Fermentazione acidogenica per la produzione di acidi grassi volatili da fanghi di depurazione: influenza del pretrattamento con Carbonizzazione Idrotermica (HTC)

As sludge production within sewage treatment plants continues to grow, the need to develop alternative methods of reuse that are sustainable and effective arises. From the circular economy perspective, Hydrothermal Carbonization (HTC) represents a pretreatment technology that enables the conversion of sludge into hydrochar (solid fraction) and liquid fraction. The liquid fraction, which is rich in soluble organic matter, can be used as a substrate for fermentation. Although pretreatment at high temperature and pressure leads to the synthesis of toxic substances within the sludge, the analysis of biological oxygen demand (BOD) has shown that the pretreated sludge still possesses good degradability, with BOD20/COD ratios ranging from 67-93%. Testing different pretreatment conditions, 170°C and 30 minutes proved optimal to impart good fermentability to the pretreated sludge. Fermenting the HTC liquid within a semi-continuous system (HRT= 3 d) resulted in 47% acidification efficiency. The maximum VFA concentration found is 11.6 gCOD_VFA/L, with an average volumetric productivity of 1.6 gCOD_VFA/(L*d). Fermenting pretreated substrate also leads a higher presence of long-chain acids in the VFAs mixture, such as butyric, valeric and their isomers. Biochemical Methane Potential (BMP) and manometry denitrification tests were conducted to evaluate the potential of the different streams to be further exploited for methane production, or as external carbon sources in activated sludge treatment plants. The results show that hydrochar, liquid HTC and fermented obtained, have good prospects for applicability in such areas. Pretreatment by HTC also improves the dehydration and settleability of both sludge and fermentate obtained from it, simplifying their eventual management within a full-scale plant.

La produzione di fanghi all’interno di impianti di depurazione è in costante crescita, sorge la necessità di sviluppare metodi alternativi di riutilizzo, sostenibili ed efficaci. Nella prospettiva dell'economia circolare la carbonizzazione idrotermica (HTC) rappresenta una tecnologia di pretrattamento che consente la conversione dei fanghi in hydrochar (frazione solida) e frazione liquida. La frazione liquida, ricca di sostanza organica solubile, ne permette l’utilizzo come substrato per la fermentazione. Sebbene il pretrattamento ad alta temperatura e pressione possa portare alla sintesi di sostanze tossiche all’interno del fango, l’analisi della domanda biologica di ossigeno (BOD) ha dimostrato che il fango pretrattato possiede comunque una buona degradabilità, con rapporto BOD20/COD compreso tra 67-93%. Testando diverse condizioni di pretrattamento, 170°C e 30 minuti si sono dimostrate ottimali per conferire buona fermentabilità al fango pretrattato. Fermentando il liquido HTC all’interno di un sistema in semicontinuo (HRT= 3 d) si è ottenuta un’efficienza di acidificazione pari al 47%. La concentrazione massima di VFA riscontrata durante la sperimentazione risulta pari a 11,6 gCOD_VFA/L, con una produttività volumetrica media di 1,6 gCOD_VFA/(L*d). Fermentando substrato pretrattato inoltre si ottiene una miscela di VFA con maggiore presenza di acidi a catena lunga, come butirrico, valerico ed i rispettivi isomeri. Prove di Biochemical Methane Potential (BMP) e di denitrificazione in manometria sono state effettuate per valutare le potenzialità dei diversi flussi in esame di essere ulteriormente valorizzati all’interno degli impianti di trattamento per la produzione di metano o come fonti esterne di carbonio nel trattamento a fanghi attivi. I risultati mostrano che sia hydrochar che liquido HTC e fermentato ottenuti, hanno buone prospettive di applicabilità in tali ambiti. Il pretrattamento tramite HTC migliora inoltre la disidratabilità e la sedimentabilità sia del fango che del fermentato da esso ottenuto, semplificandone l’eventuale gestione all’internodi un impianto a piena scala.