Prove di produzione di biogas con separato solido di liquami

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1 ESPERIENZA REALIZZATA DA COOPERATIVA SAN LORENZO, SOCIETÀ AGRIENERGIA E CRPA Prove di produzione di biogas con separato solido di liquami La separazione solido-liquido dei liquami bovini con delocalizzazione della frazione solida può consentire agli allevatori di rispettare i limiti della Direttiva nitrati. Se il conferimento avviene a un impianto di biogas, è possibile «risparmiare» una tonnellata di silomais ogni 2-3 t di solido separato utilizzate nell alimentazione dei digestori L impianto di biogas della società agricola Agrienergia di Pegognaga (Mantova) che è stato alimentato nelle prove con la frazione solida separata dei liquami bovini di Paolo Mantovi, Giuseppe Bonazzi, Alessandro Gandolfi Per molte aziende zootecniche situate in zone vulnerabili e con eccedenze di azoto rispetto al vincolo imposto dalla Direttiva nitrati, può bastare, per rispettare il limite dei 170 kg/ha/anno di azoto distribuibile, il ricorso alla tecnica della separazione della frazione solida del liquame, con delocalizzazione di quest ultima fuori azienda. In questo modo, infatti, si può avere una tangibile riduzione dell azoto da collocare sui terreni aziendali: nelle migliori condizioni operative si riesce a trasferire nel solido e a trasportare fuori azienda an- che il 30% e oltre dell azoto dei liquami. Per le aziende che non aderiscono al regime di deroga al limite dei 170 kg/ha/ anno significa poter avere un carico zootecnico comunque paragonabile a quello ammesso dalla deroga (sino a 2 kg/ha/anno di azoto di origine zootecnica). Per le aziende che invece aderiscono al regime di deroga, la delocalizzazione fuori azienda della frazione solida dei liquami può permettere di avere un carico di azoto zootecnico, rapportato ai terreni aziendali, sino a circa 3 kg/ha/anno (di cui 2 kg/ha/ anno spandibili e circa 100 kg/ha/anno esportabili sotto forma di frazione solida separata). Quindi, mediante la separazione della frazione solida del liquame e la sua delocalizzazione molte aziende potrebbero regolarizzare la loro posizione rispetto alla Direttiva nitrati senza il ricorso a onerose soluzioni tecnologiche di riduzione dell azoto, peraltro di difficile gestione nell ambito dell azienda agricola, in particolare con liquami bovini. In questo articolo viene presentata un esperienza di separazione solido-liquido di liquami bovini, condotta a scala consortile, con successiva valorizzazione energetica delle frazioni solide separate. Obiettivi del progetto e soggetti coinvolti Circa una decina di allevamenti soci della Cooperativa San Lorenzo di Pegognaga (Mantova) hanno usufruito di un servizio di separazione dei liquami mediante separatore mobile di proprietà della Cooperativa (vedi riquadro a pag. 58). Le frazioni solide separate dei liquami sono state conferite a un impianto di digestione anaerobica della Società agricola Agrienergia, anch essa di Pegognaga, che le ha utilizzate in parziale sostituzione all insilato di mais per la produzione del biogas. Tale esperienza, che ha visto il Crpa come referente scientifico del progetto, è stata sviluppata tra il febbraio e il febbraio 2014 nell ambito del progetto «Agri-multitasking, innovazione e sostenibilità nelle filiere agroalimentari di qualità», finanziato dalla Misura 124 del Programma di sviluppo rurale della Regione Lombardia e coordinato dal Distretto agroalimentare di qualità Po di Lombardia. Prove di separazione solido-liquido Con il fine di ottimizzare le caratteristiche delle frazioni solide separate da liquami bovini, da inviare all impianto di biogas, con il separatore mobile della Cooperativa San Lorenzo sono state condotte diverse prove di separazione. 14/2015 L Informatore Agrario 57

2 IL SEPARATORE UTILIZZATO NELLE PROVE Il separatore mobile della Cooperativa San Lorenzo, realizzato con un finanziamento del Psr della Regione Lombardia, è equipaggiato con due separatori cilindrici a rulli contrapposti e gruppo elettrogeno con motore diesel. Completano la struttura il rimorchio per il trasporto con piedi di stazionamento, la pompa trituratrice di alimentazione dei separatori, il quadro elettrico, la coclea di raccolta del solido e il nastro trasportatore, i tubi di pescaggio del liquame e di scarico del chiarificato. Il separatore mobile, di proprietà della Cooperativa San Lorenzo di Pegognaga (Mantova), è di tipo cilindrico a rulli contrapposti Effetto della pressione sull efficienza di separazione In una serie di prove, utilizzando lo stesso liquame, è stata variata la pressione esercitata dai rulli sul cilindro del separatore e si è evidenziato chiaramente che l incremento da circa 40 a 70 bar ha penalizzato le efficienze di separazione nella frazione solida (grafico 1). Per tutte le sei componenti prese in esame (peso complessivo, solidi totali e volatili, azoto, fosforo, potassio), infatti, le efficienze di separazione si sono ridotte in modo significativo, passando dalla pressione più bassa a quella più alta. D altra parte si è assistito a un incremento di concentrazione dei solidi totali (o sostanza secca) della frazione palabile prodotta, che è passata dal 19,6% a 40 bar al 21,8% a 70 bar. Questo effetto è generalmente apprezzato dagli allevatori, ma si tratta di un vantaggio soltanto apparente. Infatti, l incremento della pressione dei contro rulli sui rulli permette di ottenere una frazione solida più «asciutta», ma ciò avviene a scapito delle efficienze di separazione nella frazione solida delle varie componenti, in quanto la maggiore pressione esercitata in fase di separazione incrementa la quota di queste che «passa» nella frazione chiarificata. Quindi, al fine del trasporto fuori azienda di azoto e fosforo e dell utilizzo delle frazioni solide in impianto di biogas, risulta certamente più conveniente separare a bassi livelli di pressione in modo tale da incrementare il più possibile la quota di nutrienti e di sostanza organica che viene concentrata nella frazione solida separata. La condizione però da rispettare è che la frazione solida se- parata sia di consistenza palabile, e non sgrondi liquidi, per evitare problemi in fase di trasporto su strada e di conservazione in cumulo presso l impianto di biogas. Potenziale metanigeno del separato solido misurato in laboratorio Nel laboratorio del Crpa sono stati condotti dei test di determinazione del potenziale biochimico metanigeno (bmp) delle frazioni solide dei liquami bovini che hanno permesso di quantificare un «valore di sostituzione energetico», rispetto al silomais standard, variabile da 0,28 a 0,34. Ciò significa che utilizzando 1 t di frazione solida separata da liquami bovini si produce una quantità di biogas pari a quella ottenibile da 0,28-0,34 t di silomais. In altre parole, secondo i Il sistema di laboratorio impiegato dal Crpa per determinare il potenziale metanigeno del separato solido test di laboratorio, in un impianto di biogas per sostituire 1 t di silomais ne servono quasi 3 di solido separato da liquami bovini. In questo contesto il silomais considerato è quello di composizione standard, avente le seguenti caratteristiche: 33% di solidi totali, 4,5% di ceneri sui solidi totali e potenziale biochimico metanigeno pari a 3 m 3 di metano per tonnellata di sostanza organica (o solidi volatili, s.v.), ovvero 111 m 3 di metano per tonnellata di silomais tal quale. Il silomais standard presenta un grado di degradabilità della sostanza organica (percentuale di sostanza or- GRAFICO 1 - Efficienze di separazione ( 1 ) rilevate con differenti livelli di pressione dei rulli del separatore Peso Solidi totali Solidi volatili Azoto Fosforo Potassio Efficienze di separazione (%) Pressione rulli 40 bar Pressione rulli 70 bar ( 1 ) Rapporto tra il peso di una componente nella frazione solida separata e il peso della stessa nel liquame tal quale. Per tutte le componenti del separato solido prese in esame le efficienze di separazione si sono ridotte in modo significativo, aumentando la pressione esercitata dai rulli sul cilindro separatore. 58 L Informatore Agrario 14/2015

3 TABELLA 1 - Caratteristiche delle frazioni solide dei liquami utilizzate per le prove nell impianto di biogas ( 1 ) Valore Solidi totali - s.t. (%) Solidi volatili - s.v. (%) s.v./s.t. Azoto totale (kg/t) Fosforo totale (kg/t) Minimo 17,4 15,4 0,84 3,3 0,57 Massimo 26,7 23,1 0,93 4,2 0,73 Medio 21,2 18,8 0,89 3,7 0,65 ( 1 ) Frazioni ottenute con il separatore funzionante con valori di pressione dei rulli compresi tra 40 e bar. Dati relativi all intero periodo di monitoraggio. Le frazioni solide consegnate all impianto di biogas ai fini della sperimentazione avevano un contenuto medio in solidi totali e in solidi volatili rispettivamente del 21 e del 19% circa. ganica che può essere trasformata in biogas) pari a circa l 80% mentre nelle frazioni solide separate dei liquami bovini il valore è risultato vicino al % a 40 giorni. Risultati ottenuti nell impianto di biogas a scala reale L esperienza di valorizzazione delle frazioni solide in impianto di biogas della Società agricola Agrienergia è stata seguita per un anno (da febbraio a febbraio 2014) concentrando il monitoraggio in due momenti: estate e autunno-inverno. Complessivamente sono state conferite all impianto oltre t di frazioni solide separate da liquami bovini con le caratteristiche riportate in tabella 1. Va premesso che per tutto il periodo di monitoraggio la produzione elettrica si è mantenuta alla potenza massima di circa 999 kwe, se si eccettuano i brevi periodi in cui il cogeneratore è stato spento per permettere gli ordinari interventi di manutenzione. Esiti del monitoraggio nel periodo primaverile-estivo Analizzando il grafico 2 relativo al periodo primavera-estate si può notare che nei mesi di giugno e luglio, con il carico di 15 t/giorno di solido separato da liquami bovini, i quantitativi di silomais alimentato sono stati mediamente di 36,5 t/giorno mentre, nel periodo senza il solido separato, cioè da metà agosto a fine settembre, i quantitativi di silomais caricato sono risultati mediamente di 44,7 t/giorno. In pratica è risultato che nel periodo estivo 15 t/ giorno di solido separato da liquami bovini hanno permesso di sostituire, a parità di energia prodotta dall impianto, circa 8 t/giorno di silomais. Nell esperienza in impianto il valore di sostituzione «energetica» del solido separato, rispetto al silomais, è risultato quindi superiore al valore medio, individuato in laboratorio, di circa 0,3. I dati del monitoraggio condotto all impianto dimostrano in effetti che la degradabilità dei solidi volatili da frazione solida dei liquami bovini ha superato il valore del % determinato a 40 giorni in laboratorio. Nel periodo primaverile-estivo di alimentazione dell impianto di biogas con solidi separati da liquami bovini il tenore di solidi totali dei digestati è progressivamente aumentato, in modo particolare nei due digestori primari, GRAFICO 2 - Quantità di silomais e separato solido da liquami caricate nell impianto di biogas nel periodo primaverile-estivo ( 1 ) GRAFICO 3 - Quantità di silomais e separato solido da liquami caricate nell impianto di biogas nel periodo autunno-invernale ( 1 ) Sostanza tal quale (t/giorno) di adattamento Sostanza tal quale (t/giorno) di adattamento Silomais Solidi separati ( 1 ) L alimentazione dell impianto comprendeva anche liquami bovini per complessive circa 40 t/giorno, rimaste pressoché costanti nel corso del monitoraggio. di adattamento: intervallo di tempo, escluso dalle valutazioni, necessario per gestire la transizione tra le due tipologie di alimentazione. Nei mesi di giugno e luglio, introducendo nell impianto 15 t/giorno di solido separato da liquami bovini, i quantitativi di silomais utilizzati sono stati mediamente di 36,5 t/giorno mentre da metà agosto a fine settembre, senza il solido separato, sono risultati in media di 44,7 t/giorno, circa 8 t/giorno in più Silomais Solidi separati ( 1 ) L alimentazione dell impianto comprendeva anche liquami bovini per complessive circa 40 t/giorno, rimaste pressoché costanti nel corso del monitoraggio. di adattamento: intervallo di tempo, escluso dalle valutazioni, necessario per gestire la transizione tra le due tipologie di alimentazione. Nei mesi di settembre e ottobre, senza utilizzo di solido separato da liquami bovini, il quantitativo di silomais alimentato è stato mediamente di 49,1 t/giorno mentre da fine novembre a inizio febbraio, caricando anche 15 t/giorno di solido separato, è stato di 44,2 t/giorno, circa 5 t/giorno in meno. 14/2015 L Informatore Agrario 59

4 ma anche nel post-fermentatore e nello stoccaggio finale del digestato. Nei fermentatori primari il tenore dei solidi totali al termine del periodo di carico con le frazioni solide separate si è avvicinato a 100 g/kg, considerabile come valore soglia da non oltrepassare onde evitare problematiche ai sistemi di miscelazione. Esiti del monitoraggio in autunno-inverno Nei mesi di settembre e ottobre, senza solido separato da liquami bovini, il quantitativo di silomais alimentato è stato mediamente di 49,1 t/giorno (grafico 3). Nelle prove con 15 t/giorno di solido separato, da fine novembre a inizio febbraio, sono state mediamente caricate 44,2 t/giorno di silomais. Quindi, nel periodo autunno-invernale è risultato che 15 t/giorno di solido separato da liquami bovini hanno permesso di sostituire, a parità di energia prodotta dall impianto, circa 5 t/giorno di silomais. Il valore di sostituzione energetica del solido separato è risultato quindi confrontabile al valore medio di circa 0,3 determinato alla scala di laboratorio. Anche in questo caso, però, se si analizzano i dati del monitoraggio si nota che la degradabilità dei solidi volatili da frazione solida ha superato, seppure di poco, il valore del % determinato a 40 giorni in laboratorio. Nel periodo autunno-invernale non si è avuto incremento della sostanza nel digestato, probabilmente a causa della diluizione dovuta al maggior carico di liquami tal quali, ai ricircoli del chiarificato e all ingresso di acque di pioggia. Per informazioni sul carico organico all impianto nei due periodi monitorati vedi grafici all indirizzo internet pubblicato a fine articolo. Andamento della produzione di metano e idrogeno solforato La percentuale di metano nel biogas prodotto nei periodi con solido separato e senza solido separato è rimasta sostanzialmente invariata (51-52%). L alimentazione con solido separato da liquami ha invece causato un incremento dell idrogeno solforato nel biogas sino a circa 1 ppm nel periodo estivo, fenomeno che è stato confermato dalla sua progressiva diminuzione quando è cessato il carico dei solidi separati. Lo stesso effetto si è manifestato, con minore intensità, nel periodo di monitoraggio autunno-invernale quando l idrogeno solforato, a dicembre-gennaio 2014, ha raggiunto livelli attorno a 100 ppm. È un effetto che non deve destare particolari preoccupazioni, in quanto nel periodo di integrazione dell alimentazione con il separato solido le concentrazioni di idrogeno solforato nel biogas non hanno mai raggiunto il valore di attenzione di circa 200 ppm. Interesse per l allevatore e benefici ambientali Sotto il profilo strettamente tecnico, per la produzione di biogas la sostituzione di quote di silomais con solidi separati si è dimostrata efficace, con risultati interessanti sia nelle prove di laboratorio sia in quelle in impianto alla scala reale. Per quanto riguarda invece la convenienza economica, va valutata la variazione di costi che l operazione comporta, considerando sia il valore di mercato del silomais sia i costi aggiuntivi di trasporto, caricamento, stoccaggio e spandimento dovuti alla sostituzione del silomais con il solido da liquami (le valutazioni economiche che tengono conto di tutti questi fattori saranno riportate in un prossimo articolo). L interesse per l allevatore che ha problemi di surplus di azoto e l esigenza di trasferire fuori azienda quote significative di questo nutriente sono evidenti. Quindi, il conferimento a un impianto di biogas si configura come un operazione virtuosa per la reciproca convenienza dei due operatori, il produttore di liquami in surplus e il gestore dell impianto di biogas, alla ricerca di fonti diversificate di energia. Il risultato finale non può che essere un beneficio rilevante anche per l ambiente. Infatti sia l efficienza energetica sia quella di utilizzo fertilizzante dei liquami risultano incrementate. Gli effluenti di allevamento vengono sfruttati anche per produrre energia, al posto di un prodotto nobile come il silomais, e una conseguenza importante è che una parte del carico di azoto di origine zootecnica viene delocalizzata verso gli impianti di biogas e quindi su terreni che la possono ricevere e colture che la sfruttano. Paolo Mantovi, Giuseppe Bonazzi Crpa - Centro ricerche produzioni animali Reggio Emilia Alessandro Gandolfi Cooperativa San Lorenzo Pegognaga (Mantova) Attività svolta nell ambito del progetto Agri-multitasking, finanziato sulla Misura 124 «Cooperazione per lo sviluppo di nuovi prodotti, processi, tecnologie nel settore agricolo, alimentare, forestale» del Psr della Regione Lombardia. Per commenti all articolo, chiarimenti o suggerimenti scrivi a: redazione@informatoreagrario.it Per consultare gli approfondimenti e/o la bibliografi a: rdlia/15ia14_7897_web

5 ARTICOLO PUBBLICATO SU L INFORMATORE AGRARIO N. 14/2015 A PAG. 57 Prove di produzione di biogas con separato solido di liquami GRAFICO A - Quantità di silomais e separato solido da liquami caricate nell impianto di biogas nel periodo primaverile-estivo ( 1 ) Solidi volatili (kg/giorno) di adattamento Silomais Solidi separati ( 1 ) L alimentazione dell impianto comprendeva anche liquami bovini per complessivi kg s.v./giorno, rimasti pressoché costanti nel corso del monitoraggio. di adattamento: intervallo di tempo, escluso dalle valutazioni, necessario per gestire la transizione tra le due tipologie di alimentazione. Nei mesi di giugno e luglio l apporto medio di solidi volatili all impianto dovuto al separato solido da liquami bovini è stato pari a kg/giorno. Quello dovuto al silomais è stato di e kg/giorno, rispettivamente nel periodo con e senza il separato solido. Il carico organico all impianto (con volume utile di m 3 ) è risultato di poco superiore a 2,5 kg s.v./m 3 /giorno nel periodo con utilizzo del solido separato e di poco inferiore a questo stesso valore nel periodo di monitoraggio senza il solido separato.

6 GRAFICO B - Quantità di silomais e separato solido da liquami caricate nell impianto di biogas nel periodo autunno-invernale ( 1 ) Solidi volatili (kg/giorno) di adattamento Silomais Solidi separati ( 1 ) L alimentazione dell impianto comprendeva anche liquami bovini per complessivi kg s.v./giorno, rimasti pressoché costanti nel corso del monitoraggio. di adattamento: intervallo di tempo, escluso dalle valutazioni, necessario per gestire la transizione tra le due tipologie di alimentazione. Da fine novembre a fine gennaio l apporto medio di solidi volatili all impianto dovuto al separato solido da liquami bovini è stato pari a 2699 kg/giorno. Quello dovuto al silomais è stato di e di kg/giorno, rispettivamente nel periodo con e senza il separato solido. Il carico organico dell impianto è risultato più alto rispetto al periodo di monitoraggio estivo, con valori medi che sono passati da 2,55 kg s.v./m 3 /giorno nel periodo senza solido separato a 2,68 kg s.v./m 3 /giorno in quello con il solido separato.

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