Il trattamento dei reflui da allevamento

Da Lca rifiuti.

Studio di fattibilità e delle performance di sviluppo energetico attraverso la metodologia LCA riferito alla sanificazione dell’impresa suinicola “Tre Laghi” nella provincia di Chieti.

Lo studio ha l’obiettivo, attraverso l’applicazione della metodologia LCA alle diverse fasi della filiera energetica del biogas, di identificare e quantificare tutti gli aspetti ambientali connessi alla stessa, valutandone la fattibilità ambientale e sociale, in rapporto soprattutto a quella che è l’attuale organizzazione aziendale. Viene in specifico presentata una descrizione dettagliata dell’azienda suinicola “Tre Laghi”, sita nel comune di Civitaluparella (CH), individuata come caso studio, e sviluppata un’analisi LCA secondo quelle che sono le tre fasi principali: Inventario-Interpretazione-Miglioramento

a cura di: Emanuele Pasquini

Titolo della tesi: Studio di fattibilità e delle performance di sviluppo energetico attraverso la metodologia LCA riferito alla sanificazione dell’impresa suinicola “Tre Laghi” nella provincia di Chieti.

Autore della tesi di laurea specialistica: Emanuele Pasquini

Relatori: Prof. Claudio Pantani, Ing. Antonio Di Nunzio

Università: Università degli studi di L’Aquila, Facoltà di Scienze matematiche, fisiche e naturali, Corso di laurea specialistica in Scienze e tecnologie per l’ambiente e il territorio.

Descrizione del centro zootecnico “Tre Laghi”

L’applicazione della metodologia LCA ha come oggetto l’azienda suinicola “Tre Laghi”, sita nel comune di Civitaluparella (CH) in località Contrada Difesa, a circa 2,5 km dal centro abitato.

L’azienda si estende per una superficie complessiva di 440 ha. L’insieme dei manufatti edilizi costituenti il corpo aziendale risulta così ripartito:

  • Stalla per l’allevamento dei suini;
  • Sala ex mungitura;
  • Magazzino, rimessa, abitazione custode, ufficio;
  • Ex stalla per allevamento di manze, manzette e vitelli;
  • Manufatti dirupo;
  • Laguna di raccolta delle deiezioni;
  • Vasca di raccolta dei liquami.

L’azienda opera un allevamento da ingrasso per conto del gruppo “Amadori” e quindi del “Consorzio Parma”. I suinetti, prevalentemente di origine italiana e del peso di 20-25 kg, giungono in allevamento tramite autotreno e vengono allevati fino al raggiungimento del peso di macellazione previsto, circa 170 kg, per essere poi trasportati negli appositi centri di produzione delle carni.

L’allevamento si caratterizza per la produzione di deiezioni liquide che, raccolte al di sotto della pavimentazione fessurata prevista su tutta l’area di ogni singolo box, vengono convogliate all’interno di una conduttura principale, dalla quale defluiscono verso le vasche di raccolta poste all’esterno della struttura. I liquami così stoccati vengono poi smaltiti mediante fertirrigazione regolarmente autorizzata.


Applicazione del metodo LCA ai reflui zootecnici

Definizione dell’obiettivo dello studio

Obiettivo dello studio è la valutazione del danno ambientale del ciclo di vita di un refluo zootecnico (liquame suino), utilizzato per la produzione di energia attraverso la digestione anaerobica. Il digestato risultante viene usato per la concimazione di un terreno coltivato.

Campo di applicazione dello studio

La funzione del sistema è quella della produzione di energia e della fertilizzazione di un terreno coltivato. Contemporaneamente il sistema svolge anche il compito di trattamento del rifiuto zootecnico. Il sistema che deve essere studiato è la coltivazione dei terreni dell’Azienda ‘Tre Laghi’, la quale utilizza come fertilizzante il digestato ipoteticamente ottenuto dalla digestione anaerobica dei reflui prodotti in 1 anno dall’allevamento di 4000 maiali. I confini del sistema vanno dalla raccolta dei reflui, alla produzione di energia da questi, alle emissioni in aria, allo spargimento sul terreno del digestato, alla dispersione degli elementi in esso contenuti in acqua e nel suolo. Non si considerano gli impianti e la coltivazione. L’Unità Funzionale è la fertilizzazione di un terreno coltivato mediante digestato ottenuto dalla digestione anaerobica del refluo suino. Per lo studio viene utilizzato il codice SimaPro7. Per rappresentare i processi relativi ai trasporti, all’energia elettrica, all’energia termica, si usano i processi presenti nella banca dati del codice SimaPro7. Per quanto riguarda i materiali, verranno usati quelli presenti nelle banche dati ed altri i cui dati sono stati raccolti sul campo. Per la valutazione del danno sono stati usati i Metodi Eco-indicator99, IMPACT2002+ EPS 2000 ed EDIP 97 modificati.

Inventario

Quantità di reflui prodotti in un anno

L’azienda “Tre Laghi” opera un allevamento da ingrasso attraverso cui i maiali vengono portati da un peso iniziale di 20 kg fino ad un peso finale di 170 kg.

La quantità di reflui prodotti in un anno è pari a 4800 t.


Superficie di spargimento

Si è considerata una superficie media di spargimento pari a 270 ettari. Tale valore non viene direttamente utilizzato nell’analisi ma per alcune considerazioni successive.


Produzione di energia da biogas

Considerando una producibilità media di biogas pari a 0.100 m3 per i reflui prodotti da ogni maiale (del peso vivo medio di 85 kg), la quantità di energia producibile dall’allevamento in questione in seguito alla digestione anaerobica dei liquami è stata calcolata in 95914,9546 MJ.


Produzione del liquame

La produzione del liquame suino è stata approssimata a quella del liquame bovino, i cui dati erano disponibili nella banca dati del codice.


Composizione del liquame suino

Sono state calcolate le seguenti quantità di elementi:

  • Sostanza secca (s.s.): 1.5 – 6.0% = 3.75 % di 4800 t = 180 t
  • Azoto: 1.5 – 5.0 kg/t = 3.25 kg/t * 4800t = 15600 kg
  • Fosforo: 0.5 – 2.0 kg/t = 1.25 kg/t * 4800t = 6000 kg
  • Potassio: 1.0 – 3.1 kg/t = 2.05 kg/t * 4800t = 9840 kg
  • Rame: 399 mg/t s.s. * 180t = 71820 mg
  • Zinco: 1384 mg/kg s.s. * 180t = 249120 mg

Caratteristiche del digestato

Al termine del processo di fermentazione anaerobica dei liquami, i principali elementi nutritivi (N, P, K) e i metalli pesanti (Cu, Zn) si conservano pressoché integri. Pertanto si considerano nel digestato le medesime quantità dei suddetti elementi presenti nei liquami di partenza.

Si considera una quantità di digestato pari a 99 t: tale valore è riferito alla sostanza secca.


Energia necessaria per lo spargimento (trazione) del digestato

Considerando un PCI del gasolio di 45 MJ/kg e un consumo di carburante pari a 77.03 kg, è stato calcolato un dispendio energetico pari a:

  • 45MJ/kg*77.03kg = 3466.35 MJ

Emissioni in aria, acqua e suolo dei reflui con la dispersione nei tre comparti

Le emissioni in aria sono principalmente dovute alla combustione del biogas; si hanno dunque le seguenti sostanze con i relativi quantitativi:

    • CO: 500 mg/m3*73000 = 36.5 kg
    • NOx: 400 mg/m3*73000 = 29.2 kg
    • NMVOC: 60 mg/m3*73000 = 4.38 kg
    • HF: 2 mg/m3*73000 = 146 g

Per quanto riguarda le emissioni in acqua sono stati calcolati i seguenti quantitativi:

  • N: 30%*15600 = 4680 kg
  • P: 20%*1.25kg/t*4800t = 1200 kg
  • K: 60%*2.05kg/t*4800t = 5904 kg
  • Cu: 2%*71820 mg = 14364 mg
  • Zn: 2%*249120 mg = 49824 mg

Nel suolo, infine, si considerano i seguenti elementi con le relative percentuali di dispersione e i relativi quantitativi:

  • Cu: 98% 71820 mg = 70383.6 mg
  • Zn: 98% 249120 mg = 244137.6 mg

Analisi del processo Coltivazione Tre Laghi (digestato + biogas da liquame suino)

La prima valutazione del processo è stata ottenuta con il metodo Eco-Indicator99 modificato. Si riporta il grafico della valutazione per single score.

Figura 1 Il diagramma della valutazione per single score del processo Coltivazione Tre Laghi (digestato + biogas da liquame suino) con Eco-indicator99

Il danno totale vale 1.74E4 Pt ed è dovuto per lo 0.18% a Human Heath, per il 99.6% a Ecosystem Quality e per lo 0.262% a Resources.

Inoltre il danno è dovuto per il 100% a Spargimento del digestato ed è legato alla dispersione del fosforo nelle acque, con conseguente eutrofizzazione delle stesse.

La seconda valutazione del processo analizzato è stata ottenuta applicando il metodo EPS 2000 modificato. Si riporta il grafico della valutazione per single score.

Figura 2 Il diagramma della valutazione per single score del processo Coltivazione Tre Laghi (digestato + biogas da liquame suino) con EPS 2000

Il danno totale vale 410 Pt (=ELU=€) ed è dovuto per il -27% a Human Health, per il -38.1% a Ecosystem Production Capacity, per il 126% a Abiotic Stock Resource e per il 38.7% a Biodiversity.

La terza valutazione è stata elaborata con il metodo IMPACT 2002+ modificato. Si riporta il grafico della valutazione per single score.

Figura 3 Il diagramma della valutazione per single score del processo Coltivazione Tre Laghi (digestato + biogas da liquame suino) con IMPACT 2002+

In questo caso il danno totale vale 2.1 Pt ed è dovuto per il 17.6% a Human Health, per il 75.7% a Ecosystem Quality, per il 3.56% a Climate Change e per il 3.13% a Resources.

L’ultima elaborazione è stata effettuata col metodo EDIP 97 modificato. Si sono ottenuti i seguenti risultati:

Figura 4 Il diagramma della valutazione per single score del processo Coltivazione Tre Laghi (digestato + biogas da liquame suino) con EDIP 97

Il danno totale senza risorse vale 250 Pt ed è dovuto per il 95.5% a Eutrophication, per l’1.46% a Ecotoxicity water chronic, per l’1.47% a Ecotoxicity water acute, per lo 0.677% a Human toxicity soil, per il -0.109% a Global warming.

Il danno totale con le risorse vale 259.76 Pt; le risorse incidono pertanto sul danno totale per il 3.75%.


Analisi di sensibilità

All’interno di questo capitolo sono stati interpretati e rappresentati i risultati delle fasi di inventario e di valutazione degli impatti attraverso un’analisi di sensibilità, in modo da avere una percezione dello studio facilmente fruibile e comprensibile e in maniera da evidenziare i vantaggi/svantaggi del processo analizzato (e di altri processi considerati) nei confronti delle diverse modalità di trattamento dei liquami ed in particolare dell’attuale gestione aziendale degli stessi.

Si sono così messi a confronto il processo Coltivazione Tre Laghi (digestato + biogas da liquame suino) con il processo Coltivazione Tre Laghi (liquame suino), ottenendo i seguenti risultati:

Figura 5 Il diagramma della valutazione per single score della comparazione tra il processo Coltivazione Tre Laghi ( biogas + digestato da liquame suino) e il processo Coltivazione Tre Laghi (liquame suino)

Nella coltivazione che usa come fertilizzante il digestato derivante dalla digestione anaerobica dei liquami, si produce un danno minore (17428,281 Pt) rispetto a quella che usa come fertilizzante il liquame (46456,517 Pt) poichè non c’è produzione di NH3 (che incide sia in Respiratory inorganics che in Acidification/eutrophication) e CH4 (che incide su Climate Change). In entrambi i casi si ha però un danno dovuto a Phosphorus, total che incide in Acidification/eutrophication.

Si ha inoltre, nel primo caso, un consumo di energia non rinnovabile minore che nel secondo, pari a 9926 MJ e la contemporanea produzione di 95914,9546 MJ di energia.

E’ stato poi effettuato un altro confronto che, anziché considerare i coprodotti come nel caso precedente, considera i prodotti evitati. Si sono così ottenuti i seguenti risultati:

Figura 6 Il diagramma della valutazione per single score della comparazione tra il processo Trattamento dei reflui zootecnici suini (con prodotto evitato) e il processo Trattamento dei reflui zootecnici suini (con biogas) (con prodotti evitati)

Con la produzione del biogas il danno diminuisce da 0.00796 Pt a 0.00191 Pt, con una diminuzione dunque del 76%. Si ha inoltre un danno evitato in tutte le categorie di impatto ad eccezione di Acidification/ Eutrophication.

In entrambi i casi si riscontra comunque un risparmio di energia non rinnovabile e di Fossil fuels, sebbene nel processo di produzione di energia da biogas si nota un risparmio maggiore di energia non rinnovabile e di Fossil fuels pari rispettivamente a 0.244 MJ e a 0.0156 MJ surplus.

Infine, con la produzione di energia da biogas, si nota anche un danno evitato in Respiratory inorganics pari a -0,000470 Pt.


Analisi dei costi esterni

Per una migliore e più immediata percezione dell’impatto ambientale, si è voluto quantificare in termini monetari il danno prodotto dal processo dettagliatamente analizzato. Si sono a tal proposito utilizzati due dei quattro metodi descritti: EcoIndicator99 modificato ed EPS 2000 modificato.

Si sono ottenuti i seguenti risultati:


Human Health
[€]
Ecosystem Quality/
Biodiversity [€]
Resources/Abiotic Stock resources [€]
Ecosystem Production Capacity [€]
Totale [€]
Eco-indicator99 mondo
751
14606
280.2
15637.2
EPS
-110
159
518
-1.56E3
567


Tabella 1. Costi esterni del processo Coltivazione Tre Laghi (digestato+biogas da liquame suino) calcolati col metodo Eco-indicator99 modificato e col metodo EPS modificato


Le diversità individuate sono frutto delle differenti caratteristiche dei due metodi.

Al fine di rendere quanto più completo ed esaustivo il lavoro svolto, tali risultati sono stati poi paragonati con la valutazione del danno prodotto dal processo di coltivazione che prevede lo spargimento tal quale dei liquami, ottenendo il seguente riscontro:


Coltivazione Tre Laghi (digestato+biogas da liquame suino)
Coltivazione Tre Laghi (liquame suino)
Eco-indicator99 mondo
15637.2
590870
EPS
567
127980

Tabella 2. Confronto tra i costi totali dei processi Coltivazione Tre Laghi (digestato+biogas da liquame suino) e Coltivazione Tre Laghi (liquame suino)


Dall’analisi dei valori si nota che con Eco-indicator99 mondo la valutazione del danno per il processo Coltivazione Tre Laghi (liquame suino) è circa 37.7 volte la valutazione del danno per il processo Coltivazione Tre Laghi (digestato+biogas da liquame suino) mentre con EPS la valutazione del danno per il processo Coltivazione Tre Laghi (liquame suino) è circa 225.7 volte la valutazione del danno per il processo Coltivazione Tre Laghi (digestato+biogas da liquame suino).


Analisi di massima dei costi interni

Si vuol concludere lo studio con una breve e sintetica analisi dei costi interni, così da verificare anche la fattibilità economica dell’intervento e avere un quadro completo su tutti gli aspetti della riconversione energetica.

Partendo dai dati in tabella, individuati con opportune considerazioni, sono stati calcolati alcuni parametri economici indicatori della fattibilità dell’ipotesi progettuale, considerando anche una durata dell’impianto di 10 anni, un tasso d’interesse del 5% e un tasso d’inflazione del 2,9%:


Costo di investimento
99000 €
Costo di manutenzione annua
5040 €
Ricavo annuo
37800 €
EBIT
32760 €

Tabella 3. Valori costi-benefici


  • Pay-back semplice: 99000 €/32760 € = 3 anni
  • VAN = 194642,0475 €

La positività di quest’ultimo valore sta ad indicare che l’intervento sarà remunerativo e se ne consiglia pertanto l’intrapresa. Le analisi effettuate testimoniano dunque, accanto alla già definita fattibilità ambientale e sociale, anche una fattibilità economica per l’intervento che si propone.


Conclusioni generali

Il lavoro svolto mostra sostanzialmente un miglioramento delle attuali condizioni ambientali, sociali ed economiche, in conseguenza della riconversione energetica della filiera di produzione. I vantaggi individuati possono essere riassunti nei seguenti punti:

  • Abbattimento degli odori;
  • Eliminazione delle emissioni atmosferiche dovute in particolare a NH3 e CH4;
  • Biliancio neutro della CO2;
  • Produzione di energia pulita, con risparmio di energia non rinnovabile e Fossil fuels;
  • Ottenimento di un ottimo prodotto ammendante e concimante;
  • Notevole riduzione dei costi esterni;
  • Produzione di nuovo reddito.

Tutto ciò determina la formulazione di un giudizio positivo sulla fattibilità ambientale, sociale ed economica dell’intervento di riconversione energetica della filiera produttiva.


Bibliografia

Pasquini E. e altri "Studio di fattibilità e delle performance di sviluppo energetico attraverso la metodologia LCA riferito alla sanificazione dell’impresa suinicola “Tre Laghi” nella provincia di Chieti", DOC. ENEA ACS-P795-012, Bologna, 2008