Struvite da rifiuti: un approccio circolare

Entro il 2050 la popolazione mondiale raggiungerà i 10 miliardi incrementando la produzione agricola del 70%, dei fertilizzanti dell'1,9% annuo e dei rifiuti urbani del 70%. La produzione di fertilizzanti, pari a 275 milioni di tonnellate annue, utilizza principalmente fonti non rinnovabili di azoto (N) e fosforo (P).

Circa il 50% delle 20 milioni di tonnellate di fosforo estratte annualmente viene rilasciato nei corsi d'acqua e finisce negli oceani, mentre il 70% dell'azoto si perde nei corsi d'acqua e in atmosfera. Considerando gli attuali scenari geopolitici ed ambientali, è necessario gestire al meglio questi due elementi in modo da non alterare eccessivamente i loro cicli. Una possibile strategia è quella di recuperare azoto e fosforo dalle biomasse di scarto.

Questo studio si è svolto in collaborazione con il Gruppo Iren Spa e l'azienda Biogas Wipptal Srl (Bz). Mentre i progetti di ricerca sono stati resi possibili grazie ai Progetti Nodes e Econutri. Le biomasse studiate nella tesi sono tra le più abbondanti e disponibili: i reflui zootecnici (350 milioni di tonnellate annue in Europa) e la Forsu, ovvero la Frazione Organica del Rifiuto Solido Urbano (58 milioni di tonnellate annue in Europa). Questi scarti possono essere usati come substrato per la digestione anaerobica, un processo biochimico in grado di convertire la biomassa in biogas, una miscela di CH₄ e CO₂, che dopo purificazione del metano può essere utilizzata come vettore energetico.

Schema delle perdite di azoto e fosforo nella filiera agricola e zootecnica

(Fonte: Giovanni Barbera)

Attraverso la digestione anaerobica si ottiene anche il digestato, che viene generalmente separato in frazione solida e liquida, per semplificarne il trasporto, lo stoccaggio e l'eventuale smaltimento. La frazione solida può essere impiegata come fertilizzante organico o ammendante del suolo dopo la stabilizzazione; mentre la frazione liquida è spesso poco valorizzata e viene normalmente smaltita come scarto.

Schema delle biomasse ottenute dal processo di digestione anaerobica e del loro rapporto N:P

(Fonte: Giovanni Barbera)

Un approccio più sostenibile è il recupero dei nutrienti dalla frazione liquida tramite la precipitazione di struvite, un fertilizzante a lento rilascio di fosforo con composizione NH₄MgPO₄6H₂O.
La precipitazione ottimale della struvite è stata effettuata a pH 9, con rapporto molare N:P:Mg = 1:1:2 e addizionando MgO e Ca₃(PO₄)₂ dopo un'ora di agitazione. L'analisi elementare, Xrd e Ftir hanno confermato l'alta purezza del prodotto ottenuto da entrambi i substrati.

A) Analisi morfologica struvite da Forsu. B) Analisi Xrd e Ftir. D) Analisi elementare

(Fonte: Giovanni Barbera)

Le immagini Sem hanno evidenziato cristalli ortorombici puri con dimensione e morfologia omogenea, più grandi per la struvite da Frazione Organica del Rifiuto Solido Urbano e più piccoli per quella da reflui zootecnici. Le principali differenze tra i due prodotti riguardano il contenuto di carbonio (C).

La struvite da Forsu è classificabile come fertilizzante minerale (C< 3%), mentre quella da reflui zootecnici come fertilizzante organo minerale (C 7,5-20 %). Entrambi i prodotti hanno mostrato una lenta cinetica di rilascio del fosforo in acqua e a diversi pH, condizione che favorisce l'assorbimento di fosforo dalla pianta e la riduzione di perdite di nutriente nell'ambiente.
Inoltre, il processo ha consentito l'efficiente rimozione dei nutrienti dalla frazione liquida del digestato: il 66% dell'ammonio, il 92% del fosfato e il 99% del magnesio.

Bisogna però considerare che durante la separazione del digestato in frazione solida e in frazione liquida, il fosforo organico si concentra nella fase solida (1:1=N:P) e l'azoto ammoniacale nella fase liquida(>10:1=N:P). Si consideri che l'apporto di N:P richiesto dalle piante per le culture estensive deve essere circa 6:1.

Questo squilibrio di fosforo nella frazione liquida, oltre a non essere indicato per la pianta, determina che per fare precipitare la struvite è necessario addizionare elevate quantità di fosforo sotto forma di reagente puro.  

Per questo motivo, sono stati studiati dei trattamenti al substrato prima della digestione anaerobica, con l'obiettivo di aumentare la solubilizzazione del fosforo organico. Questi pre trattamenti, oltre a migliore il rapporto fra l'azoto e il fosforo (N/P) nella frazione solida, dovrebbero garantire anche una buona produzione di biogas.

In alto la rappresentazione schematica degli effetti fisico-chimici dei pre trattamenti scelti sulla biomassa. In basso il grafico che mostra il risultato dei pre trattamenti studiati in funzione alla solubilizzazione del fosforo

(Fonte: Giovanni Barbera)

Questo studio ha valutato e confrontato l'effetto di una miscela commercializzata di cellulasi, emicellulasi e proteasi, volto alla degradazione della materia organica, e due tipi di enzimi per l'idrolisi del fosfato: fitasi e fosfatasi. Un altro pre trattamento studiato poi è la Cavitazione Idrodinamica (Hc).

La combinazione di più trattamenti si è dimostrata efficace nella solubilizzazione del fosforo sotto forma di ortofosfato. In particolare, per la biomassa costituita da Forsu si è osservato un incremento del 50% del fosforo disponibile rispetto al controllo, mentre nel caso del letame e liquame l'aumento è stato pari all'80%. Nei mesi successivi l'attività sperimentale è proseguita con prove di digestione anaerobica e con prove in vaso, con l'obiettivo di confrontare l'efficacia della struvite e delle biomasse pre trattate.

Le due foto A e B sono i sistemi di monitoraggio. Mentre l'ultima foto (C) è una prova su mais in cui è possibile notare una differenza nella crescita tra i controlli  (vasi di sinistra) e i vasi con struvite e fertilizzante

(Fonte: Giovanni Barbera)

Lo studio è stato fatto a differenti tipologie di suolo, caratterizzate da diversa granulometria e pH. La sperimentazione prevede di valutare le emissioni di gas a effetto serra quali N₂O, CO₂ e NH₃, al fine di valutare l'impatto ambientale dei diversi fertilizzanti su colture di loiessa e mais, monitorando al contempo la crescita e la salute della pianta.

Giovanni Barbera, categoria "Sostenibilità degli agroecosistemi e protezione dell'ambiente"

(Fonte: Giovanni Barbera)

Scarica la tesi completa di Giovanni Barbera

Per eventuali contatti giovanni.barbera@unito.it; giovannibarbera98@gmail.com

A cura di Giovanni Barbera

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