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domenica, 26 Maggio 2024

@CREAEnergia con la bioraffineria che valorizza i rifiuti organici

Della stessa Rubrica

Il progetto BIOMASS HUB è stato finalizzato ad una bioraffineria per la produzione integrata di biocombustibili, biometano, energia, fertilizzanti e biomateriali, in un’ottica di economia circolare. Si tratta di un HUB Tecnologico Integrato, creato per sviluppare impianti tecnologici e biotecnologici altamente evoluti e competitivi per valorizzare il biometano e gli scarti della sua produzione 

Il contesto 

La Lombardia si caratterizza per la presenza sul suo territorio di elevate quantità di rifiuti  organici, conseguenza della sua numerosa popolazione (10.2 milioni, 2017) e dell’intensa attività industriale e agricola che la caratterizza (il PIL Lombardo risulta essere pari al 21.8% di quello nazionale, 2018). I rifiuti organici presenti fanno riferimento alla frazione organica dei rifiuti urbani, a fanghi di depurazione e a scarti agricoli. La frazione organica dei rifiuti urbani da raccolta differenziata (FORSU) in Regione Lombardia ammonta a ca. 1.223.000 t (122 kg/ab.), dando il contributo maggiore alle elevate performance di raccolta differenziata registrate in Lombardia (68% nel 2016). A tali quantità vanno aggiunte 816.843 t di fanghi (84% prodotto in Lombardia e 16 % da fuori regione, 2019) e c.a. 25.200.000 .t di reflui zootecnici. 

Il progetto BIOMASS HUB  

Il progetto “BIOMetAno per una Società Sostenibile: sviluppo di un Laboratorio Italiano di Circular Economy dal biometano – BIOMASS HUB”, è stato finanziato dalla Regione Lombardia – Direzione Generale Agricoltura-Ricerca ed Innovazione con decreto n. 276 del 14/01/2020. I progetti strategici finanziati hanno come obiettivo il potenziamento degli ecosistemi lombardi della ricerca e dell’innovazione quali hub a valenza internazionale. La tematica molto attuale è inserita nel programma regionale POR FESR 2014-2020 – Innovazione e competitività. 

l progetto “BIOMetAno per una Società Sostenibile: sviluppo di un Laboratorio Italiano di Circular Economy dal biometano – BIOMASS HUB,  si inserisce nelle politiche regionali in tema di ECO-INDUSTRIA e di competitività del settore del trattamento dei rifiuti, attraverso la realizzazione di processi circolari e l’allestimento di impianti pilota per la generazione e gestione distribuita dell’energia, per la creazione di un HUB integrato e polifunzionale finalizzato allo sviluppo del settore del Trattamento dei Rifiuti e di quello della Chimica verde. 

Conclusasi a novembre 2022, la ricerca ha previsto la creazione di una bioraffineria per la produzione integrata di biocombustibili, biometano, energia, fertilizzanti e biomateriali. 

Si tratta di un HUB Tecnologico Integrato, in cui soggetti pubblici e privati con conoscenze, esperienza e tecnologie complementari tra loro, hanno collaborato alla creazione e allo sviluppo di impianti tecnologici e biotecnologici altamente evoluti e competitivi per  valorizzare il biometano e gli scarti della sua produzione in un’ottica di economia circolare, con il coordinamento della Società Agromatrici S.r.l. con sede operativa a Tromello (PV).

Obiettivi strategici 

  1. Sperimentare nuove tecnologie e materiali per la produzione efficiente di energia da biogas e biometano. 
  1. Identificare soluzioni alternative per la gestione di materiali organici quali biomasse derivanti dalla depurazione delle acque di depurazione e digestati prodotti da rifiuti urbani, in una logica di promozione dell’economia circolare e di chiusura del ciclo produttivo, trasformando il rifiuto in nuova materia prima con valore aggiunto (zero waste). 
  1. Recuperare la CO2 (anidride carbonica) prodotta durante la digestione anaerobica dei rifiuti organici per produrre fertilizzanti, biomolecole ad elevato valore aggiunto, bioplastiche, biocarburanti. 
  1. Redigere protocolli di utilizzo dei fertilizzanti rinnovabili (concimi e ammendanti) in un’ottica di agricoltura sostenibile e di precisione, volta alla graduale riduzione dei fertilizzanti di sintesi e, di conseguenza, dell’impatto ambientale derivante dal loro uso e produzione. L’estensione di tale modello di agricoltura porterebbe in 10 anni, se adeguatamente sostenuto e inserito in una più ampia strategia di rilancio dell’agricoltura italiana, ad una reale promozione del modello circolare. 

Il ruolo del CREA con il contributo dei Centri di Ricerca Ingegneria e Trasformazioni Alimentari (CREA IT Milano e Treviglio) e Centro Zootecnia e Acquacoltura ZOOTECNIA E AQUACOLTURA (CREA ZA Lodi) 

Il progetto ha visto impegnato il CREA per la realizzazione di obiettivi specifici sfruttando i seguenti indicatori: 

  • mappatura geoelettrica del suolo;  
  • valutazione di tipologie di cantieri per la distribuzione di precisione e della loro compatibilità (tecnico-ambientale), con l’impiego di fanghi e digestati prodotti nell’ambito del progetto;  
  • mappatura del vigore vegetativo;  
  • mappatura di resa, valutazione % degli incrementi produttivi rispetto ad appezzamenti di controllo non trattati; 
  • parametri qualitativi misurati sulla resa (indici di stress vegetativo); 
  • numero di ettari coperti con spandimento di precisione; 
  • monitoraggio delle emissioni odorigene; 
  • valutazione degli aspetti logistici, riduzione dei tempi e costi di distribuzione rispetto ad appezzamenti di controllo. 
Fig. 2 – Sensore geoelettrico montato a bordo del rover Ferri a guida autonoma 

Il complesso programma di lavoro ha coinvolto due Centri di Ricerca su tre sedi con il coinvolgimento di 23 unità di personale di ruolo. E’ stato di conseguenza previsto anche un coordinamento interno misto realizzato per CREA IT da Carlo Bisaglia (Treviglio) e Tiziana M.P. Cattaneo (Milano) con il prezioso supporto di Giovanni Cabassi (Lodi) per le azioni concordate e realizzate insieme a CREA ZA. Il progetto ha permesso inoltre di attivare e completare quattro percorsi di alta formazione con assegni di ricerca biennali. 

Si riportano i principali risultati ottenuti attraverso prove di serra e prove di campo.  

Mappatura dei suoli e distribuzione dei fanghi 

I gruppi di lavoro di CREA ZA e CREA IT (Treviglio) hanno sviluppato gli aspetti legati alla valorizzazione agronomica dei fanghi e digestati, mediante strumenti di mappatura del suolo e di agricoltura 4.0. 

Fig. 4 – Rappresentazione grafica del percorso fatto dal carro di spandimento 

L’attività svolta ha evidenziato come le tecniche di distribuzione di precisione consentano di rispettare le dosi previste dalle mappe di prescrizione, fornendo report di lavoro attendibili su cui è possibile pianificare le operazioni successive. 

Ha permesso, inoltre, di aumentare la conoscenza dei processi che stanno alla base della depurazione delle acque reflue civili e del trattamento dei fanghi da esse derivanti; ciò al fine di comprendere meglio le caratteristiche fisiche di tale prodotto per poter adattare e migliorare il carro spandiletame in dotazione. 

Fig. 5 – Interramento del gesso di defecazione 

Il primo passo verso il futuro dello spandimento è stato compiuto attraverso l’implementazione tecnologica completa del carro, affinché possa rispondere alle caratteristiche necessarie all’agricoltura di precisione. Successivamente, grazie ai numerosi sopralluoghi effettuati e alla collaborazione proattiva con i tecnici distributori, è stato possibile dotare il carro di nuovi sensori che consentono un miglioramento della distribuzione (ormai sempre più precisa) e anche un miglioramento della qualità del lavoro. 

Sono stati inoltre realizzati studi di settore relativi alla destinazione dei fanghi biologici ed agli aspetti logistici, individuando gli strumenti digitali più idonei a supporto della distribuzione meccanizzata. 

Impiego di tecniche non distruttive per la valutazione dell’effetto dei fanghi di depurazione sullo stato fisiologico delle piante di riso.  

Fig. 6 – Misure non distruttive con strumentazione portatile

Tecniche rapide e non distruttive, basate sull’assorbimento di diversi composti nel vicino infrarosso (NIR), permettono di applicare metodi di analisi a basso impatto ambientale, minimizzando l’uso di solventi chimici ed accorciando notevolmente i tempi di risposta. Nel progetto è stata impiegata sia strumentazione portatile che un sistema iper-spettrale di analisi dell’immagine. 

I campioni di terreno analizzati sono stati raccolti secondo uno schema a croce preparato dal gruppo CREA ZA di Lodi, lungo le diagonali del campo dell’Azienda Penati di Basiglio, per assicurare la rappresentatività del prelievo rispetto all’area da sottoporre ad indagine. 

Sono state realizzate prove di serra e prove di campo su suoli addizionati di fanghi e gessi, a confronto con suoli “controllo”. 

Fig. 7 – Camera iper-spettrale 

Le prove in serra hanno dimostrato che la spettroscopia NIR portatile può essere impiegata come misura rapida e non distruttiva per la previsione simultanea di più parametri relativi allo stato fisiologico delle piante di riso. Entrambe le tecnologie non distruttive impiegate hanno mostrato che l’applicazione dei fanghi di depurazione non ha influito negativamente sullo stato fisiologico delle piante di riso, risultati confermati dalle prove di campo. 

Fig. 8 – Prova in serra 

Valutazione dello stress fisiologico e delle alterazioni biochimiche indotte dall’utilizzo di fanghi di depurazione su piante di riso 

Fig. 9 – Rilevamenti in campo

In questa attività sono state impiegate tecniche di fluorescenza, analisi biochimiche e di biologia molecolare, andando a valutare l’espressione di alcuni geni, che codificano per enzimi coinvolti nella risposta antiossidante della pianta.

Fig. 10 – Misure di fluorescenza della clorofilla a (Mini-PAM, Walz, D) 

Le performance fisiologiche e lo stato di salute delle piante durante il corso dell’esperimento sono stati misurati attraverso analisi non distruttive a livello fogliare. 

Fig. 11 – Misure non distruttive di clorofilla fogliare (MC-100, Apogee, USA) 

I risultati evidenziano che l’utilizzo di questi fertilizzanti innovativi non ha compromesso l’attività fotosintetica né lo stato di salute delle piante di riso. Anzi, a determinati stadi fenologici i trattamenti utilizzati sembrano aver migliorato la capacità di fotosintesi. In aggiunta, l’incremento di biomassa osservato con l’utilizzo di un comune fertilizzante minerale (urea), è stato osservato anche con l’utilizzo di carbonato e gesso. Si può affermare, quindi, che questi fanghi, e in particolare il gesso, possono essere considerati come sostituti dei comuni fertilizzanti di sintesi. 

Monitoraggio delle emissioni odorigene: studio della frazione volatile dei fanghi e gessi 

Al fine di caratterizzare le sostanze responsabili dell’inquinamento olfattivo, l’attività del CREA IT di Milano ha previsto diversi livelli di indagine: 

– Esperimento di pieno campo: campionamento dell’aria nel sito di spargimento 

– Campionamento del terreno in condizioni di laboratorio, per confermare e validare i risultati dell’esperimento di campo 

– Analisi degli estratti dei materiali in esame (fango e gesso), forniti dal capofila. 

Esperimento di pieno campo: 

In occasione di un esperimento di spargimento di fanghi sul terreno della Azienda Penati (Basiglio) prima della semina del riso, è stato predisposto un esperimento di campionamento della frazione volatile, responsabile dei fenomeni di inquinamento olfattivo nei siti di spargimento. 

Il meccanismo di campionamento (Figura 1) consiste in una pompa aspirante ad alimentazione elettrica di portata di circa 3 litri/min, a cui sono state collegate in aspirazione delle cartucce di carbone attivo.  

Fig. 12 – Sistema di campionamento e di concentrazione dei composti volatili nell’esperimento di pieno campo 

“Composizione del potenziale odorigeno di fanghi di depurazione” 

Il confronto della composizione volatile dei fanghi e dei gessi è stato effettuato su due differenti prelievi nel tempo, uno risalente al febbraio 2021 e l’altro al febbraio 2022, entrambi forniti dalla Ditta Agromatrici s.r.l.. 

I principali composti rilevati, responsabili delle note olfattive negative, sono risultati, come ci si aspettava, i solfuri, e derivati dell’indolo. 

E’ stata rilevata la presenza di altre sostanze volatili, la cui concentrazione è da tenere in ogni caso sotto controllo come il toluene e gli idrocarburi paraffinici, anche se si mantengono entro limiti di sicurezza. 

Per maggiori informazioni

Progetto BIOMASS HUB – LGCA (chimicaverdelombardia.it)

Progetto BIOMASS HUB “BIOMetAno per una Società Sostenibile: sviluppo di un Laboratorio Italiano di Circular Economy dal biometano” (POR Lombardia) – Progetto BIOMASS HUB “BIOMetAno per una Società Sostenibile: sviluppo di un Laboratorio Italiano di Circular Economy dal biometano” (POR Lombardia) – CREA

Progetto BIOMASS HUB — LE2C (energycluster.it)

I risultati finali CREA sono stati presentati il 7 novembre 2022 durante un webinar, di cui è possibile richiedere la registrazione agli addetti alla comunicazione, Annamaria Stellari e Stefano Basile (CREA IT Treviglio).
Contatti: annamaria.stellari@crea.gov.it; stefano.basile@crea.gov.it

Tiziana M.P. Cattaneo,
Dirigente di ricerca

Da 35 anni impegnata nella ricerca pubblica

#lafrase La creatività è contagiosa. Trasmettila (Albert Einstein)

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