Separazione solido-liquido per gestire l azoto e produrre energia

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1 PROVE SU LIQUAME PER FINI FERTILIZZANTI ED ENERGETICI Separazione solido-liquido per gestire l azoto e produrre energia di C. Fabbri, P. Mantovi, S. Piccinini, F. Verzellesi Tra le tecniche di trattamento dei liquami zootecnici e dei digestati, quella di separazione solido-liquido è senza dubbio la più diffusa e offre indubbi vantaggi di ordine gestionale e agronomico. Con la separazione solido-liquido si ottiene una frazione solida o densa e una liquida chiarificata. Come avviene per il liquame tal quale o per il digestato entrambe le frazioni devono essere sottoposte a un periodo di stoccaggio obbligatorio nel corso del quale i materiali subiscono processi di stabilizzazione che ne riducono le emissioni odorigene e la carica microbica. I due materiali possiedono caratteristiche distinte: la frazione solida ha un tenore di sostanza secca (o solidi totali) relativamente elevato (dal sino al 3% circa a seconda della tecnica utilizzata e del materiale in ingresso) e può avere consistenza da pastosa a palabile; concentra in sé la sostanza organica (o solidi volatili) e i nutrienti sotto forma prevalentemente organica, a lento rilascio; la frazione chiarificata è generalmente caratterizzata da tenori di sostanza secca da 1 a 8% circa e concentra in sé i composti solubili, tra cui l azoto in forma, a più pronto effetto concimante. Sistemi di separazione I sistemi di separazione adottabili in allevamento o nell impianto di biogas sono vari e permettono di ottenere la sola separazione dei solidi grossolani, cioè di quelli con dimensioni maggiori di,1 mm (vagli vibranti o rotativi, separatori a compressione eli- Grazie alle tecniche di separazione solido-liquido degli effluenti zootecnici si possono ottenere una frazione solida che concentra in sé la sostanza organica e una liquida chiarificata con la maggior parte dell azoto, a pronto effetto concimante. Il potere metanigeno delle frazioni solide dei liquami bovini è risultato di circa 4 m³ di metano per ogni tonnellata di materiale tal quale (equivalente a oltre 2 m³ di metano per tonnellata di sostanza organica immessa), circa tre volte in meno rispetto al silomais. Tuttavia può essere interessante ricorrere a queste matrici per la produzione di energia rinnovabile in ragione del nuovo regime di incentivi per gli impianti di biogas, anche in sostituzione del silomais. coidale e a rulli contrapposti), oppure la separazione dei solidi grossolani assieme a quelli fini, cioè quelli di dimensioni inferiori a,1 mm (sedimentatori, flottatori, centrifughe). Se si guarda alla diffusione dei vari sistemi di separazione si può notare la diffusione prevalente di quelli basati sulla compressione elicoidale e sui rulli contrapposti. Si tratta di macchine di livello medio, sia come prestazioni sia come costi di investimento e di gestione; questo è il motivo principale che ne I separatori solido-liquido vengono generalmente installati in posizione sopraelevata per poter accumulare la frazione solida prodotta ha favorito un elevata diffusione negli allevamenti zootecnici e negli impianti di biogas. Separatore a compressione elicoidale. Il liquame viene compresso da una vite senza fine entro un filtro cilindrico, costituito da barre di acciaio: la frazione liquida passa attraverso le fessure del filtro mentre quella solida viene pressata dalla vite contro un regolatore di portata, da tarare sulla base delle caratteristiche qualitative del materiale in ingresso. Separatore a rulli contrapposti. Si ha un sistema meccanico costituito da un vaglio cilindrico rotante e due rulli pressori in gomma. La separazione avviene facendo passare in continuo il liquame attraverso le maglie del cilindro rotante. I due rulli pressori provvedono a comprimere, con forza regolabile, il liquame in ingresso e contribuiscono a disidratare ulteriormente la frazione solida che non ha attraversato le fessure del vaglio cilindrico. Quest ultima viene poi rimossa con l aiuto di una lama fissa che sfiora la superficie esterna del cilindro. 44 L Informatore Agrario 41/ Copyright Edizioni L'Informatore Agrario S.r.l.

2 L efficienza di separazione Con il termine «efficienza di separazione» si intende la quantità di uno specifico componente (sostanza secca o solidi totali, sostanza organica o solidi volatili, azoto totale, azoto, ecc.) segregato all interno della frazione solida a seguito del processo di separazione. Il Crpa ha condotto numerose prove di separazione solido-liquido in condizioni operative reali in allevamenti (bovini e suini) e impianti di biogas (operanti su effluenti zootecnici e colture dedicate), ove sono state applicate le due tecniche più diffuse (compressione elicoidale e rulli contrapposti). Complessivamente sono stati condotti 114 test per la tecnica a compressione elicoidale e 42 con la tecnica dei rulli contrapposti. Per ogni test di verifica sono stati campionati sia l effluente all ingresso del dispositivo di trattamento sia le due frazioni prodotte (solido separato e frazione chiarificata) e su ognuno di essi sono state condotte diverse analisi chimiche tra cui: solidi totali, solidi volatili, azoto totale, azoto. separazione e tipo di effluente Nel caso della compressione elicoidale il tenore di sostanza secca della frazione palabile è risultato mediamente pari al 24,2%, con valori massimi oltre il 3% (nel caso di liquami suini in particolare); nelle prove con separatori a rulli contrapposti il valore medio è pari al 17,4%, con valori massimi del 22-23%. La compressione elicoidale consente, per le modalità con cui può essere regolata, di produrre, in genere, una frazione palabile più ricca di sostanza secca. Le efficienze di separazione possono differire in modo considerevole quando le stesse macchine sono applicate a effluenti con caratteristiche chimico-fisiche diverse (tabelle 1 e 2). Peso. L efficienza di separazione in peso (grafico 1) varia in modo significativo tra le diverse tipologie di effluenti, ma la variabile che maggiormente incide è la concentrazione in sostanza secca (solidi totali): si passa da efficienze dell ordine di pochi punti percentuali con effluenti molto diluiti (2-3% di solidi totali) a efficienze dell ordine del 3-3% quando derivanti da effluenti con contenuto in solidi totali molto elevato (1-12%). In genere il contenuto in solidi totali è basso per i liquami suini, medio per i APPROFONDIMENTO L esperienza della Cooperativa San Lorenzo Per migliorare l applicabilità di un sistema di separazione/raccolta/delocalizzazione dei solidi separati, in modo da alleggerire la pressione che l attività zootecnica esercita su alcuni territori, è necessario introdurre qualche innovazione che ne ottimizzi il funzionamento e ne riduca i costi. Un iniziativa importante è già in corso a Pegognaga (Mantova) dove Il separatore mobile della Cooperativa San Lorenzo, basato sulla tecnica a rulli contrapposti, è utilizzato a turno dalle aziende socie. Il prossimo anno parte del solido separato prodotto sarà inviato a un impianto di biogas TABELLA 1 - Efficienze di separazione della tecnica a compressione elicoidale Tipo di matrice Peso Solidi totali Solidi volatili totale Liquame bovino 2,1 (±7) 2,2 (±13,1) 8 (±13,6) 23,1 (±7,),2 (±6) Digestato bovino e biomasse 9,6 (±4,7) 3,2 (±9,7) 3,8 (±11,3) 12,9 (±4,) 7,8 (±4) Liquame suino 4,2 (±3,3) 27,7 (±14) 33 (±14,9) 7,1 (±) 3,2 (±2,6) Valori medi (tra parentesi la deviazione standard misura la variabilità dei dati utilizzati per il calcolo del valore medio). La compressione elicoidale applicata a liquami bovini permette di raggiungere efficienze di separazione per la sostanza secca superiori al %. TABELLA 2 - Efficienze di separazione della tecnica a rulli contrapposti Tipo di matrice Peso una cooperativa di acquisto tra allevatori bovini da latte (Cooperativa San Lorenzo) si è dotata di un separatore mobile che serve circa 2 aziende socie che lo utilizzano a turno. Se la prestazione del separatore è molto apprezzata dagli allevatori serviti, non altrettanto soddisfacente risulta la richiesta del materiale solido separato da parte degli agricoltori non allevatori potenzialmente interessati al suo utilizzo come ammendante. Uno specifico progetto di ricerca è in corso, cofinanziato da Regione Lombardia con la Misura 124 del Programma di sviluppo rurale, per la valorizzazione del solido separato dei liquami bovini. Due le vie che vengono sperimentate: stabilizzazione (attraverso vermicompostaggio o compostaggio semplificato in platea) e utilizzo fertilizzante della frazione solida su orticole di pregio, come il melone tipico mantovano; valorizzazione agroenergetica delle frazioni solide in impianto di biogas, con prove preliminari di laboratorio seguite da impieghi a scala reale. Solidi totali Solidi volatili totale Liquame bovino 2,2 (±8,8) 44,7 (±12,6) 49,7 (±12,9) 23 (±9,4) 16,6 (±8) Digestato bovino e biomasse 8,6 (±7) 26,8 (±17,6) 32,1 (±19,7) 13,6 (±7,9) 1,3 (±6,3) Liquame suino,2 (±6,) 19,8 (±16,7) 24,2 (±18,8) 9,7 (±8,3), (±6,3) Valori medi (tra parentesi la deviazione standard misura la variabilità dei dati utilizzati per il calcolo del valore medio). La separazione a rulli contrapposti applicata a liquami bovini garantisce generalmente efficienze di separazione per la sostanza secca attorno al 4%. 212 Copyright Edizioni L'Informatore Agrario S.r.l. 41/212 L Informatore Agrario 4

3 digestati e più elevato per i liquami bovini tal quali con paglia e/o segatura e questo spiega in primo luogo le diverse efficienze di separazione in peso. A parità di contenuto di solidi totali l efficienza di separazione in peso dei liquami bovini è risultata più elevata grazie alla maggiore dimensione media delle particelle presenti. Non sono state riscontrate differenze significative, a parità di contenuto di solidi totali, tra la tecnica a compressione elicoidale e i rulli contrapposti. I valori medi sono risultati pari a: circa 2% per i liquami bovini, 9-1% per il digestato e 4-% per i liquami suini. Solidi totali. L efficienza di separazione dei solidi totali (grafico 2), allo stesso modo, cresce all aumentare del contenuto di solidi totali nell effluente avviato al trattamento: si passa da valori medi del 1% quando viene trattato un effluente GRAFICO 1 - separazione in peso della compressione elicoidale e dei rulli contrapposti separazione in peso al 2% di solidi totali per raggiungere il 6% quando si tratta di matrici al 1-12% di solidi totali. Dal confronto tra le tabelle 1 e 2 si evince come la tecnica della compressione elicoidale sia risultata mediamente più efficiente della tecnica a rulli contrapposti. totale. L efficienza di separazione dell azoto totale (grafico 3) segue il trend già descritto per l efficienza di separazione dei solidi totali: si passa da valori medi del 3-% quando viene trattato un effluente al 2% di solidi totali per raggiungere valori massimi del 3-3% quando si opera su effluenti al 1-12% di solidi totali. Non sono state riscontrate differenze significative, a parità di contenuto di solidi totali, tra la tecnica a compressione elicoidale e i rulli contrapposti. I valori medi sono risultati pari a: circa 23% per i liquami bovini, 13-14% per il digestato e 7-9% per i liquami suini Liquame bovino y = E-x 3 R² =, y = E-6x 2 R² =, separazione in peso L efficienza di separazione in peso è fortemente influenzata dalla tipologia di effluente utilizzata. I risultati migliori si ottengono con il liquame bovino. GRAFICO 2 - separazione dei solidi totali della compressione elicoidale e dei rulli contrapposti separazione dei solidi totali separazione dei solidi totali 7 7 Liquame bovino y =,48x 1 y =,3x 1 R² =,11 R² =, Nella separazione della sostanza secca la tecnica a compressione elicoidale è risultata mediamente più efficiente rispetto a quella a rulli contrapposti. Il separatore a rulli contrapposti è una macchina di livello medio, sia come prestazioni sia come costi. L efficienza di separazione dell azoto, infine, è risultata in linea con quanto descritto per l azoto totale. Le due tecniche, per quanto diverse, in definitiva hanno efficienze di separazione simili nei confronti delle diverse componenti e influenzate in primo luogo dal contenuto di solidi totali e dal tipo di frazione particellare presente. Il contenuto di solidi totali può incidere notevolmente e pertanto è fondamentale, al fine di avere buone efficienze di separazione, cercare di escludere ove possibile le diluizioni dovute all immissione di acque meteoriche, di abbeverata e di lavaggio nei liquami. Solidi separati e digestione anaerobica Oltre che l utilizzo ai fini fertilizzanti, le frazioni solide separate degli effluenti zootecnici potrebbero oggi trovare valida destinazione negli impianti di digestione anaerobica, come substrato per la produzione di biogas, a patto che si tenga conto di alcune indicazioni descritte nel seguito. Rispetto ai liquami zootecnici le loro frazioni solide separate sono più convenientemente trasportabili, avendo un minore contenuto di acqua. Se si ragiona in termini energetici meno acqua significa un maggiore contenuto specifico di sostanza secca e di sostanza organica, quella che può venire sfruttata per la produzione di biogas. Nelle prove descritte in precedenza la frazione organica nei solidi separati dei liquami bovini ha rappresentato mediamente il 92% della sostanza secca, contro l 82% dei liquami di partenza, con un contenuto di azoto sui solidi totali dell 1,7%, contro il 4% dei liquami di partenza. Anche per questo da parte degli impianti di biogas, nel ritiro di effluenti zootecnici da terzi o comunque da aziende 46 L Informatore Agrario 41/ Copyright Edizioni L'Informatore Agrario S.r.l.

4 non limitrofe, dovrebbero essere favorite le frazioni solide rispetto agli effluenti tal quali. Per consentire ai possibili fruitori di valutare tale opportunità Crpa ha condotto una serie di misure del potenziale metanigeno delle frazioni solide separate di liquami bovini, in reattori statici presso il proprio laboratorio di biogas. Per ciascun tipo di solido le prove sono state ripetute almeno in triplo. Frazioni solide Le frazioni solide sono derivate da due diversi tipi di liquame (tabella 3): il primo di vacche che producono latte per Grana Padano, allevate su cuccette come lettime; il secondo di vacche che producono latte per Parmigiano-Reggiano allevate su cuccette con paglia. Nel caso del solido separato il prodotto è stato campionato anche dopo 1 e 2 mesi di stoccaggio per verificare la perdita di potenziale metanigeno conseguente alla stabilizzazione aerobica che normalmente avviene durante questa fase. I parametri chimici dei due solidi freschi non differivano significativamente: la concentrazione di solidi totali era molto simile, superiore al 2%, così come il rapporto tra solidi volatili e solidi totali, superiore al 9%. I prodotti stabilizzati, invece, avevano un contenuto in solidi totali inferiore (causa lo stoccaggio all aperto), ma soprattutto un rapporto tra solidi volatili e totali inferiore di punti percentuali. La parte solida può essere utilizzata a fini fertilizzanti e per produrre energia da digestione anaerobica TABELLA 3 - Caratteristiche chimiche dei solidi separati utilizzati nei test di digestione anaerobica Tesi APPROFONDIMENTO Il Progetto Life+Manev Il Progetto Manev (Valutazione delle tecniche di gestione e di trattamento degli effluenti zootecnici per la protezione ambientale e per lo sviluppo di La separazione solido-liquido è una tecnica di gestione degli effluenti comunemente utilizzata anche negli impianti di biogas per trattare il digestato, sottoprodotto della digestione anaerobica Sostanza Sostanza secca organica o solidi o solidi totali volatili (g/kg) (g/kg) una zootecnia sostenibile in Europa), avviato nel 211, ha come scopo quello di promuovere l uso di tecnologie avanzate di gestione e trattamento degli effluenti zootecnici, in particolare la digestione anaerobica. È prevista la valutazione di 13 differenti tecnologie in 8 zone con eccedenze di azoto zootecnico in Spagna, Italia, Danimarca e Polonia. Manev è finanziato dalla Commissione Europea nell ambito del programma Life+; la Regione Emilia-Romagna è cofinanziatore. Il coordinatore del progetto è Sodemasa, un centro di ricerche ambientali della regione Aragona (Spagna). Crpa è partner del progetto e segue in particolare 4 diverse tecnologie tra cui la digestione anaerobica associata alla separazione solido-liquido; i risultati descritti in questo articolo derivano anche da questa attività. Altro partner italiano è l Università di Milano (Dipartimento di ingegneria agraria). Il rapporto tra solidi volatili e totali è un indicatore del grado di stabilizzazione della matrice organica: tanto più si riduce il rapporto tanto più la matrice organica è stabilizzata. Nella tabella 4 e nel grafico 4 sono riportati i risultati dei test di digestione anaerobica dei diversi solidi separati. Sono desumibili le seguenti considerazioni: il solido separato fresco prodotto con paglia ha portato a un potenziale metanigeno superiore rispetto a quello prodotto : 214 m3 CH4/tSV (41 m3 CH4/t tq) vs 188 m3 CH4/tSV (36 m3 CH4/t tq), ma solidi totali) totale (metodo Kjeldahl) (mg/kg) solidi totali) (N-NH4 + ) (mg/kg) azoto totale) Fresco Media ,8 2 con paglia D.S. 16,8 16, ,7 Fresco Media ,7 1,72 21 D.S. 8,1 7, 8 1,8 1 mese Media ,7 2,22,6 D.S. 9,4 8,9 32 3,8 2 mesi Media , 2,34 3,6 D.S. 6,9 6, ,4 La deviazione standard (D.S.) misura la variabilità dei dati utilizzati per il calcolo del valore medio. La stabilizzazione aerobica delle frazioni solide riduce il rapporto tra sostanza organica e sostanza secca e quindi il valore energetico. 212 Copyright Edizioni L'Informatore Agrario S.r.l. 41/212 L Informatore Agrario 47

5 GRAFICO 3 - separazione dell azoto totale della compressione elicoidale e dei rulli contrapposti separazione azoto totale separazione azoto totale Liquame bovino 3 y =,12x 1,1799 R² =, y = 9e-x 1,787 R² =, Nella separazione dell azoto le tecniche a compressione elicoidale e a rulli contrapposti si sono sostanzialmente equivalse. con differenze non significative, e con una degradabilità dei solidi volatili pari al 47,3% nel primo caso contro il 49,7% nel secondo caso; il digestato producibile a seguito della conversione in biogas è risultato pari a circa il 9% in peso rispetto al solido separato introdotto; in termini energetici il solido separato fresco con paglia è equivalso al 37% circa di un silomais standard, mentre il solido separato al 33%; un «invecchiamento» di oltre 1 mese tra il momento in cui il solido separato viene prodotto e il momento in cui viene utilizzato è mediamente già sufficiente a determinare una perdita di valore energetico di almeno il 7% che diviene del 9% a due mesi. TABELLA 4 - Risultati dei test di digestione anaerobica condotti in laboratorio Parametri Fresco con paglia Fresco 1 mese 2 mesi Potenziale metanigeno biogas/t SV) CH 4 /t SV) CH 4 /t tq) Metano Bisogna valorizzare il solido separato Pur essendo relativamente semplice ed efficace ottenere la separazione dei liquami zootecnici nelle due frazioni solida e chiarificata, di solito si riscontrano difficoltà nel trovare adeguata valorizzazione al solido separato come fertilizzante fuori dell azienda zootecnica. La delocalizzazione al di fuori delle aree a elevata densità di allevamenti è sfavorita dalle distanze che il solido separato, con tenore di umidità ancora troppo alto e contenuto di nutrienti relativamente basso, dovrebbe percorrere. La possibilità di avviare le frazioni solide degli effluenti zootecnici alla digestione anaerobica per la produzione di Degradabilità SV Digestato producibile (t) SMeq ( 1 ) (t) Media ,1 47,3,91,371 D.S. 48,4 26,4,2 2,3 6,,1,47 Media ,4 49,7,9,329 D.S. 9,7,2 1,6,7 1,3,,14 Media ,1 23,9,96,1 D.S. 1,3 6,6 1,8,9 1,1,,16 Media ,9 21,7,96,117 D.S. 19,3,,6 3,3 3,3,, ( 1 ) SMeq è la quantità di silomais equivalente per produrre lo stesso biogas, considerando un insilato di mais «standard», con le seguenti caratteristiche: 33% di solidi totali, 4% di ceneri e BMP (potenziale metanigeno) pari a 3 m 3 CH 4 /t solidi volatili (SV), ovvero 11,9 m 3 CH 4 /t tq. La deviazione standard (D.S.) misura la variabilità dei dati utilizzati per il calcolo del valore medio. Il potere metanigeno delle frazioni solide sottoposte a digestione anaerobica si riduce di oltre il % a seguito di 1-2 mesi di stabilizzazione aerobica in cumulo. GRAFICO 4 - Test di digestione anaerobica dei diversi materiali solidi separati bovini Potenziale metanigeno-bmp (m 3 CH4/tSV) Giorni Fresco con paglia: 214 Fresco : mese : 8 2 mesi : 77 Il solido separato fresco con paglia è la matrice che meglio si adatta alla produzione di metano da digestione anaerobica. biogas, magari delocalizzandoli al di fuori delle aree a più elevata densità di allevamenti, dovrebbe risultare favorita dall applicazione del DM 6 luglio 212, in attuazione dell articolo 24 del dlgs n. 28 del 3 marzo 211, che ha ridefinito il quadro degli incentivi per gli impianti di biogas che saranno messi in esercizio a partire dal 213. Le indicazioni che emergono dal decreto, infatti, mettono in luce una chiara intenzione da parte del legislatore di incentivare soprattutto impianti di piccola taglia alimentati da sottoprodotti di recupero come possono essere le frazioni solide degli effluenti di allevamento. In quest ottica risulterà fondamentale ottimizzare le rese e i costi di separazione, conservare il più possibile il potenziale metanigeno delle frazioni solide e valutare con attenzione tutti i costi e i benefici dell operazione di separazione/ trasporto/digestione anaerobica. Claudio Fabbri Sergio Piccinini, Fabio Verzellesi Centro ricerche produzioni animali-crpa Reggio Emilia Paolo Mantovi Fondazione Crpa studi ricerche, Reggio Emilia Per commenti all articolo, chiarimenti o suggerimenti scrivi a: redazione@informatoreagrario.it ALTRI ARTICOLI SULL ARGOMENTO Impiegare i reflui suini fuori dalle aziende zootecniche. Pubblicato su L Informatore Agrario n. 22/211 a pag L Informatore Agrario 41/ Copyright Edizioni L'Informatore Agrario S.r.l.