Valutazione della mineralizzazione del Carbonio nei sottoprodotti della digestione anaerobica

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1 Valutazione della mineralizzazione del Carbonio nei sottoprodotti della digestione anaerobica Riccardo Chincarini Lorenzo Barbanti, Giuseppe Di Girolamo, Marco Grigatti, Claudio Ciavatta Alma Mater Studiorum, Università di Bologna, Dipartimento di Scienze e Tecnologie Agroambientali, Bologna Riassunto In questo lavoro sono state valutate le emissioni di CO 2 e la mineralizzazione del carbonio della frazione liquida (DL), solida (DS) e solida compostata (DSC) di un digestato anaerobico, confrontate con un compost di riferimento (ACM), a parità di N distribuito (200 mg kg -1 suolo secco). Le emissioni totali di CO 2 sono state pari a 936, 4210, 1100 e 507 mg CO 2 kg -1 suolo secco, rispettivamente in DL, DS, DSC ed ACM. DL ha mineralizzato circa il 60% del C fornito, mentre DS il 16%. DSC ha mineralizzato ~5%, circa come ACM (~4%). Il compostaggio del DS si è dimostrato efficace nel contenere le emissioni di CO 2 nel suolo, riducendo del 65% la mineralizzazione del C fornito ed evitando il rapido incremento di respirazione dopo la fase di adattamento di DS. Summary In this work the CO 2 emissions and carbon mineralization were evaluated from the liquid (DL), solid (DS) and composted solid fraction (DSC) of an anaerobic digested slurry, compared to a reference compost (ACM), all at 200 mg N kg -1 dry soil. Total CO 2 emissions were equal to 936, 4210, 1100 and 507 mg CO 2 kg -1 dry soil in DL, DS, DSC and ACM, respectively. DL mineralized about 60% of added C, whereas DS attained about 16%. DSC mineralized ~5%, about as much as ACM (~4%). Composting DS was effective in curbing CO 2 emissions from the soil, reducing C mineralization by 65% and avoiding the rapid increase in CO 2 emission after the DS lag-phase. 1. Introduzione Il notevole incremento della produzione di biogas in Europa ha raggiunto nel 2007 la quota di 5901 ktoe (Tonnellate Equivalenti di Olio), con un incremento di quasi il 60% rispetto all anno precedente [1]. Circa il 36% di questo proviene dalla digestione anaerobica di colture dedicate e di scarti agricoli [1]. Ciò ha portato di riflesso all incremento delle quantità di digestato, sottoprodotto in uscita dai digestori, che non essendo più idoneo alla produzione di CH 4 viene normalmente re-impiegato in agricoltura come ammendante-fertilizzante, sebbene non esista ancora una chiara collocazione normativa. Nella produzione di energia è evidente il vantaggio in termini di emissioni di CO 2 dell impiego della digestione anaerobica, in quanto la CO 2 emessa non proviene da combustibili fossili [2]. Meno studiata è invece l emissione di CO 2 dal suolo trattato con digestato. In altri termini, 508

2 esistono poche informazioni sulle emissioni di CO 2 a valle della digestione anaerobica, quando il prodotto di risulta viene re-immesso nel sistema agro-ambientale. Obiettivi di questo lavoro erano quindi (i) il confronto delle emissioni di CO 2 e (ii) della mineralizzazione netta del C fornito da una serie di prodotti a confronto: frazione liquida (DL), solida (DS) e solida sottoposta a compostaggio (DSC), di un digestato esausto (biodigestato), dopo un ciclo di produzione di circa 60 giorni, comparate ad un ammendante compostato misto stabile (ACM), utilizzato come riferimento. 2. Relazione 2.1. Il biodigestato Il digestore è stato alimentato principalmente con insilato di mais. Oltre ai prodotti cerealicoli dedicati, componevano la matrice in ingresso i residui vegetali delle lavorazioni agro-alimentari, le eccedenze delle produzioni agricole ed i sottoprodotti delle lavorazioni casearie. Una volta introdotta nel biodigestore, la biomassa inizia la digestione anaerobica, stazionando nell impianto per un periodo (tempo di ritenzione idraulica) di circa 60 giorni. Ultimato il processo di digestione, la biomassa residua si presenta come una materia semiliquida, con una presenza di sostanza secca pari a circa il 12%. Con un apposita apparecchiatura meccanica si provvede a separare la frazione solida. Una parte della frazione liquida viene re-immessa nei digestori per stabilizzare la densità e la temperatura della biomassa ancora in digestione. Una parte viene invece reimpiegata in agricoltura, così come la frazione solida Compostaggio della frazione solida del digestato Fig. 1 Andamento della temperatura durante la fase accelerata del compostaggio della frazione solida del digestato. Con lo scopo di valutare la mineralizzazione del carbonio nella frazione solida (DS) dopo stabilizzazione, questa è stata sottoposta a compostaggio aerobico, senza l addizione di agente strutturante. Il processo è avvenuto in un composter di polistirolo di dimensioni cm, alimentato con circa 50 kg di prodotto al 18,9% di SS. 509

3 Il processo è consistito in 2 fasi: una fase accelerata di 21 giorni con insufflazione di aria (0.25 litri min -1 ) e rivoltamento manuale (ogni 5 giorni), seguita da una fase di curing di 35 gg. Il processo di compostaggio è stato caratterizzato da una sola fase mesofila con temperature attorno a 25 C mantenute per 8-10 gg. Successivamente la temperatura si è allineata a quella ambientale (Fig. 1). 2.3 Caratteristiche dei prodotti Le principali caratteristiche dei prodotti sono riportate in Tabella 1. Il digestato liquido presentava il minore tenore in carbonio organico totale (TOC; 16%) e un valore di azoto totale Kjeldahl (TKN) 5-6 volte superiore agli altri prodotti (10.1%). I prodotti solidi presentavano valori di TKN compresi tra 1.45 e 2.26%, leggermente inferiori ai dati presenti in letteratura per questo tipo di prodotti [3]. Il processo di compostaggio ha ridotto il tenore di TOC di meno dell 1% in valore assoluto, con una diminuzione relativa del 3,04%. Per contro si è avuto durante il compostaggio un incremento del TKN: il C/N è infatti passato da 33,8 a 24,9. Il processo di compostaggio ha quindi preservato il sistema da significative perdite di azoto totale. Prodotto ph Cond. El. (ds m -1 ) 10 3 ST mg g -1 SV TOC TKN C/N DL 8,32 29,7 45,2-597,7 160,6 101,1 1,60 DS 8,24 13,2 189,3 809,0 * 897,7 490,1 14,5 33,80 DSC 7,66 14,1 282,2 834,0 * 873,4 483,4 19,4 24,90 ACM 8,35 42,9 886,4-436,4 222,3 22,6 9,83 DL: Frazione liquida del digestato; DS: Frazione solida del digestato; DSC: Frazione solida compostata del digestato; ACM: Ammendante compostato misto. = determinato sul prodotto tal quale; * = determinato sul prodotto precedentemente essiccato all aria. Tab. 1 Principali caratteristiche dei prodotti posti a confronto Procedura di incubazione L incubazione per la determinazione dell emissione della CO 2 è durata 66 giorni. Per favorire una migliore omogeneità del campione, i prodotti solidi sono stati seccati all aria e macinati a 2 mm. I campioni di suolo (20 g) sono stati addizionati dei prodotti così trattati, ad una dose pari a 200 mg kg -1 di N. Il suolo, pre-incubato per 21 gg. ad un umidità pari al 60% della capacità di campo, addizionato dei prodotti è stato posto in bottiglie Schott da 100 ml e incubato a 25 C al buio. La CO 2 emessa è stata intrappolata in KOH 0.1M e valutata tramite titolazione con HNO M, in eccesso di BaCl N. Nel corso dell incubazione sono stati eseguiti 21 campionamenti a intervallo di tempo crescente. Come testimone è stato utilizzato suolo (20g) non addizionato di alcun prodotto, mentre come bianco sono state utilizzate bottiglie Schott vuote. Ogni tesi (DL, DS, DSC, ACM, testimone e bianco) presentava 4 repliche. L emissione di CO 2 è stata calcolata per ogni campionamento come emissione totale in mg kg - 1 suolo secco. La mineralizzazione del carbonio organico è stata calcolata al netto delle emissioni del testimone e cumulata nel tempo [3]. 510

4 2.5. Emissioni di CO2 dal suolo Come mostrato in Figura 2, la frazione liquida del digestato (DL) ha presentato una intensa respirazione immediatamente dopo l aggiunta del prodotto al suolo. Questo campione ha emesso infatti 390 mg CO 2 kg -1 suolo secco nelle prime 24 ore di incubazione; successivamente le emissioni si sono notevolmente ridotte mostrando valori medi di poco superiori a quelli del testimone. Le emissioni cumulate nei 66 giorni di incubazione sono state pari a 936 mg CO 2 kg - 1 suolo secco. Ciò era consono con le caratteristiche del prodotto: nella fase liquida permangono infatti la maggior parte delle sostanze facilmente aggredibili in quanto la separazione, solo meccanica, non ha determinato una spiccata precipitazione dei composti quali le proteine. Al contrario, la frazione solida del digestato (DS) ha esibito una crescita della respirazione solo dopo una fase di adattamento di circa 5-6 giorni. Il DS ha mostrato il picco massimo di emissione tra il giorno 11 e 13 dell incubazione, pari a 345 mg CO 2 kg -1 suolo secco; le emissioni cumulate sono state pari a 4210 mg CO 2 kg -1 suolo secco. Questo comportamento è da attribuire alla presenza di sostanze tossiche per i microrganismi aerobi presenti nel suolo: la digestione anaerobica infatti produce un accumulo di acidi grassi volatili e di composti solforati [4], che richiedono un adattamento iniziale della popolazione microbica presente nel suolo. Fig. 2 Respirazione del suolo e miniralizzazione cumilata dle carbonio dei diversi prodotti durante l incubazione nel suolo (66 giorni, 25 C). Le barre rappresentano l errore standard (n = 4). La frazione solida compostata (DSC) si è rivelata la più stabile tra quelle provenienti dal digestato, con un picco massimo di 136 mg CO 2 kg -1 suolo secco tra 38 e 45 giorni di incubazione ed una emissione cumulata di 1100 mg CO 2 kg -1 suolo secco. Il compost di riferimento (ACM) è stato caratterizzato dalle minori emissioni in assoluto, mostrando una respirazione massima di circa 30 mg CO 2 kg -1 suolo secco tra i giorni 45 e 52 dell incubazione, 4-5 volte inferiore a quella mostrata da DSC. Anche la respirazione cumulata, pari a 507 mg CO 2 kg -1 suolo secco, è risultata leggermente inferiore alla metà di quella di DSC. 511

5 2.6 Mineralizzazione del carbonio organico Il DL ha mostrato una intensa mineralizzazione nelle prime 24 ore il (33% del C fornito); successivamente il tasso di mineralizzazione è diminuito fortemente. La mineralizzazione cumulata ha raggiunto circa il 60% del C fornito. Il DS, dopo una fase di adattamento dei microrganismi (5-6 gg), ha mostrato un andamento logaritmico mineralizzando complessivamente circa il 16% del C aggiunto. Al contrario il DSC non ha evidenziato una fase di adattamento, presentando subito una crescita logaritmica, anche se modesta; la mineralizzazione cumulata è stata pari al 4,8% del C aggiunto, molto simile a quella dell ACM, che con lo stesso tipo di andamento ha mineralizzato complessivamente il 3,8% del C fornito (Fig. 2). 3. Conclusioni Le diverse frazioni del digestato (liquida, solida e solida compostata) hanno mostrato comportamenti diversi sia rispetto alle emissioni totali di CO 2 che alla mineralizzazione netta del carbonio fornito. A parità di azoto somministrato, DL è risultato il prodotto meno impattante in termini di emissioni cumulate in atmosfera, comportando un 75% in meno di CO 2 rispetto a DS. Anche il compostaggio della frazione solida ha comportato una riduzione del tutto simile (74%), portando le emissioni di DSC a valori comparabili con quelle di DL. In termini relativi, DL ha mineralizzato più del 60% del C fornito, con una cinetica molto rapida nella prima fase: si dimostra pertanto un prodotto meno idoneo a favorire l immagazzinamento del carbonio nel suolo. DS, pur respirando notevolmente in valore assoluto, in percentuale ha mineralizzato circa 4 volte meno C di DL; il compostaggio di DS ha ulteriormente ridotto del 65% la mineralizzazione del C, evidenziando i benefici di questa tecnica nella riduzione della delle emissioni di CO 2 in campo. DSC inoltre, nel processo di mineralizzazione non ha evidenziato una fase di adattamento iniziale, manifestata invece da DS. Il successivo forte aumento della respirazione microbica di quest ultimo prodotto può rappresentare un potenziale svantaggio dal punto di vista agronomico, essendo all origine di immobilizzazioni dell azoto, in considerazione anche dell elevato rapporto C/N. Bibliografia [1] BIOGAS BAROMETER (2008). [2] Jacob Møller, Alessio Boldrin and Thomas H. Christensen (2009). Anaerobic digestion and digestate use: accounting of greenhouse gases and global warming contribution, Waste Management & Research, 27: ; [3] M.P., Bernal, A.F., Navarro, M.A., Sánchez-Monedero, A., Roig and J., Cegarra (1998). Influence of sewage sludge compost stability and maturity on carbon and nitrogen mineralization in soil, Soil Biology and Biochemistry, 30: ; [4] Margaret F. Drennan, Thomas D. Di Stefano (2010). Characterization of the curing process from highsolids anaerobic digestion, Bioresource Technology, 101: