Trattamento di letame e digestato per il recupero di fertilizzanti

Allevamenti di bestiame, aziende lattiero-casearie e allevamenti avicoli producono una grande quantità di acque reflue contenenti elevate quantità di rifiuti organici. Altri processi di trattamento delle acque reflue generano anche fanghi, che possono essere trattati per ottenere sottoprodotti preziosi, come fertilizzanti, riutilizzabili in attività agricole come concimi o per compostaggio. La valorizzazione dei rifiuti attraverso la loro trasformazione in un prodotto prezioso, come fertilizzanti o acqua pulita, è un chiaro esempio di economia circolare.

Progettiamo e costruiamo impianti di gestione dei fanghi con letame e digestato che trasformano i rifiuti in risorse riutilizzabili e sottoprodotti, come:

• Acqua pulita e riutilizzabile.
• Fertilizzanti.
• Biogas utilizzabile per generare energia termica.

I sottoprodotti più comunemente raccolti per la trasformazione in fertilizzanti sono:

• Fanghi da processi di trattamento aerobico delle acque reflue.
• Digestato prodotto negli impianti di biometanizzazione.

È importante sottolineare che i fanghi derivanti dal trattamento delle acque reflue possono contenere germi patogeni e parassiti pericolosi per l’uomo, come salmonella, Escherichia coli, ascaridi, ecc. Pertanto, il loro utilizzo è regolamentato da direttive.

Il nostro sistema offre numerosi benefici ambientali ed economici:

• Forniamo una soluzione a un problema ambientale trasformando un prodotto di scarto che altrimenti sarebbe difficile e costoso da trattare in una fonte di autosufficienza e reddito per le aziende agricole.
• L’autosufficienza in acqua, energia e fertilizzanti provenienti da acque reflue e fanghi riduce i costi operativi e di gestione dei rifiuti.
• Produzione propria di fertilizzanti ecologici e di alta qualità che possono essere venduti in caso di eccedenza. È inoltre possibile generare reddito dalla vendita dell’energia in eccesso.

Questo processo circolare si basa sul riciclo dei prodotti, ottimizza l’uso delle risorse minerali, recupera e incorpora i sottoprodotti prodotti, minimizza le emissioni e riduce la dipendenza da fonti di energia non rinnovabili.

Il processo di biodigestione viene effettuato principalmente per la produzione di biogas, che può essere utilizzato come combustibile, a partire da diversi rifiuti organici, tra cui gli escrementi animali.

Oltre all’ottenimento di biogas, la biodigestione permette anche di ridurre il potenziale inquinante degli escrementi utilizzati per generare detto biogas, diminuendo la domanda chimica di ossigeno (DQO) e la domanda biologica di ossigeno (DBO) fino al 90%.

Come risultato di questo processo si genera un residuo chiamato digestato, che presenta un alto grado di concentrazione di nutrienti e materia organica, ed è ideale per essere utilizzato come fertilizzante.

Il digestato è un sottoprodotto semiliquido e può essere applicato direttamente, o previa separazione in due frazioni, solida e liquida, il che ne aumenta l’efficacia.

I vantaggi che presenta il digestato come fertilizzante sono:

• Rispetto ai rifiuti organici prima della loro digestione, i digestati sono più adatti all’uso agricolo, generano meno odori e presentano una maggiore qualità igienica.
• Il digestato presenta un maggiore grado di mineralizzazione passando l’azoto e il fosforo organico a minerale dopo la fermentazione. Questo lo rende assimilabile a un fertilizzante minerale. L’aumento dei prezzi di questi ultimi costituisce un’opportunità per i digestati.

Il seguente diagramma mostra i principali processi e tecnologie coinvolti in un impianto progettato per convertire i rifiuti generati nelle aziende agricole in risorse preziose e sottoprodotti:

1. Trattamento del digestato: I prodotti di scarto (fango liquido (*) + letame animale) vengono inviati ai serbatoi delle materie prime per lo stoccaggio e la miscelazione.

2. Digestione anaerobica del letame: La miscela di rifiuti viene inviata ai digestori biologici anaerobici per il trattamento, che porta all’estrazione di biogas e a un digestato, dal quale si separa una frazione liquida (88%) e una solida (2%).

3. Produzione e trattamento del biogas nelle aziende agricole: Il biogas viene inviato all’impianto di cogenerazione per convertirlo in elettricità e calore. In alternativa, è possibile produrre biometano purificando il biogas.

4. Concentrazione e produzione di fertilizzanti: La frazione liquida del digestato, che contiene nutrienti organici e minerali preziosi, attraversa diverse fasi di concentrazione mediante sistemi meccanici e termici, grazie alle quali si ottiene un fertilizzante liquido concentrato che può essere venduto, oltre ad acqua pulita che può essere scaricata o riutilizzata.

Una volta che i liquami sono stati miscelati con biomassa e trasformati in biogas in un biodigestore, questo biogas viene trasformato in energia elettrica in un combustore. Dopo questo processo di valorizzazione si ottiene un effluente non scaricabile a causa della sua alta concentrazione di sali di ammoniaca, noto come digestato.

I processi di separazione meccanica, seguiti da un sistema a membrane, riescono a separare la parte solida, che sarebbe quella da utilizzare come fertilizzante, e la parte liquida, che deve essere gestita come rifiuto.

Il problema di questo processo, senza aggiungere alcuna fase aggiuntiva, è che non si ottiene un fertilizzante di massima qualità, poiché non è pienamente efficace nel separare i liquidi dai solidi e nel concentrare la materia organica.

A questa qualità inferiore del fertilizzante si aggiungono altre due svantaggi:

• Spreco di una grande parte dei solidi e della materia organica contenuti nel digestato, che non si riescono a separare, il che significa che si sta ottenendo una quantità molto inferiore di fertilizzante, riducendo quindi i ricavi che si potrebbero ottenere dalla sua vendita.
• Aumento della quantità di rifiuto da trattare, poiché tutta questa materia che non viene utilizzata per produrre fertilizzante è un rifiuto che deve essere trattato da un gestore e ciò comporta un costo economico, cioè si stanno trasformando quelli che potrebbero essere ricavi in una spesa.

Per questi motivi, si può concludere che è più redditizio ed efficiente ridurre il volume del digestato direttamente nell’impianto e recuperare quella grande quantità di fertilizzante che si perde.

A tal fine, il digestato viene trattato in un evaporatore a vuoto, che permette di recuperare il 97% di acqua pulita, ottenendo contemporaneamente un concentrato che può essere nuovamente convertito in fertilizzante stabilizzato in un deposito di compostaggio.

Il seguente video mostra il processo di valorizzazione e trattamento dei liquami provenienti da suini e bovini tramite un impianto di produzione di biogas con evaporazione del digestato.

Con un evaporatore a vuoto possiamo separare tra il 90% e il 99% dell’acqua dai solidi e dalla materia organica, il che consente di ottenere un elevato concentrato di fertilizzante.

La maggiore produzione di fertilizzante ottenuta e i risparmi derivanti dalla consegna di una quantità minore di rifiuti al gestore compensano ampiamente l’investimento iniziale per l’acquisto dell’evaporatore a vuoto, essendo questa la soluzione più economica ed efficiente a medio termine.

I suoi vantaggi sono numerosi:

• Il recupero del fertilizzante aumenta e si risparmiano importanti somme di denaro non inviando digestato liquido al gestore dei rifiuti.
• L’acqua pulita (condensato) ottenuta nel processo di evaporazione può essere utilizzata come acqua di miscelazione all’inizio del processo di biogas, oppure essere scaricata senza pericoli se si preferisce.
• Il prodotto fertilizzante combinato può ancora essere ulteriormente essiccato e trasformato in fertilizzante secco.
• Un impianto di evaporazione è più efficiente nell’eliminare acqua dal digestato rispetto a un impianto di essiccazione.
• Aumento delle vendite di fertilizzante, che migliorano la redditività dell’impianto di biogas.
  Il digestato è una sostanza che sporca, il che allunga i tempi di operazione. Gli evaporatori a superficie raschiata garantiscono un’operazione senza interruzioni.
• Gli evaporatori possono concentrare il digestato fino a livelli elevati di concentrazione. Si ottengono concentrati viscosi ad alta densità.

Per il recupero del fosforo sotto forma di fertilizzante solido, si può cristallizzare sotto forma di struvite, un fertilizzante minerale a rilascio lento formato da magnesio, fosforo e azoto, con basso contenuto di metalli e che, gradualmente, apporta i nutrienti al terreno favorendone l’assorbimento da parte delle piante e riducendo le perdite superficiali che possono finire nelle masse d’acqua.

D’altra parte, la produzione di fertilizzanti liquidi ricchi di ammonio può essere realizzabile tramite un processo di adsorbimento-desorbimento con zeoliti e contattori a membrana. Talvolta, per ottenere un rapporto specifico tra i nutrienti principali, sarà necessario eliminare l’eccesso di azoto, che potrà essere effettuato mediante un processo in condizioni microaerofile con basso consumo energetico.

Un’altra via di trasformazione dei rifiuti in fertilizzanti consiste, in una prima fase, nel mescolare il rifiuto con altri rifiuti organici e altri fertilizzanti minerali per regolare i livelli di nutrienti (N/P/K) a valori commerciali. E, in una seconda fase, la miscela risultante viene introdotta in un evaporatore a vuoto per evaporare l’acqua e trasformare la materia in un solido stabile e di facile utilizzo.

L'applicazione di fertilizzanti è una pratica agricola insostituibile che ha come obiettivo primario mantenere la fertilità del suolo, non dovendo limitarsi alla restituzione degli elementi estratti dalla raccolta, ma anche a quegli elementi che i suoli perdono per dilavamento, retrogradazione ed erosione.

I fertilizzanti permettono di restituire ai suoli questi elementi nutritivi estratti, mettendo a disposizione delle colture i nutrienti di cui hanno bisogno.

I fertilizzanti complessi NPK sono prodotti che contengono due o tre nutrienti primari (N, P, K) e che, inoltre, possono contenere nutrienti secondari (Ca, Mg, S) e micronutrienti (Zn, Cu, B, ecc.). Si applicano per equilibrare e potenziare il contenuto del suolo con elementi nutritivi, considerando le esigenze della coltura che si intende realizzare e la resa che si prevede di ottenere. I fertilizzanti possono trovarsi in stato solido (forma granulare) o liquido, quest'ultimo sempre più frequente.

Attualmente, ci troviamo con un consumo sempre più elevato di fertilizzanti, mentre si genera una grande quantità di rifiuti, molti dei quali con un importante contenuto di nutrienti (N/P/K). In questo contesto, è necessario potenziare sistemi di economia circolare che permettano la produzione di fertilizzanti a partire dai rifiuti, valorizzando e incorporando nel circuito i sottoprodotti generati, minimizzando le emissioni e riducendo la dipendenza dalle fonti di energia non rinnovabili.

Sono stati pubblicati studi che hanno dimostrato che l'incorporazione di calce viva a questi fanghi elimina i patogeni. L'aggiunta di calce al fango riduce gli odori e il livello di patogeni creando un pH alto che è ostile all'attività biologica. I gas che si liberano durante la decomposizione anaerobica della materia organica contengono azoto e zolfo e sono la principale fonte di cattivi odori del fango. Quando si aggiunge la calce, i microrganismi coinvolti nella decomposizione sono fortemente inibiti o distrutti in quel mezzo fortemente alcalino. I patogeni subiscono un processo simile.

Durante il processo di trattamento dei fanghi mediante calce viva è necessario mantenere il pH sopra 12, per un tempo minimo di 2 ore, per assicurare la distruzione dei patogeni e fornire l'alcalinità residua sufficiente affinché il pH non scenda sotto 11. Ciò consente il tempo sufficiente per lo stoccaggio o lo smaltimento del fango stabilizzato.

La quantità di calce necessaria per stabilizzare il fango è determinata dal tempo dello stesso, dalla sua composizione chimica e dalla concentrazione di solidi. Indicativamente, l'intervallo va dal 6 al 51%. Tenendo conto che i fanghi primari sono quelli che richiedono meno calce e i fanghi attivati quelli che ne impiegano di più.

Esistono altri metodi di trattamento dei fanghi, come: la digestione aerobica e anaerobica, ma il trattamento con calce offre maggiori vantaggi al momento del riutilizzo, poiché fornisce un volume maggiore di prodotto utilizzabile oltre a fornire ai terreni acidi la neutralizzazione necessaria senza costi aggiuntivi.

L'alta dosificazione di calce influisce anche sulle caratteristiche fisiche e chimiche del fango. Queste reazioni provocano una diminuzione dell'azoto, che agisce come limite per la quantità di fango che può essere applicata al terreno, permettendo così una maggiore quantità di fango per unità di superficie, migliorando allo stesso tempo la capacità di perdere umidità e le caratteristiche dei fluidi secondari liquidi.
Un altro vantaggio di questo sistema è che può essere una buona alternativa quando è necessario un supporto per un altro metodo di trattamento dei fanghi, poiché il sistema di stabilizzazione con calce può essere avviato e completato rapidamente. Pertanto, può integrare impianti già esistenti quando il volume di fanghi supera i livelli di progetto, sostituire l'incenerimento in caso di carenza di combustibile o durante le operazioni di manutenzione.

Questo metodo di trattamento dei fanghi è più economico rispetto ad altri metodi, costituisce inoltre un mezzo efficace e sicuro per l'eliminazione finale dei fanghi, evitando rischi per la salute umana e danni ambientali. Una volta che i fanghi sono stati trattati e stabilizzati possono essere scaricati in tutta sicurezza. Sono ideali per l'agricoltura, poiché il loro elevato contenuto di calce li rende un fertilizzante di qualità ideale per terreni acidi, contenendo materia organica e fertilizzanti.