati idonei e bilancio energetico

L'idrolisi termica consiste nel riscaldamento del substrato a una temperatura solitamente compresa tra 130 e 180 °C sotto la pressione di saturazione del vapore, per alcune decine di minuti, seguito da una rapida riduzione della pressione. Questo processo disgrega le strutture cellulari e solubilizza parte della materia organica, accelerando la successiva digestione anaerobica. Viene applicata principalmente ai fanghi di depurazione e ad alcuni bio-rifiuti, meno frequentemente ai substrati agricoli.

Principio di funzionamento

Il substrato viene riscaldato con vapore in un reattore in pressione. L'alta temperatura distrugge le pareti cellulari dei microrganismi, solubilizza le proteine e parte dei polisaccaridi e riduce la viscosità della sospensione. Al termine del ciclo, la miscela viene raffreddata (con recupero del vapore) e inviata al digestore. Nei sistemi discontinui, più reattori operano in alternanza; nei sistemi continui si utilizzano reattori a flusso.

Parametri ed effetti

Effetti: maggiore solubilizzazione della materia organica, minore viscosità (possibile aumento della sostanza secca nella camera), miglioramento della disidratazione del digestato, igienizzazione e talvolta un maggiore rendimento di metano. Nel caso dei fanghi di supero, l'incremento del rendimento può essere riportato nell'ordine di alcune decine di punti percentuali, ma il risultato dipende dal tipo di fango e dai parametri adottati.

Substrati

• Fanghi di supero e misti — applicazione più comune, poiché le pareti cellulari rappresentano una barriera.
• Bio-rifiuti — miglioramento dell'omogeneità e igienizzazione.
• Paglia e erbe — effetto limitato dalla lignina, talvolta si utilizza una variante con esplosione di vapore.
• Insilato di mais — generalmente non conveniente.

Esempio di bilancio termico

Ipotesi: 100 m³/giorno di fango con sostanza secca del 12%, riscaldamento da 15 °C a 160 °C, calore specifico come l'acqua (4,18 kJ/(kg·K)), densità 1000 kg/m³, recupero di calore del 60%. Energia lorda: 100 000 kg × 4,18 × 145 K ≈ 60,6 GJ/giorno, ovvero circa 16 800 kWh/giorno. Dopo il recupero del 60%, il fabbisogno netto è di circa 6 700 kWh/giorno (circa 280 kW). Il metano aggiuntivo deve coprire questo fabbisogno: con un potere calorifico di circa 9,97 kWh/m³ CH₄ e un'efficienza termica della caldaia del 90%, servono circa 750 m³ CH₄/giorno per coprire il calore derivante dal gas. Pertanto, la tecnologia ha senso quando il calore è di scarto o quando i benefici (disidratazione, dose maggiore) prevalgono. Il bilancio deve essere sempre verificato per il progetto specifico.

Vantaggi e svantaggi

Attenzione all'ammoniaca

La degradazione delle proteine libera azoto ammoniacale; nei sistemi con un'elevata percentuale di proteine, un TAN (azoto ammoniacale totale) elevato può inibire la digestione anaerobica. Questo aspetto deve essere considerato in fase di progettazione (diluizione, cascata di camere, stripping).

Rischi e sicurezza

Il reattore in pressione è un'apparecchiatura soggetta a normative di sorveglianza tecnica e requisiti di sicurezza (valvole di sicurezza, ispezioni). Il vapore e i fluidi caldi comportano rischi di ustioni. Nelle aree con presenza di gas, è necessario valutare il rischio di esplosione. Sono richieste istruzioni operative, formazione e ispezioni periodiche.

Quando valutare l'adozione

1. Il fango o il bio-rifiuto ha un basso potenziale a causa di una struttura difficile.
2. La disidratazione del digestato è costosa.
3. È disponibile calore di scarto ad alta temperatura.
4. Le camere hanno una capacità volumetrica limitata e si desidera aumentare il carico.

Non conviene installare l'idrolisi termica "a priori": prima di decidere, esegua test con il proprio substrato e verifichi il bilancio termico su dati annuali.

Confronto con altri metodi di trattamento dei fanghi

Negli impianti di depurazione, l'idrolisi termica compete con la disintegrazione ultrasonica, meccanica ed enzimatica. Il suo punto di forza è l'igienizzazione simultanea e la riduzione della viscosità, mentre il punto debole è il costo del calore e l'apparecchiatura in pressione. In pratica, viene scelta quando è richiesto un prodotto con elevata qualità microbiologica o quando i digestori sono fortemente caricati. Per i piccoli impianti agricoli, l'investimento solitamente non è conveniente.

Dati da raccogliere prima della decisione

• composizione e sostanza secca del fango o dei bio-rifiuti su base annuale,
• BMP del substrato grezzo e trattato in condizioni simili a quelle pianificate,
• disponibilità e costo del calore,
• costo della disidratazione e dello smaltimento del digestato prima e dopo,
• requisiti di sorveglianza tecnica per le apparecchiature in pressione.