NUTRIFARM

Processo innovativo per l’abbattimento dell’azoto (Nitrogen-Driven Struvite Precipitation NDSP) e il recupero come fertilizzante organo-minerale ad elevato valore aggiunto (O-SEP Organic Struvite-Enriched Precipitate)

La tecnologia proposta consiste nella precipitazione dell’azoto in eccesso presente nei digestati anaerobici e/o in altre matrici liquide di origine zootecnica e/o agro-industriale sotto forma di cristalli di struvite arricchita di sostanza organica.
Il processo si basa su una reazione chimica in cui l’ammonio, in soluzione con sali di magnesio e acido fosforico (o sali fosfatici), sotto specifiche condizioni di sovrasaturazione chimica e pH, innesca una serie di meccanismi chimici e chimico-fisici molto complessi dal punto di vista stechiometrico e cinetico che ne determinano la precipitazione sotto forma appunto di struvite .

Tale processo è stato studiato a fondo dai tecnici della Sereco da più di 15 anni attraverso la conduzione di centinaia di prove, sia in laboratorio che in condizioni real-scale, adibendo per l’esecuzione della reazione vasche dismesse non concepite specificatamente per il processo.
Il presente progetto si prefigge quindi di ampliare l’orizzonte sperimentale del processo SERMAP attraverso la realizzazione di in un impianto dimostrativo pilota munito di appositi reattori di precipitazione/cristallizzazione a maggiore efficienza concepiti specificatamente per l’ottimizzazione della reazione.
L’articolazione trans-disciplinare del progetto si basa sulla confluenza di diverse attività: tecnologico-ingegneristica, chimica, agronomica, chimico-agronomica.
Il progetto NUTRIFARM si inserisce in un quadro agro-ambientale di grande respiro, in quanto in un sistema caratterizzato dalla presenza di un reattore di Digestione Anaerobica (DA) il recupero dei nutrienti azotati si accoppia a quello della componente energetica, attuato appunto dalla conversione della quota di C organico in CH4 (recupero energetico) e ad altri recovery streams (acqua di irrigazione), configurando un approccio olo-circolare all’ agro-economia. Tutto ciò è appunto favorito dall’implementazione di sistemi di digestione anaerobica (DA). Per questo il progetto NUTRIFARM è collegabile al progetto GASFARM presentato nella stessa misura PSR.

L’obiettivo precipuo del progetto NUTRIFARM è di testare un impianto pilota SERMAP di dimensioni significative in un contesto agro-zootecnico integrato. Il sito prescelto è l’azienda Iraci che è dotata di un impianto di DA da 1 Mwe di potenza elettrica installata, attualmente alimentato prevalentemente a coltura dedicata (silomais) e che produce 25-30 m3 di digestato al giorno. L’evoluzione degli scenari nel contesto della produzione di bioenergia, con l’incentivazione premiale che è andata traslando verso i sistemi di recupero energetico da scarti e sottoprodotti a scapito di quelli a colture energetiche che sottraggono suoli coltivabili al food, sta inducendo l’azienda a prendere in considerazione l’introduzione nella dieta dell’impianto AD di scarti e sottoprodotti organici provenienti da filiere locali (come la pollina dal settore avicolo o sanse e acque di vegetazione da quello olivicolo, oleario ed elaiotecnico) in sostituzione del silomais.
Tale scelta, oltre ad essere in qualche modo obbligata dalle policies nazionale ed europee, dato il venir meno degli incentivi del IV conto energia, rappresenta anche un’elevazione filosofico-culturale verso il concetto di circular economy e piena compatibilizzazione ambientale della produzione di biogas.
Non secondario è l’aspetto dell’integrazione di filiera, in quanto comparti agro-zootecnici locali che oggi impattano sull’ambiente in maniera diretta e significativa (come quello zootecnico o oleario) senza il giovamento di tecnologie mitigative adeguate, vedrebbero attenuato il loro potenziale inquinante destinando i loro scarti all’impianto dell’Azienda Iraci.
L’ostacolo che si frappone alla realizzazione di questo scenario innovativo è dato dall’incremento di carico azotato che la digestione delle suddette matrici determinerebbe rispetto alla dieta attuale. Di qui l’esigenza primaria ed ineludibile da parte dell’Azienda Iraci di provvedere all’adozione di sistemi per l’abbattimento dell’extra-carico azotato attraverso un suo recupero sotto forma di fertilizzante di pregio.
E’ di primaria importanza il fatto che la Commissione Europea abbia riconosciuto i precipitati di sali di fosforo (tra cui appunto la struvite) come CMC (Component Material Category, cioè una categoria di materiali che entra nella composizione di un prodotto fertilizzante) per la produzione di fertilizzanti nella UE. Recentemente, con provvedimento del 5.7.2021 (Regolamento delegato della Commissione) sono stati modificati gli allegati II e IV del regolamento (UE) 2019/1009 del Parlamento europeo e del Consiglio al fine di aggiungere i precipitati di sali di fosfato e i loro derivati (quindi anche la struvite) come categoria di materiali costituenti (CMC) nei prodotti fertilizzanti prodotti e commercializzati dell’UE. La CMC appositamente creata allo scopo è la numero 12. Lo stesso regolamento 2019/1009 stabilisce con estrema chiarezza che la struvite cessa di essere considerata un rifiuto dando ai fertilizzanti contenenti struvite (o alla struvite stessa) la possibilità di avere accesso al mercato comunitario senza restrizioni. Ciò apre prospettive ampie e promettenti per la piena sostenibilità economica del processo di recupero di struvite da scarti e sottoprodotti grazie alla possibilità di essere commercializzati perfino in tutto il mercato unico europeo sottraendosi alla rigida disciplina dei rifiuti.

1) DIMENSIONAMENTO, PROGETTAZIONE, REALIZZAZIONE E INSTALLAZIONE IMPIANTO PILOTA NUTRIFARM
1.1) Analisi dello stato dell’arte e dei fabbisogni. Sopralluogo presso l’Azienda Iraci
Verrà visionato il sito in cui sarà ospitato l’impianto sperimentale per stabilire il layout di impianto, definire la miglior collocazione anche in relazione all’eventuale recupero di manufatti esistenti da riadattare al processo Sermap.
Gli output dell’attività 1 saranno utilizzati come input progettuali nella successiva attività 1.2

1.2) Definizione dei parametri sperimentali e progettuali

a) Analisi e caratterizzazione chimica del digestato da sottoporre a SERMAP. Si prevede di utilizzare ca. 60 m3 di digestato anaerobico derivante dal processamento di una miscela di substrati quanto più possibile simile a quella che verrà utilizzata a regime nei prossimi anni dall’Azienda Iraci, con prevalenza di deiezioni zootecniche (es. pollina) e scarti provenienti dalla filiera olivicola
Nell’attività 2a verrà caratterizzato l’influente attraverso l’esecuzione di analisi chimiche e chimico-fisiche di laboratorio su un numero congruo di campioni secondo un opportuno disegno sperimentale. I parametri che verranno saggiati nell’influente liquido al processo SERMAP saranno: pH, solidi sospesi, viscosità, densità, azoto totale, azoto ammoniacale, fosforo totale, ortofosfato, magnesio, potassio, calcio, sodio. Il risultato atteso sarà rappresentato da elementi utili alla comprensione delle potenzialità di recupero dei nutrienti per esempio attraverso il valore dei rapporti ortofosfato/calcio e magnesio/calcio. Il calcio rappresenta infatti il maggior competitore stechiometrico alla reazione di precipitazione della struvite. I valori di ammonio, ortofosfato e magnesio serviranno inoltre a stabilire i quantitativi presuntivi dei reagenti chimici da utilizzare nella sperimentazione pilota (attività 2b).

b) Definizione dei quantitativi di reagenti da utilizzare
Sulla base degli output dell’attività 2a e di prove preliminari di precipitazione da realizzarsi in laboratorio (in batch da 1000 ml) verranno stabiliti il tipo e i quantitativi di reagenti da utilizzare, si definirà una stima della percentuale di abbattimento dell’azoto e della fattibilità complessiva del processo. Il target cost da traguardare per un abbattimento dell’ammonio del 50% è compreso in un range di 5-9 €/m3  20%di refluo trattato.

c) Definizione delle unità impiantistiche e delle modalità di conduzione del processo
In base anche agli output derivanti dalle fasi 2a e 2b si cercherà di definire lo schema impiantistico più adatto e si delineerà la modalità di gestione del trattamento in batch che, preliminarmente, stimiamo poter essere nell’ordine di 1,5m3. La gestione del processo di precipitazione struvitico in batch comprende necessariamente la determinazione della durata dei sottoprocessi (Filling, Reaction, Settlement, Draw, Idle). In Fig. 2 è rappresentato in maniera generica e schematica la sequenza degli eventi caratteristici di un processo in batch sequenziali

Fig. 2 Sequenza delle fasi di un processo a batch sequenziali

1.3 Progettazione preliminare, definitiva ed esecutiva delle unità impiantistiche
La progettazione si articolerà nelle seguenti fasi:
Design brief: definizione di una short-list di requisiti essenziali
Preliminary concept e rough sketches
Progettazione preliminare (preliminary drawings): prima versione degli elementi impiantistici che verranno sottoposti a revisioni ed emendamenti da parte degli specialisti del team di progettazione fino alla produzione della progettazione definitiva
Progettazione esecutiva (working drawings) utile alla fase di produzione
La progettazione esecutiva potrà essere a sua volta soggetta a revisioni.

1.4 Realizzazione e/o assemblaggio impianto SERMAP (unità elettro-meccaniche, piping, impianto elettrico, sensoristica, collaudi)
a) Realizzazione piping idraulico e collegamenti idraulici
b) Installazione impianto elettrico e cablaggi
c) Installazione e calibrazione dei sensori di ammonio e pH
d) A valle del completamento delle attività da 4) a 8) si procederà al collaudo funzionale dell’impianto con verifica delle componenti idrauliche ed elettro-meccaniche.

2) SPERIMENTAZIONE PROCESSO RECUPERO STRUVITE ORGANICA E ANALISI TECNICO-ECONOMICHE ED AGRONOMICHE

2.1) Testing
Si prevede di eseguire circa 40 cicli di testing, dato che il volume di digestato che l’azienda metterà a disposizione sarà di ca. 60m3 e che ogni batch sarà di 1,5 m3.
2.2) Analisi di laboratorio liquido e solido
Per ogni batch si produrrà del digestato liquido trattato (deammonificato) e un precipitato organico di sali di fosforo. Nell’effluente liquido proveniente da ogni batch verranno analizzati: pH, solidi sospesi, azoto totale, azoto ammoniacale, fosforo totale, ortofosfato, magnesio, potassio, calcio, sodio, indice SAR. Nel precipitato solido proveniente da ogni batch invece verranno analizzati: PS a 40°C, azoto totale, fosforo totale, magnesio totale, potassio totale, calcio totale. Si prevede che nel 10% dei campioni vengano analizzati i metalli pesanti (compreso il cadmio) e in un paio di campioni vengano effettuate delle indagini avanzate di tipo cristallografico e in microscopia elettronica al fine di verificare la presenza di cristalli di struvite, sia dal punto di vista quantitativo che qualitativo.

2.3) Valutazione tecnico-economiche e agronomiche. Giudizio di qualità/valore precipitato.
I risultati delle prove sperimentali offriranno una base di dati sufficientemente ampia per poter effettuare delle approfondita analisi tecnico-economiche. In particolare verranno determinati:
a) i costi operativi del processo relativi cioè al consumo dei reagenti in relazione a determinate percentuali di abbattimento. Questo permetterà di rilevare i punti critici del processo in riferimento all’utilizzo di tipologie alternativi di reagenti
b) il numero di batch eseguibili in 24 h, ovvero la potenzialità giornaliera di trattamento
c) il valore intrinseco del precipitato struvitico organico stabilendo, conseguentemente, un trade-off compensativo rispetto ai costi di utilizzo dei reagenti chimici
2.4) Eventuale dismissing se il capofila intende non mantenere l’impianto pilota in azienda a fini dimostrativi e a disposizione per ulteriori ricerche

Trattamento di batch da 1,5 m3 con abbattimenti minimi di NH4 del 40% e di NTK di almeno il 50%.
Trattamento di almeno 3 batch/gg da 1,5m3 con abbattimenti medi di NH4 minimi del 30% e di NTK di almeno il 40%
Resa specifica minima precipitato solido O-SEP di 10 Kg/m3 trattato.
Percentuale N-P-Mg minima di 4-10-8 (struvite teorica 6-13-10).
Valore stimato minimo di 50€/ton.