VALUTAZIONE DI UNO SCHEMA CONSORTILE DI TRATTAMENTO E GESTIONE DEGLI EFFLUENTI ZOOTECNICI NELL AMBITO DEL PROGETTO LIFE+ MANEV

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1 Convegno di Medio Termine dell Associazione Italiana di Ingegneria Agraria Belgirate, settembre 2011 memoria n. VALUTAZIONE DI UNO SCHEMA CONSORTILE DI TRATTAMENTO E GESTIONE DEGLI EFFLUENTI ZOOTECNICI NELL AMBITO DEL PROGETTO LIFE+ MANEV G. Cocolo 1,F. Perazzolo 1, A. Finzi 1 (1) Dipartimento di Ingegneria Agraria, Università degli Studi di Milano SOMMARIO La crescente intensificazione dei sistemi colturali e zootecnici porta ad un aumento dell impatto ambientale legato alle attività agricole. Al fine di minimizzare i diversi problemi ambientali legati alla gestione degli effluenti sono state sviluppate diverse tecnologie di trattamento e differenti strategie di gestione degli effluenti. Tuttavia l individuazione delle soluzioni maggiormente idonee al contesto aziendale deve tenere in considerazione sia le caratteristiche dell azienda sia le proprietà dell area in cui essa è localizzata e dei sistemi colturali presenti. Per tale motivo, sono necessari degli strumenti di supporto alle decisioni che consentano di identificare le soluzioni di gestione e trattamento migliori, tenendo presenti tutti i fattori. La presente ricerca che si svolge nell ambito del progetto LIFE MANEV, si pone dunque l obiettivo di: monitorare impianti di trattamento di diversa tipologia e di utilizzare i dati raccolti per la realizzazione di un modello matematico da utilizzare come strumento di supporto alle decisioni in modo da uniformare in tutti i paesi i criteri di scelta. Parole chiave: DSS, Impianto consortile, Digestione anaerobica, SBR. 1 INTRODUZIONE L impatto ambientale delle zone ad elevata densità di allevamenti zootecnici porta a un deterioramento qualitativo dell aria, dell acqua e del suolo (fosfati e metalli pesanti). Inoltre, la cattiva gestione degli effluenti di allevamento accresce l emissione di odori molesti e il rischio di trasmissione delle malattie (Burton e Turner, 2003). Di particolare importanza sono le emissioni di protossido d azoto (N 2 O), metano (CH 4 ) e ammoniaca (NH 3 ) in atmosfera e di nitrati (NO 3 ) e fosforo verso i corsi d acqua superficiali e in acque sotterranee, contribuendo all effetto serra, all acidificazione, all eutrofizzazione e all aumento dei nitrati nelle acque. L agricoltura è la principale fonte di emissione dei tre gas, per i quali sono stati fissati degli obiettivi di riduzione a livello nazionale, in conformità alle normative vigenti a livello europeo (91/676/CEE, 2010/75/UE). Gli sforzi per la valorizzazione dei nutrienti contenuti negli effluenti zootecnici per le produzioni colturali potrebbero (i) ridurre efficacemente alcuni problemi di inquinamento, (ii) contribuire alla fertilizzazione delle colture e (iii) ridurre il bisogno di fertilizzanti minerali. Tale sostituzione permetterebbe anche un risparmio di energia

2 G. Cocolo, F. Perazzolo, A. Finzi dato dalla riduzione nell utilizzo di combustibili fossili usati durante la produzione industriale dei fertilizzanti (Ceotto, 2005; McLaughling et al., 2000). Tuttavia, vaste unità produttive possono anche significare un maggior utilizzo dell energia per il trasporto degli effluenti per la loro distribuzione in campo, e un aumento del rischio di diffusione di malattie negli allevamenti. Nelle zone con surplus di azoto, dove l uso diretto dei liquami come fertilizzanti organici non è possibile, la sfida consiste nel rendere gli effluenti trasportabili. Al fine di minimizzare i diversi problemi ambientali legati alla gestione degli effluenti, sono state sviluppate diverse tecnologie di trattamento. Esse consentono di rispondere ad alcune delle problematiche ambientali legate alla gestione dei reflui zootecnici e, pertanto, possono essere inserite in uno schema di gestione molto più ampio. Tuttavia, l individuazione delle soluzioni maggiormente idonee al contesto aziendale deve tenere in considerazione sia le caratteristiche dell azienda, sia le proprietà dell area in cui essa è localizzata e dei sistemi colturali presenti (Petersen et al., 2007). Per tale motivo, sono necessari degli strumenti di supporto alle decisioni che consentano di identificare le soluzioni di gestione e trattamento migliori, tenendo presenti tutti i fattori sopra considerati. In questo contesto, modelli matematici possono essere utilizzati come uno strumento efficiente per la scelta delle strategie di trattamento. Sono già stati proposto differenti modelli che consentono di prevedere le performance di diverse tecniche di trattamento, quali il modello ADM per la digestione anaerobica (Wichern et al., 2008) o il modello ASM per il processo di nitrificazionedenitrificazione e gli SBR (Henze et al., 2000; Magrì et al., 2008). Tuttavia, ad oggi pochi sono ancora i modelli che riescono a considerare l intera linea di trattamento (ex. digestione anaerobica separazione SBR). Per un completo processo decisionale, i DSS dovrebbero fornire indicazioni relative all impatto ambientale dell intero processo di gestione degli effluenti. Diverse metodologie sono state sviluppate per la valutazione degli impatti ambientali dei prodotti o dei sistemi di produzione. Tra questi, LCA (Life Cycle Assessment) si è dimostrato un valido strumento per la valutazione ambientale dei sistemi agricoli. Con questo approccio, i potenziali impatti ambientali di un prodotto sono valutati attraverso la quantificazione e la stima delle risorse consumate e delle emissioni verso l ambiente durante il suo ciclo vitale (dall estrazione delle risorse, attraverso la produzione dei materiali e del prodotto stesso, l uso del prodotto, il suo riutilizzo o il suo smaltimento) (Guinée et al., 2002). Con lo scopo di verificare questi aspetti in soluzioni gestionali reali e realizzare sulla base di dati di monitoraggio, è stato avviato il progetto Evaluation of manure management and treatment technology for environmental protection and sustainable livestock farming in Europe (MANEV), finanziato nell ambito del programma LIFE della Comunità Europea. 2 PROGETTO LIFE+ MANEV Il progetto si pone come intento quello di valutare le tecnologie di gestione e trattamento del liquame per la protezione ambientale e per lo sviluppo di una zootecnia sostenibile in Europa (MANEV). Principali obiettivi del progetto LIFE+ sono: Dimostrare che sia l utilizzo di una tecnologia di trattamento dei reflui sia uno schema di gestione corretto dal punto di vista ambientale possono contribuire a una

3 Valutazione di uno schema consortile di trattamento e gestione degli effluenti zootecnici riduzione delle emissioni di gas a effetto serra (GHG) e, simultaneamente, migliorare la sostenibilità degli allevamenti. Migliorare la sostenibilità degli allevamenti suinicoli mediante l impiego di tecnologie di trattamento dei reflui in differenti zone d Europa sature o con surplus nella produzione di reflui. Unificare i criteri per la valutazione dei diversi sistemi di trattamento dei reflui e degli schemi di gestione (principalmente per il settore suinicolo). Sviluppare un protocollo comune per tutte le diverse zone europee, che definisce la valutazione delle tecnologie di trattamento e degli schemi di gestione dei reflui considerando fattori ambientali, tecnologici, energetici, economici, legali e sanitari. Sviluppare un sistema di supporto alle decisioni e alla pianificazione per valutare le diverse strategie di trattamento e gestione dei reflui che possa essere utilizzato da istituzioni, associazioni, amministrazioni e che offra inoltre informazioni sulle singole aziende. Determinare la potenziale ottimizzazione dei sistemi di trattamento e degli schemi di gestione analizzati. Definire le proprietà fertilizzanti dei reflui direttamente applicati e di ogni effluente trattato, allo scopo di ottenere un reale valore di mercato. Valutare le abilità tecniche (know-how) delle tecnologie di trattamento e dei metodi di gestione, così come i loro punti di forza e di debolezza, all interno dei diversi Stati e aree in Europa. Diffondere la conoscenza riguardo ai diversi metodi e tecnologie di trattamento dei reflui tra allevatori e portatori di interesse. Al fine di dimostrare il contributo nella riduzione dei GHG e per migliorare la sostenibilità delle aziende, saranno valutate 13 differenti tecnologie di trattamento e di gestione degli effluenti, localizzati in otto differenti zone con eccedenze azotate appartenenti a quattro stati europei (Spagna, Italia, Danimarca e Polonia). La valutazione sarà sviluppata mediante un protocollo comune che sarà elaborato da tutti i beneficiari (Tabella 1). Questo protocollo unificherà i criteri e gli indicatori riguardanti gli aspetti ambientali, tecnici, economici, energetici, legali e relativi alla salute umana e animale. Ogni partner è ora coinvolto in un attività di monitoraggio e valutazione di impianti di trattamento e di linee di gestione dei reflui in accordo al protocollo comune. Un risultato di questa analisi sarà la valutazione ambientale per ogni processo, che include i tre potenziali di inquinamento (riscaldamento globale, eutrofizzazione e acidificazione), nonché gli aspetti energetici ed economici. I risultati della valutazione saranno utilizzati per la realizzazione di un software, che sarà sviluppato durante il progetto, da utilizzare come strumento di supporto alle decisioni e per la pianificazione. Durante il periodo di dimostrazione verrà prestata particolare attenzione agli aspetti sociali, come la ricettività degli allevatori alle opzioni di trattamento dei reflui in funzione di (i) costi, (ii) regolamentazioni e (iii) sostenibilità.

4 G. Cocolo, F. Perazzolo, A. Finzi PARTNER Sodemasa Università di Aahrus (Danimarca) SCHEMA DI GESTIONE TRATTAMENTO/ GESTIONE SUBSTRATI Scala reale consortile AD + BT (N/DN) Scala reale consortile AD + BT (N/DN) Impianto a scala reale Impianto pilota (scala aziendale) Separazione (flocculazione) + Strippaggio + AD Reattore AF Università di Milano Scala reale consortile AD + BT (SBR) CRPA (Italia) GIRO ITACyL CSIC Warmia-Masuria (Polonia) Impianto pilota (scala aziendale) Impianto centralizzato Scala aziendale Impianto pilota (scala aziendale) Scala aziendale Scala aziendale AD + Processo Sharon AD + BT (N/DN) (effluente liquido nelle fogne pubbliche) AD + Separazione (centrifuga verticale) AD + Strippaggio dell ammoniaca AD + Compostaggio Separazione (flocculazione + coagulazione) + BT (N/DN) Effluenti (suino, bovino, avicolo), scarti agroindustriali (categoria 3) e bovino o bovino Liquame bovino Co-substrato frazione vegetale Scala aziendale Compostaggio Scala reale Uso diretto del refluo come fertilizzante organico AD: Digestione Anaerobica; BT: Trattamento Biologico; N/DN: nitrificazione/denitrificazione; AF: Filtro Anaerobico; SBR: Sequencing Batch Reactor. Tabella 1. Partner del progetto e tecnologie di trattamento e gestione degli effluenti che verranno valutate nell ambito del progetto MANEV. 3 SISTEMA DI TRATTAMENTO CONSORTILE Nell ambito del progetto MANEV il Dipartimento di Ingegneria Agraria si occuperà di un impianto di trattamento cooperative localizzato in provincia di Bergamo, in un area caratterizzata dalla presenza di allevamenti intensivi e classificata come zona vulnerabile ai nitrati (ZVN) secondo la Direttiva Nitrati. L impianto (Figura 1) raccoglie i reflui prodotti da dieci aziende (suini, bovini e avicoli) e dodici centri aziendali, che vengono convogliati all impianto mediante pompaggio, per l azienda più vicina all impianto, o trasportati mediante un carrobotte. Il liquame viene dapprima trattato in una sezione di digestione anaerobica per il recupero di biogas da effluenti zootecnici (liquami suini e bovini, letame, pollina) e biomasse (silomais, silosorgo e triticale). Successivamente, l effluente digestato viene convogliato in un impianto di rimozione dell azoto per nitrificazione-denitrificazione sequenziale (SBR) per la rimozione biologica dell azoto. Tra i due trattamenti è inserita una fase di separazione solido-liquido mediante compressione elicoidale, al fine di

5 Valutazione di uno schema consortile di trattamento e gestione degli effluenti zootecnici ridurre le particelle più grossolane, rendendo le caratteristiche chimico-fisiche dell effluente adeguate al successivo trattamento con SBR. manure biogas separator Co-generator Reception pit Liquid fraction Solid fraction To storage and land spreading Figura 1. Schema dell impianto di trattamento cooperativo oggetto di monitoraggio da parte del Dipartimento di Ingegneria Agraria. L impianto di trattamento verrà monitorato per due anni al fine di ottenere dati relativi alle variazioni stagionali e agli eventi di malfunzionamento del processo. Le attività di monitoraggio riguarderanno le seguenti attività: Raccolta delle informazioni relative alle aziende collegate all impianto, compresa la disponibilità di terreno e i sistemi colturali presenti; Analisi del progetto dell impianto e definizione dei parametri del processo; Implementazione dei sistemi di monitoraggio (portate, produzione di biogas, produzione di energia, efficienza di rimozione dell azoto, distribuzione al suolo); Monitoraggio delle operazioni a lungo termine e dei sistemi di gestione dei reflui (dall escrezione allo spandimento). Registrazione dei problemi incontrati e degli aspetti pratici della gestione; Il monitoraggio dei dati operativi fornirà un set di dati giornaliero; I volumi di reflui trasportati saranno misurati, dove possibile, mediante strumentazioni on-line, oppure mediante registrazioni e tracciati GPS; L impianto di trattamento sarà monitorato mediante dei sensori on-line per registrare i flussi, e i principali parametri del processo, come la produzione di biogas, il contenuto di CH 4 e CO 2 del biogas, ph e potenziale redox; Valutazione delle prestazioni ambientali del processo, basato sul bilancio di equivalenti di CO 2. Le perdite in aria di azoto (ammoniaca e perossido di azoto) e di GHG verranno quantificate mediante calcoli; Valutazione tecnica e economica delle prestazioni del sistema di gestione. 4 PRIMI RISULTATI DEL MONITORAGGIO Nel mese di aprile 2010 è stato avviata una prima fase di monitoraggio dell impianto, focalizzato principalmente sulle fasi di digestione anaerobica e

6 G. Cocolo, F. Perazzolo, A. Finzi separazione solido-liquido. I dati raccolti riguardano soprattutto i rilevamenti in entrata e in uscita dalle diverse fasi dell impianto, nonché le temperature dei digestori (in media di 39 C), la corrente prodotta, la qualità del biogas prodotto, composto in media dal 54% di metano, 45% di anidride carbonica 0.29% di ossigeno e 0.009% di acido solfidrico). I valori medi dei dati finora raccolti sono riportati nello schema di figura 2. Figura 2. Bilancio di massa e kwh/giorno prodotti dalla digestione anaerobica. 5 CONCLUSIONI I dati raccolti durante il monitoraggio dell impianto consortile consentiranno di ottimizzare il processo combinato di digestione anaerobica e rimozione biologica dell azoto. I dati verranno inoltre utilizzati per la definizione e la validazione di un modello di simulazione dell intero sistema, comprendendo non solo il trattamento, ma anche il trasporto e la distribuzione in campo dell effluente trattato. Il modello definito consentirà inoltre di valutare le prestazioni ambientali e gli aspetti tecnico-economici del sistema consortile. Il monitoraggio e la valutazione verranno eseguite secondo un protocollo comune, definito nell ambito del progetto MANEV in accordo con tutti i partner, che permetta di formulare degli indicatori unici per tutti gli stati partecipanti relativi all impatto ambientale, tecnico, energetico, economico e legale delle diverse tecnologie considerate. I risultati della valutazione in scala reale delle differenti tecniche e della gestione sopra menzionata riguarderanno i seguenti aspetti: (1) Emissione di Gas Effetto Serra, (2) Eutrofizzazione, (3) Acidificazione, (4) Bilancio energetico, (5) Fattibilità economica, (6) Salute, (7) Struttura legale, (8) Compatibilità sociale. Il modello definito sarà infine inserito in uno strumento di supporto e di pianificazione, che sarà in grado di selezionare e progettare un sistema ottimale per la gestione del liquame, scegliendolo tra tutte le tecnologie convenzionali e non, in accordo con le condizioni locali della zona considerata. Lo strumento verrà validato attraverso la simulazione in due zone del progetto, la provincia di Warmia-Masuria (Polonia) e Murcia.

7 Valutazione di uno schema consortile di trattamento e gestione degli effluenti zootecnici I risultati così ottenuti in questo progetto si potrà contribuire allo sviluppo di un programma per la riduzione delle emissioni dei gas effetto serra, in accordo al Protocollo di Kyoto. Inoltre sarà possibile definire standard comuni di qualità per determinare il potere fertilizzante del liquame e degli effluenti in uscita dai trattamenti. BIBLIOGRAFIA Burton, C.H. The potential contribution of separation technologies to the management of livestock manure, Livestock Science, 2007, 112, Ceotto, E. The issues of energy and carbon cycle: new perspectives for assessing the environmental impact of animal waste utilization. Bioresource Technology, 2005, 96, Guinée, J.B., Gorrée, M., Heijungs, R., Huppes, G., Kleijin, R., de Koning, A., van Oers, L., Wegener Sleeswijk, A., Suh, S., Udo de Heas, H.A., de Brujin, H., van Duin, R., Huijbregts, M.A.J.,. Life Cycle Assessment. An Operational Guide to ISO Standards. Centre of Environmental Science, Leiden, The Netherlands, Henze, M., Gujer W., Mino T., van Loosdrecht, M Activated sludge models ASM1, ASM2, ASM2d and ASM3. Scientific and Technical Report, 9, IWA Publishing, London, UK. Magrì, A., Flotats, X Modelling of biological nitrogen removal from the liquid fraction of pig slurry in a sequencing batch reactor. Biosystems engineering, 101, McLaughlin, J. W., Gale, M. R., Jurgensen, M. F., Trettin, C. C. Soil organic matter and nitrogen cycling in response to harvesting, mechanical site preparation, and fertilization in a wetland with a mineral substrate, Forest Ecology and Management, 2000, 129, Møller, H.B., Sommer, S.G., Ahring, B.K.. Separation efficiency and particle size distribution in relation to manure type and storage conditions, Bioresource Technology, 2002, 85, Obaja, D., Macé, S., Mata-Alvarez, J Biological nutrient removal by a sequencing batch reactor (SBR) using an internal organic carbon source in digested piggery wastewater. Bioresource Technology, 2005, 96, Petersen, S.O., Sommer, S.G., Béline, F., Burton, C., Dach, J., Dourmad, J.Y., Leip, A., Misselbrook, T., Nicholson, F., Poulsen, H.D., Provolo, G., Sørensen, P., Vinnerås, B., Weiske, A., Bernal, M.-P., Böhm, R., Juhász, C., Mihelic, R. Recycling of livestock manure in a whole-farm perspective, Livestock Science, 2007, 112, Petit, J., van der Werf, H.M.G. Perception of the environmental impacts of current and alternative mode of pig production by stakeholder groups, J. Environ. Manage., 2003, 68, Wichern, M., Lubken, M., Horn, H., Schlattmann, M., Gronauer, A Investigations and mathematical simulation on decentralized anaerobic treatment of agricultural substrate from livestock farming. Water Science and Technology, 58 (1),

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