Ricerca finanziata dalla Regione Piemonte

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1 Caratteristiche agronomiche ed igienico-sanitarie del digerito derivante dalla co-digestione di reflui zootecnici, prodotti e sotto-prodotti agricoli per la produzione di biogas Ricerca finanziata dalla Regione Piemonte Negli ultimi anni si è assistito ad una rapida crescita dell interesse dimostrato dagli imprenditori agricoli alla produzione di energia da fonti rinnovabili ed in particolare del biogas. Nella quasi totalità dei casi il prodotto proveniente dalla digestione anaerobica è destinato ad essere utilizzato a scopi agronomici, tuttavia, le informazioni sulle potenzialità fertilizzanti del digerito e sui rischi igienico-sanitari derivanti da tale utilizzo sono molto limitate. Per tale ragione questo studio è stato dedicato alla valutazione di questi aspetti, per mezzo di un monitoraggio effettuato in due impianti di digestione anaerobica che utilizzano come substrati biomassa vegetale e reflui bovini e lavorano in mesofilia: Società cooperativa La Speranza, Candiolo (TO) e Società Agrienergia Valle Pesio, Chiusa Pesio (CN) (foto1 e 2). A Candiolo è stato effettuato un monitoraggio annuale nel periodo settembre ottobre 2009 con l analisi delle seguenti matrici: substrati per l alimentazione dell impianto (letame, liquame bovino, insilati di graminacee); digerito in uscita dall impianto; frazioni solida e liquida ottenute dalla separazione dal digerito; frazione liquida stoccata 120 giorni. Su tali campioni sono state effettuate le analisi dei parametri elencati in tabella 1. Presso l impianto di Chiusa Pesio è stata invece effettuata esclusivamente l analisi dei parametri chimici e chimico-fisici del digerito riportate in tabella 1 nel periodo febbraio dicembre ANALISI CHIMICO-FISICHE E CHIMICHE ANALISI DEI METALLI ANALISI MICROBIOLOGICHE Solidi totali, Solidi volatili, ph, Umidità, Ceneri, C organico, Sostanza organica normale, N totale, N organico, N ammoniacale, N nitrico, Rapporto C/N, P totale (P 2 O 5 ), K totale (K 2 O), Mg, rapporto Mg/K, Ca totale, Conducibilità elettrica, Capacità di scambio cationico. Ni, Cd, Pb, Hg, Zn, Cu, Fe Indicatori: carico mesofilo aerobico, E.coli, Enterococchi fecali, Enterobacteriaceae, Clostridium perfringens, uova di elminti Patogeni: Salmonella spp., E. coli O157, Yersinia spp., Listeria spp., Campylobacter spp., Cryptosporidium ANALISI AGRONOMICHE Test di germinazione e di allungamento radicale, analisi in vaso Tabella 1: Elenco dei parametri analizzati Foto 1: Impianto di Candiolo (TO) Foto 2 Impianto di Chiusa Pesio (CN) 1

2 Caratteristiche chimiche dei prodotti utilizzati per l alimentazione degli impianti Negli impianti di digestione anaerobica strutturalmente e funzionalmente connessi con le aziende agro-zootecniche i prodotti più comunemente utilizzati per l alimentazione sono i reflui zootecnici, palabili e non, provenienti dagli allevamenti e le colture dedicate, soprattutto, gli insilati. La stima approssimativa della produttività dei differenti substrati (esprimibile in m 3 di CH 4 /q.le. di ) può essere fatta partendo da alcuni dati analitici. La percentuale di umidità fornisce un indicazione della concentrazione del prodotto, mentre il quantitativo in solidi volatili (s.v.) è riferibile al tenore in sostanza organica e, quindi, indicativo della potenziale produttività della matrice. L azoto è fondamentale per il corretto svolgimento del processo di digestione anaerobica, considerando la forma chimica con cui esso è presente, ed il suo contenuto deve essere valutato in rapporto a quello del carbonio (rapporto C/N) (Adani et al., 2008). Le determinazioni analitiche sulle matrici utilizzate per l alimentazione dell impianto sono necessarie per valutare criticamente i risultati delle analisi effettuate sui prodotti della digestione, tenuto conto che dipendono essenzialmente da due fattori: quantità e caratteristiche chimico fisiche dei prodotti utilizzati mutamenti che intervengono durante il processo di digestione anaerobica. Stante quanto sopra nel presente studio sono stati eseguiti prelievi periodici di tutti i prodotti utilizzati nell impianto di Candiolo e i substrati sono stati sottoposti ad approfondite analisi chimiche (tabelle 2 e 3). Parametro Letame bovino Valori medi espressi sul t.q. Valori medi espressi sulla Liquame bovino Valori medi espressi sul t.q. Solidi totali (%) 20, , Solidi volatili (%) 17,25 83,88 4,53 75,85 ph 7,98 7,98 7,56 7,56 Umidità (%) 79,45-94,02 - Ceneri (%) 3,31 16,12 1,44 24,15 C organico (%) 10,05 48,86 2,62 43,79 N organico (%) 0,52 2,53 0,17 2,90 Rapporto C/N 16,41 16,41 8,00 8,02 Sostanza organica (%) 17,25 83,88 4,53 75,85 N totale (%) 0,62 3,08 0,33 5,46 N ammoniacale (%) 0,11 0,55 0,15 2,57 P totale (%) 0,11 0,55 0,13 2,16 P2O5 (%) 0,24 1,21 0,28 4,77 K totale (%) 0,70 3,42 0,26 4,32 K2O (%) 0,84 4,10 0,31 5,19 Ca (%) 0,66 3,22 0,14 2,24 Mg (%) 0,13 0,67 0,09 1,49 Rapporto Mg/K 0,18 0,18 0,33 0,35 Tabella 2: valori medi dei parametri chimici analizzati nei reflui zootecnici Valori medi espressi sulla 2

3 Insilati loietto mais sorgo triticale Parametri su t.q. su t.q. su t.q. su t.q. riferite a riferite a riferite a riferite a Solidi totali (%) 19, , , ,89 100,00 Solidi volatili (%) 16,94 85,30 35,37 91,98 26,72 78,22 26,83 89,76 ph 6,16 6,16 3,61 3,61 3,78 3,78 3,76 3,76 Umidità (%) 80,14-61,57-65,84-70,11 - Ceneri (%) 2,92 14,70 1,96 5,09 2,06 6,03 3,06 10,24 C organico (%) 10,03 50,50 19,88 51,68 15,10 44,20 17,20 57,54 N organico (%) 0,35 1,77 0,38 0,98 0,34 0,99 0,49 1,64 Rapporto C/N 24,11 24,11 52,99 52,99 44,15 44,15 35,10 35,10 Sostanza organica (%) 16,94 85,30 35,37 91,98 26,72 78,22 26,83 89,76 N totale (%) 0,42 2,09 0,38 0,98 0,34 0,99 0,49 1,64 N ammoniacale (%) 0,07 0,33 N.R. N.R. N.R. N.R. N.R. N.R. P totale (%) 0,09 0,46 0,08 0,21 0,05 0,15 0,11 0,37 P2O5 (%) 0,20 1,02 0,18 0,45 0,11 0,32 0,24 0,82 K totale (%) 0,91 4,60 0,50 1,30 0,55 1,61 0,89 2,98 K2O (%) 1,10 5,52 0,60 1,56 0,66 1,93 1,07 3,58 Ca (%) 0,17 0,85 0,10 0,25 0,12 0,36 0,09 0,28 Mg (%) 0,04 0,22 0,14 0,36 0,19 0,56 0,05 0,16 Rapporto Mg/K 0,05 0,05 0,27 0,27 0,35 0,35 0,05 0,05 Tabella 3: valori medi dei parametri chimici analizzati negli insilati 3

4 Caratteristiche chimiche del digerito Le caratteristiche chimiche del digerito sono state oggetto di approfondite analisi, compiute con frequenza mensile presso l impianto di Candiolo e con frequenza bimestrale presso l impianto di Chiusa di Pesio per la durata di un intero anno (tabelle 4 e 5). Parametro medio (5,77% ss) minimo massimo Valori espressi sulla sostanza secca Solidi volatili (%) 71,23 68,79 74,25 ph 7,63 6,67 7,94 Ceneri (%) 29,07 25,75 35,98 C org.(%) 41,77 34,84 44,85 N org. (%) 3,51 2,75 4,42 C/N 6,96 5,85 8,18 Sostanza Organica (%) 71,23 67,55 74,25 Cond. Elettr. (µs/cm) N totale (%) 6,04 5,16 7,29 N amm (%) 2,52 2,15 2,89 P totale (%) 2,49 2,13 2,83 P 2 O 5 (%) 5,50 4,71 6,25 K tot (%) 5,13 2,96 7,07 K 2 O (%) 6,15 3,55 8,48 Ca (%) 1,51 1,13 1,88 Mg (%) 1,01 0,79 1,16 Mg/K 0,21 0,15 0,34 Tabella 4: valori minimi, medi e massimi dei parametri analizzati nel digerito prodotto dall impianto di Candiolo 4

5 Parametro medio (9,02%ss) minimo massimo Valori espressi sulla sostanza secca 79,27 Solidi volatili (%) 77,04 81,18 ph 7,88 7,65 8,03 Ceneri (%) 20,73 18,82 22,96 C org. (%) 46,15 43,89 49,68 N org. (%) 5,17 4,89 5,51 C/N 6,73 6,14 7,12 Sostanza Organica (%) 79,27 77,04 81,18 Cond. Elettr. (µs/cm) N totale (%) 6,87 6,41 7,37 N amm (%) 1,70 1,50 1,86 P totale (%) 1,12 0,66 1,44 P 2 O 5 (%) 2,48 1,46 3,18 K tot (%) 4,06 3,54 4,60 K 2 O (%) 4,88 4,25 5,52 Ca (%) 0,90 0,66 1,11 Mg (%) 0,75 0,59 0,84 Mg/K 0,19 0,17 0,21 Tabella 5: valori minimi, medi e massimi dei parametri analizzati nel digerito prodotto dall impianto di Chiusa Pesio Il contenuto medio di azoto ammoniacale nel prodotto derivante dalla co-digestione anaerobica è risultato pari al 2,5% per l impianto di Candiolo ed all 1,7% per quello di Chiusa, rispettivamente il 40% ed il 24% dell azoto totale. Si tratta di percentuali più basse, particolarmente per quanto riguarda l impianto di Chiusa Pesio, di quelle comunemente riportate in letteratura. Il rapporto N ammoniacale/n organico è risultato piuttosto variabile e fortemente condizionato, come detto, dal tipo e quantità dei prodotti utilizzati per l alimentazione, dall efficienza dell impianto e dal tempo di ritenzione. Come atteso è stata rilevata una riduzione significativa del rapporto C/N, che si attesta su valori medi tra 6,96 per l impianto di Candiolo e 6,73 per quello di Chiusa Pesio. 5

6 Caratteristiche chimiche della frazione palabile e chiarificata ottenuta dal digestato dopo separazione solido/liquido Nella tabella 6 sono riportati i risultati delle analisi effettuate sul prodotto in uscita dall impianto di Candiolo dopo separazione in frazione liquida e solida. Parametro frazione solida valori medi (n 5 analisi) frazione liquida valori medi (n 3 analisi) Valori espressi sulla sostanza secca 26,04%ss 4,85%ss Solidi volatili (%) 87,07 68,85 ph 7,80 8,02 Umidità*(%) 73,96 95,15 Ceneri (%) 13,21 31,56 C organico (%) 49,62 42,47 N organico (%) 1,99 3,76 Rapporto C/N 21,22 6,51 Sostanze Organiche(%) 87,07 68,85 N totale (%) 2,36 6,59 N ammoniacale(%) 0,38 2,83 P totale (%) 1,16 2,30 P 2 O 5 (%) 2,56 5,08 K totale (%) 1,11 4,95 K 2 O (%) 1,33 5,94 Ca (%) 0,50 1,49 Mg (%) 0,73 1,08 Rapporto Mg/K 0,84 0,24 * valore espresso su tal quale Tabella 6: Risultati delle analisi effettuate sulla frazione liquida e solida del digerito Dai risultati emerge com è noto, che il processo di separazione solido/liquido comporta la concentrazione dell azoto ammoniacale e dei sali solubili nella frazione chiarificata e dell azoto organico, in parte stabilizzato, in quella palabile. Ne consegue che le caratteristiche dei due prodotti sono differenti per quanto riguarda l effetto sulle colture, comportandosi la frazione liquida come un concime azotato ad effetto più o meno rapido e quella palabile come un ammendante organico (Piccinini et al, 2009). Contenuto in metalli Per valutare i rischi igienico-sanitari associati all impiego del digerito in agricoltura è stata valutata la concentrazione di alcuni metalli nel refluo zootecnico in entrata e nel digerito in uscita all impianto. In assenza di una normativa specifica in Italia i risultati ottenuti sono stati confrontati con le CMA dei metalli riportate nella normativa sui fertilizzanti (D.M., 29819/2009) e sui fanghi da depurazione utilizzabili in agricoltura (D.Lgs. 99/1992). Da tale confronto emerge che la concentrazione dei metalli pesanti nei campioni di digerito non differisce in modo sostanziale da quella del liquame bovino, nella maggior parte dei casi senza superare la concentrazione massima consentita dalla normativa dei fertilizzanti e dei fanghi. In linea di massima il contenuto in metalli risulta più alto nella frazione liquida rispetto alla frazione solida, probabilmente per la presenza di metalli solubili (tabella 7). 6

7 Metalli (mg/kg ss) Liquame Digerito Frazione solida Frazione liquida Frazione liquida stoccata Cadmio 0,7±0,2 3,6±10,0 0,2±0,1 7,7±12,0 0,7±0,1 Mercurio 0,6±0,6 0,3±0,5 0,1±0,1 0,2±0,1 0,1±0,1 Nichel 36,0±16,6 23,4±6,7 6,4±1,4 21,6±6,8 25,4±16, 3 Piombo 4,9±1,4 6,8±8,8 1,5±0,3 4,5±1 4,7±2,5 Rame 96,7±30,8 61,0±16,5 17,2±4,2 54,3±12,8 47,0±28,0 Zinco 558,6±336,5 356,3±71,8 110±7 386,3±33,7 365,0 ±171,0 Ferro 3229,4±1453,3 3126,7±603,8 1591,3±246,9 3633±324,8 2133,3±1354,8 Tabella 7: concentrazione media dei metalli nelle differenti matrici analizzate nell impianto di Candiolo Caratteristiche microbiologiche Considerato che negli impianti di digestione anaerobica è possibile utilizzare una notevole varietà di matrici (liquami zootecnici, biomasse vegetali, frazione organica dei rifiuti, ecc.) con il duplice obiettivo di smaltire rifiuti e produrre energia, è necessario valutare il rischio igienico-sanitario legato alla contaminazione microbiologica di tali prodotti, considerato l interesse ad impiegare il digerito come fertilizzante/ammendante in agricoltura. Le feci dei bovini possono essere significativamente contaminate da numerosi microrganismi patogeni per l uomo, come Escherichia coli O157:H7, Salmonella, Listeria monocytogenes, Yersinia enterocolitica e Cryptosporidium parvum (Sidhu and Toze, 2009; Bagge et al., 2005; Islam et al., 2005; Hutchinson et al., 2004). Inoltre è stato dimostrato che alcuni microrganismi patogeni possono sopravvivere alla digestione anaerobica e, talvolta, addirittura di moltiplicarsi dopo lo spargimento in campo. Ciò può favorire la contaminazione dei prodotti vegetali determinando un rischio per i consumatori. Per tale ragione sono state effettuate alcune analisi microbiologiche (tabella 1) per valutare le caratteristiche igienico-sanitarie del liquame bovino e del digerito prelevati presso l impianto di Candiolo. Dopo il trattamento di digestione anaerobia si nota una riduzione statisticamente significativa (p<0.05) di tutti i parametri ad eccezione degli Enterococchi che presentano un elevata variabilità di concentrazione ed una maggiore concentrazione batterica nel separato solido rispetto al liquido (Figura 1). Le concentrazioni dei parametri rientrano nei limiti previsti dalla normativa italiana sui fertilizzanti (DM 29819/2009) dove per gli indicatori è prevista solo la ricerca di E.coli, ma il parametro enterococchi supera spesso i limiti proposti dal Regolamento europeo n. 1774/2002 e n. 208/2006. Figura 1: risultati della ricerca dei microrganismi indicatori nelle diverse matrici analizzate (valori medi). La ricerca di microrganismi patogeni non ha mai rilevato la presenza di E. coli O157, Yersinia, Campylobacter spp. e Cryptosporidium spp. in nessuna delle matrici analizzate. Salmonella e Listeria sono state riscontrate solo in alcuni campioni di refluo bovino (20%). Il digerito è risultato occasionalmente contaminato da Salmonella (8%), mentre Listeria è stata rilevata nel 25% dei 7

8 campioni. Le frazioni liquida e solida del digerito sono risultate sempre contaminate da Listeria, ma raramente da Salmonella. Nella frazione liquida stoccata è stata riscontrata Listeria solo in un campione e mai Salmonella (Tabella 8). Il digerito analizzato non rientra nei limiti previsti dalle normative italiane sui fertilizzanti (D.M /2009), sui fanghi di depurazione (D.Lgs. 99/1992) e dal Regolamento EU sottoprodotti animali EC n. 208/2006) dove è prevista l assenza di Salmonella in 25 g quale standard di sicurezza per l assenza di patogeni. Patogeno Liquame bovino Digerito Frazione solida Frazione liquida Frazione liquida stoccata Salmonella spp. 1/5 1/12 1/4 1/3 0/3 L. monocytogenes 1/5 3/12 4/4 3/3 1/3 E.coli O157:H7 0/5 0/12 0/4 0/3 0/3 Yersinia spp. 0/5 0/12 0/4 0/3 0/3 Cryptosporidium 0/4 0/6 0/3 0/3 0/3 Tabella 8: frequenza dei patogeni rilevati nelle diverse matrici analizzate Caratteristiche agronomiche Il test di germinazione ha generalmente messo in luce un effetto tossico moderato, mentre tutti i campioni di digerito analizzati con il test di accrescimento in vaso hanno dimostrato di favorire la crescita del vegetale. In particolare, la frazione liquida del digerito ha presentato la maggiore potenzialità fertilizzante, presumibilmente attribuibile alla presenza di un maggior quantitativo di nutrienti e metalli in soluzione. Conclusioni Sulla base dei dati esposti in precedenza è possibile trarre le seguenti conclusioni. Il prodotto digerito proveniente dall impianto di Candiolo possiede caratteristiche chimiche sostanzialmente assimilabili a quelle di un liquame. L elevata presenza di azoto ammoniacale suggerisce la necessità, onde evitare perdite per volatilizzazione, di distribuire tale refluo quanto più possibile in epoca prossima a quella di utilizzo da parte delle colture e di provvedere ad un rapido interramento dopo la distribuzione. Per le differenze evidenziate per le due frazioni ottenibili dalla separazione solido/liquido del digerito, sarebbe opportuno prevedere finalità d uso differenziate: fertilizzante per il liquido, in cui si concentra l azoto ammoniacale con conseguente alto coefficiente di efficienza, ammendante per il prodotto solido in cui si concentra la sostanza organica (Barbanti et al 2010). Per quanto riguarda la contaminazione da metalli, il digerito derivante dalla co-digestione di refluo zootecnico bovino e biomasse vegetali, per la maggior parte dei parametri rientra nelle caratteristiche richieste per i fertilizzanti. Le valutazioni relative al rischio microbiologico mettono in evidenza che nel digerito (fresco, liquido e liquido stoccato), pur osservando una riduzione della contaminazione microbica rispetto al liquame in ingresso, non può essere esclusa la presenza di microrganismi patogeni. La presenza di Salmonella e di Listeria monocytogenes in alcuni campioni evidenzia come il digerito possa rappresentare un potenziale veicolo di contaminazione microbiologica dei vegetali se impiegato in agricoltura. D altra parte però è fondamentale ricordare che i concimi organici di origine zootecnica (letame e liquame) vengono da sempre impiegati in agricoltura senza alcun limite di riferimento per quanto riguarda la contaminazione microbiologica. Per quanto riguarda gli aspetti agronomici il test di accrescimento in vaso ha dimostrato che tale prodotto possiede quando incorporato nel terreno, una buona capacità fertilizzante. 8