Gestione e riduzione dell azoto di origine zootecnica

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1 Agricoltura Gestione e riduzione dell azoto di origine zootecnica Soluzioni tecnologiche e impiantistiche Quaderni della ricerca n Settembre 2008 RICERCA

2 Studio condotto nell ambito del progetto di ricerca n. 1165: Supporto al Programma d azione nitrati (d.g.r. 28 febbraio 2007, n. 4198) autori del testo e dei disegni Giorgio Provolo Elisabetta Riva Salvatore Serù Università degli Studi di Milano Istituto di Ingegneria Agraria, Facoltà di Agraria Via Celoria, Milano Tel. 02/ giorgio.provolo@unimi.it coordinamento del progetto Stefano Brenna Carlo Riparbelli ERSAF - Ente Regionale per i Servizi all Agricoltura e alle Foreste Dipartimento Servizi all Agricoltura Struttura Sviluppo Rurale, Suoli, Filiera Vitivinicola Tel. 02/ stefano.brenna@ersaf.lombardia.it carlo.riparbelli@ersaf.lombardia.it per informazioni: Gianpaolo Bertoncini Regione Lombardia - Direzione Generale Agricoltura Struttura Ricerca e Innovazione Tecnologica Via Pola, Milano Tel. 02/ gianpaolo_bertoncini@regione.lombardia.it Copyright Regione Lombardia

3 Gestione e riduzione dell azoto di origine zootecnica Soluzioni tecnologiche e impiantistiche Quaderni della ricerca n Settembre 2008

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5 Quaderni della ricerca Sommario Presentazione 5 Premesse 7 Indicazioni per la consultazione 11 SO-01 Separazione dei solidi grossolani 13 SO-02 Separazione dei solidi grossolani e fini 15 SO-03 Stabilizzazione degli effluenti 17 SO-04 Rimozione biologica dell azoto 19 SO-05 Estrazione di azoto come concime minerale 21 SO-06 Produzione di energia 23 SO-07 Tecniche per la rimozione dell azoto 25 e la produzione di energia SO-08 Fitodepurazione 27 SO-09 Gestione razionale degli effluenti 29 pagina 3

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7 Quaderni della ricerca Presentazione Come è noto Regione Lombardia, in materia di nitrati, ha provveduto ad ottemperare alle richieste della Commissione cercando di limitare la ricaduta negativa per l intero comparto zootecnico lombardo. Sarà necessario tuttavia modificare alcuni comportamenti per meglio governare il sistema e saper cogliere le opportunità derivanti da una corretta gestione degli effluenti di allevamento. L attenzione volta ad una più razionale gestione degli stessi e dei fertilizzanti azotati in genere, si rende necessaria affinché il potenziale rischio di inquinamento delle falde derivante dall attività agraria, soprattutto nelle zone ad alta vocazione zootecnica, venga contenuto. La direttiva Nitrati (91/676/CEE), che ha avuto il pieno recepimento a livello nazionale nel 2006, ha richiesto la designazione di diversi ambiti di vulnerabilità. Sia nelle zone vulnerabili che su tutto il resto del territorio regionale la gestione dell azoto, con particolare riferimento a quello di origine zootecnica, è regolamentata attraverso programmi d azione che definiscono quantitativi, modalità e periodi per la distribuzione dei fertilizzanti. In tal senso, questo Quaderno della Ricerca si propone di fornire un contributo per orientare il mondo dell agricoltura alla scelta delle diverse tecnologie per la gestione degli effluenti di allevamento per il miglioramento dell efficienza della gestione dell azoto nelle aziende agricole. Le possibili soluzioni alla problematica degli eccessi di nutrienti sul territorio vengono qui analizzate anche per gli aspetti economici dell introduzione in azienda, tramite la comparazione di soluzioni impiantistiche differenti e attraverso l analisi di alternative aziendali e consortili. Il lavoro si inquadra in una più ampia strategia della Regione che si sta dotando di strumenti e conoscenze per dare risposte concrete al mondo produttivo e più in generale ai cittadini, nel rispetto degli appuntamenti fissati dall Unione Europea in tema di sostenibilità ambientale e protezione del suolo e delle risorse idriche. Luca Daniel Ferrazzi Assessore all Agricoltura Regione Lombardia 5

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9 Quaderni della ricerca Premesse Negli ultimi decenni sono cresciute le preoccupazioni per lo stato dell ambiente e di conseguenza è aumentata la propensione alla riduzione dell inquinamento di origine antropica. Una delle tematiche ambientali che è maggiormente sentita e coinvolge in modo rilevante l attività agricola, riguarda la qualità delle acque sia per quanto concerne la presenza di composti pericolosi per la salute, come a esempio i nitrati, sia per l arricchimento di sostanze nutritive, in particolare azoto e fosforo, che favoriscono fenomeni di eutrofizzazione. Con questo termine si intende l eccessivo accrescimento di alghe e piante acquatiche con conseguente rottura degli equilibri presenti nell ecosistema acquatico e deterioramento delle acque che lo ospitano. Il ruolo dell agricoltura, in questo contesto, è tutt altro che trascurabile. Infatti, pur non essendo l unico comparto coinvolto, è quello a cui vengono attribuiti la maggior parte dei rilasci di azoto verso le acque sia superficiali, sia sotterranee. L Agenzia Europea per l Ambiente (EEA) stima che l agricoltura italiana incida per oltre il 60% sui rilasci di azoto verso le acque superficiali e evidenzia una stretta correlazione tra la concentrazione dei nitrati nelle acque e l intensità delle pratiche agricole presenti sul territorio. Tale valutazione si inserisce in un contesto internazionale in cui l Italia si colloca a valori paragonabili con quelli dei paesi che hanno un sistema agricolo intensivo. La preoccupazione verso gli elevati input di fertilizzanti azotati nel sistema agricolo, che si traducono in un maggior rischio di rilascio verso l ambiente, cresce nelle zone a zootecnia intensiva dove si somma l uso fertilizzanti minerali azotati con l elevata disponibilità di effluenti di allevamento. Questi hanno dal punto di vista ambientale valore positivo in quanto consentono di riportare fertilità al terreno sotto forma di sostanza organica e microelementi evitandone l impoverimento. Quando sono prodotti in quantità elevate possono però incrementare i rilasci di azoto verso le acque anche perché la modalità con cui vengono utilizzati ne comporta una utilizzazione solo parziale da parte delle colture. Queste considerazioni hanno portato all emanazione a livello comunitario della Direttiva Nitrati (91/676/CEE) che ha avuto il suo pieno recepimento a livello nazionale solo con il dlgs. 152 del 3 aprile 2006 e il DM del 7 aprile Come noto la direttiva richiede la designazione di zone vulnerabili, cioè di zone dove la gestione dell azoto e in particolare quello di origine zootecnica è fortemente regolamentata attraverso dei programmi di azione. Il limite più significativo riguarda la quantità massima di azoto da effluenti di allevamento utilizzabile, che viene fissata in 170 kg per ettaro e per anno. Parallelamente il decreto nazionale regolamenta l utilizzo dell azoto anche nelle zone non vulnerabili fissando il tetto di utilizzo di quello di origine zootecnica a 340 kg per ettaro e per anno. La Regione Lombardia ha mostrato una forte sensibilità a questa tematica, emanando nel 1993 la legge 37 Norme per il trattamento la maturazione e l utilizzo dei reflui zootecnici che, recependo lo spirito della direttiva nitrati, prevedeva la predisposizione da parte delle aziende agricole di un Piano di Utilizzazione Agronomica dei reflui zootecnici (PUA). Il limite di utilizzo dell azoto era però basato essenzialmente sul fabbisogno delle colture e, quindi, poteva essere superato il vincolo dei 170 kg di azoto per ettaro dove venivano praticate coltivazioni ad alto assorbimento azotato come ad esempio la doppia coltura. Inoltre le zone 7

10 vulnerabili erano state designate individuando un numero limitato di comuni nelle cui acque sotterranee era stato registrato il superamento del contenuto massimo di nitrati. Le integrazioni con modifica del programma di azione per la tutela e risanamento delle acque approvate dalla Regione Lombardia con la dgr n. 8/5868 del 21 novembre 2007 applicano i principi della direttiva nitrati e del decreto ministeriale 7 aprile 2006 al territorio regionale. Questo atto rende operativa anche la designazione delle zone vulnerabili, che la Regione ha rivisto dapprima nel 2003 e successivamente esteso nel 2006 alla configurazione attuale. Ora è compresa una buona parte del territorio di pianura ad alta intensità zootecnica e le fasce di esondazione fluviale previste dal Piano per l Assetto Idrogeologico predisposto dall Autorità di Bacino del Fiume Po (figura 1). La norma regionale si applica comunque anche alle aziende collocate al fuori delle zone vulnerabili e alle aziende non zootecniche, seguendo il principio della limitazione su tutto il territorio delle quantità di azoto utilizzate. Le aziende che utilizzano più di 1000 kg di azoto all anno in zona vulnerabile o 3000 kg in zona non vulnerabile sono tenute a dichiarare la loro compatibilità con i requisiti posti dalla normativa mediante una Figura 1 Designazione delle zone vulnerabili in Lombardia 8

11 comunicazione al Sindaco del Comune dove è collocata l azienda. I contenuti della comunicazione riguardano essenzialmente i dati strutturali dell azienda (numero di capi, strutture per l allevamento, superficie dei terreni) e le colture praticate. La comunicazione ha una validità di 5 anni, fatte salve eventuali modifiche riguardanti la tipologia, la quantità e le caratteristiche degli effluenti, nonché i terreni che vengono utilizzati per la loro distribuzione. Le aziende che utilizzano più di 3000 kg di azoto all anno in zona vulnerabile o 6000 kg in zona non vulnerabile devono anche presentare un Piano di Utilizzazione Agronomica che viene redatto in forma semplificata o dettagliata a seconda della dimensione aziendale e che deve essere aggiornato annualmente. La prima scadenza prevista dalla Regione Lombardia è il 30 settembre Entro questa data tutte le aziende soggette devono avviare l iter di presentazione della comunicazione. Le aziende dovranno adeguarsi ai requisiti della normativa al massimo entro dicembre Questa tempistica per l adeguamento deriva anche dalla notevole difficoltà da parte delle aziende zootecniche a rispondere ai nuovi vincoli, in particolare quello dei 170 kg di azoto per ettaro. Infatti, molte aziende ad elevata intensità zootecnica collocate in zona vulnerabile risultano produrre quantità di azoto zootecnico in esubero rispetto al limite previsto. Inoltre, la densità zootecnica delle aree vulnerabili non consente di rientrare nei carichi consentiti attraverso la pratica della distribuzione degli effluenti sui terreni di aziende non zootecniche limitrofe. Ciò è ben rappresentato dall analisi dalle eccedenze del carico di azoto di origine zootecnica rispetto alla superficie agricola utilizzata a livello comunale (figura 2). Il quadro delineato mette in evidenza come il doveroso percorso verso la riduzione dei rilasci di azoto dal settore agricolo verso l ambiente, trova alcuni elementi di criticità nel territorio lombardo, caratterizzato da un comparto zootecnico che rappresenta il 40% della produzione nazionale di latte e circa la metà dei suini allevati in Italia. E necessario, quindi, che vengano individuate delle soluzioni che consentano di affrontare l adeguamento alle normative mantenendo la sostenibilità anche economica delle aziende. A questo proposito sono in atto numerose iniziative a livello regionale per studiare soluzioni adeguate. Si tratta, in altri termini, di valutare i possibili interventi modulandoli nelle diverse aree e condizioni aziendali sulla base dell entità degli esuberi di azoto. Le soluzioni possono essere di tipo gestionale, nelle zone dove la ridistribuzione degli effluenti sul territorio può essere sufficiente a riequilibrare i carichi di azoto. Dove ciò non risulta possibile è necessario prevedere l introduzioni di tecnologie per la separazione dell azoto da trasportare successivamente in altre aree non zootecniche o per la rimozione dell azoto liberandolo in aria in forma molecolare. Sono in fase di sperimentazione anche alcune tecniche per la trasformazione dell azoto contenuto negli effluenti in un prodotto assimilabile ai fertilizzanti azotati di sintesi. I risultati dal punto di vista impiantistico sono promettenti, ma non sono ancora state verificate le loro prestazioni in condizioni operative in scala reale ivi compresi i costi di investimento e gestione. In ogni caso, l introduzione di soluzioni impiantistiche va attentamente valutata e orientata anche verso sistemi di gestione consortile e soluzioni di recupero energetico al fine di ridurne i costi di gestione. Le schede che sono state predisposte intendono fornire un contributo per orientare alla scelta delle diverse tecniche per la gestione degli effluenti di allevamento e per l adeguamento alla normativa. Non hanno, e non possono avere, la pretesa di esaurire l argomento o fornire delle soluzioni, che devono essere sempre individuate nel contesto locale. L intento è di delineare le caratteristiche principali e le prestazioni delle tecniche attualmente disponibili e in fase di sperimentazione in modo da consentire una 9

12 Figura 2 Classificazione dei comuni lombardi in relazione alle eccedenze di azoto prodotto sul territorio comunale in relazione alla superficie disponibile e ai vincoli normativi prima valutazione e un orientamento basato su dati oggettivi, derivanti da prove documentate e pubblicazioni scientifiche, sulle possibili alternative utilizzabili nei nostri allevamenti. A queste schede di orientamento, per questo numerate con il prefisso SO, che comprendono diverse soluzioni tecnologiche con la stessa finalità gestionale, faranno seguito delle schede tecniche nelle quali saranno riportate, con maggior dettaglio, le informazioni e le prestazioni sulle singole soluzioni impiantistiche. 10

13 Quaderni della ricerca Indicazioni per la consultazione Le schede sono, per loro natura sintetiche. Ne è derivata la necessità di riassumere le numerose informazioni sulle tecnologie e le loro prestazioni. La struttura che ne è derivata comprende diverse sezioni: di seguito si riportano alcune note che descrivono, per ognuna di esse, la finalità e le modalità con la quale sono state reperite le informazioni contenute. Descrizione del trattamento E l inquadramento generale, derivante dall analisi della bibliografia disponibile, del sistema di trattamento, evidenziandone le finalità e le peculiarità. In sintesi Riquadro che racchiude gli elementi chiave della tecnica considerata. Riduzione di azoto ottenibile e costi L efficacia della tecnica in termini di riduzione dell azoto è indicata con una percentuale rispetto alla quantità contenuta nell effluente. Le prestazioni dei diversi sistemi di trattamento sono molto influenzate dalla tipologia di refluo e i relativi costi dal volume di liquame trattato annualmente. Per questo motivo, si è ritenuto opportuno ridurre la variabilità individuando due condizioni di allevamento che possono essere considerate tipiche e rappresentative della situazione lombarda: allevamento di suini all ingrasso con 250 t di peso vivo (2500 capi) con una produzione di m 3 di liquame all anno con un contenuto del 3% di solidi e con 3 kg m -3 di azoto al campo; allevamento di bovine da latte con 150 t di peso vivo (150 vacche in produzione con relativa rimonta) con una produzione di m 3 di liquame all anno con un contenuto del 5% di solidi e con 4 kg m - 3 di azoto al campo. Il campo di variazione dei rendimenti e dei costi, si riferisce, quindi, a queste situazioni. Ovviamente, allevamenti con dimensioni al di fuori di questo intervallo o che producono liquami con caratteristiche molto diverse, potranno ottenere prestazioni e costi che differiscono, in alcuni casi anche in modo significativo, rispetto a quelli indicati. In ogni caso, è bene sottolineare che i valori riportati derivano da un lavoro di raccolta e analisi di diverse fonti che, inevitabilmente, può non essere rappresentativo di una specifica attrezzatura. Il simbolo indica i costi, comprensivi dell ammortamento, delle strutture (20 anni) e delle attrezzature (10 anni) oltre che del costo di gestione, manutenzione ed eventuali additivi. Il simbolo indica se la tecnica può portare a un risparmio o un ricavo. Tutti i valori sono riferiti all unità di effluente che viene avviato al trattamento che, nel caso dei trattamenti di effluenti liquidi, viene assunto come tutto quello prodotto in azienda. 11

14 Schema dell impianto Lo schema dell impianto ha la finalità di fornire un idea della tipologia di impianto descritto, ma non quello di essere esauriente o rappresentativo di tutte le soluzioni possibili. Classificazione rispetto alle migliori tecniche disponibili La normativa relativa alla Prevenzione e riduzione integrata delle emissioni nota anche con l acronimo IPPC, prevede la definizione delle migliori tecniche disponibili (MTD) per gli allevamenti soggetti all Autorizzazione Integrata Ambientale. Si è cercato, quindi, di riportare sinteticamente la classificazione delle diverse tecniche a questi fini. Avvertenze Controindicazioni Sono elementi considerati utili per evidenziare le limitazioni di utilizzo o le particolarità delle tecniche esaminate. Nota Mette in evidenza alcuni aspetti particolari, prevalentemente di tipo gestionale, riguardanti l applicazione della tecnologia in contesto aziendale. Principio di funzionamento E una breve descrizione del processo del trattamento esaminato. In questa sezione in corsivo sono indicate anche le alternative tecnologiche disponibili (schede specifiche) che sono accessibili dalla homepage del sito dell ERSAF all indirizzo web: Prestazioni Vengono indicate, dove possibile e disponibili, le prestazioni e i costi delle principali tecnologie utilizzabili. Valgono, anche in questo caso, le indicazioni riportate per la sezione Riduzione di azoto ottenibile e costi. Considerazioni operative A chiusura della schede sono state riportate alcune informazioni sulle modalità di inserimento in azienda e su alcuni aspetti operativi relativi alla tecnica considerata. La redazione delle schede è stata predisposta con la massima cura. Nonostante ciò non è possibile garantire che le informazioni riportate siano prive di errori e omissioni, e che possano essere riviste in futuro anche in relazione all evoluzione tecnologica. La Regione Lombardia e gli autori declinano ogni responsabilità che possa derivare dall utilizzo delle informazioni riportate. 12

15 Quaderni della ricerca SO-01 Separazione dei solidi grossolani Descrizione del trattamento Nei liquami zootecnici le sostanze minerali e organiche sono in parte disciolte e in parte sospese. La componente sospesa è costituita da particelle con diversa granulometria. Il trattamento di separazione adotta tecniche per la rimozione di queste particelle in modo da rendere la componente liquida più facile da gestire, con minore formazione di odori, riduzione della formazione di sedimenti o crostoni nelle vasche di stoccaggio. La compo nente separata è palabile con un contenuto in solidi dell ordine del 20-40%. Ha il vantaggio di poter essere trasportata in modo più agevole e distribuita sui terreni con un minor rischio ambientale rispetto ai liquami. Richiede però un periodo di sosta su platea per ridurre la produzione di odori e rendere più stabile la sostanza organica. Infatti, in questa frazione si concentrano maggiormente alcuni nutrienti e la sostanza organica. Di conseguenza anche l azoto è presente principalmente in forma organica (60-80% dell azoto totale). Il separato ha quindi ca rat teristiche ammendanti che lo rendono particolarmente adatto alle fertilizzazioni prima delle lavorazioni principali del terreno. In sintesi Migliora la gestione. Riduce l azoto e il fosforo se si esporta la frazione palabile al di fuori dell azienda. Richiede platee di stoccaggio per il separato e attrezzature per la distribuzione dei palabili. Riduzione di azoto ottenibile esportazione del palabile No N 0% 4-16% Sì 0,2-1,2. m -3 di effluente avviato al trattamento dall allevamento separatore liquido palabile vasche di stoccaggio platea di stoccaggio compostaggio utilizzazione agronomica esportazione pre-vasca Classificazione rispetto alle migliori tecniche disponibili (MTD): Sì No Non classificato Deve essere gestito correttamente. Avvertenze - controindicazioni La frazione palabile richiede una platea per lo stoccaggio. I rendimenti di rimozione dipendono dal contenuto di solidi del liquame in ingresso. Nota La separazione può essere un trattamento a sé stante, ma può anche costituire una fase di trattamenti più complessi. In questi casi possono essere utilizzate anche tipologie di separatori diverse, per rimuovere una maggiore quantità di solidi o addensare i prodotti finali (es. fanghi). 13

16 Principio di funzionamento Le tipologie di separatori in commercio sono finalizzate al trattamento del liquame grezzo per migliorare la gestione dell effluente. Sono sistemi meccanici che si basano, essenzialmente, sullo stesso principio: separare le particelle di dimensione superiore mediante il passaggio del liquame attraverso una superficie grigliata o forata. Le dimensioni dei fori o delle aperture definisce il grado di separazione che si ottiene. In genere questo è un compromesso tra la portata delle attrezzature, il rischio di intasamento e una buona efficienza di separazione. Le tipologie di separatore differiscono per la modalità con cui il liquame viene convogliato attraverso il sistema filtrante: i vagli statici per gravità; i vibrovagli grazie alla vibrazione della griglia; i vagli rotativi per gravità e rotazione; i separatori a rulli cilindrici grazie alla pressione di rulli controrotanti; i separatori a vite elicoidale mediante la compressione del liquame contro alla griglia. La quantità di frazione palabile che si ottiene non deve essere confusa con l efficienza di separazione che rappresenta il rapporto tra la frazione di solidi, azoto, fosforo che viene separata e quella contenuta nel liquame in ingresso al trattamento. A parità di efficienza di separazione, i volumi di palabile possono variare notevolmente in relazione al contenuto in acqua del separato. solidi del palabile palabile prodotto 100 m 3 di liquame 5% di solidi Efficienza di separazione dei solidi 30% 20% 30% 45% 7,5 t 5,0 t 3,3 t Prestazioni I dati riportati sono orientativi e possono variare notevolmente in relazione alla tipologia di effluente che viene avviato al trattamento. I liquami bovini hanno in genere un contenuto di solidi più elevato e una frazione di azoto organico maggiore. Tipo di separatore Efficienza di separazione (%) Costo solidi N P. m -3 Vagli ,2-0,4 Cilindrico ,6-1,2 Elicoidale ,6-1,2 Considerazioni operative Il trattamento di separazione viene effettuato sul liquame che proviene dalle zone di stabulazione degli animali. Pertanto è necessario prevedere una pre-vasca di raccolta degli effluenti in grado di contenere la produzione di almeno 2 giorni. Quando viene azionato il separatore, una pompa preleva il liquame dalla pre-vasca e lo invia al separatore. La portata in eccesso ritorna alla pre-vasca mentre la frazione liquida che fuoriesce dal separatore viene inviata alle strutture di stoccaggio. La frazione palabile viene raccolta direttamente da un rimorchio o accumulata nell area sottostante al separatore. In questo caso è preferibile che la platea sia dotata di muri di contenimento in modo da aumentare l altezza del cumulo e agevolare il carico. In ogni caso la platea deve essere dotata di un sistema di convogliamento delle acque di sgrondo verso un pozzettone o la stessa pre-vasca di raccolta dei liquami. La quantità di azoto complessivamente disponibile non viene modificata, ma la frazione palabile può essere trasferita al di fuori dell azienda previo stoccaggio aziendale su platea o compostaggio. La riduzione di volume dei liquidi che si ottiene è in genere modesta. Può diventare significativa (>10%) solo nel caso si utilizzi del liquame bovino con un contenuto di solidi rilevante (>5%). La separazione può essere utilizzata vantaggiosamente per motivi gestionali, ma non modifica il problema delle eccedenze di azoto prodotto se non di entità particolarmente contenute. In ogni caso, la riduzione effettiva dell azoto si ottiene solo con l esportazione al di fuori dell azienda della frazione palabile separata. 14

17 SO-02 Separazione dei solidi grossolani e fini Quaderni della ricerca Descrizione del trattamento I solidi contenuti nei liquami possono essere classificati in base al loro diametro in grossolani (superiori a 0,1 mm) e fini (inferiori a 0,1 mm). Le tecniche che consentono la rimozione anche dei solidi fini si possono basare su: separazione meccanica con la produzione di un separato palabile, separazione per gravità mediante sedimentazione e separazione per flottazione. Queste due ultime tecniche consentono di ottenere come effluente un liquido chiarificato e un liquido addensato ma non palabile (fango). Un successivo trattamento meccanico può ridurne l umidità in modo da ottenere un prodotto finale palabile. La rimozione dei solidi fini dalla componente liquida viene ottenuta anche con l impiego di additivi chimici che migliorano l efficienza di rimozione del sistema. L efficienza di rimozione è elevata per le componenti solide sospese. L impiego di flocculanti, consentendo l aggre ga zione delle particelle più piccole in aggregati di maggiori dimensioni ne favorisce la separazione. Le sostanze disciolte, come l azoto in forma ammoniacale non vengono però trattenute. In sintesi Consentono una rimozione spinta dei solidi e della maggior parte della componente organica. Non sempre il prodotto separato è palabile. Possono essere previsti trattamenti in successione. Riduzione di azoto ottenibile esportazione del palabile No N 0% 20-35% Sì 0,3-4,2. m -3 di effluente avviato al trattamento separatore solidi grossolani separatore solidi fini chiarificato uso agronomico disidratazione fanghi dall allevamento esportazione pre-vasca vasca intermedia vasca fanghi uso agronomico Classificazione rispetto alle migliori tecniche disponibili (MTD): Sì No Non classificato Deve essere gestito correttamente. Avvertenze - controindicazioni L utilizzo di additivi può migliorare l efficacia della separazione ma ha un costo da considerare con attenzione. L azoto in forma ammoniacale non viene separato. Nota La separazione dei solidi fini in genere non è un trattamento a sé stante, ma costituisce una fase di trattamenti più complessi. In questi casi possono essere utilizzate anche tipologie di separatori diverse, per rimuovere preventivamente i solidi grossolani. 15

18 Principio di funzionamento Le separazione per gravità (sedimentazione) si basa sulla deposizione dei solidi che avviene naturalmente in una miscela non agitata in cui i solidi sono sospesi. I tempi richiesti per la sedimentazione delle particelle sono in relazione alla dimensione delle stesse. Le vasche di sedimentazione utilizzate per la rimozione dei solidi di un impianto di trattamento sono dimensionate per un tempo di permanenza del liquido di circa 3 ore. I bacini di sedimentazione prevedono la deposizione durante la fase di stoccaggio con svuotamento periodico (1-2 volte all anno) del fango e hanno capacità corrispondente agli effluenti prodotti in giorni. La separazione per flottazione sfrutta l immissione di aria e, in genere, di additivi per aggregare le particelle solide e farle affiorare. Un sistema meccanico raschiafango rimuove poi l addensato che galleggia in superficie dal chiarificato che viene inviato agli stadi successivi del trattamento. Questo sistema è in grado di rimuovere anche la frazione colloidale dei solidi sospesi che rappresenta una quota significativa della sostanza organica più resistente alla degradazione biologica. I sistemi meccanici sono riconducibili a due tipologie di separatori: centrifughe e nastropresse. Le prime sfruttano l effetto della forza centrifuga per espellere l acqua e trattenere grazie a un cestello forato i solidi. Le nastropresse sono costituite da due nastri di materiale semipermeabile entro i quali viene progressivamente compresso il liquido che fuoriesce mentre le particelle solide trattenute all interno vengono scaricate alla fine del percorso. Entrambe queste attrezzature vengono normalmente utilizzate per rendere palabili e contenere i volumi dei fanghi in uscita dagli impianti di trattamento. I costi elevati non le rendono adatte a un utilizzo su tutto il liquame prodotto dall allevamento. Un sistema di separazione che è stato utilizzato solo a livello di impianti pilota è costituito da tubi geotessili filtranti con capacità variabile da 50 a 5000 m 3 che vengono riempiti con liquame e percolano per gravità il liquido trattenendo i solidi anche fini concentrandoli al 25-30% di sostanza secca. Tutti questi sistemi di separazione si avvantaggiano dell uso di additivi chimici che sono di due tipologie: coagulanti, in genere sali di ferro o di alluminio e flocculanti (polielettroliti) che favoriscono l aggregazione tra le molecole. Prestazioni Le prestazioni delle tecniche riportate variano consi-derevolmente in relazione alle caratteristiche del prodotto influente. In particolare, l efficienza di separazione dei solidi è maggiore se sono concentrati. La rimozione dell azoto è legata alla sua presenza in forma organica non solubile. Tipo di separatore Efficienza di separazione (%) Costo solidi N P. m -3 Sedimentazione ,3-0,4 Flottatore* ,3-1,9 Centrifuga ,2-2,0 Nastropressa* ,9-4,2 * I valori più elevati si ottengono con l aggiunta di additivi Considerazioni operative La separazione dei solidi grossolani e fini può avere tre diverse modalità di inserimento in azienda: rimozione spinta della sostanza organica prima di un trattamento biologico di depurazione o per avviare il separato a un processo di compostaggio; rimozione dei fanghi da un trattamento biologico; disidratazione dei fanghi derivante da un trattamento. La separazione per gravità e per flottazione possono essere seguite da un ulteriore trattamento di separazione meccanica per la concentrazione del prodotto addensato ottenuto. La separazione dei solidi fini è spesso preceduta da un trattamento per la separazione dei solidi grossolani, in modo da rendere più efficiente il trattamento che è generalmente più oneroso. La quantità di azoto complessivamente disponibile non viene modificata, ma la frazione rimossa può essere gestita separatamente. I fanghi derivanti da una sedimentazione o da una flottazione possono essere avviati a un impianto di digestione anaerobica per la produzione di biogas, essendo ricchi di sostanza organica. Il separato derivante da centrifughe, nastropresse e tubi geotessili può essere esportato dall azienda in modo da ridurre il carico di nutrienti. 16

19 Quaderni della ricerca SO-03 Stabilizzazione degli effluenti Descrizione del trattamento In questa categoria vengono raggruppati i trattamenti che hanno come finalità principale la stabilizzazione degli effluenti sostanzialmente attraverso due principi: degradazione della sostanza organica e riduzione dell umidità. Nel primo caso si accelera il processo naturale di decomposizione delle componenti organiche mediante ossigenazione (trattamento di stabilizzazione aerobica) o favorendo i processi che avvengono ad opera dei microrganismi anaerobici (stabilizzazione anaerobica senza recupero di biogas). Questi trattamenti riducono fortemente la produzione di odori e di composti organici volatili derivanti dalla sostanza organica presente, e producono un effluente in cui l azoto non viene rimosso ma viene trasformato in forma ammoniacale e/o nitrica. In questo gruppo di tecnologie può essere ricondotto il compostaggio che prevede, dopo una prima fase di degradazione della sostanza organica, una sua ricombinazione con formazioni di composti umici stabili. La rimozione dell umidità dell effluente avviene con processi di essiccazione o di disidratazione (per evaporazione o concentrazione). In sintesi L obiettivo è di migliorare la gestibilità degli effluenti ma non la rimozione dell N. L eventuale riduzione dell azoto si verifica per volatilizzazione dell ammoniaca e quindi va minimizzata even tualmente filtrando l aria esausta. Riduzione di azoto ottenibile esportazione del palabile No N 0-20% 0-35% Sì 0,4-18,0. m -3 di effluente avviato al trattamento separatore solidi grossolani dall allevamento dall allevamento filtraggio aria palabile stabilizzazione anaerobica allo stoccaggio esportazione pre-vasca compostaggio separatore solidi grossolani soffiante sommersa dall allevamento disidratazione filtraggio aria dall allevamento allo stoccaggio pre-vasca palabile stabilizzazione aerobica Classificazione rispetto alle migliori tecniche disponibili (MTD): Sì No Non classificato Rispettando alcune condizioni gestionali. immissione aria calda refluo disidratato esportazione Avvertenze - controindicazioni I consumi energetici possono essere elevati. La riduzione dell umidità dell effluente è raramente proponibile per gli effluenti liquidi. Nel compostaggio deve essere filtrata l aria esausta rimuovendo l ammoniaca. Nota Nei trattamenti in cui si può liberare ammoniaca e altri composti volativi, è necessario verificare la compatibilità con le normative per le emissioni e le autorizzazioni necessarie. 17

20 Principio di funzionamento L ossigenazione del liquame viene ottenuta mediante insufflazione di aria per alcune ore al giorno. La quantità di ossigeno presente nel liquame consente di accelerare la degradazione della sostanza organica, ma non di portare a termine il processo di nitrificazione. Ne risulta un effluente stabilizzato in cui l azoto è prevalentemente in forma ammoniacale. La quantità di ossigeno necessaria per la stabilizzazione dipende dalla sostanza organica presente. Pertanto il trattamento si avvantaggia di una preventiva separazione dei solidi grossolani seguita dalla rimozione dei solidi fini. Durante il trattamento si producono modeste quantità di fanghi attivi (biomassa batterica). I tempi di ritenzione sono dell ordine di qualche giorno. La stabilizzazione anaerobica prevede una degradazione della sostanza organica in carenza di ossigeno. Il processo diventa molto più lungo (superiore ai 90 giorni) e porta alla formazione di metano e anidride carbonica che vengono liberati in aria. L azoto organico si trasforma in ammoniacale e può essere soggetto a volatilizzazione che è in genere comparabile a quella di una normale vasca di stoccaggio. I lagoni utilizzati per questo trattamento sono dimensionati per consentire un accumulo dei fanghi per più di 10 anni. Il compostaggio avviene in due fasi: nella prima, fase ossidativa, la flora batterica degrada la sostanza organica producendo calore e ha una durata di giorni. La seconda fase, di maturazione, è un processo microbiologicamente più lento, con ridotta produzione di calore che richiede per il completamento altri giorni e consente di ottenere come prodotto finale un ammendante. Il processo di compostaggio richiede che la massa da trattare abbia un contenuto di sostanza secca intorno al 30-35% e una buona permeabilità all aria. Gli effluenti liquidi possono essere avviati al compostaggio solo se vengono miscelati con un substrato con elevata sostanza secca (a esempio paglia) che aumenta la porosità all aria e aumenta il rapporto tra carbonio e azoto. Ciò migliora il processo e riduce le emissioni di ammoniaca che altrimenti possono essere elevate (fino al 75%). I letami, le lettiere di avicoli e la frazione palabile derivante dalla separazione dei solidi grossolani possono essere compostati tal quali o miscelati con altri substrati. L essiccazione degli effluenti prevede la eliminazione dell umidità per via termica, con un consumo energetico tanto minore quanto più l effluente è secco, anche se, a eccezione degli avicoli su lettiera, gli effluenti raramente superano il 20% di sostanza secca alla produzione. Durante il processo viene emessa ammoniaca e altri composti volatili che devono essere trattenuti da opportuni sistemi filtranti. La disidratazione prevede una eliminazione dell umidità con diverse tecniche (evaporazione mediante calore e aumento della superficie esposta, concentrazione tramite flocculazione e separazione) in modo da ottenere un prodotto concentrato, ma non essiccato, evitando in questo modo l onerosità e i problemi della fase finale dell essiccazione. Prestazioni Le tecniche descritte non sono orientate alla riduzione dell azoto e del fosforo. La riduzione dell azoto come rilasci di ammoniaca in aria sono limitati e in molti casi viene richiesto il filtraggio dell aria in uscita dall impianto, con i conseguenti costi aggiuntivi e recupero dell azoto volatilizzato. Non vengono pertanto fornite le prestazioni delle tecniche in termini di rimozione dei nutrienti ma solo i costi orientativi. Tipo di impianto Costo. m -3 Ossigenazione 0,8-1,1 Stabilizzazione anaerobica 0,4-0,5 Compostaggio 9,0-18,0 Considerazioni operative Le tecniche finalizzate alla stabilizzazione degli effluenti, in genere, fanno parte di un sistema di gestione aziendale più complesso che si avvantaggia del risultato del trattamento. I trattamenti aerobici e anaerobici sono utilizzati quando ci sono problemi di odori. Il compostaggio consente di ottenere un materiale che può essere facilmente trasportato ed eventualmente commercializzato come ammendante. L essicazione e la disidratazione possono ridurre significativamente i volumi e rendono il prodotto facilmente trasportabile. I costi energetici dei diversi trattamenti sono molto variabili. Da nulli a molto elevati. 18

21 Quaderni della ricerca SO-04 Rimozione biologica dell azoto Descrizione del trattamento A questa tipologia appartengono diverse tecnologie che hanno in comune alcuni elementi e la modalità di riduzione dell azoto che viene portato alla forma molecolare e liberato in aria. Questo risultato viene ottenuto mediante due fasi: ossidazione dell ammoniaca (o dell azoto organico che viene trasformato in minerale) in ambiente aerobico; successiva denitrificazione in ambiente anossico (assenza di ossigeno disciolto). Il risultato di questo trattamento è una riduzione della sostanza organica che viene ossidata con la conseguente riduzione degli odori e la rimozione dell azoto che può raggiungere rendimenti anche elevati, liberando in atmosfera anche il 70% dell azoto in ingresso al trattamento. Questo stadio, che è quello centrale del trattamento viene spesso, ma non necessariamente, preceduto dalla separazione dei solidi grossolani e fini in ingresso all impianto e seguito dalla rimozione della biomassa in eccesso in uscita dall impianto. Inoltre viene in alcuni casi prevista la rimozione del fosforo mediante salificazione e sedimentazione. L obiettivo del trattamento va dalla semplice riduzione del carico organico e azotato alla depurazione completa con scarico in acque superficiali. dall allevamento In sintesi E l unica tecnologia che consente di ridurre l azoto senza doverlo ulteriormente gestire. Il fosforo viene ridotto se si esportano le eccedenze al di fuori dell azienda. Riduzione di azoto ottenibile esportazione del palabile No 50-70% 50-95% Sì 3,4-6,6. m -3 di effluente avviato al trattamento N 2 vasca di nitrificazionedenitrificazione N allo stoccaggio dall allevamento separatore N 2 vasca di denitrificazione vasca di ossidazione sedimentatore soffiante sommersa con funzionamento discontinuo allo stoccaggio chiarificato palabile ricircolo nitrati Allo stoccaggio o disidratazione ricircolo fanghi Classificazione rispetto alle migliori tecniche disponibili (MTD): Sì No Non classificato Solo in casi particolari e gestito con assistenza specialistica esterna. fanghi di supero Avvertenze - controindicazioni I consumi energetici sono elevati. Le efficienze complessive di rimozione dell azoto non superano il 70%. La quota rimanente deve essere gestita agronomicamente o esportata. Nota Questa tipologia di trattamento è adatta per le aziende che non trovano altre soluzioni alla gestione delle eccedenze azotate. I costi elevati di investimento e di gestione rendono questi impianti molto onerosi e la loro scelta deve essere valutata in modo oculato e con un supporto tecnico qualificato. 19

22 Principio di funzionamento Il trattamento di rimozione combinata della sostanza organica e dell azoto si basa su una fase ossidativa in cui la sostanza organica viene degradata per via biologica e l azoto organico viene mineralizzato. Sempre in questa fase l azoto viene trasformato, sempre a opera di microorganismi aerobici, in forma nitrica. Per garantire la concentrazione di O2 necessaria viene insufflata aria mediante sistemi di areazione e diffusori. La fase anossica che consente la trasformazione dei nitrati in azoto molecolare (N2) avviene ad opera di microorganismi eterotrofi e richiede la disponibilità di carbonio organico. La crescita batterica dà origine a una biomassa che può essere separata per sedimentazione e parzialmente ricircolata per garantire una adeguata concentrazione batterica nelle due fasi del trattamento. Durante il trattamento sono possibili rilasci in atmosfera di azoto in forma di ammoniaca (NH3) o protossido di azoto (N2O) che possono essere contenuti da una buona regolazione e gestione dell impianto. Le due fasi, negli impianti più semplici (SBR) possono essere effettuate con alternanza di ossigenazione e anossia nella stessa vasca con cicli della durata di 1-3 h. Se l obiettivo è solo quello di rimuovere l azoto non è necessario il trattamento di separazione preventiva e di rimozione dei fanghi a valle. La separazione prima del trattamento biologico viene effettuata per eliminare i solidi grossolani e fini. Gli impianti biologici tradizionali prevedono anche la rimozione del fosforo mediante sedimentazione. Tale fase può essere abbinata anche a impianti di tipo SBR qualora sia necessario ridurne i quantitativi prima dell utilizzazione agronomica. Negli ultimi anni sono stati proposti impianti che utilizzano membrane per la rimozione dei solidi dopo il trattamento biologico (MBR). Questa tecnologia sembra garantire la possibilità di scarico in acque superficiali degli effluenti. I fanghi prodotti dal processo possono, dopo essere stati eventualmente utilizzati per la produzione di energia, essere stoccati tal quali o previa disidratazione mediante separazione con centrifughe o con nastropresse. Vengono proposte tecnologie atte a ottimizzare il processo basate su processi biologici non convenzionali che tuttavia non hanno ancora superato lo stadio sperimentale nell utilizzo con effluenti di allevamento. Prestazioni I dati riportati sono orientativi e possono variare notevolmente in relazione alla tipologia di effluente che viene avviato al trattamento. Il rendimento diminuisce all aumentare della concentrazione del refluo in ingresso. Tipo di separatore Efficienza di rimozione (%) Costo solidi N P. m -3 SBR senza separazione ,4-3,6 SBR con separazione* 10-60* 70-90* 15-75* 4,1-4,7 Processo continuo* 10-99* 70-95* 15-95* 5,5-6,6 * con esportazione del palabile Considerazioni operative Il trattamento richiede una struttura dedicata e una impiantistica che, in alcuni casi può essere anche molto complessa. La gestione dell impianto deve essere effettuata da personale opportunamente addestrato. Anche nel caso dell impianto più complesso, gli effluenti in uscita dal trattamento normalmente non possono essere scaricati in acque superficiali in quanto non sufficientemente depurati. E perciò necessario prevedere il loro stoccaggio prima della distribuzione agronomica. Se viene utilizzata la separazione dei fanghi derivanti dal trattamento biologico, questi devono essere gestiti secondo quanto previsto dal d.lgs 99/92 e dalla dgr n. 7/15944 del 30 dicembre La quantità di azoto complessivamente disponibile non viene ridotta più del 65-70%. La quota rimanente è suddivisa tra effluente liquido e palabile. Il volume complessivo degli effluenti risulta sostanzialmente inalterato. Viene inoltre ridotta sensibilmente la sostanza organica, che viene mineralizzata. Il trattamento ha elevati consumi energetici (6-8 kwh kg -1 di azoto rimosso) e la sua gestione richiede una buona conoscenza del processo. Si possono riscontrare problemi quando si verifica una forte variazione della composizione degli effluenti in ingresso e quando sono presenti residui di trattamenti sanitari. 20

23 SO-05 Estrazione di azoto come concime minerale Quaderni della ricerca Descrizione del trattamento L azoto negli effluenti è presente in forma organica (20-60%) e ammoniacale (40-80%). La frazione organica viene naturalmente degradata e tende, quindi a trasformarsi nella frazione ammoniacale. Ne risulta che buona parte dell azoto presente nei liquami è in soluzione e, pertanto, non rimovibile con i normali sistemi di separazione. L estrazione dell azoto in una forma concentrata e riutilizzabile come concime minerale ha tre alternative: estrazione dell ammonica come gas e successiva concentrazione come solfato ammonico liquido; precipitazione come sale ammonico; concentrazione mediante osmosi inversa. Queste tecniche sono consolidate dal punto di vista del processo in quanto ampiamente utilizzate in altri settori, e sono commer - cializzate da alcune ditte, ma non sono ancora state pienamente sperimentate per il trattamento degli effluenti di al levamento. Un elemento comune è la preventiva separazione spinta dei solidi da effettuare prima del trattamento di estrazione. Questo produce una significativa quantità di materiale palabile che contiene il 20-35% dell azoto degli effluenti in ingresso. In sintesi Sono tecniche conservative: l azoto e il fosforo vengono separati e concentrati. La separazione preliminare produce dei palabili organici che devono essere gestiti e valorizzati. Riduzione di azoto ottenibile esportazione del palabile No N 45-65% 50-95% Sì non si dispone di una casistica sufficiente per la determinazione dei costi separatore solidi grossolani separatore solidi fini H 2 SO 4 dall allevamento NH 3 Calce calore Solfato di ammonio pre-vasca vasca fanghi allo stoccaggio separatore solidi grossolani separatore solidi fini MgO P 2 O 5 separatore dall allevamento allo stoccaggio vasca di precipitazione struvite pre-vasca vasca fanghi Classificazione rispetto alle migliori tecniche disponibili (MTD): Sì No Non classificato Queste tecniche non vengono menzionate. Avvertenze - controindicazioni Le efficienze di rimozione dell azoto in forma minerale sono del 45-65%. La quota rimanente è in parte nell effluente liquido e in parte nel palabile che deve essere gestito opportunamente. Nota Queste tipologie di trattamento sono interessanti perché possono essere realizzate anche con sistemi mobili e quindi potrebbero essere utilizzate anche per piccole aziende o quando le eccedenze sono modeste. Risultano però ancora molto costose e non sufficientemente sperimentate. 21

24 Principio di funzionamento La tecnica che prevede lo strippaggio dell ammoniaca viene normalmente utilizzata nell industria chimica e si basa sull aumento della temperatura e l aumento del ph del liquame. In questo modo si libera ammoniaca gassosa in un ambiente chiuso in modo da poterla convogliare in un secondo contenitore dove viene condensata mediante passaggio in un flusso di acido solforico con la formazione di un sale ammonico che viene concentrato prima di essere avviato a uno stoccaggio e successiva utilizzazione come fertilizzante minerale. L impianto richiede un liquame con un basso contenuto in solidi totali e con azoto in forma ammoniacale. Può essere abbinato con un impianto di digestione anaerobica che consente di avvicinare l effluente a queste caratteristiche e che produce il calore che può essere utilizzato per lo strippaggio. Tale soluzione è al momento stata realizzata in alcuni impianti dimostrativi. La precipitazione dell azoto come sale insolubile viene attuata con l aggiunta di magnesio in modo da formare un sale (fosfato di magnesio e ammonio esaidrato) simile al guano che viene chiamato struvite. Questo procedimento utilizzato per la rimozione dell azoto nei liquami zootecnici richiede un cospicuo uso di additivi e risulta perciò particolarmente costoso. E possibile utilizzarlo con costi inferiori principalmente per la rimozione del fosforo. L efficienza del sistema è ridotta dalla presenza di sostanza organica e, pertanto, è opportuna una preventiva separazione dei solidi grossolani seguita dalla rimozione dei solidi fini. La concentrazione dell azoto mediante microfiltrazione si basa sulla rimozione delle particelle tra 0,1 e 0,01 m (fino a 0,001 m nella nanofiltrazione) mediante passaggio del liquido attraverso membrane porose. La rimozione spinta dell azoto si può ottenere solo con l osmosi inversa che utilizza membrane semipermeabili che trattengono i sali consentendo il passaggio dell acqua che viene garantito da una pressione elevata ( bar). Viene sempre richiesta una preventiva separazione dei solidi grossolani seguita dalla rimozione dei solidi fini prima della microfiltrazione. Nel complesso, quindi, si ottengono delle frazioni separate di diverso tipo che rappresentano il 40-60% del volume iniziale. Il trattamento nelle sue forme più spinte può consentire un riutilizzo dell acqua effluente all interno dell allevamento per i lavaggi e in alcuni casi se ne ipotizza l uso per l abbeverata. Prestazioni Le tecniche descritte non sono state sperimentate in modo adeguato in condizioni operative. Pertanto i valori riportati vanno intesi come valori indicativi. I costi, dove sono stati indicati, sono basati sui risultati di impianti pilota e potrebbero risultare notevolmente diversi in caso di diffusione delle tecniche. Tipo di impianto Rimozione dell effluente Costo N % P %. m -3 Strippaggio Precipitazione Microfiltrazione Osmosi inversa Considerazioni operative Alcuni di questi trattamenti possono essere realizzati anche come impianti mobili. Tale soluzione risulta proponibile solo quando i quantitativi annui di liquame da trattare sono dell ordine dei m 3 all anno, cioè allevamenti di circa t di peso vivo. La fase preliminare di separazione solido-liquido che viene prevista può essere attuata indipendentemente dal trattamento vero e proprio. Questo comporta la necessità di uno stoccaggio intermedio dei liquami. Particolare attenzione deve essere posta alla gestione degli additivi che, in alcuni casi, richiedono adeguate precauzioni. Il funzionamento di questi impianti deve essere continuamente monitorato da personale qualificato. Le tecniche riportate prevedono la produzione di un effluente liquido e alcuni prodotti palabili o liquidi. E necessario valutare attentamente la destinazione di questi prodotti che contengono rilevanti frazioni dell azoto e del fosforo. I materiali palabili (derivanti dalla separazione dei solidi grossolani e fini) richiedono ulteriore stabilizzazione prima di essere utilizzati agronomicamente o trasportati. Per essere commercializzati questi prodotti devono essere conformi a quanto previsto dal dlgs 217/2006 Revisione della disciplina in materia di fertilizzanti. Il solfato ammonico derivante dallo strippaggio contiene impurità e residui che potrebbero non renderlo utilizzabile dall industria chimica. La commercializzazione del solfato ammonico e della struvite come concimi richiede una rete di vendita adeguata. 22