Gli effluenti d’allevamento rappresentano un’ottima matrice fertilizzante per le colture e i terreni in quanto ricchi sia di macro e micronutrienti 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, specialmente in quelle aree ad elevata presenza zootecnica e se non soggetti a corretta gestione.
Nel documento Bref (Best available techniques reference document) del 2017 relativo agli allevamenti intensivi, tra le possibili Bat (Best available techniques = Migliori tecnologie disponibili), al punto Bat 19 si considerano le tecniche di trattamento degli effluenti d’allevamento come una soluzione per ridurre le emissioni di azoto, fosforo, odori e agenti patogeni nell'aria e nell'acqua, mentre la tecnica specifica del trattamento con produzione di struvite è una delle Bat emergenti riportate nel documento.
Inoltre, vari Report tecnici della Commissione europea già nel 2011 illustravano la tecnica della struvite come una possibile soluzione di trattamento per gli effluenti e digestati e il nuovo Regolamento europeo 2019/1009 sui fertilizzanti include la struvite tra quelli di recupero, commercializzabile sul territorio dell’intera Unione europea.
Recupero di azoto e fosforo
Il recupero di azoto e fosforo mediante la produzione di struvite è stato finora applicato a scala reale solo in pochi casi e soprattutto ad acque reflue urbane in impianti di depurazione, per esempio negli impianti di trattamento delle acque reflue civili di Matsue e Fukuoka in Giappone, con recupero di struvite dai surnatanti della digestione anaerobica, da cui vengono estratte fino a 150 t/anno di struvite.
Altre tecnologie di cristallizzazione della struvite con processo a letto fluido o con colonne aerate sono proposte sul mercato impiantistico; anche in questo caso si tratta di tecnologie studiate e progettate prevalentemente per reflui urbani o industriali, nonostante il recupero di azoto e fosforo mediante precipitazione controllata della struvite sia potenzialmente rilevante ovunque vi siano reflui con un’elevata concentrazione di fosforo, caratteristica che, per esempio, i liquami suinicoli rispecchiano in pieno (600÷1.000 mg/L).
In Italia non sono documentati casi, su scala aziendale, di questo tipo di processo applicato agli effluenti zootecnici o ai digestati agrozootecnici o da forsu (frazione organica da raccolta differenziata dei rifiuti urbani).
Il progetto di sviluppo industriale struvite
Per mettere a punto un processo di recupero della struvite da liquami suinicoli, è operativo il progetto Struvite -Trattamento dei digestati per ridurre le emissioni e recuperare un fertilizzante, la struvite, finanziato nell’ambito del PR-Fesr Emilia-Romagna 2021-2027 (www.struvite.it).
Obiettivo del progetto è quello di produrre il fertilizzante struvite (che in accordo col nuovo Regolamento europeo 2019/1009 sui fertilizzanti può competere su tutto il mercato europeo coi fertilizzanti minerali e di sintesi ed evitare le emissioni di ghg derivanti dalla loro produzione) attraverso il recupero di azoto e fosforo nei digestati agrozootecnici e da forsu (per tale matrice è stata coinvolta nel progetto Biorg, società del gruppo Hera, che gestisce un digestore anaerobico per la produzione di biometano da forsu e sottoprodotti agroindustriali) al fine, anche, di ridurre le emissioni in atmosfera di ammoniaca, metano e protossido d’azoto sia dalla fase di stoccaggio che di spandimento.
Per fare ciò, il progetto oggetto del presente articolo e coordinato dal Crpa, sta mettendo a punto e realizzando un sistema prototipale a scala aziendale costituito da:
- un microfiltro per ridurre la presenza di sostanza organica sospesa che ostacolerebbe la precipitazione della struvite;
- un filtro zeolitico per ridurre la concentrazione di ammoniaca del digestato, avvicinandolo a un rapporto stechiometrico N:P ottimale per la precipitazione/cristallizzazione della struvite;
- un sistema di additivazione di compositi biochar-Mg come additivi di magnesio a lento rilascio e catalizzatori della cristallizzazione della struvite;
- una fase di cristallizzazione/sedimentazione per ottenere una fase densa precipitata ricca in struvite;
- una filtropressa per disidratare e compattare il precipitato struvitico e le zeoliti esauste.
Col Goi Struvite, realizzato nell'ambito del Programma di sviluppo rurale 2014-2020 della Regione Emilia-Romagna, è già stato sperimentato dal Crpa un processo di produzione della struvite da digestato zootecnico. L’attuale progetto offre l’opportunità di proseguire nell’implementazione e nella messa a punto del processo e nella sua dimostrazione prototipale in ambito aziendale, portando il prototipo realizzato con il Goi Struvite da TRL 5 a TRL 7.
Il prototipo
Il sistema prototipale è installato presso un allevamento suinicolo, l’azienda agricola Colombaro a Formigine (Mo), che sottopone i propri liquami in uscita dalle porcilaie al processo di digestione anaerobica con produzione di biogas (foto 2). Allo stesso tempo, la digestione anaerobica comporta la mineralizzazione di parte dell’azoto organico presente nei reflui in azoto ammoniacale (N-NH4+) e di parte del fosforo organico a ortofosfato inorganico (PO43-).
Pertanto, il digestato in uscita dalla digestione anaerobica e dalla successiva separazione solido/liquida (tabella 1), è una matrice ottimale da avviare al processo innovativo di recupero di azoto e fosforo per cristallizzazione e precipitazione di struvite.
Il prototipo è costituito da tre sezioni: una prima sezione di pretrattamento dell’effluente, con microfiltro e filtro zeolitico, da un successivo reattore di cristallizzazione e precipitazione della frazione densa ricca di struvite e da una fase finale di disidratazione della frazione densa precipitata con filtropressa (foto 3, 4).
La prima sezione di pretrattamento prevede l’eventuale aggiunta di acido per incrementare la frazione minerale di fosforo (ortofosfato), già naturalmente presente nei liquami suinicoli digeriti; una successiva microfiltrazione a 40 micron (macchina messa a disposizione da Wamgroup) al fine di avviare alla cristallizzazione un refluo il più possibile privo di materiale sospeso e particolato solido che ostacolerebbero la formazione della struvite e una filtrazione con zeolite (sistema prototipale messo a disposizione sempre da Wamgroup e sviluppato con la collaborazione dell’Università di Ferrara, partner del progetto con il laboratorio Terra&AcquaTech) per rimuovere e recuperare parte dell’azoto ammoniacale, ripristinando un più corretto rapporto molare tra azoto e fosforo, altrimenti decisamente sbilanciato verso l’azoto e nel contempo ottenere un ammendante azotato, la zeolite arricchita in ammonio.
La seconda sezione si compone di un reattore cilindrico di cristallizzazione, concentrico a un reattore a cono rovesciato in cui avviene la successiva fase di precipitazione della struvite. La frazione addensata ricca di struvite viene scaricata dal fondo, mentre lo scarico del surnatante chiarificato avviene nell’estremità alta. Nel reattore di cristallizzazione può essere aggiunto un sale di magnesio, nel caso fosse necessario aumentare la concentrazione di ione magnesio per garantire i rapporti stechiometrici ottimali alla cristallizzazione della struvite: nel progetto verrà testata l’aggiunta di un composito innovativo a base di biochar, prodotto da scarti agricoli, e magnesio recuperato da dolomia. Tale fase sarà sviluppata dall’Università di Bologna, anch’essa partner del progetto, con il laboratorio Ciri Frame.
Un soffiante insuffla aria tramite una coppa porosa all’interno del reattore cilindrico di cristallizzazione con la duplice funzione di miscelare i reagenti e incrementare il pH attraverso lo strippaggio della CO2. Un pH basico del refluo è infatti necessario per la precipitazione della struvite. Nel caso l’aereazione non risultasse sufficiente ad ottenere il pH ottimale di 8,5-9,5, è previsto un sistema automatico di innalzamento del pH mediante l’aggiunta di un reagente basico.
La frazione precipitata ed estratta dal sedimentatore verrà poi sottoposta a filtropressatura, con una filtropressa messa disposizione dalla Diemme Soil Washing, per l’ottenimento di un pannello disidratato ricco di struvite avviabile, ad esempio, all’industria dei fertilizzanti organici e organo-minerali. Il prototipo è in grado di trattare in continuo e in modo autonomo dai 2 ai 5 m3 al giorno di digestato.
| Tab. 1 - Caratteristiche chimico-fisiche medie (3 campioni) del digestato chiarificato aziendale oggetto del trattamento | ||
| Caratteristiche chimico-fisiche | ||
| pH | [-] | 8,27 |
| Solidi totali (ST) | [g/kg tq] | 45,4 |
| [%tq] | 4,54 | |
| Solidi volatili (SV) | [g/kg tq] | 29 |
| [%ST] | 63,9 | |
| Azoto totale Kjeldhal (NTK) | [mg/kg tq] | 4868 |
| [%ST] | 10,72 | |
| Azoto ammoniacale (N-NH4+) | [mg/kg tq] | 3243 |
| [%NTK] | 66,68 | |
| Fosforo totale (P) | [mg/kg tq] | 1491 |
| [%ST] | 3,28 | |
| Fosforo ortofosfato (P-PO43-) | [mg/kg tq] | 261 |
| [%P tot] | 19,16 | |
| Magnesio (Mg) | [mg/kg tq] | 720,07 |
| [%ST] | 1,59 | |
| Calcio (Ca) | [mg/kg tq] | 1.273,00 |
| [%ST] | 2,8 | |
Le attività previste
Le attività condotte dai partner di progetto mirano a valutare le prestazioni del prototipo, determinare il bilancio di massa e dei nutrienti e il tenore di azoto e fosforo nei digestati trattati e nella struvite prodotta.
L’implementazione e sviluppo del prototipo è giunta al termine e al momento si stanno svolgendo le attività di integrazione tra le varie fasi operative del sistema prototipale (microfiltrazione, filtrazione con zeolite, aggiunta di composito biochar-Mg, cristallizzazione/precipitazione della struvite e disidratazione della frazione addensata ricca in struvite) per definire un impianto il più possibile pronto per la realizzazione in scala industriale.
Si valuterà con attività di laboratorio anche l’applicabilità del recupero della struvite sulla frazione chiarificata da centrifugazione del digestato da Forsu, prodotta presso l’impianto di Biorg. Verranno caratterizzati ai sensi del nuovo regolamento europeo sui fertilizzanti i prodotti fertilizzanti di recupero ottenuti con il sistema prototipale, la frazione densa e disidratata ricca in struvite ottenuta alla fine della fase di cristallizzazione/sedimentazione, il composito biochar/struvite e la zeolite arricchita in ammoniaca.
Infine, con metodologia Lca (Life cycle assessment) si valuterà la sostenibilità ambientale, senza perdere di vista la sostenibilità economica, del trattamento. Si quantificherà la carbon footprint della linea di trattamento con il prototipo per il recupero di struvite rispetto alla situazione attuale (digestato agrozootecnico e da Forsu)
Cosa è la struvite?
In determinate condizioni di pH, temperatura e in presenza dei corretti rapporti stechiometrici Mg:N:P, lo ione negativo trivalente ortofosfato PO43- (parte del fosforo presente nei liquami) si lega ai cationi monovalenti di azoto ammoniacale NH4+ (frazione azotata che può superare il 60-70% nei liquami suini, specialmente se digeriti) e del magnesio Mg2+ (anch’esso presente nei liquami, specialmente suini) dando origine a un cristallo salino denominato struvite (sale stabile di fosfato ammonico magnesiaco idrato: NH4MgPO4·6H2O). Il processo di formazione della struvite è quindi un processo naturale che si origina in determinate condizioni; è infatti uno dei sali responsabili della formazione dei calcoli renali.
La struvite recuperata risulta una matrice ricca in fosforo ed ammonio e può parzialmente sostituire i fertilizzanti di sintesi, in particolar modo quelli fosfatici, riducendo così l’estrazione delle fosforiti e rendendo possibile un’economia circolare. L’attuale condizione di quotazione e di carenza di fertilizzanti di sintesi accentua l’importanza economica e di sicurezza alimentare del recupero dei nutrienti. La produzione dei fertilizzanti di recupero è infatti locale e promuove l’indipendenza dal mercato globale dei fertilizzanti.
Il regolamento delegato (Ue) 2021/2086 del 5 luglio 2021 ha modificato gli allegati II e IV del regolamento (Ue) 2019/1009 del 5 giugno 2019 (applicato a decorrere dal 16 luglio 2022) - che stabilisce le norme relative alla messa a disposizione sul mercato di prodotti fertilizzanti - al fine di aggiungere i precipitati di sali di fosfato (di cui la struvite fa parte) e i loro derivati come categoria di materiali costituenti i prodotti fertilizzanti dell’Ue.
Le attività svolte e i risultati sinora conseguiti dal progetto Struvite sono disponibili sul sito www.struvite.it
L’articolo è disponibile per i nostri abbonati sulla Rivista di Suinicoltura n. 5/2025
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