Digestato: criteri di valutazione

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1 Università Degli Studi di Milano Digestato: criteri di valutazione Fabrizio Adani Giuliana D Imporzano [email protected] Andrea Schievano Andrea [email protected]

2 Il processo di Digestione Anaerobica Processo biologico che determina profonde modificazioni chimico-fisiche e biologiche nelle matrici di partenza, al pari di altre biotecnologie applicate a biomasse (es. compostaggio). Il Digestato non è più Ingestato

3 Ma cosa è il digestato??? Alla ricerca di un identikit!!!!

4 Digestato: Effetti del processo Decremento della quantità di sostanza organica Variazione della qualità della sostanza organica Incremento relativo in elementi fertilizzanti Incremento della disponibilità dell azoto

5 Prima e dopo: carico organico Solidi Volatili (%ss) COD (mg O 2 /l) Matrici Digestato

6 Degradation Mass balance OM % % Ingestates 35% ± 10% Digestates OM reduction del 60-70%

7 Prima e dopo: composizione macromolecolare Lignina (%ss) Contenuto cellulare solubile (%) Cellulosa (%ss) Emicellulosa (%ss) Matrici Digestato *Valori medi rilevati in un anno di osservazione

8 Variazione della qualità della sostanza organica : Spettri 13 CPMAS-NMR. Molecole humus precursori

9 Variazione della qualità della sostanza organica : Spettri 13 CPMAS-NMR. Molecole humus precursori

10 OM quality Macromolecular composition CS (%TS) cell soluble 70-90% 40-70%

11 OM quality Macromolecular composition ADL (%TS) (Lignin, cutin, suberan, sterol) 2-8% 10-35% effetto concentrazione

12 OM quality PCA analysis

13 OM quality PCA analysis Fact % Digestate Biosolid Ingenstate Ingestate Compost Predig. swine manure Fact % Fresh swine manure Biological stability + -

14 Prima e dopo: degradazione in condizioni anaerobiche e aerobiche (misura consumo di ossigeno, OD20) Produzione potenziale di Biogas ABP (ml/g ss) OD20 (mgo 2 /g ss 20h) Matrici Digestato

15 Stabilità biologica La misura del grado di decomposizione della sostanza organica facilmente biodegradabile contenuta in una matrice organica (Lasaridi e Stentiford, 1996). Indirettamente, fornisce indicazioni circa gli impatti della matrice organica come: attività microbiche, autoriscaldamento della massa, produzione di odori, grado di igienizzazione e produzione residua di biogas. Un grado elevato di stabilità biologica si traduce in un minor impatto del materiale disposto nell ambiente. References: Adani F. L importanza della stabilità biologica nel controllo di processo e nella qualità dei Adani prodotti. et. al, Nuova 2008, GEA 3 (2), (2006)

16 Test anaerobico- (ABP) 700 ABP m 3 biogas g -1 TS Ingestate 650 ± ± ± 56 Digestate 0 Ingestates 26 ± 50 Digestates

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18 4 impianti Impianto ss (%) ingestati SV (g kg ss-1) OD20 (mgo2 g-1ss 20h-1) Biogas (l kg ss-1) A 12.7 ± ± ± ± 11 B 14.2 ± ± ± ± 11 C 12.8 ± ± ± ± 39 D 12.7 ± ± ± ± 33 Impianto ss (%) digestati SV (g kg ss-1) OD20 (mgo2 g-1ss 20h-1) Biogas (l kg ss-1) A 7.2 ± ± ± ± 15 B 5.8 ± ± ± ± 9 C 4.3.± ± ± ± 23 D 5.8 ± ± ± ± 29

19 Impianto Degradazione su base SV Recovery biogas (% ) Recovery Biogas/ tempo di ritenzione (% d-1) Tempo di ritenzione (giorni) A B C D

20 Nutrienti Azoto totale (%ss) Azoto ammoniacale (%TKN) Fosforo P 2 O 5 (%ss) Potassio K 2 O (%ss) effetto concentrazione sulla Inizio sostanza secca Fine

21 Unità fertilizzanti Sostanza secca (%) Azoto totale (%ss) Azoto ammoniacale (%TKN) Fosforo P 2 O 5 (%ss) Potassio K 2 O (%ss) Digestato effetto concentrazione 3-6 sulla sostanza secca m 3 digestato Azoto Fosforo Potassio (kg) P 2 O 5 K 2 O (kg) (kg) 3.5 kg ammonio

22 Fertilizzazione

23 Nutrienti: quantità N totale (% ss) 2-5% 5-12%

24 Nutrienti: qualità N-NH 4 (% TS) 0-2% 2-8%

25 Nutrienti: qualità Organic N Costante 2-4% Recalcitrant???

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29 Efficienza di utilizzo digestato Fonte: Pedersen 2003

30 Efficienza di utilizzo Fonte: Sorensen 2008, Convegno Anaerobic Digestion: opportunity for agriculture and environment.

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32 Efficienza di utilizzo Una maggiore efficienza dell azoto distribuito con il digestato determina un risparmio di unità fertilizzanti di sintesi. (vantaggio economico e ambientale) La mineralizzazione dell azoto durante i periodi invernali, in cui il terreno non è coperto da coltura, determina la perdita di azoto per lisciviazione (Sorensen 2008)

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34 Digestato: Identikit SO Basso carico organico media stabilità biologica Humus precursore Contenuto di nutrienti elevato contenuto di N; elevato valore agronomico. Basso contenuto di xenobiotici

35 Digestato: Identikit Propietà ammendanti Propietà fertilizzanti Elevata qualità Prodotto igienizzato

36 Criteri di valutazione

37 Criteri di valutazione Proprietà fertilizzanti-proprietà ammendanti Impatti ambientali

38 Proprietà fertilizzanti Incremento della percentuale di azoto ammoniacale Incremento dell efficienza di utilizzo (forma di azoto prontamente disponibile per le piante)

39 Strumenti di valutazione Titolo NPK e contenuto di azoto ammoniacale

40 Criteri di valutazione Proprietà fertilizzanti-proprietà ammendanti Impatti ambientali

41 Impatti ambientali Funzione del processo Sostanza organica non stabilizzata (odori) Inquinanti (es. metalli pesanti) Funzione delle matrici in ingresso

42 Stabilità biologica La misura del grado di decomposizione della sostanza organica facilmente biodegradabile contenuta in una matrice organica (Lasaridi e Stentiford, 1996). Indirettamente, fornisce indicazioni circa gli impatti della matrice organica come: attività microbiche, autoriscaldamento della massa, produzione di odori, grado di igienizzazione e produzione residua di biogas. Un grado elevato di stabilità biologica si traduce in un minor impatto del materiale disposto nell ambiente. References: Adani F. L importanza della stabilità biologica nel controllo di processo e nella qualità dei Adani prodotti. et. al, Nuova 2008, GEA 3 (2), (2006)

43 Strumenti di valutazione

44 Strumenti di valutazione OD 20 si correla con la somma dei valori di cellulosa e contenuto cellulare solubile verificato con l analisi della fibra r = 0.99; P < 0.05 Lignima (%ss) Contenuto cellulare solubile (%) Cellulosa (%ss) Emicellu losa (%ss) Inizio Fine

45 Strumenti di valutazione OD 20 si correla con il contenuto di molecole labili O--alkyl-C e alkyl-cmisurato attraverso 13-CPMAS-NMR r = 0.98; P < 0.05 r = 0.99; P < 0.05

46 Strumenti di valutazione OD 20 si correla con la produzione di biogas e permette di farne una stima (ABP = 1.93* OD *VS ) ABP (NmL gts -1 ) y = 2.319x R 2 = Digestati Matrici r= 0.85< OD20 (mgo 2 g -1 TS )

47 Strumenti di valutazione OD 20 si correla con l impatto odorigeno espresso come unità odorimetriche Impatto odorigeno (OU m- 2 h -1 ) OD20 (mg O 2 gss -1 ) r = 0.98; P < 0.05 Forsu Digestato Biomasse e liquame Digestato

48 La misura del consumo di ossigeno (OD20): è uno strumento efficace per la valutazione della qualità del processo di digestione anaerobica è uno strumento di sintesi per la previsione degli impatti.

49 Impatti ambientali Funzione del processo Sostanza organica non stabilizzata (odori) Inquinanti (es. metalli pesanti) Funzione delle matrici in ingresso

50 Metalli pesanti Elemento Digestato Liquame Compost Fango Limiti 99/92 e D.G.R.L. 7/15944 Limiti 748/84 e sm (217/2006) Cd (mg/kg s.s.) Hg (mg/kg s.s.) Ni (mg/kg s.s.) Pb (mg/kg s.s.) Cu (mg/kg s.s.) * Zn (mg/kg s.s.) * Cr III (mg/kg s.s.) As (mg/kg s.s.) Cr VI (mg/kg s.s.) * Dati da fonte bibliografica. Manuale per la gestione e l utilizzazione agronomica dei reflui Adani zootencici, et. al, 2008, CRPA, Regione Emilia Romagna

51 Xenobiotics Heavy metals Example of digestate analysis: Elemento Metal Value Biosolid limit Compost limits Cd (mg/kg s.s.) Hg (mg/kg s.s.) Ni (mg/kg s.s.) Pb (mg/kg s.s.) Cu (mg/kg s.s.) Zn (mg/kg s.s.) Cr III (mg/kg s.s.) As (mg/kg s.s.) Cr VI (mg/kg s.s.)

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54 Hygienic parameters Parameter Digestate Legge 99/92 Reg. CE 1774/02 Fecal coliform (MPN/g TS) n.i. Vital Helminthes eggs Absent Absent absent n.i. Salmonella Absent < 100 Absent Escherichia coli Absent n.i. < 1000 n.i. = not indicated

55 Digestato: caratteristiche Sostanza organica Bassi carichi organici residui Alta stabilità biologica Concentrato di molecole recalcitranti/humus precursori Contenuto di nutrienti Azoto prontamente disponibile (ammoniacale) Fertilizzante che può sostituire le quote di azoto da fertilizzanti chimici Azoto organico contenuto in molecole complesse Contenuto di inquinanti funzione delle matrici in ingresso

56 Digestato: Criteri e strumentidi valutazione Proprietà fertilizzanti: titolo NPK Proprietà ammendanti: conseguenza del processo di arricchimento in molecole recalcitranti e humus precursori Impatti ambientali: Stabilizzazione OD 20 Microrganismi patogeni : test microbiologici Metalli pesanti: Verifica delle concentrazioni

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