QUADRO GENERALE

DEGLI IMPIANTI ALIMENTATI

CON VEGETALI E LIQUAME

Giovanna Giovanna BiagiBiagiARPA ARPA -- Sezione di BolognaSezione di Bologna

Seminario Regionale : Impianti a biomasse in Emilia-Romagna: aspetti autorizzativi e di controlloBologna 1-2 ottobre 2013 1

Gli impianti a biogas autorizzati in Provincia di Bologna

Impianti autorizzati al 30/09/2013

3 0 2 4 10 13 2

2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013

34 impianti autorizzati di cui: 29 con AU : 999 KW termici 5 con DIA : 100-400 KW termici

34 impianti autorizzati di cui: 29 con AU : 999 KW termici 5 con DIA : 100-400 KW termici

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I diversi quadri normativi e di incentivazione degli ultimi anni hanno determinato le dimensioni e potenza degli impianti e le tipologie di biomasse da utilizzare per la produzione di biogas dal processo di digestione anaerobica

I diversi quadri normativi e di incentivazione degli ultimi anni hanno determinato le dimensioni e potenza degli impianti e le tipologie di biomasse da utilizzare per la produzione di biogas dal processo di digestione anaerobica

Le Biomasse autorizzate

n CULTURE DEDICATE (insilato di mais , triticale, sorgo, segale, loietto etc…) )

n EFFLUENTI ZOOTECNICI:: in particolare effluenti di bovini (liquame/letame) e liquami suini.

n SOTTOPRODOTTI :¨ Sottoprodotti di origine vegetale :

n residui delle trasformazioni o valorizzazioni delle produzioni vegetali effettuate dall’industria agroalimentare(pomodori, patate, cipolle,fagiolini……)

n scarti agricoli : polpe surpressate di barbabietola e parte di essi, melasse ecc.)

¨ Sottoprodotti d’origine animale (da industria dolciaria/panificazione, derivati della lavorazione latticini , sangue,pacchi intestinali suini, rumine bovino e grassi animali ….)

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Tipologie di Biomasse : % distribuzione

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Materiali m3 biogas/t SV

Deiezioni animali(suini, bovini, avi-cunicoli)

200 - 500

Colture energetiche(Insilati di mais, sorgo etcc)

550 - 750

Scarti organici agroindustria(scarti vegetali, siero, fanghi e reflui di distillerie, cantine..)

400 - 800

Scarti organici macellazione(grassi, contenuto stomacale ed intestinale, sangue, fanghi di flottazione…)

550 - 1000

Residui colturali(paglia, colletti barbabietole..)

350 - 400

Frazione organica rifiuti urbani 400 - 600

Fanghi di depurazione 250 - 350

Resa in Biogas di diversi substrati (m3 per ton di solidi volatili)

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* Solidi volatili: frazione della sostanza secca costituita da sostanza organica.5

Combustione e Digestione Anaerobica di una biomassa

BIOMASSA

in condizioni aerobiche in condizioni anaerobiche

COMPOSTAGGIO DIGESTIONE

COMBUSTIONECOMBUSTIONECOMBUSTIONE TRATTAMENTO BIOLOGICO

TRATTAMENTO TRATTAMENTO BIOLOGICO BIOLOGICO

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Trattamento anaerobico: la digestione

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LA DIGESTIONE ANAEROBICA LA DIGESTIONE ANAEROBICA

è un processo biologico

per mezzo del quale, in assenza di ossigeno, la sostanza organica viene trasformata in

BIOGAS

costituito principalmente da metano (50-70%) e anidride carbonica.

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La Digestione anaerobica coinvolge un consorzio di BATTERI altamente specializzati che degradano le macromolecole organiche (carboidrati, grassi e proteine ) in sostanze via via sempre più semplici (aminoacidi, grassi, zuccheri fino a ac. acetico e metano)

-- FASE ACIDOGENA FASE ACIDOGENA microrganismi microrganismi idroliticiidrolitici e e acetogeniacetogeni trasformano la sostanza trasformano la sostanza organica in acido acetico, anidride organica in acido acetico, anidride carbonica ed idrogeno; carbonica ed idrogeno; -- FASE METANIGENA FASE METANIGENA microrganismi microrganismi metanigenimetanigenitrasformano i composti organici trasformano i composti organici intermedi in intermedi in metanometano e anidride e anidride carbonica carbonica

Schema di degradazione della sostanza organica

Tipologie di processo

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MULTISTADIO: le fase idrolitica e acidogenicasono condotte in digestori separati

MONOSTADIO: tutte le fasi (idrolitica acetogenica e metanigena) avvengono in un solo digestore

A seconda degli stadi in cui avviene la digestione anaerobica , i processi possono essere :

MESOFILEtemperatura: ~35°C

TERMOFILEtemperatura: ~55°C

Tecniche di digestione anaerobica

Con impianti semplificati si opera anche in Con impianti semplificati si opera anche in PSICROFILIA PSICROFILIA ((1010--25 25 °°CC))

Il processo può essere condotto all’interno del digestorein condizioni:

Impianti in regime Impianti in regime di di termofiliatermofilia vsvs mesofiliamesofilia : tempi di ritenzione pi: tempi di ritenzione piùù brevi brevi ma maggiore richiesta energetica, maggiore produzione di ammoniama maggiore richiesta energetica, maggiore produzione di ammoniaca libera e ca libera e acidi organici e un acidi organici e un digestatodigestato pipiùù umidoumido

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Tecniche di digestione anaerobica

A SECCO(dry digestion)

quando il substrato ha un contenuto di solidi totali superiori al

20%

A UMIDO (wet digestion)

quando il substrato ha un contenuto di solidi totali compreso tra il

5-10%

Processi con valori intermedi di sostanza secca (10 – 14% ST) sono meno comuni e vengono in genere definiti PROCESSI A SEMISECCO

Una ulteriore differenziazione di processo si ha per il TENORE DI SOSTANZA SECCA presente nel substrato:

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Gestire un allevamento di microrganismi con tutte le loro esigenze in termini ambientali ed alimentari………

üControllo del processo biologico (condizioni che accellerano e favoriscono la fase metanigena: pH, alcalinità, Acidi grassi volatili (AGV)

üCorretta formulazione della ricetta di alimentazione e modalità di somministrazione

üControllo di prodotti nocivi e delle condizioni ambientali

REALIZZARE UN IMPIANTO A BIOGAS SIGNIFICA:

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PerchPerchéé una corretta una corretta razionerazione…….. ..

Una errata alimentazione dei microorganismi può comportare:

üFormazione di schiume (alimentazione discontinua e inadatta formulazione della razione)

üUna maggiore produzione di NH3 con aumento del pH (e H2S) (eccesso proteico)

üRiduzione del pH e formazione di AGV (acidi grassi volatili)(passaggio rapido a biomasse ricche in carboidrati )

üPresenza di inibitori del processo(antibiotici, fitofarmaci,acidi organici, metalli pesanti) ( inadeguato controllo dei materiali in ingresso

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Inadeguata gestione della razione può portare alla formazione e diffusione di odori nauseabondi a causa della eccessiva formazione di acidi grassi volatili fino al collasso del processo con blocco della produzione di biogas

Inadeguata gestione della razione Inadeguata gestione della razione può portare alla può portare alla formazione formazione e diffusione di e diffusione di odori nauseabondi odori nauseabondi a causa della a causa della eccessiva formazione di acidi grassi volatili fino al eccessiva formazione di acidi grassi volatili fino al collasso del collasso del processo con blocco della produzione di biogas processo con blocco della produzione di biogas

Parametri strutturali e gestionali

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ØTempo medio di residenza idraulico (HRT) : il tempo medio di permanenza dei substrati nell’impianto e mette in relazione tra la quantità giornaliera di substrati in ingresso e il volume del reattore (va definito IN FASE PROGETTUALE sulla base delle caratteristiche delle biomasse che saranno utilizzate e le relative % miscele ) (tempi di demolizione della sostanza organica variano da 25 fino a 90 gg)

ØProduzione specifica di biogas (RESA): l a quantità di biogas o metano prodotta per unità di Sostanza volatile alimentata (m3 biogas/Kg SV)

ØVelocità di produzione del biogas : la quantità di biogas o metano prodotta al giorno per unita di volume del reattore (m3 biogas /m3 di reattore /giorno )

ØØTempo medio di residenza idraulico (HRT) Tempo medio di residenza idraulico (HRT) : il tempo medio di permanenza dei substrati nell’impianto e mette in relazione tra la quantità giornaliera di substrati in ingresso e il volume del reattore (va definito IN FASE PROGETTUALE sulla base delle caratteristiche delle biomasse che saranno utilizzate e le relative % miscele ) (tempi di demolizione della sostanza organica variano da 25 fino a 90 gg)

ØØProduzione specifica di biogas (RESA)Produzione specifica di biogas (RESA): : l a quantità di biogas o metano prodotta per unità di Sostanza volatile alimentata (m3 biogas/Kg SV)

ØØVelocitVelocitàà di produzione del biogas di produzione del biogas : : la quantità di biogas o metano prodotta al giorno per unita di volume del reattore (m3 biogas /m3 di reattore /giorno )

ü Volume digestoreü Portata substrati in ingresso ü % di sostanza secca nella biomassaü % di Solidi Volatili della biomassa

üü Volume digestoreü Portata substrati in ingresso ü % di sostanza secca nella biomassaü % di Solidi Volatili della biomassa

Processi a digestione anaerobica

BIOGASBIOGASBIOGAS

Impianto di Impianto di CogenerazioneCogenerazione

BIOMASSE IN INGRESSO

BIOMASSE IN BIOMASSE IN INGRESSOINGRESSO

DIGESTOREDIGESTORE

DIGESTATODIGESTATODIGESTATO

SEPARAZIONESEPARAZIONESEPARAZIONE

Fase liquidaFase liquidaFase liquida Fase solidaFase solidaFase solida

Spandimento in agricolturaSpandimentoSpandimento in agricolturain agricoltura15

Elementi di base di un impianto

Ricezione e stoccaggio delle biomasse

Processo di digestione anaerobica

Stoccaggio e trattamento del biogas

Produzione dell’energia elettrica

Trattamento e stoccaggio del digestato

Un impianto a biogas è costituito da diverse sezioni:

Sistemi ausiliari ( strumenti per la registrazione e controllo( strumenti per la registrazione e controllo) ) 16

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Le nostre esperienze sugli impianti……In genere, gli impatti negativi (soprattutto odorigeni) si sono manifestati in

corrispondenza di

üAree di stoccaggio non adeguate alle caratteristiche dei sottoprodottiüInadeguato trattamento dei percolati üMancata copertura vasche Digestatoliquido

üErrata gestione degli stoccaggi biomasseüErrori nella dieta di alimentazioneüProduzione di digestato non stabilizzatoüEmissioni di biogas “ libere” in start up üScarsa pulizia dei piazzali /trincee

Una deficitaria progettazione o

realizzazione dell’impianto

Una deficitaria progettazione o

realizzazione dell’impianto

Una inadeguata

gestione

degli impianti

Una inadeguata

gestione

degli impianti

DGR 1495/2011: nel controllo degli odori risultano elementi decisivi :

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OdoriOdoriOdori

Qualitàprogettazione

QualitQualitààprogettazioneprogettazione

Capacità di gestione

CapacitCapacitàà di di gestionegestione

Fasi critiche per l’impatto odorigeno

Stoccaggio delle biomasse

Processo di digestione anaerobica

Trattamento del biogas

Produzione dell’energia elettrica

Trattamento e stoccaggio del DIGESTATO

Fasi a potenziale impatto Fasi a potenziale impatto odorigenoodorigeno

In fase di startIn fase di start--upup

In un impianto di Digestione Anaerobica, i potenziali impatti ambientali sono originati principalmente nelle fasi di stoccaggio biomasse e digestato e trattamento biogas :

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20

2020

RICEZIONE E STOCCAGGIO RICEZIONE E STOCCAGGIO

DELLE BIOMASSEDELLE BIOMASSE

Stoccaggio di biomasse

Delibera di Giunta Regionale n. 1495/2011:

Ø Liquami zootecnici di origine extra-aziendale in vasche/contenitori chiusi a tenuta, salvo un’apertura minima per gli sfiati che dovranno essere trattati

ØI liquami zootecnici di origine aziendale sono esclusi qualora inviati direttamente alla Digestione Anaerobica

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Stoccaggio biomasse

Delibera di Giunta Regionale n. 1495/2011:

n Biomasse destinate ad insilamento : (escolture energetiche dedicate , polpe surpressate, buccette pomodoro) lo stoccaggio in trincea con copertura dell’insilato come da buona prassi negli allevamenti per gli insilati destinati all’alimentazione animale

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Modalità stoccaggio insilati

stoccaggio in trinceastoccaggio in trincea

stoccaggio in silage bags

Stoccaggio biomasse

Delibera di Giunta Regionale n. 1495/2011

Sottoprodotti vegetali :

n Sottoprodotti a basso grado di umidità ( es stocchi di mais) in contenitori coperti per evitare dispersioni di COV e di particolato

n Sottoprodotti fermentescibili (es scarti di frutta e verdura) in contenitori chiusi con trattamento degli sfiati ( filtri a carbone)

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Stoccaggio biomasse

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Sottoprodotti di origine animale ( es scarti macellazione, sangue, grassi…….) in contenitori chiusi con trattamento sfiati ( o locali aspirati con trattamento delle aree esauste in biofiltro)

Le biomasse pompabili ( essughi zuccherini) in contenitori a tenuta con trattamento degli sfiati

Filtro a carboni attivi posto su silos di stoccaggio sangue

Gestione dei reflui dell’ impianto

ü Acque meteoriche di dilavamento"" dei piazzali carrabili asfaltati: trattamenti con vasca di prima pioggia e disoleazione (DGR 286/2005, DGR 1860/2006)

ü Acque meteoriche dei coperti e di seconda pioggia: verso laminazione e poi rete idrica superficiale

üü PercolatiPercolati e e colaticcicolaticci dal deposito insilati e dalle aree di caricobiomasse nei fermentatori e/o stazione carico vasca liquami

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Gestione dei percolati e colaticci dalle aere di stoccaggio e are di carico biomasse

In alcuni progetti iniziali veniva proposto di inviare i colaticci Ø nella rete delle acque prima pioggia Ø nella vasca del digestato liquido

DGR 1495/2011 : I colaticci devono essere captati da un sistema fognario indipendente e inviati a RECUPERO IMMEDIATO NEL DIGESTORE o a STOCCAGGIO in contenitori chiusi prima del loro caricamento nel digestore

L’invio a recupero deve essere progettato attentamente per evitare che in condizioni di elevata piovosità , questi reflui diluiscano troppo la miscela in digestione abbassandone il tenore di sostanza secca.

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Rete fognaria con SISTEMA INTEGRATO ALTERNATORete fognaria con SISTEMA INTEGRATO ALTERNATO

Trincee di stoccaggio insilati: rete fognaria

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29particolare pozzetto a doppia via

pozzetti di raccolta acque di dilavamento trincee

TRATTAMENTO DEL BIOGAS e TRATTAMENTO DEL BIOGAS e EMISSIONI IN ATMOSFERA EMISSIONI IN ATMOSFERA

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Trattamento del biogas

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Il biogas contiene elementi corrosivi (idrogeno solforato e composti organici alogenati); inoltre il contenuto di CO2, azoto e acqua ne abbassano il PCI.

Il biogas prima dell’invio al cogeneratore viene sottoposto a:ü trattamento di deumidificazione (con gruppo frigorifero)

ü desolforazione (con carbone attivo o adsorbenti)

ü rimozione della CO2 (adsorbimento o membrana)

Emissioni convogliate

In un impianto a Digestione Anaerobica in genere sono presenti i seguenti punti di emissione:

n Emissioni dal COGENERATORECOGENERATORE

n Emissioni dalla TORCIA di EmergenzaTORCIA di Emergenza in caso di fermo/guasto tecnico

n Emissioni dai presidi di sicurezza dell’impianto quali i sistemi di sicurezza (SOVRAPRESSIONE)(SOVRAPRESSIONE)

n Emissioni da BIOFILTROBIOFILTRO a servizio di aree confinate (zona di separazione del digestato con centrifughe)

n Emissioni dagli impianti di abbattimentoimpianti di abbattimento dei silos di stoccaggio delle biomasse

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EMISSIONI DEL COGENERATORE:limiti e inquinanti

n Le concentrazioni massime ammissibili nei fumi di combustione sono fissate dalla DGR 1496/2011 e variano a seconda della taglia del cogeneratore :

Polveri, monossido di carbonio (CO), Ossidi di Azoto (NO2) Carbonio Organico Totale (COT) e Composti inorganici del cloro

n Per garantire i rispetto dei limiti il cogeneratore deve pertanto essere asservito almeno almeno dai seguenti sistemi di abbattimento:¨̈ Ossidi di azotoOssidi di azoto: : sistema combustione magra Leanox¨̈monossido di carboniomonossido di carbonio: catalizzatore SCR

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Criticità nell’esecuzione dei controlli al camino :

a) La temperatura a cui fuoriescono i fumi di combustione (circa 500 –600°C) rende difficoltoso l’accesso in sicurezza ai punti di campionamento (il condotto di emissione deve essere dotato di coibentazione)

b) la carenza normativa circa le metodiche da utilizzare per la determinazione del parametro COT (carbonio organico totale)

Controlli alle emissioni Controlli alle emissioni

Sistemi di sicurezza –Torcia

Delibera Giunta Regionale 1495/2011:

La torcia deve inoltre permettere anche la combustione del gas prodotto durante la fase di avviamento del processo (sostenuta da combustibile supplementare per circa 3-4 settimane)

La torcia deve essere dimensionata per consentire l’eventuale svuotamento rapido di tutti gli stoccaggi (5-6 ore)

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In tutti gli impianti è presente una torcia di emergenza che garantisce l’evacuazione del biogas nel caso di un aumento della pressione. In tutti gli impianti è presente una torcia di emergenza che garantisce l’evacuazione del biogas nel caso di un aumento della pressione.

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TRATTAMENTO E TRATTAMENTO E STOCCAGGIO DEL DIGESTATOSTOCCAGGIO DEL DIGESTATO

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Caratteristiche del digestato

Il digestato che si ottiene alla fine del processo di digestione anaerobica èun prodotto di composizione e consistenza variabili in funzione :

ü dei substrati in entrata

ü dei parametri di processo (tempi di permanenza delle biomasse nel reattore biologico)

ü della conduzione dell’impianto.

Per un corretto utilizzo a fini agronomici , il digestato deve essere

“STABILIZZATO” cioè con bassi carichi organici residui

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38

Numerosi studi in letteratura tra cui uno eseguito nel 2009 dalla Facoltà Agraria dell’Università di Milano hanno mostrano che il digestato proveniente da un impianto alimentato a liquame se STABILIZZATO ha un tenore emissivo di sostanze odorigenenettamente inferiore rispetto al liquame di partenza (5.317-13.314 vs 42.773-119.446 UO/m2 h )

Al termine del processo biologico in uscita dal fermentatore si ha un DIGESTATO NON SEPARATO costituito da

una frazione SOLIDA una frazione LIQUIDA

che possono essere separate meccanicamente

Per la separazione delle due fasi , possono essere utilizzate diverse tecnologie (separatore a compressione elicoidale, separatore rotante a controrulli e/o mezzi a forte efficienza e impiego energetico quale il separatore centrifugo)

Separazione del digestato

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Separazione del digestato solido

40

40

Delibera Giunta Regionale 1495/2011: Quando l’operazione di separazione è effettuata con mezzi a forte efficienza e impiego energetico come centrifughe si dovrà ricorrere ad interventi strutturali che consistono in ambienti completamenti chiusi e in depressione, con aspirazione e trattamento dell’aria esausta prima della sua immissione in atmosfera (biofiltro)

La DGR ha inoltre fissato del limiti (valori guida) per gli inquinanti in emissione dal biofiltro : :

Concentrazione di odore : 400 Concentrazione di odore : 400 uoEuoE/Nm3 /Nm3 Ammoniaca : 5 mg/Nm3Ammoniaca : 5 mg/Nm3

Separazione digestato con centrifughe

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Stoccaggio digestato liquido

DGR 1495/2011

Lo stoccaggio del digestato tq o della frazione chiarificata in una o più vasche/contenitori coperticon eventuale trattamento dell’aria esausta o captazione e utilizzo del biogas per produzione energetica

La capacità di stoccaggio non inferiore al volume di digestatoprodotto in 180 gg per impianti con terreni in Zone Vulnerabili da Nitrati e in 120 gg per impianti con terreni in Zone Ordinarie

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Stoccaggio del digestato solido

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DGR 1495/2011 :E’ obbligatoria la copertura dell’ area di stoccaggio digestato e tamponature laterali.

La capacità di stoccaggio del digestato solido non potrà essere inferiore ai 90 giorni.

DGR 1495/2011: per evitare fenomeni di anaerobiosi nei cumuli dimensioni contenute e periodicamente rivoltati (altezza ottimale : max 3-3,5 mt )

DGR 1495/2011: per evitare fenomeni di anaerobiosi nei cumuli dimensioni contenute e periodicamente rivoltati (altezza ottimale : max 3-3,5 mt ) 43

Sono stati monitorati 5 impianti della Provincia di Bologna che si differenziano per taglia e biomassa :

Ø Un impianto alimentato ad insilati

Ø Tre impianti alimentati ad insilati e sottoprodotti di origine vegetale

Ø Un impianto alimentato ad insilati, sottoprodotti vegetali e liquame

per un totale di 9 campioni : 5 di digestato liquido e 4 solido

”

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Caratterizzazione analitica di digestatida impianti a biogas

Riferimenti normativi :

ØLa Legge 7 agosto 2012 n. 134 all’art. 52 classifica il digestato come “sottoprodotto” e lo equipara, per quanto attiene agli effetti fertilizzanti, ai concimi di origine chimica , disciplinati dal DLgs. 75/10;

ØPer gli aspetti chimico fisici e microbiologici non esiste normativa ;

ØI nostri riferimenti sono pertanto stati il Dlgs 99/92 e la DGR 2773/04 che disciplinano l'uso dei fanghi di depurazione in agricoltura

Gli analiti ricercati : Dlgs 99/92 e DGR 2773/04

PARAMETRI CHIMICO FISICI

pH e sostanza secca

metalli e non metalli :

Ø Arsenico (As), Cadmio (Cd), Cromo totale (Cr), Cromo esavalente (Cr VI), Mercurio (Hg), Nichel (Ni), Piombo(Pb), Rame (Cu) e Zinco (Zn);

Composti /Sostanze Organiche persistenti

Ø Composti Organo alogenati (AOX) non volatili

Ø Composti Organo alogenati (AOX) volatili

Ø Nonil fenoli (NPE)

Ø Idrocarburi Policiclici Aromatici (PAH )

Ø Policlorobifenili (PCB)

Ø Policlorodibenzodiossine (PCDD)

Ø Policlorodibenzofurani (PCDF)

PARAMETRI MICROBIOLOGICI

Ø Salmonelle ed Escherichia Coli.45

Risultati: metalli e non metalli

Limite di riferimento (mg/kg ss)

Mediana min-max

Piombo 750 0,5 0,5 - 11,5

Rame 1000 9,1 2,1 - 254

Cadmio 20 0,5 0,4 - 0,5

Nichel 300 1,5 0,5 - 23,6

Zinco 2500 73 0,6 - 531

Cromo tot 1000 1,2 0,5 - 10,8

Cromo VI - < 0,5 0,5 - 0,5

Arsenico 10 0,5 0,5 - 1,5

mercurio 10 <0,1 0,1 - 0,1

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Microinquinanti organici e parametri microbiologici

Limite di riferimento

mediana Min- Max

Composti organo alogenati 500 mg/kg 0,01 0,01

Di-2 etilesilftalato (DEHP) 100 mg/kg 1,0 1,0-2,3

Nonilfenolo e derivati (NPE) 5 mg/kg 1,0 1,0-1,3

Idrocarburi Policiclici aromatici 6 mg/kg 0,27 0,05-1,82

Policlorobifenili (PCB) 0,8 mg/kg 0,03 0,01-0,09

Diossine /furani 100 ngTE/kg 16,5 0,5-20,4

47

Limite riferimento min Max

Salmonelle1000 MPN/g ss <9 <60

Escherichia Coli - <10 <10

48

Grazie per Grazie per ll’’attenzioneattenzione

Giovanna Giovanna BiagiBiagiArpa Emilia RomagnaArpa Emilia RomagnaVia Francesco Rocchi n. 19 Via Francesco Rocchi n. 19 -- BolognaBolognagbiagi@arpa.emr.itgbiagi@arpa.emr.it