Caratterizzazione dei digestati da fermentazione anaerobica ai fini del corretto uso agronomico

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1 Caratterizzazione dei digestati da fermentazione anaerobica ai fini del corretto uso agronomico Andrea Manfredini**, Marco Negri**, Giovanni Cabassi* **Dipartimento di Produzione Vegetale Sez. Agronomia *CRA - FLC

2 INTRODUZIONE PROGETTO VA.D.A (VAlutazione dei Digestati Anaerobici) Negli ultimi anni si è assistito ad un crescente interesse per la produzione di energia alternativa attraverso la fermentazione anaerobica; La presenza di digestori in azienda ha portato alla necessità d innovazione nello stoccaggio e nella distribuzione degli effluenti (digestato); La necessità di conoscere la composizione del digestato, per valorizzarlo al meglio in fase di distribuzione, evitando le perdite di nutrienti utili alle colture

3 SCOPO Scopo di questo progetto è stato quello di determinare le diverse componenti dei digestati anaerobici e della loro ripartizione all interno delle frazioni (separato solido, liquido ed integrale), impiegando tecniche di analisi tradizionali e tecniche di spettroscopia (NIR Near infrared spectroscopy)

4 MATERIALI E METODI I digestati utilizzati per questa sperimentazione sono stati raccolti presso aziende agricole; Il processo di separazione veniva eseguito nel più breve tempo possibile dal prelievo; Le analisi venivano condotte subito dopo la separazione specie per: azoto ammoniacale, N totale, ph e la sostanza secca. Prelievo del digestato integrale Trasporto presso il laboratorio

5 MATERIALI E METODI Il processo di separazione: Inizio della separazione Separato liquido Pressatura Dispositivo di separazione I prodotti della separazione Digestato integrale Separato solido

6 RISULTATI Ripartizione dell azoto nelle diverse frazioni Rapporto C/N N org (g/kg) Ammonio (g/kg) Azoto totale (g/kg) Rapporto NH4/NT (%) Integrale separato solido separato liquido

7 RISULTATI Valori SS min e max: Integrale Sep. Solido Min.(% t.q.) Max.(% t.q.) Sep. liquido Valori ph min e max: Integrale Sep. Solido Sep. liquido Min Max

8 Metodo di analisi rapida dei digestati A) Determinazione con metodi convenzionali di variabili, con potere predittivo, facili e veloci da determinare: Conduttività elettrica (EC); Sostanza secca (DM). B) Determinazione tramite spettroscopia NIR di N totale, N-NH4, sostanza secca, P.

9 Spettroscopia nel vicino infrarosso (NIRS) Descrizione Utilizza l intensità dell assorbimento della luce nello spettro NIR ( nm); analizza campioni intatti, senza reagenti chimici (basso impatto ambientale); garantisce un analisi rapida (< 2 min) e completa (molti costituenti contemporaneamente); usato largamente in zootecnia e mangimistica per la caratterizzazione dei foraggi e delle granelle; l informazione spettrale viene correlata con l informazione sulla composizione dei campioni mediante tecniche di chemiometria per sviluppare modelli statistici di calibrazione; Le calibrazioni adattano lo strumento ad analizzare campioni futuri di composizione incognita.

10 Metodologia spettrometro modello NIR flex N-500 Büchi range nm (risoluzione 2 nm); 3 repliche per campione; riflettanza media di 100 scansioni; piastra ruotante, con finestra al quarzo; campioni termostati a 25ºC. Particolare dei sacchetti di PE per alimenti impiegati per l analisi NIR Separato solido Integrale Separato liquido

11 Spettro NIR Lo strumento fornisce lo spettro del materiale analizzato. L impiego di opportune applicazioni statistiche permette di elaborare gli spettri fino al raggiungimento della calibrazione e della successiva convalidazione dei risultati.

12 Risultati: scansioni NIRS Analisi delle componenti principali Scatter-plot digestati integrali

13 PROGETTO MI.RE.A (MIneralizzazione dei REflui Anaerobici) Introduzione Mancanza di dati relativi alla mineralizzazione dell azoto organico dei digestati anaerobici; approfondire la relazione causa - effetto tra la composizione del digestato e il suo valore agronomico;

14 Scopo del progetto Il progetto di ricerca si propone di misurare, in condizioni controllate in laboratorio, la respirazione del carbonio e la mineralizzazione dell azoto delle frazioni solida e liquida di alcuni digestati ottenuti sperimentalmente, attraverso combinazioni di diversi reflui zootecnici (suini e bovini) e diverse biomasse aggiunte (FORSU e Insilato integrale di mais).

15 Metodologia Produzione dei digestati: I digestati sono stati prodotti miscelando un liquame zootecnico insieme ad una biomassa vegetale; I due tipi di liquame (bovino e suino) sono stati scelti per la diversa fisiologia dell apparato digerente e per la differente alimentazione; Le biomasse aggiunte (insilato di mais e FORSU) sono state scelte perché il mais è il più usato, il FORSU è stato scelto per la facilità di reperibilità e per la diversa composizione.

16 Materiali e metodi Prelievo di circa 200 L di liquami presso aziende agricole zootecniche; Prelievo di circa 100 kg di insilato di mais; Recupero di FORSU proveniente dalla raccolta differenziata; Campionamento del suoli di natura sabbiosa e con bassa percentuale di argilla per la prova di mineralizzazione; Caratterizzazione delle matrici di partenza nei parametri fondamentali di: sostanza secca, azoto totale, azoto ammoniacale e carbonio totale.

17 Preparazione prova Sono stati digeriti: 1. Liquame bovino con aggiunta di liquame bovino (MIREA 4); 2. Liquame bovino con aggiunta di insilato di mais (MIREA 2); 3. Liquame bovino con aggiunta di FORSU (MIREA 6); 4. Liquame suino con aggiunta di liquame suino (MIREA 1); 5. Liquame suino con aggiunta di insilato di mais (MIREA 3); 6. Liquame suino con aggiunta di FORSU (MIREA 5).

18 Cavo alimentazione elettrica Schema sperimentale Valvola alimentazione Sacchetto raccolta Biogas per analisi qualitativa La pompa favorisce la triturazione ed il mescolamento del materiale aggiunto Sono stati creati 6 digestori progettati come in figura. Pompa trituratrice Materiale in fermentazione I digestori venivano alimentati con le rispettive matrici e liquami. Per stabilire quando aggiungere si usava il metodo Fos/Tac.

19 Conduzione della fermentazione e mineralizzazione La fermentazione anaerobica è stata condotta per circa 60 giorni; I fermentatori erano immersi in bagni termostatati in condizioni di mesofilia; Alimentazione dei digestori quando necessaria (FOS/TAC); Al termine della fermentazione i diversi digestori sono stati aperti e sottoposti a separazione e caratterizzazione delle matrici immesse; I prodotti della separazione sono stati sottoposti ad una prova di mineralizzazione in suolo sabbioso a bassa percentuale di argilla; Il quantitativo di azoto in ogni singola unità sperimentale è stato di 100 mg kg -1 di azoto totale. Le determinazione del contenuto di azoto, della CO 2 sviluppata e delle attività enzimatiche, sono state eseguite a tempi determinati, cioè a 0, 2, 4, 8, 14, 21, 29, 41, 72, 120, 180 e 240 giorni dalla preparazione.

20 Preparazione delle unità sperimentali Separato solido Aggiunte di materiale e registrazione dei pesi Rimescolamento suolo- digestato con spatola d acciaio Determinazione peso lordo dell unità sperimentale, e avvio all incubazione Separato liquido g g Tot. U.S. 792 Integrale g g g g

21 Set Nursery create per ogni tempo di incubazione CO 2 CO 2 CO 2 Trappola NaOH Analisi: 1. Attività respiratoria (CO 2 evolution); 2. Azoto (NH 4+, NO 3- ); 3. MBC e MBN; Trappola NaOH Trappola NaOH 4. Attività enzimatiche (FDA, DHA) Suolo Le unità sperimentali sono state incubate in camera termostatata in condizioni di temperatura ed umidità controllate (25ºC; 45% U.R.)

22 Primi risultati Andamento delle attività enzimatiche FDA ug FDA g-1 pf FDA Separato solido Controllo Solfato ammonico Mirea1 Mirea2 Mirea3 Mirea4 Mirea5 Mirea6 ug FDA g-1 pf FDA Separato liquido LIQ BOV. LIQ SUINO MIREA 1 MIREA 2 MIREA 3 MIREA 4 MIREA 5 MIREA Tempo (giorni) Tempo (giorni) ug FDA g-1 pf FDA Integrale MIREA 1 MIREA 2 MIREA 3 MIREA 4 MIREA 5 MIREA Tempo (giorni)

23 Primi risultati Attività enzimatiche - Deidrogenasi Separato solido Deidr. Separato liquido Deidr ug TPF g-1 pf Controllo Solfato ammonico MIREA 1 MIREA 2 MIREA 3 MIREA 4 ug TPF g-1 pf LIQ BOV. LIQ SUINO MIREA 1 MIREA 2 MIREA 3 MIREA 4 MIREA 5 MIREA Tempo (giorni) Tempo (giorni) 20 Integrale Dedir. 18 ug TPF g-1 pf MIREA 1 MIREA 2 MIREA 3 MIREA 4 MIREA 5 MIREA Tempo (giorni)

24 Primi risultati - ph ph ph suolo-sep. solido Controllo Solfato ammonico MIREA 1 S MIREA 2 S MIREA 3 S ph ph suolo-sep. liq Controllo Solfato ammonico Liquame bovino Liquame suino MIREA 1 L MIREA 2 L MIREA 3 L tempo (giorni) MIREA 4 S Tempo (giorni) MIREA 4 L MIREA 5 L ph ph suolo- dig.integrale Controllo Solfato ammonico MIREA 1 i MIREA 2 i MIREA 3 i MIREA 4 i MIREA 5 i Tempo (giorni)

25 Conclusioni 1. Alto contenuto di azoto ammoniacale e ph elevato rendono il digestato soggetto perdite di ammoniaca per volatilizzazione; 2. Nella distribuzione è importante un buon interramento per diminuire le perdite in N; 3. La presenza di azoto organico complica la dinamica dell azoto nel suolo (immobilizzazione accumulo); 4. Elevata variabilità temporale nella concentrazione di nutrienti per le diverse razioni adottate; 5. La variabilità del materiale determina il ricorso ad analisi chimicofisiche (anche con metodi rapidi e poco costosi) prima del calcolo delle dosi di distribuzione.

26 Grazie per l attenzione! Responsabile scientifico: Prof. Tommaso Maggiore Gruppo di lavoro: Dr. Pietro Marino, Dr. Luca Bechini, Dr. Marco Negri, Dr. Daniele Cavalli, Dr. Andrea Manfredini.

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