Azoto nei liquami, i metodi per rimuoverlo

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1 Azoto nei liquami, i metodi per rimuoverlo di Sergio Piccinini Claudio Fabbri Daniela Sassi I trattamenti biologici, abbinati alla separazione meccanica, rappresentano uno dei migliori sistemi da adottare. La loro applicazione però esige ancora costi elevati, che possono comunque essere compensati con il recupero energetico del biogas Centro Ricerche Produzioni Animali CRPA Reggio Emilia 24 Itrattamenti chimicofisici e/o biologici a cui possono essere sottoposti i liquami suinicoli per ridurne il contenuto in azoto sono numerosi. In questo articolo vengono prese in considerazione le tecniche più consolidate e quelle innovative con maggior possibilità di successo, e ne vengono esaminati i pregi e i difetti. TRATTAMENTI CHIMICOFISICI Separazione meccanica Molteplici sono le tecniche di separazione disponibili: si va dai semplici e poco costosi vibro e rotovagli alle centrifughe ad asse orizzontale, che consentono elevate efficienze di separazione, a fronte, però, di costi di investimento e di esercizio decisamente più elevati. In tabella 1 sono riportate le efficienze ottenibili con vari dispositivi e le caratteristiche della relativa frazione solida separata. I vari dispositivi elencati in tabella 1 possono essere abbinati fra loro, così da ottenere linee di separazione con elevate efficienze di rimozione dell azoto come, ad esempio, viene proposto nella regione belga delle Fiandre (una delle aree europee a maggior densità zootecnica), con un sistema mobile su container scarrabile della ditta Greenfield (Vedi schema di figura 1). Tale sistema, a detta Separazione solido/liquido su liquami suini con centrifuga della ditta, consente negli allevamenti suinicoli di esportare dalle aziende una frazione solida che rappresenta in peso circa il 1520% del liquame trattato e contiene circa il 50% dell azoto totale; il costo del servizio ammonta a circa 12 /m 3 di liquame tal quale trattato, ed è comprensivo della gestione della frazione solida, che in genere viene esportata come ammendante organico nelle regioni della Francia del nord, confinanti con le Fiandre. Separazione con membrane Microfiltrazione e ultrafitrazione (UF) Il principio su cui si basano microfiltrazione ed ultrafiltrazione è la separazione fisica; i solidi disciolti, la torbidità e i microrganismi sono rimossi a seconda della forma e dimensione dei pori nelle membrane. Le sostanze con di mensioni più grandi dei pori delle membrane vengono completamente rimosse, mentre quelle più piccole vengono solo parzialmente rimosse, contribuendo a creare uno strato di rifiuto sulla membrana. Nella microfiltrazione e nell ultrafiltrazione le membrane hanno dimensione dei pori dell ordine, rispettivamente, di 0,110 µm e di 0,0010,1 µm. La microfiltrazione e l ultrafiltrazione sono processi dipendenti dalla pressione e rimuovono solidi disciolti ed altre sostanze dall acqua ad un livello inferiore rispetto alla nanofiltrazione e all osmosi inversa. Osmosi Inversa (OI) Separando due soluzioni a concentrazione diversa con una membrana semipermeabile, si assiste al passaggio delle molecole di solvente dalla soluzione a concentrazione più bassa verso SUPPLEMENTO SUINICOLTURA N

2 dell efficienza separativa delle membrane a causa dell intasamento dei pori. Quindi la tecnologia a membrana viene a configurarsi come un trattamento di finissaggio in coda ad una linea di tratla soluzione a concentrazione maggiore: il passaggio avviene fintanto che le due soluzioni non raggiungono la stessa concentrazione. La membrana si comporta come un setaccio fatto da maglie molto piccole, ma grandi abbastanza da permettere il passaggio delle molecole di solvente, però non di soluto che hanno dimensioni maggiori. Il fenomeno dell osmosi è reversibile: esercitando dal lato della soluzione più concentrata una pressione maggiore della pressione osmotica, si consente alle molecole del solvente di passare verso la soluzione meno concentrata. Per l osmosi inversa è necessario fornire dall esterno, mediante una pompa, la pressione necessaria a controbilanciare la pressione osmotica. Elettrodialisi (ED) L elettrodialisi è un processo durante il quale gli ioni sono trasportati attraverso una membrana semipermeabile, sotto l azione di un potenziale elettrico; le membrane sono catione o anioneselettive, ossia possono essere attraversate da ioni positivi o ioni negativi. Disponendo di Liquame suino fango fango tamento biologico complessa e costosa che prevede, in genere: digestione anaerobica separazione solido/liquido trattamento aerobico di ossidazione/nitrificazione/denitrificazione sulla frazione liquida chiarificata. La ricerca è tuttavia indirizzata a semplificare questa linea, riducendo notevolmente o eliminando la fase di trattamento aerobico prima dello stadio a membrane. È necessario, per questo, mettere a punto delle tecniche per ovviare al problema dell intasamento (fouling) dei pori delle membrane. Una soluzione è quella proposta dalla ditta statunitense New Logic Research Inc., che prevede di tenere in vibrazione le membrane stesse (sistema VSEP); un impianto con tale tecnologia è in fase di avviamento in un grosso allevamenpiù membrane in fila, che permettono alternativamente il passaggio di ioni caricati positivamente o negativamente, si possono rimuovere tali ioni dall acqua reflua. Lo schema di separazione con membrane proposto più frequentemente è quello che prevede l abbinamento dell ultrafiltrazione (UF) con l osmosi inversa (OI) (Figura 2). Per applicare la tecnologia delle membrane ai liquami zootecnici è Chiarificato in genere necessario che la frazione organica sia stata parzialmente decomposta e i solidi sospesi siano stati rimossi, pena il rapido decadimento Solido CENTRIFUGA Vasca polmone Flottazione Chiarificato Filtrazione a nastro Chiarificato Stoccaggio aziendale Figura 1 Schema di separazione applicato nel sistema mobile su container scarrabile proposto dalla ditta Greenfield Tabella 1 Dispositivi di separazione: efficienze ottenibili nella rimozione della sostanza secca e dei nutrienti (N e P) e caratteristiche della frazione solida separata (dati CRPA) Efficienza di separazione [a] Frazione solida o densa separata Dispositivo di separazione kg/m 3 SS (%) N (%) P (%) SS (%) N (kg/t) P (kg/t) liquame [b] Vibrorotovaglio ,04,6 1,22, Separatore cilindrico rotante ,05,5 5,08, Separatore a compressione elicoidale [c] ,14,9 3,34, Separatore per flottazione vaglio cilindrico rotativo [d] ,95,4 3,94, Flottatore [e] ,44,8 2,13, Centrifuga ad asse orizzontale ,011,0 6,010, [a] I dati riportati in questa colonna indicano i kg di sostanza secca (SS), di azoto (N) e di fosforo (P) che rimangono nella frazione solida per ogni 100 kg di SS, N e P presenti nel liquame avviato al trattamento. I dati quindi forniscono la percentuale in peso di SS, N e P separata nella frazione solida. [b] I dati riportati in questa colonna indicano la quantità (kg) di frazione solida separata per ogni m 3 di liquame avviato al trattamento di separazione. [c] I dati si riferiscono a prove condotte in un solo allevamento. [d] Si tratta di un separatore dal nome commerciale ECOpurin, per il quale è indispensabile l utilizzo di additivi chimici. I dati si riferiscono ad una sola installazione e ad un solo allevamento; questo tipo di separatore è ancora poco diffuso nell allevamento suinicolo italiano. [e] I dati si riferiscono ad una campagna di controllo della durata di circa otto mesi condotta su un flottatore inserito in una linea di depurazione biologica; il flottatore tratta una miscela costituita dai liquami dell allevamento suino dopo vagliatura e dai fanghi di supero del trattamento depurativo aerobico. Vengono aggiunti additivi chimici. Liquame Concentrato UF Concentrato OI effluente Figura 2 Schema di abbinamento di ultrafiltrazione e osmosi inversa to suino in Belgio, per il trattamento depurativo del liquame in coda alla digestione anaerobica con recupero di biogas separazione solido/liquido. Tra le società impiantistiche impegnate a risolvere questo problema, la ditta tedesca Haase inserisce il sistema a membrane dopo un unità di separazione solidoliquido; si tratta di un sistema già applicato sul percolato di discarica di rifiuti urbani. Anche la ditta danese Bioscan e la ditta austriaca AAT propongono la separazione con membrane in coda alla digestione anaerobica; un impianto della AAT è stato avviato di recente in Svizzera in coda alla separazione solido/liquido dopo un impianto di biogas che tratta liquami zootecnici e scarti di macellazione. Se tali tecniche si dimostreranno efficienti ed efficaci, anche SUPPLEMENTO SUINICOLTURA N UF OI

3 Impianto centralizzato di biogas di Bettona (Pg) senza il trattamento aerobico di ossidazione/nitrificazione/denitrificazione, l inserimento della tecnologia delle membrane nelle linee di trattamento dei liquami zootecnici potrebbe divenire tecnicamente ed economicamente sostenibile. Occorre però ricordare che i concentrati sia di UF che di OI, pur potendo essere teoricamente utilizzati come fertilizzanti, presentano elevate concentrazioni saline e non è chiaro il tipo di mercato che potranno avere; non è da escludere che debbano essere smaltiti con costi conseguenti. Strippaggio dell ammoniaca Lo strippaggio, per mezzo di un flusso di aria, permette di allontanare l azoto ammoniacale presente in forma soluta nei liquami e di trasferirlo in forma gassosa nel flusso di aria stessa. Con questo processo, l azoto viene trasferito, quindi, da un elemento ad un altro con caratteristiche più idonee al successivo trattamento. In linea generale, gli schemi impiantistici più comuni prevedono l abbinamento della torre di strippaggio ad una seconda torre di lavaggio (scrubber) in cui il flusso di aria caricato di ammoniaca viene messo a contatto con una soluzione acida, in genere a base di acido solforico, per ottenere un sale, il solfato di ammonio. Il sale di ammonio così formatosi può essere gestito come soluzione esausta, oppure portato alla concentrazione di cristallizzazione, precipitato e gestito in forma solida. Quest ultima fase del trattamento, tuttavia, comporta una complessità impiantistica più elevata che trova giustificazione solo nei grossi impianti. La quantità di azoto ammoniacale che può essere strippata dai liquami e/o assorbita in soluzione acida dipende essenzialmente da due equilibri termodinamici: equilibrio dell ammoniaca in forma disciolta e gassosa nel liquame ed equilibrio di dissociazione. I due principali parametri che influenzano questo equilibrio sono la temperatura dell elemento acquoso e il ph. In linea generale la funzione che descrive questo equilibrio è la seguente: [ ] [ NH 3 NH 4 ] [ H ] 1 K a [ NH ] NH 3 = 3 = 1 10 NH 4 pk a ph dove [NH 3 ] è la concentrazione dell ammoniaca libera, [NH 3 NH 4 ] è la concentrazione totale di ammoniaca, [H ] la concentrazione di ioni idrogeno e K a è la costante di dissociazione, funzione della temperatura. Quanto più sono elevati il ph e la temperatura, tanta più ammoniaca in forma gassosa è presente nel liquame e quindi è maggiore l efficienza di strippaggio. Lo strippaggio dell ammoniaca è una tecnica ampiamente consolidata nel settore industriale e nel trattamento ad esempio dei percolati di discarica. In generale, in tutte le applicazioni industriali, per ragioni economiche e pratiche, lo strippaggio viene effettuato per mezzo di aggiunta di additivi che correggono il ph elevandolo fino a valori dell ordine di 10,511,5. L applicazione della tecnica dello strippaggio con successivo assorbimento in soluzione acida ai liquami deve essere sempre abbinata ad un trattamento di separazione solido/liquido piuttosto spinto, per evitare di avere particelle grossolane che potrebbero intasare gli ugelli di insufflazione o forma = re affioramenti superficiali all interno dei reattori con conseguente blocco dell impianto. I principali problemi ancora da risolvere sono: elevato potere tampone del liquame che rende molto difficoltoso lo spostamento del ph se non attraverso aggiunte di notevoli quantità di calce o soda. L aggiunta di additivi alcalinizzanti comporterebbe peraltro il problema di gestire liquami ad elevato ph difficilmente utilizzabili a livello agronomico; elevato contenuto di sostanze organiche disciolte e a bassa tensione superficiale che se sottoposte a insufflazione di aria determinano la formazione di quantità di schiuma molto elevate, che possono portare a blocchi dell impianto; fabbisogno di elevate quantità di acido solforico per la salificazione dell ammoniaca strippata, circa 3 kg di acido solforico per kg di ammoniaca; produzione di una soluzione acquosa di solfato di ammonio sporca, ricca di sostanza organica sospesa trascinata con il flusso di aria di strippaggio; difficoltà di collocamento agronomico della soluzione di solfato di ammonio come fertilizzante in quanto non definito nella relativa normativa di regolamentazione; trattamento di abbattimento delle emissioni osmogene (odori) che si generano con l insufflazione di aria e che non vengono abbattute efficacemente con la torre di lavaggio a soluzione acida. L abbinamento di questa tecnologia alla produzione di biogas consente di ottenere una serie di vantaggi sia di ordine chimico che energetico non indifferenti, che possono permettere un notevole sviluppo. I principali vantaggi sono: incremento della quantità di azoto presente nel liquame sotto forma di ammoniaca, in seguito alla mineralizzazione dell azoto organico; elevata disponibilità di energia termica a costo nullo, derivante dalla cogenerazione per la trasformazione energetica del biogas; l incremento di temperatura del liquame permetterebbe di ridurre o evitare il ricorso ad additivi alcalinizzanti pur mantenendo efficienze elevate. Per contro, lo strippaggio a temperature elevate determina una maggiore formazione di schiume ed una maggiore emissione di composti odorigeni. Allo stato attuale, non esistono ancora impianti in scala reale su cui siano stati raccolti dati tecnici e gestionali sufficienti a stabilirne l effettiva efficienza e sostenibilità economica e ambientale, tuttavia le sperimentazioni condotte lasciano intravedere prospettive interessanti. Precipitazione della struvite La struvite o magnesio ammonio fosfato (MAP) esaidrato è un composto cristallino costituito da ioni Mg 2, NH 4 e 3 PO 4, in rapporto 1:1:1. La formazione della struvite avviene secondo la formula: Mg 2 3 NH 4 PO 4 6H 2 O MgNH 4 PO 4. 6H 2 O La struvite è un composto di colore bianco o biancastro, poco solubile in acqua, molto solubile in soluzione acide e altamente insolubile in soluzioni alcaline. Nei liquami suini i tre composti, ammoniaca, magnesio e fosfato, sono presenti e, in certe condizioni, raggiungono il rapporto 1:1:1, necessario per la precipitazione della struvite. 26 SUPPLEMENTO SUINICOLTURA N

4 La cristallizzazione e il recupero della struvite dai liquami suinicoli possono essere condotti in reattori ove vengono realizzate le condizioni idonee per la sua precipitazione controllata, che avviene a valori di ph maggiori di 8; tali valori si possono ottenere aggiungendo al liquame dei composti alcalini, quali calce, soda o idrato di magnesio, o strippando dal liquame stesso l anidride carbonica (CO 2 ), insufflando aria. Sul mercato vengono proposti vari reattori e altrettanti processi di recupero della struvite, con costi di investimento e di esercizio variabili, ma tutti non trascurabili; sono in genere applicati ai reflui civili, all interno del ciclo di depurazione e per la rimozione non tanto dell azoto quanto del fosforo, in particolare in Giappone. Con i reflui civili, quale trattamento terziario di finissaggio in coda al trattamento depurativo aerobico a fanghi attivi, si ottengono efficienze elevate sia sul fosforo che sull azoto. Nei liquami suini l azoto è presente in concentrazione molto più elevata del fosforo e quindi con la tecnica di precipitazione della struvite si possono sì raggiungere elevate efficienze di rimozione per il fosforo (sino all 80%), ma per l azoto si può valutare che non sia possibile superare efficienze di rimozione del 2030%. Inoltre, è necessario operare in presenza di azoto essenzialmente in forma ammoniacale e non organica e, quindi, converrebbe applicare questa tecnica dopo la digestione anaerobica che, come noto, mineralizza l azoto organico ad azoto ammoniacale. Altra questione importante ai fini della convenienza economica della tecnica, è l effettiva possibilità di utilizzare, e quindi commercializzare, la struvite come fertilizzante fosfatico e/o azotato a lento rilascio; attualmente la struvite non è inserita mento miscelazione ed ossigenazione) ed estrazione/scarico. Nella fase di reazione la miscelazione e l ossigenazione sono discontinue, alternando fasi aerobiche ed anossiche per favorire sia l attività dei batteri nitrificanti che di quelli denitrificanti. Al termine della fase di sedimentazione si provvede all estrazione del liquame chiarificato dalla superficie e dei fanghi di supero dal fondo della vasca. L utilizzo della stessa vasca per il trattamento del liquame e la separazione della biomassa esclude l utilizzo di un sedimentatore finale. Il fango estratto deve invece essere convenientemente ispessito. Il sistema Sbr è già stato applicato da tempo e con successo nella depurazione dei liquami suini, anche in allevamenti di grandi dimensioni. Tali esperienze hanno messo in evidenza che i sistemi Sbr presentano indubbi vantaggi rispetto agli impianti convenzionali a fanghi attivi a flusso continuo, in sintesi: dimensioni più contenute a parità di rese di depurazione; semplificazione costruttiva e delle operazioni di manutennell elenco dei fertilizzanti riconosciuti dalla normativa nazionale; l unico Paese dove sia consolidato l uso della struvite nella produzione di concimi organominerali, utilizzati nella concimazione del riso, è il Giappone. TRATTAMENTI BIOLOGICI Nitrificazionedenitrificazione Per la rimozione biologica dell azoto dai reflui suinicoli i processi di nitrificazione/denitrificazione convenzionali, usualmente utilizzati negli impianti di depurazione delle acque reflue civili, risultano molto costosi, sia per l elevata quantità di energia elettrica richiesta per fornire l ossigeno necessario per l ossidazione dell azoto ammoniacale, sia per la frequente necessità di aggiungere materiali carboniosi esterni nella fase di denitrificazione. In questi sistemi convenzionali di depurazione biologica a fanghi attivi, il flusso di alimentazione e di scarico delle vasche è continuo e le varie fasi del processo depurativo (ossidazionenitrificazione, denitrificazione, sedimentazione...) avvengono in vasche separate, con la conseguente necessità della presenza di tubazioni e pompe di ricircolo e rilancio dei vari flussi liquidi e fangosi. Una valida alternativa ai sistemi biologici convenzionali è il sistema Sbr (Sequencing batch reactor o reattore biologico sequenziale). L Sbr è un trattamento biologico a biomassa sospesa. Il flusso di alimentazione e di scarico delle vasche non é continuo, come nei sistemi classici di depurazione biologica a fanghi attivi, ma all interno della stessa vasca vengono create, in successione, le condizioni necessarie allo svolgimento delle reazioni biologiche. Il ciclo completo prevede quattro fasi di lavoro principali: alimentazione, reazione (con miscelazione ed ossigenazione), sedimentazione (spegni Liquame Processo di nitrificazionedenitrificazione Figura 4 Schema a blocchi di un impianto convenzionale di predenitrificazione e successiva nitrificazione Nitrificazione = Ossidazione dell Ammonio a NO 2 e NO 3 È necessario O 2 : 4,6 kg O 2/kgN NH O2 NO 2 H 2 O 2H NO O2 NO 3 Denitrificazione = NO 2 e NO 3 ridotti a N 2 gassoso È spesso necessario C organico esterno: 5,5 kg COD/kgN 6NO 3 5CH 3 OH CO 2 3N 2 6HCO 3 7H 2 O 6NO 2 3CH 3 OH 3CO 2 3N 2 6HCO 3 3H 2 O scarico Denitrificazione Nitrificazione Sedimentazione ricircolo Fanghi di supero zione; maggiore flessibilità gestionale. Si ritiene quindi che il sistema Sbr sia da preferire agli schemi impiantistici che prevedono denitrificazione, ossidazionenitrificazione e sedimentazione in comparti separati. In tabella 2, a titolo di esempio, si riporta l efficienza di due linee di trattamento depurativo aerobico a fango attivo (con nitrificazionedenitrificazione) di liquami suinicoli. Processi basati sulla ossidazione arrestata a nitrito Se il processo biologico di rimozione dell azoto è posto a valle della digestione anaerobica dei liquami suinicoli e quindi può operare su liquami caldi, è applicabile il processo di nitrificazione arrestata a nitrito (detta nitrosazione), facendo in modo di creare condizioni di processo inadatte alla successiva ossidazione a nitrato. In questo modo si può ottenere un risparmio fino al 25% del fabbisogno di aerazione (e quindi di energia elettrica) e fino al 40% del carbonio organico (Cod) necessario nella successiva fase SUPPLEMENTO SUINICOLTURA N

5 Impianto di trattamento depurativo aerobico (SBR) in un allevamento suinicolo di Formigine (Mo) 1 Vasca miscelazione ed equalizzazione, con pompe per avvio a Sbr 2a. 2b Vasche Sbr, con miscelatori, ossigenatori, pompe per estrazione surnatante e per invio fanghi a ispessitore 3 Ispessitore con pompe per avvio fanghi ispessiti a stabilizzazione Figura 5 Schema esemplificativo del sistema Sbr Nitrificazione completa: 2NH 4 4O 2 2NO 3 4H 2H 2 O Denitrificazione: 2NO 3 8 g COD 2H N 2 3g biomassa (fanghi) Complessivamente: 2NH 4 4O 2 8 g COD N 2 2H 3 g di biomassa (fanghi) Processo di rimozione biologica dell azoto convenzionale (Fonte R. Canziani, 2007) NH 4 Parziale nitrificazione di denitrificazione. Inoltre, le cinetiche più veloci e i conseguenti minori tempi di ritenzione necessari comportano minori volumi per le vasche di reazione e minori costi di investimento. Il processo Sharon(acronimo di Single reactor high activity ammonia removal over nitrite) è un esempio di ossidazione arrestata a nitrito. In questo processo, un reattore completamente miscelato opera con un tempo di ritenzione idraulica uguale al tempo di ritenzione del fango (senza ricircolo del fango), pari a circa 1,52,5 giorni, e a temperatura compresa tra 30 e 40 C; in questo intervallo di temperatura e di tempo di ritenzione i NO 2 Denitrificazione Figura 6 Schema del processo di nitrificazione bloccata a nitrito seguita dalla denitrificazione (Fonte R. Canziani, 2007) N 2 batteri in grado di ossidare il nitrito a nitrato non possono crescere e quindi l ossidazione dell ammonio si ferma a nitrito. Processo Anammox e processi combinati (Nitrosazione/ Anammox e Canon) Il processo Anammox (acronimo di ANaerobic AMMonium OXidation) può essere sintetizzato con la seguente reazione: NH 4 NO 2 N 2gas 2 H 2 O I batteri Anammox operano in assenza di ossigeno libero, a bassi potenziali di ossidoriduzione (redox) e hanno tassi di crescita molto lenti. Poiché il processo richiede la presenza di azoto nitroso, che i batteri Nitrosazione: 2NH 4 3O 2 2NO 2 4H 2H 2 O Denitrificazione: 2NO 2 4,8 g COD 2H N 2 1,8 g biomassa (fanghi) Complessivamente: 2NH 4 3O 2 4,8 g COD N 2 2H 1,8 g di biomassa (fanghi) Processo di rimozione biologica dell azoto con ossidazione arrestata a nitrito (Fonte R. Canziani, 2007) Tabella 2 Efficienza di due linee di trattamento depurativo aerobico a fango attivo (con nitrificazionedenitrificazione) di liquami suinicoli (dati Crpa) Linee di trattamento depurativo Centrifugazione trattamento depurativo stoccaggio 180 giorni Vagliatura sedimentazione trattamento depurativo scarico in fognatura Frazione solida e densa Frazione liquida Volume (%) N (%) P (%) Volume (%) N (%) P (%) Anammox utilizzano per ossidare l azoto ammoniacale, il processo di nitrosazione, quale lo Sharon, deve precedere il processo Anammox (Figura 9). Rispetto al processo convenzionale di nitrificazionedenitrificazione il processo combinato Nitrosazione/Anammox consente di ridurre il fabbisogno di ossigeno alla metà, di contenere notevolmente la produzione di fanghi di supero e di azzerare la richiesta di carbonio esterno. Si ottiene quindi una forte riduzione del costo di gestione rispetto a quello convenzionale. Le controindicazioni del processo combinato NitrosazioneAnammox sono gli alti tempi di avviamento (da sei mesi ad un anno se si usano fanghi attivi convenzionali come inoculo), una minore stabilità di processo (le condizioni ottimali non sono ancora completamente note), che comporta personale altamente specializzato per la conduzione, e le poche esperienze a piena scala; in particolare su liquami suini sono stati condotti solamente test in laboratorio e non esistono ancora impianti in scala reale. I due processi, Nitrosazione e Anammox, possono essere condotti in impianti separati oppure combinati in un unico processo denominato Canon (acronimo per Completely autotrophic Nremoval over nitrite), con conseguente ulteriore riduzione dei costi di investimento ed esercizio. Processo Mbr I processi di depurazione biologica abbinati ad un sistema di separazione dei solidi a membrana sono chiamati bioreattori a 28 SUPPLEMENTO SUINICOLTURA N

6 SN_07_11_Supp_P2432_Piccinini :48 Pagina 29 scegli SOP per aumentare la produttività migliorando l igiene e la salute dei tuoi suini riducendo UFC/ml x10 x BATTERI PATOGENI* Variazione dei parametri microbiologici ambientali Riduzione di ammoniaca nell aria 61.8% 79.2% 72.1% Staphylococchi Streptococchi Coliformi ppm AMMONIACA* 59.8% mg/kg Azoto totale in liquami suini IMPATTO AMBIENTALE* 10% mg/kg Nitrati in liquami suini 96% I buoni risultati ottenuti sono certificati da ricerche universitarie e dall utilizzo quotidiano di centinaia di allevatori. * Ulteriori informazioni e testimonianze telefonando allo e sul sito SOP è l additivo naturale da aggiungere quotidianamente in piccolissima quantità alla razione alimentare dei suini di ogni età

7 SN_07_11_Supp_P2432_Piccinini :11 Pagina 30 NH 4 SHARON Figura 7 Schema del processo Sharon (Fonte R. Canziani, 2007) NH 4 /NO 2 (50/50) Anammox NH 4 /NO 2 (50/50) N 2 /NO 3 (90/10) Anammox Figura 8 Schema del processo Anammox (Fonte R. Canziani, 2007) membrana (Membrane bioreactors, Mbr). In questi sistemi, la biomassa sospesa prodotta nel reattore biologico a fanghi attivi viene trattenuta su opportune superfici filtranti che permettono la separazione dei fanghi. I Mbr permettono quindi di disaccoppiare totalmente la ritenzione della biomassa dalle caratteristiche di sedimentabilità o di adesione dei microrganismi che la compongono e sostituiscono il comparto di sedimentazione. Il processo Mbr presenta i seguenti vantaggi: permette di raggiungere e mantenere nei reattori concentrazioni di biomassa più alte rispetto a quelle normalmente ottenute nei trattamenti convenzionali e svincolate dai tempi di residenza idraulici; permette di mantenere un controllo molto accurato dell età del fango poiché lo spurgo di fango è strettamente regolato dall operatore; riduce la massa di fanghi di supero, grazie al loro elevato tempo di residenza e al basso carico sul fango normalmente scelto per i Mbr; migliora la qualità dell effluente finale, dato che la filtrazione su membrana garantisce una separazione praticamente totale dei solidi sospesi, impedendo così il trascinamento di fango biologico residuo, cui si accompagna un apprezzabile carico inquinante; limita l ingombro degli impianti, data la possibilità di sviluppare in altezza l unità biologica (bioreattore) e l assenza del sedimentatore secondario, normalmente di notevoli dimensioni. I bioreattori Mbr possono utilizzare membrane del tipo tubolare, piano o a fibre cave. Queste ultime risultano attualmente le più interessanti e mature come tecnologia; la membrana è costituita da un sottile tubo in polimero che agisce da elemento filtrante, supportato da un tubo interno costituito da polimero macroporoso. La porosità della membrana la colloca a cavallo dell ultrafiltrazione e della microfiltrazione (0,2 µm). Una pompa centrifuga crea una leggera depressione (0,1 0,5 bar) all interno delle fibre e induce l estrazione dell acqua depurata (permeato) dalla miscela che scorre all interno della fibra stessa. Quando la portata del permeato tende a diminuire a causa dell aumento della resistenza alla filtrazione sulle membrane dovuto al loro sporcamento (fouling), viene effettuato il controlavaggio invertendo il flusso della stessa pompa di processo, che 30 SUPPLEMENTO SUINICOLTURA N

8 SN_07_11_Supp_P2432_Piccinini :11 Pagina 31 preleva il permeato stoccato in un serbatoio e lo invia all interno delle fibre cave attraverso il medesimo circuito idraulico utilizzato in fase di filtrazione. Quando la permeabilità delle fibre a fine ciclo diminuisce sensibilmente, NH 4 0,75 O 2 SHARON CO 2 0,5 NH 4 0,5 NO 2 viene effettuato un vero e proprio trattamento di lavaggio con una soluzione di opportuni composti chimici, la cui composizione dipende dalle caratteristiche del refluo trattato e dalla natura del materiale incrostante. 0,95 N 2 ANAMMOX 0,05 NO 3 Primo stadio: SHRON converte circa metà del carico a nitriro (ottenibile anche con altri processi di nitrificazione parziale) Secondo stadio: ANAMMOX converte l ammonio e il nitrito in N 2 e acqua Figura 9 Processi combinati per la rimozione dell azoto (R. Canziani, 2007) NH 4 Canon Figura 10 Schema del processo Canon (Fonte R. Canziani, 2007) L inserimento di membrane filtranti nelle linee biologiche di depurazione è certamente una delle innovazioni tecnologiche più interessanti e promettenti nel settore depurazione. Nel trattamento di liquami ad alto contenuto di solidi sospesi, di carico organico ed azotato quali quelli zootecnici, il problema principale, non ancora supportato da realizzazioni in scala reale funzionanti da un periodo sufficientemente lungo, è quello della durata delle membrane. Il loro costo è elevato e quindi una frequente sostituzione avrebbe forte incidenza sui costi di esercizio N 2 /NO 3 (90/10) dell impianto. Digestione anaerobica (biogas) Il processo biologico di digestione anaerobica, in assenza di ossigeno, mineralizza la sostanza organica producendo un miscela gassosa, il biogas, ricca in metano. L azoto organico viene mineralizzato ad azoto ammoniacale, senza cambiamenti significativi nella quantità complessiva; piccoli quantitativi di azoto ammoniacale (12%) si spostano dal liquame al biogas. Il recupero energetico ottenibile con il biogas può consentire, però, di ridurre notevolmente e/o di azzerare i consumi energetici dell im SUPPLEMENTO SUINICOLTURA N

9 SN_07_11_Supp_P2432_Piccinini :49 Pagina 32 pianto di rimozione biologica dell azoto associabile all impianto di biogas. CONCLUSIONI In conclusione si può affermare che, quando occorre rimuovere quantitativi elevati di azoto dagli effluenti suinicoli, i trattamenti biologici abbinati alla separazione meccanica sono le tecniche che maggiormente ci garantiscono sull ottenimento di un buon risultato, con costi elevati ma sopportabili dal settore suinicolo, in particolare se viene effettuato anche il recupero energetico del biogas e si opera in impianti interaziendali. In particolare sui trattamenti biologici si possono trarre le seguenti considerazioni: il sistema Sbr è una tecnica matura e provata con i liquami suinicoli ed è da preferire agli schemi impiantistici convenzionali che prevedono denitrificazione, ossidazionenitrificazione e sedimentazione in comparti separati; le altre tipologie di trattamento biologico esaminate potrebbero permettere di ridurre sia i costi di investimento iniziali che quelli di esercizio, ma si basano su nuovi processi non sufficientemente sperimentati e convalidati sui liquami suinicoli; la digestione anaerobica di per sé non comporta riduzione dell azoto, ma consentendo un forte recupero energetico (energia elettrica da biogas) può consentire di ridurre notevolmente i costi di esercizio del trattamento depurativo biologico necessario per la sua rimozione. Relativamente ai processi chimicofisici si ritengono interessanti: lo strippaggio dell ammoniaca in coda alla digestione anaerobica, purchè si riesca a trovare negli impianti in scala reale il giusto equilibrio tra costi di esercizio ed efficienza di rimozione dell ammoniaca; occorre anche definire l ambito di utilizzo e il valore di mercato della soluzione di solfato di ammonio che si ottiene dal trattamento di assorbimento dell ammoniaca successivo allo strippaggio; la separazione con membrane, se vengono risolti i problemi di intasamento e conseguente elevata usura delle membrane, che eviterebbe il ricorso ai costosi trattamenti depurativi biologici prima della membrane stesse; occorre anche definire l effettivo ambito di utilizzo o smaltimento dei concentrati; la separazione meccanica, tecnica ormai consolidata ed affidabile, applicabile anche singolarmente quando non sono richieste elevate riduzioni del tenore di azoto; le diverse tecniche di separazione possono anche essere abbinate, al fine di alzare le rese di rimozione dell azoto. Per tutte le tecniche esaminate si ritiene comunque necessaria un interpretazione della Direttiva Nitrati, che riconosca la possibilità di concedere deroghe al vincolo dei 170 kg di azoto per ettaro per anno, per le aree vulnerabili, quando gli effluenti zootecnici, sottoposti a trattamenti, acquisiscono caratteristiche chimiche che li avvicinano ai fertilizzanti di sintesi. Può essere questo il caso, ad esempio, di frazioni liquide, trattate o meno in digestione anaerobica, sottoposte a separazione della frazione solida con forte segregazione del fosforo in quest ultima o, ancora, il caso di soluzioni ricche di sali di ammonio in uscita da trattamenti di lavaggio (scrubber) di arie esauste ad alto tenore ammoniacale o dei concentrati dei trattamenti con membrane. La bibliografia è disponibile presso gli Autori. 32 SUPPLEMENTO SUINICOLTURA N