Gruppo Operativo per l'Innovazione - Ammonia Washing ...
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Gruppo Operativo per l’Innovazione
Prototipo per ridurre le emissioni di ammoniaca
dai ricoveri suini con recupero a fini fertilizzanti
Settembre 2020
Giuseppe Moscatelli e Laura Valli – Centro Ricerche Produzioni Animali – C.R.P.A. S.p.A., Reggio Emilia
Introduzione
Dalla stabulazione intensiva dei suini si riscontrano emissioni ammoniacali in atmosfera dovute all’im-
brattamento delle superfici causate da feci ed urine e alla presenza di liquami sotto i fessurati.
Gli imprenditori suinicoli emiliano-romagnoli auspicano lo sviluppo di soluzioni tecniche affidabili ed
economicamente sostenibili che possano aiutarli nel ridurre queste emissioni. Non solo, essi stessi
sono attivi nel ricercare e sperimentare innovazioni tecnologiche, anche provenienti da altri settori
industriali, per incrementare sempre più la sostenibilità ambientale e sociale delle loro produzioni di
riconosciuta qualità.
La necessità di migliorare il benessere degli animali, la salute dei lavoratori e di ridurre le emissio-
ni in atmosfera di ammoniaca, è stata la motivazione alla base della nascita del Gruppo Operativo
per l’Innovazione “Ammonia Washing Machine”, che ha realizzato e testato un sistema prototipale di
trattamento dell’aria delle porcilaie. Il prototipo rimuove l’ammoniaca e la recupera in una soluzione
di solfato d’ammonio in un’ottica di economia circolare: convertire le emissioni ammoniacali in una
risorsa fertilizzante.
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Come funziona forme, mediante lavaggio in controcorrente,
Ammonia Washing Machine con reagente acido nebulizzato in una torre
con corpi di riempimento. I corpi di riempi-
Il dispositivo sperimentale preleva l’aria ricca di mento servono ad aumentare la superficie di
ammoniaca dalle sale delle porcilaie attraver- contatto e rendere più efficiente il lavaggio. Un
so dei condotti di aspirazione sottoponendola demister, collocato nella parte superiore della
a lavaggio. Da qui il nome del GOI Ammonia torre, evita la presenza di condensa nel flusso
Washing Machine, che tradotto dall’inglese d’aria post lavaggio. Il processo avviene a pH 3
significa lavatrice di ammoniaca. Il prototipo ed una soluzione di acido solforico (H2SO4) al
affronta il problema di migliorare la qualità 2% viene utilizzata come matrice assorbente,
dell’aria all’interno delle sale, specialmente che reagendo con l’ammoniaca (NH3) forma
in quelle condizioni stabulative (svezzamento una soluzione stabile di solfato d’ammonio
e magronaggio) o climatiche (invernali) ove i ((NH4)2SO4) poi raccolta nel serbatoio sotto-
ricambi d’aria risultano ridotti. stante. Il pilota sperimentale è stato progetta-
Il trattamento si basa sull'assorbimento chimi- to per trattare 1.800 – 2.000 m3/h di aria.
co dell’ammoniaca contenuta nel flusso aeri-
Le attività condotte ventilazione delle sale: in condizioni di estra-
negli allevamenti suinicoli zione forzata dell’aria e in condizioni di venti-
lazione naturale. I test sono stati condotti su
una sala che ha vi-
sto una presenza
media di 144 suini
in fase di ingrasso
dai 66 ai 170 kg de-
stinati alla filiera del
Prosciutto di Parma
DOP (17,9 t di peso
vivo mediamente
presente). La sala
era provvista di pa-
vimentazione par-
zialmente fessurata
con allontanamen-
Sala dell’azienda Colombaro sede dei test to continuo degli
effluenti, che sono
Durante il 2019, l’impianto è stato operativo avviati a digestione anaerobica per la produ-
presso l’allevamento suinicolo Società Agricola zione di biogas.
Colombaro (ingrasso a ciclo aperto con 14950 La modalità di funzionamento del prototipo
posti animale) con sede a Formigine in provin- presso Colombaro ha previsto l’aspirazione
cia di Modena, dove si è provveduto a testar- dell’aria dal sottotetto, in prossimità del ventila-
ne il funzionamento e l’efficienza in diverse tore di estrazione, e la successiva re-immissione
stagioni climatiche e in differenti situazioni di dell’aria lavata in prossimità delle finestrature.
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A fine 2019 l’impianto pilota è stato trasferito aerobico di nitri-denitrificazione. A Sant’Anna la
presso l’allevamento suinicolo Società Agricola sala era a ventilazione forzata per sovra pressio-
Sant’Anna (ingrasso a ciclo aperto con 10.500 ne. I ventilatori installati sul tetto prelevavano
posti animale, sempre con sede a Formigine) e l’aria ambiente immettendola nella sala. L’aria
qui riattivato dal mese di febbraio 2020 su una attraversava il pavimento fessurato per poi es-
sala che ha ospitato sia suini in fase di magro- sere espulsa dalle bocche di lupo che mettevano
naggio (30 - 60 kg) che in fase di ingrasso (60 in comunicazione il sotto fessurato con l’ester-
- 175 kg), suini destinati anch’essi alla filiera no. Il prototipo ha operato aspirando l’aria dalle
DOP del Prosciutto di Parma. La presenza me- bocche di lupo (pertanto l’aria presente nel sot-
dia nella sala è stata di 103 suini, con un carico to-fessurato) con re-immissione dell’aria lavata
medio pari a 10,1 t di peso vivo. Nella sala che in prossimità del ventilatore installato sul tetto.
ha ospitato i test era presente un pavimento Le diverse modalità di ventilazione presenti a
parzialmente fessurato; il liquame prodotto ve- Sant’Anna e Colombaro hanno permesso di te-
niva costantemente allontanato dalla vasca sot- stare l’efficacia del trattamento in condizioni
tostante il fessurato, sottoposto a separazione operative differenti: aspirazione dalla sala ed
solido/liquido e la frazione chiarificata in uscita aspirazione dal sotto-fessurato.
dalla centrifuga avviata a trattamento biologico
Layout della linea di trattamento: a sinistra l’installazione presso l’Az. Colombaro con aspirazione
dalla sala, a destra l’installazione presso l’Az. Sant’Anna con aspirazione da sotto-fessurato
Installazione dell’impianto di trattamento presso l’Az. Colombaro (nella
foto di copertina l’installazione presso l’Az. Sant’Anna)
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Emissioni evitate, azoto recuperato OUT al lavaggio moltiplicata per le portate d'a-
ria trattata.
L'efficacia del prototipo nel rimuovere l’am- Le attività sperimentali hanno evidenziato che,
moniaca dall’aria, e di conseguenza ridurre le prelevando l’aria dalla sala, il prototipo è sta-
emissioni verso l’ambiente, è stata valutata to in grado di recuperare, sotto forma di so-
monitorando la concentrazione di ammoniaca luzione di solfato d’ammonio, 6,5 kg di azoto
nel flusso d'aria prelevato dalla sala prima e per tonnellata di peso vivo presente per anno,
dopo il lavaggio. Il dispositivo ha permesso di che riportato in emissioni significa aver evitato
ottenere dopo il lavaggio un’aria a ridottissimo emissioni ammoniacali in atmosfera pari a 7,9
contenuto di ammoniaca, con efficienze medie kg NH3/t p.v./anno (0,7 kg NH3/anno per posto
di abbattimento tra ingresso ed uscita del 90%, animale). Nei test condotti aspirando l’aria da
raggiungendo in numerosi test anche efficien- sotto il fessurato, il prototipo ha recuperato
ze di rimozione pari al 99%. La concentrazio- 23,1 kg di azoto per tonnellata di peso vivo per
ne di ammoniaca mediamente riscontrata nel anno, che significa aver evitato emissioni pari
flusso d'aria avviato a lavaggio è stata di 14,8 a 28,1 kg NH3/t p.v./anno (2,4 kg NH3/anno per
mg/m3 (6,0 ÷ 32,4 mg/m3), mentre nel flusso posto animale). La seconda modalità operativa
d'aria dopo il lavaggio è stata in media pari a ha permesso non solo di catturare l’ammonia-
1,9 mg/m3 (0,0 ÷ 16,6 mg/m3). ca presente nella sala, ma anche di intercetta-
L’ammoniaca rimossa è stata recuperata in re e recuperare le emissioni ammoniacali dal
una soluzione di solfato d’ammonio e l’azoto liquame presente nella fossa sottostante al pa-
recuperato è stato quantificato sia pesando e vimento fessurato. Condizione questa che ha
caratterizzando la soluzione di solfato d’am- determinato un’efficienza di recupero dell’azo-
monio prodotta che calcolato sulla riduzione to, per tonnellata di peso vivo, 3 volte superio-
della concentrazione di ammoniaca tra IN ed re rispetto all’aspirazione dalla sala.
Soluzione liquida di solfato d’ammonio liquida di solfato d’ammonio (NH4)2SO4.
La quantità di soluzione di solfato d’ammonio
Il prototipo, oltre che ridurre le emissioni am- prodotta e le relative caratteristiche chimiche
moniacali, ha conseguito un secondo impor- sono riportate in tabella.
tante risultato: la produzione di una soluzione
Nel 2020 l’azoto contenuto nella soluzione tenore fertilizzante incrementando il tempo di
estratta è stato pari al 3,5%, superiore rispetto ritenzione della soluzione all’interno della torre
al 2019, in quanto si è cercato di aumentarne il di lavaggio. L’incremento di N nella soluzione
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estratta non ha determinato alcuna perdita di rapidamente dilavabile dalle piogge. Importan-
efficienza e nessuna problematicità di funziona- te è anche la presenza dello zolfo che permette
mento e ciò rende del tutto plausibile la possi- ad esempio di ottenere ortaggi di qualità.
bilità di andare oltre il 3,5% di N. Si sottolinea che la soluzione di solfato d’ammo-
Il buon tenore in azoto, di cui il 99% presente in nio prodotta potrebbe soddisfare le prescrizioni
forma minerale, e il ridotto contenuto di solidi contenute nel nuovo regolamento dell’Unio-
sono caratteristiche che rendono questa solu- ne Europea sui fertilizzanti (Regolamento UE
zione una buona matrice azotata a fini fertiliz- 2019/1009 del 5 giugno 2019) che si applicherà
zanti, specialmente se utilizzata in fertirrigazio- a partire dal 2022, e in particolare essere consi-
ne su colture di pregio. Essendo inoltre l’azoto derata un concime inorganico liquido semplice
ammoniacale legato al solfato sotto forma di a base di macroelementi - categoria PFC 1(C)(I)
sale stabile, risulta essere un concime azotato (b)(i) come definito in Allegato 1, parte II.
ad azione progressiva e duratura, in quanto non
Migliore qualità dell’aria nella sala trattata è risultata sino al 50% inferio-
all’interno delle porcilaie re rispetto alla sala controllo. In estate, in pre-
senza di elevati ricambi d’aria e con le finestra-
Obiettivo del GOI è stato, anche, quello di valu- ture tutte aperte, l’efficacia del trattamento si è
tare se e quanto il trattamento potesse miglio- ridotta e la concentrazione di ammoniaca nella
rare la qualità dell'aria all’interno delle porcila- sala trattata è risultata inferiore solo del 15%.
ie. Le concentrazioni di ammoniaca e altri gas Un maggior beneficio lo si è verificato lavando
(quali l’anidride carbonica, metano e protossi- l’aria della sala ventilata naturalmente.
do d’azoto) sono state misurate all'interno del- La riduzione di ammoniaca riscontrata a
la sala trattata e contemporaneamente in una Sant’Anna è illustrata nei due grafici di destra di
sala controllo confinante, pressoché identica ed figura 1: l’ammoniaca è stata ridotta mediamen-
avente lo stesso numero e peso di suini. I gas te del 51% durante la fase di magronaggio e del
sono stati rilevati mediante un analizzatore fo- 66% durante la fase di ingrasso. Questa mag-
toacustico collegato ad un campionatore mul- gior efficienza nel ridurre la concentrazione di
tipunto (INNOVA Multi Gas Monitor 1412) in ammoniaca, rispetto ai test di Colombaro, è da
diverse condizioni climatiche. I grafici in figura imputarsi principalmente alla ventilazione for-
1 mostrano l’andamento giornaliero della con- zata in pressione della sala, che unita all’aspira-
centrazione di ammoniaca nelle sale trattate zione da sotto-fessurato dell’aria da trattare ha
rispetto alle sale controllo. determinato un flusso più convogliato e meno
I due grafici di sinistra sintetizzano le differen- soggetto all’apertura delle finestrature. Infatti,
ze rilevate durante i test presso Colombaro, l’efficacia nel ridurre l’ammoniaca è risultata
sia in situazione di ventilazione naturale della poco influenzata dalle condizioni climatiche e di
sala che in condizioni di ventilazione forzata. La ventilazione (61% in meno di ammoniaca nella
concentrazione di ammoniaca nella sala in cui sala trattata rispetto a quella controllo in estate
operava il lavaggio dell’aria è stata mediamente e 56% in meno in inverno), mentre ha risentito
inferiore del 24% rispetto alla sala controllo. Il del peso vivo stabulato (-51% nel magronaggio;
maggior effetto del trattamento lo si è riscon- -66% nell’ingrasso).
trato d’inverno quando, in presenza di ridotta Il sistema di trattamento si è dimostrato effi-
ventilazione, la concentrazione di ammoniaca cace nell’eliminare quei picchi di ammoniaca
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che generalmente si riscontrano durante le ore La minor presenza di ammoniaca all’interno
notturne più fredde. Il lavaggio dell’aria non ha della sala comporta un miglioramento del be-
comportato variazioni significative sulle con- nessere animale e delle condizioni lavorative
centrazioni degli altri gas rilevati (anidride car- del personale.
bonica, metano e protossido d’azoto) tra la sala
trattata e quella controllo.
Figura 1 - Trend giornaliero della concentrazione di ammoniaca nella sala in cui viene lavata l'aria
e nella sala di controllo (valori calcolati come media delle concentrazioni misurate alla stessa ora
nei diversi giorni di monitoraggio).
Considerazioni economiche
Oltre al beneficio ambientale, il Gruppo Operativo ha valutato la sostenibilità economica dell’innovazione.
Durante le attività del Piano, sono state rilevate e quantificate le voci di costo riportate in figura 2 ed è
stata calcolata la loro incidenza percentuale sul costo totale annuo per il funzionamento del prototipo.
Figura 2
Voci di costo
e loro incidenza
percentuale sul costo
totale annuo
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I costi sono stati calcolati al netto dei benefici economicamente quantificabili, quali il risparmio di parte
dell’energia elettrica per la ventilazione forzata delle sale e gli introiti provenienti dalla vendita della so-
luzione di solfato d’ammonio derivante dal trattamento. Questi ultimi sono stati stimati rapportando la
quotazione del solfato d’ammonio con titolo 21% al tenore di N della soluzione prodotta, e decurtando
del 15% il valore ottenuto in quanto soluzione di recupero. Diversamente altri importantissimi benefici,
quali la riduzione delle emissioni ammoniacali in atmosfera e l’incremento della sostenibilità sociale de-
gli allevamenti, sono di difficile monetizzazione e pertanto non inclusi nel bilancio. Le risorse del Piano
non hanno inoltre permesso di valutare gli effetti sugli accrescimenti ponderali dei capi e sull’indice di
conversione alimentare determinati dal miglioramento della qualità dell’aria all’interno dei ricoveri e,
quindi, delle condizioni di benessere animale. Le valutazioni economiche calate sulla realtà produttiva
dei due allevamenti partner del GO hanno evidenziato che l’applicazione dell’innovazione comporta un
costo quantificabile dai 9 ai 12 centesimi di euro per kg di peso vivo venduto. Rispetto alla quotazione
media dell’ultimo triennio di 1,45 €/kg formulata dalla CUN suini e relativa ai suini da macello destinati al
circuito DOP del prosciutto di Parma (160-175 kg), l’incidenza del costo di installazione e gestione di un
impianto di trattamento dell’aria come quello testato nell’ambito del Piano risulta pari al 7%. In considera-
zione dell’elevata volatilità che tipicamente caratterizza il mercato del suino pesante, nello stesso periodo
l’incidenza del costo dell’impianto rimane compreso tra un minimo del 5,7% (novembre-dicembre 2019
con quotazioni del suino pari a 1,79 €/kg) ed un massimo del 9,8% (maggio-giugno 2020 col listino pari a
1,05 €/kg). Come accennato, nella stima della sostenibilità economica dell’intervento andrebbero tuttavia
quantificati anche i potenziali incrementi della produttività aziendale dovuti all’innovazione, la cui valuta-
zione richiederebbe ulteriori e specifiche prove sperimentali.
Conclusioni ha significativamente ridotto la presenza di ammo-
niaca nelle sale delle porcilaie, determinando un
Il lavaggio dell’aria con recupero dell’ammoniaca è miglioramento della qualità dell’aria interna, spe-
risultato tecnicamente fattibile. cialmente in tutti quei periodi ove i ricambi d’aria
I risultati conseguiti dal Gruppo Operativo dimo- sono ridotti a causa delle basse temperature o per
strano che un importante elemento nutritivo qua- la presenza di suini piccoli.
le l’azoto, che sotto forma di ammoniaca emessa Sicuramente la condizione meteo-climatica pada-
in atmosfera origina tanti problemi, può essere na, con ventilazioni estive degli ingrassi anche 15
recuperato e dare vita a fertilizzanti nell’ottica del volte superiori rispetto a quelle invernali (10-150
“nutrient recovery and reuse”. È stato possibile re- m3/h capo) non facilita il dimensionamento del si-
cuperare azoto ed evitare emissioni ammoniacali stema di trattamento.
in atmosfera per 0,7 kg NH3/posto animale/anno L’incidenza del trattamento sui costi può divenire
nei test condotti aspirando l’aria dalla sala (2019), problematica in considerazione dell’elevata vo-
mentre aspirando l’aria da sotto-fessurato (2020) latilità delle quotazioni del suino pesante DOP e,
sono state evitate emissioni per 2,4 kg NH3/posto pertanto, potrebbe essere utile valorizzare eco-
animale/anno. nomicamente la matrice fertilizzante prodotta e
Questi dati di emissioni ammoniacali evitate, se la maggior sostenibilità ambientale e sociale degli
rapportati ai valori di emissione da ricoveri esisten- allevamenti che applicano soluzioni atte a ridurre
ti per suini da ingrasso, presenti nelle BAT Conclu- l’impatto delle loro produzioni.
sions (valori fissati dalle BAT-AELs pari a 3,6 kg NH3/ L’innovazione Ammonia Washing Machine po-
posto animale/anno), evidenziano una riduzione trebbe aggiungersi alla lista delle “migliori tecni-
delle emissioni quantificabile tra il 20 e il 66%, in che disponibili” (BAT) che gli allevamenti, soggetti
base alle condizioni operative del prototipo. all’Autorizzazione Integrata Ambientale, dovranno
Il lavaggio dell’aria con ricircolo del flusso trattato applicare.Capofila
http://ammonia.crpa.it/
Divulgazione a cura di Centro Ricerche Produzioni Animali – C.R.P.A. S.p.a.
Autorità di Gestione: Direzione Agricoltura, caccia e pesca della Regione Emilia-Romagna.
Iniziativa realizzata nell’ambito del Programma regionale di sviluppo rurale 2014-2020 — Tipo di operazione 16.1.01 —
Gruppi operativi del partenariato europeo per l’innovazione: Produttività e sostenibilità dell'agricoltura — Focus Area
5D - Ridurre le emissioni di gas a effetto serra e di ammoniaca prodotte dall'agricoltura. Progetto “AMMONIA WASHING
MACHINE - Prototipo per ridurre le emissioni di ammoniaca dai ricoveri suini con recupero a fini fertilizzanti”.
Stampa a cura di Tecnograf Srl - Settembre 2020Puoi anche leggere
