In una fase di particolare crisi dell agricoltura

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1 T PROVE DI LABORATORIO DEL CRPA SULLA SEPARAZIONE SOLIDO/LIQUIDO La separazione del digestato aumenta il potere fertilizzante La digestione anaerobica, modificando le caratteristiche degli effluenti, riduce l efficienza di separazione della sostanza secca e dell azoto nella frazione solida. D altra parte permette di concentrare nella frazione chiarificata azoto ammoniacale, prontamente assimilabile dalle colture, e in quella solida azoto organico a più lenta mineralizzazione di P. Mantovi, C. Fabbri, M. Soldano, S. Piccinini In una fase di particolare crisi dell agricoltura in cui una parte del sistema imprenditoriale ha differenziato o sta per diversificare le proprie attività puntando sulla produzione di energia rinnovabile, in particolare attraverso la digestione anaerobica di effluenti zootecnici assieme ad altre biomasse (Piccinini et al., 2008), la corretta gestione degli effluenti digeriti e degli elementi della nutrizione vegetale in essi contenuti diventa un elemento fondamentale nella determinazione dei bilanci ambientali ed economici. Il cosiddetto «digestato», cioè il materiale in uscita dal processo di digestione anaerobica, è il frutto di una serie molto complessa di reazioni che, seppur non variando in modo significativo il quantitativo di azoto introdotto, modifica la composizione delle forme azotate presenti nelle matrici di partenza. Durante il processo le forme di azoto organico vengono demolite per produrre biogas, mentre il gruppo amminico viene liberato in soluzione sotto forma di azoto minerale (ammoniacale). L entità di queste reazioni dipende dal tipo di composto azotato e dall efficienza del processo di digestione anaerobica. Le quote di azoto organico e di quello ammoniacale che si ritrovano nel digestato derivano quindi dalla «dieta» utilizzata per alimentare il digestore: con solo effluenti zootecnici, ad esempio, l azoto caricato nel digestore è già prevalentemente ammoniacale (fino al 65-70% dell azoto totale in liquami suini), mentre caricando colture dedicate o sottoprodotti agroalimentari l azoto è prevalentemente organico. Da ciò consegue che nel digestato prodotto da soli effluenti la quota di azoto ammoniacale sarà incrementata rispetto alla percentuale iniziale e potrà arrivare fino all 80-85% dell azoto totale. Nel caso, invece, del digestato da colture dedicate o miscele con sottoprodotti agroalimentari, la percentuale di azoto ammoniacale dipenderà prevalentemente dall efficienza del processo; in linea generale negli impianti con colture dedicate (come mais, sorgo, triticale) la percentuale di azoto ammoniacale nel digestato rappresenta il 50-60% dell azoto totale. Nell ambito di un progetto finanziato dal Ministero delle politiche agricole alimentari e forestali (vedi riquadro a pag. 58), il Crpa ha condotto tre distinte prove di digestione anaerobica in reattori da laboratorio per verificare quali fossero le modificazioni a carico della sostanza secca e dell azoto dopo digestione anaerobica e a seguito di separazione solido/ liquido del digestato. e sue frazioni Il digestato sottoposto a separazione solido/liquido genera una frazione chiarificata che contiene buoni livelli di azoto in forma ammoniacale, compreso quello mineralizzatosi nel corso della digestione, e una frazione solida con un elevata percentuale di sostanza organica parzialmente stabilizzata. La frazione chiarificata può essere quindi un buon sostitutivo del concime di sintesi, a patto che venga utilizzata in periodi coincidenti con lo sviluppo colturale e limitando le emissioni am- Reattori da laboratorio per la digestione anaerobica a ciclo continuo 43/2009 L Informatore Agrario 55

2 T TABELLA 1 - Principali parametri di processo delle prove Carico organico volumetrico Matrice Tempo di ritenzione idraulica (giorni) kg sv/m 3 / giorno % di sv da insilati Rese in metano (m 3 /t sv) Metano nel biogas (%) Liquame suino 26 1, ± 28 68,6 ± 0,6 Liquame bovino 30 2, ± 8 55,5 ± 1,1 Co-digestione di liquame bovino e silomais 70 2,60 88,8 293 ± 7 51,5 ± 0,9 Sv = solidi volatili. In tutte le prove le rese di trasformazione della sostanza organica sono risultate in linea rispetto ai dati bibliografici internazionali: valori di produzione di metano più elevati per il silomais, intermedi per il liquame suino e più bassi per il liquame bovino. TABELLA 2 - Caratteristiche chimiche medie delle matrici utilizzate Matrice ph Solidi totali (st) (g/kg tq) Solidi volatili (sv) g/kg tq % st Azoto totale mg/kg tq % st Azoto ammoniacale (N-NH4 + ) (% azoto tot.) Liquame suino 7,1 52,5 33,9 64, ,2 62,2 Liquame bovino 7,0 68,6 56,3 82, ,0 42,8 Co-digestione Liquame bovino 7,6 66,9 54,8 81, ,2 43,6 Silomais 3,6 336,2 320,3 95, ,3 1,1 Tra le matrici caricate nei reattori di digestione anaerobica il tenore di azoto ammoniacale era già elevato nei liquami suini, medio in quelli bovini e molto basso nel silomais. moniacali in atmosfera. La frazione solida, contenente sostanza organica che in funzione dell efficienza del processo ha ancora una degradabilità più o meno elevata, potrebbe invece essere valorizzata ai fini ammendanti, in un quadro nazionale in cui la «fame» di sostanza organica per i suoli ha portato a un netto incremento dell impiego di ammendanti, circa quadruplicati nell ultima decina di anni (Adua, 2008). Dal punto di vista della gestione pratica degli effluenti, inoltre, la separazione solido/liquido previene i problemi di flottazione superficiale delle frazioni sospese (il caratteristico «cappello») negli stoccaggi o la sedimentazione sul fondo delle vasche, che nel tempo ne riduce la capacità di contenimento. La viscosità degli effluenti viene ridotta e la conseguente pompabilità migliorata. La frazione chiarificata può essere applicata con efficacia in microirrigazione, purché si provveda a una separazione solido/liquido spinta (Fabbri et al., 2006). Risultati delle prove Le prove condotte dal Crpa in reattori da laboratorio per la digestione anaerobica a ciclo continuo hanno previsto il carico di liquami zootecnici, suini e bovini senza aggiunta di altre biomasse, e di liquami bovini in co-digestione con insilati di mais. Digestione. In tabella 1 sono riportate le principali condizioni del processo anaerobico e le rese di trasformazione: i tempi di ritenzione idraulica sono stati scelti tenendo in considerazione le caratteristiche delle matrici e la relativa composizione chimica (tabella 2). Nel caso della co-digestione il carico organico è stato di circa il 90% da insilato di mais e per il resto da liquame bovino. Il processo di digestione è stato condotto in mesofilia (38-39 C). In tutte le prove le rese di trasformazione della sostanza organica sono risultate in linea rispetto ai dati riscontrabili nella bibliografia internazionale, con i valori di produzione di metano più elevati per il silomais, intermedi per il liquame suino e più bassi per il liquame bovino. Per quanto concerne l azoto, le differenze in peso riscontrate tra matrici caricate e digestato estratto sono risultate dell ordine dell 1-3% e dipendono prevalentemente dalla volatilizzazione sotto forma di ammoniaca nel biogas. Sotto il profilo della forma chimica, invece, è stato evidenziato che durante il processo di digestione anaerobica parte dell azoto organico caricato viene trasformato in azoto ammoniacale (grafico 1): nella composizione iniziale Ripartizione forme azotate (%) ,8 62,2 LS (carico) 27,4 72,6 LS 57,4 42,6 LB (carico) Azoto ammoniacale 47,7 52,3 LB 77,8 22,2 LB + SM giorni (carico) Azoto organico 44,4 55,6 LB + SM giorni LS = liquame suino; LB = liquame bovino; SM = silomais. GRAFICO 1 - Modifica delle forme azotate durante il processo di digestione anaerobica La digestione anaerobica mineralizza parte dell azoto organico ad azoto ammoniacale aumentandone la concentrazione nel digestato. Le centrifughe ad asse orizzontale sono tra i dispositivi a più elevata efficienza di separazione 56 L Informatore Agrario 43/2009

3 T del liquame suinicolo la percentuale di azoto ammoniacale era del 62% dell azoto totale (NTK), mentre è risultata del 73% nel digestato prodotto; stessa cosa è avvenuta per il liquame bovino dove è passata dal 43 al 52% e per la codigestione con insilati di mais con un aumento dal 22 al 56%. Il fenomeno è risultato molto più evidente nella co-digestione perché in questo caso l azoto presente in partenza era fornito prevalentemente dall insilato di mais e quindi organico. A ciò si aggiunge che l azoto organico del silomais non è stato sottoposto ad alcuno sfruttamento da parte di apparati digerenti animali e di conseguenza è risultato molto più reattivo rispetto a quello escreto da suini e bovini. Separazione. La separazione solidoliquido del digestato prodotto nei reattori è stata condotta con una centrifuga da laboratorio a giri/min. I risultati ottenuti, pertanto, hanno significato in termini di confronto tra i diversi materiali sottoposti a separazione ma non sono paragonabili in modo diretto con quelli delle applicazioni di centrifughe commerciali, che lavorano a velocità inferiori e però producono una frazione solida più asciutta di quella ottenuta in laboratorio, per come è configurato il loro sistema di scarico. È risultato evidente che la digestione anaerobica, demolendo la sostanza organica, determina una riduzione di TABELLA 3 - Efficienza di separazione nella frazione solida dalle varie matrici indagate Parametri Effluente suino tal quale suino Effluente bovino tal quale bovino La digestione anaerobica, demolendo la sostanza organica, determina una riduzione di concentrazione di solidi totali con una conseguente riduzione delle efficienze di separazione. concentrazione di solidi totali con una conseguente riduzione dell efficienza di separazione (tabella 3). Il fenomeno è risultato più chiaro nel caso del liquame suinicolo in cui l efficienza di separazione dei solidi si è ridotta dal 74 al 61% mentre l efficienza di separazione dell azoto totale è passata dal 50 al 28%. Nel caso del liquame bovino, invece, il fenomeno è meno accentuato grazie alla presenza di maggiori quantità di frazioni fibrose che in digestione anaerobica vengono degradate con una minore intensità e in fase di separazione solido/liquido permettono di mantenere più elevata l efficienza: per i solidi totali è rimasta quasi invariata tra il 76 e il 77%, mentre l efficienza di separazione dell azoto totale si è ridotta dal 56 al 48%. L efficienza di separazione dell azoto risulta più penalizzata di quella dei solidi per il processo di mineralizzazione da codigestione Peso (%) 23,4 10,9 36,7 26,9 24,7 Solidi totali (%) 73,8 60,8 77,1 75,6 70,8 Azoto totale (%) 49,8 27,7 55,6 48,4 43,2 dell azoto organico ad ammoniacale, con aumento quindi della quota di azoto solubile a scapito di quella sospesa. Di conseguenza, la quantità di azoto ammoniacale presente nella frazione chiarificata del liquame suino digerito è risultata maggiore del 36% rispetto a quella del chiarificato da liquame tal quale non digerito e separato con la stessa tecnica. Nel caso del liquame bovino tale differenza è risultata pari al 43%. Quando è utile la separazione solido/liquido La separazione solido/liquido trova generalmente applicazione, oltreché per migliorare la gestione complessiva dei liquami, anche per concentrare azoto nella frazione solida che si può esportare L azoto ammoniacale riducendo i surplus nella frazione chiarificata aziendali. dei liquami, dopo digestione, Le prove condotte aumenta in modo significativo hanno dimostrato che con la separazione solido/liquido applicata agli effluenti zootecnici sottoposti a digestione anaerobica si riduce l efficienza di separazione della sostanza secca e dell azoto nella frazione solida, rispetto agli effluenti freschi. Ciò può risultare sfavorevole qualora si persegua l obiettivo di concentrare questi elementi nella frazio- Efficienza di separazione dell azoto (%) Liquame bovino da liquame bovino Liquame suino da co-digestione fra liquame bovino e silomais da liquame suino Azoto totale sui solidi totali (%) GRAFICO 2 - Correlazione fra concentrazione di azoto totale ed efficienza di separazione nel solido L avvio a digestione anaerobica dell effluente riduce la concentrazione di solidi totali e converte ad ammoniaca parte dell azoto organico presente; entrambi i fenomeni contribuiscono a diminuire l efficienza di separazione dell azoto totale. L insilato di mais è spesso utilizzato in co-digestione con liquami bovini 43/2009 L Informatore Agrario 57

4 T UN PROGETTO DI RICERCA DEL MIPAAF Caratteristiche dei liquami digeriti Il Ministero delle politiche agricole alimentari e forestali ha concesso un contributo per la realizzazione di un progetto di ricerca su «Effetti dovuti alla digestione anaerobica sulla disponibilità di azoto negli effluenti zootecnici, ai fini del superamento del limite di 170 kg N/ha/anno imposto dalla Direttiva Nitrati». Il progetto, biennale, partito nel 2008, è coordinato dalla Fondazione Crpa di Reggio Emilia e ne sono partner il Crpa, il Dipartimento di agronomia, selvicoltura e gestione del territorio (Agroselviter) dell Università di Torino e il Centro di ricerca per lo studio delle relazioni tra pianta e suolo (Cra-Rps) di Roma. Lo studio intende verificare gli effetti dovuti al processo di digestione anaerobica sull utilizzo agronomico degli effluenti zootecnici, attraverso tre azioni principali: produzione e caratterizzazione di diversi substrati digeriti anaerobicamente, ottenuti in un sistema costruito in scala di laboratorio che simula il processo di digestione anaerobica come concepito in scala reale, con carichi e scarichi giornalieri dei liquami. Tale sistema permette di conoscere con precisione l origine e le condizioni di ottenimento degli effluenti digeriti. La separazione solido-liquido dei diversi digestati permetterà di verificare le caratteristiche agronomiche della frazione chiarificata e solida ottenute; ne solida, ad esempio per esportarli; per questo fine sarebbe certamente più conveniente sottoporre a separazione gli effluenti non digeriti. Si intravedono invece dei vantaggi se si guarda alle proprietà fertilizzanti delle due frazioni. Con la separazione solido/liquido del digestato si concentra nella frazione chiarificata un elevata percentuale dell azoto sotto forma ammoniacale, prontamente assimilabile dalle colture, e nella frazione solida l azoto organico a più lenta mineralizzazione, che rende tale materiale più adatto per un uso ammendante. Considerate le caratteristiche della frazione chiarificata del digestato, esse si avvicinano a quelle di un concime liquido a pronto effetto, sebbene con titolo ridotto (generalmente meno di 5 kg N/t). Si ritiene giustificata, per questa specifica frazione, la richiesta di innalzamento del limite di 170 kg N/ha/anno imposto dalla direttiva nitrati per le zone vulnerabili, a condizione di farne uso nei periodi opportuni, quelli il più possibile ravvicinati allo sviluppo colturale, e adottando per lo spandimento le Migliori tecniche disponibili (Fabbri et al., 2006; Mantovi e Bonazzi, 2009; Valli et al., 2007). Infatti la definizione di effluente zootecnico che viene data all articolo 2 della Direttiva Nitrati (91/676/EEC) impedisce di utilizzare i liquami, anche dopo trattamento, a dosi superiori a quelle stabilite per le zone vulnerabili da nitrati. L imposizione di questo vincolo sembra essere stata motivata dal fatto che al tempo della sua stesura non era riconosciuta ai trattamenti la capacità di modificare le proprietà chimico-fisiche degli effluenti, almeno in misura tale da permettere l attenuazione del loro impatto ambientale. Un altro aspetto che deve aver pesato era il permanere, per gli effluenti trattati, di quell incertezza nella composizione che caratterizza gli effluenti grezzi e che limita fortemente l accuratezza dell applicazione agronomica. Dopo 18 anni dall uscita della direttiva nitrati questa scelta appare non più totalmente condivisibile; ciò grazie alle migliori conoscenze dei processi e alle innovazioni tecnologiche realizzate, che oggi permettono di modificare la composizione e le qualità del liquame e quindi la disponibilità per le piante dei nutrienti che contiene. L innalzamento del tetto di 170 kg N/ ha/anno, per specifiche condizioni, potrebbe comportare una riduzione significativa dell uso dei concimi di sintesi, la cui produzione, va ricordato, oltre a richiedere molta energia, è fonte di considerevoli emissioni di gas a effetto serra (Wood e Cowie, 2004). In pratica per gli agricoltori, in concreto, vorrebbe dire non dover più delocalizzare l azoto minerale già disponibile negli effluenti e di conseguenza non doverne acquistare dello stesso tipo sotto forma di concime commerciale. Per la frazione solida da digestati, che contiene un elevata percentuale di sostanza organica parzialmente stabilizzata, la valorizzazione dovrebbe essere ai fini ammendanti, anche esportandola a distanza dal centro di produzione. Nel suo utilizzo sui terreni si deve considerare anche la concentrazione di fosforo, che potrebbe studio delle dinamiche di azoto e carbonio dei prodotti ottenuti nell azione 1, addizionati al suolo posto in condizioni controllate di laboratorio («mesocosmi» realizzati con vasi cilindrici). Il confronto con le dinamiche che si devono agli apporti di concimi chimici o effluenti zootecnici non trattati permetterà di differenziare il comportamento dei diversi materiali e di modellizzare il loro effetto in campo; prove di utilizzo in vaso delle frazioni solide degli effluenti digeriti, tal quali o sottoposte a compostaggio, con caratterizzazione chimico-fisica incentrata sulla qualità della sostanza organica. Tale attività permetterà di pervenire a una valutazione del potenziale utilizzo delle frazioni solide come ammendanti a lento rilascio dell azoto. I risultati del progetto di ricerca, in definitiva, stanno fornendo utili evidenze oltreché sulle caratteristiche chimico-fisiche degli effluenti digeriti anche sulle loro proprietà fertilizzanti e pertanto potranno risultare utili per supportare una strategia volta al superamento del limite di 170 kg N/ha/anno per specifiche frazioni di digestati. Al termine delle attività di ricerca è prevista la pubblicazione di una guida che sintetizzerà le caratteristiche fertilizzanti/ammendanti dei materiali derivati dalla digestione anaerobica degli effluenti zootecnici, per potere ottimizzare il loro utilizzo sui terreni. limitarne gli apporti su quei terreni che, per le loro caratteristiche chimico-fisiche, sono più soggetti alla lisciviazione dell elemento (Tabaglio e Gavazzi, 2003). Sulle specifiche caratteristiche ed effetti fertilizzanti delle frazioni separate si stanno conducendo ulteriori ricerche nell ambito del progetto. Paolo Mantovi Claudio Fabbri Mariangela Soldano Fondazione Crpa studi e ricerche Sergio Piccinini Crpa - Reggio Emilia Per consultare la bibliografia: 09ia43_4664_web 58 L Informatore Agrario 43/2009

5 T? Articolo pubblicato su L Informatore Agrario n. 43/2009 a pag. 55 La separazione del digestato aumenta il potere fertilizzante BIBLIOGRAFIA Adua M. (2008) - Cresce l ammendante cala il concime. L Informatore Agrario, 4: Fabbri C., Mantovi P., Bonazzi G., Verzellesi F. (2006) - La microirrigazione con liquami suini. L Informatore Agrario, 41: Mantovi P., Bonazzi G. (2009) - Migliori tecniche disponibili nella fertirrigazione. L Informatore Agrario, 14: Piccinini S., Soldano M., Fabbri C. (2008) - Le scelte politiche lanciano il biogas. Supplemento a L Informatore Agrario, 2: 1-6. Tabaglio V., Gavazzi C. (2003) - La riutilizzazione delle riserve fosfatiche in alcuni tipi di terreni emiliani - Un terzo quinquennio di indagine ( ). Editrice Tecnograf, Reggio Emilia. Valli L., Bonazzi G., Fabbri C. (2007) - Migliori tecniche disponibili adottabili nello spandimento. Supplemento a Suinicoltura, 11: Wood S., Cowie A. (2004) - A review of greenhouse gas emission factors for fertiliser production. Report for IEA Bioenergy Task org/publications/

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