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Le potenziali applicazioni delle microalghe
L’utilizzo di processi basati su consorzi di microalghe/batteri nel trattamento delle acque reflue urbane o agro-industriali rappresenta una soluzione alternativa o integrativa ai processi biologici tradizionali, basati sull’impiego di consorzi batterici autotrofi ed eterotrofi, che consente di ridurre i costi di processo associati all’aerazione forzata. Infatti, le microalghe producono ossigeno e lavorano in ottima sinergia con i batteri aerobi, che invece ne hanno bisogno.
Le microalghe inoltre assimilano i nutrienti solubili e li concentrano nella loro biomassa, rimuovendoli dall’acqua e permettono di catturare la CO2 prodotta dalla sezione di digestione anaerobica e di upgrading del biogas, a biometano, diminuendone così l’emissione in atmosfera.
Inoltre, la produzione di biomassa algale consente di modificare la prospettiva con cui si affronta la gestione dei residui della depurazione, che potrebbero diventare una risorsa da valorizzare.
Con la biomassa algale si possono ad esempio produrre biomateriali (pigmenti e bioplastiche), energia (biometano, biodiesel) o biofertilizzanti e biostimolanti da sfruttare in agricoltura.
Nel caso di biomassa algale cresciuta su acque reflue, sono invece preclusi i mercati a più alto valore aggiunto, quali quelli alimentare, nutraceutico, cosmetico.
Coltivazione delle microalghe: sistemi chiusi e sistemi aperti
Per una valutazione completa dell’applicabilità di questi processi vanno tuttavia considerati i vincoli posti dalle condizioni meteo-climatiche e dalla significativa esigenza di spazio. Le microalghe possono essere infatti coltivate sia in fotoreattori, sia in semplici vasche aperte. (Fig.1)
I primi sono sistemi chiusi che prevedono la possibilità di regolare ed ottimizzare le condizioni di crescita e di norma prevedono un’illuminazione artificiale; sono quindi utilizzati nella produzione di microalghe di pregio per applicazioni alimentari, cosmetiche o nutraceutiche.
I secondi sono bacini di profondità attorno ai 30 cm, dotati di un mulino a pale per la circolazione e la miscelazione e illuminati solamente dalla luce solare. Sono questi ultimi le soluzioni tipicamente applicate nel biorisanamento perché consentono di contenere i costi di processo.
Basandosi sulla cattura dell’energia solare, questi sistemi hanno un’elevata richiesta di superficie dato che la produttività microalgale, e la conseguente capacità depurativa, è proporzionale alla superficie della vasca e alla radiazione solare incidente.
La produttività può variare tra 30-40 ton/ha/anno nel Nord Italia fino a 100 ton/ha/anno nel sud della Spagna.
Conseguentemente, la superficie richiesta varia all’interno di intervalli piuttosto ampi ed è indicativamente compresa tra 2 e 10 m2 per abitante equivalente, circa un ordine di grandezza superiore a quella relativa agli impianti tradizionali.
Inoltre, la capacità depurativa dei processi basati su microalghe varia con la stagione e può ridursi significativamente durante i mesi invernali. Questi aspetti rappresentano un vincolo importante e ne condizionano il campo di applicazione rendendoli principalmente adatti ai trattamenti stagionali e a piccoli impianti.
Un’applicazione innovativa: microalghe e reflui urbani
Un altro campo di applicazione di potenziale interesse riguarda l’integrazione della coltivazione di microalghe in linea fanghi per la riduzione dei carichi di nutrienti rimandati nella linea acque. In questo caso, la capacità depurativa dell’impianto resta demandata ai processi biologici tradizionali e le microalghe impiegate svolgono un compito volto a ridurre il consumo energetico in linea acque.
Per quanto riguarda la maturità tecnologica di questi processi, l’implementazione nei climi mediterranei ha raggiunto la piena scala, come dimostrato dall’impianto di depurazione della città di Chiclana nel Sud della Spagna, gestito da FCC Aqualia.
L’impianto è costituito da vasche tipo raceway in cui si sviluppa il consorzio microalghe/batteri e che sostituiscono i classici trattamenti primari e secondari.
L’effluente secondario è conforme ai limiti per lo scarico mentre la biomassa prodotta è separata con un processo di flottazione ed inviata alla produzione di biometano.
Nuove sfide per nuove prospettive
Tra le sfide che ancora restano da affrontare vanno qui menzionati alcuni aspetti che ad oggi rappresentano ancora dei limiti alla diffusione delle tecnologie microalgali in ambito depurativo.
Le interazioni complesse tra i diversi microrganismi e i concomitanti processi chimico-fisici che governano il comportamento dei consorzi microalghe/batteri sono tuttora non pienamente compresi e la loro migliore comprensione potrà portare ad una più efficace gestione del processo che massimizzi le rese depurative
La gestione dei predatori e degli eventi meteorologici avversi che possono portare all’improvviso collasso della vitalità delle microalghe, è un altro importante ambito che necessita di essere meglio compreso per migliorare la stabilità e resilienza di questi processi.
Lo sviluppo di soluzioni tecnologiche a basso costo per la raccolta e la disidratazione della biomassa algale permetterebbe di abbattere i costi di produzione della biomassa microalgale, migliorando il bilancio economico complessivo del processo.
Lo sviluppo di un mercato affidabile per la biomassa algale prodotta utilizzando reflui o sottoprodotti rappresenta poi un nodo fondamentale che interseca aspetti normativi in continua evoluzione, soprattutto per quanto riguarda l’implementazione delle norme End of Waste.
L’AISAM per la promozione di progetti in ambito industriale
Va aggiunto che i processi basati sull’impiego di consorzi di microalghe/batteri possono trovare applicazione anche nel trattamento di acque reflue e sottoprodotti provenienti da processi produttivi dell’industria dell’agri-food, cioè per reflui ricchi in sostanze di origine organica e biodegradabile quali reflui zootecnici e relativi digestati, acque reflue provenienti da caseifici, molasse, vinacce, reflui da distillerie.
Si tratta tuttavia di applicazioni di maturità tecnologica inferiore, con esperienze prevalentemente limitate alla scala laboratorio e a quella pilota.
Le sfide in questo settore riguardano principalmente la possibilità di sviluppare processi stabili, in grado sia di garantire efficienze depurative adeguate sia di produrre una biomassa microalgale di pregio e ad alto valore aggiunto.
La ricerca nazionale in questo settore è particolarmente attiva e va qui menzionata l’Associazione Italiana per lo Studio e le Applicazione delle Microalghe (AISAM), che raggruppa ricercatori ed imprese attivi nel settore.
Tra i progetti nazionali che si sono occupati dell’applicazione delle microalghe nel trattamento dei reflui urbani si cita il progetto IMAP finanziato da Fondazione Cariplo nell’ambito del quale è stata studiata la possibilità di integrare un trattamento microalghe/batteri presso l’impianto di depurazione di Bresso-Niguarda (Milano), per la rimozione dei nutrienti dalla frazione liquida del digestato e sfruttando l’anidride carbonica prodotta dalla sezione di upgrading del biogas a biometano. L’impianto pilota tipo raceway della superficie di 6 m2 è attivo dal 2017 e ha consentito di verificare l’efficienza e stabilità del processo. Il sistema è risultato in grado di abbattere l’azoto ammoniacale con efficienza anche superiore al 90% grazie alla azione concomitante di microalghe e batteri nitrificanti [1] [4] [6].
Il progetto Polo delle Microalghe, finanziato da Fondazione Cariplo e Regione Lombardia, si è invece concentrato sui reflui del settore agri-food, valutando l’efficacia di processi a base microalgale per la rimozione dei nutrienti da acque reflue dei caseifici [3], di reflui zootecnici [5] [9] e loro digestati [7] [10], e di sottoprodotti di origine casearia. Inoltre, il progetto ha indagato le vie di valorizzazione della biomassa microalgale nel settore dell’acquacoltura [2], della produzione di biostimolanti per l’agricoltura [11] e della bioenergia [8].
Conclusioni
Molti di questi progetti verranno presentati durante AlgaeFarm, l’evento internazionale di riferimento in Italia per il settore delle microalghe in programma a Pordenone Fiere i prossimi 25 e 26 maggio. L’evento approfondirà le ultime novità sia nell’ambito della ricerca che dello sviluppo di nuove tecnologie per la coltivazione e l’applicazione delle alghe e microalghe.
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