CARATTERISTICHE FERTILIZZANTI ED AMMENDANTI DELL AGRI-PELLET

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1 P.S.R. Sicilia Misura 124 Cooperazione per lo sviluppo di nuovi prodotti, processi e tecnologie nei settori agricolo alimentare, e in quello ambientale PROGETTO: ECODENS ECOSTABILIZZAZIONE DELLE SANSE MEDIANTE DENSIFICAZIONE CARATTERISTICHE FERTILIZZANTI ED AMMENDANTI DELL AGRI-PELLET 1

2 ECODENS - ECOSTABILIZZAZIONE DELLE SANSE MEDIANTE DENSIFICAZIONE MISURA PSR SICILIA CARATTERISTICHE FERTILIZZANTI ED AMMENDANTI DELL AGRI-PELLET 1.SOMMARIO Il presente documento riporta una sintesi delle attività svolte e dei risultati ottenuti nell ambito del progetto ECODENS ecostabilizzazione delle sanse mediante densificazione, finanziato con fondi dalla Misura 124 del PSR Sicilia Esso descrive in dettaglio le caratteristiche delle ceneri ottenute dalla combustione dell agripellet ECODENS ottenuto da miscele di sansa vergine e residui di potature arboree (uliveti, vigneti e frutteti) in caldaie appositamente implementate per piccole e medie aziende lattiero casearie. 2. INTRODUZIONE Il progetto ECODENS ecostabilizzazione delle sanse mediante densificazione, ha quale concreto obiettivo la dimostrazione della fattibilità tecnica e della sostenibilità economica di un processo per la co-densificazione di sanse vergini miste a residui di potature da colture arboree (uliveti, vigneti, frutteto), che consenta lo sfruttamento energetico di tali biomasse da parte di aziende agricole energivore (lattiero-casearie), in un ottica di filiera corta. A tal fine è stata (a) selezionata ed ottimizzata una procedura per la raccolta meccanizzata dei residui di potature, (b) progettato ed ottimizzato un apposito impianto di codensificazione di miscele di sanse e vergini e residui di potature che consente la produzione di un agri-pellet di buona qualità, (c) progettata ed ottimizzata una innovativa caldaia ad agri-pellet per aziende casearie, (d) verificato l uso delle ceneri di agri-pellet in agricoltura quali fertilizzanti ed ammendanti dei terreni agricoli. In accordo con l orientamento delle politiche comunitarie e nazionali in ambito di sviluppo delle fonti energetiche rinnovabili (FER), il progetto pertanto consente di dare un significativo contributo allo sfruttamento energetico delle biomasse provenienti direttamente dal mondo agricolo, consentendo altresì di trasformare il crescente problema 2

3 legato allo smaltimento di sanse e residui di potature in una opportunità di reddito per le aziende agricole. In dettaglio, in parallelo con le altre attività del progetto, è stata portata avanti, in stretta collaborazione con i tecnici dell ente partner Co.Ri.Bi.A, una attività finalizzata alla verifica delle proprietà fertilizzanti ed ammendanti dell uso delle ceneri in agricoltura. Un tale uso delle ceneri può produrre importanti benefici economici ed ambientali alle aziende agricole del territorio siciliano. (a) (b) (c) Fig.1 (a) agri-pellet ECODENS e relativa cenere (c) ottenuta dopo combustione in caldaia (b). 3. CARATTERIZZAZIONE DEL PELLET Ad uno studio preliminare della letteratura scientifica sull argomento, è seguita un attività di ricerca specifica finalizzata alla analisi dettagliata delle caratteristiche dell agri-pellet e e delle sue ceneri, per il raggiungimento degli obiettivi di verifica del progetto. In questa attività sono stati considerati, in particolare, le disposizioni legislative in merito alla composizione chimica delle biomasse utilizzabili per la formazione del pellet (D.Lgs 152/2006) e alle norme circa la qualità merceologica (UNI EN 14961). Dal punto di vista della legislazione (tutela dell ambiente) ma anche delle qualità merceologiche (tutela del consumatore) risulta di grande importanza la determinazione della concentrazione dei metalli pesanti, avendo tali elementi hanno un influenza notevole sulla possibilità di utilizzare le biomasse ai fini energetici o di riutilizzare i prodotti ottenuti dalla combustione per vari fini. In accordo con la legislazione e con la normativa, particolare attenzione deve essere posta sulla concentrazione in peso di alcuni metalli pesanti quali: 1) Arsenico (As) 2) Cadmio (Cd) 3) Cromo (Cr) 4) Rame (Cu) 5) Piombo (Pb) 6) Mercurio (Hg) 7) Nichel (Ni) 8) Zinco (Zn) essendo di particolar rilievo l influenza di tali elementi sul corretto mantenimento biologico dei prodotti agroalimentari. Una volta individuati gli elementi da rilevare, si è provveduto ad individuare i metodi analitici le metodologie pratiche comunemente utilizzate per una accurata e ripetibile misurazione delle relative concentrazioni. Si è cosi deciso di utilizzare in particolare la 3

4 cosiddetta spettrometria di massa a plasma accoppiato induttivamente, indicata generalmente con l acronimo ICP-MS (Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry). Si tratta in pratica di una tecnica basata sull'utilizzo della spettrometria di massa abbinata al plasma accoppiato induttivamente. È una tecnica molto sensibile e in grado di determinare diverse sostanze inorganiche metalliche e non metalliche presenti in concentrazioni inferiori a una parte per miliardo. Sfrutta l'utilizzo di una torcia al plasma ICP per produrre la ionizzazione e di uno spettrometro di massa per la separazione e rivelazione degli ioni prodotti. Nella seguente figura è rappresentata la strumentazione, in possesso del partner Co.Ri.Bi.A, utilizzata per tali misurazioni. Fig. 1 - Strumentazione ICP MS in possesso del partner Co.Ri.Bi.A, utilizzata per l analisi della concentrazione dei metalli pesanti. Nella seguente tabelle sono preliminarmente riportati i limiti sulla massima concentrazione di tali elementi, imposti dalla norma UNI EN , che è in dettaglio la norma che si riferisce al pellet non legnoso per usi non industriali (vedi tabella 2 della norma relativa a pellet ottenuti da biomasse erbacee e/o derivanti dalla sottoprodotti della frutticoltura); in dettaglio la norma distingue tali pellet in 2 categorie, A e B, essendo in genere la A quella caratterizzata da migliore qualità. Tab.1 - Limiti della concentrazione di metalli pesanti previsti dalla norma UNI- EN Metallo U.M. Tipo A Tipo B Arsenico (As) ppm 1 1 Cadmio (Cd) ppm Cromo (Cr) ppm Rame (Cu) ppm Piombo (Pd) ppm Mercurio (Hg) ppm Nichel (Ni) ppm Zinco (Zn) ppm

5 Si osserva anzitutto che per entrambe le classi la norma prevede in pratica gli stessi limiti. Le concentrazione, in ppm, si riferiscono sempre al prodotto secco, e pertanto prima delle analisi l agri-pellet, che presenta mediamente una umidità intorno al 10-12%, deve essere opportunamente essiccato in stufa. Il confronto dei valori previsti per il pellet non legnoso per usi non industriali dalla norma UNI-EN con quelli che la norma UNI-EN prevede per il pellet legnoso, mostra come in pratica solo i limiti di cromo e rame sono più elevati per il pellet non legnoso. In particolare per questi la norma prevede un limite di 10 ppm. Di seguito sono riportati i risultati delle analisi eseguite sull agri pellet ECODENS ottenuto da miscele di sanse vergini e residui di potature di ulivo, considerando in particolare due distinti rapporti in peso dei due componenti: 50/50 e Si noti che quest ultimo è il rapporto che corrisponde in pratica allo sfruttamento energetico completo di tutte le sanse e dei residui di potature derivanti da una coltura di ulivo nel territorio siciliano. I valori misurati sono pure nella seguente tabella confrontati con i valori previsti dalla norma UNI- EN Tab. 2 - Confronto del contenuto di metalli pesanti con i limiti previsti dalla UNI-EN Metallo U.M. UNI Pellet Pellet Arsenico (As) mg/kg < 1,0 0,1 0,07 Cadmio (Cd) mg/kg < 0,5 0,03 0,02 Cromo (Cr) mg/kg < 10 3,57 1,27 Rame (Cu) mg/kg < 10 9,89 9,86 Piombo (Pd) mg/kg < 10 3,71 2,09 Mercurio (Hg) mg/kg < 0,1 0,03 0,01 Nichel (Ni) mg/kg < 10 5,11 5,4 Zinco (Zn) mg/kg <100 14,21 19,6 Il confronto dei risultati mostra che l agri-pellet ECODENS rispetta ampiamente tutti i limiti della norma, con la sola eccezione dei valori del rame che risultano prossimi al relativo limite. Successivi approfondimenti su questo ultimo valore hanno mostrato come, utilizzando le stesse materie prime tale concentrazione tende velocemente a diminuire con il tempo di utilizzazione del macchinario indicando che tale elevato valore della concentrazione non è legato alla materia prima ma piuttosto a residui di lavorazione presenti nel macchinario nuovo, che ovviamente tendono a scomparire con l uso dello stesso. Ne consegue pertanto la raccomandazione di non utilizzare mai il primo pellet prodotto da macchinario nuovo specie per usi temere molto rischi di inquinamento da rame. Superata comunque la fase di primo avviamento, è possibile affermare che la concentrazione di metalli pesanti sull agri-pellet è sempre ben al di sotto dei limiti previsti dalla norma. 4. CARATTERIZZAZIONE DELLE CENERI In accordo con gli obiettivi del progetto ECODENS, è stato condotto uno studio approfondito circa la possibilità di utilizzare le ceneri, ottenute dalla combustione dell agripellet, come fertilizzanti e/o ammendanti dei terreni agricoli siciliani. 5

6 Come è noto, le ceneri presentano notevoli vantaggi di carattere agronomico, riconosciuti da tempo, e legati all elevato contenuto in elementi minerali utili per le colture quali soprattutto Calcio (Ca), potassio (K), fosforo (P) e magnesio (Mg). Data la notevole presenza di metalli alcalini, inoltre, le ceneri favoriscono in genere l innalzamento del ph di terreni acidi, nonchè il miglioramento della struttura del suolo favorendo la formazione di aggregati stabili. Dall altra parte, come si evince da numerose ricerche, nelle ceneri sono presenti altre sostanze minerali (metalli pesanti) di cui occorre tenere conto anche al fine di ridurre i potenziali effetti negativi di accumulo di sostanze indesiderate nel suolo che in casi estremi potrebbero portare a problemi di inquinamento ambientale. Questo principio è rafforzato dal fatto che le ceneri da combustione di biomasse sono, a norma di legge, a tutti gli effetti rifiuti speciali non pericolosi ai sensi del D.Lgs 152/06 e s.m. e allo stato attuale il loro impiego agronomico è realizzabile solo se queste provengono dalla combustione di legno vergine (anche in agricoltura biologica) e sia monitorata la concentrazione di metalli pesanti. In accordo con la letteratura scientifica sull argomento, il monitoraggio diretto degli effetti dello spargimento delle ceneri sulle colture agricole richiede periodi di monitoraggio molto lunghi, di parecchi anni, periodo non compatibile con la durata del progetto ECODENS. Per questo, considerate tali peculiari difficoltà oggettive, in alternativa si è utilizzato un approccio capace di dare significative indicazioni senza necessita di lunghi tempi di sperimentazione. Una tecnica ch è apparsa subito molto interessante ai fini di valutare le proprietà fertilizzanti delle ceneri, è quella basata sul confronto del titolo fertilizzante della cenere (quantità di elementi utili) con il titolo di altre sostanze concimanti, al fine di evidenziare l utilità anche dal punto di vista economico, dell uso della cenere come fertilizzante nell ambito di piani di concimazione redatti per le colture di pieno campo previste dal progetto (vigneti, frutteti e oliveti). A tal fine sono state effettuate dapprima sistematiche prove analitiche volte a individuare in primo luogo la presenza di eventuali fattori di rischio per l ambiente, quali i metalli pesanti; e in secondo luogo la concentrazione di elementi nutritivi utili per le piante o per la fertilità del suolo in generale. Per le analisi sono sati utilizzati i campioni di cenere ottenuti dalla combustione in caldaia dell agri-pellet ECODENS ottenuto da miscele di sansa vergine e residui di potature di ulivo, nel rapporto ponderale 30/70. Le analisi chimiche relative al contenuto degli elementi nutritivi e dei metalli pesanti nonchè degli elementi fertilizzanti (N, P, K, Mg, Ca) sono state eseguite, come prima, utilizzando la spettrometria di massa ICP-MS. I campioni sono stati dapprima sottoposti a processo di dissoluzione mediante attacco acido in un sistema chiuso a microonde. Ottenuti i valori dei diversi elementi utili alla caratterizzazione delle ceneri, la concentrazione degli elementi Ca, P, K e Mg è stata convertita nella equivalente concentrazione di ossidi quali CaO, P 2 O 5, K 2 O e MgO rispettivamente, al fine di consentire un facile confronto con i dati reperibili in letteratura. I risultati ottenuti sono stati dapprima confrontati con i limiti previsti dalla attuale normativa (D.lgs 75/2010) per i metalli pesanti presenti nei fertilizzanti. La seguente tabella 3 mostra i risultati e tale confronto. Dall analisi della tabella 3 è possibile notare come nessuno dei metalli pesanti considerati superi i limiti massimi previsti dal decreto legislativo 75/2010, per cui è possibile affermare 6

7 che le ceneri prodotte dalla combustione del pellet ECODENS possono essere re-immesse nel terreno agricolo, nel rispetto dei limiti normativi, ovvero senza che ciò comporti alcun rischio di carattere ambientale. Tab. 3 Concentrazione dei metalli pesanti nelle ceneri di agri-pellet ECODENS. Elemento U.M. Cenere Cenere D.lgs 75/2010 Arsenico (As) mg/kg 0,25 0,48 < 1,0 Cadmio (Cd) mg/kg 0,073 0,07 < 1,5 Cromo (Cr) mg/kg 20,48 23, Rame (Cu) mg/kg 176,2 119,6 < 230 Piombo (Pd) mg/kg 33,81 25,09 < 140 Mercurio (Hg) mg/kg 0,02 0,02 < 1,5 Nichel (Ni) mg/kg 48,3 31,89 < 100 Zinco (Zn) mg/kg 109,6 226,8 < 500 I risultati relativi alla concentrazione degli elementi cosiddetti fertilizzanti, cioè utili alla nutrizione delle piante, sono riportati nelle seguente tabella 4 insieme ai valori caratteristici di ceneri ottenuti dalla combustione del legno. Tab. 4 - Concentrazione di macro elementi nelle ceneri di agri-pellet ECODENS. Elemento U.M. Ceneri da legno Cenere da Pellet Azoto (N) % 0,00 0,00 Fosforo (P 2 O 5 ) % 6,20 2,93 Potassio (K 2 O) % 10,30 8,49 Magnesio (MgO) % 5,60 5,45 Calcio (CaO) % 42,80 23,40 L esame comparativo mostra che la cenere dell agri-pellet ECODENS ha una concentrazione di potassio e magnesio (e azoto) confrontabile con quella delle ceneri di legno, mentre è inferiore è il contenuto di calcio e fosforo. Pari a circa la metà è invece il contenuto fosforo e calcio. In particolare, dal punto di vista agronomico, risulta di notevole importanza il contenuto in potassio e calcio. Il potassio infatti, è un elemento chimico che la pianta assorbe in discrete quantità; esso rappresenta un importante regolatore fisiologico della permeabilità cellulare, interviene nei sistemi enzimatici della sintesi di glucidi, oltre a regolare la turgescenza cellulare e i processi di accumulo degli zuccheri. 7

8 Il calcio invece, riveste un ruolo di fondamentale importanza sulla fertilità del suolo più che per la nutrizione delle piante. Infatti, questo elemento regola il ph del terreno che ha notevole influenza sulla effettiva disponibilità degli elementi nutritivi (ph lontani dalla neutralità rendono il terreno inospitale per molte colture e creano fenomeni di insolubilità per molti elementi nutritivi). Al fine di evidenziare l utilità delle ceneri dell agri-pellet ECODENS nella concimazione delle colture, si è provveduto a dare un titolo alle ceneri analizzate, inteso come il contenuto in elementi nutritivi del concime espresso in % sul peso. In altre parole, come nelle confezioni di concime chimico presenti in commercio è riportato nell'ordine il titolo in azoto, anidride fosforica (P 2 O 5 ) e ossido di potassio (K 2 O), anche per le ceneri è stato calcolato in pratica il titolo in N- P 2 O 5 - K 2 O che risulta peri a (vedi tabella 4). Tale classificazione ha permesso di stimare il quantitativo di cenere necessario per effettuare una concimazione potassica in alcune delle principali colture arboree ed erbacee della Sicilia, come riportato nella successiva tabella 5. Tab. 5 - Fabbisogno in potassio di alcune colture diffuse in Sicilia e ceneri necessarie. Coltura U.M. Fabbisogno medio di potassio Quantità di cenere da distribuire Arance Kg/ha Limone Kg/ha Olivo da olio Kg/ha Vite da vino Kg/ha Anguria Kg/ha Fragola Kg/ha Pomodoro Kg/ha Melone Kg/ha Dalla tabella si osserva come per colture arboree e per la fragola, i quantitativi minimi variano tra 300 e 550 kg/ha di ceneri, mentre per altre colture orticole (anguria, pomodoro e melone) si hanno quantitativi minimi compresi tra 880 e 1200 kg/ha. Tenuto conto che dalla combustione di agri-pellet, come ampiamente mostrato dalle analisi condotte nell abito del progetto dai tecnici della SABER, si ottiene una percentuale di pellet di circa il 5%, si ha che la concimazione potassica di un ettaro di colture arboree o fragole necessita delle ceneri derivanti dall uso di 6-10 ton circa di agri-pellet, mentre per la concimazione di ortaggi sono necessarie le ceneri derivanti dall uso di ton di agri-pellet. In altre parole le ceneri prodotte da una azienda casearia medio-piccola, che utilizza circa 15 ton di agripellet, possono servire alla concimazione potassica ha di colture arboree ovvero ha circa di colture orticole. Risulta pertanto dimostrato come lo spargimento delle ceneri di agri-pellet nel terreno agricolo non comporta alcun effetto inquinante (legge 75/2010), ma anzi da luogo ad una significativa concimazione (incremento dei macro elementi) di questo, consentendo allo 8

9 stesso tempo di trasformare un rifiuto (le ceneri) in una risorsa con sensibili vantaggi per le coltivazioni e l economia delle aziende agricole. Altro vantaggio legato all utilizzazione delle ceneri è la possibilità di effettuare sui suoli acidi la cosiddetta calcitazione, ovvero la correzione del ph dei terreni mediante la somministrazione di calce (CaO) di cui la cenere è relativamente ricca (23% circa, vedi tabella 4). Lo spargimento delle ceneri nei terreni agricoli acidi consente in pratica sia di innalzare il ph mediante sostituzione degli ioni H+ con lo ione calcio Ca++, sia di arricchire il terreno di Ca che porta ad un significativo miglioramento della struttura, grazie alla formazione di ponti di calcio tra i colloidi argillosi. E quindi altresì dimostrato come lo spargimento delle ceneri dell agri-pellet consenta la correzione ed il miglior manto della delle qualità dei terreni, specie quelli acidi e argillosi. 5. CONCLUSIONI In conclusione, grazie agli studi eseguiti e sopra sinteticamente esposti, è possibile affermare che: 1) La concentrazione dei metalli pesanti presenti nell agri-pellet ECODENS rispetta ampiamente i relativi limiti previsti dalla norma UNI-EN 14961; 2) il residuo principale del processo di combustione del agri-pellet ECODENS, ovvero le ceneri, possono essere vantaggiosamente re-impiegate in agricoltura sia quale fertilizzante per la concimazione potassica dei terreni agricoli, sia quali correttivi ed ammendanti dei i suoli acidi ed argillosi. Si tratta di importanti risultati caratterizzati da significativi vantaggi economici ed agronomici, che consentono di trasformare ciò che attualmente sono considerati rifiuti, in una vera e propria risorsa per il modo agricolo. 9