valorizzazione degli effluenti di allevamento e loro gestione ... - ARAL

S.A.T.A. - SERVIZIO DI ASSISTENZA TECNICA AGLI ALLEVAMENTIPROGETTO PILOTA“VALORIZZAZIONE DEGLI EFFLUENTI DIALLEVAMENTO ELORO GESTIONE COMPRENSORIALE”a cura di FLAVIO SOMMARIVATecnico Specialista Settore Agronomia e Utilizzo RefluiSEZIONE BOVINI E SUINI

Con la collaborazione di:Fabrizio Adani – Dipartimento Produzione Vegetale (Di.Pro.Ve) – UNIMIGiovanni Cabassi – Dipartimento Produzione Vegetale (Di.Pro.Ve) – UNIMIRoberto Fuccella – Dipartimento Produzione Vegetale (Di.Pro.Ve) – UNIMIPietro Marino Gallina – Dipartimento Produzione Vegetale (Di.Pro.Ve) – UNIMITommaso Maggiore – Dipartimento Produzione Vegetale (Di.Pro.Ve) – UNIMIGiorgio Provolo – Dipartimento Ingegneria Agraria (D.I.A.) – UNIMIAndrea Schievano – Dipartimento Produzione Vegetale (Di.Pro.Ve) – UNIMIGabriele Boccasile – D.G. Agricoltura – Regione LombardiaFranceso Baroni – Tecnico S.A.T.A. – Ass. Prov. Allevatori SondrioMassimo Baronio – Tecnico S.A.T.A. – Ass. Prov. Allevatori BresciaMarco Bellini – Tecnico S.A.T.A. – Ass. Prov. Allevatori MantovaAndrea De Filippo – Tecnico S.A.T.A. – Ass. Prov. Allevatori BergamoStefano Garimberti – Tecnico S.A.T.A. – Ass. Prov. Allevatori MantovaUlisse Gossetti – Tecnico S.A.T.A. – Ass. Prov. Allevatori BresciaMassimo Timini – Tecnico S.A.T.A. – Ass. Prov. Allevatori SondrioFausto Turcato – Tecnico S.A.T.A. – Ass. Prov. Allevatori CremonaAntonio Panvini – Comitato Termotecnica Italiano – Energia e AmbienteLorenzo Bassi – ERSAF – Regione LombardiaEttore Bernardoni – ERSAF – Regione LombardiaStefano Brenna – ERSAF – Regione Lombardiasi ringrazia la referente del Progetto Pilota SATAMaria Lina Sandionigidella Struttura Ricerca, innovazione tecnologica e servizi alle impresedella DG Agricoltura di Regione LombardiaContratto SATA 2008-2010Progetto Pilota approvato con decreto n. 9129 del 13/08/2008

figura 1: carico di azoto (kg/ha) su base comunaleProvinciaCarico azoto alcampo (kg)ZVNSAU SIARL (ha) Carico Azoto(kg/ha)Superficiemancante/eccedente (170kg/ha)BERGAMO 9.697.764 30.119 322 ‐26927 ‐4516BRESCIA 34.634.250 108.351 320 ‐95380 ‐15343CREMONA 19.027.567 75.512 252 ‐36415 7.556LODI 3.360.369 15.656 215 ‐4111 3.655MANTOVA 24.859.271 126.716 196 ‐19515 37.933Superficiemancante/eccedente (280kg/ha)Tabella 3: carico di azoto al campo nelle ZVN ripartito per provincia e relativa superficie mancante/eccedentespandibile nelle ipotesi: 170 kg/ha e 280 kg/ha.La tabella 3 evidenzia il carico provinciale, espresso in kg di azoto, rilevato per i comunivulnerabili della provincia stessa, la sua ripartizione sulla superficie coltivata ed il deficit,evidenziato in rosso, espresso come superficie mancante per ricondurre tale carico al limiteconsentito per le zone vulnerabili.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 3

L’analisi è condotta in termini generali, associando una possibile ripartizione dell’azoto provenienteda effluente zootecnico con tutta la SAU di riferimento, e non solo su quella annessa all’aziendazootecnica.Secondo lo stesso Rapporto di ERSAF: “…Con gli attuali limiti imposti dalla direttiva nitrati, intutte le province si assiste ad un’ampia insufficienza di terreni, che nella realtà è ancora più gravedi quanto non suggeriscano i dati riportati, non essendo evidentemente tutta la SAU utilizzabile perlo spandimento dei reflui zootecnici. Peraltro, anche l’innalzamento del limite a 280 kg/ha, chenella migliore delle ipotesi potrebbe essere introdotto in caso di concessione della deroga, purdando un contributo, non risolverebbe il problema a livello territoriale: infatti, se si tiene presente,che l’adesione alla deroga da parte delle aziende potrà essere solo parziale, emerge, in particolarenelle province di Brescia e Bergamo, ma in realtà anche di Cremona e Lodi una carenza disuperfici che continuerebbe a rendere necessari la dislocazione degli effluenti fuori ZVN e il ricorsoa soluzioni tecnologiche….”Considerando che l’e.a., alla luce dei potenziali apporti di sostanza organica e di elementi nutritiviutili allo sviluppo colturale, può e deve essere valutato come una risorsa fertilizzante per il terreno,considerando inoltre che i fertilizzanti chimici evidenziano oggi un trend di costo in aumento, èpossibile ipotizzare una valorizzazione del e.a., soprattutto attraverso una gestione territoriale, checonsenta il trasferimento della matrice organica e concimante tra aziende zootecniche, chepossono manifestare eccedenze, ed aziende non zootecniche che presentano esigenze difertilizzazione, associate spesso ad un depauperamento della sostanza organica presente nelsuolo.Tale applicazione sarà ipotizzabile nelle zone dove l’eccesso aziendale è contenuto o in specificherealtà dove la dislocazione territoriale dell’e. a. è compatibile economicamente; in altre situazionisarà auspicabile procedere a trattamenti in grado di concentrare o sottrarre azoto nel e.a..L’uso del e.a., inserito in un piano di concimazione dovrà necessariamente tener conto della suaefficienza, legata al momento del suo impiego rispetto alla coltura prevista, ma anche di unacaratterizzazione precisa degli elementi fertilizzanti in esso contenuti.Tali nutrienti possono subire variazioni legate alla diluizione dovuta alle precipitazione, alletecniche gestionali dell’allevamento. La loro determinazione analitica è strettamente dipendentedalle modalità di campionamento, stante la stratificazione che l’effluente liquido di allevamentosubisce durante il periodo di stoccaggio.Sarà posta particolare attenzione alle modalità di campionamento, all’analisi ed all’interpretazionedei risultati, al fine di stimare correttamente gli elementi disponibili per la coltura.I diversi trattamenti, potenzialmente applicabili nelle aziende dove la dislocazione degli effluenti diallevamento non risulta una soluzione efficace, comportano spesso consumi energetici elevati.La sinergia tra le suddette tecnologie e impianti di coogenerazione elettrica e termica ottenibile dafermentazione anaerobica di e.a. e biomasse può efficacemente concorrere al contenimento deicosti di esercizio.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 4

SITUAZIONE CON RIPARTAZIONE REFLUO SUINO IN AZIENDE CONFERENTIha ha kg pv N N NZVN ZNVN Nmax t bovini suini eccessoAZIENDA 1 34,78 5.913 81 10.746 3.108 -7.941AZIENDA 2 31,88 40,2 19.086 49 19.086 2.849 -2.849AZIENDA 3 87,42 11,63 18.816 127 16.807 7.813 -5.804AZIENDA 4 19,44 3.306 42 5.628 1.737 -4.059AZIENDA 5 15,24 2.591 27 3.534 1.362 -2.305AZIENDA 6 29,25 4.973 75 10.004 2.614 -7.646AZIENDA 7 8,01 1.362 11 1.344 716 -698AZIENDA 8 22,77 3.871 27 3.672 2.035 -1.836AZIENDA 9 33,49 5.693 62 8.323 2.993 -5.623AZIENDA 10 67,81 11.528 50 6.655 6.060 -1.187AZIENDA 11 11,65 1.981 27 3.442 1.041 -2.503AZIENDA 12 18,82 3.199 47 6.332 1.682 -4.815AZIENDA 13 15,87 2.698 21 2.881 1.418 -1.601AZIENDA 14 50,46 8.578 194 25.494 4.509 -21.425ha ha kg pv N N NZVN ZO Nmax t bovini suini eccesso446,89 51,83 93.593 841 123.948 39.937 -70.292Tabella 1.3.1.1Risulta evidente che si pone la necessità di reperire ulteriori superfici per l’uso agronomico delledeiezioni. Molto spesso la ricerca di convenzioni d’uso dei suoli per la distribuzione degli effluentirisulta onerosa per l’allevatore con cifre variabili da zona a zona.Nell’area circostante la zona di intervento tale costo si aggira intorno ai 150 euro/ha, con unesborso complessivo, necessario per la conformità ambientale del caso in esame, pari a 62.000euro.Lo scopo di riequilibrare il sistema, almeno per il surplus dell’allevamento suinicolo, è statoraggiunto avvalendosi dei servizi di un’impresa agrimeccanica, che ha ritirato e trasportatol’effluente ad aziende cerealicole site in un raggio limitato ai 10 km.La prova operativa, da ottobre 2008 a ottobre 2009, ha coinciso con il trasferimento di 19.676 m 3 ,l’intera produzione di effluente dell’allevamento suinicolo cooperativo, verso 374 ha (114 in ZVN e260 in ZNVN), direttamente lavorati dall’impresa agrimeccanica per conto di aziende cerealicole, inProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 7

grado sia per la superficie messa a disposizione, sia per il bilancio relativo alle asportazioni azotatedi ben utilizzare la quantità di azoto organico fornito.L’azienda agrimeccanica ha deciso di dotarsi di attrezzature tecnologicamente molto avanzate perla distribuzione degli e.a., in grado di interrare immediatamente le deiezioni distribuite sia suterreno arato che su sodo, che su coltura in atto in copertura. (figura 1.3.1.1 e 1.3.1.2)La macchina operatrice è inoltre attrezzata con controllo computerizzato delle volumetriedistribuibili e localizzatore GPS per una corretta tracciabilità.Figura 1.3.1.1 e 1.3.1.2: macchina operatrice utilizzataProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 8

L’utilizzo agronomico degli effluenti di allevamento presso queste aziende cerealicole haconsentito di disporre dei terreni senza costi aggiuntivi per convenzioni d’uso, in forza di un realerisparmio dei concimi di sintesi, grazie alle tecnologie di distribuzione applicate.Infatti, l’aspetto più interessante, dal punto di vista tecnico agronomico, coincide con l’impiego diquesta macchina innovativa per la distribuzione del refluo, in grado di migliorarne decisamentel’efficienza.Si tratta di una macchina operatrice progettata per garantire la minima costipazione del terreno(ruote larghe, a bassa pressione) e dotata di apparati di distribuzione in grado di interrare il refluo;detti accorgimenti costruttivi consentono di operare anche in copertura ed evitare emissioniammoniacali in atmosfera.Utilizzare infatti al meglio le capacità fertilizzanti del refluo zootecnico significa distribuire in basealle esigenze delle colture nei periodi più vicini alle asportazioni, coincidenti con la semina e incopertura, utilizzando sistemi in grado di ridurre drasticamente le perdite di azoto ammoniacalemediante interramento. (figura 1.3.1.3 – Progetto ALFAM - Ammonia Loss from Field-applied Animal Manure)Perdite cumulate di Ammoniaca(% sul totale applicato)Carrobotte con piattodeviatore5045403530252015105030-35 kg su100 kgdistribuiti0 25 50 75 100 125 150Tempo (ore)Perdite cumulate di Ammoniaca(% sul totale applicato)50454035302520151050Carrobotte coninterratori2-3 kg su 100kg distribuiti0 25 50 75 100 125 150Tempo (ore)Figura 1.3.1.3: perdite di azoto durante la distribuzione (Progetto ALFAM)Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 9

€ 1,50€ 1,00€ 0,50€ 0,00-€ 0,50-€ 1,00-€ 1,50-€ 2,00-€ 2,50-€ 3,00-€ 3,50-€ 4,00€ 2,50€ 2,00€ 1,50€ 1,00€ 0,50€ 0,00-€ 0,50-€ 1,00-€ 1,50-€ 2,00-€ 2,50€ 4,00€ 3,50€ 3,00€ 2,50€ 2,00€ 1,50€ 1,00€ 0,50€ 0,00-€ 0,50-€ 1,00-€ 1,501 21 21 2Un altro aspetto di non trascurabile importanza riguarda la possibilità, in presemina, ma soprattuttoin copertura, di fornire gli elementi nutritivi contenuti nel refluo in un momento di massimaasportazione della coltura, aumentando considerevolmente l’efficienza nell’utilizzo della frazioneazotata, con significativi risparmi in termini di fertilizzazione e in termini ambientali per la diminuitalisciviazione dei nitrati.In figura 1.3.1.4, vengono evidenziate le diverse efficienze raggiunte durante le prove, secondoparametri bibliografici, sottolineando nel contempo che una distribuzione virtuosa fa recuperare intermini economici ben 108 euro al valore del chilo di azoto attuale.Prearatura autunnalefrumento e mais100 kg N25-30 kg NCopertura frumento100 kg N40- 50 kg NCopertura mais +incorporazione100 kg N70- 75 kg N☺volatilizzazioneLisciviazione-ruscellamento+ 108 EuroFigura 1.3.1.4Nell’esperienza attuata si è potuto distribuire, interrando, in pre-semina, ma soprattutto incopertura su mais, su cereale autunno-vernino, su medica.Quest’ultima coltura, che raggiunge spesso anche il 50% della superficie aziendale nella provinciadi Mantova, risulta, più di altre, mal sopportare il potenziale costipamento causato dai mezziagricoli. L’esperienza condotta ha dimostrato che l’intervento a dosi controllate, con mezzi dotati diruote larghe a bassa pressione non ha influito negativamente sullo sviluppo della coltura.Nelle figure 1.3.1.5, 1.3.1.6 e 1.3.1.7, viene presentata una galleria di immagini delle prove.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 10

Figura 1.3.1.5: Distribuzione in copertura su cereale autunno-vernino4 marzo 20093 luglio 2009Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 11

Figura 1.3.1.6: Distribuzione in copertura su mais3 luglio 2009La particolare disposizione delle piantein campo si è resa necessariaconsiderando le caratteristiche delterreno particolarmente argilloso el’esigenza di utilizzare le ruote consezione di 105 cm, per evitarecostipamenti. La mancanza di una fila èstata compensata da una maggiordensità sulla fila, ottenendo letradizionali 7 piante al mq e produzioniconsone alla normalitàProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 12

Figura 1.3.1.7: Distribuzione in copertura su medica18 marzo 20093 luglio 2009Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 13

Dal punto di vista tecnico l’esperienza condotta non ha apportato nessun elemento innovativo,sono infatti ben note le risultanze sperimentali che testimoniano gli effetti di una gestione virtuosain termini di efficienza e minor perdite.Importante risulta il giudizio positivo di fattibilità relativo ad un intervento in grado di riequilibrare glieccessi di azoto in un areale definito.Sicuramente altrettanta importanza assume l’analisi dei costi, svolta con la preziosa collaborazionedel prof. Giorgio Provolo del Dipartimento di Ingegneria Agraria dell’Università di Milano, in gradodi valutare se una miglior distribuzione ha costi maggiori rispetto alla normale pratica, sicuramentemeno efficiente.Il confronto è stato fatto paragonando l’uso di un carro botte aziendale che sicuramente comportaun investimento inferiore, anche se non trascurabile, a un’attrezzatura composita etecnologicamente innovativa che vanta un costo di acquisto decisamente superiore.L’analisi del costo unitario di distribuzione non può prescindere però dai reali dati di utilizzo, chenel caso aziendale vanta 100-150 ore annue, mentre nella situazione consortile da partedell’azienda agrimeccanica coinvolta nel progetto, ha raggiunto le 700 ore. (Figura 1.3.1.8)Il grafico seguente mostra il confronto tra l’utilizzo aziendale di due diversi carrobotte,rispettivamente di capacità pari a 10 e 15 mc, e l’uso della macchina in forza all’aziendaagrimeccanica servita nell’occasione da due o tre carri per l’approvvigionamento del refluo alcampo, considerando la necessità di impiegarla a pieno regime.Figura 1.3.1.8Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 14

I costi unitari della distribuzione risultano effettivamente confrontabili e simili nelle due gestionisperimentate, in forza di un economia di scala che premia un maggior utilizzo del mezzo. (tabella1.3.1.2)Voce di costoCarrobotteaziendaleTrattricecarrobotteCantiereTerragator 1+ 2 carririfornimentoCantiereTerragator 2+ 3 carririfornimentoCapacità (m 3 ) 10-15 19 19Capacità di20-30 100 100lavoro (m 3 /h)Ore di lavoro 100-150 400-550 550-700Distanza 1-2 km 3-4 km 6-7 kmCosto (€/m 3 ) 2,5-3,5 2,2-2,6 2,7-2,8Tabella 1.3.1.2Ma un efficace confronto non può esimersi dal valutare anche il migliore utilizzo della matriceazotata, consentita dall’interramento, la conseguente diminuzione delle perdite e la maggiorefficienza legata alla distribuzione nei tempi più prossimi all’utilizzo colturale, oltre alla necessità diottemperare agli obblighi previsti dal programma di azione regionale.Si può, per facilitare la comprensione dell’analisi effettuata, confrontare i diversi scenari possibili:Gestione tradizionale (tabella 1.3.1.3), ove la distribuzione dell’azoto avviene sui terreni disponibili,in carico ai soci conferenti, con mezzi di distribuzione normalmente presenti in azienda.Tutto il refluo viene distribuito sui terreni delle aziende con una situazione di non conformità,aggravato dalla scarsa distribuzione sui prati di medica. Necessitano terreni in convenzione ad uncosto medio di 150 €/ha.L’azoto viene utilizzato con efficienza limitata sia per le epoche che per le modalità di distribuzione.Le perdite sono elevate anche perché la distribuzione è in eccesso rispetto alle esigenze colturali.Nella valutazione dei costi espressi in tabella si evidenziano i valori dell’azoto in gioco in terminipositivi per quello efficiente e negativi per quello perso; è indicato anche il costo di distribuzione.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 15

Bilancio azotatobovini suini tot N N €/ kg € totali effic 30% perdita 70%kg N 123.948 49.290 173.238 1,2 207.886 62.366 -145.520kg N/mc 2 2,50Gestione refluomc mc tot mc €/mc € totali61.974 19.716 81.690 2,5 204.225Tabella 1.3.1.3Gestione parzialmente virtuosa (tabella 1.3.1.4), è l’azione sperimentata in concreto durante i lavoridel Progetto: il refluo suinicolo viene distribuito su aziende non zootecniche, mentre le aziendebovine lo utilizzano autonomamente.Esiste ancora un eccesso di azoto, anche se maggiormente contenuto; la necessità di terreni inconvenzione diminuisce.Le perdite di azoto sono inferiori in virtù della delocalizzazione e della maggior efficienza didistribuzione della parte suinicolaBilancio azotato refluo bovinobovini suini tot N € totali effic 30% perdita 70%kg N 123.948 9.353 133.301 1,2 159.961 47.988 -111.973kg N/mc 2 2,50Gestione refluo bovinomc mc tot mc €/mc € totali61.974 3741,2 65.715 2,5 164.288Bilancio azotato refluo suinosuini tot N N €/ kg efficienza 70% perdita 30%kg N 39.937 39.937 1,2 47.924 33.547 -14.377kg N/mc 2,5 tot mc euro/mc euro totGestione refluo suinomc tot mc €/mc € totali15.975 15.975 2,7 43.132Gestione refluo bovino e refluo suino € totali efficienza media perdita media207.420 81.535 -126.350Tabella 1.3.1.4Gestione totalmente virtuosa (tabella 1.3.1.5): per estensione viene ipotizzato l’utilizzo completodell’azienda agrimeccanica per cui tutto il refluo viene gestito con elevati termini di efficienzariequilibrando tutti gli eccessi.Non necessitano terreni in convenzione e viene raggiunta la piena conformità.Bilancio azotatobovini suini tot N N €/ kg € totali effic 70% perdita 30%kg N 123.948 49.290 173.238 1,2 207.886 145.520 62.366kg N/mc 2 2,50Gestione refluomc mc tot mc €/mc € totalimc 61.974 19.716 81.690 2,7 220.563Tabella 1.3.1.5Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 16

La tabella 1.3.1.6 pone a confronto le risultanze delle tre esperienze precedenti:tradizionalevirtuosa virtuosaparziale totaledistribuzione 204.225 207.420 220.563convenzioni 60.000 25.500 0valore N utile 62.366 81.535 145.520differenza -201.859 -151.385 -75.043costo N kgefficiente3,27 2,54 1,52Tabella 1.3.1.6In conclusione l’esperienza risulta positiva perché consente di ridurre i costi e ridurre l’impattoambientale.L’elemento caratterizzante è la gestione consortile dell’effluente con un miglior utilizzo dei mezzitecnici per le operazioni di distribuzione, che consente economie di scala; la dimensione territorialeinvestita che ha consentito efficienze in termini tecnico economici ha riguardato circa 800 ha.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 17

1.3.2 - Ambito 2Delocalizzazione da aziende zootecniche bresciane a provincia di Pavia di liquame tal qualeLa soluzione per gestire le eccedenze azotate aziendali, sicuramente più attuata in Lombardia, è lacessione di parte degli effluenti di allevamento ad altra azienda, normalmente non zootecnica,attraverso convenzioni tra le parti per l’uso agronomico del refluo.Tali convenzioni spesso hanno titolo oneroso con valori pattuiti che tendono a diversificarsiprovincialmente, con “rimborsi” variabili tra i 75 €/ha nelle zone con minor pressione sino ai 300€/ha in quelle con densità di allevamenti elevata. Come qualsiasi altro valore commerciale la suaevoluzione è dettata dal gioco tra domanda ed offerta.Esistono tuttavia settori della pianura ove la consistenza zootecnica è decisamente importantenelle quali si incontra una reale impossibilità di reperire terreni limitrofi disponibili.Come indicato in premessa le province di Bergamo e Brescia manifestano questa condizione.Figura 1.3.2.1 - Distribuzione delle zone vulnerabili in LombardiaProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 18

Come evidenziato in figura 1.3.2.1, esistono in Lombardia zone non considerate vulnerabili ainitrati, come la provincia pavese, che ha subito nei decenni scorsi la vocazione prettamenterisicola con un progressivo abbandono delle attività zootecniche, verso la quale, considerandoanche un processo di depauperamento del tenore di Sostanza Organica nei suoli, è possibileindirizzare le eccedenze di altri comparti territoriali.La pratica di trasferire il refluo a distanze significative (otre i 100 km) è pratica consolidata in alcunipaesi europei (Germania, Olanda, Belgio…….) con aziende che hanno istituito il servizio egarantiscono il trasferimento e l’uso agronomico. Il costo medio di tale intervento è comunqueconsiderevole e varia e si attesta, sempre per logica di mercato, tra i 15 e i 20 €/mc.L’attività in questo ambito ha ipotizzato il trasferimento di deiezioni tal quali, senza processo ditrattamento, da due aziende della provincia bresciana (allevamento di vacche da latte e suini)verso il comparto risicolo in provincia di Pavia.Un'azienda leader nella gestione agronomica e fertilizzante, che ha implementato nel tempo ilritiro, commercio ed uso agronomico delle borlande (sottoprodotto derivante dagli zuccherifici),creando un concreto mercato, ha offerto la sua preziosa collaborazione, in forza dell’esperienzagestionale e commerciale maturata nel ramo.L’azione prevedeva un primo approccio “sperimentale” nel primo anno, con gestione di quantitàrappresentative ma limitate, per poter valutarne le implicazione e dar luogo, nel secondo anno aduna maggior delocalizzazione.Le aziende zootecniche che hanno offerto disponibilità alla cessione del refluo sono cosìidentificabili:Azienda Bovine da Latte:Carico zootecnicon° p.v /capo (t) p.v tot (t) N kg/t N kg totBOV. VITELLI FINO A 6 MESI 10 0,1 1 120 120BOV. VITELLI DA 6 A 12 MESI 10 0,22 2,2 120 264BOV. FEMMINE DA 1 A 2 ANNI DA ALLEVAMENTO 30 0,425 12,75 120 1.530VACCHE DA LATTE 45 0,6 27 138 3.726TOTALI 95 42,95 5.640Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 19

Terreni a disposizione diretta (affitto e/o proprietà)SAU(BS) PALAZZOLO SULL'OGLIO 1,82(BS) PONTOGLIO 8,29TOTALE 10,11la superficie agricola a conduzione diretta dall’azienda è posta completamente in Zona Vulnerabileai Nitrati.Bilancio dell’azoto ai sensi della d.g.r. 5868/2007ZVN 10,11ZNVN 0,00CARICO MAX ZVN kg 1.719CARICO MAX ZNVN kg 0CARICO MAX TOTALE kg 1.719CARICO MAX REALE kg 5.640CARICO MAX REALE kg/ha 558l’azienda in questione vanta quindi un eccesso di azoto pari a 3.921 kg totali per i quali risultanecessario reperire superficie agricola per poco più di 23 ha.Seppur considerando la difficoltà insita nella provincia, un eventuale costo di convenzionecomporterebbe una cifra prossima ai 3.500 € annui, posto come base una quota di 150 €/ha,utilizzata come confronto anche nell’analisi degli altri ambiti, ma probabilmente sottostimata neiterritori ai quali appartiene l’azienda, nel caso, comunque il costo riportato su base di kg di azotoda collocare è pari a 0,88 €.Azienda suini da ingrasso:Carico zootecnicoN° pv t pv tot t N kg/t N kg totSUINI DI PESO INFERIORE A 20 KG (LATTONZOLI) 6.575 0,013 85,48 101 8.633SUINI DI PESO TRA I 20 KG ED I 50 KG (MAGRONI) 8.520 0,035 298,20 110 32.802SUINI DI PESO SUPERIORE A 50 KG (DA INGRASSO) 21.807 0,1 2180,70 110 239.877SUINI DI PESO SUPERIORE A 50 KG (SCROFETTE) 416 0,07 29,12 110 3.203VERRI 32 0,25 8,00 110 880SCROFE 3.042 0,18 547,56 101 55.304TOTALE 40.392 3.149 340.699Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 20

Terreni a disposizione diretta (affitto e/o proprietà)SAU(BS) QUINZANO D'OGLIO 109,60(BS) VEROLAVECCHIA 55,77(CR) CAPPELLA CANTONE 100,06(CR) GRUMELLO CREMONESE ED UNITI 41,04(CR) PADERNO PONCHIELLI 111,99(CR) SESTO ED UNITI 9,27(CR) SORESINA 24,06TOTALE 451,79Bilancio dell’azoto ai sensi della d.g.r. 5868/2007ZVN 265,43ZNVN 186,36CARICO MAX ZVN kg 45.123CARICO MAX ZNVN kg 63.362CARICO MAX TOTALE kg 108.486CARICO MAX REALE kg 340.699CARICO MAX REALE kg/ha 754La realtà aziendale è, in questo caso, sicuramente più composita e localizzata presso diversi centriaziendali. Normalmente ogni centro cerca di risolvere la compatibilità del carico azotato nellevicinanze del centro stesso.In termini generali comunque l’eccesso complessivo aziendale dell’azoto organico è pari a 232.213kg con una imponente necessità di suolo pari a 1.366 ha se reperiti in ZVN o a 683 ha se in ZNVN.Sempre posto pari a 150 €/ha il potenziale valore della convenzione, l’impegno economicocomprende una cifra di poco superiore ai 100.000 € totali in Zona Non Vulnerabile ai Nitrati esuperiore ai 200.000 € in ZVN, con un costo riportato al kg di azoto pari a 0,44 € per i terreni ZNVNed 0,88 € per i terreni in ZVN.Azienda risicola ricevente:Terreni a disposizione diretta (affitto e/o proprietà)(PV) PAVIA 63,23(PV) TORRE D'ISOLA 29,82TOTALE 93,05Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 21

i terreni sono completamente posti in ZNVN(010) MAIS DA GRANELLA 19,8(230) RISO 65,21(160) SOIA DA GRANELLA 7,09(968) SUPERFICI AGRICOLE NON SEMINATE - DISATTIVATE 0,95TOTALE 93,05Bilancio dell’azoto ai sensi della d.g.r. 5868/2007, chiaramente espresso come carico potenzialeper l’azoto di origine zootecnica, essendo l’azienda sprovvista di allevamento.ZVN 0ZNVN 93,05CARICO MAX ZVN kg 0CARICO MAX ZNVN kg 31.637CARICO MAX TOTALE kg 31.637CARICO MAX REALE kg 0CARICO MAX REALE kg/ha 0I campi, evidenziati in figura 1.3.2.2, utilizzati nelle prove comparative tra la gestione tradizionaleeffettuata dall’azienda risicola e quella con l’introduzione del refluo bovino e suino sono nelcomune di Torre d’Isola (PV) con una distanza percorsa dall’allevamento bovino di 102 km edall’allevamento suinicolo di 97 km. In figura 1.3.2.3 è evidenziato il mezzo utilizzato per iltrasporto.Figura 1.3.2.2: Campi prova su CTRProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 22

Figura 1.3.2.3: Autotreno utilizzato per il trasporto dei refluiLe “prove” agronomiche effettuate presso l’azienda risicola non hanno avuto carattere scientifico,al fine di analizzare la risposta al cambio di concimazione, per cui le campagne non sono statedivise in parcelle con repliche e dosaggi differenti.Avendo come finalità l’analisi tecnica ed economica di una gestione globale riguardante ladelocalizzazione del refluo a distanze significative, in campo si è semplicemente paragonato trecampi limitrofi sui quali si è applicata la gestione tradizionale in capo all’azienda e l’introduzione deidiversi reflui trasportati.La gestione “tradizionale” pratica nella coltivazione del riso ha previsto la somministrazione diborlande nel mese di ottobre antecedente la semina in ragione di 2,25 t/ha, seguita da unadistribuzione di fanghi di depurazione con interramento, nel mese di febbraio per 20 t/ha.È stata effettuata l’aratura con interramento delle stoppie ad inizio aprile a cui soono seguitel’erpicatura e la semina l’8 maggio.Negli ultimi giorni del mese di maggio si sono svolte le operazioni di diserbo, integratesuccessivamente il 19 giugno.La concimazione chimica con urea ha visto tre dosi frazionate distribuite il 1 e 26 giugno e il 5agosto con una identica dose per volta pari a 75 kg/ha di urea.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 23

Nella tabella 1.3.2.1 viene riportata l’analisi della concimazione azotata apportata al campo“testimone”:testimone t kg N/t kg N tot N /haborlande 2,25 25 56,25 efficienza 30% 16,875fanghi 20 1 20 efficienza 50% 10totale 76,25 26,88produzione attesa 8 t/ha urea 1 75 34,5asportazioni 24,3 kg /t urea 2 75 34,5asportazioni totaletabelle PGN194,4 urea 3 75 34,5totale apporto N 130,38equazione di bilancioazotoresidui colt apporti nat mineraliz S.O fanghi borlande urea asportazioni deficit deficit urea-20 20 30 26,88 103,5 194,4 34,03 73,97Tabella 1.3.2.1la produzione di risone effettivamente raggiunta in tale campo è pari a 10,5 t/ha.Nel campo 1 si è sostanzialmente sostituito la somministrazione di fanghi e borlande con il refluobovino.Per cui facendo seguito all’aratura con interramento delle stoppie nel mesi di aprile si è fornitorefluo bovino in ragione di 21,52 mc/ha, distribuito mediante calate rasoterra ed immediatamenteinterrato con erpice a dischi.In data 8 maggio si è provveduto alla semina e, negli stessi giorni della prova precedente, aldiserbo.La concimazione chimica con urea in tre interventi con 75 kg/ha è stata effettuata il 1 e 28 giugno,ed il 10 agosto.Nella tabella 1.3.2.2 viene riportata l’analisi della concimazione azotata apportata al campo 1“distribuzione refluo bovino”:campo 1 mc kg N/mc kg N totliquame bovino 26,24 2,45 64,28827,58 2,63 72,5354 efficienza 55% N /haN refluo 136,8234 75,25287 29,40produzione attesa 8 t/ha urea 1 75 34,5asportazioni 24,3 kg /t urea 2 75 34,5asportazioni totaletabelle PGN194,4 urea 3 75 34,5totale apporto N 132,90equazione di bilancioazotoresidui colt apporti nat mineraliz S.O refluo urea asportazioni deficit deficit urea-20 20 45 29,40 103,5 194,4 16,50 35,88Tabella 1.3.2.2Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 24

la produzione di risone ha registrato 9,6 t/ha.Nel campo 2, mantenendo inalterate le pratiche colturali per preparazione del terreno e semina, siè distribuito una quota di refluo suino pari a 19,33 mc/ha.Occorre segnalare che l’agricoltore, sottraendosi alle indicazioni concordate in fase di allestimentodelle prove, ha ritenuto “indispensabile” somministrare una maggior quantità di urea, dopo esamevisivo della coltura, nell’ultima applicazione del 6 agosto.Nella tabella 1.3.2.3 l’analisi della concimazione azotata apportata al campo 2 “distribuzione refluosuino”:campo 2 mc kg N/mc kg N totliquame suino 27,46 2,94 80,732427,55 3,26 89,81327,73 3,24 89,8452 efficienza 55% N /haN refluo 260,3906 169,25389 39,55produzione attesa 8 t/ha urea 1 75 34,5asportazioni 24,3 kg /t urea 2 75 34,5asportazioni totaletabelle PGN194,4 urea 3 105 48,3totale apporto N 156,85equazione di bilancioazotoresidui colt apporti nat mineraliz S.O refluo urea asportazioni deficit deficit urea-20 20 30 39,55 117,3 194,4 7,55 16,42Tabella 1.3.2.3Nelle figura 1.3.2.4, 1.3.2.5 e 1.3.2.6 la documentazione delle operazioni di distribuzione.Figura 1.3.2.4Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 25

Figura 1.3.2.5Figura 1.3.2.6Gli accordi sottoscritti per le operazioni di trasporto, prevedevano un compenso a viaggio di € 372.con volumetrie che potevano raggiungere i 31 mc, ma nella realtà sono state leggermente inferiori.Nello specifico, nelle tabelle 1.3.2.4 e 1.3.2.5 vengono riportate le valutazioni in merito ai trasportieffettuati, con riguardo ad una stima per valore di delocalizzazione a metro cubo o a kg di azoto.In aggiunta ai puri costi relativi al trasporto devono essere stimati quelli propri della distribuzione,effettuata sempre dall’azienda commerciale che ha curato la realizzazione, oltre a quelli derivantidall’organizzazione dell’azienda proponente e di un inoculo a base di batteri ed estratti enzimaticiaggiunto allo scopo di ritardare la mineralizzazione e fornire una lenta cessione azotata.Di tale prodotto non ci è nota la composizione e non era negli obbiettivi del progetto testarnel’efficacia.Il risicoltore ha compartecipato alle spese con una quota pari a 3 €/mc.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 26

Di seguito le tabelle elaborate:TRASPORTO 1 2 3 totalirefluo bovino mc 26,24 27,58 0 53,82N tot (kg/mc) 2,5 2,6N tot (kg) 65,6 71,708 0 137,31costo/viaggio 372 372 0 744,00costo trasporto kg N 5,42costo trasporto mc 13,82distribuzione al mc 2,00 2,00 2,00distribuzione totale 52,48 55,16 0,00 107,64costo distribuzione per kg Ncosto distribuzione al mc0,782,00costi logistica €/mc 0,5 0,5costi logistica € totali 13,12 13,79 0 26,91costo inoculo €/mc 0,5 0,5costo inoculo € totali 13,12 13,79 0 26,91costo logistica e inoculo per kg Ncosto logistica e inoculo per mc53,820,391,00costo totale operazionecosto totale per kg Ncosto totale per mcpartecipazione ai costi da parte del risicoltorecosto per l'allevatore905,466,5916,82-3,0013,82Tabella 1.3.2.4Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 27

TRASPORTO 1 2 3 totalirefluo suino mc 27,46 27,55 27,73 82,74N tot (kg/mc) 2,9 3,3 3,2N tot (kg) 79,634 90,915 88,736 259,29costo/viaggio 372 372 372 1.116,00costo trasporto kg N 4,30costo trasporto mc 13,49distribuzione al mc 2,00 2,00 2,00distribuzione totale 54,92 55,10 55,46 165,48costo distribuzione per kg Ncosto distribuzione al mc0,642,00costi logistica €/mc 0,5 0,5 0,5costi logistica € totali 13,73 13,775 13,865 41,37costo inoculo €/mc 0,5 0,5 0,5costo inoculo € totali 13,73 13,775 13,865 41,37costo logistica e inoculo per kg Ncosto logistica e inoculo per mc82,740,321,00Tabella 1.3.2.5costo totale operazionecosto totale per kg Ncosto totale per mcpartecipazione ai costi da parte del risicoltorecosto per l'allevatore1.364,225,2616,49-3,0013,49L’azienda proponente il servizio di delocalizzazione ha sostenuto i costi relativi all’operazione, fattaeccezione per un contributo del Progetto Pilota pari a 2 €/mc.Lo stesso risicoltore ha ritenuto il prezzo pagato consono e riproducibile in futuro.Sicuramente la quota che resta a carico dell’allevatore assume caratteri importanti in un bilancioaziendale che lo porta a dirigere la sua attenzione verso altre possibili soluzioni.Alla luce di queste considerazioni il progetto, che prevedeva nel secondo anno di intensificare itrasporti ed il servizio, non ha avuto sufficienti adesioni per proseguire.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 28

1.3.3 - Ambito 3Delocalizzazione di separato solido da un’azienda zootecnica bergamasca verso laprovincia di PaviaSpesso si ritiene che, nella necessità di delocalizzare l’eccesso di azoto sia meglio dotarsi di unseparatore meccanico ottenendo un prodotto, il separato solido, meglio trasportabile e, spesso, dimaggior interesse per l’azienda ricevente.Originariamente lo schema di progetto prevedeva l’applicazione di tale possibilità da effettuarsi inun raggio medio (30 – 50 km) tra le contigue province di Lodi e Pavia.Tale ipotesi non ha avuto luogo in virtù della mancata disponibilità, nell’ambito territoriale di Lodi, diaziende dotate di separatore e contemporaneo eccesso di azoto zootecnico, o nel caso, a causa diaziende che avevano assunto impegni stabili per convenzioni con aziende cerealicole.Consci che comunque tale esperienza doveva essere svolta, per fornire utili indicazioni gestionali,si trovava disponibilità presso un’azienda di Caravaggio (BG), mantenendo inalterati i rapporti con icontoterzisti operanti nella provincia pavese.L’azienda cedente è caratterizzata da un allevamento suinicolo, gestito in regime di soccida, di10.500 capi all’ingrasso del peso medio di circa 90 kg.È dotata di separatore meccanico di tipo elicoidale.Al momento dell’inizio delle operazioni era in fase di realizzazione un impianto di digestioneanaerobica con produzione di biogas da 1 Mw, con addizione di biomasse autoprodotte in azienda.I dati elaborati si riferiscono comunque al solo allevamento suinicolo.Nelle tabelle 1.3.3.1 e 1.3.3.2, vengono esemplificati il carico allevato, il carico azotato, in raffrontocon il potenziale massimo espresso dai suoli in conduzione:ALLEVAMENTO N° pv t pv tot t N kg/t N kg totSUINI INGRASSO 10.500 0,09 945,00 110 103.950pv t mc/t mc totREFLUO PRODOTTO 10.500 0,09 945 37 34.965Tabella 1.3.3.1SAU(BG) CARAVAGGIO 143,88TOTALE 143,88ZVN 143,88ZNVN 0,00CARICO MAX ZVN kg 24.460CARICO MAX ZNVN kg 0CARICO MAX TOTALE kg 24.460CARICO MAX REALE kg 103.950CARICO MAX REALE kg/ha 722Tabella 1.3.3.2Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 29

L’azienda presenta quindi un eccesso di azoto zootecnico pari a 79.490 kg, per i qualinecessiterebbero 467,59 ha in ZVN o 233,80 in ZNVN.L’introduzione del separatore comporta la definizione delle seguenti matrici in azienda (Tabella1.3.3.3):pv t mc/t mc totREFLUO PRODOTTO 10.500 0,09 945 37 34.965ACQUE AGGIUNTIVE 4.115SEPARATO LIQUIDO mc 33.835SEPARATO SOLIDO mc 5.245SEPARATO LIQUIDO kg N 86.279SEPARATO SOLIDO kg N 17.672Tabella 1.3.3.3La cessione da parte dell’azienda riguarda tutto il separato solido (5.245 mc) e una parte cospicuadel separato liquido (30.294 mc).I costi sono valutati tenendo conto delle due matrici veicolate (tabelle 1.3.3.4 e 1.3.3.5). Importantecomunque conoscere che nel caso della distribuzione verso la provincia di Pavia la distanzapercorsa è di 88 km, mentre la distribuzione, sempre del separato, verso le aziende limitrofe vantadistanze comprese tra i 10 ed i 30 km.La distribuzione del separato liquido avviene a distanze dell’ordine di pochi chilometri.Quest’ultima distribuzione è conteggiata ad ore di impegno dell’azienda agrimeccanica e risultacomprensiva anche dei costi di distribuzioneTRASPORTOPaviaaziendelimitrofetotaliseparato solido mc 875 4370 5.245N tot (kg/mc) 3,37 3,37N tot (kg) 2.949 14.727 17.676costo/viaggio 7.000 17.480 24.480costo trasporto kg N 1,38costo trasporto mc 4,67distribuzione al mc 3,00 3,00distribuzione totale 2.625 13.110 15.735costo distribuzione per kg Ncosto distribuzione al mc0,893,00costo totale operazionecosto totale per kg Ncosto totale per mc40.2152,287,67Tabella 1.3.3.4Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 30

TRASPORTOaziendelimitrofetotaliseparato liquido mc 30.294 30.294N tot (kg/mc) 2,55N tot (kg) 77.250 77.250costo/viaggio 31.809 31.809costo trasporto kg N 0,41costo trasporto mc 1,05distribuzione al mc 0,00distribuzione totale 0costo distribuzione per kg Ncosto distribuzione al mc00,000,00costo totale operazionecosto totale per kg Ncosto totale per mc31.8090,411,05Tabella 1.3.3.5Come è possibile notare, l’incidenza maggiore è relativa alle distanze percorse ed al conseguenteimpegno in termini di ore lavorate. Il costo del trasporto e distribuzione del separato solido, operatoin provincia di Pavia, è dello stesso ordine di grandezza di quello per le aziende limitrofe (8 eurocontro 7). Questo si è reso possibile perché affidato ad un trasportatore che era in grado diutilizzare, per il suo lavoro, anche il viaggio di ritorno, operando un adeguato lavaggio del mezzopresso l’azienda risicola che acquisiva l’effluente.Questo aspetto permette di cogliere come una organizzazione migliore, con volumetrieconsiderevoli, possa ottenere una diminuzione di costi, sebbene comunque l’ordine di grandezzadella delocalizzazione, come ha dimostrato anche quella relativa al liquame tal quale, rimane diassoluto rilievo.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 31

1.3.4 - Ambito 4Impianto di Strippaggio a caldo nella provincia di BresciaCome rilevato negli ambiti precedenti spesso la delocalizzazione diventa difficile a causa delledistanze significative che dividono l’azienda cedente da quella ricevente.Con particolare riguardo a quegli ambiti territoriali dove la consistenza zootecnica è molto elevatapuò essere indispensabile concepire approcci tecnologici atti a ridurre la quantità di azoto in gioco.Lo strippaggio è una tecnica consolidata in molti campi industriali per la diminuzione del contenutoammoniacale di un liquido; la sua applicazione nel comparto zootecnico ha dovuto affrontare unaserie di problematiche relative alla composizione delle deiezioni da trattare.L’azienda in esame è caratterizzata dalla presenza di un allevamento di suini e tori all’ingrassosecondo il quadro riassuntivo indicato nella tabella 1.3.4.1:N° pv t pv tot t N kg/t N kg totSUINI DI PESO TRA I 20 KG ED I 50 KG (MAGRONCELLI) 2.250 0,004 9,00 110 990SUINI DI PESO SUPERIORE A 50 KG (MARONI) 2.250 0,08 180,00 110 19.800SUINI DI PESO SUPERIORE A 50 KG (GRASSI) 2.250 0,12 270,00 110 29.700BOVINI MASCHI DA MACELLO 125 0,35 43,75 84 3.675TOTALE 6.875 503 54.165SAU(BS) MANERBIO 73,27TOTALE 73,27ZVN 73,27ZNVN 0,00CARICO MAX ZVN kg 12.456CARICO MAX ZNVN kg 0CARICO MAX TOTALE kg 12.456Tabella 1.3.4.1CARICO MAX REALE kg 54.165CARICO MAX REALE kg/ha 739L’azienda presenta quindi un eccesso di azoto zootecnico pari a 41.709 kg, per i qualinecessiterebbero 245,35 ha in ZVN o 122,67 in ZNVN.In azienda è presente un impianto di digestione anaerobica per la produzione di biogas ecogenerazione con potenza nominale di 130 KW elettrici. Tale impianto viene alimentatoesclusivamente con gli effluenti di allevamento.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 32

A partire dal 2008 l’azienda ha attivato un impianto di strippaggio dell’ammoniaca che, dopo unaprima fase sperimentale, oggi tratta compiutamente tutto il digestato prodotto.Lo strippaggio è una tecnica che favorisce il passaggio, in una prima fase, dell’ammoniacapresente in un refluo dallo stato liquido a quello gassoso, per venire quindi catturata, in unaseconda fase, mediante contatto con una soluzione di acido solforico, ottenendo una soluzione disolfato ammonico.Il passaggio alla fase gassosa viene favorito dalla somministrazione di notevoli quantità di energiatermica che deve essere disponibile a basso costo. Nell’azienda in esame ciò è favorito da unimpianto di digestione anaerobica e cogenerazione con potenza nominale di 130kw elettrici e 130kw termici. (figura 1.3.4.1)DigestatochiarificatoAmmoniaca infase gasCaminoPalabiledefangatoreAria caldaCogeneratorechiarificatoC1C2Idrossido diCalcioliquame depuratoSolfatod’ammonioAcidoSolforicoFigura 1.3.4.1: Lay-out del processoIl liquame suino ed il letame bovino prodotto dall’azienda viene inviato ai digestori anaerobici per laproduzione di biogas. Da qui il digestato è sottoposto a separazione solido-liquido medianteseparatore elicoidale; al fine di sottrarre la maggior parte dei solidi sospesi residui il chiarificatoviene ulteriormente trattato in un decantatore con invio al digestore anaerobico della parteseparata residua.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 33

Il liquido chiarificato, previo riscaldamento mediante scambiatore che utilizza l’acqua diraffreddamento del motore di cogenerazione, viene addizionato con “latticello di calce”raggiungendo un pH di 9,5-10 ed una temperatura di 42°C e viene inviato alla cisterna alla basedella prima torre. (C1).In questa fase, attraverso un ricircolo verticale, incontra l’aria calda (T 40°C) proveniente dalgruppo di cogenerazione, favorendo lo strippaggio dell’ammoniaca presente che convogliatapresso la seconda torre (C2) incontra in controcorrente la soluzione acida con deposito nel tanksottostante della soluzione di solfato ammonico, che verrà convogliato ad una cisterna distoccaggio al termine del processo.Nelle foto seguenti sono individuati i principali componenti tecnologici caratterizzanti l’impianto inesame:Figura 1.3.4.2: separatore solido liquido composto da un primo vaglio rotante per le frazionigrossolane ed un secondo componente a pressione elicoidaleFigura 1.3.4.3: decantatore a lamelle con rallentatori di flusso e separazione per precipitazioneFigura 1.3.4.4: sistema di preparazione del “latticello di calce” ed immissione nel refluochiarificatoFigura 1.3.4.5: girante per l’immissione di aria calda in controcorrente nella prima torreFigura 1.3.4.6: torre di strippaggioFigura 1.3.4.7: torre di assorbimento dell’ammoniaca strippata e formazione di solfatod’ammonioFigura 1.3.4.2: separatore solido-liquidoProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 34

Figura 1.3.4.3: decantatoreFigura 1.3.4.4: addizione calceProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 35

Figura 1.3.4.5: soffiante aria caldaFigura 1.3.4.6: torre di strippaggioProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 36

Figura 1.3.4.7: torre cattura NH 3Il Progetto Pilota ha seguito dal punto di vista gestionale ed analitico la funzionalità dell’impiantonel corso dell’anno 2010; nella tabella 1.3.4.2 sono riportati i valori relativi alle matrici solide eliquide derivanti dai vari step (medie e deviazioni standard dei campioni prelevati).refluo tal quale predigestorerefluo tal quale postdigestoresost.secca N-NH 4 N_tot P 2 O 5 K 2 O% g/kg g/kg g/kg g/kg3,6 ± 0,57 1,74 ± 0,04 2,60 ± 0,14 1,44 ± 0,54 1,26 ± 1,021,35 ± 0,49 1,68 ± 0,28 2,20 ± 0,42 0,96 ± 0,41 0,85 ± 0,72solido separato 31,47 ± 3,33 2,32 ± 0,49 7,27 ± 1,80 7,82 ± 5,74 1,38 ± 0,37liquido separato 0,95 ± 0,07 1,54 ± 0,13 1,85 ± 0,21 0,54 ± 0,16 n.d. -liquido separato prestrippaggioliquido separatopost-strippaggion.d. - 1,47 ± 0,31 1,74 ± 0,37 n.d. - n.d. -n.d. - 0,38 ± 0,08 0,69 ± 0,08 n.d. - n.d. -NH 3mg/Nm 3emissione camino 3,03 ± 1,53Tabella 1.3.4.2Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 37

I valori relativi alle immissioni in aria dal camino posto al termine nella colonna di assorbimentosono stati rilevati e gentilmente forniti dai gestori dell’impianto.Nel corso del 2010 in epoche differenti, i dati raccolti, i rilievi analitici e la determinazionequantitativa dei volumi trattati hanno permesso di redigere un bilancio di massa evidenziato nellafigura 1.3.4.8, espresso sia come valori misurati su base giornaliera, sia come valori relativi fatto100 i valori di azoto ammoniacale e azoto totale di partenza.I risultati evidenziati mostrano una potenzialità di sottrazione dell’azoto ammoniacale pari al 74%nel sistema di strippaggio e assorbimento dell’ammoniaca (Torre 1 e 2).Tale valore ha subito variazione nel corso della stagione, da un minimo del 61% ad un massimodell’83%, in relazione all’andamento climatico esterno; si è notato infatti che la potenza termica di130 kwt, non era sufficiente, nella stagione fredda, ad assicurare un adeguato input, dovendosoddisfare sia le esigenze dell’impianto che la termostatazione del digestore. L’azienda ha oggiaumentato la potenzialità del cogeneratore passando a 250 kw, probabilmente ponendo le basi peruna resa vicina ai valori massimi.In merito alla capacità di diminuzione dell’azoto al campo, considerando la parte organica nonsottraibile con lo strippaggio, e la parte direttamente inviata all’uso agronomico come solidoseparato, l’efficienza del sistema si attesta con una diminuzione del 60% dell’azoto totale iningresso; valgono anche in questo caso le potenziali ripercussioni relative all’aumento di energiatermica.Va considerato che risultano non presenti nel bilancio globale una quota pari al 7% dell’azotoammoniacale e al 9% dell’azoto totale che vengono “persi” probabilmente nelle operazioni diseparazione solido-liquido. Il fatto merita un approfondimento tecnico ed analitico.I costi di gestione, rilevati direttamente nell’azienda in esame, sono evidenziati nella tabella1.3.4.3:kw/giorno costo unit. €/giorno €/mcconsumi elettrici 654 0,13 85,02 0,97idrossido di calce( tonnellate) 0,7 83 58,10 0,66acido solforico (tonnellate) 0,46 40 18,4 0,21rata ammortamento 10 anni al 5% interesse 1,73costo di esercizio totale per mc 1,84costo di esercizio e rata di ammortamento 3,57solfato ammonico (tonnelate) ricavo 1,2 -25 -30 -0,34costo convenzione spandimento (150 €/ha) -1,32Tabella 1.3.4.3Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 38

digestato separatore separato liquido decantatoreseparato allostrippaggiocolonnastrippaggioemissione dal camino0,29 kg N-NH 3refluo all'usoagronomico88 mc 85,4 mc 85,4 mc 85,4 mc148 kg N-NH 3 132 kg N-NH 3 126 kg N-NH 3 32 kg N-NH 3194 kg N tot 158 kg N tot 149 kg N tot 59 kg N totseparatosolidoricircolo aldigest. anaer.solfatoammonico2,6 mc 1200 kg6 kg N-NH 319 kg N totdigestato separatore separato liquido decantatoreseparato allostrippaggiocolonnastrippaggioemissione dal camino0,002% N-NH 3100% 97% 97% 97%100% N-NH 3 89% N-NH 3 85% N-NH 3 22% N-NH 3100% N tot 81% N tot 77% N tot 30% N totseparatosolidoricircolo aldigest. anaer.solfatoammonicoFigura 1.3.4.83% 1200 kg4% N-NH 310% N totrefluo all'usoagronomicoProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 39

Nello schema dei costi vengono evidenziati sia i consumi elettrici imputabili alle pompe disollevamento e ricircolo, al soffiante d’aria calda, al sistema di agitazione della calce ed alseparatore; vengono inoltre indicati i consumi delle materie prime impiegate, con computogiornaliero e relativo al metro cubo trattato. Nella realtà monitorata il solfato ammonico èconsegnato a ditta specializzata, mediante contratto pluriennale, avendo le caratteristiche richiestecon pH 4-5, densità 1250 g/lt e N ammoniacale minimo del 7%. L’azienda agricola è iscritta al“Registro dei Fabbricanti di Fertilizzanti” secondo il D.L. 217/2006 (disciplina in materia difertilizzanti) ed il prodotto è iscritto al “Registro dei Fertilizzanti” e classificato come ConcimeNazionali Azotato Liquido.Viene anche computato un ipotetico costo per la convenzione alla distribuzione dei reflui comeminor costo per la quota parte estratta come solfato ammonico.In conclusione il monitoraggio condotto ha evidenziato una reale e continuativa possibilità di ridurreil contenuto di azoto che l’allevamento fornisce al campo, in valori significativi ed a costi che sipossono definire compatibili con l’azienda stessa.Occorre, nel contempo rilevare che, la digestione anaerobica, applicata in azienda con un impiantodi tipo semplificato, alimentato solo a reflui zootecnici, è di significativa importanza per l’impianto distrippaggio, non solo per il fondamentale apporto di energia termica a costo zero, ma anche per lesignificative trasformazioni nelle caratteristiche chimico-fisiche del refluo, consentendo un aumentodell’azoto ammoniacale a discapito della forma organica, una riduzione della sostanza secca e delC.O.D. (Chemical Oxygen Demand) che permettono le migliori prestazioni in un impianto diriduzione del contenuto ammoniacale.INGESTATON NH333%N org.67%DIGESTATON org.24%N NH376%Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 40

SEPARATO LIQUIDON org.17%N NH383%SEPARATO SOLIDON NH331%N org.69%Figura 1.3.4.9 – Aumento dell’azoto nella forma ammoniacale a scapito di quella organica a valle del processo didigestione anaerobica e di separazione solidoProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 41

1.3.5 - Ambito 5Impianto di Strippaggio a freddo e riduzione volumetrica del refluo mediante Ultrafiltrazioneed Osmosi Inversa nella provincia brescianaLa tecnica di strippaggio presuppone la necessità di avere energia termica a costo zero, al fine direndere possibile una compatibilità economica di esercizio con l’azienda zootecnica. Talepossibilità è offerta sostanzialmente da un impianto di cogenerazione, ma tale eventualità nonfigura, almeno attualmente, nella consuetudine gestionale di un’azienda.L’impianto seguito in questo ambito poggiava inizialmente le sue basi su tale considerazione percui affrontava la separazione dell’azoto ammoniacale utilizzando una serie di filtri con zeoliti (argillecaratterizzate da elevato scambio cationico), in grado di fissare una parte significativadell’ammonio presente e poterlo quindi recuperare con un lavaggio appropriato, e quindi stripparlo,senza l’ausilio di aria calda. Chiaramente le possibilità di rimozione rimanevano inferiori potendosoddisfare esigenze meno pressanti in termini di eccesso di azoto.Nel corso del progetto l’evoluzione del sistema ha modificato sostanzialmente gli assunti inizialiportando la tecnologia a trattare il refluo separato liquido con sistemi fisici al fine di concentrare glielementi separandoli dall’acqua.Nel dettaglio il sistema denominato N-Free® può essere così descritto.La tecnologia presa in considerazione è costituita da trattamenti fisici sequenziali:ultracentrifugazione con decanter, ultrafiltrazione (UF), osmosi inversa (OI) e strippaggio a freddodell'azoto ammoniacale.Tali processi accumulano la sostanza organica e minerale in una serie di concentrati, permettendola depurazione di una parte consistente della frazione acquosa del refluo.(nelle figure 1.3.5.1, 1.3.5.2, 1.3.5.3, 1.3.5.4 sono visibili le unità fondamentali dell’impianto).Figura 1.3.5.1: Unità di ultrafiltrazionetangenzialeProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 42

Figura 1.3.5.2: Osmosi inversaFigura 1.3.5.3: Torre di strippaggio a freddoProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 43

Fig. 1.3.5.4: Serbatoi diraffinazione in zeoliti a montedello scarico in corpo idricosuperficialeIl monitoraggio svolto attraverso una campagna di campionamento e analisi ha consentito diverificare tutte le matrici in ingresso e uscita, per valutarne le caratteristiche, l’efficienza e lasostenibilità economica del processo proposto.I test, durante il primo anno di esercizio, sono stati effettuati su un liquame bovino fresco (7-8% disostanza secca e oltre 2000 ppm di azoto) ed hanno permesso di delineare con precisione ilbilancio di massa, di azoto totale e di azoto ammoniacale.Figura 1.3.5.5: Aspetto del liquame tal quale e degli stream liquidi dopo UF e OI.I bilanci di massa completi relativi al processo descritto sono riportati nelle figure 1.3.5.6, 1.3.5.7,1.3.5.8.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 44

Figura 1.3.5.6: Impianto N-Free: Flusso di massaProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 45

Figura 1.3.5.7: Impianto N-Free: Flusso di azoto totaleProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 46

Figura 1.3.5.8: Impianto N-Free: Flusso di azoto ammoniacaleProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 47

Dopo l’Osmosi Inversa, il liquido permeato è sottoposto a raffinazione su zeoliti e stoccato in unserbatoio di accumulo, analizzato in continuo per verificare che tutti i valori analitici siano nei limitistabiliti dalla normativa vigente (tali valori, per ogni singolo batch, vengono registrati su PC e sonoquindi tracciati); solo allora il sistema dà il consenso allo scarico finale in corpo idrico superficiale.Come risultato dell’applicazione di questa tecnologia, basata su processi chimico-fisici diconcentrazione della sostanza organica e minerale, si ottengono, a partire da liquame bovinofresco che è stato trattato nel caso in esame:• una riduzione di circa il 50% dei volumi del liquame iniziale da smaltire, in seguito alloscarico in acque superficiali di tale volume come acqua purificata ai sensi del D.L.152/2006;• una riduzione del 25-30% dell’azoto totale (Ntot) contenuto inizialmente nell’effluentebovino fresco;• una riduzione di circa il 50% dell’azoto ammoniacale (N-NH4+) contenuto inizialmentenell’effluente bovino fresco;• una produzione complessiva (per ogni 100 ton di liquame fresco) di circa 20-25 ton diseparati solidi palabili dal separatore elicoidale e dal decanter;• una produzione complessiva (per ogni 100 ton di liquame fresco) di circa 27-32 ton diconcentrati liquidi dalle unità di UF e OI + strippaggio;• una produzione (per ogni 100 ton di liquame fresco) di circa 1 ton di soluzione di solfatoammonico (titolo 30%) dallo strippaggio dell'azoto ammoniacale, che ha già unacollocazione nel mercato dei fertilizzanti, al quale l’azienda agricola produttrice puòaccedere tramite domanda d’iscrizione al “Registro dei Fabbricanti di Fertilizzanti”, secondoil D.L. 217/2006 (Disciplina in materia di fertilizzanti) e iscrizione del prodotto al “Registrodei Fertilizzanti” per fertilizzanti convenzionali.I vantaggi di questa tecnologia risiedono nella riduzione di almeno il 45-50% dei volumi di effluenteda gestire (spandimenti etc.), nella riduzione dell’azoto totale del refluo da “smaltire” in pienocampo (circa il 30% dell’Ntot) e nel recuperare l’N allontanato, sotto forma di solfato di ammonioconcentrato che ha un valore di mercato di circa 25 €/ton. Per quanto riguarda i concentrati,attualmente essi non hanno ancora trovato una loro utile collocazione e quindi devono essere“esportati” o utilizzati per fini agronomici in azienda. In un prossimo futuro è ipotizzabile un lororecupero per produrre fertilizzanti.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 48

Gli aspetti economici del processo proposto sono illustrati analiticamente nella tabella 1.3.5.1:Costi di gestione, esercizio, ammortamento di un tipico modulo impiantistico contecnologia N-Free®, della dimensione di 50 m3/giorno.Costo€ /m3 di liquame tal qualetrattatoCosti gestione (consumi2elettrici, reagenti)Costo di service base0.6(telegestione in remoto)Costo di service completo1.6chiavi in mano (5 anni digaranzia riparazioni)Costo di ammortamento (102anni)Costo complessivo (con5.6service completo chiavi inmano)Vendita solfato ammonico - 0.5Spese evitate di- 1spandimento della metàCosto convenzione Variabile (*)Totale 4.1(*) il costo convenzione varia in un intervallo ampio, in funzione delle diverse situazioni territorialiTabella 1.3.5.1La tecnologia analizzata è stata applicata su refluo bovino tal quale che ha una percentuale diazoto ammoniacale bassa rispetto ad altri effluenti (vedi liquame suino) ed ancora più bassarispetto al digestato.La digestione anaerobica, permettendo un forte incremento della presenza di azoto ammoniacalea scapito della frazione organica, ed una forte riduzione della presenza di sostanza secca eC.O.D., stando ai primi dati a disposizione, permetterà migliori performance di rimozione dell’azotostesso con tecnologia N-Free®, prefigurando una rimozione dell’azoto totale fino al 50-60% ovalori superiori. In tal senso indagini tecnico-scientifiche sono in corso per verificare tali dati eproseguiranno a cura del Gruppo Ricicla - Di. Pro. Ve. dell’Università degli Studi di Milano.In ultima analisi, l’applicazione della tecnologia N-Free a digestati, non può che aumentare le sueperformances in termini sia di bilancio di massa (diminuzione della massa dei concentrati a favoredi una maggior percentuale di acqua scaricabile), sia di bilancio d’azoto (diminuzione dell’azoto neiconcentrati e aumento della produzione di solfato ammonico).Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 49

1.3.6 - Ambito 6Impianto catalitico con produzione di combustibili, dalla trasformazione del digestato, doposeparazione della fase liquidaConsiderato come la gestione dei reflui aziendali, specialmente nel caso di importanti eccedenzedi azoto rispetto alle conformità previste dalla normativa, possa richiedere interventi tecnologicispesso onerosi, la possibilità di ottenere energia da fonti rinnovabili, impiegabile almeno in parteper operazioni di trattamento o per incrementare il reddito aziendale, risulta di notevole interesse.Accanto alla ormai consolidata digestione anaerobica con produzione di biogas, che somma aireflui zootecnici frazioni di produzioni agricole, per incrementarne il potere calorifico, si affaccianotecnologie industriali complesse, in alcuni casi già affermate per il trattamento di rifiuti di tipoorganico.In questo senso, a suo tempo, considerata l’opportunità di seguire gli sviluppi di un’esperienzaapplicativa, in fase d’avviamento in provincia di Pavia, venne inserito nel piano operativo anche ilpresente ambito, per testare la valenza, tra le molteplici tecnologie, di una potenziale applicazionedella Riaggregazione Molecolare, attraverso differenti reazioni che sfruttano le basi del crackingcatalitico, applicabile alla matrice organica contenuta negli effluenti di allevamento o di qualsiasialtro materiale. Il tipo di processo sopra indicato, così come definito a livello scientifico etecnologico, non è combustivo (mancanza totale di diossine) e non ha residui di processoinutilizzati (emissioni 0).Considerata la richiesta di particolari caratteristiche del separato da immettere nell’impiantocatalitico, il processo di separazione comporta l’impiego di una matrice vegetale, per ora copertada segreto industriale, in vista del brevetto, in grado di concentrare e fissare la sostanza secca el’azoto. Questa tecnica particolare, se confermata dalla elaborazione di dati analitici e tecnici,appariva come un primo argomento di forte interesse, a prescindere dalla successiva destinazione,per la forte concentrazione e fissazione dell’azoto nella fase solida, per limitare la dispersione inatmosfera. Il secondo punto d’interesse coincideva, ovviamente, con il processo di catalisi, nontanto per la gestione dell’azoto in sé, comunque oggetto di valutazioni tecnico-ambientali, quantoper la possibilità di utilizzo degli effluenti per una produzione energetica ad alta efficienza.Il processo può trattare tutte le sostanze organiche che contengono carbonio ed idrogeno; imateriali da processare devono possedere:• umidità inferiore al 10%, per avere un’ottima efficienza di trasformazione in idrocarburi;• assenza di materiale inerte (metalli, sassi, sabbia, vetro);• granulometria fine (inferiore a 3 mm).Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 50

Il processo prevede il trattamento dei materiali immessi in un reattore a 350 °C, in simbiosi con unolio vettore, ove, in presenza di specifico catalizzatore, si ottiene la rottura delle catene carboniosee la loro ricomposizione in idrocarburi.L’impianto “VUZETA” è costituito da tre unità:• Caricamento e miscelazione:Una piattaforma di caricamento costituita da 3 serbatoi completi di sistema di dosaggio epompa di caricamento nei quali sono inseriti l’olio vettore, il catalizzatore ed ilneutralizzante. Le pompe a servizio dei serbatoi inviano i tre prodotti al reattore per ilpreriscaldo e l’eliminazione dell’umidità e da qui al polmone di caricamento del reattorecentrifugo. La piattaforma è completata dal sistema di caricamento dei materiali datrasformare solidi o liquidi.Le biomasse, o sostanze ad esse assimilate, in ingresso devono essere sottoposte ad unadeguato processo preliminare di selezione e preparazione, che prevede la riduzionegranulometrica, la parziale asciugatura (se necessaria) e l’eliminazione degli inerti (metalli,vetro, sabbia, etc.);• Reazione:Un reattore centrifugo rappresenta il cuore del sistema ed è costruito secondo le tecnichepiù sofisticate, con materiali adatti a resistere alla temperatura di 400°C ed alla corrosioneindotta dalle miscele di materiali da trasformare.L’attrito tra le particelle della miscela provoca un innalzamento della temperatura dellastessa fino a 350°C; per effetto del livello termico e del catalizzatore, si innesca la reazionechimica di produzione degli idrocarburi, che a questa temperatura sono allo stato gassoso.Tale miscela gas/liquido viene inviata ad un separatore a ciclone, che provoca laseparazione fra i liquidi e i gas/vapori; i liquidi ritornano in ciclo nel serbatoio di caricamentodel reattore, mentre i gas/vapori vengono inviati alla colonna di distillazione.Con un imminente, ulteriore sviluppo tecnologico, oggetto di finanziamento da parte delMinistero delle Attività Produttive, i liquidi potranno essere recuperati, separando il seccodall’olio, per ottenere:• recupero dell’olio vettore, ripulito con efficienza del 98% e riciclabile nell’impianto;• recupero del “secco”, utilizzabile come carboncino con potere calorifico di circa4kW/kg.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 51

• Distillazione e recupero sottoprodotti.Dalla colonna di distillazione si estraggono: un liquido combustibile sintetico, più pesante,ed un liquido combustibile sintetico leggero; il primo è raffreddato con uno scambiatore edinviato al serbatoio di raccolta dopo centrifugazione, il secondo è estratto dalla testa dellacolonna e parzialmente ri-flussato, dopo la separazione dall’eventuale acqua presente.I residui del processo sono inviati ad una apparecchiatura che separa la frazione liquida daquella solida, la frazione liquida è ricircolata nel processo, mentre quella solida è inviata alcontrollo di qualità per lo smaltimento.Quest’ultima rappresenta circa il 3-8% in peso della miscela introdotta nel processo. I gasprodotti nel sistema sono aspirati da aspiratori che generano una depressione di circa 105kpa; i gas non condensabili sono inviati ad un serbatoio e quindi, previo passaggio in unsistema di filtri, vengono utilizzati per produrre energia.Il liquido combustibile sintetico prodotto viene inviato ad un serbatoio di stoccaggio esuccessivamente ai vari sistemi per la produzione di energia.L’azienda VUZETA s.r.l., con sede in Brescia, inizia nel 2006 la realizzazione di un impianto pilota,per approfondire e studiare le differenti reazioni del processo di riaggregazione molecolare suprodotti organici, cercando di:• Ottimizzarla, nel suo complesso;• stabilizzare le differenti reazioni del processo;• ottenere la continuità di funzionamento e portare il processo all’industrializzazione.In collaborazione con l’Università degli Studi di Pavia, VUZETA mette a punto i processi estabilizza le reazioni, con duplice finalità di riutilizzo dei materiali organici e della produzione dicombustibili ecologici, oggi definiti per normativa come: Bioliquidi; Biocombustibili; Biogas.Con l’aggiunta del nuovo componente impiantistico (vedi sopra), si otterrà anche un Carboncinocon potere calorifico importante.L’iniziativa ha consentito di introdurre innovazioni al processo, ottenendo gli obbiettivi prefissati:• ottimizzare le geometrie dell’impianto;• stabilizzare il processo;• individuare la miglior temperatura di funzionamento;• verificare la produzione di bio-idrocarburi, liquidi, gassosi, solidi, destinabili alla produzionedi energia elettrica e termica, o addizionabili agli attuali combustibili in commercio,successivamente ad un trattamento in raffineria per il controllo dei parametri.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 52

Alla fine del 2008, in accordo con il consorzio Powerfeed di Zanotti, ebbe inizio la realizzazione diun impianto industriale per la valorizzazione degli effluenti di allevamento suinicolo, ovvero deldigestato solido prodotto dall’impianto di biogas di cui già l’azienda Zanotti è dotata. (Figure 1.3.6.1,1.3.6.2, 1.3.6.3)Figura 1.3.6.1 Figura 1.3.6.2Figura 1.3.6.3Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 53

In questa realtà, presso l’allevamento CAMPONE della provincia pavese, si intendeva procedereall’utilizzo di matrice organica derivante dal separato solido ottenuto dall’effluente suino dopodigestione anaerobica, per una quantità secca pari a 1,5 tonnellate/ora.Nel progetto “CAMPONE” non si considerano aspetti/componenti accessori, quali:• il pre trattamento della biomassa;• il funzionamento continuo, per 8000 ore anno;• la produzione di energia elettrica dai BIO Idrocarburi;in quanto si valuta che i sistemi per ottenere tali risultati siano già reperibili sul mercato.Quindi ci si concentra sulla reazione e sui suoi componenti principali, per riportare su scalaindustriale quanto sperimentato con il progetto pilota di Brescia.Vengono affrontate le problematiche connesse all’uso del separato solido, che sono soprattuttolegate alla necessità di fornire all’impianto una matrice organica con contenuto di sostanza seccapari al 90% eliminando parte dell’acqua contenuta in esso.Considerando l’esigenza di effettuare una separazione molto spinta della sostanza secca,l’azienda promuove prove tecniche di separazione mediante flottazione del digestato, conl’inserimento di una matrice vegetale (non nota, poiché coperta da segreto industriale), perseparare adeguatamente la fase liquida.In attesa di verificare la fattibilità di tale separazione, l’azienda rivolge la propria attenzione, perrealizzare test operativi, su prove di utilizzo della pollina, che vanta per sua natura una maggiorconcentrazione di sostanza secca, reperita da allevamenti extra aziendali e addizionata consegatura.L’impianto ha funzionato, non in continuo ma “a badge”, per quattro mesi e, successivamente, conqualche ulteriore prova e su richiesta, per processare i materiali organici. I risultati, dal punto divista impiantistico, sono stati soddisfacenti, confermando l’opportunità di procedere alcompletamento dell’impianto con i componenti accessori.Le risorse necessarie allo sviluppo, tuttavia, dovevano essere disponibili per VUZETA, a seguito diaggiudicazione del Bando 2015 sulla Innovazione tecnologica, il quale ha invece sofferto, e soffretutt’ora, anche a seguito dell’attuale situazione economica, di controversie nella erogazione deiprevisti finanziamenti; ciò ha causato notevoli difficoltà all’azienda nel proseguire il completamentodell’impianto.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 54

1.3.7 - Ambito 7Impianto di digestione anaerobica con produzione di biogas da effluenti di allevamento ebiomasse nella provincia di SondrioSuccessivamente all’avvio del piano operativo, i referenti del Progetto, in accordo con i Funzionaridella D.G. Agricoltura, hanno ritenuto opportuno considerare la richiesta di collaborazione con unarealtà operativa non preventivata, situata in area non vulnerabile; si tratta di un sistema consortiledella Valtellina, nei pressi di Tirano, che vede per ora coinvolte 11 aziende, che hanno aderito allaproposta avanzata dalla società che, da tempo, gestisce il locale impianto di tele-riscaldamento(termo-valorizzatore biomasse legnose).Il progetto ha previsto la realizzazione di un impianto di digestione anaerobica con produzione dibiogas, già in funzione, a partire dagli effluenti di allevamento dei conferenti, con utilizzocomplementare di biomasse.Le aziende sono totalmente dedite all’allevamento di bovini da latte e, generalmente, sono dipiccole dimensioni.Secondo i dati elaborati, con riferimento alle indicazioni della dgr 5868/2007 (POA-PUA), sidenotano per la maggioranza dei casi, un carico azotato compatibile e conforme alla disponibilitàdi terreni condotti direttamente (S.A.U. aziendale); fatta eccezione per due casi, uno dei quali coneccesso (evidenziato in rosso) molto contenuto.Nella tabella 1.3.7.1 lo schema riassuntivo di tali elaborazioni.SITUAZIONE AZIENDE CONFERENTIha peso vivo kg N N NZNVN t Nmax bovini kg/ha eccessoAZIENDA 1 25,45 45,28 8.653 6.158 242 2.495AZIENDA 2 25,45 30,80 8.653 4.139 163 4.514AZIENDA 3 16,83 34,64 5.722 4.621 275 1.101AZIENDA 4 6,68 17,15 2.271 2.263 339 8AZIENDA 5 8,33 11,79 2.832 1.598 192 1.234AZIENDA 6 3,34 0,66 1.136 79 24 1.057AZIENDA 7 24,69 29,44 8.395 4.051 164 4.344AZIENDA 8 3,3 17,02 1.122 2.272 688 -1.150AZIENDA 9 11,72 14,22 3.985 1.922 164 2.063AZIENDA 10 10,72 23,46 3.645 3.107 290 538AZIENDA 11 16,91 42,97 5.749 5.816 344 -67Tabella 1.3.7.1ha peso vivo kg N N NZO t Nmax bovini kg/ha eccesso153,42 267,43 52.163 36.026 235 16.137Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 56

Una ulteriore elaborazione riguarda la conformità agli stoccaggi per gli effluenti di allevamentopalabili e non palabili che ogni azienda deve raggiungere per un’adeguata gestione agronomicadei reflui prodotti in azienda. (tabella 1.3.7.2)La tabella seguente illustra i risultati dell’elaborazione considerando il refluo (liquame e letame)prodotto in azienda, gli stoccaggi presenti e quelli eventualmente mancanti (scrittura rossa),entrambi espressi in termini volumetrici ed in giorni. Si tenga conto che la necessità di stoccaggioper le aziende di bovini in zona montana è richiesto per 90 giorni.aziendaproduzione refluo produzione refluo stocc. Az. stocc. Az. deficit deficit deficit deficitliquameletame Liquame Letame liquame liquame letame letamemc mc mc mc mc gg mc gg1 1215,43 1405,3 538 375 238 72 28 72 811,8 240 270 75 70 31 16 243 1076 401 598 293 333 113 194 1774 600 0 0 0 -148 -90 0 05 98 378 0 0 -24 -90 -93 -906 18 40 5 10 1 11 0 17 1240 0 0 0 -306 -90 0 08 584,06 0 450 0 306 191 0 09 114 441 0 0 -28 -90 -109 -9010 145,8 617,04 85 159,5 49 123 7 411 1.478,72 12,92 216 22,5 -149 -37 19 546Tabella 1.3.7.1Le mancanze per raggiungere la conformità non riguardano volumi importanti, stante le piccoledimensioni degli allevamenti, ma occorre sottolineare la difficoltà in termini di realizzazione perragioni particolari, insite in quella zona del territorio lombardo.La possibilità di realizzare strutture per la zootecnia è subordinata a norme contenute nei variRegolamenti di Igiene comunali che fissano una distanza minima da altre strutture civili, artigianalio industriali, variabili da comune a comune, ma normalmente superiori a 100 metri o più.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 57

Come è possibile evidenziare dall’immagine satellitare proposta di seguito, l’utilizzo del suolo nelfondovalle valtellinese è molto intenso e l’azienda agricola si è vista, nel tempo, sempre piùcircondata da numerose infrastrutture, che si sono sviluppate nei suoi dintorni. (figura 1.3.7.1)Figura 1.3.7.1Questa situazione rende, talvolta, impossibile realizzare le strutture di stoccaggio previste neipressi del centro aziendale nel rispetto dei vincoli previsti.D’altronde non è praticabile l’alternativa di una loro realizzazione in altri terreni di pertinenzaaziendale, sia per un aggravio gestionale, sia per le già ridotte superfici a disposizione per lacoltivazione.In alcuni casi, si prevede la realizzazione in forma di sotto-grigliato, nella stessa strutturastabulativa, cosa improponibile per le deiezioni palabili, ma anche struttura non considerata tra lemigliori tecniche disponibili, per l’aumentata emissione ammoniacale, o per gli aumentati costi direalizzazione.L’opportunità di realizzare un impianto di tipo consortile, dotato di idonee vasche e platee, in gradodi stoccare il prodotto risultante dalla digestione anaerobica, sia sotto forma di separato liquido chesolido, ha di fatto risolto l’annosa dicotomia, consentendo agli allevatori aderenti di consegnare ilrefluo fresco e ritirare, in occasione degli usi agronomici, il prodotto maturo.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 58

Non trascurabile, anche se non quantificabile, risulta la deodorizzazione dell’effluente sottoposto aDigestione Anaerobica, che, alla luce delle interconnessioni tra agricoltura, zootecnia e ambienteurbano, già evidenziate in precedenza, consente di diminuire i possibili disagi che si possonocreare durante la distribuzione.L’impianto di digestione anaerobica con produzione di biogas e co-generazione è l’unico impiantofin’ora realizzato ed in attività, a tutt’oggi, in provincia di Sondrio; ha avviato la sua attività nel mesedi agosto del 2009. (Figure 1.3.7.2, 1.3.7.3, 1.3.7.4)Figura 1.3.7.2E’ gestito da un Consorzio, del quale fanno parte TCVVV (Teleriscaldamento CogenerazioneValtellina Valchiavenna Valcamonica), Banca Intesa, la parte agricola, con gli allevatori riuniti incooperativa, l’associazione agricola Coldiretti.L’impianto è alimentato con diversi substrati, di provenienza esclusivamente agricola, dando pienaattuazione alla filiera agro-energetica prevista.Alla Cooperativa agricola, fanno capo le azienda zootecniche, socie e conferenti, più altre dieciaziende che, pur non essendo socie, forniscono altre deiezioni, per un totale di circa 900 UBA; lacooperativa fornisce tutto il liquame ed il letame, oltre ad una quota parte dell’insilato (nel 2010Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 59

circa un quarto di quello utilizzato, un po’ meno del preventivato, a causa di avversitàmeteorologiche in fase di maturazione e raccolta), cioè una quota superiore al 51 % del totale dellafornitura.Figura 1.3.7.3Nell’anno 2010 la produzione di energia elettrica ha raggiunto i 4.470 MWh (4.273 MWh immessiin rete, sottratta la quota di auto-consumo), che corrisponde ad una produzione media giornalieradi 12.245 KWh.L’energia termica prodotta, invece, viene in minima parte usata nell’impianto, mentre la maggiorparte è dispersa; il consorzio sta predisponendo opportune iniziative per cercare una possibilevalorizzazione.Figura 1.3.7.4Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 60

L’alimentazione del digestore nell’impianto di Villa di Tirano è basata sull’uso degli effluenti diallevamento zootecnico e sull’integrazione con biomasse, tra le quali la maggior quota èrappresentata dall’insilato di mais.Quotidianamente vengono immesse circa 50 t di reflui e 20 t di silomais, con un ulteriore contributopari a 2-5 t/giorno di altre biomasse, come farina di mais, marcomele e borlande, secondo lareperibilità temporale di tali sottoprodotti.Nel corso del 2010 le aziende zootecniche hanno fornito 18.357 t di refluo non palabile e 1.091 t dieffluente palabile.Le movimentazioni sono registrate giornalmente, sia per le matrici in ingresso, sia per quelle inuscita (digestato separato, liquido e solido) al fine di evidenziarne la tracciabilità e la correttezzadell’impiego agronomico, essendo tali dati di fondamentale importanza per la redazione dei POA-PUA delle singole aziende conferenti.La regia di tali spostamenti, affidata ad un tecnico agronomo, consente anche di riequilibrare glieccessi di azoto aziendale, fornendo il refluo digestato in quantità consone alla possibilità di caricoaziendale ed ai relativi piani agronomici.L’insilato di mais è sicuramente una biomassa importante nella gestione dell’impianto, in quantoassicura una buona resa in biogas.Nel 2010 la Cooperativa di allevatori ha fornito tramite i propri soci 1.875 t di silomais; il consorzioha dovuto pertanto acquistarne da terzi, in gran parte di fuori provincia, altri 4.770 t.Presso l’impianto sono state realizzate anche due trincee per lo stoccaggio dell’insilato con unacapienza complessiva di oltre 5.000 t, al fine di consentire acquisti in momenti nei quali è piùfavorevole il mercato.In termini complessivi, pertanto, l’impianto di Villa di Tirano, al di là degli aspetti economici,risponde positivamente alle diverse esigenze iniziali dei soci allevatori, in quanto consente:- lo stoccaggio per lunghi periodi, in cui non è possibile lo spargimento del letame/liquame suiterreni agricoli;- il controllo ottimale delle emissioni maleodoranti dei reflui zootecnici, con la stabilizzazione dellebiomasse prima del loro utilizzo agronomico;- la soddisfacente produzione di energia rinnovabile;- in un’ottica multifunzionale, l’attività agro-energetica costituisce oggi una opportunità per gliallevatori, per ampliare la propria attività ed integrare il reddito agricolo;- Il recupero di energia da sottoprodotti e scarti dell’attività agricola.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 61

Tuttavia, nonostante il bilancio fondamentalmente positivo del primo biennio di attività, sonoemerse anche alcune criticità, attualmente oggetto di valutazioni e confronto tra i vari soggetticoinvolti, legate al peculiare contesto territoriale in cui l’iniziativa si colloca.L’ulteriore obiettivo, consiste nel perseguimento di un corretto equilibrio tra il nuovo filone agroenergeticoe più tradizionali elementi caratteristici dell’agricoltura di questa area montana, senzaalterare pratiche e piani colturali, direttamente connessi alla tipicità delle produzioni ed allaconservazione dell’ambiente, anche in senso paesaggistico, in funzione delle attività turistiche.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 62

1.4 - Considerazioni conclusiveVale la pena, a questo punto, di richiamare alcune originarie premesse operative, fondamentali peril corretto apprezzamento del lavoro svolto e dei risultati conseguiti.Anzitutto, gli intenti di carattere conoscitivo e divulgativo del progetto, mirati ad analizzaresituazioni gestionali già in essere, a livello di singola azienda e consortili o, comunque, in grado dicoinvolgere più aziende di una determinata area territoriale, per verificare l’efficacia e l’efficienza dialcuni modelli, tecniche e tecnologie di gestione degli effluenti e degli esuberi di azoto.Quindi, non una sperimentazione scientifica ma, seppure rigorosa, una indagine di campo, volta adevidenziare il profilo tecnico ed economico di esperienze in atto, o coglierne eventuali criticità,riproponibili in altri contesti analoghi.Anche in considerazione del tempo e delle risorse disponibili, inoltre, si è circoscritto il panoramadegli ambiti operativi, pur consapevoli della esistenza di altre possibili soluzioni tecnologiche.Altrettanto esplicitamente, in fase di stesura, fu evidenziato come per nessuno dei casi esaminati ilprogetto intendesse porre le basi per una validazione del processo tecnologico, proposto daqualsivoglia azienda costruttrice o concessionaria.I dati e le informazioni tecnologiche relative all’impianto restano, pertanto, coperte dal necessarioriserbo, mentre ampia divulgazione è stata, già in corso d’opera, e sarà data alle informazionirelative agli input economici ed a tutti gli aspetti connessi alle finalità proprie del Progetto Pilota.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 63

2 - ANALISI AZIENDALEL’Analisi aziendale è stata caratterizzata dalle quattro sottoazioni di seguito richiamate:• applicazione di un modello di analisi aziendale, derivante dalle indicazioni normative(Programma Operativo Aziendale - POA),• applicazione di una gestione agronomicamente efficiente degli effluenti di allevamento conredazione di Piani di Utilizzazione Agronomica (PUA) secondo le indicazioni dell’Allegato 3Parte C della d.g.r. 5868/2007 di Regione Lombardia,• raccolta di dati tecnici, agronomici ed economici relativi alle gestioni aziendali e/o consortili,• caratterizzazione analitica delle matrici utilizzate (liquami, letami, solidi separati ecc.).L’analisi è stata sviluppata, secondo le peculiarità di ogni ambito operativo, per ciascuna delleaziende coinvolte, attraverso: simulazioni di POA e PUA, identificazione del carico allevato, dellaproduzione di azoto al campo, delle superfici coltivate e dei relativi piani colturali, del carico diazoto massimo gestibile per azienda, del rapporto tra azoto asportato dalle colture e quello fornitocon gli effluenti di allevamento, accompagnata dalla rilevazione dei dati tecnici, agronomici edeconomici e supportata con gli opportuni piani di campionamento ed utilizzo dei relativi referti dilaboratorio.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 64

3 - TRACCIABILITÀL’Azione 3 comprendeva due sottoazioni, da realizzare nei diversi ambiti operativi, per consentirela tracciabilità dell’impiego degli effluenti di allevamento:• in azienda, mediante evidenziazione cartografica, geo-referenziazione della distribuzioneaziendale collegata al PUA;• in ambito interaziendale e consortile, mediante evidenziazione cartografica, georeferenziazionemediante GPS e distribuzione collegata ai PUA delle singole aziende.Sulla scorta delle esperienze realizzate, sono possibili le considerazioni esposte di seguito.La delocalizzazione degli effluenti di allevamento è pratica largamente diffusa sul territorioregionale in forza della necessità per l’azienda, che vanta eccessi di azoto di origine zootecnica, ditrasferire su altri terreni, non condotti direttamente e opportunamente convenzionati, parte deglieffluenti prodotti sia sotto forma di refluo palabile che liquido.La tracciabilità degli spostamenti e dell’uso agronomico degli effluenti diventa garanzia, ancheformale, di una corretta gestione e valorizzazione della concimazione organica a beneficio didiverse colture.Nella normale pratica gestionale dell’azienda la cessione dell’effluente avviene tra aziende limitrofeo comunque appartenenti alla stessa provincia, mentre in zone caratterizzate da un carico azotatoparticolarmente elevato, la delocalizzazione potrebbe, anche se oggi non è particolarmente diffusa,comprendere trasporti a più vasto raggio che investono province diverse.Nell’ambito del Progetto Pilota si sono concretizzati trasferimenti sia a corto raggio, sia conpercorsi decisamente più lunghi, come nei casi già analizzati negli Ambiti 2 e 3.Diversi sono i metodi proponibili al fine di rendere evidente e trasparente una valorizzazionedell’effluente e comprendono altrettanti diversi strumenti che vengono di seguito descritti.In primo luogo l’accordo tra l’azienda cedente e quella acquirente è stipulato attraverso unaconvenzione, che normalmente assume i connotati di un Contratto di Valorizzazione dell’Effluente,redatto come Dichiarazione Sostitutiva di Atto di Notorietà (ai sensi del D.P.R. n. 445 del28.12.2000).Esistono diverse forme di tale atto, che comprendono tutte la necessità di rendere evidente alcunebasilari informazioni:• dati dell’Azienda Cedente con intestazione aziendale e CUAA• dati del titolare dell’azienda (Nome, Cognome, data, luogo di nascita e residenza, CodiceFiscale)Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 65

• dati dell’Azienda Acquirente con intestazione aziendale e CUAA• dati del titolare dell’azienda (Nome, Cognome, data, luogo di nascita e residenza, CodiceFiscale)• quantità di effluente trasferito con indicazione della tipologia (Palabile e/o non Palabile)della quantità totale di azoto, fosforo e potassio contenuto• annotazione relativa ad altre matrici organiche eventualmente gestite dall’aziendaacquirente• durata del contratto di valorizzazione• durata del tempo di preavviso tra le parti in merito alla cessazione del contratto• nota relativa all’obbligo di comunicazione al sindaco dei comuni delle due aziende almomento della cessazione del contratto.L’accordo tra le parti ha una sua oggettiva tracciabilità attraverso la Procedura di Gestione Nitrati(PGN) redatta attraverso il Sistema Informativo Agricolo della Regione Lombardia (SIARL), nelquale l’azienda cedente annota in apposita sezione la cessione dell’effluente all’azienda acquirenteevidenziata da specifico CUAA. (Figura 3.1)In tale sezione vengono precisamente indicate la tipologia di cessione, le quantità cedute, lecaratteristiche dell’effluente, la quantità di elementi fertilizzanti contenuti nelle deiezioni cedute.Figura 3.1: Sezione cessione dalla PGN dell’azienda cedenteProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 66

Per contro l’azienda acquirente annota, nella propria PGN, le medesime informazioni relativeall’identificazione dell’azienda cedente (CUAA), la quantità trasferita, la concentrazione, (espressain kg/mc) dei macronutrienti contenuti. (Figura 3.2)Figura 3.2: Sessione acquisizione dalla PGN dell’azienda acquirenteIn tal modo le informazioni relative al passaggio di fertilizzante organico vengono registrateinformaticamente con giustificazione anche del susseguente impiego agronomico.Nel caso la delocalizzazione si avvalga dell’intervento di un azienda agrimeccanica o di untrasportatore, oltre all’evidenziazione nella PGN, risulta necessario che il trasporto vengaaccompagnato da un documento, secondo le indicazioni contenute nella dgr 5868/2007, ai sensidell’art. 15:Art. 15Al fine di una corretta movimentazione degli e.a. e delle acque reflue di cui all’art. 101 comma 7lettere a), b), c) del d.lgs 152/2006, il trasporto degli stessi tra due punti situati nella stessa aziendaagricola o tra terreni in uso alla stessa azienda deve essere dimostrato con POA/POAs ePUA/PUAs, per aziende non soggette a tali adempimenti amministrativi dovranno conservare inazienda autodichiarazione di movimentazione dei propri effluenti; qualora il trasporto degli stessisia affidato a terzi, il titolare dell’attività di trasporto deve tenere un registro di carico e scaricocontenente:Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 67

1. gli estremi identificativi dell’azienda da cui origina il materiale trasportato e del legalerappresentante della stessa;2. la natura e quantità del materiale trasportato;3. l’identificazione del mezzo di trasporto;4. gli estremi identificativi dell’azienda destinataria e del legale rappresentante della stessa;5. gli estremi della comunicazione redatta dal legale rappresentante dell’azienda ad cui origina ilmateriale trasportato.Nella gestione dei trasporti previsti dall’Ambito 2 “Delocalizzazione da aziende zootecnichebresciane e provincia di Pavia di liquame tal quale” nelle quali si sono trasferiti reflui bovini e refluisuini dalla provincia di Brescia a quella di Pavia, come relazionato tecnicamente nei capitoliprecedenti, si sono adottate schede di trasporto con le indicazioni previste dalla normativa, redattein triplice copia. (Figura 3.3)In tal modo la documentazione rimane agli atti per tutti gli agenti coinvolti ed indica in modo precisoed univoco sia l’origine e le caratteristiche dell’effluente, sia il trasportatore che il recettore finaleche utilizza il refluo agronomicamente sulle proprie campagne, secondo le indicazioni del proprioPUA.Le campagne utilizzate possono avere anche una visualizzazione cartografica atta ad unaindividuazione territoriale che entra a far parte della documentazione aziendale annessa al PUA.Figura 3.4A titolo esemplificativo vengono evidenziate, a fianco, le campagne utilizzate nelle prove difertilizzazione svolte nell’Ambito 2. (Figura 3.4)Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 68

Figura 3.3: Facsimile Documento di Trasporto utilizzato nell’Ambito 2Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 69

Un esempio di tracciabilità, sicuramente inappuntabile, applicabile su trasferimenti consistenti o ingestioni consortili può avvenire mediante rilevazione satellitare GPS (Global Positioning System).Le macchine operatrici utilizzate nell’Ambito 1 sono dotate di tale strumentazione in grado dieffettuare tracciati di distribuzione relativi ad ogni singolo intervento di campagna, unitamente allaregistrazione delle quantità distribuite totali e nell’unità di tempo, della velocità di avanzamento delmezzo ed al controllo della pompa volumetrica che rende possibile il mantenimento della quota direfluo distribuito, impostato in fase di programmazione indipendentemente dalle diverse velocità diavanzamento.Figura 3.5: Quadro di controllo TerragatorFigura 3.6: Diagramma distribuzioneLa delocalizzazione prevista nell’ambito 3 “Delocalizzazione di separato solido da un’aziendazootecnica bergamasca verso la provincia di Pavia” ha previsto la tracciabilità del trasporto affidataall’azienda agrimeccanica attraverso un rilevatore satellitare in grado di “certificare” il tragittocompiuto tra l’azienda cedente e quella ricevente.Lo strumento di elevata semplicità, acquisibile ad un prezzo contenuto (inferiore ai 200 Euro) èdotato di datalogger in grado di registrare gli spostamenti importabili nei sistemi geograficifacilmente reperibili sul web (es. Google Earth).Nella Figura 3.7, nella pagina seguente, la rilevazione satellitare del trasporto del separato solido.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 70

Figura 3.7: Rilevazione satellitare del trasporto di separato soliDOProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 71

4 - ATTIVITA' DEL COMITATO TERMOTECNICO ITALIANO (CTI)Secondo la rimodulazione del Piano operativo, approvata in considerazione dell’esigenza di evitaresovrapposizioni e migliorare la sinergia con altri Progetti di ricerca, la collaborazione del CTI si èsviluppata, rispetto a quanto inizialmente previsto come Azione 4, in funzione di ulteriori obiettivi,articolati nelle seguenti Sottoazioni:4.1 – Censimento biomasseL’obiettivo di acquisire il maggior numero di informazioni relative alla disponibilità di materie primeda utilizzare negli impianti di fermentazione anaerobica, attraverso un censimento dei quantitativiassoluti, della relativa distribuzione nell’anno e delle loro caratteristiche chimiche e fisiche, è statoconseguito grazie all’attività realizzata dal CTI, inizialmente nell’ambito della collaborazione conARAL per il presente Progetto pilota SATA e, successivamente, collaborando con il CESTEC, peril Progetto IEE BIOENERGIS “Censimento delle biomasse potenzialmente avviabili alla digestioneanaerobica in Regione Lombardia, loro distribuzione territoriale“.I risultati conseguiti fino al momento della rimodulazione sono illustrati nella relazione “Censimentodelle biomasse potenzialmente avviabili alla digestione anaerobica in Regione Lombardia, lorodistribuzione territoriale e loro disponibilità stagionale” , redatta dal CTI, mentre per il quadrocompleto del Censimento si rimanda ai risultati del progetto Bioenergis.Comitato Termotecnico Italiano - CTI Energia e AmbienteAzione 4.1 – Censimento BiomasseCollaborazione con CESTEC nell'ambito delleattività del progetto BIOENERGISProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 72

ATTIVITA' SVOLTAConsiderando le motivazioni che hanno portato alla rimodulazione dell'azione 4, è stataevidenziata la necessità di ottimizzare l'impiego delle risorse disponibili e di utilizzare la pregressaattività del CTI, effettuata nella prima fase del Progetto Pilota, come input per le attività svolte dalCESTEC nell'ambito del progetto IEE Bioenergis. L'esperienza maturata dal CTI nel corso di variprogetti di ricerca svolti in passato per conto di Regione Lombardia su tematiche simili, ha potutoinoltre fornire un ulteriore valore aggiunto.Con queste premesse l'attività svolta, come indicato negli obiettivi dell'azione 4.1, è stata quella dicreare un raccordo tra i due enti per mettere a disposizione del CESTEC metodologie, dati edesperienze maturate dal CTI anche in aggiunta al lavoro svolto nella prima fase del progetto SATA:In particolare il CTI ha partecipato ad alcuni incontri tecnici coordinati da CESTEC per lapresentazione e la discussione dei risultati del progetto Bioenergis, mettendo a disposizione lapropria esperienza a supporto dei funzionari di CESTEC e Regione Lombardia coinvolti.Oltre a questo è stata messa a disposizione del progetto Bioenergis la relazione dal titolo"Censimento delle biomasse potenzialmente avviabili alla digestione anaerobica in RegioneLombardia, loro distribuzione territoriale e loro disponibilità stagionale" che era stata preparata dalCTI nella prima fase del progetto SATA e che è servita per la definizione dell'approcciometodologico al censimento delle biomasse. Tale relazione è riportata per esteso nell'allegato allapresente relazione.L'attività del CTI in questo ambito è servita anche per rispondere all'azione 4.2 laddove vienechiesto di definire la potenziale producibilità di biometano in Regione Lombardia. Il lavoro diCESTEC è infatti relativo alla valutazione del potenziali di biomassa a 360° in Lombardia, quindianche in termini di materiale da avviare alla fermentazione anaerobica.La documentazione prodotta ad oggi dal progetto Bioenergis è disponibile presso CESTEC epresso i siti web dedicati elencati di seguito:http://www.cestec.it/pianificazione_energetica/bioenergishttp://www.bioenergis.eu/Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 73

Censimento delle biomasse potenzialmente avviabili alla digestione anaerobica in RegioneLombardia, loro distribuzione territoriale e loro disponibilità stagionale.PremessaIl progetto pilota SATA “Valorizzazione degli effluenti di allevamento e loro gestionecomprensoriale” finanziato da Regione Lombardia si proponeva, tra gli altri, l’obiettivo di acquisire ilmaggior numero di informazioni possibili relativamente alla disponibilità di materia prima di originenon zootecnica da utilizzare in impianti di digestione anaerobica.In questo quadro il CTI aveva iniziato a valutare:• quali siano le biomasse potenzialmente avviabili alla digestione anaerobica provenienti dai varisettori economici in regione Lombardia;• quale sia la loro collocazione geografica;• quale sia la loro quantificazione e la loro eventuale stagionalità di produzione;• quale sia il loro attuale percorso di smaltimento/utilizzo e quindi il loro eventuale costo/valoreeconomico.Il lavoro sui punti sopra indicati ha preso concretamente avvio nella primavera 2009. Il primo passoè stato quello di concordare quali fossero nel dettaglio le biomasse da considerare. Definito ilcampo di azione è iniziato l’esame delle fonti statistiche ufficiali e la presa di contatto con alcunioperatori dei settori indagati.Nel corso di un incontro con una delle principali O.P. del comparto ortofrutticolo lombardo èemerso che un altro gruppo di lavoro aveva in corso, analoghe indagini sul tema biomasse e loroutilizzo energetico.Tale potenziale sovrapposizione ha dato luogo ad un incontro - tenutosi nel mese di ottobre 2009presso il CESTEC (Centro per lo Sviluppo Tecnologico, l’Energia e La Competitività delle Piccole emedie Imprese Lombarde), struttura titolare dell’indagine analoga, presente un rappresentantedella DG Agricoltura della regione Lombardia - allo scopo di verificare il percorso eseguito daentrambi i progetti. Nel corso dello stesso si è quindi valutato di adeguare i percorsi progettuali.Essendo il progetto CESTEC più avanzato, è stato deciso di proporre a ARAL e a RegioneLombardia di rimodulare il progetto in cui era coinvolto il CTI che quindi è stato sospeso esuccessivamente rimodulato con le azioni 4.1, 4.2 e 4.3.La presente nota ha lo scopo di relazionare circa lo stato di avanzamento del progetto originale ein particolare descrive le scelte circa i settori da indagare e le difficoltà incontrate nel reperimentodelle fonti informative. I contenuti della relazione sono serviti come input del progetto Bioenergis diCESTEC.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 74

La scelta delle biomasse da indagareUn primo elenco dei macrosettori da indagare e delle biomasse da essi provenienti adatteall’impiego in impianti di digestione anaerobica è stato effettuato sulla scorta di lavori analoghirealizzati da altre istituzioni e enti di ricerca (APAT – CRPA, Regione Veneto, ENEA ecc.). Talelavoro, sostanzialmente bibliografico, ha permesso di definire l’elenco riportato nella tabella chesegue (tab. 4.1.1).Tabella 4.1.1 – Elenco biomasse avviabili a digestione anaerobicaSCARTI VEGETALI DI COLTIVAZIONI AGRICOLEPaglie e stocchi (cereali)Steli e foglie (soia, patate, leguminose, girasole)Foglie e colletti (barbabietola)SCARTI DI MACELLAZIONECategoria 2 (contenuto ruminale)Categoria 3 (sangue non edibile)Categoria 3 (carnicci, frattaglie, grasso)Categoria 3 (budella/intestini)Categoria 3 (organi molli)SCARTI DELL’INDUSTRIA LATTIERO-CASEARIASiero di latteLatticello (scarto burro)SCARTI DI TRASFORMAZIONE DEI PRODOTTI VEGETALIScarti lavorazione pomodoro da industriaScarti lavorazione ortaggi freschiScarti IV gammaScarti lavorazione ortaggi da conservaOlio di scarto delle conserveScarti lavorazione legumiScarti lavorazione cipolleScarti lavorazione patateScarti lavorazione mais dolcevinacce (compresi raspi e fecce)Sansa vergine di oliveScarti lavorazione frutta frescaScarti conserve di fruttaScarti succhi fruttaSCARTI DI LAVORAZIONE DEI CEREALIScarti di molitura dei cerealiScarti dell’industria di lavorazione del risoSCARTI DELL’INDUSTRIA CHIMICAGlicerinaRIFIUTI E ALTRI SCARTI ORGANICIForsuVerde parchi e giardiniOli e grassi vegetali e animaliSCARTI DELL’INDUSTRIA ALIMENTARE E DELLE BEVANDEScarti industria della pastaScarti industria del paneScarti industria dolciariaScarti dell’industria di produzione dei lievitiScarti dell’industria di produzione bevande alcolicheProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 75

L’elenco di tabella 4.1.1 è stato analizzato dal CTI ed è stato successivamente sottoposto ad unaulteriore valutazione di un esperto esterno (nella persona del prof. Maggiore del Dipartimento diProduzione Vegetale dell’Università degli Studi di Milano) per verificarne la reale praticabilità. Sullascorta di dette valutazioni l’elenco originario è stato ridimensionato nell’elenco riportato nellatabella 4.1.2 che segue.Tabella 4.1.2 – Elenco biomasse avviabili a digestione anaerobica rivistoSCARTI VEGETALI DI COLTIVAZIONI AGRICOLEPaglie e stocchi (cereali)SCARTI DI MACELLAZIONECategoria 2 (contenuto ruminale)Categoria 3 (sangue non edibile)Categoria 3 (carnicci, frattaglie, grasso)Categoria 3 (budella/intestini)Categoria 3 (organi molli)SCARTI DELL’INDUSTRIA LATTIERO-CASEARIASiero di latteLatticello (scarto burro)SCARTI DI TRASFORMAZIONE DEI PRODOTTI VEGETALIScarti lavorazione pomodoro da industriaScarti lavorazione ortaggi freschiScarti IV gammaScarti lavorazione ortaggi da conservaOlio di scarto delle conserveScarti lavorazione legumiScarti lavorazione cipolleScarti lavorazione patateScarti lavorazione mais dolceVinacce (compresi raspi e fecce)Sansa vergine di oliveScarti lavorazione frutta frescaScarti conserve di fruttaScarti succhi fruttaSCARTI DELL’INDUSTRIA CHIMICAGlicerinaRIFIUTI E ALTRI SCARTI ORGANICIForsuVerde parchi e giardiniOli e grassi vegetali e animaliSCARTI DELL’INDUSTRIA ALIMENTARE E DELLE BEVANDEScarti dell’industria di produzione bevande alcolicheIn particolare sono stati eliminati i settori relativi alla lavorazione dei cereali e del riso e alcunelavorazioni relative all’industria alimentare (industria del pane, della pasta e dolciaria). I settorimolitorio e risiero sono stati esclusi in quanto la gran parte dei loro scarti hanno un preciso utilizzoalimentare (umano e/o animale). Per lo stesso motivo sono stati esclusi gli scarti dell’industria dellapasta, del pane, dolciaria e di produzione dei lieviti.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 76

Il lavoro di indagineL’indagine è stata svolta seguendo due canali differenti. Il primo è consistito nel ricercare dati daopportune fonti statistiche; il secondo è stato quello di individuare i soggetti produttori dellebiomasse e/o le loro organizzazioni di categoria e quindi procedere ad una indagine diretta sulcampo. L’intento finale era quello di confrontare e/o integrare quanto proveniente dai due canaliallo scopo di coprire quanto più possibile dell’elenco precedentemente stilato.L’indagine statisticaL’esame delle fonti statistiche ufficiali ha permesso di verificare che, per molte delle biomasseriportate in tabella 4.1.2, non esistono dati oppure, se esistenti, non sono disponibili con il livello didettaglio ricercato. In pratica statistiche “complete”, ossia con dati disponibili alla scala comunale,sono presenti solamente per il comparto rifiuti. Anche per tale comparto tuttavia il livello di dettaglioricercato è accessibile solamente presso gli enti detentori dei dati (ISPRA ed ARPA) e nondirettamente in rete.Per tutte le altre biomasse la carenza di dati statistici ha costretto ad operare in modo indirettoossia partendo dai dati relativi alle “produzioni principali” alle quali applicare opportuni “coefficientidi stima” dei prodotti secondari e/o di scarto. I coefficienti utilizzati sono stati per la gran partedesunti dai lavori analoghi precedentemente citati. Le difficoltà e le carenze documentaliriscontrate nonché le metodiche di analisi ipotizzate per ognuno dei macro-settori di tabella 4.1.2sono di seguito brevemente descritte:Scarti delle Produzioni Agricole: per queste biomasse il metodo è stato quello di definire lesuperfici e le rese delle coltivazioni coinvolte secondo il livello di dettaglio ricercato, ottenere quindiil quantitativo di prodotto principale (granella di frumento, mais ecc.) e a questo ultimo applicare deicoefficienti di produzione dello scarto/sottoprodotto. La fonte dei dati di superficie coltivata avrebbedovuto essere il SIARL (Sistema Informativo Agricolo della Regione Lombardia) mentre le reseunitarie sarebbero state ricavate dall’ISTAT. Alle “produzioni principali” così ottenute avrebberodovuto essere applicati dei “coefficienti di produzione dei prodotti secondari” (paglie, stocchi, steliecc) a loro volta definiti con la collaborazione del prof. Maggiore. Il recupero dei dati SIARL eISTAT e quello di applicazione dei coefficienti di stima dei prodotti secondari non è stato effettuatoper l’interruzione del lavoro conseguente alle motivazioni citate in premessa. In ogni caso icoefficienti di produzione dei prodotti di scarto e/o secondari delle principali coltivazioni praticate inregione Lombardia sono, tenuto conto delle “perdite di campo”, quelli riportati nella tabella dellapagina che segue (tab. 4.1.3).Scarti di Macellazione: al pari degli scarti derivanti dalle produzioni agricole questa tipologia dibiomassa non è direttamente presente in nessuna stima ufficiale. Inoltre solo alcune parti di taliscarti vengono classificati rifiuto e come tali rintracciabili attraverso il MUD (Modello Unico diDichiarazione Ambientale). Una parte infatti rientra nella categoria dei SOA (sottoprodotti di origineProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 77

animale) i quali vengono smaltiti senza il bisogno di documentazione particolare il che rende taliprodotti assenti da qualsiasi documentale. Conseguentemente, per stimare la produzione di scartidi macellazione, la metodologia più diffusamente applicata è quella di partire dai dati relativi alnumero di animali macellati ai quali applicare opportuni coefficienti di “resa alla macellazione”. Ildato relativo al peso vivo macellato, suddiviso per razza ed età, è ricavabile sia dalla banca datirelativa all’Anagrafe Zootecnica sia dall’ISTAT. Anche in questo caso è risultato difficoltoso, perentrambe le fonti citate, reperire dati in rete alla scala di dettaglio desiderata. In tabella 4.1.4 sonoriportati i coefficienti utilizzati nello studio dell’APAT-CRPA. Non si è proceduto ad alcuna indaginerelativamente all’attuale utilizzo e/o destinazione degli scarti di macellazione.Tabella 4.1.3 – Coefficienti di produzione relativi ai prodotti secondari e/o di scarto delle principalicoltivazioni praticate in regione Lombardia (valori percentuale rispetto al prodotto principale).SottoprodottoCoefficienteStocchi di mais 0,85Paglia di frumento 0,85Paglia di orzo 0,65Paglia di segale 1,35Paglia di triticale 0,85Paglia di riso 0,75Tabella 4.1.4 - Coefficienti di resa alla macellazione. Fonte APAT-CRPASpecie categoria 2(contenutoruminale)categoria 3(sangue nonedibile)categoria 3 (carnicci,frattaglie, grasso)categoria 3(budella,intestini)categoria 3(organi molli)% su peso vivo % su peso vivo % su peso vivo % su peso vivo% su pesovivobovinivitelli 1,6 2,4 1,44 7vitelloni 4,95 1,58 1,21 3,2adulti 6,44 2,13 1,61 4,82suini 2,9 3,1 6,3avicoli 3,5 7,5ovi capriniCunicoliScarti Lattiero-Caseari: anche per questo settore non tutte le tipologie di scarto vengono, dallanormativa in vigore, classificate rifiuto e quindi documentate con MUD. Esistono stime ufficialidell’ISTAT per quanto riguarda il siero di latte e il latticello che sono le due tipologie di scartoprincipale derivanti dalla trasformazione del latte. Dati ISTAT relativi a siero e latticello sonopresenti sia nelle stime “agricole” che in quelle “industriali”. I due dati, tuttavia, risultano moltodifferenti tra loro come documentato in tabella 4.1.5 che segue. Inoltre, per quanto verificato, i datiISTAT per tali prodotti sono disponibili solo a scala nazionale. Anche siero e latticello sono tuttaviadeterminabili partendo dalla quantità di prodotti caseari trasformati (per i quali è disponibile un datoISTAT a scala regionale) alla quale applicare opportuni “coefficienti di resa alla caseificazione”(tab. 4.1.6). L’attuale destinazione di siero e latticello è il reimpiego in altri settori. Per quantoProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 78

ilevato la gran parte del siero viene utilizzata per produrre ricotta (769.689 t su scala nazionalesecondo l’ISTAT nel 2006), mentre la restante parte è destinata, tradizionalmente,all’alimentazione zootecnica. Restano del tutto sconosciuti i quantitativi di acque reflue e fanghi dilavaggio prodotti dai caseifici, rientranti nella categoria dei rifiuti e quindi accompagnati da MUD.Tabella 4.1.5 – stima della quantità degli scarti lattiero-caseari. Fonte ISTAT 2006.Prodotto (t) Scala di dettaglio Settore economicosiero di latte4.118.718 NazionaleAgricoltura8.683.072 Nazionale Industrialatticello (scarto burro)52.903 Nazionale Agricoltura84.164 Nazionale IndustriaTabella 4.1.6 – Coefficienti di resa alla caseificazione. Fonte APAT-CRPA.Prodotto scarto (%)Latte alimentare, panna, yogurt 20Formaggidura (grana) 90semidura (provolone) 83molli (taleggio, crescenza) 75freschi 75Scarti della Trasformazione dei Prodotti Vegetali: i settori delle produzioni vegetali che, per quantoverificato e dibattuto, generano una quantità di scarto “apprezzabile” sono:• il pomodoro da industria;• il settore della IV gamma (prevalentemente insalate da cespo);• l’industria conserviera;• il settore enologico ed oleario;• la lavorazione e la trasformazione di patate e cipolle;• la lavorazione del mais dolce;• la lavorazione della frutta per la produzione di succhi e conserve.Le lavorazioni del “fresco” (frutta e verdura) generano una modesta quantità di scarti masoprattutto la loro produzione avviene per la gran parte “in campo”. Ne consegue che lo scartorisulta, in pratica, irrecuperabile. Limitando l’analisi ai soli settori precedentemente elencati occorresottolineare la completa assenza di dati statistici relativamente alla produzione di scarti e/osottoprodotti. Anche in questo caso è quindi giocoforza ricavare ciò che occorre partendo dallaproduzione principale. Nel comparto delle trasformazioni dei prodotti vegetali vi sono tuttavia dasegnalare ulteriori difficoltà. Statisticamente sono disponibili i dati relativi alle coltivazioni praticatein un dato territorio. A tale dato basterebbe “abbinare”, come in precedenza, le rese produttive e irelativi coefficienti di resa alla trasformazione per stimare la quantità di scarto generata. Questomodo di operare non tiene, tuttavia, in debito conto del seguente aspetto: la produzioneProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 79

trasformata in un dato territorio potrebbe non coincidere con la produzione coltivata nello stesso. E’il caso, ad esempio, del pomodoro e della patata da industria dove, sicuramente, non tutta laproduzione coltivata in Lombardia viene lavorata in Lombardia. Allo stesso modo può accadereche industrie di trasformazione lombarde lavorino prodotto proveniente da regioni limitrofe. Aquesto punto il problema diventa determinare con un buon grado di affidabilità la quantità diprodotto lavorata/trasformata in un dato territorio in quanto è esclusivamente nel sito dilavorazione/trasformazione che si genera lo scarto. Dati affidabili da questo punto di vista sonodisponibili solo per il pomodoro da industria per il quale AGEA dispone dei reali quantitativitrasformati presso ogni stabilimento in quanto gli stessi sono oggetto di aiuto comunitario. Nellostudio APAT-CRPA vengono proposti dei coefficienti di resa alla trasformazione per alcuni deisettori prima elencati (Tabella 4.1.7).Tabella 4.1.7 – coefficiente di resa alla trasformazione. Fonte APAT-CRPA.Prodotto Scarto vegetale (%)Pomodoro da industria 5,3Piselli, fagioli, fagiolini 8,89Frutta da conserva 2,5-15Scarti dell’Industria Chimica: l’unico scarto utile proveniente da questo comparto produttivo è laglicerina per la quale è disponibile un dato ISTAT relativo alla produzione industriale nazionale del2006 che ammonta a 44.437 t.Scarti Organici Urbani: Come accennato in precedenza questo è l’unico comparto tra quelliesaminati in cui è disponibile una sufficiente informazione statistica. I dati relativi alla forsu sonorecuperabili sia consultando il Rapporto Rifiuti 2007 redatto dall’ISPRA sia il catasto rifiutidell’ARPA. Essi sono normalmente disponibili a scala provinciale, ma presso gli enti citati èrecuperabile anche il dato con scala di dettaglio comunale. In tabella 4.1.8 che segue sonoriassunti i valori relativi alla realtà lombarda con riferimento all’anno 2007.Tabella 4.1.8 – Produzione di scarti organici urbani in Lombardia.SCARTI ORGANICI URBANI Quantità (t) Fonte Dettaglio AnnoForsu 382.654 (**) ISPRA 2008 Provinciale 2007Verde parchi e giardini 377.524 (**) ISPRA 2008 Provinciale 2007Oli e grassi vegetali e animali 1.683 (**) ARPA Provinciale 2007Ad oggi la destinazione principale della forsu e del verde è il compostaggio. Nel Rapporto Rifiuti2007 sono segnalati anche gli impianti di compostaggio con il relativo comune di insediamento e lequantità annuali trattate. C’è da notare che non è specificata l’origine della forsu: se provengaossia da raccolta differenziata porta a porta o da trattamento meccanico a valle della raccoltaindifferenziata. Gli scarti considerati “verde” comprendono anche la parte legnosa.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 80

Scarti dell’industria alimentare e delle bevande: per questo comparto è risultato impossibilereperire dati puntuali circa la tipologia e la quantità di scarti prodotti. L’unico dato utilizzabile èquello della produzione di rifiuti speciali non pericolosi (codice CER 02) dato disponibile sia nellestatistiche ISTAT che in quelle ISPRA. (tab. 4.1.9). Non è stato possibile approfondire questo datoscomponendolo nelle diverse tipologie di biomasse. I dati risultano molto differenti tra di loro puressendo relativi ad anni diversi.Tabella 4.1.9 – produzione di rifiuti speciali non pericolosi dell’industria alimentare.SCARTI INDUSTRIA ALIMENTARE Quantità (t) Fonte Dettaglio AnnoRifiuti speciali non pericolosi 160.194 (**) ISPRA Provinciale 2006Rifiuti speciali non pericolosi 449.907 ISTAT Provinciale 2005(**) il dato è la sommatoria dei dati delle province lombardeIndagine territorialeCome più volte sottolineato, viste le carenze rilevate nelle fonti documentali si è ritenuto opportunoricercare direttamente “sul campo” quanto occorrente allo sviluppo dell’analisi individuando isoggetti diretti produttori degli scarti indicati in tabella 2: le aziende agroalimentari. A questoproposito il primo passo effettuato è stato quello di consultare il sito web di Confindustria percercare le associazioni di settore legate all’agroalimentare, a cui chiedere informazioni relative ailoro associati (tab. 4.1.10). L’obiettivo era quello di effettuare una prima verifica sulla presenza omeno di dati utili agli scopi del presente lavoro e al contempo ricavare indicazioni su quanti e qualiimpianti visitare per ogni comparto. Una difficoltà emersa in questa fase è stata quella dellalocalizzazione delle varie associazioni facenti capo a Confindustria le quali, per la gran parte,possiedono un’unica sede nella capitale senza sedi secondarie in regione Lombardia.Tabella 4.1.10 – Associazioni aderenti a ConfindustriaTipologia ProdottoScarti di MacellazioneScarti lattiero-caseariScarti trasformazione prodotti vegetaliOli e grassi vegetaliScarti industria alimentare e delle bevandeContattiASSICA - Associazione Industriali delle CarniASSOCARNI - Associazione Nazionale Industria e Commercio Carni eBestiameASSOLATTE - Associazione Italiana Lattiero-CaseariaANICAV - Associazione Nazionale Industriali Conserve AlimentariVegetaliFEDERVINI - Federazione Italiana Industriali Produttori Esportatori edImportatori di Vini, Acquaviti, Liquori, Sciroppi, Aceti ed AffiniASSITOL - Associazione Italiana dell' Industria OleariaFEDERCHIMICA - Federazione Nazionale dell'Industria ChimicaAIDI - Associazione Industrie Dolciarie ItalianeAIIPA - Associazione Italiana Industrie Prodotti AlimentariUNIPI - Unione Industriali Pastai ItalianiASSOBIBE - Associazione Italiana tra gli Industriali delle BevandeAnalcoolicheASSOBIRRA - Associazione degli Industriali della Birra e del MaltoProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 81

Per ovviare alla mancanza di referenti sul territorio è stata consultata la banca dati della CCIAA diMilano effettuando due visite allo sportello Lombardia Point. In queste due visite è stato possibilereperire l’elenco delle imprese agroalimentari operanti in Lombardia oltre ai dati caratterizzanti leimprese stesse. In particolare per ogni impresa censita presso la CCIAA è disponibile una schedacontenente le seguenti informazioni:• sede della/e unità produttive;• settore merceologico di appartenenza;• tipologia delle produzioni effettuate;• numero di dipendentiDalla tipologia delle produzioni si sarebbe potuto ipotizzare la tipologia di biomassa di scartoprodotta mentre dal numero di dipendenti si sarebbero ricavate utili indicazioni circa la dimensioneeconomica di ogni singola azienda e quindi, indirettamente, della loro rappresentatività nellospecifico settore di appartenenza.Oltre alla camera di commercio è stato consultato il sito web del ministero delle Politiche AgricoleAlimentari e Forestali dal quale è stato ricavato l’elenco di tutte le OP ortofrutticole italiane. Questoha portato alla prima presa di contatto diretta avvenuta presso UNO Lombardia (UnioneOrganizzazioni Produttori Ortofrutticoli Lombardia) dalla quale è stato possibile apprendere alcuneinformazioni significative quali:• la Lombardia è la regione in cui è concentrato l’80% di produzione della IV gamma nazionale(soprattutto nelle province di Bergamo e Brescia) la quale attira produzioni vegetali da tuttaItalia;• i dati relativi agli scarti della IV gamma prodotta in Lombardia sono conosciuti e sarebbero statiresi disponibili dietro precisa richiesta.L’inoltro della richiesta formale ha portato alla luce la sovrapposizione con il progetto CESTEC conquindi l’interruzione del lavoro ricordata in premessa.La seconda presa di contatto diretta è avvenuta presso UNICA azienda operante in provincia diPavia nel settore della cernita e del confezionamento di patate e cipolle da destinare alla grandedistribuzione. Durante la visita è stato possibile apprendere quanto segue:• sia patata che cipolla presentano uno scarto “commerciale” costituito dal “fuori pezzatura”, siain difetto che in eccesso. Normalmente la grande distribuzione rifiuta questo “fuori calibro” percui tale prodotto segue canali commerciali differenti;• per la patata esiste anche lo scarto dovuto ai “tuberi verdi” per i quali esiste unacommercializzazione per la produzione di amido;• lo scarto vero e proprio della cipolla è costituito dalle foglie, dai bulbi rotti e/o spaccati e daquelli scalfiti meccanicamente oltre al prodotto che presenta infezioni fungine (borite, fusariumProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 82

ecc.). Sul totale lo scarto, mediamente, raggiunge valori oscillanti tra il 15 e 20% del totaleprodotto in dipendenza dell’andamento climatico che influisce più o meno sullo sviluppo dellepatologie fungine;• per la patata lo scarto è rappresentato dal prodotto scalfito e/o rotto meccanicamente oltre alprodotto con patologie in atto. La percentuale è di circa il 10-15% rispetto al totale prodotto.Oltre a quanto sopra vi sono da considerare le acque di lavaggio di entrambe i prodotti. Le acquedi lavaggio vengono considerate dall’attuale normativa un rifiuto (fango) e come tali devono esseretrattate. Devono quindi essere stoccate e successivamente ritirate da parte di una ditta autorizzata.Nello stabilimento visitato lo scarto vero e proprio trovava reimpiego proprio nella filiera del biogas.Patate e cipolle di scarto venivo ritirate a cura di una ditta alto atesina e destinate allafermentazione anaerobica. Il prodotto di scarto usciva dalla ditta madre con un normale D.D.T..Nel corso della visita ad UNICA è stata discussa con i titolari anche la tematica della realequantificazione del prodotto lavorato in un dato territorio. Dalla discussione è emerso che èassolutamente impossibile, per pate e cipolle, legare l’eventuale quantità di scarto prodotta allasuperficie coltivata. Per quanto riguarda UNICA, ad esempio, si è certi del ritiro del prodotto acontratto (mediante un consorzio di produttori) ma non è detto che vi possano essere ancheacquisti “fuori contratto” se l’annata è sfavorevole alla produzione oppure se le condizionicommerciali lo richiedessero. Oltre a questo per i produttori che vanno sul mercato vi possonoessere ritiri “in campo” di prodotto che viene stoccato e lavorato non si sa dove quindi anche fuoriregione.ConclusioniLa breve indagine svolta a permesso di verificare quanto segue:• se si esclude il settore rifiuti non esistono fonti statistiche complete utili agli scopi del presentelavoro;• le informazioni statistiche disponibili (SIARL; ISTAT ecc), dalle quali ricavare dati di partenzautili alle stime, vanno trattati con molta attenzione. Ad esempio conoscere le superfici coltivatea cereali può portare a stimare con una buon grado di attendibilità la quantità di prodotti discarto di queste colture presenti in un dato territorio. Per quanto verificato gli scarti dellecoltivazioni cerealicole (paglie, stocchi ecc.) hanno una scarsa o nulla mobilità se si escludonogli spostamenti dovuti agli impieghi alternativi (lettiera, alimento zootecnico ecc.). In questocaso quindi il dato della superficie coltivata è utile a patto di stimare correttamente i quantitatividestinati agli impieghi alternativi;• per le altre coltivazioni praticate lo scarto utilizzabile per la digestione anaerobica è generato,nella maggioranza dei casi, non in campo ma nello stabilimento di trasformazione. Questo fa siProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 83

che la conoscenza delle superfici coltivate perde di importanza in quanto è noto che, neglistabilimenti di trasformazione lombardi, non viene lavorato solo prodotto lombardo e anche cheil prodotto coltivato in Lombardia viene lavorato in regioni limitrofe.Quanto sopra costringe ad un contatto diretto con la fonte produttrice dello scarto ditrasformazione. A tale punto occorrerebbe estendere quanto più possibile l’indagine alle realtàproduttive di un dato comparto per non correre il rischio di pericolose generalizzazioni.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 84

4.2 – Potenzialità del biometano e analisi del contesto tecnico-normativoConsiderato il recente ed importante sviluppo che gli impianti di fermentazione anaerobica conproduzione di biogas hanno assunto in Lombardia nel comparto agro-zootecnico ed, altresì, lanecessità di approfondire le tematiche connesse con la possibilità di immettere bio-metano (Biogaspurificato, con contenuto di metano superiore al 95%) in rete, si individuò l’opportunità disupportare la DG Agricoltura regionale per lo studio delle possibilità di sussistenza di specifichecondizioni per l'immissione in rete e di possibili forme incentivanti per tale soluzione tecnologica,nell’ambito di un tavolo tecnico con il Ministero dello Sviluppo Economico e il GSE (GestoreSistema Elettrico).Tale opportunità contribuirebbe ad una maggiore diffusione degli impianti di digestione anaerobicaconnessi all’attività zootecnica, con conseguente incremento della produzione di bio-metano e,soprattutto, della efficienza ed economicità degli impianti stessi, grazie ad una soluzionetecnologica in linea con i più recenti indirizzi forniti dall’Unione Europea, nonché con applicazionigià in essere presso realtà agricole di altri paesi europei (ad es. Germania); il tema rappresentaper la Lombardia, prima regione ad affrontare la questione in Italia, una sfida per l'intero settoreagro-zootecnico ed al contempo un’opportunità di adeguamento normativo, oltre che una realefonte di incremento del reddito aziendale.I risultati conseguiti sono illustrati nella relazione “Quadro tecnico-normativo relativo allaproduzione di biometano e alla possibilità di una sua immissione in rete”, redatta dal CTI.Comitato Termotecnico Italiano - CTI Energia e AmbienteAzione 4.2POTENZIALITA’ DEL BIOMETANO E ANALISIDEL CONTESTO TECNICO-NORMATIVOProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 85

ATTIVITA' SVOLTAL’analisi del comparto relativo al Biometano ha preso inizio dalla necessità di convogliare partedelle risorse disponibili per supportare Regione Lombardia nel difficile compito di promuoverel'organizzazione di un tavolo tecnico con il Ministero delle Sviluppo Economico e il Gestore delSistema Elettrico, volto ad approfondire la reale possibilità di immettere biometano nella rete ditrasporto e distribuzione nazionale.Con queste premesse l'attività svolta, come indicato negli obiettivi dell'azione 4.2, è stata quella dipartecipare a vari incontri prevalentemente informali con le istituzioni citate. Tali incontri hanno difatto consentito a Regione Lombardia di proseguire con maggiore facilità il dialogo con il Ministeroe con il GSE ferme restando le difficoltà tecniche ed economiche tutt'ora non risolte relative allaimmissione in rete del biometano.Da quest'ultimo punto di vista il CTI, per rispondere a quanto richiesto nella rimodulazione delProgetto Pilota SATA, ha sviluppato un rapporto, disponibile nell'allegato alla presente relazione,sull'attuale situazione tecnico-normativa in materia di immissione di biometano in rete arrivandoalla conclusione che benché la tecnologia sia in grado di dare seguito alle esigenze del mercato,gli strumenti legislativi e normativi sono ancora carenti tanto da costituire un freno operativo alprosieguo dei lavori.Al contempo però il CTI, facendo propria l'esigenza di colmare il vuoto normativo, si è attivato,nell'ambito delle proprie competenze, per avviare, o partecipare ad esistenti, tavoli tecnicinormativi in ambito nazionale (UNI), europeo (CEN) o internazionale (ISO). Ad oggi il CTI è quindicomponente del tavolo tecnico CIG "Biometano" affiancato anche da rappresentanti del ConsorzioNazionale Biogas, segue le attività del CEN/TC 408 "Biometano per autotrazione e perl'immissione in rete" e dell'ISO/TC 255 "Biogas".Per quanto riguarda gli aspetti relativi all'analisi tecnico economica della potenziale producibilità dibiometano in Regione Lombardia si rimanda all'attività svolta con l'azione 4.1 del Progetto PilotaSATA e descritta in un'altra relazione. In quel contesto infatti è stato fornito a CESTEC tutto ilsupporto possibile per definire la disponibilità potenziale e reale di biomassa da destinare allaproduzione di energia secondo le differenti soluzioni tecnologiche attualmente disponibili chevanno dalla combustione alla digestione anaerobica passando per la gassificazione.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 86

Quadro tecnico-normativo relativo alla produzione di biometano e alla possibilità di una suaimmissione in rete.Aspetti legislativiL'attuale quadro legislativo comunitario che disciplina lo stoccaggio e il trasporto del gas naturalenelle reti europee e nazionali è rappresentato dalla Direttiva n. 2003/55 ("Seconda Direttiva Gas")relativa al mercato del gas, che introduce il concetto che "gli Stati membri, tenendo conto deinecessari requisiti di qualità, dovrebbero adoperarsi per garantire un accesso non discriminatoriodel biogas e del gas proveniente dalla biomassa o di altri tipi di gas al sistema del gas, acondizione che detto accesso sia compatibile in modo permanente con le norme tecniche e leesigenze di sicurezza pertinenti. Tali norme ed esigenze dovrebbero garantire che i suddetti gaspossano essere iniettati nel sistema e trasportati attraverso il sistema del gas naturale senza porreproblemi di ordine tecnico o di sicurezza, e dovrebbero inoltre tener conto delle caratteristichechimiche dei gas in questione." (24° considerando). Tale approccio generale è ulteriormenteconsolidato dall'art. 1, comma 2 della stessa Direttiva che stabilisce che "le norme stabilite … per ilgas naturale, compreso il gas naturale liquefatto (GNL), si applicano anche al biogas e al gasderivante dalla biomassa o ad altri tipi di gas, nella misura in cui i suddetti gas possano essereiniettati nel sistema del gas naturale e trasportati attraverso tale sistema senza porre problemi diordine tecnico o di sicurezza."Sullo stesso tema interviene anche la più recente Direttiva 2008/28/CE sulla "promozione dell’usodell’energia da fonti rinnovabili, recante modifica e successiva abrogazione delle direttive2001/77/CE e 2003/30/CE" che al 62° considerando ribadisce il concetto che "i costi dellaconnessione alla rete elettrica e alla rete del gas di nuovi produttori di elettricità e di gas da fontienergetiche rinnovabili dovrebbero essere oggettivi, trasparenti e non discriminatori e sidovrebbero tenere in debito conto i benefici apportati alle suddette reti dai produttori integrati dielettricità da fonti energetiche rinnovabili e dai produttori locali di gas da fonti rinnovabili."La medesima Direttiva, all'art. 16 "Accesso e funzionamento delle reti", stabilisce inoltre che:− Comma 7: … Gli Stati membri assicurano che la tariffazione dei costi di trasmissione e didistribuzione non penalizzi il gas prodotto da fonti energetiche rinnovabili.− Comma 9: Se del caso, gli Stati membri valutano la necessità di estendere l’infrastruttura direte del gas esistente per agevolare l’integrazione del gas prodotto a partire da fontienergetiche rinnovabili.− Comma 10: Se del caso, gli Stati membri impongono ai gestori del sistema di trasmissionee del sistema di distribuzione sul loro territorio l’obbligo di pubblicare norme tecniche inconformità dell’articolo 6 della direttiva 2003/55/CE del Parlamento europeo e delConsiglio, del 26 giugno 2003, relativa a norme comuni per il mercato interno del gasnaturale (GU L 176 del 15.7.2003), in particolare riguardo alle norme di connessione allaProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 87

Lo stesso articolo specifica infatti che “il gas naturale (NC 2711 11 00 e NC 2711 21 00), destinatoalla combustione per usi civili e per usi industriali, nonché all’autotrazione, è sottoposto ad accisa,con l’applicazione delle aliquote di cui all’allegato I (n.d.r. riportate sopra), al momento dellafornitura ai consumatori finali ovvero al momento del consumo per il gas naturale estratto per usoproprio.”Oggetto dell’imposizione tributaria è “il gas naturale”, in coerenza con quanto stabilito nellaDirettiva che lo include tra i prodotti energetici che gli Stati membri devono obbligatoriamentesottoporre ad accisa. E’ questa una novità nel settore, in quanto per il gas metano, il precedentequadro normativo identificava il momento della nascita dell’obbligazione tributaria “nellafabbricazione” o “nell’importazione” e, nella successiva immissione in consumo, il momento in cuil’accisa diviene esigibile.Il comma 5, sempre dell'art. 26, disciplina le miscele e stabilisce come deve essere applicata latassazione in relazione alla differente concentrazione del metano (inteso come singoloidrocarburo) e degli altri idrocarburi, nel gas naturale. In particolare è stabilito, mutuando ilprecedente criterio, che le miscele gassose in cui il metano inteso come singolo idrocarburo e glialtri idrocarburi sono contenuti nella miscela in misura non inferiore al 70 cento in volume sono daconsiderarsi alla stessa stregua del gas naturale e pertanto, per tali miscele la relativa aliquota diaccisa deve essere applicata all’intero volume; viceversa, per le miscele gassose in cui lapercentuale di metano (inteso come singolo idrocarburo) e gli altri idrocarburi risultano inferiori al70 per cento del volume complessivo, ferma restando l’applicazione dell’articolo 21, commi 3, 4 e 5(tassazione per equivalenza), l’imposta verrà applicata proporzionalmente al solo contenuto diidrocarburi presenti nella miscela gassosa. Per le miscele di gas naturale con aria o con altri gasottenuti nelle officine del gas di città, l’imposta si applica con riguardo ai quantitativi di gas naturaleoriginari, secondo le percentuali sopraindicate, impiegate nelle miscelazioni. Per le miscele di gasottenuto nelle officine del gas di città od in altri stabilimenti, con qualsiasi processo di lavorazioneche utilizzi metano o altra materia prima, l’imposta si applica sulla percentuale di metano puro cherisulta in esso contenuta.Interessante il successivo comma 6 che prevede che le miscele gassose di origine biologica,destinate agli usi propri del soggetto che le produce, “non sono sottoposte ad accisa”. Talecomma limita evidentemente l'esenzione al solo autoproduttore lasciando quindi intendere che intutti gli altri casi l'imposizione rimanga e sia basata sul combustibile di riferimento. Non è inoltrechiaro se il comma 5 si riferisce anche a miscele prodotte con gas di origine biologica.Alcune considerazioniL'analisi legislativa di cui ai punti precedenti, validata dalla bibliografia di settore e sommataall'esperienza che il CTI ha maturato nell'ambito delle attività normative svolte in materia diProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 91

Aspetti normativi:• considerato il quadro legislativo europeo e l'assenza di norme tecniche in materia, leproblematiche da risolvere per l'immissione in rete di biometano, soprattutto in termini disicurezza e di qualità, sono ancora aperte anche se i tavoli tecnici che dovrebbero aiutare arisolverle sono al lavoro. Probabilmente l'avvio di un progetto pilota potrebbe aiutare averificare le implicazioni pratiche connesse con tale attività e fornirebbe rilevanti input aitavoli interessati;• le principali problematiche da risolvere sono: la qualità del biometano, il mantenimento neltempo della qualità richiesta, le modalità di odorizzazione, la pressione e il punto diimmissione, le modalità di controllo.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 93

4.3 – Valorizzazione della pollina a fini energeticiConsiderata l'attività pregressa del CTI in materia di utilizzazione a fini energetici della pollina (sisegnala l'esecuzione del Progetto GASPO “Gassificatore di piccola taglia per l'utilizzazioneenergetica della pollina” - Programma di ricerca triennale di Regione Lombardia) e valutata lanecessità di continuare la sperimentazione in tale area d’intervento per finalità direttamenteconnesse all’attuazione della direttiva Nitrati, il CTI ha collaborato, nell’ambito del Progetto Pilota,per individuare e monitorare esperienze applicative, sviluppando progettualità specifiche, voltesoprattutto all'individuazione di soluzioni tecnologiche innovative per il contenimento delleemissioni in atmosfera; nella stessa linea di azione si è configurata anche la necessità di eseguirealcune misure in campo sulle emissioni ed analisi dei bio-combustibili utilizzati e delle ceneri dacombustione.I risultati conseguiti sono illustrati nella relazione “Studio delle emissioni di combustione di unacaldaia modificata alimentata a pollina, redatto dal CTI.Comitato Termotecnico Italiano - CTI Energia e AmbienteAzione 4.3Studio delle emissioni di combustione di unacaldaia modificata alimentata a pollinaProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 94

Relazione Finale – 2010La presente relazione è stata redatta dal Comitato Termotecnico Italiano con lacollaborazione del Dipartimento SAIFET dell'Università Politecnica delle Marchenell'ambito del progetto SATA Valorizzazione degli effluenti di allevamento e loro gestionecomprensoriale - Rimodulazione azione 4 - Azione 4.3 di ARAL .L'azione specifica 4.3 è stata coordinata dal Comitato Termotecnico Italiano e svolta con lacollaborazione di:− Laboratorio Biomasse Dipartimento SAIFET dell'Università Politecnica delle Marche− Termocabi srl - Pieve San Giacomo (CR)− Erin - Camisano (CR)Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 95

INTRODUZIONE............................................................................................................................. 97METODOLOGIA DI LAVORO........................................................................................................ 99TIPOLOGIA DI ANALISI .................................................................................................................... 99STRUMENTAZIONE....................................................................................................................... 100ANALISI PER LA CARATTERIZZAZIONE ENERGETICA ....................................................................... 107ANALISI AMBIENTALI .................................................................................................................... 108PIANO DI LAVORO...................................................................................................................... 111RISULTATI ................................................................................................................................... 115CARATTERISTICHE DEI MATERIALI ................................................................................................ 115CONCENTRAZIONI DEI GAS PRESENTI NELLE EMISSIONI ................................................................. 116FATTORI DI EMISSIONE................................................................................................................. 117COMPOSIZIONE CHIMICA DELLE DIVERSE MATRICI ......................................................................... 119COMPOSIZIONE CHIMICA DELLE POLVERI ...................................................................................... 120LIVELLI DI AMMONIACA NELLE EMISSIONI NEI TEST CON AGGIUNTA DI UREA .................................... 122LIVELLI DI CONCENTRAZIONE DEGLI IPA ....................................................................................... 122CONSIDERAZIONI FINALI .......................................................................................................... 123Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 96

INTRODUZIONELa gestione sostenibile della pollina, sotto il profilo ambientale e di compatibilità con la redditivitàdelle imprese avicole, rappresenta una criticità importante e di grande attualità sia nell'ambitodell'applicazione della direttiva nitrati, nonché in relazione al tema delle emissioni in atmosferagenerate dalle attività agro-zootecniche.A tal fine, per approfondire la conoscenza e valutare le potenzialità offerte da tecnologie innovativein tale area di intervento, il progetto Pilota SATA è stato opportunamente integrato da una linead'azione specifica per poter valutare esperienze innovative che consentano la valorizzazione dellapollina a fini energetici con particolare riguardo a soluzioni tecnologiche per il contenimento delleemissioni in atmosfera (caldaie ad alta efficienza e bassa emissione), sostenibili sotto il profiloeconomico da parte delle imprese del comparto.E' stato quindi definito un programma di lavoro che prevedeva:- l'individuazione d'intesa tra DG Agricoltura, ARAL e CTI, di esperienze, sperimentali o di campo,in atto o in fase di progettazione/avvio, d'impiego di caldaie ad alta efficienza e basse emissioni;- l'effettuazione di misurazioni e analisi di laboratorio, per la rilevazione dei principali e piùsignificativi parametri energetici, parametri di emissioni, delle caratteristiche dei biocombustibiliutilizzati e delle relative ceneri di combustione;- l'analisi delle eventuali criticità.Il prodotto finale di tale lavoro è la presente relazione che descrive la metodologia adottata e irisultati più significativi di una serie di test di combustione condotti su pellet di pollina di ovaiole.L'impostazione dello studio è stata definita nel corso di alcune riunioni iniziali di coordinamento traRegione Lombardia DG Agricoltura e CTI, durante le quali, approfittando delle background tecnicodel Comitato Termotecnico, è stato fatto il punto sulle tecnologie disponibili che potesserosoddisfare le esigenze di progetto ed a cui hanno fatto seguito altri incontri più operativi per ladefinizione del piano di lavoro specifico con gli altri soggetti coinvolti.Come azione preliminare e propedeutica alla fase esecutiva del progetto, infatti, è stata condottaun’indagine per verificare le attuali tecniche di combustione esistenti su impianti di limitata potenza.L’obiettivo è stata la verifica dell’attuale disponibilità tecnologica orientata alla realizzazione disistemi di combustione alimentati da materiali complessi quali gli agro-residui. Durante taleindagine sono emersi gli aspetti principali da prendere in considerazione per la scelta dell'impiantoda sottoporre alle prove di combustione; in particolare si evidenziano le caratteristiche innovativedel bruciatore rispetto all'attuale offerta media di mercato ritenuta non particolarmente interessanteProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 97

e i potenziali vantaggi di un pretrattamento (pellettizzazione) della pollina per ottimizzare lasuccessiva combustione. Tra le aziende presenti sul mercato è stata quindi identificata laTermocabi srl di Pieve San Giacomo (Cr) supportata dall'esperienza in materia di pellettizzazionedella Erin di Camisano (Cr) il cui responsabile aveva già partecipato alle attività in materia di pelletdi legno e agro residui svolte dal CTI nell'ambito del programma nazionale biocombustibili(PROBIO) del MiPAF e di Regione Lombardia.Oltre a Regione Lombardia, promotore dell’iniziativa, hanno quindi preso parte alla successivaattività:- il Comitato Termotecnico Italiano, come coordinatore generale del lavoro;- Erin, società di progettazione e realizzazione di impianti per la produzione di energiaalimentati a pellet e di impianti di pellettizzazione, che ha collaborato alle fasi iniziali diimpostazione del progetto;- Termocabi, azienda di progettazione e realizzazione di impianti di combustione alimentati apellet, che ha realizzato un impianto di combustione ad hoc ed ha fornito supporto logisticoed operativo alle analisi di combustione;- Laboratorio Biomasse (Università Politecnica delle Marche) come soggetto esecutore dellaparte analitica del programma di lavoro e responsabile dei test di combustione.Le prove sperimentali sono state svolte nel periodo giugno – settembre 2010 presso la dittaTermocabi utilizzando un piccolo impianto termico di bassa potenza dedicato a test di combustionee montato su un banco attrezzato per la misura di parametri di emissione. Si tratta pertanto di unsistema non in commercio e sul quale è stato possibile modificare in tempi brevi elementi eparametri incidenti sul processo di combustione e sulle caratteristiche delle emissioni prodotte.Obiettivo del lavoro sperimentale è stata la verifica delle possibilità di utilizzare la combustionecome sistema di recupero energetico e valorizzazione della pollina rispettando prestazioni diqualità ambientale delle emissioni prodotte. Il lavoro, inoltre, mira anche a definire le caratteristichedelle matrici solide coinvolte nel processo: pellet di pollina, ceneri leggere e ceneri pesanti.Nel corso della sperimentazione (costituita da 4 sessioni distinte di test sperimentali), in funzionedei risultati ottenuti, il dispositivo di combustione ha quindi subito una continua evoluzione dellasua configurazione finalizzata al raggiungimento delle migliori prestazioni in termini di qualità delleemissioni prodotte.Il documento si compone di una prima parte in cui vengono descritte le metodologie adottate, glistrumenti adoperati ed il piano di lavoro. Segue la trattazione dei risultati e le conclusioni finaliProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 98

contenenti le migliori prestazioni ottenute dall’impianto termico nella fase conclusiva dellasperimentazione.METODOLOGIA DI LAVORODi seguito vengono introdotte e descritte le tipologie di analisi, la strumentazione utilizzata e lemetodologie svolte per ognuna delle matrici campione trattate nel corso della sperimentazione.Viene anche riportato il piano sperimentale prodotto, risultato di una serie di scelte operativedettate dalle condizioni emerse in corso di lavoro.Tipologia di analisiLe analisi eseguite durante i test di combustione presso Termocabi, possono essere suddivise inanalisi energetiche, relative alla caratterizzazione energetica del solo materiale combustibile, edanalisi ambientali, mirate invece alla valutazione dell’impatto ambientale derivante dalle emissioniprodotte dal normale funzionamento dell’impianto e dai sottoprodotti ottenuti a seguito delprocesso di combustione (ceneri) e di abbattimento degli inquinanti nei fumi (ammoniaca).La caratterizzazione dei combustibili, nello specifico pellet di pollina di ovaiole, pellet di pollina dibroiler e pellet di digestato suino, è stata ottenuta secondo le attuali norme standard europee. Intabella 4.3.1 vengono riportati i riferimenti normativi e la strumentazione utilizzata per l’esecuzionedelle analisi.Tabella 4.3.1 - Metodi di analisi utilizzati per la caratterizzazione energetica dei prodotti.OPERAZIONI - ANALISI NORMA STRUMENTOPreparazione del campione CEN 14780Mulino macinatoreContenuto di umidità CEN 14774 Stufa per T = 105°CContenuto in ceneri CEN 14775 Muffola per T = 550°CPotere calorifico netto CEN 14918 Calorimetro - Analizzatore elementarePotere calorifico superiore CEN 14918 CalorimetroPotere calorifico inferiore CEN 14918 Calorimetro - Analizzatore elementareC,H,N CEN 15104 Analizzatore elementareOssigeno CEN 15104 Analizzatore elementareCloro CEN 15289 Bomba di Mahler - Spettrofotometro ICPZolfo CEN 15289 Bomba di Mahler - Spettrofotometro ICPCr, Cu, Mn, Ni, Ar, Cd, HgSodioPotassioCEN 15297 Spettrofotometro ICP-OES Mineralizzatore microondeCEN 15290 Spettrofotometro ICP-OES Mineralizzatore microondeCEN 15290 Spettrofotometro ICP-OES Mineralizzatore microondePer le ceneri di caldaia, suddivise in ceneri pesanti e ceneri volatili e per il particolato su filtro,proveniente dal campionamento delle emissioni, è stata eseguita un’analisi inorganica piùProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 99

approfondita. Allo stesso modo è stato caratterizzato il pellet di pollina di ovaiole, che rappresental’unico combustibile utilizzato per tutti i test di combustione.In tabella 4.3.2 sono riportate le analisi eseguite sulle emissioni di combustione. Per ciascunaanalisi si riporta la norma tecnica adottata e il relativo metodo.Tabella 4.3.2 - Metodi impiegati per l’analisi delle emissioni di combustione.ANALISI Riferimento METODOParticolatoUNI EN 13284-1:2003Prelievo fumi in camino – metodo gravimetricoUmidità dei fumi UNI 10169:2001 Prelievo fumi – metodo gravimetricoAnalisi gas inorganici(CO, CO 2 , O 2 , NO x )Dlgs 152/2006 Prelievo in continuo - analizzatore di gasAmmoniacaEPA CTM-027Prelievo fumi da camino – assorbimento su soluzioneacidaIPA Metodo interno Prelievo fumi in camino – estrazione con solventeStrumentazioneStufa a ventilazione forzataIl contenuto di umidità del campione tal quale e la stabilizzazione termica prima della macinazionesono state ottenute con una stufa a ventilazione forzata e a convezione naturale PID System (mod.M 120-VN, MPM Instruments) - (Figura 4.3.1). La ventilazione forzata assicura un’omogeneità nelriscaldamento, consentendo il controllo della temperatura in ogni punto della camera interna.Inoltre, il continuo ricambio d’aria facilità l’evaporazione dell’acqua dal materiale velocizzando ilprocesso di essiccazione.Figura 4.3.1 - Stufa MPM Instruments M 120.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 100

Bilancia termogravimetricaLa bilancia termogravimetrica (TGA701, LECO) consente di determinare umidità, sostanza volatilee ceneri delle biomasse in maniera completamente automatizzata e per più campionicontemporaneamente (Figura 4.3.2). All’interno dello strumento si trova una muffola contenenteun carosello a 19 posti che, ruotando, posiziona sequenzialmente altrettanti crogiuoli sulla bilanciaper la pesata. Tramite software viene impostato uno specifico programma di riscaldamento ed ilpeso dei campioni continuamente monitorato. Le variazioni in peso relative al solo crogiolo, pereffetto delle alte temperature (effetto Buoyancy), sono valutate e compensate da un crogiolo diriferimento vuoto posizionato all’interno della muffola insieme ai campioni. Le programmate ditemperatura e l’atmosfera all’interno della muffola, aria-ossidante o azoto-inerte, sono scelte inbase al tipo di analisi da eseguire.Figura 4.3.2 - Bilancia termogravimetrica per la determinazione del contenuto in ceneri.Calorimetro isoperibolicoLa misura del potere calorifico superiore è stata eseguita su un calorimetro isoperibolico (C2000Basic, IKA) (Figura 4.3.3). una quantità nota di materiale viene pesata in uno speciale crogiuolo,inserito poi all’interno di una bomba di Mahler. Il sistema, immerso in una quantità definita di acquatermostata a 25°C, viene riempito con ossigeno puro in pressione (25 bar) e successivamenteinnescata la combustione mediante scarica elettrica. Tutto il calore sviluppato dalla completacombustione del materiale viene registrato da un sensibilissimo termometro come innalzamentodella temperatura dell’acqua circostante. Poiché il sistema è chiuso, l’analisi permette dideterminare la massima energia che potenzialmente un materiale può sprigionare quandosottoposto a combustione.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 101

Figura 4.3.3 - Calorimetro isoperibolico.Analizzatore elementare CHNOL’analisi del contenuto in carbonio, idrogeno ed azoto è stata eseguita con un analizzatoreelementare (Analyzer Series II 2400, Perkin Elmer). Alcuni milligrammi di biomassa vengonocompletamente bruciati all’interno di una speciale colonna (colonna di ossidazione) ad elevatetemperature, in atmosfera ricca di ossigeno ed in presenza di un opportuno catalizzatore. I gasossidati che si producono, nello specifico CO 2 , H 2 O ed NO x , vengono inviati in una secondacolonna (colonna di riduzione) che ha il compito di ridurre l’ossigeno in eccesso, proveniente dallafase precedente, e convertire tutto l’NO x a N 2 . La miscela gassosa così composta viene poiseparata e rivelata da un detector a termoconducibilità.Mineralizzatore a microondePer ottenere dei campioni idonei all’analisi inorganica, soprattutto a partire da materiali solidi, ènecessario prima degradare la matrice organica e solubilizzare la componente inorganica,processo di mineralizzazione. Nella mineralizzazione, una quantità nota di campione viene inseritain un apposito contenitore in teflon (vessel) insieme ad una miscela di acidi. Una volta caricato, ilvessel viene chiuso ermeticamente, collocato in una camicia di sicurezza ed il tutto bloccatoall’interno del rotore. Il mineralizzatore (Multiwave 3000, Anton Paar) (Figura 4.3.4) è in grado dierogare microonde secondo un programma costituito da diversi step con tempi e potenze impostatidall’operatore. Questo sistema consente di raggiungere, all’interno del vessel, pressioni etemperature elevate che, associate alla presenza di acidi forti, rendono l’ambiente fortementeossidante. In queste condizioni tutta la componente organica viene ossidata e la frazioneinorganica dissolta.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 102

Figura 4.3.4 - Mineralizzatore Anton Paar Multiwave 3000 (sinistra) e set di vessel con tappo suapposito supporto copri rotore (dx).Spettrofotometro di emissione al plasma ICP-OESL’analisi della frazione inorganica è stata eseguita con uno spettrofotometro a emissione ottica conplasma accoppiato induttivamente ICP-OES (Optima 2100 DV, PerkinElmer) (Figura 4.3.5).Una pompa peristaltica aspira in continuo la soluzione campione e la invia ad un nebulizzatore perottenere un finissimo aerosol, inviato direttamente all’interno di un plasma costituito da argonionizzato. L’attrito provocato dall’urto dalle particelle cariche in movimento sotto l’influenza di uncampo elettromagnetico, generato dall’applicazione di radiofrequenze, genera temperature moltoelevate, nell’ordine delle migliaia di gradi kelvin, che vanno ad eccitare termicamente gli analiti.Questi, ritornando allo stato fondamentale, emettono radiazione luminosa con frequenzecaratteristiche dell’elemento ed intensità proporzionale alla concentrazione. La componente otticadello strumento capta ed invia i segnali luminosi al detector per la rivelazione.Figura 4.3.5 - Spettrofotometro ad emissione al plasma Optima 2100 DV della PerkinElmer.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 103

Cromatografo ionicoIl cromatografo ionico (761 compact IC, Metrohm) è stato impiegato per la quantificazionedell’ammoniaca. All’interno della colonna cromatografica, il cuore dello strumento, è presente unpolimero solido (fase stazionaria) funzionalizzato con gruppi aventi carica opposta agli analiti inesame, che interagisce con gli ioni solubilizzati nel liquido che gli fluisce attraverso (fase mobile oeluente). In base alla natura dello ione, ed alle condizioni chimico fisiche, le sostanze si muovono,trascinate dall’eluente, lungo la colonna con velocità diverse fino a raggiungere, in tempi diversi, ildetector a conducibilità dove sono rivelate e quantificate.Campionatore isocineticoIl campionatore isocinetico automatico è sostanzialmente una pompa volumetrica automatizzata, ingrado di regolare la portata di aspirazione dei fumi, sulla base dei dati ottenuti da un tubo di Pitoted una termocoppia inseriti all’interno del camino, assicurando in questo modo che il prelievoavvenga in condizione isocinetica. Un contatore volumetrico interno misura e registra il volume digas campionato. Il campionatore viene collegato ad una linea di prelievo per il campionamento.Linea di prelievo polveriPer la determinazione delle polveri totali è stata utilizzata una linea di prelievo (Figura 4.3.6) inaccordo col metodo UNI EN 13284-1:2003. La sonda di prelievo isocinetica (MiniStack, TECORA)(Figura 4.3.7) si compone di un portafiltro interno al camino da 25mm di diametro ed una sondamonoblocco incorporante un tubo di Pitot ed un sensore di temperatura. La sonda è collegata adue condensatori immersi in un bagno refrigerato: il primo vuoto ed il secondo contenente gel disilice, allo scopo di condensare/adsorbire il vapore acqueo presente nel flusso campionato, per ladeterminazione dell’umidità dei fumi e per preservare l’integrità della pompa volumetrica. Per unamaggiore protezione, tra il campionatore isocinetico ed il sistema di condensazione è postaun’ulteriore trappola in gel di silice.1. Porta filtro (25 mm di diametro)2. Bocchello per presa d’analisi3. Dispositivo di fissaggio e scorrimento4. Tubo in silicone5. Dispositivo di raffreddamento e raccolta condensa6. Trappola in gel di silice7. Tubo di connessione condensatore‐campionatoreisocinetico8. Campionatore isocinetico9. Cavo ombelicare per la connessione del Pitot e dellatermocoppiaFigura 4.3.6 - Schema della linea di prelievo delle emissioni.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 104

Figura 4.3.7 - Sonda di prelievo Ministack.Linea campionamento IPA-AmmoniacaLa linea di prelievo (Figura 4.3.8) è conforme alla normativa EN 1948 relativa al campionamento dimicroinquinanti, ed è costituita da più unità connesse tra loro.1. Ugello di prelievo2. Dispositivo di fissaggio e scorrimento3. Sonda in titanio riscaldata4. Box riscaldato con porta filtro da 47 mm5. Condensatore in controcorrente,serbatoio di raccolta condensa e fialaadsorbente6. Termocoppia per gas in uscita dalcondensatore7. Tubi di connessione bagno criostaticocondensatore8. Bagno criostatico con termoregolazionee pompa per il ricircolo del liquidorefrigerante9. Tubo di connessione campionatoreisocinetico linea di prelievo10. Campionatore isocinetico11. Tubo di Pitot e termocoppiaFigura 4.3.8 - Linea campionamento IPA.Per il campionamento degli IPA è stata utilizzata la linea come riportata in figura 4.3.9. Una sondaisocinetica con filtro esterno al camino, entrambi riscaldati a 120°C per prevenire la condensazionedel vapore d’acqua e di alcuni composti organici volatili lungo la linea a monte del filtro. Tutte lesuperfici a contatto con i fumi campionati sono in titanio o in vetro, in modo da minimizzarel’adsorbimento durante il campionamento.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 105

Figura 4.3.9 - Sonda isocinetica per il prelievo degli IPA (dx) e dispositivo per la condensazione (sin).I gas caldi in uscita dal mezzo filtrante sono successivamente raffreddati nel condensatore incontrocorrente ed il condensato raccolto nell’apposito contenitore. Questa operazione permette diseparare la frazione condensabile, di cui l’acqua è la componente principale, da quellaincondensabile, costituita da gas di combustione (CO 2 , CO, NO x , ecc.) anidri e freddi più alcunesostanze organiche volatili, quest’ultime efficacemente intrappolate nella fiala adsorbente.Anche per il campionamento dell’ammoniaca è stata utilizzata la linea degli IPA, apportandoqualche modifica nella parte a valle del filtro: al posto del condensatore in controcorrente, dopo ilfiltro, i gas vengono inviati e fatti gorgogliare in due bottiglie di Dreschel in serie immerse nel bagnorefrigerato, contenenti una soluzione di acido solforico per l’assorbimento dell’ammoniaca. A valledi questi, prima della pompa di aspirazione, sono posti un condensatore vuoto ed una trappola ingel di silice. L’impiego della sonda riscaldata evita che l’acqua dei fumi ricondensi nella linea primadel gorgogliamento nella soluzione acida, solubilizzando parte dell’ammoniaca e sottostimando ildato.Analizzatore di gas MRUL’analisi dei fumi è stata ottenuta con un analizzatore per gas di combustione (Vario plus, MRU)(Figura 4.3.10) conforme alla DIN EN 50379. Lo strumento è in grado di eseguire la misura deigas grazie all’azione combinata delle celle elettrochimiche e della tecnologia ad infrarosso,permettendo la determinazione in continuo dei seguenti parametri:• Temperatura dei fumi• Ossigeno (O 2 )• Anidride carbonica (CO 2 )• Monossido di carbonio (CO)• Ossidi di azoto (NO x )• Monossido di azoto (NO)• Acido solfidrico (H 2 S)• Anidride solforosa (SO 2 )• Idrocarburi (espressi come propano, C 3 H 8 )Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 106

Una sonda inserita all’interno del camino preleva i fumi con un flusso costante, inviandoli allostrumento attraverso una linea riscaldata per la successiva rivelazione.Figura 4.3.10 - Sonda e analizzatore gas MRU (dx) e sonda inserita nel camino.Analisi per la caratterizzazione energeticaPer la caratterizzazione energetica dei combustibili sono state svolte le seguenti analisi:• Umidità del materiale come ricevuto• Ceneri• Contenuto in carbonio, idrogeno ed azoto• Potere calorifico superiore (PCS), potere calorifico inferiore (PCI) e potere calorifico netto(PCN)Tutti i materiali prima delle analisi energetiche sono stati stabilizzati termicamente a 45°C esuccessivamente macinati per ottenere dei campioni omogenei, su cui sono state fatte le analisi dilaboratorio, ad esclusione della determinazione del contenuto di umidità del campione comericevuto.Contenuto di umiditàPer la determinazione dell’umidità sul tal quale, un’aliquota di campione è stata posta in una stufaa ventilazione forzata alla temperatura di 105°C fino a completa essiccazione del materiale (pesocostante). La differenza in peso del campione prima e dopo il trattamento termico, rapportata alpeso iniziale, rappresenta la percentuale di umidità contenuta nel materiale. I risultati ottenuti sonostati espressi in percentuale in peso sul campione tal quale, con precisione dello 0,1%.Anche per il campione stabilizzato a 45°C ed omogeneizzato è stata determinata l’umidità (umiditàdi correzione) in modo da poter esprimere i risultati delle analisi su base secca.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 107

Contenuto in ceneriÈ stato pesato nella bilancia termogravimetrica all’incirca 1g di materiale e portato poi allatemperatura di 550°C in atmosfera ossidante (aria), fino a peso costante. La massa restanterappresenta la frazione inorganica, o cenere, del materiale di partenza. Seguendo la relativanormativa per le biomasse, per ciascuna analisi sono state condotte due ripetizioni. L’analisicondotta mediante TGA riduce notevolmente i tempi di analisi e permette la completaautomatizzazione del processo. Il contenuto in ceneri viene espresso con precisione dello 0,1%.Contenuto di carbonio, idrogeno ed azotoCirca 4 mg di biomassa sono stati pesati per la determinazione di carbonio, idrogeno ed azoto delcombustibile. Il contenuto di ossigeno viene calcolato come complementare a 100 della somma delcontenuto di carbonio, idrogeno, azoto e ceneri del materiale su base secca.Potere Calorifico Superiore (PCS), Potere Calorifico Inferiore (PCI) e Potere Calorifico Netto(PCN)Per la determinazione del potere calorifico superiore è stato pesato all’incirca 1g di biomassa edinserito nel calorimetro per la combustione. Dall’analisi si ottiene il contenuto di energia per unità dimassa che una biomassa può sprigionare da una reazione di combustione completa, espressa inkcal/g o in J/g. Poiché il sistema di misura è chiuso, non è possibile tenere conto del caloresottratto dall’evaporazione dell’acqua, fenomeno che avviene quando la combustione si svolge inun sistema aperto, cioè assimilabile ad un caso reale. Sottraendo il calore di evaporazionedell’acqua di combustione, determinata a partire dal contenuto di idrogeno del materiale dipartenza, al valore di PCS si ottiene il potere calorifico inferiore. Se si tiene conto anche dell’acquagià presente nel campione, umidità del campione come ricevuto, allora si ottiene il potere calorificonetto.Analisi ambientaliLe analisi ambientali sono state eseguite sulle emissioni gassose e sulle ceneri e polveri,determinando i seguenti parametri:• Umidità dei fumi• Inorganici gassosi• Polveri totali• Idrocarburi Policiclici aromatici (IPA)• Ammoniaca• Analisi inorganica polveri, ceneri e biomassaTutti i fattori di emissione determinati sulle emissioni sono stati normalizzati all’ossigeno diriferimento con la seguente formula:Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 108

Determinazione umidità dei fumiL’umidità nei fumi di combustione è stata determinata seguendo la normativa UNI 10169. Uncondensatore vuoto ed un condensatore contenente gel di silice sono stati tarati prima di essereconnessi alla linea di prelievo ed immersi in un bagno refrigerato. Il gas è stato campionato aflusso costante per un tempo complessivo di almeno 30 min. A fine prelievo, i condensatori sonostati pesati nuovamente per determinare la quantità di acqua condensata dai fumi campionati.L’umidità dei fumi viene calcolata riportando l’acqua di condensa sul volume di gas anidro,espresso in kg/Nm 3 .Campionamento e misura delle polveriL’emissione di polveri è stata determinata secondo quanto richiesto dalla UNI EN 13284-1:2003. Ifiltri in fibra di quarzo (25 mm) sono stati condizionati termicamente a 180°C per almeno 1h esuccessivamente raffreddati in essiccatore per almeno 4 ore. La tara è stata ottenuta mediando itre pesi presi a distanza di un minuto l’uno dall’altro a partire dall’apertura dell’essiccatore. I puntidi prelievo sono stati selezionati secondo quanto definito dalla norma, in funzione del diametro edella forma del camino in analisi. Sono state misurate portata e velocità dei fumi per la scelta deldell’ugello di prelievo con sezione appropriata.Dall’inserimento della sonda nella porta di campionamento è sempre stato rispettato un tempo dicirca 10 min, per permettere al filtro di equilibrarsi termicamente con i fumi. Durante questointervallo di tempo l’ugello di prelievo è stato posizionato con l’orifizio rivolto in direzione del flussodei fumi al fine di evitare depositi di polvere prima del campionamento. Poco prima del prelievol’ugello è stato riposizionato contro flusso ruotandolo di 180°. I tempi di prelievo sono statisufficientemente lunghi da raccogliere un quantitativo di polveri idoneo ad una corretta pesata. Lepolveri sono state condizionate termicamente a 160°C per almeno un’ora e lasciate in essiccatorea raffreddare per almeno 4 ore prima della pesata. Come per la tara il peso dei filtri più particolatoè stato ottenuto mediando i valori di tre pesate presi a distanza di un minuto dall’aperturadell’essiccatore. Il fattore di emissione è stato calcolato con la seguente formula:Campionamento IPAPer la determinazione degli idrocarburi policiclici aromatici si è utilizzata una metodologia interna allaboratorio. I filtri in fibra di quarzo da 47 mm sono stati condizionati termicamente a 500°C per 3hProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 109

ore e lasciati raffreddare in essiccatore. Il prelievo è stato eseguito in condizioni isocinetiche, contempi di campionamento sufficienti per la raccolta di un quantitativo di particolato adatto all’analisi.Gli analiti sono stati determinati sulle seguenti frazioni:1. filtro con particolato2. fiala adsorbente di XAD‐2L’estrazione degli IPA da entrambe le frazioni, con diclorometano come solvente estraente, è stataassistita da ultrasuoni per massimizzarne l’efficienza. Gli estratti ottenuti, opportunamente filtrati,sono stati riportati ad un volume noto di esano ed analizzati in GC-MS per l’identificazione e laquantificazione. Tutte le fasi di estrazione sono state controllate mediante aggiunta di standardsurrogati e l’analisi cromatografica resa più riproducibile grazie all’aggiunta di standard internideuterati. La quantificazione è stata possibile previa calibrazione dello strumento con standard caconcentrazione nota.Campionamento ed analisi ammoniacaLa determinazione dell’ammoniaca è stata ottenuta seguendo il metodo EPA CTM-027: i fumivengono fatti gorgogliare in una soluzione acida di acido solforico 0.05M e successivamentequantificati in cromatografia ionica. Due bottiglie di Dreschel sono caricate con 100 ml di soluzioneacida e collegate alla sonda riscaldata. La seconda bottiglia ha solo funzione di controllo pervalutare l’efficienza di assorbimento. Prima del campionamento è stata sempre verificata la buonatenuta pneumatica di tutta la linea. I fumi sono stati prelevati dal camino in condizioni isocineticheper un tempo di 40 min circa. Alla fine del campionamento le soluzioni delle due bottiglie sonostate trasferite quantitativamente in flaconi ISO puliti, ed a queste aggiunti i lavaggi con acquaultrapura. I campioni così ottenuti sono stati conservati a bassa temperatura ed al buio finoall’analisi in laboratorio, dove sono stati trasferiti in matracci da 250 ml prima dell’analisi. Laquantificazione è stata ottenuta con un cromatografo ionico, previa calibrazione dello strumentocon standard a concentrazione nota. I valori, corretti per le diluzioni del procedimento ed espressicome ammoniaca su volume di gas campionato, sono stati riportati al valore di ossigeno diriferimento.Analisi gas inorganiciLa misura dei componenti inorganici gassosi maggioritari è stata eseguita con un analizzatore digas. Elaborando i dati ottenuti dall’acquisizione in continuo dello strumento è stato possibileidentificare gli intervalli di misura corrispondenti alle diverse condizioni operative della caldaia.Nella scelta di ogni intervallo è sempre stato rispettato un tempo minimo transitorio, trascorso ilquale il sistema è stato considerato stabile. Per variazioni operative si intende sia il cambio delcombustibile (pellet di legna, pellet di pollina) ma anche malfunzionamenti della caldaia dovuti aProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 110

deterioramento di componenti. L’utilizzo di questo criterio di scelta permette ha permesso divalutare il corretto funzionamento della caldaia.Preparazione ed analisi frazione inorganicaPrima dell’analisi all’ICP-OES ogni campione ha subito un processo di mineralizzazione: unaquantità nota di materiale, da pochi milligrammi per le ceneri e le polveri del filtro a manica e delloscambiatore (dato il loro elevato contenuto inorganico) a qualche centinaia di milligrammi perpollina e digestato, viene inserita nel vessel insieme ad una ben precisa miscela di acidi. Lequantità e la tipologia degli acidi utilizzati variano in base al tipo di matrice trattata:• combustibile tal quale: 6 ml di HNO 3 (69%), 2 ml di H 2 O 2 (30%) e 1 ml di HCl (38%);• ceneri: 3ml di HNO 3 (69%), 2ml di H 2 O 2 (30%), 0.75ml di HF (48.8%).Una volta caricato, il vessel è stato sottoposto all’azione delle microonde secondo programmi dimineralizzazione appositamente studiati per la tipologia dei campioni in esame:• Pellet di pollina e digestato: fino a 1000W in 20 min, mantenuto per 40 min;• Ceneri: fino a 1400W in 20 min, mantenuto per 40 min.Alla fine della mineralizzazione, il vessel viene raffreddato a temperatura ambiente ed i gasprodotti evacuati. La soluzione limpida risultante viene trasferita in un recipiente tarato e portata alvolume desiderato con acqua ultrapura.Per le polveri su filtro, dato il ridotto quantitativo di materiale da analizzare, si è optato per unadigestione manuale. In questo modo è stato possibile aumentare la sensibilità dell’analisilavorando con un volume della soluzione finale minore. I filtri sono stati digeriti in 6ml di HNO 3concentrato (69%) a caldo per 20 min e lasciati raffreddare, poi portati al volume desiderato conacqua ultrapura.Le soluzioni così ottenute sono poi state analizzate all’ICP-OES. La quantificazione degli elementiin esame è stata possibile previa calibrazione dello strumento con specifici standard aconcentrazione nota e con l’utilizzo di bianchi idonei. Il risultato finale è stato espresso comefrazione in peso dell’elemento su unità di massa di campione, su base secca.PIANO DI LAVOROI test di combustione sono stati svolti su una caldaia sperimentale per la combustione di pellet dipollina presso la ditta Termocabi. L’attività di misura è stata condotta nell’ambito di quattro sessionispecifiche:1. I sessione: 15-17 giugno 20102. II sessione: 19-22 luglio 20103. III sessione: 30 agosto - 2 settembre 20104. IV sessione: 8 - 10 settembre 2010Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 111

Durante la campagna di prove il prototipo ha subito un’evoluzione impiantistica, dettata in parte dairisultati delle analisi svolte durante i test.Per la prima sessione di prove si è partiti da una configurazione base, costituita dal corpo caldaiaed una linea per l’emissione fumi, su cui è stata praticata la porta di campionamento.Per la seconda sessione è stata rivista la camera di combustione ed è stato aggiunto un sistema difiltrazione dei fumi a doppia camera filtrante in parallelo, dotato di sistema di pulizia ad aria incontrocorrente. Come elemento filtrante, inizialmente è stato utilizzato un solido inerte tipo ghiaia(definito come massa filtrante), successivamente sostituito con filtri a maniche in tessuto. La portadi campionamento è stata spostata a valle del sistema di filtrazione. Per l’abbattimento degli NO x èstato inserito all’interno della camera di combustione un sistema di iniezione di urea.Per la terza e la quarta sessione sono state apportate ulteriori modifiche alla camera dicombustione e reso più efficiente il sistema di filtrazione dei fumi, portando la batteria di colonnefiltranti contenenti filtri a manicche, da due a quattro unità. La potenza della caldaia è stataraddoppiata passando da circa 10 kWt a 20kWt ed è stato migliorato anche il sistema di iniezionedi urea.Di seguito in tabella 4.3.3 sono riportate le analisi svolte per ogni sessione e le corrispondentimodifiche all’impianto.Tabella 4.3.3 - Tipo di analisi e configurazione del sistema durante le diverse sessioni.SESSIONE MISURA CONFIGURAZIONE CALDAIAAnalisi gas Camera combustione 1Umidità fumiPotenza ≈ 11 kWtI sessionePolveriPorta campionamento in uscita alla caldaiaIPAAnalisi ceneri fondocaldaiaAnalisi gas Camera combustione 2Umidità fumiPotenza ≈ 11 kWtPolveriFiltrazione fumi: 2 unità (massa filtrante - filtro a maniche)II sessione Analisi ceneri fondocaldaiaSistema iniezione urea 1Analisi polveri filtro amaniche ePorta campionamento a valle sistema filtrazionescambiatoreAnalisi gas Camera combustione 3Umidità fumiPotenza ≈ 20 kWtIII sessionePolveriFiltrazione fumi: 4 unità (filtro manica)Ammoniaca Sistema iniezione urea 2Porta campionamento a valle sistema filtrazioneAnalisi gas Camera combustione 3Umidità fumiPotenza ≈ 20 kWtIV sessionePolveriFiltrazione fumi: 4 unità (filtro manica)Ammoniaca Sistema iniezione urea 2Porta campionamento a valle sistema filtrazioneProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 112

Di seguito si riportano alcune immagini del sistema di combustione sul banco attrezzato durante leprove sperimentali. Nella figura 4.3.11(sx) si riporta una visione di insieme del sistema. A destra ècollocata la caldaia sperimentale, mentre a sinistra troviamo il sistema di abbattimento delleemissioni costituito dalla batteria filtrante contenente i filtri a maniche per l’abbattimento dellepolveri. Un miglior dettaglio di questo sistema è riportato nella figura 4.3.11(dx).Figura 4.3.11 - Visione di insieme del sistema sperimentale (sx) e dettaglio dei filtri di abbattimento (dx).La caldaia dispone di una serie di componenti e accessori che consentono di regolare latemperatura di combustione e le condizioni dell’aria in camera di combustione o nelle diverse partidell’impianto. Grazie a questi elementi è stato possibile modificare le condizioni di combustionetrovando il giusto “assetto” per ottenere livelli di emissioni con i più bassi contenuti dei parametriinquinanti.Figura 4.3.12 - Vista anteriore della caldaia sperimentale (sx) e sistema di carico del pellet (dx).Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 113

I sistemi di prelievo delle polveri contenute nelle emissioni e le sonde per la misura delleconcentrazione dei gas inquinanti sono stati collocati a valle della batteria contenente i filtri amaniche. In figura 4.3.13 (sx) è visibile il punto di prelievo ed uno dei sistemi di prelievo dellepolveri a camino. Nella parte destra della stessa figura si osserva il sistema di aggiunta dell’urea incamera di combustione per l’abbattimento degli ossidi di azoto. Il flusso di urea è stato misuratoposizionando il serbatoio contenente tale prodotto su una bilancia e rilevando la portata dellapompa di alimentazione.Figura 4.3.13 - Punto di prelievo delle polveri (sx) e sistema di alimentazione dell’urea in caldaia (dx).Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 114

RISULTATIQuesta sezione del documento è dedicata ai risultati più significativi per definire le potenzialità delsistema sperimentale sviluppato presso Termocabi, nell’ottica di ottimizzare la combustione dipellet di pollina. Si ricorda che la configurazione del sistema di combustione e di abbattimento delleemissioni ha subito modifiche miglioratrici nel corso delle diverse sessioni di prove.Caratteristiche dei materialiLa tabella 4.3.4 riporta i risultati delle analisi di laboratorio svolte su campioni di pollina edigestato. L’analisi è stata estesa anche ad un campione di digestato suino, al fine di arricchire ladisponibilità dei valori di riferimento di questa categoria di prodotti. E’ possibile evidenziare glielevati contenuti in ceneri che caratterizzano i materiali oggetto delle analisi. Nell’ambito dellasperimentazione si è ricorsi all’utilizzo della sola pollina di ovaiole poiché, tra le due pollineesaminate, presenta un maggior contenuto in ceneri (27,9% s.s.) che la rendono più problematicaper il processo di combustione e di trattamento delle emissioni, quindi più adatta alla valutazionedelle capacità dell’impianto.Tabella 4.3.4 - Caratteristiche chimico-fisiche dei pellet di pollina e di digestato.PARAMETROUnità Pollina ovaiole Pollina broiler Digestato suino (pellet)Umidità % 8,1 11,1 9,6Ceneri % 27,9 19,2 32,5Potere calorifico superiore kJ/kg 14756 17107 15739Potere calorifico inferiore kJ/kg 13824 15910 14607Potere calorifico netto kJ/kg 12512 13878 12973Carbonio % 34,65 41,39 37,58Idrogeno % 4,39 5,64 5,34Azoto % 5,55 4,15 4,56Zolfo % 0,16 0,27 0,57Ossigeno % 27,35 29,35 19,45Cloro % 0,19 0,36 0,16Arsenico mg/kg 1,97 0,72

Per ciò che riguarda la composizione chimica dei macroelementi l’azoto è il più critico, attestando ilsuo valore attorno al 4-5 % su base secca. Mentre, riguardo ai microelementi, in generale siosservano valori mediamente più alti rispetto a biomasse tradizionali. Tra questi il rame ed ilmanganese raggiungono concentrazioni importanti su tutte le matrici.Concentrazioni dei gas presenti nelle emissioniIn tabella 4.3.5 vengono riportati i risultati delle elaborazioni condotte sui parametri caratteristicidelle emissioni gassose durante le diverse sessioni. I dati si riferiscono alle prove condotte conpellet di legna o con pellet di pollina di ovaiola, con e senza l’aggiunta di urea in camera dicombustione. La variazione del sistema di combustione tra le diverse sessioni è messa in evidenzaanche dalle differenze di alcuni parametri, ad esempio la temperatura dei gas differisce molto tra lesessioni III -IV e la sessione I. Nell’ultima configurazione, il sistema di prelievo è posto più a vallelungo la linea dello scarico dei gas e dopo il sistema di abbattimento più impattante delle polveri,trovando temperature dei fumi più basse. Variazioni sensibili si notano anche per laconcentrazione di ossigeno, che si attesta su livelli più bassi nel caso dell’ultima configurazione dicaldaia sperimentale.Tabella 4.3.5 - Medie dei parametri caratteristici delle emissioni prodotte nelle diverse prove.Sessione Pellet Data O 2 (%) CO 2 (%) T gas (°C) CO (mg/Nm 3 ) NO x (mg/Nm 3 )I Legno 15/06/2010 11,9 9,7 178,9 211 378I Legno 16/06/2010 12,8 8,8 175,6 165 408I Legno 17/06/2010 13,0 8,6 161,3 91 311I Pollina ovaiola 15/06/2010 10,6 10,7 203,2 658 903I Pollina ovaiola 16/06/2010 10,5 11,1 205,1 310 1128I Pollina ovaiola 17/06/2010 10,2 11,5 193,5 339 826III Pollina ovaiola 31/08/2010 6,6 15,0 104,4 261 815III Pollina ovaiola 31/08/2010 8,1 13,8 98,6 147 1328III Pollina ovaiola 01/09/2010 7,4 14,4 94,4 144 1158III Pollina ovaiola 01/09/2010 8,2 13,6 92,3 131 912III Pollina ovaiola + urea 2 02/09/2010 4,8 17,4 98,1 334 431IV Pollina ovaiola 08/09/2010 6,6 15,2 85,4 569 553IV Pollina ovaiola 08/09/2010 6,5 15,3 93,7 375 837IV Pollina ovaiola 09/09/2010 5,8 16,6 98,4 477 697IV Pollina ovaiola + urea 1 08/09/2010 6,5 15,2 97,2 327 539IV Pollina ovaiola + urea 1 08/09/2010 6,1 15,6 100,1 241 547Nota: urea = test in cui è stata aggiunta la soluzione di urea (1 e 2 sono relative ai test di uso urea).Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 116

La modifica della configurazione del sistema di combustione ha prodotto effetti anche sui dueparametri di maggior interesse: il monossido di carbonio (CO) e gli ossidi di azoto (NO x ). Nel casodel monossido di carbonio, ad eccezione di due misurazioni (sessione I e sessione IV) laconcentrazione si è attestata sempre al di sotto dei 500 mg/Nm 3 . Le performance migliori si sonoevidenziati nell’ambito della sessione III, con variazioni della media comprese tra 131 e 261mg/Nm 3 elevate corrispondenti ad elevate concentrazioni di NO x .Nella sessione IV, in cui si è cercato un assetto del sistema tale da garantire valori bassi dientrambi i parametri gassosi, la concentrazione di monossido di carbonio si è attestata tra 241 e477 mg/Nm 3 , considerando anche i test con l’aggiunta di urea.La configurazione della caldaia, intesa anche come ottimizzazione dei parametri di combustione,ha avuto il suo effetto anche sul livello degli ossidi di azoto. Le migliori performance sonoosservate nell’ambito della sessione IV in cui mediamente le concentrazioni oscillano tra poco piùdi 500 mg/Nm 3 e gli 800 mg/Nm 3 . L’effetto di riduzione degli NOx dovuto all’aggiunta di urea incaldaia è stato osservato nell’ultima prova della sessione III e nelle ultime due prove della sessioneIV, sebbene in queste la variazioni non sembra essere particolarmente sensibile. Per completezza,va messo in evidenza come tra le sessioni III e IV siano variati alcuni accorgimenti di regolazionedei parametri di combustione (portata dell’aria di combustione, ecc.). Questo aspetto si osservaanche dalla variazione, se pur contenuta, della concentrazione di ossigeno nelle emissioni.Fattori di emissioneIl dato delle polveri è probabilmente uno dei più attesi dalla sperimentazione. Nella tabella 4.3.6,che segue, si riportano i risultati dei test eseguiti nelle diverse sessioni di lavoro. Tra i dati, cometermine di confronto, sono riportati anche alcuni risultati ottenuti con pellet di legno. L’introduzionedel sistema di abbattimento polveri, e la successiva miglioria nell’efficienza di abbattimento, hannoconsentito riduzioni significative sull’emissione di polveri dalla caldaia.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 117

Tabella 4.3.6 - Valori dei fattori di emissioni rilevati nell’ambito dei test.Sessione Data CondizioniFattoreemissione11% O 2(mg/Nm 3 )Sistema diabbattimentoTempocampionamento(h)I 15/06/2010 Pollina 1949,0 Nessuno 0,25I 16/06/2010 Pollina 1870,2 Nessuno 0,5I 16/06/2010 Pollina 1906,1 Nessuno 0,5I 16/06/2010 Pollina 1953,4 Nessuno 0,5I 17/06/2010 Pollina 2393,9 Nessuno 0,25I 16/06/2010 Legna 49,8 Nessuno 1II 19/07/2010 Pollina 1343,8 Massa filtrante 0,33II 19/07/2010 Pollina 985,5 Massa filtrante 0,12II 20/07/2010 Pollina 1181,3 Massa filtrante 0,55II 20/07/2010 Legna 74,2 Massa filtrante 0,75II 21/07/2010 Pollina n.r. Manica – doppio strato 0,5II 21/07/2010 Pollina n.r. Manica – doppio strato 0,5II 22/07/2010 Pollina 76,3 Manica – mono strato 0,5III 30/08/2010 Pollina 8,6 Sistema 4 Filtrimanica 1III 31/08/2010 Pollina 34,3 Sistema 4 Filtrimanica 1III 31/08/2010 Pollina 43,3 Sistema 4 Filtrimanica 0,5 Rottura filtroIII 01/09/2010 Pollina 32,9 Sistema 4 Filtrimanica 1III 01/09/2010 Pollina 16,4 Sistema 4 Filtrimanica 0,7III 01/09/2010 Pollina 20,3 Sistema 4 Filtrimanica 1III 01/09/2010 Pollina 17,0 Sistema 4 Filtrimanica 0,5 Misura velocità fissaIV 09/09/2010 Pollina 6,7 Sistema 4 Filtrimanica 3 Filtro grandeNota: n.r. = non rilevabile.Dai risultati emerge in maniera evidente come la pollina sia un prodotto in grado di liberare unaquantità elevata di polveri dalla combustione e, quindi, necessita di un sistema di abbattimento.L’elevato contenuto in ceneri di questo materiale condiziona molto le caratteristiche delle emissioniprodotte. Parte di questa frazione inorganica tende a volatilizzare e, attraverso la turbolenzaprodotta in camera di combustione, sale lungo il camino. Trovandosi in corrispondenza ditemperature più basse il materiale condensano producendo ceneri volatili.L’evoluzione del sistema di abbattimento ha portato a performance tali da garantire fattori diemissioni, nei casi peggiori, di poco superiori ai 30 mg/Nm3 ma mediamente al di sotto di 20mg/Nm 3 . Si consideri che senza l’impiego di sistemi di abbattimento il fattore di emissione medio siattesta attorno ai 2000 mg/Nm 3 (circa 40 volte superiore a quello ottenuto con il pellet di legno).Scarse prestazioni sono state ottenute con la massa filtrante, che ha ridotto di appena il 50% ilfattore di emissione rispetto al sistema senza abbattimento.Il filtro a maniche si è rivelato essere il sistema ottimale. In particolare la doppia manica (sessioneII), sistema impostato solo per brevi periodi di misura, non ha prodotto fattori di emissioni rilevabili.Tuttavia, dalla sessione III, il filtro a maniche è stato realizzato con un solo strato per lavorare suNotaProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 118

lunghi periodi e le prestazioni sono quelle citate sopra raggiungendo anche punte di abbattimentotali da produrre fattori di emissioni inferiori ai 10 mg/Nm 3 .Composizione chimica delle diverse matriciNell’ambito di questa parte di lavoro alcune matrici (Tabella 4.3.7) sono state coinvoltenell’indagine analitica per la sola determinazione degli elementi chimici. Le matrici interessatedall’indagine analitica sono rappresentate da: campioni di pollina di ovaiole, polveri prelevate sulfiltro a maniche, polveri prelevate sullo scambiatore della caldaia e ceneri di pollina. Analogheinformazioni sulle caratteristiche chimiche dei materiali sono riportate anche in tabella 4.3.4 delpresente documento.Tabella 4.3.7 - Concentrazione degli elementi chimici di alcune matrici di interesse della sperimentazione.ElementoPollinaovaiolePollinaovaiolePollinaovaiolePolverifiltromanicaPolveriscambiatoreCeneriPollinaCeneriPollinaCeneriPollinaSessione I I I II II II I ICODICE 4314 (a+b) E4272 EM003B EM004B EM005B 4313A 4313BAs mg/kg 1,97 1,75 1,26 n.r. 3,96 n.r. 5,86 2,35Cd mg/kg 0,87 0,93 n.r. 2,46 89,42 1,497 0,25 0,21Cr mg/kg 7,55 7,53 5,20 161,40 674,7 4187 5,75 15,35Cu mg/kg 84,48 83,40 59,80 200,80 296,1 373,4 315,90 334,20Mn mg/kg 615,76 615,70 505,80 60,81 1508 3183 2954,00 3134,00Ni mg/kg 8,53 7,82 7,86 54,31 179,30 1508 45,68 44,23Pb mg/kg 6,01 6,65 6,11 57,98 122,20 15,96 6,06 4,93Ca mg/kg 63610 1882 56730 80650 139500 52560Fe mg/kg 1713 747 3509 18470 60 3232Mg mg/kg 4939 687 5596 17060 13620 13640Mo mg/kg 7,58 46,46 58,08 91,42Ti mg/kg 77,8 29,5 534,3 277,9 282 284Zn mg/kg 529,7 20290 15170 2011V mg/kg 74,4 297,7 304,4 247,8Co mg/kg 1,47 1,23 6,25 48,48Sb mg/kg n.r. n.r. n.r. n.r.Be mg/kg n.r. n.r. n.r. n.r.Se mg/kg n.r. 2,72 0,993 n.r.Sr mg/kg 56,17 2,17 88,53 214,7Tl mg/kg n.r. 1,897 n.r. n.r.K mg/kg 35623 35465 31510 707600 584400 99570 111600 110400Si mg/kg 6241 4847 19810 20340 17930 11630Al mg/kg 3206 2768 144300 1894 197 142B mg/kg 437,9 575,8 1417 1219Ba mg/kg 248,8 64,44 2130 1388Na mg/kg 3497 3238 36310 189400 162800 124200 15160 15280Ag mg/kg n.r. 16,33 n.r. n.r.P mg/kg 17070 415,9 9828 71670 107700 108200Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 119

Per ciò che concerne l’analisi degli elementi della pollina di ovaiole si porta l’attenzione su quattroelementi in particolare: rame, manganese, nichel, piombo, zinco e vanadio. Rispetto a biomassepiù tradizionali (cippato di media qualità) la concentrazione di questi elementi è superiore dialmeno 4-5 volte (ordine di grandezza indicativo). Nel corso della combustione la distribuzione diquesti elementi nelle parti residue presenta delle variazioni. In particolare, il rame si presenta inconcentrazioni simili sulle diverse parti del sistema di combustione: filtro a maniche, scambiatore eceneri di fondo caldaia. Su quest’ultima frazione, invece, il manganese tende ad accumularsi inmisura particolare, assumendo concentrazioni di circa 3000 mg/kg.Comportamenti particolari sono osservati su alcuni elementi pesanti quali il cadmio, cromo, nichele piombo che assumono valori di concentrazioni elevate solo nella frazione di polveri prelevatasullo scambiatore interno alla caldaia. L’ipotesi è che questi risultati siano stati condizionati dalrilascio di tali elementi da parte del materiale della superficie di deposito dello scambiatore.Per lo zinco l’aumento di concentrazione è ben evidente sulla parte alta della caldaia (la zona delloscambiatore e del filtro a manica) mentre rimane più basso come concentrazione nelle ceneri difondo caldaia. In generale questo elemento è presente ad alte concentrazioni su tutte le frazioni.Infine, la tabella evidenzia elevate concentrazioni di cromo, nichel, ferro ed alluminio in uno deicampioni di ceneri di pollina (EM005B). Considerate le elevate differenze di concentrazione diquesti elementi, se confrontate con quelle ottenute sugli altri due campioni di ceneri di pollina, siritiene probabile che il dato sia condizionato da “inquinamento” dovuto alla presenza di componentiinterne della caldaia che, distaccatesi, si siano concentrate nel punto di prelievo del campione. Percui tali dati sono da ritenere non caratteristici del prodotto analizzato e si considerano comeriferimento corretto i campioni 4313A e 4313B.Composizione chimica delle polveriDiversi campioni di polveri, prelevati durante le varie sessioni di lavoro, sono stati analizzati perindividuarne la composizione chimica inorganica. L’indagine è stata volta soprattutto alla verificadel contenuto di metalli pesanti, con numerosi campioni nella sessione I, ed estesa ad altrielementi chimici nelle altre sessioni. I risultati sono mostrati in tabella 4.3.8.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 120

Tabella 4.3.8 - Composizione chimica dei campioni di polveri prelevati a camino.Sessione I I I I I I I I II II III III III IVFPC1 FPC1 F3 F3 FPC4 FPC4 F6 F6 EM001 EM002 EM006 EM007 EM009 EM008As mg/kg 7,91 5,78 4,19 5,55 4,67 4,61 5,33 4,53 4,056 n.r. 19,43 25,1 21,3 20,72Cd mg/kg 4,24 5,17 5,20 4,11 4,13 4,69 3,59 4,52 2,994 n.r. 2,253 5,169 2,015 3,504Cr mg/kg 9,16 8,89 9,27 7,65 9,42 8,78 6,24 7,75 52,09 82,02 15,1 6,08 16,76 11,74Cu mg/kg 289,00 281,20 316,70 264,00 271,70 271,70 234,10 277,60 198,2 199,7 255,4 263,2 245,6 278,6Mn mg/kg 65,61 53,94 61,65 63,29 63,10 45,98 48,72 47,23 39,95 39,57 67,93 102 102,6 82,02Ni mg/kg 4,43 1,94 2,15 2,07 3,46 2,01 2,54 2,40 6,599 44,37 12,73 11,4 13,87 6,129Pb mg/kg 52,19 47,71 49,01 47,50 40,80 39,93 41,51 41,89 52,38 55,78 53,87 56,15 76,94 91,19Ca mg/kg 1315 2049 1481 1364 147,2 894,7 903,7 2345 3430 1259Fe mg/kg 150 59 81 49 294,4 632,8 351,1 101,8 454,3 48,08Mg mg/kg 106 138 124 71 12,86 39,16 143,2 322,6 482,6 291,8Mo mg/kg 37,59 36,65 33,16 30,24 40,21 33,82Ti mg/kg n.r. n.r.Zn mg/kg 18170 19450 20430 24450 17590 15460V mg/kg n.r. n.r.Co mg/kg n.r. n.r.Sb mg/kg n.r. n.r.Be mg/kg n.r. n.r.Se mg/kg 5,76 n.r. n.r n.r n.r n.rSr mg/kg n.r. n.r.Tl mg/kg 3,14 65,09 13,48 18,48 n.r n.rK mg/kg 655500 563500 600700 546100 566200 555500 520800 572500 491600 494300 617100 761900 560200 570500Si mg/kg 10100 1718 11750 3388 1096 14520Al mg/kg 31 21 22 7 283,6 1953 3595 1742 2072 643,1B mg/kg 515 5255 1524 545,2 1939 1646Ba mg/kg 43,82 1582 3700 2173 14710 n.rNa mg/kg 19180 15440 17580 16080 15890 15180 16880 18580 162000 173700 190300 228500 219700 174300Ag mg/kg 12,48 42,77P mg/kg 1920 1427 1467 1754 302,6 189,9 493,1 708,8 954,5 646,4I valori ottenuti in diversi casi presentano una variabilità elevata. Tuttavia, per diversi elementi èpossibile notare delle differenze di concentrazione se prelevate con o senza sistema diabbattimento. C’è probabilmente anche un effetto legato alla diversa configurazione della cameradi combustione. In particolare, sembrerebbero esserci degli aumenti contenuti di concentrazioneper: arsenico (dalla sessione III), cromo (solo nella sessione II), nichel e ferro a partire dallasessione II e molto più elevato per alluminio e sodio. Il magnesio aumenta soprattutto dallasessione III e IV con il filtro a maniche. Il fosforo invece tende un po’ a diminuire applicando ilsistema di filtrazione.Analizzando i dati della sessione III e IV, cioè quelle che rispondono alle condizioni migliori delsistema di combustione e su cui sviluppare dei confronti per comprendere il livello di inquinantipresenti, i valori degli elementi chimici sembrano dello stesso ordine di grandezza di quelliProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 121

prelevati sulla superficie del filtro a manica (ad eccezione del cromo e del nichel che risultano piùbassi). Tra i diversi elementi si segnala la presenza di alte concentrazioni zinco, che supera i15000 mg/kg, di rame, che si attesta tra i 250 e 280 mg/kg , di piombo che si attesta tra i 50 e 90mg/kg e di arsenico che raggiunge concentrazioni di 20-25 mg/kg.Livelli di ammoniaca nelle emissioni nei test con aggiunta di ureaLa successiva tabella 4.3.9 riporta i risultati ottenuti dai test di abbattimento degli ossidi di azotomediante aggiunta di urea al dispositivo sperimentale alimentato a pellet di pollina di ovaiole. Leprime due colonne della tabella definiscono la portata di urea impiegata in ciascun test, espressacome massa di urea e di ammoniaca equivalente su tempo. Vengono poi indicate laconcentrazione di O 2 e le concentrazioni di NO x , ed NH 3 , riferite all’11% di ossigeno rilevate nelleemissioni.Tabella 4.3.9 - Risultati dei test finalizzati all’abbattimento degli ossidi di azoto mediante urea.TESTQuantità di urea introdotta NO x 11%rif O 2 med NH 3 11% rifg/min mg NH 3 /min mg/Nm 3 % mg/Nm 31 0 0 761 6,4 9,72 4,7 326,5 539 6,5 46,83 4,7 326,5 547 6,2 46,44 26,7 1854,7 431 4,7 52,5In generale i risultati mostrano la riduzione del valore medio di NO x con l’aggiunta di urea alsistema durante la combustione. E’ stato quindi osservato come sia possibile raggiungere valori aldi sotto dei 500 mg/Nm 3 di NO x a fronte, tuttavia, dell’inevitabile produzione di ammoniaca.Nell’ambito dei test, i valori di concentrazione residuale di ammoniaca sono oscillati tra i 46 ed i 53mg/Nm 3 . E’ interessante notare come un minimo di concentrazione di ammoniaca si sia notatoanche senza aggiunta di urea (test 1).Livelli di concentrazione degli IPALa tabella 4.3.10 riporta i risultati delle analisi degli IPA misurati nelle diverse frazioni ottenute aseguito del campionamento delle emissioni. Al fine di fornire un termine di confronto, si è ritenutoutile aggiungere in tabella alcuni risultati ottenuti da test specifici svolti dal Laboratorio Biomassedel dipartimento SAIFET dell’Università Politecnica delle Marche su stufe alimentate a pellet dilegno.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 122

Tabella 4.3.10 - Misura della concentrazione di IPA nelle diverse frazioni e su emissioni di pellet dilegno.PollinaPellet (stufa)IPAParticolato Incondensabile Totale Totaleµg/Nm 3µg/Nm3Naftalene 0,03 8,48 8,50 48,24Acenaftilene 0,00 1,66 1,66 5,93Acenaftene 0,00 0,10 0,10 -Fluorene 0,00 0,00 0,00 -Fenantrene 0,01 1,31 1,32 0,66Antracene 0,00 0,08 0,08 -Fluorantene 0,09 0,04 0,13 2,68Pirene 0,07 0,03 0,10 2,04Benzo(a)antracene 0,02 0,00 0,02 0,39Crisene 0,03 0,00 0,03 1,14Benzo(b)fluorantene 0,04 0,00 0,04 0,80Benzo(k)fluorantene 0,01 0,00 0,01 -Benzo(a)pirene 0,01 0,00 0,01 0,42Indeno(123-cd)pirene 0,02 0,00 0,02 0,24Dibenzo(a,h)antracene 0,01 0,00 0,01 -Benzo(ghi)perilene 0,02 0,00 0,02 0,38Totale 0,35 11,70 12,05 62,92I valori ottenuti dai test mostrano come la produzione di IPA sia complessivamente più bassa diquella generata da una stufa a pellet. Tali composti tendono a concentrarsi maggiormente nellafrazione incondensabile e non nel particolato solido. In generale, gli IPA analizzati sonofondamentalmente costituiti da composti più leggeri e, in particolare, da naftalene.CONSIDERAZIONI FINALILa tabella 4.3.11 sintetizza le migliori prestazioni ottenute dal sistema di combustione sviluppatopresso Termocabi. In particolare, i risultati si riferiscono alle indicazioni emerse nell’ambito dei testprodotti con l’ultima configurazione di caldaia adottata definita dal sistema di combustione e diabbattimento ottimizzato per contenere al minimo il livello dei diversi parametri.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 123

Tabella 4.3.11 - Range dei valori medi dei principali parametri delle emissioni.Dispositivo Termocabi - 20 kWtFonti esterne (a)PARAMETRO Unità Pollina ovaiole Pellet legno Pellet legno Pellet di viteMonossido di carbonio mg/Nm 3 150 – 240 90-200 60 - 400 200-640Ossidi di azoto mg/Nm 3 430 – 550 300-400 70 - 200 70 - 210Polveri mg/Nm 3 15 – 35 50 (b) 30 - 160Ammoniaca mg/Nm 3 10 – 50IPA µg/Nm 3 < 12,0 60-70Sommatoria metalli (c) mg/Nm 3 0,018 0,04 0,13(a) Progetto Vitis Vinifera – Informatore Agrario 10/2007; prove interne Laboratorio Biomasse – UniversitàPolitecnica delle Marche; Handbook Biomass Combustion e Co-firing, EARTHSCAN, Sjaak van Loo andJaap Koppejan, 2008; progetto BIOTEC.(b) Senza utilizzo del filtro a maniche.(c) As, Cd, Tl, Sb, Pb, Cr, Co, Cu, Mn, Ni, V, Mo, Ti.Pertanto, i dati riportati in tabella sono da considerare rappresentativi del sistema di limitatapotenza (20 kWt) sviluppato dalla Termocabi e alimentato a pollina di ovaiole con caratteristichefisiche-energetiche riportate nella tabella 4.3.4. Tuttavia, si ritiene che tali prestazioni sianoeguagliabili anche in sistemi di combustione con potenze più elevate. Come termine di confrontosono stati aggiunti alcuni risultati ottenuti con pellet di legna nello stesso dispositivo Termocabi evalori indicativi tratti da fonti esterne per combustioni di pellet di legno e pellet di vite.Infine, si conclude con alcune osservazioni generali. In particolare:− per ciò che concerne il sistema di filtrazione delle polveri, elemento critico sin dalle primefasi di questo lavoro, si ritiene che la soluzione del filtro a maniche sia la più adeguata allecondizioni delle emissioni prodotte. Occorrerà perfezionare ed automatizzare il sistema dipulizia e di scarico delle ceneri leggere separate da questo sistema. Ad ogni modo,nell’ambito della sperimentazione il sistema prodotto ha consentito di lavorare per interegiornate di funzionamento della caldaia in condizioni ottimali;−−la regolazione delle condizioni di combustione (temperature, ossigeno, ecc.) rappresentaun aspetto fondamentale per l’ottimizzazione della combustione e, quindi, contenere laproduzione di monossido di carbonio. Il sistema sperimentale è stato in grado di lavorarecon combustioni caratterizzati da livelli di monossido di carbonio molto bassi, comparabilicon quelli prodotti dai più diffusi impianti termici di bassa potenza alimentati a prodotti diorigine forestale. La qualità della combustione è anche evidenziata dal basso livello di IPApresente nelle emissioni;alcuni elementi chimici (in particolare rame e zinco) risultano essere presenti inconcentrazioni particolarmente elevate. Tuttavia, i limitati fattori di emissione, ottenuti aseguito dell’introduzione del filtro a maniche, rende complessivamente limitata laProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 124

concentrazione nelle emissioni degli elementi più critici da un punto di vista ambientale. Ilproblema della presenza di questi elementi rimane comunque aperto nelle ceneri dicombustione;−relativamente agli aspetti economici di un impianto completo di combustione (caldaia,sistema di abbattimento e vari elementi ausiliari), considerando gli elementi emersinell’ambito della sperimentazione, il carattere di prototipo del sistema e riferendosi ad unapotenza di circa 1 MWt, si ipotizza un costo orientativo di circa 270 – 300 k€ circa.La sperimentazione evidenzia, quindi, la possibilità di recuperare energia dalla pollina in formapellettizzata attraverso la combustione in caldaia. Difatti, le continue modifiche dell’impiantotermico sperimentale, orientate sulla base delle indicazioni ottenute dalle misure analitiche delleemissioni, hanno prodotto sistemi con prestazioni ambientali sempre più comparabili con idispositivi termici alimentati a biomasse legnose (a parità di classe di potenza).A valle di queste sessioni di prova, l’opinione è che vi sono margini di miglioramento significatividelle prestazioni del dispositivo di combustione. Ciò, anche in considerazione del fatto che lacaldaia target di questo studio, ottimizzata per l’inserimento nei contesti rurali, dovrà esserecaratterizzata, presumibilmente, da potenze termiche di scala superiore (circa 1 MWt) rispetto aquella utilizzata nelle sessioni sperimentali di questo lavoro. Ciò permetterà di disporre di maggioripossibilità operative nella messa a punto di particolari dettagli impiantistici (bruciatore, corpocaldaia, ecc.) e funzionali del dispositivo. Elementi quali il controllo della portata dei gas di ricircolo,la gestione delle temperature di combustione attraverso la regolazione dell’aria primaria esecondaria, il livello di preriscaldamento dei flussi di aria in camera di combustione (tecnologie dicontrollo) rappresentano alcune delle più importanti modalità di ottimizzazione del dispositivotermico, sia per ciò che concerne gli aspetti ambientali (controllo delle concentrazioni degliinquinanti nelle emissioni gassose) che per gli aspetti di prestazione energetica.Si è del parere, quindi, che la fase sperimentale su piccola scala sia esaurita e che gli elementiemersi siano sufficienti per sviluppare un dispositivo di potenzialità compatibile con le esigenzeproduttive dei contesti in cui si intende introdurlo. In questo passaggio di sviluppo e di primaapplicazione in un contesto reale, appare utile affiancare un’attività analitica di controllo conmodalità e strumenti simili a quelli proposti in questo lavoro. Da questa attività si disporranno dielementi utili per verificare l’affidabilità ambientale della caldaia nel lungo periodo di esercizio inrelazione anche alle caratteristiche della materia prima combustibile utilizzata.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 125

5 – ALTRI RISULTATI E PRODOTTI5.1 - Corretta modalità di campionamento e corretta determinazione del contenuto dielementi fertilizzanti presenti negli e.a.Nell’ambito di apposita Convenzione tra ARAL e UniMI - DiProVe, si sono realizzate le analisi dilaboratorio richieste dall’attività degli Ambiti operativi e, anche grazie all’acquisizione diun’apparecchiatura NIR Lab-POD, a conseguire risultati soddisfacenti, in merito a quantoindividuato tra gli “obiettivi specifici” del Progetto iniziale, come “individuazione di un modelloprocedurale per la corretta determinazione del contenuto di elementi fertilizzanti presenti negli e.a.indicando una corretta modalità di campionamento e elaborando una procedura analitica rapidaed economica, eventualmente applicabile ad ogni singola distribuzione in campo (spettroscopiaNIR (Near Infra-Red)).La valorizzazione degli effluenti di allevamento presuppone un razionale impiego del refluo qualematrice fertilizzante da impiegarsi nella concimazione delle colture aziendali.Uno dei fattori di fondamentale importanza, oltre alle modalità di distribuzione, risiede in unaprecisa determinazione del contenuto di elementi nutritivi presenti nel refluo zootecnico.Esistono numerosi dati tabellari che danno indicazioni relative ad un contenuto medio di Azoto,Fosforo e Potassio. Alcuni di questi sono alla base di procedure informatiche atte alladeterminazioni di piani di concimazione, compresa la Procedura Gestione Nitrati, utilizzata inLombardia per le comunicazioni aziendali cogenti ai sensi della dgr 5868/2007.Pur fornendo un utile ordine di grandezza per stabilire il contenuto di macroelementi utilizzatidurante la fertilizzazione organica, non si può trascurare che in ogni azienda zootecnica esiste unaestrema variabilità in relazione a tali contenuti, con particolare riguardo ai macroelementi utili allacoltura.Tale variabilità trova ragione, oltre nelle possibili variazioni alimentari, che possono essere ingenere contenute, nelle caratteristiche di stabulazione della mandria, nei fattori di diluizione dovutialle acque impiegate nella sala di mungitura ed alle acque piovane incidenti sui paddock e talvoltaa quelle incidenti sui tetti in strutture sprovviste di pluviali.Tutto ciò pone la necessità di poter determinare con sufficiente precisione le caratteristichedell’effluente mediante un’analisi chimico fisica, svolta presso laboratori qualificati con tempi mediolunghi.La determinazione analitica trova però un ostacolo tecnico nel prelievo di un campione che siarealmente rappresentativo del refluo utilizzato in campo.I valori riscontrabili possono variare sia se prelevati in epoche differenti, tenendo conto delladiversa piovosità, sia in relazione al punto di prelievo ed alle modalità impiegate.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 126

La dinamica dell’effluente in una struttura di stoccaggio pone nei mesi, una stratificazione verticalecon sedimentazione sul fondo di parte dei solidi contenuti, nel caso di deiezioni suine, ed unadoppia stratificazione sia sul fondo che in superficie per i reflui bovini.Il campionamento dovrà, quindi tener conto di queste evidenze ponendo la necessità di campionifatti a diverse altezze e opportunamente miscelati.Nell’ambito del Progetto Pilota, si è voluto verificare la reale differenza di valori analitici con prelievilocalizzati a diverse altezze nelle vasche di stoccaggio presenti nell’azienda seguita nell’Ambito 1.Si tratta di azienda suinicola di circa 9200 suini all’ingrasso, ed una produzione annua di 19.676mc; la caratterizzazione tabellare dedotta dalla Procedura Gestione Nitrati mostra un contenutomedio in g/kg pari a 2,57 per l’azoto totale, 2,45 per la P 2 O 5 , 2,81 per K 2 O.Lo stoccaggio avviene due vasche con capienza, per ognuna, di 6.583 metri cubi, ed unaprofondità di 4,9 m.I prelievi sono stati effettuati mediante un tubo sommerso, collegato a pompa di aspirazione; ilpescante condotto da un galleggiante, sotteso con una fune trasversalmente disposta sulle vasca,consentiva di volta in volta, di operare il prelievo alle profondità desiderate ed in diversi settori dellavasca.Le altezze di prelievo sono state, rispetto alla superficie del liquame, in un momento in cui lacapienza era massima, rispettivamente –0,9; –2,5; –4,0 m, rispettivamente in corrispondenza dei4 angoli ed al centro.Nella tabella 5.1 sono evidenziati i singoli valori riscontrati nella totalità dei risultati analitici e nellafigura 5.1 sono indicati i valori medi.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 127

ID_lab vascone H prelievo posizione N-NH4 g/kg tq N_tot g/kg tq ss% Ceneri % ss pH CE(mS/cm) C tot%ss MgO g/kg tq CaO g/kg tq15 A 0,9 angolo 1 0,87 0,95 0,4 91 8,4 11,2 13,3 0,07 0,2023 A 2,5 angolo 1 0,88 0,94 0,5 70 8,4 11,4 12,2 0,09 0,2132 A 4 angolo 1 0,96 1,19 1,0 48 8,2 11,5 22,8 0,33 0,5320 B 0,9 angolo 1 0,49 0,55 0,3 67 8,3 6,5 13,3 0,06 0,1942 B 2,5 angolo 1 0,98 1,09 0,6 67 8,4 12,2 12,5 0,10 0,2314 B 4 angolo 1 1,92 3,42 4,5 35 8,1 12,1 30,8 2,30 3,2331 A 0,9 angolo 2 0,80 0,89 0,5 75 8,4 10,4 12,6 0,08 0,2136 A 2,5 angolo 2 0,86 0,95 0,5 72 7,4 11,5 11,9 0,09 0,2135 A 4 angolo 2 1,73 2,94 4,0 38 7,8 11,3 30,5 2,33 2,5418 B 0,9 angolo 2 0,93 1,00 0,6 69 8,3 12,0 12,0 0,09 0,2243 B 2,5 angolo 2 0,96 1,05 0,5 72 8,4 12,1 12,0 0,09 0,2238 B 4 angolo 2 1,58 2,55 3,1 41 8,0 12,3 29,1 1,62 2,1829 A 0,9 angolo 3 0,69 0,75 0,4 69 8,2 9,0 13,1 0,07 0,2039 A 2,5 angolo 3 0,52 0,57 0,3 65 8,2 6,5 14,7 0,06 0,2121 A 4 angolo 3 0,98 1,22 1,0 54 8,2 11,5 22,7 0,37 0,4933 B 0,9 angolo 3 0,94 1,02 0,5 74 8,2 12,1 12,0 0,09 0,2226 B 2,5 angolo 3 0,98 1,07 0,5 72 8,3 12,1 12,4 0,09 0,2224 B 4 angolo 3 1,88 3,44 4,7 38 7,9 11,4 29,5 2,50 3,3728 A 0,9 angolo 4 0,87 0,96 0,5 73 8,4 11,3 12,3 0,09 0,2037 A 2,5 angolo 4 0,79 0,86 0,5 69 7,4 10,3 12,4 0,08 0,2140 A 4 angolo 4 2,27 4,20 6,1 36 7,7 11,1 31,4 3,73 3,8919 B 0,9 angolo 4 0,93 1,00 0,5 72 8,2 12,1 11,9 0,09 0,2125 B 2,5 angolo 4 0,99 1,08 0,5 72 8,4 12,2 12,1 0,10 0,2234 B 4 angolo 4 1,60 2,64 3,3 41 7,8 12,4 28,9 1,84 2,4513 A 0,9 centro 0,92 0,95 0,4 97 8,5 11,2 15,4 0,09 0,2522 A 2,5 centro 0,76 0,83 0,5 60 8,4 10,0 12,2 0,07 0,1930 A 4 centro 0,87 0,94 0,5 73 8,3 11,5 11,9 0,08 0,1916 B 0,9 centro 0,62 0,70 0,4 69 8,2 8,1 12,6 0,07 0,1927 B 2,5 centro 0,60 0,64 0,4 66 8,1 7,7 13,8 0,08 0,2141 B fondo centro 2,40 4,67 7,0 37 7,8 11,3 29,5 3,74 5,11tabella 5.1Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 128

5,004,504,003,50g/kg3,002,502,00S.S.%N totN ammP2O5K2O1,501,000,500,00- 0,9 - 2,5 - 4altezza di prelievofigura 5.1Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 129

Appare evidente come la variabilità risulti marcata, come di conseguenza l’impossibilità di fornireuna fertilizzazione con parametri certi.Per ottenere un prodotto uniforme, all’atto della distribuzione, risulta necessario miscelareadeguatamente il refluo nella vasca di stoccaggio per un periodo, chiaramente dipendente dalledimensioni della stessa, ma in genere almeno dell’ordine delle 24 ore.Tale pratica non viene quasi mai attuata sia per mancanza, talvolta, di adeguati mezzi tecnici, siaper il dispendio energetico richiesto.Non va neppure trascurato che le recenti acquisizioni in termini di emissioni ammoniacali inatmosfera, consigliano di limitare al massimo le movimentazioni delle deiezioni stoccate.Per poter promuovere un ricorso alla determinazione analitica risulta necessario disporre diapprocci improntati a criteri di economicità, rapidità di risposta e contemporaneamente applicabilidirettamente in campo nel corso del trasporto o della stessa distribuzione.In questo ambito, nel corso del Progetto, si sono realizzate prove al fine di verificare la possibilitàdi un applicazione di analisi rapida dei liquami zootecnici ricorrendo alla spettroscopia in riflettanzadiffusa nel vicino infrarosso (NIR – Near infraRed spectroscopy).I risultati tecnico-scientifici delle prove effettuate nell’ambito della collaborazione con ilDipartimento di Produzione Vegetale dell’Università degli Studi di Milano, sono illustrati nellarelazione redatta dal DiProVe.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 130

5.1.1 INTRODUZIONEIl complessivo quadro normativo comunitario (Reg. CE n. 1257/1999; Reg. CE 817/2004) enazionale (D. Lgs. n. 152 del 11/09/92, D.M. 07/04/06) delinea una strategia di gestione dei liquamizootecnici improntata alla loro valorizzazione agronomica ed alla tutela della qualità dei corpiidrici, sia superficiali, sia profondi.Un aspetto centrale di tale strategia è costituito dal ricorso ai piani di concimazione basati sullacompilazione di un bilancio dei nutrienti (Grignani et al., 2003) che tuttavia include diverse fontid’incertezza: i) l’accuratezza dei dati compositivi del suolo, delle colture, e dei fertilizzanti impiegati;ii) la bontà di stima dei processi biologici e chimici in seno al suolo; iii) la variabilità del tempometeorologico nel corso della stagione di coltivazione.Focalizzando l’attenzione sulla prima fonte, si evidenzia che i dati compositivi dei liquamizootecnici risultano particolarmente incerti quando si faccia riferimento a tabelle di composizionemedia, così come prescritto nella normativa corrente. Tali materiali presentano, infatti, una fortevariabilità (Marino et al. 2008; MIPAF, 1998) che trae origine da variazioni della composizione distalla e della razione, dall’andamento meteorologico, dalla durata e dal tipo di stoccaggio.Stanti il basso costo dei concimi di sintesi, l’elevato costo del campionamento e delle analisi, itempi d’attesa per ottenere i risultati analitici e l’assenza di un obbligo di analizzare i liquami, difatto gli agricoltori preferiscono far fronte all’incertezza del bilancio applicando dosi ridondanti diconcimi di sintesi. In questo contesto, per favorire il ricorso alle analisi, occorre sviluppare approccianalitici e di servizio improntati a criteri di economicità, rapidità di risposta e, possibilmente,applicabilità diretta in campo, magari nel corso del trasporto e della distribuzione (Scotford et al.,1998a).Un primo approccio sviluppato per la caratterizzazione rapida dei liquami, che tuttavia non hatrovato applicazione, è stato quello dello sfruttamento delle regressioni tra variabili rapidamente edeconomicamente determinabili, con altre di maggior interesse agronomico.In particolare, sono state proposte le misure della conduttività elettrica (Stevens et al., 1995), delladensità (Scotford et al., 1998a, 1998b) e della sostanza secca (Higgins et al., 2004). La misuradella conduttività elettrica, che appariva essere la più promettente perché effettivamenteintegrabile nei dispositivi di distribuzione dei reflui, ha fornito dati d’interesse per la stima dell’azotoammoniacale ma non per altre variabili quali azoto totale, fosforo e potassio (Marino et al. 2008).E’ da mettere in evidenza inoltre che i parametri e le prestazioni di queste regressioni possonovariare in funzione delle caratteristiche della popolazione di liquami oggetto di studio (specie econdizioni locali). Per esempio, Scotford e coautori (1998b) confrontando le regressioni di quattroset campionari afferenti a quattro paesi diversi (Inghilterra, Germania, Irlanda e Italia), rilevava chela relazione tra conduttività elettrica e azoto ammoniacale spiegava una quota della varianza totalevariabile dal 39 % (Italia) al 92% (Germania), e i parametri proposti differivano a seconda dellatipologia di liquame e del paese di provenienza (Scotford et al., 1998b).Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 133

Van Kessel, 2000; Malley et al.2002; Saeys et al., 2005; Sorensen et al., 2007; De Ferrari et al.,2008)I risultati ottenuti dai diversi autori presentano una certa variabilità riconducibile alla naturacomplessa ed eterogenea dei campioni oggetto di studio, al range di variazione dellaconcentrazione degli analiti e della sostanza secca, al range di lunghezza d’onda utilizzato, allamodalità di acquisizione degli spettri (trasmissione, riflettanza, transflettanza), e alla modalità dipresentazione del campione durante le scansioni. Per l’acquisizione degli spettri sono state infattiutilizzate sia cuvette porta-campione, per misure sia in riflettanza che in transflettanza (Malley etal., 2002 e 2005; Saeys et al., 2005; Sorensen et al., 2007; Xing et al., 2008; De Ferrari et al.,2008), sia sacchetti porta campioni (Millmier et al., 2000; Reeves e Van Kessel, 2000b), sia sondea fibre ottiche (Reeves e Van Kessel, 2000; Saeys 2005a, 2005b; Dolud et al.,2005).L’impostazione sperimentale ed i risultati dei lavori di calibrazione reperiti in letteratura sonoriportati in Tab.1 e Tab. 2.5.1.1.2 Applicazioni NIRS con strumenti da bancoLa strumentazione NIR da laboratorio, a fronte di ottime prestazioni nella determinazione di granparte degli analiti di interesse agronomico presenti nei reflui zootecnici, presenta delle limitazioniper quanto riguarda il costo, il peso, l’ingombro, la flessibilità di utilizzo e la possibilità di un uso inazienda o in campo. Lo sviluppo di calibrazioni NIR, per la determinazione rapida dellacomposizione dei liquami, per un uso rutinario da laboratorio è stato condotto in molte ricerche.Reeves e Van Kessel (2000) scansionarono campioni di liquame bovino contenuti in sacchetti diplastica nella regione NIR da 1100-2500 nm ottenendo buoni risultati per quanto riguarda le formeazotate, la sostanza secca ed il carbonio totale, i coefficienti di regressione R 2 ottenuti tra i valoristimati (NIR) ed i valori ottenuti con metodi di riferimento sono stati rispettivamente 0.94 per N-NH 4 , 0.90 per Ntot, 0.92 per Ctot, 0.89 per Ss, mentre risultarono scadenti per P e K.Saeys e coautori (2004) confrontarono le modalità di acquisizione degli spettri in riflettanza e intransflettanza per stimare la concentrazione di elementi nutritivi nei liquami suini. In modalità diriflettanza, adottando un modello di regressione in cross validazione, riscontrarono buone capacitàpredittive per Ntot e K, con valori del coefficiente di regressione R 2 rispettivamente di 0.89 e 0.84 evalori di RPD (indice descritto nel paragrafo 2.4) di 3 e 2.60. Per quanto riguarda l’ N-NH 4 , la stimarisultò più incerta, con valori di R 2 pari a 0.77 e valori di RPD pari a 2.10. In modalità ditransflettanza le stime risultarono molto buone per Ntot, con valori di R 2 di 0.92 e di RPD di 3.46, ebuone per Ss, Ctot, K, con valori di R 2 compresi tra 0.81 e 0.90 e RPD tra 2.5 e 3. Diversamente,le stime di N-NH 4 , P e magnesio (Mg) risultarono approssimative, con valori di R 2 tra 0.66 e 0.83e valori di RPD tra 2 e 2.5. Complessivamente, dal confronto emersero migliori prestazioni inmodalità di transflettanza; queste sono spiegabili considerando che in modalità di riflettanza diffusail debole scattering dei campioni con basse concentrazioni di sostanza secca fa si che radiazioneProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 135

su di essi indirizzata si estingua, per assorbimento da parte dell’acqua, prima di poter essereriflessa verso il detector da parte dei solidi sospesi. In questa situazione, il risultato è l’ottenimentodi uno spettro di scarsa utilità caratterizzato da un basso rapporto segnale/rumore.In un lavoro effettuato da Xing et al. (2008) su un campione di 91 liquami, il metodo NIR fornìstime accurate per quanto riguarda la concentrazione di Ss, Ctot, Ntot e N-NH 4 , con coefficienti diregressione in validazione R 2 e valori di RPD (tra parentesi) rispettivamente di 0.86 (2.68), 0.89(2.91), 0.88 (2.75) e 0.88 (2.62). Risultarono invece approssimative le stime del fosforo 0.80 (2.01)e di scarso valore applicativo quelle di K, rame (Cu), ferro (Fe), Mg e sodio (Na).Sørensen e coautori (2007) in un lavoro di ricerca sull’applicabilità delle misure NIR in riflettanzaper l’analisi di liquame bovino e suino ottennero valori di R 2 pari a 0.97, 0.94, 0.92 e 0.88 per levariabili Ss, Ntot, N-NH 4 e P rispettivamente. I valori di RPD risultarono essere per le differentivariabili pari a 6.2 (Ss), 4.2 (Ntot), 3.8(N-NH 4 ) e 3.6 (P). Le validazioni relative a Ctot e all’azotodisponibile per le piante fornirono valori di R 2 pari a 0.94 e 0.89, sovrapponibili con quelli di Ss e N-NH 4 , probabilmente in conseguenza dell’esistenza di correlazione tra variabili. Per gli elementi K,Mg, Ca, Na, zolfo (S), Cu e zinco (Zn) le calibrazioni risultarono invece poco accurate.De Ferrari e coautori (2008) in uno studio su un campione di 101 liquami bovini, in validazioneindipendente, ottennero coefficienti di regressione R 2 e valori di RPD rispettivamente di 0.95 e 3.3per la sostanza secca; 0.74 e 1.7 per le ceneri; 0.90 e 2.5 per l’azoto totale; 0.83 e 2.4 per l’azotoammoniacale; 0.92 e 3.4 per il carbonio totale; 0.78 e 2.1 per il fosforo totale. Gli autori nonrilevarono invece utili capacità predittive per la conducibilità elettrica (Ce), il pH e K.Dalle pubblicazioni sull’argomento si evince chiaramente che tramite gli spettroscopi da banco sipuò pervenire ad una stima della composizione dei liquami sicuramente utile per la loro gestioneagronomica, almeno per fronteggiare le importanti problematiche del’azoto e del fosforo.5.1.1.3 Applicazioni NIRS con strumenti portatiliNegli ultimi anni la tecnica e l’hardware NIR hanno fatto notevoli progressi mettendo a disposizionestrumenti basati su dectors diode arrays e su tecnologia MEMS (Micro Electro-MechanicalSystem), privi di qualsiasi parte in movimento, molto robusti e resistenti alle sollecitazionimeccaniche, termicamente stabili e molto rapidi nella lettura del campione. Il loro accoppiamentocon sonde a fibre ottiche permette inoltre una grande flessibilità nell’acquisizione degli spettri,rendendo tali sistemi idonei ad impieghi di campo on-site e on-line, anche tramite il ricorso allaprogettazione di celle a flusso (Fig. 5.2) o posizionamento diretto della sonda su carro botte tramiteun dispositivo a finestra (Reeves e Van Kessel, 2000; Saeys, 2005, 2005b; Dolud et al., 2005).Malley e coautori (2001) utilizzando uno spettrometro NIR portatile da campo con un range dilavoro compreso tra 950 e 1680 nm per l’analisi di 121 campioni di liquame suino, ha ottenutobuone prestazioni nella determinazione del P solubile (R 2 > 0.9 e RPD > 3), modeste per Ntot, N-NH 4 , pH e C in sospensione (R 2 = 0.8-0.9, RPD = 2.5-3) e scarse per la CE.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 136

Sayes e coautori (2005a) hanno scansionarono 169 liquami suini in modalità di riflettanza usandouno strumento portatile a diode array con un range 400-1710 nm, arrivando a concludere chestime quantitative approssimative potevano essere fatte per Ntot, N-NH 4 e K mentre per SS, P,Mg era solo possibile discriminare tra alte o basse concentrazioni.In un altro lavoro Sayes e coautori (2005b) studiarono la possibilità di utilizzare uno spettrometroportatile con range 400-1710 nm in modalità di riflettanza, accoppiato con una sonda a fibre ottichee relativa sorgente per eseguire misurazioni in campo su liquami suini. Le performance cheottennero in validazione indipendente furono: buone, per il contenuto di Ss e di sostanza organica,con valori di R 2 maggiori di 0.9 e RPD compresi tra 3 e 4; discrete, per il contenuto di Ntot (R 2 0.8 -0.9, RPD 2.25-3); sufficienti, per N-NH 4, P e Mg (R 2 = 0.7 – 0.8, RPD = 1.75 – 2.25). Per Ca e K lestime furono invece utili solo per una distinzione tra alti e bassi valori.Moschner e coautori (2010) hanno testarono un sistema on-line per la determinazione dellaconcentrazione di nutrienti durante la distribuzione in campo dei liquami. La strumentazione NIR(uno spettroscopio Polytec PSS1720 equipaggiato con sensore InGaS a diode array con rangespettrale da 850 a 1650 nm) è stata adattata e posizionata su di un carro botte, la fibra ottica ed ilsensore sono stati collocati sul tubo di distribuzione, in modo da poter effettuare misure dinamichedurante il riempimento, la miscelazione e l’applicazione del liquame. Una valvola vicino al sensorepermetteva il prelevamento di campione per le analisi di riferimento. I risultati ottenuti, su uncampione di 163 liquami evidenziarono capacità predittive di interesse applicativo per Ss, Ntot, N-NH 4 , P e K, con i seguenti valori di R 2 e RPD (tra parentesi): Ss, 0.81 (2.32); Ntot, 0.77 (2.09); N-NH 4 , 0.97 (5.4); P, 0.81 (2.23); K, 0.88 (2.69).Fig. 5.2 – Spettroscopio Corona 45 Zeiss con cella a flussoPer quanto attiene l’informazione presente nelle diverse regioni spettrali, Reeves e Van Kessel(2000a,b) e Sørensen e coautori (2007) rilevarono che, riducendo il range spettrale da 400-2500nm a 1100-2500 nm, le prestazioni risultavano sostanzialmente immutate nel caso deicampioni con basso contenuto di sostanza secca. Gli autori evidenziarono inoltre la grandeimportanza delle lunghezze d’onda comprese tra 1800 e 2500 nm per stimare il contenuto dinutrienti nei liquami zootecnici. (tabelle 5.2 e 5.3)Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 137

AutoriRefluin°. dicampioniRangedi Ss(%)Tecnica NIRRangespettrale(nm)Spettroscopio Validazione U.M. *Reeves andvan Kessel(2000b)Bovini 99 1.4 -21.7Riflettanza insacchetti1100-2500FOSS NIRsystem 6500CV leavesone- outg/kgMillmier etal. (2000)Suini 174 0.37-45Riflettanza insacchetti400-2500FOSS NIRsystem 6500CV leavesone- out%SsMillmier etal. (2000)Suini 100 0.1-2.25Riflettanza insacchetti400-2500FOSS NIRsystem 6500CV leavesone- out%SsMalley et al.(2001)Suini 121 1-11 Riflettanza 950-1680Corona 45ZEISSCV leavesone- outg/lMalley et al.(2002)Suini 74 0 -11.6 Transflettanza 400-2500FOSS NIRsystem 6500Setindipendenteg/l o g/kgYe et al.(2005)Suini 85 1.1-16.1Riflettanza insacchetti1100-2500FOSS NIRsystem 6500CV leavesone- outg/kgSayes et al.(2005b)Suini 420 0.4 -21.3Riflettanza incuvetta confibra ottica306-1710Corona 45ZEISSSetindipendenteg/lSayes et al.(2005c)Suini 194 0.4 -17.5Riflettanza incuvetta400-2500FOSS NIRsystem 6500CV leavesone- outg/lSayes et al.(2005c)Suini 194 0.4 -17.5 Transflettanza 400-2500FOSS NIRsystem 6500CV leavesone- outg/lM.Dolud(2005)Suini 128 4.4 - 15Transflettanzain Celle aflusso960 - 1690Corona 45ZEISSSetindipendenteg/kgSorensen etal. (2007)Suini+bovini255 0.85-13Riflettanza insacchetti1200-2400FOSS NIRsystem 6500Setindipendenteg/kgDe Ferrariet al. (2008)Bovini 101 1.6 -16.2Riflettanza incuvetta1100-2500FOSS NIRsystem 5000Setindipendenteg/kgXing et al .(2008)Letami 91 24 - 48Riflettanza incuvetta1100-2500Spectrum oneNTS NIRSsystemSetindipendenteg/kgMoschner etal. (2010)Liquami 163 1.4 - 6.8Riflettanza sucarro850 - 1650Polytec PSS1720Setindipendenteg/kg* U.M.: Unità di misuraTab. 5.2 – Rassegna dei lavori relativi ad applicazioni di spettroscopia NIR per la caratterizzazione dei refluizootecnici: descrizione del set campionario, degli spettroscopi e delle condizioni di acquisizione degli spettri.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 138

Autori Indice Ss Ctot N-NH 4 Ntot P KReeves and vanKessel (2000b)Millmier et al.(2000)Millmier et al.(2000)Malley et al. (2001)Malley et al. (2002)Sayes et al. (2005b)Sayes et al. (2005c)RiflettanzaSayes et al. (2005c)transflettanzaYe et al. (2005)M.Dolud (2005)Sorensen et al. 2007De Ferrari et al.(2008)Xing et al . (2008)Moschner et al.(2010)R 2 0.89 0.92 0.94 0.91 / /SEP 14.1 5.2 0.18 0.44 / /RPD 3.11 3.46 3.9 3.4 / /RER 14.4 16.75 19.4 19.3 / /R 2 0.85 / 0.62 0.81 0.48 0.79SEP 15.8 / 2.76 2.77 0.51 2.03RPD / / / / / /RER 11.1 / 8 9.8 8.4 8.9R 2 0.9 / 0.62 0.69 0.61 0.71SEP 0.08 / 3.81 3.36 0.44 2.23RPD / / / / / /RER 11.1 / 7 8.2 6.8 9R 2 / 0.87 ** 0.83 0.88 * 0.89 *** /SEP / 3.70 ** 0.45 0.44 * 0.23 *** /RPD / 2.71 ** 2.47 2.75 * 3.11 *** /RER / 14.8 ** 11.07 12.7 * 16.5 *** /R 2 0.94 / 0.79 0.78 * 0.91 *** /SEP 0.69 / 0.37 0.39 * 0.15 *** /RPD 4.11 / 2.2 2.1 * 3.40 *** /RER 16.35 / 9.1 8.1 * 11.7 *** /R 2 0.91 0.9 0.76 0.86 0.75 0.69SEP 12 5.33 1.12 1.22 1.12 1.15RPD 3.22 3 2 2.63 1.78 1.68RER 14.8 14.6 10.1 14.4 3.58 6.7R 2 0.75 0.73 0.77 0.89 0.67 0.84SEP 21.1 8.83 1.22 1.22 1.37 0.98RPD 1.99 1.92 2.1 3 1.73 2.6RER 8.1 8.4 8.75 11.45 7.96 10.41R 2 0.86 0.85 0.76 0.92 0.81 0.83SEP 15.5 6.64 1.24 1.05 1.02 1.02RPD 2.71 2.55 2.06 3.46 2.33 2.5RER 11 11.14 8.61 13.3 10.7 10R 2 0.92 / 0.91 0.91 0.9 0.87SEP 6.8 / 0.14 0.21 0.32 0.2RPD 4.8 / 4.52 4.58 4.72 3.05RER 22 / 26.7 23.8 20.6 12.9R 2 0.97 / 0.88 0.94 / /SEP 0.34 / 0.24 0.32 / /RPD 3.46 / 1.88 3.06 / /RER 31 / 11.7 18.1 / /R 2 0.97 0.94 0.92 0.94 0.88 0.55SEP 6.1 3.1 0.37 0.43 0.16 0.64RPD 6.2 5.4 3.8 4.2 3.6 1.6RER 23.7 22.7 17.5 21 14.1 7R 2 0.95 0.92 0.83 0.9 0.79 0.19SEP 9.5 3.74 0.18 0.32 0.13 0.67RPD 3.3 3.4 2.4 2.5 2.1 1.1RER 12.1 12.3 10 9.6 8.4 4.4R 2 0.86 0.89 0.88 0.88 0.8 0.58SEP 19.5 3.58 0.86 1.13 0.56 0.85RPD 2.68 2.91 2.62 2.75 2.01 1.51RER / / / / / /R 2 0.81 / 0.97 0.77 0.81 0.88SEP 5.5 / 0.14 0.23 0.26 0.16RPD 2.32 / 5.4 2.09 2.23 2.69RER 9.8 / 17.1 15.7 7.3 11.3I risultati del SEP sono espressi tutti in g/kg ad eccezione di Millmier et al.(2000) erspressi come % Ss* Total dissolved N ** Suspended C *** Total dissolved PTab. 5.3 - Rassegna dei lavori relativi ad applicazioni di spettroscopia NIR per la caratterizzazione dei refluizootecnici: indici statistici delle calibrazioni ottenute.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 139

5.1.1.4 Obiettivi del presente lavoroNel presente lavoro sono state indagate le performance di diversi spettroscopi NIR nella stimadella composizione di reflui zootecnici bovini e suini ai fini della valutazione delle possibilitàapplicative a livello di laboratorio e di campo. Il confronto ha interessato strumenti da banco eportatili, basati su diverse tecnologie costruttive, con diversa estensione spettrale, ed appartenentia diverse fasce di prezzo.Complessivamente, sono stati utilizzati i seguenti spettroscopi: NIRFlex 500 (Büchi) ,NIRMaster(Büchi), NIRSystem 5000 (FOSS Tecator), Corona 45 (Zeiss), LAB POD TM (Polycromix).L’attenzione è stata particolarmente focalizzata sulla valutazione delle potenzialità dellospettroscopio LAB POD TM con range spettrale 1000-1800 nm basato su tecnologia MEMS, privodi parti in movimento e di basso costo, candidato per applicazioni a bordo di macchine per ladistribuzione di reflui.Nel caso dei reflui bovini, caratterizzati da maggior contenuto di sostanza secca, rispetto ai refluisuini, è stato condotto un confronto delle prestazioni di LAB POD TM con altri tre strumenti,acquisendo gli spettri in modalità di riflettanza diffusa.Nel caso dei reflui suini invece, a causa della difficoltà di ottenere spettri in riflettanza diffusaeffettuando la scansione dei campioni tal quali, è stato studiato il miglioramento conseguibile conl’aggiunta di un materiale scatterante (sabbia silicea) e l’adozione di un transflettore con camminoottico di 1 mm.Visto che gli strumenti più economici hanno un range spettrale ridotto, è stata anche studiata lalocalizzazione delle informazioni nelle diverse regioni spettraliInfine, attraverso l’ampliamento del set di liquami suini con campioni di altro tipo (liquami bovini,liquami misti suino-bovini, reflui da digestione anaerobica e frazioni derivanti dalla separazionesolido-liquida di reflui) è stata studiata la possibilità di ottenere calibrazioni universali per i refluizootecnici.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 140

5.1.2 MATERIALI E METODI5.1.2.1 Descrizione dei set campionariIl primo set campionario utilizzato, costituito da 100 reflui bovini, derivava dal progetto di ricercaDINAMIRE – DINAmica di MIneralizzazione dei REflui zootecnici,- condotto dal DiProVe efinanziato dalla Regione Lombardia. La campagna di raccolta fu condotta nel corso della primavera2003 interessando 94 allevamenti eterogenei della Lombardia e da allora la conservazione deicampioni è stata effettuata presso il Di.Pro.Ve., in congelatore a – 18°C, in barattoli di polietileneda 500 mlIl secondo set campionario, prevalentemente di liquami suini, è stato ottenuto nel 2010 nell’ambitodel progetto pilota “Valorizzazione degli effluenti di allevamento e loro gestione”, attuato dalS.A.T.A. (Servizio Assistenza Tecnica agli Allevamenti) e finanziato dalla Regione Lombardia.Il campionamento ha interessato 70 allevamenti della Lombardia e prodotto 142 campioni cosìripartiti: :− 101 liquami suini (91 dei quali derivanti da ordinario stoccaggio e 9 da trattamento didigestione anaerobica (DA),− 24 liquami bovini− 17 liquami misti suino-bovini di cui 12 dopo DA.Per i campioni di entrambi i set, la preparazione per le analisi, le metodologie d’analisi e lecondizioni di conservazione sono state comuni.Appena arrivati in laboratorio, i campioni, di circa 2 litri, sono stati omogeneizzati (particelle condiametro < di 50 μm) con Ultra Turrax T25 e dispersore S25N (IKA, Staufen, Germany),suddivisi in due sub campioni in contenitori da 500 ml ciascuno e successivamente conservati a –18 °C fino al momento dell’esecuzione delle analisi. Le analisi di chimica umida per quantoriguarda la sostanza secca (Ss), le ceneri, l’azoto totale (Ntot), l’azoto ammoniacale (N-NH 4 ), il pHe la conducibilità elettrica (CE) sono state eseguite sui campioni tal quali prima del congelamento,mentre quelle di carbonio totale (Ctot), fosforo totale (P), potassio totale (K), magnesio totale (Mg)e calcio totale (Ca), sui campioni essiccati a 105°C e macinati a 0.5mm con mulino ultracentrifugoZM100 (Retsch GmbH). Il contenuto di N organico (Norg) è stato calcolato sottraendo N-NH 4 aNtot. Sui campioni conservati a – 18 °C, dopo scongelamento, sono stati acquisiti gli spettri NIR .Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 141

5.1.2.2 Analisi di riferimentoLe analisi di riferimento sono state condotte con i metodi brevemente descritti nella Tabella 5.4.VariabileDescrizione del metodoSsEssicazione in stufa ventilata a 105°C fino a peso costanteCeneri Combustione in muffola a 550°CpHMisurazione con pHmetro (GLP 21, Crison)ECMisurazione con conduttimetro (OHM HD 9213, Delta)Ntot Digestione acida (con H 2 SO 4 e catalizzatori) seguita da distillazione e titolazione con H 2 SO 40.1NN-NH 4 Distillazione in presenza di eccesso di MgO e titolazione con H 2 SO 4 0.1NCtotAnalisi Elementare tramite analizzatore elementare CN (NA1500, Carlo Erba)P in reflui bovini Incenerimento a 550 °C, trattamento delle ceneri con HNO 3 e ripresa con HCl diluito.Determinazione colorimetrica al molibdato blue tramite analizzatore a flusso continuo(FIAstar 5000, Foss Tecator)P, K, Ca e Mg Digestione acida a caldo (per H 2 NO 3 ) in forno a microonde (Multiwawe 3000, Anton Paar) edeterminazione tramite ICP-MS (820-MS, Varian)Tab. 5.4 - Metodi analitici di riferimentoQuale indice d’incertezza dei risultati forniti dai metodi di riferimento, è stata adottata la deviazionestandard calcolata secondo l’equazione proposta da Skoog(1996):s =i∑∑n=1( x − x )∑iGLm2dove, per ciascun campione: x i è uguale al valore analitico della replica singola, x m è uguale allamedia dei valori di tutte le repliche e GL sono i gradi di libertà ossia il numero di repliche analiticheper campione meno uno.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 142

5.1.2.3. Acquisizione degli spettri NIR ed elaborazioni chemiometricheCalibrazioni sul set di quami boviniPer l’acquisizione degli spettri NIR sono stati utilizzati gli spettroscopi e le impostazioni riportate inTab. 5.5.Strumentazione ecostruttoreNIRSystem 5000(FOSS Tecator AB)NIRFlex N-500(Büchi - Italia, Milano)Corona 45Tecnologia(Carl Zeiss - Germany)LAB POD TM (Polycromix Interferometro- Wilmington, MA) * MEMSRange spettrale erisoluzioneCampionatorescanperspettron.replicheMonocromatore 1100-2500; 2 nmLift con cuvette da¼ mantenute ferme64 2Interferometro etrasformata di 1000-2500; 8 cm -1 Cuvetta rotante 64 2FourierArray di diodi 960-1690; 10 nm Cuvetta rotante 32 21000-1800; 12 nm Cuvetta statica 80 3* accoppiato con Sonda Mobillight e fibraottica QP600-2-VIS-NIRTab. 5.5 - Strumentazioni e impostazioni per l’acquisizione degli spettri NIR del set di liquami bovini.NIRFlex N-500 (BÜCHI)NIRSystem 5000 (FOSS)Corona 45 (ZEISS)LAB POD TM (Polycromix)Fig. 5.3 - Apparecchiature NIR utilizzate nel presente lavoroProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 143

Gli spettri sono stati acquisiti sui campioni a temperatura ambiente (20°C) dopo scongelamento,termostatazione ed omogeneizzazione per rimescolamento con agitatore magnetico.La scansione è stata effettuata in modalità di riflettanza diffusa utilizzando circa 40 ml di campionetal quale. Gli spettri sono stati acquisiti in sequenza sui diversi strumenti, con l’eccezione di quelliFOSS che furono acquisiti nel 2004. Le repliche sono state ottenute svuotando e riempiendo lacuvetta con nuovo campione.Gli spettri cosi ottenuti sono stati importati ed elaborati avvalendosi del software Matlab R2009b(The Mathworks, Inc.). Le repliche spettrali di ogni campione sono state mediate, ottenendo unospettro medio per ogni campione.In caso di rumorosità nella parte iniziale e/o finale degli spettri, l’intero set ottenuto daun’apparecchiatura NIR è stato opportunamente ridotto.Tramite il pacchetto software di Matlab (Wise B.M., Gallagher1969), PLS Toolbox© (Wise B.M.,Gallagher 2000) versione 5.8 (Eigenvector Research, Inc.), gli spettri sono stati pre-processatiutilizzando; l’Extended Multiplicative Scattering Correction (EMSC) sviluppato da Martens(Martens, H., Stark, E.,1991; Martens et al.,2002; Pedersen, D.K et al.2002); l’algoritmo diderivazione di Savitzky e Golay (1964), che comprende, oltre alla derivazione, lo smoothing; e lacentratura della media (CM).Mediante una Cross-Validazione è stato determinato il numero di componenti principali dautilizzare nel modello PLS, il pre-processamento e i parametri di derivazione (ampiezza dellefinestre spettrali, ordine della polinomiale interpolante e ordine di derivazione) che meglioottimizzavano RMSECV (indice descritto nel paragrafo 5.1.2.4). La cross-validazione è statacostruita suddividendo il set campionario in 8 gruppi di cancellazione sorteggiati casualmente per4 volte. I campioni appartenenti a ciascun gruppo di cancellazione sono stati predetti utilizzandotutto il resto del set campionario. In questo modo è stato possibile ottenere una stima robusta incross-validazione, con errore RMSECV sui livelli di quello ottenibile in validazione indipendenteRMSEP.Sulla base dei modelli generati per ogni singolo strumento sono stati calcolati il coefficiente Q test(somma dei quadrati dei residui spettrali di ciascun campione) che indica quanto ciascun campionesi adatta al modello fattoriale prodotto, e il coefficiente di Hotelling T 2 che rappresenta la misuradella distanza di ciascun campione dal centroide del modello, necessari per valutare la presenza dioutliers nella popolazione. (figura 5.4)Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 144

Fig. 5.4 - Hotelling’s e Q test con limite di selezione del 98% per l’individuazione degli outliersSono stati individuati come outliers spettrali e quindi eliminati dal modello quei campioni chesuperavano il limite imposto del 98% per entrambi i coefficienti. Per valutare la vera capacitàpredittiva del modello per i campioni incogniti, è stata effettuata una validazione con set di datiindipendente.Affinché in questa fase il set di calibrazione mantenga buone doti di previsione è necessario chel’informazione in esso contenuta sia rappresentativa dell’intera popolazione. Il Training set el’Evaluation set devono quindi essere generati in modo da ottenere due sub-popolazioni cheabbiano caratteristiche simili. Su base spettrale il set campionario è stato quindi suddiviso in dueset, uno di calibrazione ed uno di validazione, mediante il criterio della Neighbourhood Mahlanobisdistance, come descritto in De Ferrari et al, 2008. Ne sono risultati un set di calibrazione di 68campioni e un set di validazione di 32 campioni.Per ogni strumento, i modelli PLS costruiti sul set di calibrazione sono stati testati sul set divalidazione indipendente.Calibrazioni sul set di liquami suiniPer l’acquisizione degli spettri NIR sono stati utilizzati 2 diversi spettroscopi NIR :- NIRMaster (Büchi - Italia, Assago, Milano)- LAB POD TM + Sonda Mobillight + fibraottica QP600-2-VIS-NIR (Polycromix - Wilmington,MA)Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 145

Ne vengono riportate le principali caratteristiche in Tab. 5.6Strumentazione ecostruttoreNIRMaster(Büchi - Italia, Milano)LAB POD TM (Polycromix- Wilmington, MA)TecnologiaInterferometro etrasformata diFourierInterferometroMEMSRange spettrale erisoluzioneCampionatore1000-2500; 8 cm -1 Sfera integratricecon cuvetta rotante1000-1800; 12 nm1 accoppiato con Sonda Mobillight e fibraottica QP600-2-VIS-NIRSonda a fibreottiche con cuvettastaticascanperspettron.repliche64 380 3Tab. 5.6 - Strumentazioni e impostazioni per l’acquisizione degli spettri NIR del set di liquami mistiGli spettri sono stati acquisiti sui campioni a temperatura ambiente (20°C) adottando due diversemetodologie di presentazione del campione (tal quale e miscelato con sabbia) e due modalità diacquisizione (in riflettanza e in transflettanza).La miscelazione con sabbia è stata effettuata utilizzando 20 ml di campione e 55 g di sabbia siliceainerte per uso di vetreria, precedentemente trattata in muffola a 550°C. Per l’acquisizione deglispettri, le miscele sabbia-liquame sono state poste in piastre Petri di vetro neutro e scansionate inmodalità di riflettanza diffusa.L’acquisizione degli spettri in modalità di transflettanza è stata possibile solo nel caso dellospettroscopio NIRMaster. Allo scopo, 10 ml di liquame sono stati trasferiti in piastre Petri a vetroneutro, coperti con un transflettore con cammino ottico di 1 mm e così scansionati.L’acquisizione degli spettri ha previsto tre repliche di scansione per ogni campione, derivate nelcaso della modalità in transflettanza da tre diversi riempimenti della Petri con nuovo materiale,mentre per la modalità in riflettanza diffusa con sabbia, il riempimento è stato effettuato una solavolta. Ai fini delle elaborazioni chemiometriche, sono state create due popolazioni campionarie:una estesa, contenente tutti i 142 campioni; l’altra ridotta, contenente i soli campioni di liquamesuino sottoposti a ordinario stoccaggio in vascone (91 campioni).Sono state così ottenute le seguenti combinazioni:Strumento Modalità di acquisizione Popolazione campionariaBüchi sabbia Solo liquami suini stoccatiBüchi sabbia EstesaBüchi transflettore Solo liquami suini stoccatiBüchi transflettore EstesaPolycromix sabbia Solo liquami suini stoccatiPolycromix sabbia EstesaTab. 5.7 - Differenti combinazioni ottenute in base a strumento, modalità di acquisizione e tipologia di refluoAgli spettri che presentavano forte rumorosità nella regione iniziale o finale state eliminate alcunelunghezze d’onda.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 146

Gli spettri cosi ottenuti sono stati elaborati avvalendosi dei software Matlab R2009b (TheMathworks, Inc.) e PLS Toolbox© [9] versione 5.8 (Eigenvector Research, Inc.).I tre spettri ottenuti da ogni campione sono stati mediati ottenendo uno spettro medio per ognicampione. Gli spettri sono stati pre-processati applicando l’Extended Multiplicative ScatteringCorrection (EMSC), la Standard Normal Variate (SNV) (Barnes, R.J., et al.1989), l’algoritmo diderivazione di Savitsky-Golay e la centratura della media (CM).Si è valutata l’influenza della diversa modalità di presentazione del campione durante le scansioni(sabbia o transflettore) calcolando, nello spazio delle componenti principali normalizzate, ledistanze delle singole repliche spettrali dal loro spettro medio che equivale al calcolo della distanzadi Mahalanobis (Maesschalck R. et al.2000). Sono stati estratti gli score del modello di PCA a 4componenti principali, ottenuto sugli spettri in derivata prima e centrati sulla media, normalizzati ecalcolate le distanze con il seguente algoritmo:for i=1:3:390x1m=mean(scores_norm_poly(i:i+2,1));x2m=mean(scores_norm_poly(i:i+2,2));x3m=mean(scores_norm_poly(i:i+2,3));x4m=mean(scores_norm_poly(i:i+2,4));D1=sqrt((scores_norm_poly(i,1)-x1m)^2+(scores_norm_poly(i,2)-x2m)^2+(scores_norm_poly(i,3)-x3m)^2+(scores_norm_poly(i,4)-x4m)^2);D2=sqrt((scores_norm_poly(i+1,1)-x1m)^2+(scores_norm_poly(i+1,2)-x2m)^2+(scores_norm_poly(i+1,3)-x3m)^2+(scores_norm_poly(i+1,4)-x4m)^2);D3=sqrt((scores_norm_poly(i+2,1)-x1m)^2+(scores_norm_poly(i+2,2)-x2m)^2+(scores_norm_poly(i+2,3)-x3m)^2+(scores_norm_poly(i+2,4)-x4m)^2);D(t)=(D1+D2+D3)/3;t=t+1endAl fine di stabilire quale era il numero minimo di campioni per un set di calibrazione che avesse ilpiù possibile una distribuzione uniforme nello spazio delle componenti principali e che mantenessebuone doti previsionali, bassi valori di errori di stima, senza ricorrere a un ampio numero dicampioni in calibrazione, si è applicato l’algoritmo di Kennard Stone (R.W. Kennard and L.A.Stone1969), tramite il pacchetto software Parvus 2008. La matrice degli spettri pre-processata, èstata convertita in formato ASCII, quindi tramite PARVUS CHANGE in formato Parvus.Successivamente i dati sono stati caricati in PARVUS KENNARD, quindi dopo aver selezionato ilnumero di componenti principali desiderate (5 in questo caso) è stata applicata la PCA.Successivamente, esplicitando la numerosità di campioni da tenere in calibrazione, 1/3, 1/2 e 2/3Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 147

della popolazione considerata, sono stati selezionati i set di calibrazione e validazione. (tabella5.8)StrumentoModalità di acquisizioneTipologia Set di calibrazionedi refluo 1/3 1/2 2/3Büchi sabbia suini 28 42 56Büchi sabbia totali 42 62 83Polycromix sabbia suini 30 45 60Tab. 5.8 - Diversa numerosità del set di calibrazione per i diversi strumentiSono costruiti i modelli di regressione ai minimi quadrati parziali PLS, per tutte le diversecombinazioni (strumento-modalità d’acquisizione) e variabili oggetto di studio, e mediante Cross-Validazione, sono state determinate: il numero di componenti principali da utilizzare nel modello,il pre-processamento e i parametri di derivazione (ampiezza delle finestre spettrali, ordine dellapolinomiale interpolante e ordine di derivazione) che meglio ottimizzavano RMSECV.La cross-validazione è stata costruita suddividendo il set campionario in 8 gruppi di cancellazionesorteggiati casualmente per 4 volte. I campioni appartenenti a ciascun gruppo di cancellazionesono stati predetti utilizzando tutto il resto del set campionario. In questo modo è stato possibileottenere una stima robusta in cross-validazione, con errore RMSECV sui livelli di quelli invalidazione RMSEP.Sulla base dei modelli generati per ogni singolo strumento sono stati calcolati i coefficienti Q e T 2 ,necessari per valutare la presenza di outliers nella popolazione. Il RMSECV ottenuto in crossvalidazioneha permesso di stabilire la bontà dei diversi modelli.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 148

5.1.2.4 Statistiche usate per la valutazione della bontà delle stime NIRSPerché un modello si dimostri valido in fase di predizione è fondamentale selezionare il numeroottimale di loading vectors, tale che la calibrazione spieghi al meglio l’informazione contenuta neglispettri incogniti. Per valutare le doti predittive del modello sono molto utili le tecniche divalidazione, con le quali si stima l’errore di previsione applicando il modello stesso a campioniincogniti. Le tecniche di validazione si distinguono in funzione del set di campioni al quale vengonoapplicate: si definiscono tecniche di cross-validazione quelle impiegate durante la costruzione delmodello, utilizzando campioni appartenenti al Training set, e di validazione indipendente, quelleutilizzate nella fase successiva, su campioni incogniti.Le tecniche di cross-validazione prevedono che, dato un set di calibrazione formato da mcampioni, si producano m/k sub-modelli (k1 si definisceleave-more-out, che può essere effettuato a blocchi contigui o randomizzati, a seconda di comevengono scelti i campioni da escludere.Il limite maggiore della cross-validazione è che può fornire valori predittivi un po’ troppo ottimisticiche peggiorano notevolmente in fase di validazione indipendente.Per questo motivo è comunque sempre consigliabile effettuare anche la validazione indipendenteche consiste nell’applicazione del modello ad un set di campioni incogniti (Evaluation set); spesso,è proprio durante questa fase che si scoprono i limiti e la debolezza della calibrazione.I valori predetti dal modello ed i valori misurati con tecniche analitiche accreditate, vengonoutilizzati per stimare l’errore, definito secondo l’equazione:)2Errore =PRESSn −1Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 149

Tale errore, a seconda della serie di campioni sui quali viene calcolato viene definito: in autopredizioneRMSEC (Root Mean Squares Error of Calibration), in cross-validazione RMSECV (RootMean Squares Error of Cross Validation), ed in validazione indipendente RMSEP (Root MeanSquares Error of Prediction).Il valore di RMSEP è utilizzato per calcolare due indici statistici utili per la classificazioneutilitaristica delle calibrazioni.Il primo, definito Ratio Error Range (RER), è il rapporto tra l’intervallo di esistenza della variabile edil valore di RMSEP:RER =Max( y ) − Min(yRMSEPi i)dove y i sono i valori della variabile misurati con i metodi di riferimento, Max è il valore massimodella popolazione campionaria e Min è il valore minimo.Il secondo, definito Ratio of Prediction to standard Deviation (RPD), è il rapporto tra il valore delladeviazione standard della popolazione campionaria ed il valore di RMSEP:SD(y i)RPD =RMSEPdove y i sono i valori della variabile misurati con i metodi di riferimento, e SD è la deviazionestandard dei valori osservati nella popolazione campionaria.I valori di RER ed RPD, insieme al coefficiente di regressione R 2 tra i valori misurati con le analisidi riferimento ed i valori stimati NIR, costituiscono la base del metodo di valutazione dellecalibrazioni NIR, relative a suoli, compost e reflui, proposta da Malley e coautori (2002). In Tab. 5.9se ne riporta lo schema interpretativo.Performance R 2 RPD REROttime >0.95 >4 >20Buone 0.9 – 0.95 3 -4 15 - 20Discrete 0.8 – 0.9 2.35 - 3 10 – 15Sufficienti 0.7 – 0.8 1.75 – 2.25 8 - 10Tab. 5.9 - Classificazione delle calibrazioni in funzione degli indici statistici RER, RPD ed R2.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 150

5.1.3 RISULTATI5.1.3.1 Calibrazioni sul set di liquami bovini5.1.3.1.1 Composizione del set campionarioIn Tabella 5.10 si riportano le statistiche descrittive dell’ intera popolazione di liquami bovini mentrein Tabella 5.11 quelle dei set di calibrazione e di validazione.Variabile Unità di Misura Min q 1/4 Media q 3/4 . Max Dev. St. RangeN-NH 4 mg g -1 tq 0.28 1.21 1.46 1.78 2.53 0.45 2.26Ntot mg g -1 tq 0.87 2.98 3.71 4.41 7.32 1.09 6.45Ss % 0.92 5.6 8.7 11.53 16.16 3.51 15.24Ctot mg g -1 tq 0.34 16.46 30.59 46.33 70.3 15.53 69.96ceneri % 0.31 1.31 2.07 2.28 4.53 0.69 4.21pH 6.55 7.32 7.51 7.71 8.21 0.33 1.66CE mS cm -1 0.9 12.18 14.52 18.35 24.8 5.73 23.9P 2 O 5 mg g -1 tq 0.21 0.98 1.58 1.96 7.12 0.96 6.91Tab. 5.10 - Statistiche descrittive dell’intero set campionario di liquami boviniLa variabilità per la maggior parte delle variabili è risultata molto elevata: con l’eccezione del pH, ilrapporto min/max è stato almeno pari ad 8 ed il coefficiente di variazione almeno superiore al 25%. Sostanzialmente, i dati confermano la variabilità riportata anche da Sequi (1998) ed il data set èconsiderabile rappresentativo dei reflui bovini.Set di calibrazioneSet di validazioneVariabile Unità di misuramedia dev. std. min max media dev. std. min maxSs % 8.7 4.66 0.92 16.16 10.03 1.79 5.93 13.48Ceneri % 2.07 2.2 0.31 4.53 1.93 0.45 1.28 2.98Ntot mg.g-1 3.71 1.3 0.87 7.32 3.85 0.68 2.49 5.39N-NH 4 mg.g-1 1.46 0.49 0.28 2.53 1.58 0.41 0.81 2.54Norg mg.g-1 2.25 1.03 0.32 5.56 2.27 0.44 1.41 3.27Ctot mg.g-1 30.59 17.51 0.34 70.3 39.93 7.78 21.58 56.21P 2 O 5 mg.g-1 1.58 1.13 0.21 7.12 1.51 0.4 0.91 2.36Tab. 5.11 - Statistiche descrittive per il set di calibrazione e di validazione.Tutti i valori compositivi sono riferiti ai campioni tal qualiProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 151

In Figura 5.5 sono riportate le distribuzioni dei valori misurati sulla popolazione campionaria,distintamente per i set di calibrazione ed i set di validazione.151515101010n° classi55502 1600.6 4.800.5 7.5Ss (%) Ceneri (%) Ntot (mg/g)151515101010n° classi5550000.4 6.00.4 2.65 75Norg (mg/g) N-NH 4 (mg/g) Ctot (mg/g)Fig. 5.5 - Istogrammi di frequenza relativi al set di calibrazione (barre grigie)e set di validazione (barre verdi)Il set di validazione è risultato generalmente contenuto in un intervallo ridotto e centrale.Evidentemente nel set campionario esistono ancora zone dello spazio poco popolate che fanno siche i campioni presenti afferiscano solo al set di calibrazione e non vi sia ridondanza capace dialimentare il set di validazione. Per avere una validazione più esauriente lungo tutta la variabilitàriscontrabile nei reflui potrebbe essere opportuno aumentare la dimensione del set campionario.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 152

5.1.3.1.2 Qualità degli spettri NIRGli spettri acquisiti in modalità di riflettanza diffusa per le quattro differenti tipologie distrumentazione vengono riportati in Figura 5.6.Alcuni spettri sono risultati molto vicini al limite di estinzione a causa dell’elevato contenuto idricodei campioni. All’identificazione, sono risultati infatti essere quelli dei campioni 121, 135, 140 e 144che avevano basse concentrazioni di sostanza secca, comprese nell’intervallo 1-2 %. L’alto livellodi assorbanza è in realtà dovuto alla bassa presenza di particelle in sospensione che nonpermettono a una quantità sufficiente di radiazione di essere riflessa e raggiungere il sensore.Questo non accade per lo strumento Büchi dove la differente tecnologia di funzionamento, basatasull’interferometro, rende disponibile una radiazione più potente e meno suscettibile di essereestinta. Infatti, l’interferometro non scomponendo la radiazione nelle singole lunghezze d’onda, hauna maggior intensità radiativa del raggio che colpisce il campione, e al detector arriva un solofascio policromatico ad alta energia.Log 1/R3.02.52.01.51.00.50.0FossBuchiLog 1/R3.02.52.01.51.00.5ZeissPolycromix0.01000 1500 2000 2500Lunghezza d'onda (nm)1000 1500 2000 2500Lunghezza d'onda (nm)Fig. 5.6 - .Spettri in riflettanza dei campioni scansionati con le quattro diverse tipologie di spettroscopi NIRProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 153

5.1.3.1.3 Risultati delle calibrazioniSostanza SeccaPer la costruzione del modello di regressione gli spettri a disposizione sono stati pre-processati peril Corona 45 (Zeiss) e NIRSystem 5000 (Foss) mediante trasformazione delle tracce spettrali inderivata con l’algoritmo di Savitzy-Golay, utilizzando finestre spettrali rispettivamente di 35 e 45punti interpolati con una polinomiale di secondo ordine e usando il primo grado di derivazione,seguita da una centratura sulla media. Per lo strumento NIRFlex (Büchi) dopo correzione delloscattering mediante EMSC, si è applicata una derivata di primo grado con 75 punti di smoothinginterpolati da una polinomiale di secondo ordine e centratura sulla media. Infine per lo strumentoPolycromix data la bassa risoluzione si è utilizzato solo uno smoothing con finestra spettrale di 7punti e centratura sulla media. Per tutti gli strumenti mediante l’analisi delle componenti principalisono stati individuati ed eliminati due outliers. Dopo aver sviluppato il modello di calibrazione,questo è stato validato su un set indipendente, precedentemente individuato mediante il criteriodella Neighbourhood Mahlanobis distance. Le regressioni tra valori stimati (NIR) e valori misuratisono riportati graficamente in Figura 5.7, mentre gli indici statistici sono riportati in Tabella 5.12.S.s. stimata (%)20151050FOSS Buchi Zeiss Polycromix0 5 10 15 20S.s. misurata (%)Fig. 5.7 - Scatterplots contenuto in SsSTRUMENTO R 2 RMSECV* RMSEP* RPD RERFoss 0.93 1.42 0.89 3.96 17.17Büchi 0.89 1.82 1.09 3.23 13.99Zeiss 0.86 1.87 1.05 3.35 14.51Polycromix 0.75 1.86 1.47 2.40 10.40* RMSECV e RMSEP espressi in %Tab. 5.12 - Indici statistici relativi all’incertezza delle stime NIR della sostanza seccaProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 154

L’incertezza delle stime NIR eseguite in validazione è risultata da 5,2 a 8,6 volte più alta rispetto aquella del metodo di riferimento, pari a 0,17 %.I risultati di RPD e RER mostrano una buona performance per i primi tre strumenti e leggermenteinferiore, ma ancora discreta, per lo strumento LAB POD TM Polycromix (Tab.11).Considerando insieme i valori di R 2 delle regressioni, i valori di RPD e di RER, le calibrazioniottenute per la stima della sostanza secca possono essere così classificate: FOSS, buona; Büchi eZeiss, discrete; Polycromix, sufficiente.Azoto totalePer la calibrazione dell’azoto totale gli spettri sono stati pretrattati come riportato precedentementeper la calibrazione della Ss. Per tutti gli strumenti sono stati individuati ed eliminati gli stessi 3outliers.Le regressioni tra i valori misurati di azoto totale e quelli stimati (NIR) sono riportati graficamente inFigura 5.8, mentre gli indici statistici delle prestazioni dei modelli di calibrazione sono riportati inTabella 5.13.TKN stimato (g/kg)6420Foss Buchi Zeiss Polycromix0 2 4 6TKN misurato (g/kg)Fig. 5.8 - Scatterplots contenuto in NtotSTRUMENTO R 2 RMSECV* RMSEP* RPD RERFoss 0.88 0.38 0.41 2.69 15.88Büchi 0.83 0.51 0.51 2.15 12.72Zeiss 0.72 0.59 0.68 1.62 9.55Polycromix 0.62 0.72 0.72 1.51 8.93* RMSECV e RMSEP espressi in mg/g tqTab. 5.13 - Indici statistici delle prestazioni dei modelli di calibrazione NIR per l’azoto totaleIl rapporto tra il valore di RMSEP e la deviazione standard del metodo di riferimento, è risultatogeneralmente più basso di quanto osservato per la sostanza secca e compreso tra 1,2 e 2,2.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 155

Lo strumento che ha fornito i migliori risultati di stima è stato il FOSS. In base ai valori di R 2 , RPD eRER, le calibrazioni ottenute con gli spettri dei 4 strumenti possono essere così classificate: FOSSe Büchi, discrete; Zeiss, sufficiente; Polycromix, utile solo per screening.Azoto ammoniacalePer questa variabile si riportano solo i risultati ottenuti con i due strumenti da laboratorio in quantoper gli altri due strumenti non è stato possibile sviluppare modelli con sufficiente potere predittivo.Il pre-processamento applicato agli spettri è stato, per lo strumento NIRSystem 5000 (Foss), unatrasformazione in derivata con l’algoritmo di Savitzy-Golay, utilizzando finestre spettrali di 35 puntiinterpolati con una polinomiale di secondo ordine e usando il primo grado di derivazione, seguitada una centratura sulla media. Per lo strumento NIRFlex (Büchi), dopo correzione dello scatteringmediante EMSC, si è applicata una derivata di primo grado con 75 punti di smoothing interpolati dauna polinomiale di secondo ordine e centratura sulla media.Le regressioni tra i valori misurati di azoto ammoniacale e quelli stimati (NIR) sono riportatigraficamente in Figura 5.9, mentre gli indici statistici delle prestazioni dei modelli di calibrazionesono riportati in Tabella 5.14.Nam stimato (g/kg)3210FossBuchi0 1 2 3Nam misurato (g/kg)Fig. 5.9 - Scatterplots contenuto in NH4-NSTRUMENTO R 2 RMSECV* RMSEP* RPD RERFoss 0.82 0.27 0.21 2.15 10.77Büchi 0.75 0.28 0.23 1.96 9.83* RMSECV e RMSEP espressi in mg/g tqTab. 5.14 - Indici statistici delle prestazioni dei modelli di calibrazione NIR per l’azoto ammoniacaleProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 156

I valori di RMSEP sono risultati pari a circa 3 volte la deviazione standard del metodo di riferimento(0.08 mg/g).In base ai valori di R 2 , RPD e RER, le calibrazioni ottenute con gli spettri degli strumenti FOSS eBüchi sono risultate rispettivamente discreta e sufficiente.Carbonio totalePer la costruzione del modello di regressione gli spettri a disposizione sono stati pre-processatitutti, come in precedenza, con trasformazione in derivata prima tramite l’algoritmo di Savitzy-Golay, centratura sulla media e per il NIRFlex 500 (Büchi) con correzione moltiplicativa delloscattering (EMSC). Per tutti gli strumenti, mediante l’analisi delle componenti principali, sono statiindividuati ed eliminati 3 outliers comuni. Dall’applicazione in validazione dei modelli PLS calibratisono state ottenute le stime la cui regressione con i valori di riferimento è riportata nei grafici diFigura 5.10.Gli indici statistici delle performance delle calibrazioni sono riportati invece in Tabella 5.15.Ct stimato (g/kg)806040200Foss Buchi Zeiss Polycromix0 20 40 60 80Ct misurato (g/kg)Fig. 5.10 - Scatterplots contenuto in CtotSTRUMENTO R 2 RMSECV* RMSEP* RPD RERFoss 0.94 7.64 3.76 4.13 18.61Büchi 0.89 6.89 4.80 3.24 14.57Zeiss 0.80 8.63 4.08 3.81 17.14Polycromix 0.74 10.19 6.78 2.29 10.31* RMSECV e RMSEP espressi in mg/g tqTab. 5.15 - Indici statistici delle prestazioni dei modelli di calibrazione NIR per il carbonio totaleLa calibrazione ottenuta con gli Spettri Foss ha espresso le migliori performance, come attestatodai valori migliori di tutti gli indici statistici, ed è risultata essere di buona qualità. Rispetto a questa,Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 157

quelle ottenute con gli spettri degli altri strumenti presentano problemi di sottostima alle alteconcentrazioni e sovrastima alle basse concentrazioni. Le calibrazioni ottenute con gli spettri Büchie Zeiss sono risultate discrete mentre sufficiente è risultata quella ottenuta con gli spettriPolycromix. E’ da segnalare che la calibrazione Zeiss ha fatto rilevare valori di RPD e RERmaggiori della calibrazione Büchi nonostante il primo spettroscopio sia generalmente menoaccurato del secondo. La deviazione standard del metodo di riferimento, pari a 0.86 mg/g, èrisultata 4-8 volte minore dell’errore medio delle stime in validazione.CeneriIl pre-trattamento degli spettri per la calibrazione relativa alla stima NIR delle ceneri è statoeffettuato applicando loro la trasformazione in derivata prima (SV), la centratura sulla media (CM),e la correzione dello scattering (EMSC), con parametri differenti in base alla tipologia di strumento.L’analisi delle componenti principali ha segnalato la presenza di tre outliers, comuni per tutti glistrumenti in valutazione, che sono stati quindi eliminati. In Figura 5.11 sono riportate le regressionitra i valori determinati con metodi di riferimento e quelli stimati tramite l’applicazione, su un setcampionario indipendente, dei modelli PLS calibrati. Gli indici statistici delle prestazioni di talimodelli sono riportati in Tabella 5.16.Ash stimate (%)43210Foss Buchi Zeiss Polycromix0 1 2 3 4Ash misurate (%)Fig. 5.11 - Scatterplots contenuto in ceneriSTRUMENTO R 2 RMSECV* RMSEP* RPD RERFoss 0.82 0.41 0.25 2.81 17.01Büchi 0.78 0.31 0.36 1.93 11.72Zeiss 0.68 0.44 0.37 1.90 11.49Polycromix 0.66 0.50 0.36 1.92 11.65* RMSECV e RMSEP espressi in %ssTab. 5.16 - Indici statistici delle prestazioni dei modelli di calibrazione NIR per le ceneriProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 158

Il valore di RMSEP è risultato decisamente più elevato, da 6 a 9 volte, rispetto alla deviazionestandard del metodo di riferimento, pari a 0.04 %.La calibrazione che ha fornito i più bassi valori di RMSPE è stata quella ottenuta con gli spettriFoss. Sulla base dei valori di R 2 delle regressioni tra i valori di riferimento e quelli stimati e deivalori di RPD e di RER, le calibrazioni ottenute possono essere così giudicate: discreta quellaFoss, sufficiente quella Büchi e prossime alla sufficienza quelle Zeiss e Polycromix.5.1.3.1.4 Calibrazioni con spettri ridotti (1100-1690 nm)Per verificare se la differenza di performance tra gli strumenti da laboratorio (Foss e Büchi) e quellida campo (Zeiss e Polycromix) fosse principalmente da ascrivere al range spettrale oppure allarisoluzione strumentale sono state effettuate calibrazioni su spettri ridotti, compresi nell’intervallo1100-1690 nm, intervallo esplorato anche dagli strumenti Corona 45 (Zeiss) e LAB POD TM(Polycromix).Foss Büchi Zeiss PolycromixSsNtotNamCtotCeneriR 2 0.91 0.89 0.86 0.75RMSEP 0.92 1.15 1.05 1.47R 2 0.78 0.81 0.72 0.62RMSEP 0.52 0.52 0.59 0.72R 2 0.66 0.77 poor poorRMSEP 0.26 0.25 poor poorR 2 0.92 0.86 0.80 0.74RMSEP 4.03 4.41 3.93 6.78R 2 0.82 0.75 0.68 0.66RMSEP 0.27 0.36 0.37 0.36Tab. 5.17 - Accuratezza di predizione della calibrazione per i vari costituenti dei liquami bovini utilizzando unrange spettrale ridotto con gli strumenti FOSS (1100-1690 nm) e Büchi (1100-1690 nm).Dalla Tabella 5.17, riportante il coefficiente di determinazione (R 2 ) e l’errore in validazione(RMSEP) del modello di regressione PLS, si può apprezzare come, nonostante la riduzione delrange spettrale, sia stato possibile ottenere per i due strumenti a maggior risoluzione, il NIRSystem5000 (Foss) e il NIRFlex (Büchi), risultati più accurati rispetto agli strumenti a minor risoluzione,soprattutto per le variabili Ss, Ctot, Ceneri. I risultati ottenuti consentono di affermare che, granparte dell’informazione necessaria per la determinazione di queste variabili è compreso nel range1100-1690 nm e che una maggior risoluzione porta a calibrazioni più accurate. Per le componentiProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 159

azotate, diversamente, le calibrazioni su spettri ridotti restituiscono stime peggiori rispetto allecalibrazioni su spettro intero (1000-2500 nm) confermando che molta informazione spettrale perqueste componenti è contenuta del range 1700-2500 nm; ciononostante, le prestazioni dellecalibrazioni su spettro ridotto degli spettroscopi da laboratorio sono risultate migliori di quelle dellecalibrazioni degli strumenti da campo a più bassa risoluzione.5.1.3.1.5 ConclusioniIl confronto strumentale ha evidenziato quali siano le potenzialità e le limitazioni di spettrometri NIRad elevato, medio e basso costo disponibili a livello commerciale per la caratterizzazione rapida dicomposti complessi ed eterogenei come i reflui zootecnici.La strumentazione a più basso costo, passibile di utilizzazione in campo, grazie alle tecnologie e aicomponenti utilizzati che non presentano parti mobili, ha evidenziato capacità predittive accettabilisolo per alcuni parametri mentre per altri, in particolare per la componente azotata, le prestazionirisultano ancora molto inferiori a quelle degli strumenti da laboratorio. Le limitazioni osservate sonolegate più alla risoluzione strumentale che al range spettrale ridotto. Inoltre, l’utilizzo di fibreottiche e sorgenti luminose portatili, come nel caso del LAB POD TM (Polycromix), se da una partepermettono misurazioni on-line e on-site dall’altra peggiorano le prestazioni anche per la limitatapotenza e trasmissione del segnale che questi accessori comportano.Sulla base dei risultai ottenuti, la classifica per qualità crescente delle prestazioni dei diversistrumenti e per l’accuratezza di stima delle diverse variabili è rispettivamente la seguente;Polycromix < Zeiss < Büchi < Foss; N-NH 4 < Ceneri < Ntot < Ctot ≤ SsA parità di range spettrale i due strumenti da laboratorio, rispetto ai due portatili, realizzanoprevisioni più accurate. Per lo strumento Policromix, problemi di stima si sono evidenziati per queicampioni con ridotto contenuto in sostanza secca (Ss < 4 %) che presentando un basso effetto discattering abbassano il segnale in ricezione al sensore. Tale abbassamento porta a unpeggioramento del rapporto segnale/rumore per quegli strumenti che per geometria ottica eprincipio costruttivo detengono un ridotto angolo di ricezione delle riflessione diffusa.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 160

5.1.3.2 Calibrazioni sul set di liquami suini5.1.3.2.1 Composizione del set campionario e qualità degli spettriNella Tabella 5.18 sono riportati i principali descrittori statistici relativi alle variabili compositivedella popolazione di liquami suini.Variabile u. di m. min Mediamax dev st rangeN-NH 4 mg g -1 tq 0.49 1.66 4.58 0.90 4.09Ntot mg g -1 tq 0.55 2.48 5.72 1.36 5.17Ss % 0.32 3.24 13.70 3.14 13.38Ctot mg g -1 tq 0.42 11.85 61.72 13.51 61.30ceneri mg g -1 tq 1.87 9.87 46.38 8.06 44.50pH 4.98 7.47 8.52 0.76 3.54CE mS cm -1 5.55 13.33 30.30 5.65 24.75MgO mg g -1 tq 0.05 0.58 2.50 0.61 2.45CaO mg g -1 tq 0.13 1.32 5.53 1.42 5.40P 2 O 5 mg g -1 tq 0.06 1.12 6.22 1.41 6.16K 2 O mg g -1 tq 0.43 1.38 4.36 0.82 3.93Tab. 5.18 - Variabilità per il solo set di campioni suini di 91 campioniNei grafici di Figura 5.12 è riportata la distribuzione campionaria per ogni variabile.In tutte le variabili la popolazione non seguiva una distribuzione normale ma risultava più popolatain corrispondenza dei valori bassi. D’altronde negli allevamenti suini lombardi i reflui sono piuttostodiluiti.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 161

N-NH 4 mg/g tq Ntot mg/g tq SS %Ctot mg/g tq CE mS/cm CaO mg/g tqMgO mg/g tq P 2 O 5 mg/g K 2 O mg/g tqFig 5.12 - Distribuzioni di frequenza dei valori delle variabili indagateIl basso contenuto di sostanza secca che si riscontra nei campioni di liquame suino determinadifficoltà notevoli per l’acquisizione del segnale direttamente in modalità di riflettanza diffusa.E’ da evidenziare infatti che quando i fotoni si trovano a percorrere un lungo cammino in acqua,prima di essere riflessi dalle particelle in sospensione, vengono estinti per assorbimento da partedell’acqua stessa. Di conseguenza la radiazione riflessa contro il detector diventa insufficiente edil rapporto segnale/rumore peggiora drasticamente. Il fenomeno è più marcato per le lunghezzed’onda maggiori: per quelle maggiori di 1800 nm, l’acqua causa una completa estinzione delsegnale già con cammini ottici dell’ordine di 2 mm (Figura 5.13).Il problema è risultato particolarmente accentuato nel caso dello strumento polycromix: comeevidenziato in Figura 5.13, l’acquisizione in riflettanza diffusa portava alla registrazione di spettrinon utilizzabili già a partire dai 1400 nm, sia per l’alta estinzione del segnale sia per l’elevatorumore.Questa tecnica, ancora applicabile nel caso dei liquami bovini, non è risultata invece applicabilenel caso dei liquami suini ed è stata di conseguenza accantonata.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 162

2.221.81.6log 1/R1.41.210.80.6900 1100 1300 1500 1700 1900Lunghezze d'onda (nm)Fig. 5.13 – Spettro di un liquame suino tal quale acquisito con Polycromix in riflettanza diffusaPer ovviare a questo problema sono state adottate le due seguenti strategie:- miscelazione del campione con della sabbia silicea per incrementare lo scattering- utilizzo di un transflettore con cammino di 1 mm.Gli spettri acquisiti in modalità di riflettanza diffusa con gi strumenti Büchi e Polycromix e intransflettanza con lo strumento Büchi vengono riportati in Figura. 5.14.Büchi - transflettoreBüchi - sabbia31.62.521.41.21Log 1/R1.510.5Log 1/R0.80.60.40.2001000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 24001000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400Lunghezza d'onda (nm)Lunghezza d'onda (nm)Polycromix - sabbia1.210.8Log 1/R0.60.40.201000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400Lunghezza d'onda (nm)Fig. 5.14 - Spettri dei campioni di liquami suino acquisiti con le diverse combina zioni strumentoo –modalità d’acquisizione (riflettanza diffusa nel caso della miscelazione del campione con sabbia).Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 163

Il metodo NIR può stimare le variabili sia in maniera diretta, quando i predittori determinanodirettamente per motivi fisici o chimici delle variazioni spettrali, sia in maniera indiretta, percorrelazione della variabile in studio, che non determina direttamente variazioni spettrali, concostituenti che invece influenzano l’assorbimento NIR. Per valutare il contributo delle duecomponenti si è valutato il grado di correlazione esistente tra i diversi parametri analizzati. InTabella 5.19 sono riportati i valori dei coefficienti di correlazione semplice lineare r calcolati tra lediverse variabili della popolazione di liquami suini.N-NH 4 Ntot Ss Ctot ceneri pH CE MgO CaO P 2 O 5 K 2 ON-NH 4 g/kg tq 1.000Ntot g/kg tq 0.849 1.000Ss% 0.513 0.801 1.000Ctot mg_g tq 0.461 0.766 0.991 1.000ceneri mg/g tq 0.649 0.843 0.908 0.846 1.000pH -0.211 -0.335 -0.415 -0.451 -0.259 1.000CE(mS/cm) 0.834 0.724 0.532 0.516 0.516 -0.136 1.000MgO g/kg tq 0.441 0.648 0.665 0.597 0.811 -0.069 0.182 1.000CaO g/kg tq 0.553 0.773 0.858 0.796 0.965 -0.304 0.342 0.808 1.000P 2 O 5 g/kg tq 0.410 0.582 0.543 0.468 0.730 -0.024 0.112 0.979 0.734 1.000K 2 O g/kg tq 0.803 0.720 0.535 0.510 0.553 -0.175 0.915 0.190 0.392 0.103 1.000Tab. 5.19 - Correlazioni tra variabili per il solo set di campioni suini composto da 91 campioniI valori del coefficiente di correlazione r tra numerose variabili sono risultati indicativi dell’esistenzanel set campionario di un quadro di forte correlazione.Le possibili spiegazioni delle correlazioni emerse sono di seguito elencate:−−−−−la correlazione tra Ntot e N-NH 4 (r = 0.85) è dovuta al fatto che l’N-NH 4 è una frazione diNtot;la Ss correla bene con Ctot (0.99) e Ntot (0.80) perché questi elementi risultano essere imaggiori costituenti della sostanza organica;la CE correla con K (espresso come K 2 0) (0.91) e N-NH 4 (0.83) in quanto essendol’elemento presente in forma ionica in soluzione e in alte concentrazioni concorresignificativamente a determinare il valore di conducibilità della soluzione.la correlazione tra Ca e Ss (0.86), Ctot (0.79) e Ntot (0.77) potrebbe essere spiegataconsiderando che l’alta concentrazione di questo elemento in forma bivalente determina unriarrangiamento per flocculazione della sostanza organica.le correlazioni tra MgO e P 2 O 5 (0.97) e CaO (0.81) sono conseguenza del fatto che questielementi sono costituenti del fitato, un componente significativo del grano usatonell’alimentazione del bestiame, che risultando indigeribile a meno di un trattamento confitasi, si ritrova nei loro escrementi.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 164

−−la correlazione tra Ca e Mg, P e ammonio potrebbe essere spiegata in parte dallaformazione di struvite (NH 4 MgPO 4 *6H 2 O) e fosfato di calcio in forma di apatite, checauserebbe sedimentazione di Ca P e Mg nei liquami (Brill and Salomons,1990); poichénei liquami c’è di gran lunga più N-NH 4 rispetto al Ca ,Mg e P, quasi tutti i minerali di Ca,Mg e P precipitano mentre gran parte dell’N-NH 4 rimane in soluzione.la ceneri risultano ben correlate con Ss (0.91), Ctot (0.85), Ca (0.96) e Mg (0.81) poichéesse costituiscono il residuo della mineralizzazione della sostanza organica e sonocomposte da sali tra cui il calcio ed il magnesio.5.1.3.2.2 Ripetibilità degli spettriNell’acquisizione degli spettri NIR per ogni campione sono state effettuate 3 repliche di scansione.Per verificare la ripetibilità e quindi la stabilità delle scansioni e valutare quale fosse la miglioretecnica di presentazione del campione per l’acquisizione degli spettri è stata effettuata un analisidelle componenti principali sull’intero set di spettri acquisiti. Nella Fig.14 sono rappresentati, per glistrumenti e le tecniche di presentazione del campione utilizzate, gli score ottenuti con la prima eseconda componente principale. Si precisa che sono stati utilizzati gli spettri in derivata prima ecentrati sulla media, e che le prime due componenti principali raccolgono insieme circa il 95 %dell’informazione.Le repliche spettrali, sia per i campioni miscelati con la sabbia sia per quelli acquisiti utilizzando iltransflettore, presentano, nella maggior parte dei casi, mappature abbastanza ravvicinate cheindicano una buona ripetibilità delle acquisizioni. Tuttavia, per alcuni campioni risultano evidentisostanziali differenze tra repliche; probabilmente a causa della disomogeneità del campione. Perovviare a ciò, nello spazio delle componenti principali normalizzate, è stata calcolata la distanza diogni singolo spettro dal suo spettro medio (equivalente al calcolo della distanza di Mahalanobis) inmodo da avere una misura omogenea tra set di dati ottenuti con strumenti e tecniche dipresentazione del campione differenti. Dalle singole distanze si è poi calcolata la distanza mediatotale delle tre repliche di ciascun campione per le diverse modalità di presentazione delcampione.Nella parte destra della Figura 5.15 sono presentati gli istogrammi della distribuzione delledistanze medie repliche-spettro medio di ciascun campione. Si può notare come nel caso dimiscelazione del campione con sabbia prima della scansione il numero di classi è molto ridotto econcentrato nelle prime classi con distanze minime.Nel caso del transflettore la maggior popolosità e distribuzione delle classi indicano una maggiorvariabilità tra le repliche a seconda del campione.La metodologia con sabbia, a fronte di una maggiore laboriosità nella preparazione, risulta la piùstabile e accurata in conseguenza del fatto che l’assorbimento del campione su sabbia riduce laProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 165

lunghezza media del cammino ottico, annullando i problemi di saturazione del segnale ancoraevidenti alle lunghezze d’onda più alte con l’uso del transflettore.PC1 e PC2 degli spettri con le 3 replicheBüchi - sabbia125Istogramma delle distanze medie100n° classi7550250Büchi - transflettorePC1 e PC2 degli spettri con le 3 repliche125Istogramma delle distanze medie100n° classi7550250Polycromix - sabbiaPC1 e PC2 degli spettri con le 3 repliche125Istogramma delle distanze medie100n° classi7550250Fig. 5.15 - Distanza delle singole repliche spettrali dal loro spettro medioProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 166

5.1.3.2.3 Selezione del set di calibrazioneAl fine di individuare il numero minimo di campioni da selezionare per il set di calibrazione, e quindiper stimare il numero di campioni da caratterizzare con le analisi chimiche per ciascuna variabileanalitica di interesse, sono stati selezionati, tramite l’algoritmo di Kennard Stone, set dicalibrazione a numerosità crescente corrispondente a 1/3, 1/2 e 2/3 della popolazione campionariaindagata. L’algoritmo è stato applicato agli scores provenienti da modelli PCA a 4 componentiprincipali dove gli spettri sono stati sottoposti a pre-processamento di derivazione (derivata prima)e centratura sulla media.Büchi Sabbia SuiniPC1- PC3PC1-PC2-PC3PC2- PC3PC1- PC2Fig. 5.16 - Distribuzione dei set di calibrazione(blu, 1/3 della popolazione) e validazione(verde) nello spazio dellecomponenti principaliProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 167

Nella Figura 5.17 sono riportate limitatamente alle prime 3 componenti principali le proiezioni degliscores dei due sub-set, calibrazione in blu (corrispondente a 1/3 della popolazione totale) evalidazione in verde selezionati mediante l’algoritmo di Kennard-Stone. Si può evidenziare comel’algoritmo riesca a selezionare nello spazio delle componenti principali tutti i campioni che sitrovano sulle posizioni di frontiera dello sciame campionario e a coprire con spaziatura uniformel’intero volume della nuvola campionaria .Fig. 5.17 - Distribuzione dei set di calibrazione e validazione nello spazio delle componenti principali(PC1 e PC2)Da un confronto dei campioni selezionati in calibrazione per gli strumenti e le tecniche dipresentazione del campione, utilizzando 1/3 della popolazione campionaria, è stato possibileverificare che 4 campioni su 28 risultano comuni a tutte le combinazioni strumento-tecnica dipresentazione del campione. Tra le metodologie Büchi-sabbia e Polycromix-sabbia 12 campioni su28 risultano comuni, tra le metodologie Büchi-sabbia e Büchi-Transflettore 7 campioni su 28risultano comuni e tra Büchi-Transflettore e Polycromix-sabbia 7 campioni risultano comuni.Questo risultato evidenzia come la tecnica di presentazione del campione risulti più importantedello strumento utilizzato per la scansione nel determinare le caratteristiche dello spettro.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 168

5.1.3.2.4 Risultati delle calibrazioniA partire dagli spettri NIR acquisiti in riflettanza diffusa con gli spettroscopi NIRMaster (Büchi) eLAB POD TM ( Polycromix), e dagli spettri acquisiti in transflettanza con il NIRMaster, sono statisviluppati i modelli di calibrazione, tramite la regressione ai minimi quadrati parziali PLS. Talimodelli sono stati poi validati in cross-validazione. Le variabili considerate sono state: N-NH 4 , Ntot,Ss, Ctot, Ca, P, K, CE.Nei paragrafi seguenti si riportano i pre-processamenti applicati utilizzando le seguentiabbreviazioni: EMSC (extended multiplicative scattering correction, con spettro medio comespettro di riferimento e approssimazione con polinomiale di ordine 2°); SV (Derivata ottenuta conmetodo di Savitzky Golay e smoothing; il riferimento SV, 1, 35 indica per esempio derivata 1 esmoothing eseguito su 35 punti); MC (centratura sulla media); SNV (trattamento standard normalvariate).Azoto AmmoniacaleStrumento Modalità n°outliers Pre-processamento R 2 RMSECV RPD RERBüchi Sabbia 1 SV,1,35;MC 0.97 0.15 5.91 27.34Büchi Transflettore 4 EMSC;SV,1,39;MC 0.90 0.28 3.06 16.83Polycromix Sabbia 6 SV,1,9;MC 0.75 0.44 1.79 8.12* RMSECV espresso in mg/g tqTab. 5.20 - Risultati in cross-validazione per la variabile azoto ammoniacaleLa deviazione standard del metodo di riferimento è stata di 0.044 mg/g tqI risultati ottenuti, vedi Tab. 5.20 mostrano un buona capacità predittiva per lo strumentoNIRMaster.In modalità di riflettanza diffusa con l’impiego della sabbia sono stati ottenuti ottimi risultati comeindicato dagli alti valori di RPD e RER. Il valore di RMSECV risultato pari a circa 3 volte quello delmetodo di riferimento e del tutto accettabile per gli scopi agronomici dell’analisi. In modalità ditransflettanza è stata ottenuta una calibrazione classificabile come buona.Lo strumento LAB POD TM (Polycromix) ha dimostrato ridotte performance classificabile ai limitidella sufficienza, secondo i criteri proposti nel paragrafo 5.1.2.4, Tabella 5.9, con errori di stimaquasi dieci volte superiori a quelli ottenuti con i metodi di riferimento.Vista la grande differenza di estensione degli intervalli di misura degli strumenti (1000-2500 nm diNIRMaster contro l000-1800 nm di LAB POD TM ), al fine di fare un confronto corretto tra strumenti edi esplorare il contenuto d’informazione nelle diverse regioni spettrali, sono state effettuatecalibrazioni con spettri ridotti. Allo scopo, ciascun spettro completo NIRMaster è stato diviso in dueProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 169

spettri, uno compreso tra 1000 e 1800 nm e l’altro tra 1800-2500 nm. I risultati delle calibrazioniottenute con detti spettri ridotti, riportati in Tabella 5.21, hanno evidenziato che l’informazione perla variabile N-NH 4 è contenuta prevalentemente nel range 1800-2500nm.Strumento Modalità Range (nm) R 2 RMSECV* RPD RERBüchi Sabbia 1800-2500 0.98 0.13 6.60 30.771000-1800 0.86 0.34 2.48 12.32Büchi Transflettore 1800-2500 0.83 0.37 2.26 9.411000-1800 0.68 0.50 1.53 6.58* RMSECV espresso in mg/g tqTab. 5.21 - Risultati in cross-validazione con range ridotti per l’ N-NH 4Nel caso della sabbia le prestazioni delle calibrazioni con spettri ridotti 1800-2500 nm miglioranoanche rispetto al range completo a dimostrare che la parte bassa dello spettro (1000-1800 um)non apporta informazione utile ma disturbi. Per quanto riguarda la modalità in transflettanza si haun peggioramento rispetto al range completo. In Figura 5.18 sono riportati gli scatterplot traconcentrazioni misurate e concentrazioni stimate con i modelli basati sugli spettri ridotti.Büchi sabbia suiniNH 4 _1000-2500 nm NH 4 _L1800-2500 nm NH 4 _1000-1800 nmBüchi transflettore suiniNH 4 _1000-2500 nm NH 4 _1800-2500 nm NH 4 _1000-1800 nmFig. 5.18 – Scatterplots per la variabile azoto ammoniacaleProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 170

In Tabella 5.22 sono riportati i risultati della validazione delle tre calibrazioni ottenute con i setcampionari di dimensione crescente selezionati mediante l’utilizzo dell’algoritmo di Kennard Stone.Strumento Numero di campioni del set calibrazione R 2 RMSECV RMSEPPolycromix sabbia 30 (1/3) 0.808 1.05 0.4845 (1/2) 0.828 0.77 0.4660 (2/3) 0.842 0.64 0.46Büchi sabbia 28 (1/3) 0.978 0.19 0.1343 (1/2) 0.980 0.18 0.1156 (2/3) 0.980 0.17 0.11Tab. 5.22 - Risultati in validazione con differente numerosità del set di calibrazione per N-NH 4Dai valori degli errori in validazione non risulta nessun miglioramento significativo con l’aumentaredella numerosità del set di calibrazione. Un set di calibrazione costituito da soli 30 campioni, sescelto correttamente, considerando l’intera variabilità spettrale che si potrebbe riscontrare neicampioni, porta a sviluppare robusti modelli di calibrazione anche con un set minimo di campioni.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 171

Azoto TotaleStrumento Modalità n°outliers Pre-processamento R 2 RMSECV* RPD RERBüchi Sabbia 6 SV,1,35;MC 0.97 0.23 6.00 24.58Büchi Transflettore 3 EMSC;SV,1,33;MC 0.92 0.378 3.52 14.33Polycromix Sabbia 9 SV,1,9;MC 0.88 0.52 2.74 11.60* RMSECV espressi in mg/g tqTab. 5.23 – Risultati in cross-validazione per la variabile azoto totaleAnche per l’azoto totale la tecnica in riflettanza diffusa con miscelazione del campione alla sabbia,ha mostrato le migliori performance. I valori di RPD e RER indicano capacità di stima classificabilicome ottime. La deviazione standard del metodo di riferimento è stata di 0.065 mg/g tq. L’errore incross-validazione risulta essere variabile nel migliore dei casi pari a 4 volte quello del metodo diriferimento. La modalità in transflettanza ha mostrato comunque potenzialità classificabili comebuone. Le prestazioni di Polycromix sono state accettabili e classificabili come sufficienti.Strumento Modalità Range (nm) R 2 RMSECV* RPD RERBüchi Sabbia 1800-2500 0.96 0.27 5.14 20.361000-1800 0.89 0.47 2.86 10.73Büchi Transflettore 1800-2500 0.81 0.38 2.03 8.371000-1800 0.64 0.59 1.41 6.25*RMSECV espressi in mg/g tqTab. 5.24 - Risultati in cross-validazione con range ridotti per la variabile azoto totaleDalle prestazioni fornite dalle calibrazioni basate sugli spettri ridotti, vedi Tabella 5.24, si rendeancora evidente come le vibrazioni di legame delle componenti azotate siano spostate verso lelunghezze d’onda più elevate.La modalità in riflettanza con sabbia e range da 1800-2500 nm consente ottime capacità di stima,simili a quelle ottenibili con gli spettri completi. La modalità in transflettanza risente di più dellariduzione del range. Le lunghezze d’onda da 1000 a 1800nm non sembrano contenere abbastanzainformazione; è evidente il segnale dovuto all’overtone O-H dell’acqua e un lieve picco a 1520 nmdello stretching primo overtone N-H dell’urea ma questi non consentono comunque stime accurate.In Figura 5.19 sono riportati i grafici di regressione tra valori stimati e valori misurati distintamenteper i modelli basati sugli spetri interi e ridotti.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 172

Büchi sabbia suiniNtot 1000-2500 nm Ntot 1800-2500 nm Ntot_1000-1800 nmBüchi transflettore suiniNtot_1000-2500 nm Ntot_1800-2500 nm Ntot_1000-1800 nmFig. 5.19 – Scatterplot per la variabile azoto totaleLa validazione indipendente effettuata dopo la selezione dei campioni mediante l’algoritmo diKennard Stone ha evidenziato una lieve riduzione dell’RMSEP solo nel caso dello strumentopolycromix. Anche in questo caso il set minimo di calibrazione (1/3) è risultato sufficiente perminimizzare l’RMSEP che non evidenzia significativi miglioramenti al crescere del set dicalibrazione.Strumento ampiezza set calibrazione R 2 RMSECV* RMSEP*Polycromix suini 30 (1/3) 0.80 1.45 0.7445 (1/2) 0.81 1.29 0.7260 (2/3) 0.83 1.11 0.63Büchi sabbia suini 28 (1/3) 0.93 0.59 0.3143 (1/2) 0.93 0.47 0.3156 (2/3) 0.94 0.41 0.31*RMSECV e RMSEP espressi in mg/g tqTab. 5.25 - Risultati in validazione con differente numerosità del set di calibrazione per la variabile NtotProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 173

Sostanza SeccaDai valori degli indici statistici ottenuti sono risultate buone le calibrazioni sviluppate con gli spettriottenuti con il NIRMaster, con entrambi le metodologie adottate, e sufficienti quelle ottenute con glispettri del Polycromix.Gli errori ottenuti in cross-validazione risultano accettabili per entrambi gli strumenti.Strumento Modalità n°outliers Pre-processamento R 2 RMSECV* RPD RERBüchi Sabbia 1 SV,1,35;MC 0.95 0.52 4.31 16.98Büchi Transflettore 4 EMSC; SV,1,33;MC 0.95 0.71 4.29 17.44Polycromix Sabbia 8 SV,1,7;MC 0.82 0.98 2.18 8.93* RMSECV espressi in mg/g tqTab 5.26 - Risultati in cross-validazione per la variabile sostanza seccaStrumento Modalità Range (nm) R 2 RMSECV* RPD RERBüchi Sabbia 1800-2500 0.933 0.59 3.79 14.831000-1800 0.944 0.54 4.13 17.34Büchi Transflettore 1800-2500 0.767 1.51 1.81 5.741000-1800 0.879 1.09 2.65 12.15*RMSECV espressi in mg/g tqTab. 5.27 – Risultati in cross-validazione con range ridott i per la variabile sostanza seccaPer entrambe le tecniche utilizzate risulta evidente come, contrariamente a quanto osservato per lecalibrazioni di Ntot e N-NH 4 , le prestazioni risultano migliori con i modelli basati sugli spettri ridottinell’intervallo 1000-1800 nm. Nel caso dell’utilizzo della sabbia e della modalità RD ilmiglioramento è modesto mentre diviene significativo in modalità di transflettanza, probabilmente acausa dei fenomeni di saturazione del segnale alle maggiori lunghezze d’onda.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 174

Büchi sabbia suiniSS 1000-2500 nm SS_1800-2500 nm SS_1000-1800 nmBüchi transflettore suiniSs 1000-2500 nm SS 1800-2500 nm SS_1000-1800 nmFig. 5.20 – scattrplots per la variabile sostanza seccaStrumento n. di campioni del set di calibrazione R 2 RMSECV* RMSEP*Polycromix suini 30 (1/3) 0.91 2.66 1.6845 (1/2) 0.92 1.80 0.9560 (2/3) 0.92 1.62 0.98Büchi sabbia suini 28 (1/3) 0.94 0.63 0.6543 (1/2) 0.94 0.55 0.6356 (2/3) 0.96 0.54 0.51* RMSECV e RMSEP espressi in mg/g tqTab. 5.28 - Risultati in validazione con differente numerosità del set di calibrazioneIn validazione lo strumento Büchi mantiene bassi livelli di errore anche con popolazione minima incalibrazione. Lo strumento Polycromix invece necessita maggior numerosità di campioni, almeno45, per raggiungere un valore relativamente costante di RMSEP.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 175

Carbonio totaleAnche per il carbonio totale risultano ottime le capacità predittive dello strumento da banco, conentrambi le modalità di acquisizione degli spettri. Gli errori di stima sono risultati piuttosto elevati seconfrontati con la deviazione standard del metodo di riferimento (0.314 mg/g), ma accettabili vistol’ampio range di variazione della variabile.Le prestazioni dello strumento Ploycromix sono risultate discrete.Strumento Modalità n°outliers Pre-processamento R2 RMSECV* RPD RERBüchi Sabbia 1 SV,1,35;MC 0.96 1.87 4.64 17.03Büchi Transflettore 4 EMSC; SV,1,33;MC 0.96 2.67 4.83 20.70Polycromix Sabbia 5 SV,1,7;MC 0.87 4.70 2.54 12.83* RMSECV espressi in mg/g tqTab. 5.29 – Risultati in cross-validazione per la variabile carbono totaleStrumento Modalità Range (nm) R2 RMSECV* RPD RERBüchi Sabbia 1800-2500 0.95 2.13 3.87 16.171000-1800 0.94 2.24 4.27 16.09Büchi Transflettore 1800-2500 0.69 7.44 1.48 4.881000-1800 0.87 4.83 2.45 10.37* RMSECV espressi in mg/g tqTab. 5.30 - Risultati in cross-validazione con range ridotti per la variabile carbono totaleI risultati delle calibrazioni con gli spettri ridotti non hanno evidenziato differenze tra i due rangespettrali, quando l’acquisizione è stata effettuata in presenza di sabbia (modalità RD), mentre nelcaso dell’acquisizione in transflettanza le calibrazioni sono risultate decisamente peggiori con glispettri ridotti nel range 1800-2500 nm.E’ da rimarcare l’effetto della sabbia nella riduzione del rumore degli spettri.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 176

Büchi sabbia suiniCtot 1000-2500 nm Ctot 1800-2500 nm Ctot 1000-1800 nmBüchi transflettore suiniCtot 1000-2500 nm Ctot 1800-2500 nm Ctot 1000-1800 nmFig. 5.21 – scattrplots per la variabile carbono totaleStrumento ampiezza set calibrazione R2 RMSECV* RMSEP*Polycromix suini 30 (1/3) 0.91 7.45 5.2245 (1/2) 0.91 7.44 4.2960 (2/3) 0.91 6.87 4.39Büchi sabbia suini 28 (1/3) 0.94 2.41 2.5743 (1/2) 0.95 2.10 2.5556 (2/3) 0.96 2.07 2.11* RMSECV e RMSEP espressi in mg/g tqTa.b 5.31 - Risultati in validazione con differente numerosità del set di calibrazioneper la variabile carbono totaleLa ricerca del minimo set di calibrazione evidenzia ancora come la metodologia con sabbia nonnecessità un gran numero di campioni per fornire una buona calibrazione.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 177

CalcioPer il calcio sono state ottenute buone prestazioni per entrambi gli strumenti ed i metodiStrumento Modalità n°outliers Pre-processamento R2 RMSECV* RPD RERBüchi Sabbia 4 SV,1,35;MC 0.90 0.41 3.07 13.65Büchi Transflettore 6 EMSC; SV,1,41;MC 0.90 0.43 3.13 16.49Polycromix Sabbia 6 SV,1,11;MC 0.85 0.55 2.31 9.69* RMSECV espressi in mg/g tqTab. 5.32 - Risultati in cross-validazione per la variabile calcioGli errori ottenuti in cross-validazione se confrontati con con la deviazione standard del metodo diriferimento (pari a 0.235mg/g tq) risultano generalmente accettabili.La suddivisione del range non consente apprezzabili miglioramenti delle calibrazioni. Il range1000-1800 nm è risultato solo lievemente più performante.Ancora, nel range spettrale 1800-2500nm, la sabbia ha restituito spettri di qualità notevolmente migliore rispetto alla modalità intrasflettanza.Strumento Modalità Range (nm) R2 RMSECV* RPD RERBüchi Sabbia 1800-2500 0.90 0.45 2.98 11.891000-1800 0.91 0.39 3.27 14.44Büchi Transflettore 1800-2500 0.75 0.70 1.75 5.491000-1800 0.89 0.48 2.87 10.35* RMSECV e RMSEP espressi in mg/g tqTab. 5.33 - Risultati in cross-validazione con range ridotti per la variabile calcioProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 178

Büchi sabbia suiniCa 1000-2500 nm Ca 1800-2500 nm Ca 1000-1800 nmBüchi transflettore suiniCa 1000-2500 nm Ca 1800-2500 nm Ca 1000-1800 nmFig. 5.22 – scattrplots per la variabile calcioStrumento n° set calibrazione R2 RMSECV * RMSEP *Polycromix suini 30 0.84 0.84 0.7445 0.86 0.92 0.5660 0.86 0.83 0.55Büchi sabbia suini 28 0.91 0.61 0.4243 0.92 0.55 0.3956 0.92 0.54 0.34* RMSECV e RMSEP espressi in mg/g tqTab. 5.34 - Risultati in validazione con differente numerosità del set di calibrazione per la variabile calcioPer la variabile Ca è auspicabile il ricorso a un maggior numero di campioni per il set dicalibrazione, dato l’abbassamento dei valori di erroreProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 179

Conducibilità elettrica, Magnesio, Fosforo e PotassioBüchi sabbia suiniVariabile Pre-Processamento n°outliers R 2 RMSECV* RPD RER ClassificazioneCE SV,1,35;MC 3 0.91 1.83 3.24 15.50 BuonaMgO SV,1,35;MC 6 0.86 0.21 2.56 9.41 DiscretaK20 SV,1,35;MC 3 0.87 0.32 2.59 11.84 DiscretaP2O5 SV,1,35;MC 5 0.80 0.65 2.03 7.68 SufficienteBüchi transflettore suiniCE EMSC; SV,1,35;MC 5 0.84 2.05 2.31 6.51 SufficienteMgO SNV; SV,1,35;MC 6 0.94 0.15 3.97 10.24 DiscretaK20 SNV; SV,1,45;MC 9 0.82 0.34 2.21 9.78 SufficienteP2O5 SNV; SV,1,45;MC 7 0.89 0.49 2.93 13.56 DiscretaPolycromix sabbiaP2O5 SV,1,11;MC 10 0.77 0.58 1.83 9.08 Sufficiente*RMSECV e RMSEP espressi in mg/g tqTab. 5.35 - Risultati in cross-validazione per le variabili CE, Mg, K, PLe variabili CE, Mg, K e P, per la loro natura ionica si ritengono non stimabili in maniera diretta conla tecnica NIRS. Si ricorda che il legame molecolare (P=O) pesprime solo un debole segnale nelrange del vicino infrarosso. Tuttavia i modelli di calibrazione riportati in Tabella 5.35 hannoevidenziato una discreta abilità predittiva della tecnica. Tale risultato potrebbe dipenderedall’esistenza di correlazioni forti con altre variabili sicuramente stimabili direttamente tramitespettroscopia NIR, come effettivamente evidenziato nel paragrafo 5.1.3.2 Tabella 5.18.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 180

5.1.3.2.5 Calibrazioni sul set campionario ampliato con reflui di tipo diversoCaratterizzazione del set campionarioNella Tabella 5.36 sono riportate le statistiche descrittive calcolate sull’intero set campionario di142 campioni descritto nel paragrafo 5.1.2.1, relativamente a tutte le variabili indagate.Come prevedibile, rispetto al set di soli liquami suini, risultano ampliati gli intervalli diconcentrazione di tutti gli analiti considerati.Variabile U.M. min media max Dev.St. RangeN-NH 4 g/kg tq 0.11 1.62 5.15 0.92 5.04Ntot g/kg tq 0.55 2.88 11.31 1.90 10.76Ss % 0.32 5.43 33.97 6.73 33.65Ctot mg/g tq 0.42 21.02 152.82 29.51 152.4Ceneri mg/g tq 0.02 12.60 59.93 11.56 59.92pH 4.70 7.66 12.73 0.99 8.03CE mS/cm 0.23 15.98 77.60 9.11 77.37MgO mg/g tq 0.05 1.30 32.38 2.99 32.33CaO mg/g tq 0.13 1.79 11.55 2.11 11.42P 2 O 5 mg/g tq 0.06 1.61 12.08 2.31 12.02Tab. 5.36 - Variabilità per l’intero set campionario composto da 142 campioniNH 4 mg/g tqNtot mg/g tq SS %Ctot mg/g tqCa mg/g tqFig. 5.23 – Distribuzione campionaria set completo di 143 reflui zootecniciProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 181

Le distribuzioni di frequenza dei valori delle variabili risultano comunque condizionate dalla forteprevalenza dei liquami suini ed in particolare di quelli a basso contenuto di sostanza seccapertanto, per tutte le variabili, vi è maggiore affollamento di osservazioni nelle classi di bassaconcentrazione.Dall’analisi della matrice di correlazione variabili, riportata in Tabella 5.37, si rileva chel’arricchimento del set di liquami suini con campioni di liquami bovini, liquami misti suini e bovini,digestati e loro frazioni, determina un rarefazione delle correlazioni rispetto a quanto osservato nelset di soli liquami suini (Tab.5.19).N-NH 4 Ntot Ss Ctot ceneri pH CE MgO CaO P 2 O 5 K 2 ON-NH 4 g/kg tq 1Ntot g/kg tq 0.764 1Ss% 0.254 0.725 1Ctot mg_g tq 0.228 0.700 0.993 1ceneri mg/g tq 0.092 -0.061 -0.206 -0.260 1pH -0.253 -0.262 -0.072 -0.094 0.275 1CE(mS/cm) 0.444 0.385 0.206 0.152 0.226 -0.101 1MgO g/kg tq 0.050 0.155 0.171 0.143 0.134 -0.031 0.227 1CaO g/kg tq 0.456 0.768 0.716 0.678 -0.075 -0.191 0.209 0.328 1P 2 O 5 g/kg tq 0.412 0.647 0.560 0.532 -0.004 -0.029 0.014 0.238 0.783 1K 2 O g/kg tq 0.160 0.210 0.200 0.138 0.190 -0.045 0.772 -0.030 0.170 0.013 1Tab. 5.37 - Correlazione tra variabili per l’intero set campionario composto da 142 campioniTale riscontro è giustificabile poiché per l’ampliamento del set campionario sono stati usati refluimolto diversi ed eterogenei, sia per l’origine, sia per i trattamenti di digestione e/o di separazionesubiti. Nel set così esteso, le uniche correlazioni riscontrate sono quelle di Ntot, con N-NH 4 (r 2 =0.76) e CaO (0.76), di CE con K 2 O (0.77) e di P 2 O 5 con CaO (0.78) .Lo sviluppo dei modelli NIR su questo set ampliato, ha permesso di costruire dei modelli diprevisione con un grado maggiore di decorrelazione tra le variabili analitiche e quindi di testarequali tra le variabili oggetto di studio si prestino a una stima NIR basata su assorbimenti diretti.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 182

Risultati delle calibrazioni su set estesoNelle Tabelle 5.38 – 5.39 – 5.40 si riportano i modelli sviluppati in cross validazione con il setcampionario ampliato.Polycromix Sabbia TotaliRange Variabile n° R 2 RMSECV n° Outliers RPD RER1000-1800 NH 4 130 0.66 0.47 9 1.48 7.011000-1800 Ntot 130 0.83 0.54 10 2.26 9.271000-1800 Ss 130 0.85 1.17 7 2.40 10.611000-1800 Ctot 130 0.84 5.74 6 2.26 9.631000-1800 CaO 125 0.80 0.55 10 2.01 8.74Tab. 5.38 – Risultati in cross-validazione delle calibrazioni sviluppate sugli spettri acquisiti sui campionimiscelati con sabbia utilizzando lo strumento PolycromixBüchi transflettore totaliRange Variabile n° R2 RMSECV n° Outliers RPD RER1000-2500 NH 4 145 0.908 0.28 8 3.12 16.661000-2500 Ntot 145 0.932 0.34 14 3.77 15.371000-2500 Ss 145 0.945 1.07 9 4.19 19.781000-2500 Ctot 145 0.958 3.78 7 4.80 18.381000-2500 CaO 140 0.911 0.39 15 3.24 14.32Tab. 5.39 – Risultati in cross-validazione delle calibrazioni sviluppate sugli spettri acquisitiin modalità di transflettanzaBüchi sabbia totaliRange Variabile n° R2 RMSECV n° Outliers RPD RER1000-2500 NH 4 124 0.97 0.14 7 5.32 24.021000-2500 Ntot 124 0.97 0.22 5 5.32 24.541000-2500 Ss 124 0.93 0.64 8 3.65 15.101000-2500 Ctot 124 0.95 2.3 4 4.28 17.641000-2500 CE 124 0.85 2.01 12 2.43 11.671000-2500 CaO 119 0.88 0.44 7 2.68 12.331000-2500 P 2 O 5 119 0.83 0.55 12 2.19 9.39Tab. 5.40 – Risultati in cross-validazione delle calibrazioni sviluppate sugli spettri acquisiti sui campionimiscelati con sabbia utilizzando lo strumento BüchiProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 183

I risultati ottenuti dai modelli di calibrazione con il set campionario completo hanno permesso diverificare che per la stima di N-NH 4 , Ntot, Ss, Ctot è possibile effettuare una buona e robustacalibrazione, anche considerando campioni di natura diversa. In particolare, con lo strumentoBüchi NIRMaster, con la miscelazione dei campioni con sabbia (in modalità riflettanza diffusa), sisono ottenute prestazioni classificabili come ottime per i composti azotati con RPD > 4 e RER >20,e buone per Ss e Ctot, con RPD tra 3 – 4 e RER tra 15 e 20.Con la modalità in transflettanza sono risultate leggermente migliori le calibrazioni per Ss e Ctot,con RPD > 4 e RER quasi di 20, rispetto a quelle per NH 4 , Ntot, con RPD tra 3 – 4 e RER tra 15 e20. Accettabile è risultata anche la calibrazione del calcio, anche se imputabile alla buonacorrelazione di questo elemento con Ntot. Analogo risultato è stato ottenuto per il fosforo cherisulta correlato con il calcio.Le prestazioni delle calibrazioni ottenute con gli spettri acquisiti con il Polycromix sono risultatesufficienti limitatamente alle variabili Ntot, Ss e Ctot, con RPD tra 2 e 3 e RER tra 8 e 10. Per ilridotto range dello strumento, limitato tra 1000 e 1800 nm, i risultati relativi alla stima dell’N-NH 4sono stati scarsi.Per tutti gli altri elementi, diversamente da quanto ottenuto operando sul set campionario ristrettoai soli liquami suini, non è stato più possibile, a seguito dell’ampliamento del set, sviluppare modellidi calibrazione performanti; tale risultato consente di ritenere che la loro stima non avvenga grazieall’esistenza di una loro interazione diretta con le radiazioni NIR ma sia solo basata sullacorrelazione con altre variabili ben stimate.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 184

5.1.3.2.6 ConclusioniI risultati ottenuti confermano la metodologia NIRS applicata alla caratterizzazione dei liquamizootecnici come una buona tecnica quantitativa.Sia nel caso dei liquami bovini che in quello dei liquami suini le variabili che risultano determinabilicon buona affidabilità sono la sostanza secca, il carbonio totale, l’azoto totale e l’azotoammoniacale.L’azoto e il carbonio presentano una predicibilità diretta del NIRS permettendo quindi di costruiremodelli di calibrazione molto robusti.Anche l’azoto ammoniacale essendo costituito da una specie chimica singola in soluzione e nonlegata alla sostanza organica, ed essendo la vibrazione del suo legame N-H ben definita, risultaessere un parametro spettralmente attivo è ben determinabile anche alle basse concentrazioni.Per le altre variabili P, K, CE, Mg, e Ca bisogna ricordare che spesso il potere predittivo dipendepiù dalla struttura di intercorrelazioni tra variabili del set campionario piuttosto che da effettiassorbenti di questi analiti. Quindi è possibile un utilizzo del metodo NIR per una loro stima ma ènecessario che lo strumento sia usato con campioni strettamente correlati per non correre il rischiodi commettere gravi errori di stima.I reflui zootecnici per loro natura risultano materiali complessi ed eterogenei che possonopresentare complicanze all’analisi NIRS. Una netta distinzione tra i liquami bovini ed i liquami suiniè dato dal contenuto in sostanza secca. I liquami bovini si presentano come materiale denso conelevata concentrazione di solidi sospesi che li porta ad essere più adatti all’analisi NIRS,permettendo una acquisizione degli spettri in modalità di riflettanza diffusa senza nessunapreparazione del campione che viene scansionato tal quale. Contrariamente ai liquami bovini, l’altocontenuto di acqua dei liquami suini crea complicanze nell’acquisizione degli spettri, richiedendodegli accorgimenti nel sistema di campionamento e di presentazione del campione. Infatti la bassaconcentrazione in particelle e solidi sospesi non permettendo al segnale e specialmente ai fotonicon lunghezza d’onda maggiore di essere deviati verso il detector, senza dover attraversare uncammino ottico molto lungo nella matrice acquosa, porta i livelli di assorbanza alla saturazione.L’acqua infatti a causa dei suoi elevati assorbimenti causa una completa estinzione del segnaleper le lunghezze d’onda maggiori di 1800 nm già con cammini ottici dell’ordine di 2mm. Per ovviarea questi inconvenienti bisogna studiare sistemi di presentazione del campione con cammini otticicorti o scatteranti come celle a flusso in transflettanza o celle a flusso autopulenti riempite con unamatrice scatterante. Il metodo della sabbia testato in questo lavoro si è rivelato ottimo, migliorandoProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 185

e stabilizzando le prestazioni e permettendo di superare il problema dell’estinzione del segnaledovuto alla saturazione dell’acqua.Per applicazioni da campo rispetto allo strumento qui utilizzato (Polycromix) risulta necessariotestare strumenti con sorgenti luminose più potenti e valutarne il surriscaldamento.La caratterizzazione rapida dei reflui zootecnici tramite spettroscopia NIRS è incentrataprevalentemente sulla stima della componente azotata per i rilevanti problemi ambientali che crea.Come emerso dal lavoro effettuato il range di lunghezze d’onda più adatto per la determinazionedei composti azotati è quello tra 1800 e 2500 nm, dove però si hanno i maggiori problemi dovutiall’effetto di estinzione del segnale.Gli strumenti commerciali testati hanno mostrato interessanti potenzialità. In particolar modo glistrumenti da banco hanno dato ottime prestazioni confermando le alte potenzialità comemetodologia rapida ed accurata per analisi rutinarie da laboratorio. Gli strumenti da campo pur nonavendo le stesse potenzialità hanno comunque dato risultati soddisfacenti, che affiancati allequalità di basso costo, robustezza e applicabilità on-line e on-site ne fanno buoni strumenti per unuso in azienda come screening rapido e accurato.La valutazione delle prestazioni ottenute ampliando il set campionario di liquami suini anche conpochi campioni di natura diversa, quali liquami bovini, miscele di liquami suini e bovini, digestati eseparati solido-liquido, ha consentito di mettere in evidenza che per le variabili che interagisconodirettamente con la radiazione NIR, quali Ss, Ctot, Ntot e N-NH 4 , è possibile sviluppare modelliglobali che prescindono dalla natura del materiale in esame. Diversamente, tale ampliamento nonè possibile per le variabili la cui stima non avviene in maniera diretta ma deriva dall’esistenza, nelset campionario, di una struttura di intercorrelazioni tra variabili..Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 186

5.1.4. BIBLIOGRAFIA- Barnes, R.J., Dhanoa, M.S., Lister, S.J. (1989), Standard normal variate transformation and detrendingof near-infrared diffuse reflectance spectra. Appl. Spectrosc., 43: 772-777.- Barnes, R.J., Dhanoa, M.S., Lister, S.J. (1993), Correction of the description of StandardNormal Variate (SNV) and De-Trend transformations in Practical Spectroscopy withApplications in Food and Beverage Analysis - 2nd. Edition. J. Near Infrared Spectrosc., 1: 185-186.- Bril J; Salomons W. Chemical composition of animal manure—a modelling approach.Netherlands Journal of Agricultural Science, 38, 333–351 (1990).- De Ferrari G.; Marino Gallina P., Cabassi G., Bechini L., Maggiore T. Near infrared spectralanalysis of cattle slurries from Lombardy (Northen Italy) breeding farms- Dolud, M., H. Andree, and T. Hügle. 2005. Rapid analysis of liquid hog manure using nearinfraredspectroscopy in fl owing conditions. p. 115–122. In S. Cox (ed.) Precision livestockfarming ‘05. Wageningen Acad. Publ., Wageningen, the Netherlands.- Grignani C; Bassanino M; Sacco D; Zavattaro L (2003). Il bilancio degli elementi nutritivi per laredazione del piano di concimazione (A nutrient balance for creating a fertilization plan). Rivistadi Agronomia, 37(2), 155–172- Higgins S F; Shearer S A; Coyne M S; Fulton J P (2004). Relationship of total nitrogen and totalphosphorus concentration to solids content in animal water slurries. Applied Engineering inAgriculture, 20(3), 355–364- Kellerup V. Agros nitrogen meter for estimation of ammonium nitrogen in slurry and liquidmanure. In Efficient Land Use of Sludge and Manure (Dam Kofoed A; Williams J H; L’HermiteP eds), pp. 216Ð223 Barking: Elsevier Applied Science Publishers, 1985)- Kennard R.W. and L.A. Stone, Computer aided design of experiments. Technometrics, Vol. 11,No. 1, Feb., 1969- Maesschalck R., D. Jouan-Rimbaud and D.L. Massart. The Mahalanobis distance. Chemometr.Intell. Lab. Syst. 50, 1 (2000).- MAFF (2000). Fertiliser recommendations for Agricultural and Horticultural Crops ReferenceBook 209, 7th edn. Ministry of Agriculture, Fisheries and Food, HMSO, London- Malley, D.F., C. McClure, P.D. Martin, K. Buckley, and W.P. McCaughey. Compositionalanalysis of cattle manure during composting using a field-portable near-infrared spectrometer.Commun. Soil Sci. Plant Anal. 36:455–475.(2005)- Malley, D.F., L. Yesmin, and R.G. Eilers.. Rapid analysis of hog manure and manure-amendedsoils using near-infrared spectroscopy. Soil Sci. Soc. Am. J. 66:1677–1686 (2002)- Malley, D.F., P.D. Martin, and L. Dettman.. Analysis of nutrients in hog manure by field-portablenear-infrared spectroscopy: Results for the Zeiss Corona® (2001)Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 187

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5.2 – Applicazione del “Modello ARMOSA”Come previsto dal Progetto Pilota SATA, si è attuata la collaborazione con ERSAF per sottoporre idati tecnico-agronomici, rilevati in alcuni ambiti operativi, ad elaborazione mediante il “sistemamodellistico modulare”, calibrato nel corso del Progetto ARMOSA (Allestimento di una Rete diMonitoraggio dei Suoli Agricoli), atto a simulare i flussi di acqua ed azoto nel suolo e prevedere lapotenziale lisciviazione di nitrati.Secondo il protocollo concordato per la fornitura dei dati tecnici agronomici rilevati in campo, si èconcentrata l’attenzione sugli Ambiti operativi 1 e 2, particolarmente interessanti dal punto di vistadi una possibile analisi ambientale, di confronto tra pratiche tradizionali e nuove soluzionigestionali, soprattutto per quanto attiene tempi (alla semina ed in copertura) e modalità(interramento) di distribuzione dei reflui.Valutazione dei rischi potenziali di rilascio di azoto verso le acque profonde in aziende dellapianura lombarda attraverso l’applicazione del modello di simulazione ARMOSA.Il modello di simulazione della dinamica dell’azoto in sistemi suolo-clima-colture denominatoARMOSA, è stato utilizzato per comparare il potenziale rilascio di nitrati verso le acque sotterraneedi differenti scenari di fertilizzazione indagati nell’ambito del “Progetto Pilota SATA”.Un primo ambito (relativo all’Ambito 2, paragrafo 1.3.2, pagina 18) ha riguardato un’azienda dibovini da latte (caso studio 1) ed una azienda suinicola (caso studio 2), entrambe con ampiaeccedenza di nutrienti, localizzate in zona vulnerabile (pianura Bresciana), aventi suoli a tessituramedia-sabbiosa e medio contenuto in carbonio organico, che esportano effluente tal quale fuorizona vulnerabile (caso studio 3) su suoli più grossolani e tendenzialmente poveri di sostanzaorganica.La seconda esperienza (relativa all’Ambito 1, paragrafo 1.3.1, pagina 6) è invece relativa ad unautilizzazione “consortile” in aziende cerealicole (caso studio 5/6) di effluenti provenienti da aziendecerealicolo - zootecniche (caso studio 4), localizzate tutte in zona vulnerabile nel basso mantovano(Oltrepò mantovano), su suoli a tessitura fine e relativamente poveri, nelle aziende cerealicole, insostanza organica.Il modello ARMOSA è stato sviluppato, calibrato e validato sulle condizioni pedoclimatiche dellapianura lombarda con dati misurati e rilevati per 5-6 anni in diversi siti sperimentali, nell’ambitodegli omonimi progetti condotti da ERSAF e UNIMI - Diprove ai cui risultati (Quaderni della RicercaProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 190

in Agricoltura n° 65/2007, 94/2008 e 130/2011) si rimanda per gli approfondimenti tecnici escientifici.Gli scenari simulati (tipo e quantità di effluenti, colture, concimi minerali utilizzati, …) sono statidefiniti sulla base dei dati aziendali e gestionali forniti dal “Progetto Pilota SATA”; i piani difertilizzazione messi a confronto sono stati quindi predisposti considerando l’ipotesi di utilizzazioneintegrale nelle aziende zootecniche degli effluenti prodotti e altre soluzioni che tenessero conto:I) dei limiti alla distribuzione degli effluenti di allevamento posti dalla direttiva nitrati (170 e340 kg ha -1 anno rispettivamente in zona vulnerabile e non vulnerabile);II) della “deroga” comunitaria a tali limiti in zona vulnerabile (250 kg ha -1 anno nel rispettodi condizioni di utilizzazioni maggiormente efficienti); III) degli apporti massimi di azotoutile alle colture (cosiddetti MAS), ammessi dal nuovo Programma d’Azione regionale(dgr 2208/11).Le capacità predittive del modello ARMOSA sono state ampiamente testate nel quadro dei progettisopra ricordati. Il modello tuttavia non è in grado di simulare adeguatamente la coltura del riso, pervia della particolare gestione dell’irrigazione che contraddistingue questa coltivazione; pertanto nelcaso di studio 3, nello scenario relativo alla delocalizzazione dell’effluente, è stata presa inconsiderazione una coltura di mais al posto di una risaia, che era stata, nell’ambito del “ProgettoPilota SATA”, l’effettiva destinazione del refluo zootecnico.In ogni caso va comunque tenuto presente che i modelli riproducono il comportamento dei sistemicolturali in forma standardizzata e in certa misura inevitabilmente semplificata rispetto allecondizioni di campo reali. Per questa ragione, nell’analisi dei risultati delle simulazioni più che daisingoli valori assoluti, è dalle differenze relative tra scenari di concimazione differenti che sitraggono le indicazioni gestionali di maggiore rilievo.Nelle schede che seguono sono riportati per ciascuno dei due ambiti di studio esaminati:• i parametri aziendali (superfici, rotazioni colturali), gestionali (N organico, tipo di effluentizootecnici, N minerale) e ambientali (suoli, piovosità media annua) utilizzati come inputnelle simulazioni;• i risultati delle simulazioni per i diversi scenari di fertilizzazione impostati, espressi in terminidi: input totale di N organico e minerale, resa colturale (biomassa totale prodotta o resa ingranella, espresse come sostanza secca), N asportato dalle colture e N lisciviato, entrambiespressi in kg ha -1 ;• un commento interpretativo dei risultati stessi, riferito alle singole situazioni aziendali tipoesaminate, con evidenziato, per quelle zootecniche, l’eccedenza di N organico a limitiProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 191

vigenti attuali e in caso di deroga e, per quelle non zootecniche riceventi refluo, il potenzialerisparmio in concimi minerali.In termini generali l’applicazione del modello ARMOSA ai casi aziendali presi in considerazionenell’ambito del “progetto Pilota SATA”, conferma ad ogni buon conto che due sono gli aspetticruciali che, negli ambienti pedoclimatici ed agronomici della pianura padana, condizionano lasostenibilità effettiva delle pratiche di fertilizzazione:a) il rischio di lisciviazione dei nitrati, e quindi di impatto sulla qualità delle acque, è correlatoprincipalmente al surplus di azoto distribuito sui terreni, cioè alla differenza tra input totale easportazioni colturali, ed al periodo di distribuzione degli effluenti. Ne consegue lanecessità di assicurare una efficienza d’uso dei fertilizzanti, sia organici che di sintesi, piùalta possibileb) l’azoto organico contenuto negli effluenti di allevamento, se utilizzato in modoagronomicamente corretto e adottando tecniche di distribuzione efficienti, può sostituirel’azoto minerale, senza ripercussioni apprezzabili sulle rese e con perdite di azotonell’ambiente complessivamente analoghe se non addirittura inferiori.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 192

Caso studio n°1Azienda zootecnica (bovini da latte) con eccedenze di effluentiSimulazione anni: 1988 - 2007Localizzazione: Distretto ARMOSA n°21, media pianura bresciana – zona vulnerabile ai nitratiSuolo: UTS 61 (sandy loam)Piovosità media: 1176 mm annoAzienda zootecnica - bovini: 95 capiEffluenti di allevamenti prodotti al campo: 5.640 kg di azoto organico di cui 80% liquame e 20%letame.Superficie totale per lo spandimento: 10,11 ha. Rotazione: mais - loiessa; su tutta la superficie.Refluo distribuito prima della semina del mais (80% liquame - 20% letame), concimazioneinorganica (nitrato ammonico) in copertura su mais.ScenariScenario AMAIS LOIESSA (A)Prassi corrente Mais Loiessakg N ha ‐1 organico 558kg N ha ‐1 inorganico 120Asporti ‐ kg N ha ‐1 342 137Lisciviazione ‐ kg N ha ‐1 113Volatilizzazione ‐ kg N ha ‐1 18Resa ‐ kg s.s. ha ‐1Biomassa totale19249 9898Granella8786N eccedente da esportare – kg 0Lo scenario A si riferisce alle pratiche normalmente attuate in azienda, dove tutta la superficieviene utilizzata per lo spandimento. L’elevato input azotato si traduce in una bassa performanceambientale con valori di lisciviazione molto alti.Scenario B – B1MAIS LOIESSA (B)MAIS LOIESSA (B1)Rispetto limite 170 kg N ha ‐1 ZVN Mais Loiessa Mais Loiessakg N ha ‐1 organico 170 170kg N ha ‐1 inorganico 210 318Asporti ‐ kg N ha ‐1 237 96 308 98Lisciviazione ‐ kg N ha ‐1 57 80Volatilizzazione ‐ kg N ha ‐1 15 22Resa ‐ kg s.s. ha ‐1Biomassa totale18962 9893 19149 9894Granella87728782N eccedente da esportare – kg 3921Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 193

Scenario C – C1MAIS ‐ LOIESSA (C) MAIS ‐ LOIESSA (C1)Rispetto limite 250 kg N ha ‐1 ZVN Mais Loiessa Mais Loiessakg N ha ‐1 organico 250 250kg N ha ‐1 inorganico 130 225Asporti ‐ kg N ha ‐1 249 82 313 83Lisciviazione ‐ kg N ha ‐1 54 74Volatilizzazione ‐ kg N ha ‐1 11 17Resa ‐ kg s.s. ha ‐1Biomassa totaleGranella1892887709780 191748783N eccedente da esportare – kg 3112Gli scenari B e C, riferiti rispettivamente ai limiti imposti dall’attuale direttiva ed ai nuovi limitiintrodotti con la deroga, per le zone vulnerabili ai nitrati, sono messi a confronto con i rispettiviscenari B1 e C1, dove sono stati applicati gli apporti massimi standard di azoto utile alle colture(MAS).9777Tra gli scenari B/B1 e C/C1 si nota che, anche applicando la dose massima consentita di azotonon si incrementano in modo significativo le produzioni (l’incremento non è mai superiore all’1% intutti i casi), mentre si ottiene un peggioramento delle perfomance ambientali con perdite perlisciviazione maggiori rispettivamente del 40% e 37% negli scenari B1 e C1.Con un’adeguata riduzione del concime minerale anche lo scenario C risulta ampiamenteparagonabile allo scenario B sia per quanto riguarda le produzioni sia per la quantità di azotolisciviato.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 194

Caso studio n°2Azienda zootecnica (suini) con eccedenze di effluentiSimulazione anni: 1988 - 2007Localizzazione:Distretto ARMOSA n°17, bassa pianura – zona vulnerabileSuolo: UTS 107 (sandy loam)Piovosità media: 1040 mm annoAzienda zootecnica - suini: 40.392 capiSuperficie totale per lo spandimento: 423 haEffluenti di allevamenti prodotti in azienda: 340.699 kg di azoto organicoRotazione 1: omosuccessione di maisRotazione 2: frumentoRefluo distribuito prima della semina dei cereali e dopo la raccolta, concimazione inorganica(nitrato ammonico) in copertura.ScenariPiano colturale “ordinario”ha disponibili per spandimentoMais 363Frumento 60Totale superficie 423Scenario AMAIS (A) FRUMENTO (A)Prassi tradizionalekg N ha ‐1 organico 806 806kg N ha ‐1 inorganico 0 0Asporti ‐ kg N ha ‐1 486 409Lisciviazione ‐ kg N ha ‐1 259 334Volatilizzazione ‐ kg N ha ‐1 20 23Resa ‐ kg s.s. ha ‐1Biomassa totaleGranella2620614434149727504N eccedente da esportare – kg 0Anche in questo caso lo scenario A si riferisce alle pratiche normalmente attuate in azienda, dovetutta la superficie viene utilizzata per lo spandimento.L’elevato input azotato si traduce, anche in questo caso, in una bassa performance ambientale convalori di lisciviazione molto alti.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 195

Scenario B – B1MAIS (B) FRUMENTO (B) MAIS (B1) FRUMENTO (B1)Rispetto limite 170 kg N ha ‐1 ZVNkg N ha ‐1 organico 170 170 170 170kg N ha ‐1 inorganico 100 0 170 80Asporti ‐ kg N ha ‐1 282 194 311 262Lisciviazione ‐ kg N ha ‐1 56 53 96 55Volatilizzazione ‐ kg N ha ‐1 11 4 16 11Resa ‐ kg s.s. ha ‐1Biomassa totaleGranella2336913550144777292N eccedente da esportare – kg 2687892343813566148627510Confrontando gli scenari B e B1 il modello dimostra che l’applicazione dei MAS (B1) non porta adun incremento significativo della produzione, mentre aumenta l’azoto perso per lisciviazione,soprattutto nel caso del mais in quanto coltura irrigua. Infatti aumentando l’apporto di N inorganicoin copertura la lisciviazione ha un incremento di circa 40 kg, imputabili alla distribuzione inorganicadi N, confermata anche dal fatto che gli asporti non aumentano, da B a B1, in modo proporzionaleall’incremento di N inorganico distribuito.Per il frumento si nota che l’applicazione dell’inorganico in B1, pur non portando ad un aumentodella lisciviazione, incrementa solamente il consumo di lusso della coltura (che assorbe N inmaggior quantità) ma non si traduce in un aumento significativo delle produzioni.Scenario C – C1MAIS (C) FRUMENTO ‐ PANICO (C1)Rispetto limite 250 kg N ha ‐1 ZVNFrumento Panicokg N ha ‐1 organico 250 250kg N ha ‐1 inorganico 115 100Asporti ‐ kg N ha ‐1 336 166 120Lisciviazione ‐ kg N ha ‐1 72 30Volatilizzazione ‐ kg N ha ‐1 12 8Resa ‐ kg s.s. ha ‐1Biomassa totale27520 14418 4101Granella15496 8128N eccedente da esportare – kg 234949Gli scenari C e C1 ipotizzano un’adesione volontaria al regime deroga. All’omosuccessione difrumento si sostituisce la successione frumento - panico. L’adeguamento delle concimazionigarantisce per tutte le colture adeguati livelli produttivi, paragonabili sia allo scenario A sia alloscenario B, mantenendo i valori di lisciviazione a livelli piuttosto bassi.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 196

Caso studio n°3Azienda cerealicola ricevente reflui zootecniciSimulazione anni 1988 - 2007Localizzazione: Distretto ARMOSA n°3 – Bassa pianura, est Ticino – zona non vulnerabileSuolo: UTS 161 (sandy loam)Piovosità media: 1085 mm annoAzienda zootecnica: noSuperficie totale per lo spandimento: 85 haEffluenti di allevamenti prodotti in azienda: noEffluenti ricevuti e distribuiti: 28.900 kg N (340 kg N ha -1 )Rotazione simulata: omosuccessione di maisScenariScenario A – A1MAIS (A)MAIS (A1)Prassi tradizionalekg N ha ‐1 organico 340 340kg N ha ‐1 inorganico (nitrato ammonico) 0 115Asporti ‐ kg N ha ‐1 164 236Lisciviazione ‐ kg N ha ‐1 201 249Volatilizzazione ‐ kg N ha ‐1 13 16Resa ‐ kg s.s. ha ‐1Biomassa totaleGranella1866810087Scenario BMAIS (B)Solo azoto inorganicokg N ha ‐1 organico 0kg N ha ‐1 inorganico (nitrato ammonico) 280Asporti ‐ kg N ha ‐1 196Lisciviazione ‐ kg N ha ‐1 141Volatilizzazione ‐ kg N ha ‐1 30Resa ‐ kg s.s. ha ‐1Biomassa totaleGranella20907120522105312080In questo terzo caso l’azienda ricevente utilizza il refluo derivante da aziende zootecniche coneccedenze.Tra lo scenario A e lo scenario A1, l’applicazione del minerale in copertura porta ad un incrementodella produzione del 12% ma nel contempo aumenta del 23% la lisciviazione.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 197

I terreni sciolti sono più soggetti a fenomeni di lisciviazione dell’N, soprattutto su colture chenecessitano di abbondanti irrigazioni e che lasciano il suolo scoperto per gran parte dell’anno.Anche con l’applicazione del solo minerale (B) le performance ambientali rimangono basse e lalisciviazione si attesta su valori comunque alti. Sia nello scenario A1 sia nello scenario B, l’utilizzodel minerale in copertura ha effetti positivi sulle produzioni essendo disponibile per le colture nelperiodo di maggior richiesta di azoto.E’ da valutare, in questo caso, la scelta di utilizzare suoli molto sciolti per lo spandimento di reflui, imodi ed i tempi di distribuzione. In generale si conferma comunque che il mais in omosuccessione,nonostante sia coltura ad alto uptake non sembra in grado di ottenere performance ambientali alte,ne con l’utilizzo di N minerale ne con l’utilizzo di N organico. L’inserimento di una intercalare dicopertura potrebbe diminuire in modo significativo i valori di lisciviazione.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 198

Caso studio n°4Aziende zootecnica (bovini da latte e allevamento suinicolo) con eccedenze dieffluenti - gestione comprensoriale dei refluiLocalizzazione: distretto ARMOSA n°33, bassa pianura mantovana – zona vulnerabileSuolo: UTS 138 (loam)Piovosità media: 690 mm annoAzienda zootecniche – gestione comprensoriale dei reflui.Scenario 4-1:prassi tradizionale, con ipotesi di utilizzo di tutto il refluo bovino (liquame e letame) entro ilcomprensorio, i quantitativi di refluo utilizzati su mais e frumento derivano da quanto dichiarato,mentre si ipotizza che la superficie a medica venga utilizzata per smaltire l’eccesso di refluo.Rotazione simulata: medica (3 anni), mais, frumento.Il piano colturale utilizzato per le simulazioni deriva dalla semplificazione della ripartizione dellesuperfici, secondo lo schema di gestione aziendale fornito (coltura primaverile, cereale autunnoverninoe medicaio):• erba medica, la superficie rimane quella dichiarata ma la superficie disponibile per lospandimento viene ridotta di un terzo considerando la medica triennale anzichéquadriennale (questo permette di aumentare la superficie su cui è possibile spandereliquame) e considerando che la medica riceve effluenti di allevamento solo nell’anno diimpianto;• primaverile-estiva: assomma le superfici a mais, barbabietola e sorgo. Coltura diriferimento per la simulazione: mais;• cereale autunno-vernino: assomma le superfici a frumento, erbaio di graminacee eorzo. Coltura di riferimento: frumento.Piano colturale “semplificato”ha totaliha disponibili perspandimentoErba medica 329.48 109.83Primaverile ‐ estiva (mais) 82.13 82.13Cereale autunno‐vernino (frumento) 87.11 87.11Totale superficie 498.72 279.07Distribuzione effluenti scenario 4‐1 kg N ha ‐1 da liquame kg N ha ‐1 da letameErba medica 515 0Primaverile ‐ estiva (mais) 96 385Cereale autunno‐vernino (frumento) 60 262Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 199

Le eccedenze di liquame e letame bovino risultano azzerate a livello comprensoriale, si ipotizzal’utilizzo di letame soprattutto per il mais in quanto coltura da rinnovo.Gestione agronomica:• medica (solo nell’anno d’impianto): pre-aratura, 515 kg N ha -1 con liquame bovinointerrato a 40 cm;• mais: metà ottobre, 95 kg N ha -1 con liquame bovino + 385 kg N ha -1 con letame bovinointerramento a 40 cm , 300 kg N ha -1 con urea in copertura (fine maggio), irrigazioni peraspersione (3 interventi da 20 mm ciascuno);• frumento: pre-semina, 60 kg N ha -1 con liquame bovino + 260 kg N ha -1 con letamebovino interrato a 40 cm, in copertura 200 kg N ha -1 con nitrato ammonico.•Scenario 4‐1MEDICA ‐ MAIS ‐ FRUMENTOPrassi tradizionale Medica Mais Frumentokg N ha ‐1 organico 515 b 480 320kg N ha ‐1 inorganico 0 300 200Asporti ‐ kg N ha ‐1 141 a / 423 c 289 327Lisciviazione ‐ kg N ha ‐1 46 a 39 104Volatilizzazione ‐ kg N ha ‐1 10 d 37 23Resa ‐ kg s.s. ha ‐1Biomassa totaleGranella8987 a 2243612323146367906a) valori medi annuib) solo anno d’impiantoc) valore medio triennaled) si verifica solo nell’anno della distribuzioneIpotizzando il 75% della distribuzione a letame, l’azoto applicato per mais e frumento non èprontamente disponibile; questo porta ad avere una minore perdita per lisciviazione e ad unaumento dell’azoto contenuto nella sostanza organica del suolo. Inoltre il tipo di rotazione ha unalto effetto umigeno che comporta arricchimento del suolo in sostanza organica. Valori elevati dilisciviazione si hanno soprattutto dopo la raccolta del frumento, periodo nel quale il terreno rimanescoperto.Scenario 4-2:adesione a deroga nitrati per tutte le aziende del comprensorio, con ipotesi di utilizzo del refluobovino (liquame e letame) entro il comprensorioRotazione simulata: medica (3 anni), mais, frumento-panico.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 200

Il piano colturale utilizzato per le simulazioni deriva dalla ripartizione delle superfici, mantenendo loschema di gestione aziendale fornito (coltura primaverile, cereale autunno-vernino e medicaio) maapplicando i vincoli dettati dalla deroga. Si inserisce quindi la coltura del panico dopo frumento e siaumentando la superficie a mais e frumento, a scapito dei medicai, per raggiungerla soglia minimadel 70% della superficie occupata da colture con elevato grado di assorbimento.Piano colturale “deroga”ha totaliha disponibili perspandimentoErba medica 149.616 49.872Primaverile ‐ estiva (mais) 172.062 172.062Cereale autunno‐vernino(frumento‐panico)177.042 177.042Totale superficie 498.72 398.976Distribuzione effluenti scenario 4‐2 kg N ha ‐1 da liquame kg N ha ‐1 da letameErba medica 250 0Primaverile ‐ estiva (mais) 0 250Cereale autunno‐vernino(frumento‐panico)185 65Gestione agronomica:• medica (solo nell’anno d’impianto): pre-aratura, 250 kg N ha -1 con liquame bovinointerrato a 40 cm;• mais: presemina, 250 kg N ha -1 con liquame bovino interramento a 40 cm, 130 kg N ha -1 con nitrato ammonico in copertura (fine maggio), irrigazioni per aspersione (3interventi da 20 mm ciascuno);• frumento: pre-semina, 85 kg N ha -1 con liquame bovino interrato a 40 cm, in copertura100 kg N ha -1 con nitrato ammonico• panico: pre-semina, 100 kg N ha -1 con liquame bovino + 65 kg N ha -1 con letame bovinointerrato a 40 cm.Le eccedenze di letame bovino risultano azzerate a livello comprensoriale, le eccedenze diliquame bovino risultano pari a 10156 m 3 ; si ipotizza l’utilizzo di letame per il mais in quanto colturada rinnovo.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 201

Scenario 4‐2MEDICA ‐ MAIS ‐ FRUMENTO ‐ PANICOAttuazione deroga Medica Mais Frumento Panicokg N ha ‐1 organico 250 b 250 85 165kg N ha ‐1 inorganico 0 130 100 0Asporti ‐ kg N ha ‐1 106 a / 374 c 224 299Lisciviazione ‐ kg N ha ‐1 11 a 2 2Volatilizzazione ‐ kg N ha ‐1 6 d 15 7Resa ‐ kg s.s. ha ‐1Biomassa totaleGranella8455 a 2193611253a) valori medi annuib) solo anno d’impiantoc) valore medio triennaled) si verifica solo nell’anno della distribuzione146167906L’effetto combinato dell’ uso di letame abbinato alla rotazione altamente umigena e che lascia ilterreno scoperto per poche settimane accentua notevolmente gli effetti positivi già visti nelloscenario 4-1. Inoltre un piano di concimazione ragionato permette di ridurre notevolmente lequantità di azoto inorganico distribuito ottenendo un notevole risparmio. Le produzioni rimangonocomunque molto elevate.5563Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 202

Casi studio n°5 / 6Delocalizzazione di refluo suino, utilizzo di macchinari per la distribuzione del refluo incopertura su mais.Simulazione anni: 1988 - 2007Localizzazione: distretto ARMOSA n°33, bassa pianura mantovana – zona vulnerabileSuolo: UTS 138 (loam)Piovosità media: 690 mm annoRotazione simulata: omosuccessione di maisScenario 5-1:prassi tradizionale. Mais ciclo lungo. La tradizionale gestione colturale prevede la distribuzione delrefluo suino nel mese di ottobre, in pre-aratura e la distribuzione di urea in copertura nel mese dimaggio.Scenario 5-2:distribuzione del refluo in copertura. Mais ciclo lungo. Distribuzione del refluo suino in tre date: 98kg N ha -1 in data 20 marzo, 98 kg N ha -1 in data 20 maggio, 84 kg N ha -1 in data 10 giugno. Dueirrigazioni per aspersione (15 giugno e 10 luglio) da 20 mm ciascuna.Scenario 5‐1 Mais ciclo lungoPrassi tradizionalekg N ha ‐1 organico (liquame suino) 210kg N ha ‐1 inorganico (urea) 300Asporti ‐ kg N ha ‐1 230Lisciviazione ‐ kg N ha ‐1 291Volatilizzazione ‐ kg N ha ‐1 37Resa ‐ kg s.s. ha ‐1Biomassa totaleGranella152708141Scenario 5‐2 Mais ciclo lungoRefluo in coperturakg N ha ‐1 organico (liquame suino) 280kg N ha ‐1 inorganico (urea) 0Asporti ‐ kg N ha ‐1 250Lisciviazione ‐ kg N ha ‐1 37Volatilizzazione ‐ kg N ha ‐1 13Resa ‐ kg s.s. ha ‐1Biomassa totaleGranella156568196Scenario 6-1:prassi tradizionale. Mais ciclo breve. La tradizionale gestione colturale prevede la distribuzione delrefluo suino alla semina, e la distribuzione di urea in copertura nel mese di giugno.Scenario 6-2:distribuzione del refluo in copertura. Mais ciclo breve. Semina 10 giugno Distribuzione del refluosuino in tre date: 84 kg N ha -1 in post-semina, 56 kg N ha -1 a fine giugno, 56 kg N ha -1 in data 12luglio. Due irrigazioni per aspersione (inizio e fine luglio) da 20 mm ciascuna.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 203

Scenario 6‐1 Mais ciclo brevePrassi tradizionalekg N ha ‐1 organico (liquame suino) 140kg N ha ‐1 inorganico (urea) 300Asporti ‐ kg N ha ‐1 195Lisciviazione ‐ kg N ha ‐1 285Volatilizzazione ‐ kg N ha ‐1 34Resa ‐ kg s.s. ha ‐1Biomassa totaleGranella115356141Scenario 6‐2 Mais ciclo breveRefluo in coperturakg N ha ‐1 organico (liquame suino) 196kg N ha ‐1 inorganico (urea) 0Asporti ‐ kg N ha ‐1 198Lisciviazione ‐ kg N ha ‐1 43Volatilizzazione ‐ kg N ha ‐1 12Resa ‐ kg s.s. ha ‐1Biomassa totaleGranella106335972L’utilizzo del refluo in copertura permette di ottenere una forte contrazione dell’N perso perlisciviazione a fronte di produzioni che rimangono pressoché invariate.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 204

6 - CONCLUSIONIIl recepimento dei contenuti della Direttiva Nitrati (91/676/CEE del 12 dicembre 1991), attraverso ilDecreto Ministeriale del 7 aprile 2006, e la conseguente adozione del Programma di Azione dellaRegione Lombardia ha sollevato alcuni importanti problemi per le aziende agro-zootecniche, comeevidenziato in premessa.Il Progetto Pilota SATA, nel corso di due anni di intenso lavoro (agosto 2008 – dicembre 2010), hainteso analizzare quali realtà esistessero nella nostra regione, in grado di indicare possibilisoluzioni, soprattutto nella gestione delle eccedenze di azoto aziendale, nel segno di unavalorizzazione agronomica dell’effluente di allevamento, nel rispetto delle conformità richieste dallanormativa.Sicuramente non è stato perseguito l’obbiettivo di indagare ogni soluzione possibile o quelle, almomento di inizio dei lavori, ipotizzate allo stato di prototipo.Tra le azioni evidenziate congiuntamente con la DG Agricoltura, si è deciso di approfondire quelleche avevano trovato già una concreta applicazione a livello aziendale o consortile, avendo giàsuperato la fase sperimentale.Le caratteristiche del Servizio S.A.T.A., condotto a fianco dell’allevatore e teso alla consulenzaaziendale ed alla divulgazione di raccordo tra l’esperienza scientifica e l’applicazione pratica, hainfluenzato le modalità operative del progetto, che non aveva né la volontà di affermarsi comericerca scientifica, con una fase sperimentale condotta con prove ripetute ed elaborazionestatistica dei risultati, né tanto meno di assumere un ruolo di validazione di sistemi e tecnologieapplicate.Gli ambiti indagati sono stati seguiti con costanza e puntualità, verificando, anche attraverso analisie controlli, l‘effettiva possibilità di risolvere i problemi di ciascuna situazione, la reale fattibilitàoperativa della gestione aziendale o consortile, l’incidenza economica che tale iniziativa implicaper la/le azienda/e.Altro obbiettivo, fortemente proposto durante il periodo di realizzazione del Progetto, ma checontinuerà nell’attività SATA direttamente condotta dai tecnici e nelle azioni correlate, è stata ladivulgazione costante di informazioni tecniche e spunti gestionali, attraverso sopralluoghi, visite dicampo, giornate dimostrative, seminari e convegni, che hanno caraatterizzato il periodoprogettuale.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 205

Gli ambiti indagati hanno sostanzialmente analizzato alcuni macrotemi. Le analisi specifiche sonostate riportate nelle pagine precedenti.In sede conclusiva si riassumono i tratti salienti, le potenzialità, ma anche le criticità generali:• la delocalizzazione degli effluenti tra le zone di intenso carico zootecnico e quelle chepotenzialmente hanno disponibilità di superficie agricola ma che denotano anche unparziale impoverimento della matrice organica nel suolo (Zone risicole). Ambiti 2 e 3.Lo spostamento dei reflui tra aziende con allevamento intenso, rispetto alla SAU disponibileed altre aziende, in genere cerealicole, è pratica consolidata nel corto raggio.L’ipotesi di trasferimenti anche a distanze maggiori, che possono rivestire carattereinterprovinciale è tecnicamente possibile; risulta largamente praticato nei principali paesieuropei che denunciano uguali problematiche, ma impone costi, soprattutto legati altrasporto, molto elevati.Questo rimane un dato ovvio, già conosciuto, ma attualmente fortemente condizionantel’effettiva possibilità di applicazione pratica.Negli ambiti sondati la disponibilità dell’azienda ricevente è massima, disposta a pagare lavalenza concimante dell’apporto con valori che possono variare dal 20 al 30% dell’interocosto, così come è elevato l’interesse manifestato dalle aziende agrimeccaniche operantinelle zone risicole, di attivare servizi di questo tipo, ma per contro la disponibilitàdell’allevatore a sostenere la massima parte dell’importo è nulla e orientata verso altresoluzioni di tipo tecnologico.Il servizio di delocalizzazione è stato effettuato in una prima fase per quantitativi significativima modesti, e con un contributo finanziario fornito dal Progetto stesso.L’obbiettivo era quello di indicare una possibilità di gestione che avrebbe dovuto continuareda sé. Come accennato precedentemente il servizio non ha avuto ulteriore seguitooperativo per la mancanza di adesione delle aziende zootecniche che hanno reputato ilcosto troppo elevato.• La possibilità di introdurre modelli gestionali consortili che permettano di affrancare unuso efficiente del refluo come fertilizzante, o gestire le necessità di stoccaggio in zoneparticolari. Ambito 1 e 7.La potenzialità di interventi consortili ha mostrato molti aspetti positivi.La necessità di valorizzare effettivamente la matrice concimante delle deiezioni, seppurconoscendone i limiti propri di un prodotto con basse concentrazioni di macronutrienti ed unProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 206

eccesso di acqua contenuta, ha dei costi consistenti legati alla necessita di dotazionitecniche per la distribuzione, non reperibili in aziende di normali dimensioni.Tuttavia si è perfettamente consci che una gestione “virtuosa” dell’effluente è la baseprincipale per poter affermare che la relazione tra fertilizzanti richiesti dalla coltura eapporto fornito durante la sua crescita debbono coincidere.Senza voler minimizzare le problematiche connesse con l’utilizzo di una matrice che ha unacomponente azotata minerale ed organica al suo interno, di non facile controllo nella suamineralizzazione, appare riduttivo concepire solo attraverso la limitazione del caricoallevato la soluzioni ai connessi problemi di rilascio dei nitrati nell’ambiente.La gestione “virtuosa” consiste nel saper fornire alla pianta gli elementi fertilizzanti quandosi sviluppa la massima richiesta, con modalità che possano minimizzare le perdite sia perlisciviazione e ruscellamento e, aspetto oggi non più trascurabile, le emissioni in atmosferadi ammoniaca.Tali interventi sono risultati possibili e praticabili attraverso l’uso di macchinari dotati dipossibilità di intervento con interramento del refluo sia in presemina che in copertura; certoi mezzi dotati di tecnologia elevata hanno costi non sopportabili da una singola azienda, epossono essere sostenuti solo da realtà che possono operare su estensioni ragguardevoli,ma già oggi le aziende affidano completamente le operazione di raccolta ad aziendaagrimeccanica.L’evidenza delle prove condotte nella gestione della concimazione attraverso macchineadeguate ed utilizzando solo refluo tal quale, senza apporto di fertilizzanti minerali, ha datosegnali positivi sia in termini di fattibilità operativa, di rese ottenute, paragonabili a quelletradizionali, sia in termini di costi da sostenersi per l’azienda.L’intervento su matrice consortile permette anche di avere una adeguata tracciabilità delleoperazioni svolte.La gestione “virtuosa” dell’effluente, se proveniente dal trattamento di digestioneanaerobica, nella quale, dopo separazione solido-liquido, la componente azotata dellaparte non palabile rivela una elevata percentuale di azoto ammoniacale, paragonabileagronomicamente all’azoto fornibile con i concimi minerali, può effettivamente soddisfarecompletamente le esigenze della coltura.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 207

Tali considerazioni hanno permesso di elaborare una proposta normativa per la qualepartendo da una matrice con almeno il 70 percento del contenuto di azoto totale sottoforma ammoniacale, ed utilizzato nelle operazioni di distribuzione con il 90% di efficienza,ed abolendo l’uso di fertilizzanti di sintesi, è possibile escluderlo dal campo di applicazionedefinito per gli effluenti zootecnici.Tale proposta è stata approvata dalla Conferenza Stato-Regioni e proposta come modificadel DM7 aprile 2006, recante “Criteri e norme tecniche generali per la disciplina regionaledell’utilizzazione agronomica degli effluenti di allevamento”.Su questo tema occorre rilevare come, dopo la partecipazione dei referenti del ProgettoPilota al Workshop “Managing livestock manure for sustainable agricolture” nel novembredel 2010 a Wageningen (NL), si è venuti a conoscenza del programma speciale dell'Olanda(autorizzato dalla Commissione Europea, attivo da 2 anni e portato avanti in 8 impiantisperimentali presso aziende agricole) teso a dimostrare la possibilità di considerarel'effluente di allevamento "trattato" come un fertilizzante minerale (superando così il fatidicolimite dei 170/kg/Ha/anno).Dal punto di vista tecnico è stato interessante e sicuramente positivo constatare che lesoluzioni impiegate dagli olandesi sono sostanzialmente le stesse proposte e portate avantidal progetto pilota "Sata - gestione degli effluenti di allevamento" con la collaborazione diUniMi – Diprove.Si è registrato un forte interesse degli olandesi a condividere i risultati con la Lombardia,visto che le esperienze da noi sviluppate sono esempi inediti, tra pochi esistenti in Europa,di applicazioni su scala reale di tali tecnologie e possono fornire utili elementi a supportodella loro tesi.Una conferma congiunta dei risultati, con dati positivi, sarebbe una incisiva argomentazioneper sollecitare, su basi strettamente oggettive, la Commissione a rivedere le ormai superateinterpretazioni sull’uso degli effluenti di allevamento nella direttiva (alla luce delle nuovetecnologie disponibili).Anche l’esperienza consortile, raggiunta dalle aziende dell’ambito 7, attraverso larealizzazione di un impianto di fermentazione anaerobica per la produzione di biogas haevidenziato come soluzioni partecipate possono dare risposta ad esigenze singole.• L’intervento tecnologico di impianti in grado di sottrarre parte dell’azoto contenuto nelledeiezioni, valorizzandone il prodotto risultante. Ambiti 4, 5 e 6.Azioni legate alla delocalizzazione del refluo, tal quale o separato, specialmente per lezone a carico allevato molto intenso, non può essere concepita come generalizzabile suvasta scala.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 208

Congiuntamente esistono trattamenti tecnologici, già affermati e consolidati per altricomparti produttivi, che potrebbero essere applicati anche nelle aziende agrozootecniche,anche se la matrice da trattare ha peculiari caratteristiche per le quali i trattamenti possonorisultare di difficile applicazione (alto contenuto di solidi totali, grandi volumetrie dasottoporre al trattamento….).La tecnica dello strippaggio dell’ammoniaca contenuta nelle deiezioni ha trovatoapplicazione pratica in due realtà bresciane nelle quali, gestendo l’intera produzione dieffluente aziendale, si è raggiunto un primo obbiettivo di risolvere i problemi tecnici legatiad una matrice “difficile”.Al di la dei risultati effettivi, già illustrati nella pagine dedicate, che mostrano una sottrazionedi azoto ammoniacale dal refluo pari a valori intorno all’80%, occorre sottolineare che taleforma di azoto non rappresenta la totalità dell’azoto presente.Il rapporto N-NH 3 / N totale varia secondo l’origine del refluo (bovino, suino, avicolo) ed ilfatto di essere separato liquido di un refluo tal quale o digestato.In entrambi i casi di strippaggio la possibilità di agire su separato liquido dopo digestioneanaerobica ha aumentato significativamente le performance della sottrazione di azotorispetto al totale di partenza, date le trasformazioni legate sia ai solidi totali sia alle forme diazoto.Inoltre nel caso di strippaggio a caldo la necessità di fornire l’energia termica necessariaper favorire l’evaporazione dell’ammoniaca può solo arrivare dal motore di cogenerazione,e quindi a costo zero.I risultati ottenuti hanno mostrato sostanzialmente il successo di tali tecnologie applicate alcomparto zootecnico sia in termini di rese che di costi sostenibili per l’azienda.Significativa è stata anche l’introduzione di una separazione e concentrazione dell’azotoammoniacale attraverso l’ultrafiltrazione e l’osmosi inversa, in grado di separare una partedi acqua contenuta nell’effluente, che potrà venire immessa in corpo idrico superficiale,rispettando i parametri cogenti, diminuendo i volumi da trattare e gestire in seguito nell’usoagronomico con aumentate economie gestionali.I dati ottenuti ed elaborati meritano di essere ulteriormente approfonditi, ed in questo sensosi inserisce la scelta dell’azienda produttrice dell’impianto di strippaggio a freddo, previaProgetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 209

concentrazione con ultrafiltrazione ed osmosi inversa, di promuovere una borsa di ricercacon la supervisione del Dipartimento di Produzione Vegetale dell’Università degli Studi diMilano ed il cofinanziamento della Regione Lombardia per approfondire e sviluppareulteriormente le verifiche insite nel Progetto Pilota.La divulgazione dei contenuti degli ambiti “tecnologici”, avvenuta nelle numerosemanifestazioni, hanno stimolato l’interesse della Regione Veneto, che ha intrapresocontemporaneamente al Progetto Pilota SATA, una analoga iniziativa, denominata“Progetto RiducaReflui” nella quale è stata avanzata esplicita richiesta, a RegioneLombardia, di poter effettuare il monitoraggio degli impianti di strippaggio lombardi.Tale iniziativa sarà condotta d'intesa con i soggetti referenti del Progetto Pilota (SATA eUniversità degli Studi di Milano) in siti diversi da quelli analizzati su analoghi impianticonsentendo di valorizzare e approfondire i dati ottenuti, evitando poco significativeduplicazioni e valorizzando opportunamente le possibili sinergie interregionali.Relativamente all’applicazione dell’impianto catalitico con produzione di combustibili, dallatrasformazione degli effluenti, dopo separazione della fase liquida, le criticità operativesono già state illustrate nella relazione specifica e non hanno permesso di addivenire aconsiderazioni conclusive, lasciando aperta la necessità di approfondimento verso unatecnologia per la quale, risolti alcuni problemi insiti nella gestione della matrice effluente diallevamento, si possono ipotizzare interessanti applicazioni.Progetto Pilota SATA “Valorizzazione effluenti di allevamento e loro gestione comprensoriale“ – pag. 210