Il processo di produzione del biogas si può suddividere in diverse fasi: oltre alla produzione vera e propria sono fondamentali anche la pulizia e l’upgrading.
Il biogas si produce attraverso un processo di “digestione” nel corso del quale la biomassa viene collocata in un apposito impianto in condizioni di pH e temperatura costanti: si sviluppa così una specifica flora batterica che, nutrendosi del substrato organico presente, produce come risultato finale il biogas.

Purtroppo il gas ottenuto non è subito utilizzabile, ma richiede dei trattamenti indispensabili per ottenere un prodotto di qualità, che possa essere utilizzato ad esempio per il processo di produzione di energia (cogenerazione). Il biogas , infatti, deve essere purificato per eliminare i composti che potrebbero danneggiare i componenti meccanici, causando rapidamente fenomeni di corrosione, usura e malfunzionamento. Lo schema seguente mostra più nel dettaglio come sono articolati i vari processi di produzione e trattamento del gas naturale.

Fasi di trattamento del biogas

Fig 1: Fasi di trattamento del biogas.

La fermentazione anaerobica della biomassa produce, tra le altre cose, anche metano, biossido di carbonio e una certa quantità di acido solfidrico, dovuta alla componente proteica della biomassa. Uno dei trattamenti di “pulizia” più importanti per rendere il biogas utilizzabile è perciò la desolforazione.

La desolforazione

Il trattamento di desolforazione, ovvero la rimozione dei composti sulfurei (incluso il solfuro di idrogeno H2S) è di cruciale importanza per la fattibilità tecnologica ed economica di un impianto. Il solfuro di idrogeno, infatti, è un gas pericoloso e corrosivo che deve essere rimosso dal biometano prima del suo utilizzo, che si tratti di immissione in rete o di produzione di metano-combustibile.

Un’elevata concentrazione di H2S, per esempio, può causare l’acidificazione dell’olio lubrificante, l’usura eccessiva di parti meccaniche e la corrosione di alcune componenti metalliche a causa dell’instaurarsi di fenomeni di condensa e di formazione di acido solforico (H2SO4).

La desolforazione può essere eseguita tramite diverse tecnologie, fra le quali:

  • Desolforazione biologica;
  • Scrubbing chimico con ossidazione;

Vediamo brevemente in cosa consistono queste tecniche e come si applicano al biogas.

Desolforazione biologica

Desolforazione biologica: il processo

Fig 2: Desolforazione biologica: il processo

Il solfuro di idrogeno può essere rimosso attraverso l’ossidazione da parte di microrganismi della specie Thiobacillus o Sulfolobus. Questa ossidazione richiede una certa quantità di ossigeno che viene aggiunta in forma di aria o di ossigeno puro, se i livelli di azoto devono essere ridotti al minimo.

Il processo di desolforazione biologica può avvenire all’interno del digestore immobilizzando i microrganismi già presenti nel digestato naturale. L’ alternativa è quella di utilizzare una apparecchiatura esterna attraverso cui il biogas passa dopo aver lasciato il digestore. Il gas viene miscelato con l’ossidante aggiunto, entra nel filtro gocciolando ed incontra un flusso di acqua contenente sostanze nutritive.

In questo modo la concentrazione dell’H2S può essere abbattuta del 95 % fino a meno di 50 ppm: così il sistema biologico è in grado di rimuovere quantitativi anche molto elevati di idrogeno solforato dal biogas.
Lo svantaggio di questo tipo di tecnologia di desolforzione, però, è che in certi casi questo sistema non è in grado di adattarsi a significative variazioni di solfuri.

scrubbing biologico desolforazione biogas

Fig 3: Scrubbing biologico per la desolforazione del biogas.

Desolforazione chimica

L’absorbimento di acido solfidrico in soluzioni caustiche è uno dei metodi più antichi per la desolforazione dei gas. Oggi, l’idrossido di sodio viene tipicamente utilizzato come caustico e il pH è attentamente controllato per regolare la selettività di separazione.

Il compito è quello di creare e mantenere un funzionamento dell’impianto con massimo absorbimento di idrogeno solforato e minimo absorbimento di anidride carbonica, al fine di ridurre il consumo di prodotti chimici (il biossido di carbonio deve essere rimosso con una tecnologia più efficiente).

Scrubbing chimico desolforazione biogas

Fig 4: Scrubbing chimico per la desolforazione del biogas

L’ossidazione chimica dell’H2S può avvenire anche in presenza di Fe+3 (idrossido di ferro) oppure Zn+2 (ossido di zinco) secondo le reazioni seguenti:

formula reazione ossidazione chimica

L’idrogeno solforato può essere adsorbito sulla superficie di ossidi metallici come ossido di ferro, ossido di zinco oppure ossido di rame o su carbone attivo e perfettamente rimosso dal biogas. Durante l’adsorbimento di ossidi metallici, lo zolfo si lega come solfuro metallico e viene rilasciato vapore acqueo.

Non appena il materiale adsorbente si carica, viene rimosso e sostituito con nuovo materiale. L’adsorbimento di idrogeno solforato su carbone attivo solitamente viene eseguito con una piccola aggiunta di ossigeno, che serve per ossidare il gas adsorbito allo zolfo e per legarlo più forte alla superficie. Se non è consentito il dosaggio di ossigeno, si utilizza un carbone attivo impregnato. Questa tecnica di desolforazione è estremamente efficiente con concentrazioni risultanti inferiori a 1 ppm.

In conclusione è opportuno specificare che il trattamento del biogas, che è una fase critica per il corretto funzionamento dell’impianto, può essere realizzato utilizzando diverse tecnologie, ognuna con diversi punti di forza e criticità: in genere, solo un utilizzo combinato di diverse soluzioni tecniche consente il miglior risultato in termini di qualità del biogas ottenuto.

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Foto: “Impianto biogas a Berlino” – Foto: by Assenmacher Original uploader was Assenmacher at en.wikipedia. Con licenza Creative Commons ‘ Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 Unported’