Dicembre 2023

Gruppo Operativo per l’Innovazione

Trattamento degli efluenti e digestati zootecnici per ridurne le emissioni e produrre Struvite

Dicembre 2023

Xxxxxxxx Xxxxxxxxxx, Xxxxxxx Xxxxxxxx, Xxxxxxx Xxxxxxxxxx e Xxxxxx Xxxxxxxxx – Centro Ricerche Produzioni Animali Scpa

Il contesto dell’innovazione Struvite e gli obiettivi

Gli efluenti zootecnici rappresentano un’ottima matrice fertilizzante per le colture e i terreni in quanto ric- chi sia di macro e micro nutrienti che di sostanza organica, utili per il mantenimento della produttività dei suoli agricoli. Il rovescio della medaglia è costituito dalla potenzialità emissiva (ammoniaca e gas serra) dei liquami durante le fasi di stoccaggio e spandimento. Il settore agricolo, infatti, determina il 7% circa delle emissioni nazionali di gas serra e di questa quota il 18,8% deriva dalla gestione delle deiezioni. Per quanto riguarda le emissioni ammoniacali il settore agricoltura rappresenta il 94% delle emissioni nazionali con il 49,9% di tale quota derivante dalla gestione degli efluenti (ISPRA, Rapporti 318/2020 e 319/2020).

In Italia sono presenti aree ad elevata presenza di allevamenti in cui una gestione ottimale degli ef- fluenti e digestati zootecnici potrebbe comportare una riduzione delle emissioni. Non solo, un tratta- mento degli effluenti finalizzato anche al recupero dei nutrienti in essi contenuti potrebbe favorire la delocalizzazione del surplus di azoto e fosforo dalle aree a elevata zootecnia verso aree invece caratte- rizzate da richiesta di concimi chimici, in raccordo coi principi del Nutrient Recovery and Reuse e con i target del Farm to Fork. La strategia Farm to Fork promuove un sistema alimentare sostenibile, cuore del Green Deal dell’Unione Europea, che tra gli obiettivi principali ha quello di ridurre del 20% l’uso

dei fertilizzanti industriali e del 50% la perdita dei nutrienti entro il 2030.

L’obiettivo del Gruppo Operativo per l’Innovazione (GOI) Struvite è stato quello di diminuire il tenore di azoto (N) e fosforo (P) negli efluenti e digestati zootecnici al fine di ridurre le emissioni in atmo- sfera di ammoniaca, metano e protossido d’azoto sia dalla fase di stoccaggio che di spandimento rispetto alle matrici tal quali. L’azoto e il fosforo recuperati dagli efluenti hanno prodotto un fer- tilizzante di recupero rinnovabile a lento rilascio (struvite) che può sostituire i fertilizzanti di sintesi nelle aree caratterizzate da deficit di nutrienti.

Per raggiungere questo obiettivo il GOI ha pro- gettato e realizzato un sistema prototipale, a scala aziendale, in grado di produrre ed estrar- re struvite dagli efluenti e digestati zootecnici. Il GOI Struvite, coordinato dal CRPA di Reggio Xxxxxx, ha visto in primis la partecipazione della Società Xxxxxxxx Xxxxxxxxx, importante e stori- co allevamento suino di Formigine in provincia di Modena, sede delle attività, la Fondazione FCSR che ha collaborato alle attività sperimentali e di monitoraggio e Dinamica, che si è occupata del- la formazione prevista dal piano e destinata agli operatori del settore agricolo regionale.

Il prototipo realizzato

La prima fase delle attività ha visto la progetta- zione, realizzazione e installazione del prototipo presso l'impianto di biogas della Società Xxxxxxxx Xxxxxxxxx. La digestione anaerobica comporta la mineralizzazione di parte dell’azoto organico presente nei liquami zootecnici in azoto ammo- niacale (N-NH4+) e di parte del fosforo organico ad ortofosfato inorganico (PO43-). Pertanto il di- gestato, in uscita dalla digestione anaerobica, è una matrice ottimale da avviare al processo in- novativo di recupero di azoto e fosforo per preci- pitazione e cristallizzazione di struvite (magnesio ammonio fosfato esaidrato – MgNH4PO4·6H2O). Il componente principale del prototipo si com- pone di un reattore cilindrico di cristallizzazione,

concentrico a un reattore a cono rovesciato in cui avviene la successiva fase di precipitazione della struvite. La struvite viene raccolta dal fondo men- tre lo scarico del surnatante chiarificato trova luo- go nell’estremità alta. Una soffiante insufla aria, tramite una coppa porosa, all’interno del reattore cilindrico di cristallizzazione con la duplice funzio- ne di miscelare e incrementare il pH attraverso lo strippaggio della CO2. Un pH basico del refluo, in- fatti, incrementa l’efficienza del processo di preci- pitazione della struvite. Prima del reattore di pre- cipitazione e cristallizzazione è stato installato un sistema di microfiltrazione a 40 micron (MFT 500 SEPCOM), al fine di avviare alla cristallizzazione un refluo il più possibile privo di materiale sospeso e particolato solido grossolano, che ostacolerebbe- ro la formazione della struvite.

Figura 1 – Il prototipo per il recupero della struvite

Figura 2 – Schema della linea di trattamento prototipale realizzata

I risultati delle prove con il prototipo

Il prototipo è stato messo a punto e testato in varie prove; sono riportate di seguito, come esempio, le caratteristiche operative e i risultati ottenuti in 3 prove.

Prova denominata B2 in cui il digestato, chiari- ficato dal separatore solido-liquido aziendale e raccolto nel serbatoio (punto di campionamento della matrice Chiarificato in Tabella 2), viene pom- pato nel reattore di cristallizzazione concentrico. Qui permane per circa 90 minuti, durante i quali è sottoposto ad insuflazione di aria per strippare

CO₂ al fine di incrementarne il pH. In questa fase ha luogo la formazione di cristalli di struvite nel digestato. Nella successiva fase di trattamento, il digestato scende nel reattore di precipitazione, progettato per avere un tempo di ritenzione idrau- lica pari a 7 ore durante le quali i solidi sospesi e la struvite formatasi sedimentano sul fondo del cono (campionamento della matrice Precipitato). Il digestato, a fine processo, viene scaricato super- ficialmente dallo stramazzo posto sulla sommità del reattore (campionamento della matrice Sur- natante). I test condotti in modalità B2 non hanno previsto l’utilizzo di reagenti chimici.

Tabella 1 – Caratteristiche operative delle varie prove fatte

Matrice in ingresso B2 Digestato chiarificato			T1 M1 Digestato chiarificato Digestato chiarificato
Microfiltro	(ON/OFF)	OFF	ON	OFF
Portata pompa	(l/h)	200	200	200
pH serbatoio	(-)	8,3	7,5	8,3
pH reattore	(-)	8,8	10	8,8
Flusso acidoa	(l/h)	0	9,0	0,0
Flusso baseb	(l/h)	0	6,0	0,0
Flusso Mgc	(l/h)	0	4,5	4,5
Acido utilizzato	(l/m³)	0	12d	0
Base utilizzata	(l/m³)	0	30e	0
Magnesio utilizzato	(l/m³)	0	23e	23d

a soluzione al 50% di H₂SO₄ b soluzione al 30% di NaOH c soluzione al 15% di MgCl₂

d litri per metro cubo di digestato chiarificato trattato

e litri per metro cubo di microfiltrato trattato

Prova Matrice pH ST SV NTK N-NH₄⁺ Ptot P-PO₄³⁻ Mg [g/kg tq] [%tq] [g/kg tq] [%ST] [mg/kg tq] [%ST] [mg/kg tq] [%NTK] [mg/kg tq] [%ST] [mg/kg tq] [%Ptot] [mg/kg tq] [%ST]
Chiarificato	8,3	50	5,0	32	65	4848 9,8	2870	59	1445 2,9	154	11	862 1,7
B2	Surnatante Precipitato	8,4 8,0	48 87	4,8 8,7	32 48	66    4800 9,9   2860 55 6238 7,4 3356		60    1390 2,9    156   11    827 1,7 54 2248 2,6 000 00 0000 3,4

Tabella 2 – Caratterizzazione di tutte le matrici in ingresso e uscita nelle diverse prove

Chiarificato	8,3	51	5,1	34	66	5074	9,9	2919	58	1370	2,7	294	21	785	1,5
Addensato	7,5	67	6,7	41	62	5293	7,9	3104	59	1756	2,6	000	00	0000	1,6
T1	Microfiltrato	7,5	42	4,2	26	61	4621	11,0	3051	66	725	1,7	260	36	335	0,8
Surnatante Precipitato		9,1 10,1	36 103	3,6 10,3	16 54	45    4040 11,3   2782 52 6298 6,1 3740				69    367 1,0    112   31    272 0,8 59 2247 2,2 179 8 2684 2,6

Chiarificato	8,3	50	5,0	32	65	4842	9,8	2900	60	1237	2,5	232	19	697	1,4
M1	Surnatante	8,4	48	4,8	31	65	4671	9,7	2987	64	1378	2,9	228	17	760	1,6
	Precipitato	10,0	94	9,4	46	49	5663	6,0	3560	63	2434	2,6	156	6	1645	1,8

Nella prova M1 si è aggiunto anche una soluzio- ne al 15% di cloruro di magnesio (MgCl₂) all’in- terno del reattore di cristallizzazione, col fine di ottimizzare i rapporti stechiometrici N:P:Mg.

La prova T1, infine, ha previsto: l’acidificazione con soluzione al 50% di acido solforico (H2SO4) all’interno del serbatoio, con conseguente ridu- zione del pH fino a 7,5; il successivo passaggio

del digestato chiarificato acidificato attraverso il microfiltro con conseguente produzione e cam- pionamento di Addensato e Microfiltrato e pom- paggio di quest’ultimo nel reattore; basificazione con soluzione al 30% di idrossido di sodio (NaOH) in concomitanza con l’addizione di soluzione al 15% di MgCl₂ nel reattore.

Concentrazione in mg/kg di N,P,Mg in entrata e

uscita dal prototipo nella prova B2

8000

6000

4000

2000

0

Chiarificato

Surnatante

Precipitato

Concentrazione in mg/kg di N,P,Mg in entrata

e uscita dal prototipo nella prova T1

8000

6000

4000

NTK

Ptot Mg

2000

0

Microfiltrato Surnatante

Precipitato

Figura 3 – Andamento N, P e Mg in due prove senza (B2) e con (T1) additivi e microfiltrazione

In tutte le tre prove si è potuto osservare un au- mento nel precipitato della concentrazione di N, P e Mg rispetto al digestato chiarificato alimentato. La grossa riduzione della percentuale ortofosfori- ca del fosforo totale nel precipitato T1 rispetto a

quella del microfiltrato (8% vs 36%), in concomi- tanza con un aumento della concentrazione del fosforo totale (2247 vs 725 mg/kg tq), indica l’av- venuta precipitazione del fosforo ortofosforico, anche sotto forma di cristalli di struvite.

La frazione densa ricca di struvite

I precipitati di tutte le prove, e in particolare del- la T1, hanno una discreta concentrazione di ma- cronutrienti, e i rapporti stechiometrici N:P:Mg suggeriscono, nonostante l’eccesso di azoto, la presenza significativa di struvite. A seguito di un’ulteriore lavorazione/raffinazione queste ma- trici può diventare un fertilizzante commerciabile ai sensi del Regolamento Europeo 2019/1009.

Prove

moli N

moli P

moli Mg

Tabella 3 – Rapporti stechiometrici N:P:Mg nei precipitati

	[moli/kg]	[moli/kg]	[moli/kg]
B2	0,45	0,07	0,12
T1	0,45	0,07	0,11
M1	0,47	0,08	0,06

Concentrazioni di N, P, Mg come mg/kg nei precipitati estratti

7000 NTK

6000 Ptot

5000 Mg

4000

3000

2000

1000

0

B2 T1 M1

Figura 4 – Concentrazione di N, P, e Mg nei precipitati prodotti nelle tre prove

Figura 5 – Osservazione al microscopio stereoscopico dei cristalli di struvite

Le emissioni

Il recupero di nutrienti dal digestato in una matri- ce stabile e di volume contenuto (precipitato) ha permesso di ottenere una frazione in uscita dal trattamento prototipale (surnatante) a ridotto tenore di azoto, fosforo e sostanza organica ri- spetto al digestato chiarificato in ingresso.

7

6

5

4

3

2

1

0

Precipitato

Addensato Chiarificato Trattato

7-ott 14-ott 21-ott 28-ott 4-nov 11-nov

g CH4/kg SV

g NH3/kg N

Attività non secondarie del GOI Struvite sono sta- te, pertanto, la misura in campo delle emissioni dalla fase di stoccaggio e spandimento delle ma- trici prodotte dal sistema di trattamento prototi- pale, rispetto al digestato chiarificato in ingresso. Le matrici sottoposte a monitoraggio sono state quelle ottenute durante i test T1 (tabella 2) e nello specifico il digestato chiarificato, la frazione addensata acidificata in uscita dalla microfiltra- zione, la frazione precipitata contenente struvite e la frazione surnatante impoverita di nutrienti. Le emissioni di protossido d’azoto (N2O) dallo stoccaggio sono risultate trascurabili e non signi- ficativamente diverse per le varie tesi in quanto matrici chiarificate e prive di crosta. Al contrario, le emissioni di metano dalle frazioni risultanti

dal trattamento (precipitato e surnatante tratta- to) hanno mostrato una potenzialità emissiva di metano dell’86% inferiore rispetto al digestato in ingresso (emissioni espresse in g di CH4 emessi durante la fase di stoccaggio per kg di solidi vo- latili (SV) presente in stoccaggio). Le emissioni di ammoniaca dallo stoccaggio del surnatante trat- tato e dalla frazione addensata, acidificata da pH 8,3 a 7,5, sono risultate rispettivamente del 42% e 77% inferiori rispetto al digestato chiarificato in ingresso (espresse in g di NH3 emessi durante la fase di stoccaggio per kg N stoccato) (figura 6). La matrice precipitata, ricca in azoto, ha mostrato emissioni simili al digestato in ingresso; da sotto- lineare che nella gestione reale non si prevede lo stoccaggio prolungato di tale prodotto, che do- vrebbe essere disidratato e/o ceduto a un’azien- da che lo valorizzi come componente base per la produzione di concimi azoto-fosfatici.

40

35

30

25

20

15

10

5

0

7-ott

Precipitato

Addensato Chiarificato Trattato

14-ott

21-ott 28-ott 4-nov 11-nov

Le emissioni azotate (sommatoria di N nell’am- moniaca e N nel protossido d’azoto), generate in seguito all’applicazione al suolo delle matrici trattate, sono risultate inferiori rispetto al dige- stato chiarificato: ridotte del 19% per il surnatan-

Figura 6 – Emissioni cumulate di metano (a sinistra) e di ammoniaca (a destra) dalla fase di stoccaggio delle diverse matrici

te trattato, del 63% e del 19% rispettivamente per precipitato e addensato. Non sono state ri- levate emissioni di metano dal suolo per alcuna

matrice, in linea con le sperimentazioni interna- zionali che indicano tale criticità solo per i terreni anossici quali quelle delle risaie.

Tabella 4 – Perdite azotate in atmosfera, di ammoniaca e protossido d’azoto (espresse come percentuale rispetto alla dose di azoto distribuita), dalla fase di utilizzazione agronomica delle diverse matrici

	Quantità distribuita	Dose N distribuita	Emissioni specifiche (*) (N-NH3/N distribuito)	Emissioni specifiche (N-N2O/N distribuito)	Emissioni specifiche (N/N distribuito)	Riduzione emissioni rispetto controllo
	[m3/ha]	[kg N/ha]	[%]	[%]	[%]	[%]
Digestato chiarificato	34	169	64	2	66	-
Digestato trattato	42	159	52	2	54	19%
Digestato precipitato	26	210	22	3	25	63%
Digestato addensato	32	170	51	2	53	19%

(*) Emissioni totalizzate di ammoniaca nelle 72 ore successive allo spandimento per fini sperimentali, la normativa ne prevede l’interramento entro le 24 ore

Valutazione della sostenibilità ambientale dell’innovazione

La sostenibilità ambientale dell’innovazione pro- posta dal GOI Struvite è stata stimata applican- do la metodologia LCA – Life Cycle Assessment o analisi del ciclo di vita. L’analisi LCA ha valutato tutti gli input e output della fase di stoccaggio degli efluenti andando così a determinare l’Im- pronta Carbonica (IC) espressa in kg CO2equiva-

lente/m3 liquame stoccato, unità funzionale nella quale sono state convertite tutte le emissioni di gas serra (CH4, CO2 e N2O) derivanti dalla gestione innovativa degli efluenti (Trattamento) rispetto a quella aziendale già in essere (Controllo). Il calcolo è stato condotto applicando i riferimenti metodologici dell’IPCC 2019 Refinement to 2006. I confini del sistema oggetto di indagine sono ri- portati nelle figure 7 e 8 rispettivamente per le due tesi.

Figura 7 – Confini del sistema della tesi del controllo Figura 8 – Confini del sistema della tesi del trattamento

A partire dal contenuto di solidi volatili (SV) e azoto totale (NTK) sono state stimate le emissioni di me- tano (CH4) e protossido d’azoto (N2O) dallo stoc- caggio della frazione densa e del surnatante per la tesi del trattamento e della frazione liquida in uscita dal separatore per la tesi del controllo. Nel- la tesi del trattamento rispetto al controllo sono

state incluse le emissioni dovute alla produzione di materiali, reagenti ed energia per il funziona- mento del prototipo e il beneficio ambientale dovuto all’applicazione di fertilizzante rinnovabile (4,57 kg CO2eq per kg di N recuperato, 1,24 kg CO- 2eq per kg di P (JRC, 2017)). Alla frazione densa del trattamento sono stati poi applicati i fattori di

riduzione del 25% per il CH4 e del 50% per il N2O dovuti all’abbassamento del pH in questa fase del processo di produzione della struvite.

I risultati dell’Impronta Carbonica riportano un maggior contributo al cambiamento climatico del-

trollo è raggiunto grazie alla minore emissione di metano e protossido d’azoto dalla fase di stoccaggio dovuto al minor contenuto di azo- to (NTK) e solidi volatili delle matrici stoccate e all’acidificazione della frazione addensata del trattamento; la produzione di fertilizzante rin- novabile garantisce una riduzione delle emissio-

la gestione tradizionale degli efluenti zootecnici rispetto all’innovazione proposta dal GOI Struvite (27,7 kg CO2 eq/m3 liquame del controllo rispetto a 18,5 kg CO2 eq/m3 liquame del trattamento).

Il minor impatto del trattamento rispetto al con-

Figura 9 – Risultati dell’Impronta Carbonica della gestione innovativa degli effuenti (Trattamento) rispetto alla gestione tradizionale (Controllo) e contributo dei singoli input al totale

ni di CO2 equivalente a 2 kg CO2 eq/m3 liquame. Il metano emesso dalla fase di stoccaggio è il gas serra che contribuisce maggiormente alle emissioni del sistema in entrambe le tesi. Elet- tricità e reagenti per alimentare il prototipo in- cidono in maniere marginale sul totale dell’Im- pronta Carbonica.

Conclusioni

Il recupero di fosforo e azoto dai digestati agro-zootecnici attraverso lo sviluppo e l’imple- mentazione del sistema prototipale Struvite è risultato tecnicamente fattibile; il precipitato contenente struvite deve, però, essere ulterior- mente raffinato/valorizzato, ad esempio da un produttore di fertilizzanti, per poter effettiva- mente sostituire i minerali fosfatici con fosforo di recupero in accordo col nuovo regolamento europeo sui fertilizzanti.

Specialmente nelle prove con acidificazione, ba- sificazione e microfiltrazione il surnatante risulta significativamente impoverito in azoto e fosforo rispetto al digestato chiarificato in ingresso. Infat- ti, il trattamento prototipale del digestato è stato

efficace nel ridurre le emissioni di ammoniaca e gas serra, in particolare metano, dalla gestione dei digestati zootecnici. Il ridotto contenuto di azoto nel flusso di digestato in uscita dal trattamento ha permesso di ridurne le emissioni ammoniacali del 42% dallo stoccaggio e del 19% dallo spandimen- to rispetto al digestato chiarificato non trattato, mentre il limitato tenore di sostanza organica ha determinato una riduzione delle emissioni di me- tano dalla fase di stoccaggio dell’86%.

L’elevata concentrazione di solidi e sostanza or- ganica nel digestato, anche se sottoposto a se- parazione solido/liquido, risulta invece ancora una criticità; il sistema di trattamento prototipa- le può e deve essere ulteriormente efficientato. L’attività di ricerca e sviluppo deve continuare.

Capofila

xxxxx://xxxxxxxx.xxxx.xx

Divulgazione a cura di Centro Ricerche Produzioni Animali Soc. Cons. p. A. Autorità di Gestione: Direzione Agri- coltura, caccia e pesca della Regione Xxxxxx-Romagna. Iniziativa realizzata nell’ambito del Programma regionale di sviluppo rurale 2014-2020 — Tipo di operazione 16.1.01 — Gruppi operativi del partenariato europeo per la produt- tività e la sostenibilità dell'agricoltura — Focus Area 5D - Ridurre le emissioni di gas a effetto serra e di ammoniaca prodotte dall'agricoltura — Progetto “Trattamento degli effluenti e digestati zootecnici per ridurne le emissioni e produrre Struvite”.

Stampa a cura di Xxxxxxxxx Xxx - Dicembre 2023