La digestione anaerobica è un processo che permette la riduzione della materia organica di scarto in una miscela gassosa denominata biogas, principalmente costituita da CO2 e CH4. Il biogas è utilizzato per la cogenerazione di energia elettrica e calore mentre il digestato (effluente liquido) può trovare impiego come fertilizzante; ad oggi vi è tuttavia la necessità di migliorare la qualità di biogas e digestato per aumentare il ritorno economico del processo. Il biogas, mediante un processo di purificazione ed upgrading può essere trasformato in biometano, un biocombustibile con un tenore di metano maggiore del 95% con proprietà analoghe al gas naturale compresso. Inoltre, il digestato anaerobico contiene una considerevole quantità di nutrienti, in particolare di azoto ammoniacale, l¿utilizzo del digestato come fertilizzante è in alcuni casi limitato da aspetti igienico-sanitari nonché legislativi, una strategia alternativa è quella di recuperare selettivamente l¿azoto ammoniacale mediante processi di separazione. Un processo bioelettrochimico, che prevede l'utilizzo di microrganismi in grado di utilizzare elettrodi per espletare il loro metabolismo energetico, può essere utilizzato sia per il recupero di azoto da un refluo di scarto sia per la rimozione della CO2 da una miscela gassosa. In una cella di elettrolisi microbica (MEC) a "doppio catodo", le reazioni bioelettrochimiche di ossidazione della sostanza organica e di riduzione della CO2 a CH4 provocano il passaggio di corrente che promuove la migrazione dell'azoto ammoniacale ed altre specie di interesse verso una apposita camera dotata di una membrana a scambio ionico, dove possono essere accumulate. Il processo nella MEC a doppio catodo costituisce un interessante spunto per lo sviluppo di un processo di post trattamento dei prodotti liquidi e gassosi provenienti dalla digestione anaerobica che consente l¿aumento dell¿efficienza del processo e del ritorno economico del processo di digestione anaerobica.
L¿elemento principale di innovazione del progetto proposto risiede nello sviluppo di un processo bioelettrochimico che permette di combinare in un unico step il trattamento di acque contaminate da sostanze organiche (COD), la produzione di un biocombustibile gassoso (CH4) ed il recupero di azoto ammoniacale potenzialmente riutilizzabile come fertilizzante agricolo. Il recupero di nutrienti dalla digestione anaerobica ed in generale da diverse matrici di scarto è una delle principali aree di interesse per quanto riguarda le applicazioni ambientali dei sistemi bioelettrochimici, l¿azoto ammoniacale è il nutriente più studiato nell¿ambito dei sistemi bioelettrochimici in quanto può essere facilmente rimosso e concentrato mediante l¿azione del campo elettrico presente in un sistema elettrochimico, che provoca la migrazione dello ione ammonio che può attraversare una membrana a scambio cationico e accumularsi in una specifica camera del reattore. L¿upgrading del biogas, ovvero la rimozione della CO2 dalla miscela gassosa riceve grande interesse nell¿ambito delle celle di elettrolisi microbiche in quanto, la reazione di bioelettrometanogenesi permette di convertire la CO2 in CH4 mediante un biocatodo. Tale reazione costituisce un interessante alternativa biologica al cosiddetto ¿Power to gas concept¿ ovvero lo stoccaggio energetico ottenuto mediante la metanazione (riduzione) della CO2 prodotta da attività industriali mediante la reazione di Sabatier utilizzando i suprplus energetici prodotti dalle fonti rinnovabili (eolico e fotovoltaico). In maniera del tutto analoga, utilizzando biocatodi per la riduzione della CO2 a CH4, è possibile parlare di un ¿BioElectrochemical Power to Gas¿, tale approccio consentirebbe di riciclare la CO2 emessa dalle attività umane e stoccare parte dell¿energia di surplus prodotta dalle fonti rinnovabili in CH4, un vettore energetico ampiamente utilizzato e diffuso. Una delle fonti di CO2 più concentrate a livello industriale è proprio il biogas (30 -55 % di CO2 nel biogas) prodotto dalla digestione anaerobica per cui l¿utilizzo di un sistema bioelettrochimico per la metanazione della CO2 contenuta nel biogas risulta particolarmente adatta allo scopo. La maggior parte degli studi sui sistemi bioelettrochimici finora sono stati focalizzati verso una sola delle due tematiche, ovvero il recupero dell¿azoto o l¿upgrading del biogas, il nostro gruppo di ricerca ha recentemente proposto di integrare i due processi avvalendosi di una cella di elettrolisi microbica (MEC) dotata di una camera intermedia di accumulo dotata di una membrana PEM e di una AEM; sebbene tale configurazione abbia dato risultati positivi, alcune problematiche legate alla diffusione dello ione ammonio ha portato a progettare una nuova configurazione a tre camere della MEC. La nuova configurazione, denominata a MEC a doppio catodo consiste in un reattore dotato di una camera anodica intermedia e due camere catodiche esterne collegate tra di loro in parallelo. Rispetto alla configurazione precedentemente proposta permette quindi di ottimizzare il volume utilizzato per la realizzazione del processo oltre al fatto di ottimizzarne le prestazioni ponendo attenzione alla massimizzazione dei processi catodici. Tale configurazione non ancora proposta in letteratura attualmente ha dato risultati preliminari particolarmente incoraggianti per quanto riguarda le prestazioni catodiche e i consumi energetici del processo. L¿approccio del doppio catodo, potrebbe anche essere esteso grazie alla modularità della configurazione proposta, una serie di anodi e catodi separati da membrane a scambio ionico potrebbero essere impiegati non solo nell¿ambito della digestione anaerobica, ma anche per altri scopi quali la desalinizzazione di acque marine e/o salmastre contemporaneamente al trattamento di acque reflue e generazione di sostanze ridotte.