Caratteristiche fertilizzanti ed ammendanti delle ceneri

P.S.R. Sicilia 2007-2013
Misura 124 “Cooperazione per lo sviluppo di nuovi prodotti, processi e
tecnologie nei settori agricolo alimentare, e in quello ambientale
PROGETTO:
ECODENS – ECOSTABILIZZAZIONE DELLE SANSE MEDIANTE
DENSIFICAZIONE
CARATTERISTICHE FERTILIZZANTI ED AMMENDANTI
DELL’AGRI-PELLET
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ECODENS - ECOSTABILIZZAZIONE DELLE SANSE MEDIANTE DENSIFICAZIONE
MISURA 124 - PSR SICILIA 2007-2013
CARATTERISTICHE FERTILIZZANTI ED AMMENDANTI
DELL’AGRI-PELLET
1.SOMMARIO
Il presente documento riporta una sintesi delle attività svolte e dei risultati ottenuti
nell‟ambito del progetto ECODENS – ecostabilizzazione delle sanse mediante
densificazione, finanziato con fondi dalla Misura 124 del PSR Sicilia 2007-2013.
Esso descrive in dettaglio le caratteristiche delle ceneri ottenute dalla combustione dell‟agripellet ECODENS ottenuto da miscele di sansa vergine e residui di potature arboree (uliveti,
vigneti e frutteti) in caldaie appositamente implementate per piccole e medie aziende
lattiero casearie.
2. INTRODUZIONE
Il progetto ECODENS – ecostabilizzazione delle sanse mediante densificazione, ha quale
concreto obiettivo la dimostrazione della fattibilità tecnica e della sostenibilità economica di
un processo per la co-densificazione di sanse vergini miste a residui di potature da colture
arboree (uliveti, vigneti, frutteto), che consenta lo sfruttamento energetico di tali biomasse
da parte di aziende agricole energivore (lattiero-casearie), in un ottica di filiera corta.
A tal fine è stata (a) selezionata ed ottimizzata una procedura per la raccolta meccanizzata
dei residui di potature, (b) progettato ed ottimizzato un apposito impianto di codensificazione di miscele di sanse e vergini e residui di potature che consente la produzione
di un agri-pellet di buona qualità, (c) progettata ed ottimizzata una innovativa caldaia ad
agri-pellet per aziende casearie, (d) verificato l‟uso delle ceneri di agri-pellet in agricoltura
quali fertilizzanti ed ammendanti dei terreni agricoli.
In accordo con l‟orientamento delle politiche comunitarie e nazionali in ambito di sviluppo
delle fonti energetiche rinnovabili (FER), il progetto pertanto consente di dare un
significativo contributo allo sfruttamento energetico delle biomasse provenienti
direttamente dal mondo agricolo, consentendo altresì di trasformare il crescente problema
2
legato allo smaltimento di sanse e residui di potature in una opportunità di reddito per le
aziende agricole.
In dettaglio, in parallelo con le altre attività del progetto, è stata portata avanti, in stretta
collaborazione con i tecnici dell‟ente partner Co.Ri.Bi.A, una attività finalizzata alla
verifica delle proprietà fertilizzanti ed ammendanti dell‟uso delle ceneri in agricoltura. Un
tale uso delle ceneri può produrre importanti benefici economici ed ambientali alle aziende
agricole del territorio siciliano.
(a)
(b)
(c)
Fig.1 – (a) agri-pellet ECODENS e relativa cenere (c) ottenuta dopo combustione in caldaia (b).
3. CARATTERIZZAZIONE DEL PELLET
Ad uno studio preliminare della letteratura scientifica sull‟argomento, è seguita un attività di
ricerca specifica finalizzata alla analisi dettagliata delle caratteristiche dell‟agri-pellet e e
delle sue ceneri, per il raggiungimento degli obiettivi di verifica del progetto.
In questa attività sono stati considerati, in particolare, le disposizioni legislative in merito
alla composizione chimica delle biomasse utilizzabili per la formazione del pellet (D.Lgs
152/2006) e alle norme circa la qualità merceologica (UNI EN 14961).
Dal punto di vista della legislazione (tutela dell‟ambiente) ma anche delle qualità
merceologiche (tutela del consumatore) risulta di grande importanza la determinazione della
concentrazione dei metalli pesanti, avendo tali elementi hanno un influenza notevole sulla
possibilità di utilizzare le biomasse ai fini energetici o di riutilizzare i prodotti ottenuti dalla
combustione per vari fini. In accordo con la legislazione e con la normativa, particolare
attenzione deve essere posta sulla concentrazione in peso di alcuni metalli pesanti quali:
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
Arsenico (As)
Cadmio (Cd)
Cromo (Cr)
Rame (Cu)
Piombo (Pb)
Mercurio (Hg)
Nichel (Ni)
Zinco (Zn)
essendo di particolar rilievo l‟influenza di tali elementi sul corretto mantenimento biologico
dei prodotti agroalimentari.
Una volta individuati gli elementi da rilevare, si è provveduto ad individuare i metodi
analitici le metodologie pratiche comunemente utilizzate per una accurata e ripetibile
misurazione delle relative concentrazioni. Si è cosi deciso di utilizzare in particolare la
3
cosiddetta spettrometria di massa a plasma accoppiato induttivamente, indicata
generalmente con l‟acronimo ICP-MS (Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry). Si
tratta in pratica di una tecnica basata sull'utilizzo della spettrometria di massa abbinata al
plasma accoppiato induttivamente. È una tecnica molto sensibile e in grado di determinare
diverse sostanze inorganiche metalliche e non metalliche presenti in concentrazioni inferiori
a una parte per miliardo. Sfrutta l'utilizzo di una torcia al plasma ICP per produrre la
ionizzazione e di uno spettrometro di massa per la separazione e rivelazione degli ioni
prodotti. Nella seguente figura è rappresentata la strumentazione, in possesso del partner
Co.Ri.Bi.A, utilizzata per tali misurazioni.
Fig. 1 - Strumentazione ICP –MS in possesso del partner Co.Ri.Bi.A, utilizzata
per l‟analisi della concentrazione dei metalli pesanti.
Nella seguente tabelle sono preliminarmente riportati i limiti sulla massima concentrazione
di tali elementi, imposti dalla norma UNI–EN 14961-6, che è in dettaglio la norma che si
riferisce al pellet non legnoso per usi non industriali (vedi tabella 2 della norma relativa a
pellet ottenuti da biomasse erbacee e/o derivanti dalla sottoprodotti della frutticoltura); in
dettaglio la norma distingue tali pellet in 2 categorie, A e B, essendo in genere la A quella
caratterizzata da migliore qualità.
Tab.1 - Limiti della concentrazione di metalli pesanti previsti dalla norma UNI- EN 14961-6.
Metallo
U.M.
Tipo A
Tipo B
Arsenico (As)
ppm
≤1
≤1
Cadmio (Cd)
ppm
≤ 0.5
≤ 0.5
Cromo (Cr)
ppm
≤ 50
≤ 50
Rame (Cu)
ppm
≤ 20
≤ 20
Piombo (Pd)
ppm
≤ 10
≤ 10
Mercurio (Hg)
ppm
≤ 0.1
≤ 0.1
Nichel (Ni)
ppm
≤ 10
≤ 10
Zinco (Zn)
ppm
≤ 100
≤ 100
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Si osserva anzitutto che per entrambe le classi la norma prevede in pratica gli stessi limiti.
Le concentrazione, in ppm, si riferiscono sempre al prodotto secco, e pertanto prima delle
analisi l‟agri-pellet, che presenta mediamente una umidità intorno al 10-12%, deve essere
opportunamente essiccato in stufa. Il confronto dei valori previsti per il pellet non legnoso
per usi non industriali dalla norma UNI-EN 14961-6 con quelli che la norma UNI-EN
14961-2 prevede per il pellet legnoso, mostra come in pratica solo i limiti di cromo e rame
sono più elevati per il pellet non legnoso. In particolare per questi la norma prevede un
limite di 10 ppm.
Di seguito sono riportati i risultati delle analisi eseguite sull‟agri pellet ECODENS ottenuto
da miscele di sanse vergini e residui di potature di ulivo, considerando in particolare due
distinti rapporti in peso dei due componenti: 50/50 e 30-70. Si noti che quest‟ultimo è il
rapporto che corrisponde in pratica allo sfruttamento energetico completo di tutte le sanse e
dei residui di potature derivanti da una coltura di ulivo nel territorio siciliano. I valori
misurati sono pure nella seguente tabella confrontati con i valori previsti dalla norma UNIEN 14961-6.
Tab. 2 - Confronto del contenuto di metalli pesanti con i limiti previsti dalla UNI-EN 14961-6.
Metallo
U.M.
UNI
Pellet 50-50
Pellet 30-70
Arsenico (As)
mg/Kg
< 1,0
0,1
0,07
Cadmio (Cd)
mg/Kg
< 0,5
0,03
0,02
Cromo (Cr)
mg/Kg
< 10
3,57
1,27
Rame (Cu)
mg/Kg
< 10
9,89
9,86
Piombo (Pd)
mg/Kg
< 10
3,71
2,09
Mercurio (Hg)
mg/Kg
< 0,1
0,03
0,01
Nichel (Ni)
mg/Kg
< 10
5,11
5,4
Zinco (Zn)
mg/Kg
<100
14,21
19,6
Il confronto dei risultati mostra che l‟agri-pellet ECODENS rispetta ampiamente tutti i
limiti della norma, con la sola eccezione dei valori del rame che risultano prossimi al
relativo limite. Successivi approfondimenti su questo ultimo valore hanno mostrato come,
utilizzando le stesse materie prime tale concentrazione tende velocemente a diminuire con il
tempo di utilizzazione del macchinario indicando che tale elevato valore della
concentrazione non è legato alla materia prima ma piuttosto a residui di lavorazione presenti
nel macchinario nuovo, che ovviamente tendono a scomparire con l‟uso dello stesso. Ne
consegue pertanto la raccomandazione di non utilizzare mai il primo pellet prodotto da
macchinario nuovo specie per usi temere molto rischi di inquinamento da rame. Superata
comunque la fase di primo avviamento, è possibile affermare che la concentrazione di
metalli pesanti sull‟agri-pellet è sempre ben al di sotto dei limiti previsti dalla norma.
4. CARATTERIZZAZIONE DELLE CENERI
In accordo con gli obiettivi del progetto ECODENS, è stato condotto uno studio
approfondito circa la possibilità di utilizzare le ceneri, ottenute dalla combustione dell‟agripellet, come fertilizzanti e/o ammendanti dei terreni agricoli siciliani.
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Come è noto, le ceneri presentano notevoli vantaggi di carattere agronomico, riconosciuti
da tempo, e legati all‟elevato contenuto in elementi minerali utili per le colture quali
soprattutto Calcio (Ca), potassio (K), fosforo (P) e magnesio (Mg). Data la notevole
presenza di metalli alcalini, inoltre, le ceneri favoriscono in genere l„innalzamento del pH di
terreni acidi, nonchè il miglioramento della struttura del suolo favorendo la formazione di
aggregati stabili.
Dall‟altra parte, come si evince da numerose ricerche, nelle ceneri sono presenti altre
sostanze minerali (metalli pesanti) di cui occorre tenere conto anche al fine di ridurre i
potenziali effetti negativi di accumulo di sostanze indesiderate nel suolo che in casi estremi
potrebbero portare a problemi di inquinamento ambientale. Questo principio è rafforzato
dal fatto che le ceneri da combustione di biomasse sono, a norma di legge, a tutti gli effetti
“rifiuti speciali non pericolosi” ai sensi del D.Lgs 152/06 e s.m. e allo stato attuale il loro
impiego agronomico è realizzabile solo se queste provengono dalla combustione di legno
vergine (anche in agricoltura biologica) e sia monitorata la concentrazione di metalli
pesanti.
In accordo con la letteratura scientifica sull‟argomento, il monitoraggio diretto degli effetti
dello spargimento delle ceneri sulle colture agricole richiede periodi di monitoraggio molto
lunghi, di parecchi anni, periodo non compatibile con la durata del progetto ECODENS. Per
questo, considerate tali peculiari difficoltà oggettive, in alternativa si è utilizzato un
approccio capace di dare significative indicazioni senza necessita di lunghi tempi di
sperimentazione.
Una tecnica ch è apparsa subito molto interessante ai fini di valutare le proprietà
fertilizzanti delle ceneri, è quella basata sul confronto del titolo fertilizzante della cenere
(quantità di elementi utili) con il titolo di altre sostanze concimanti, al fine di evidenziare
l‟utilità anche dal punto di vista economico, dell‟uso della cenere come fertilizzante
nell‟ambito di piani di concimazione redatti per le colture di pieno campo previste dal
progetto (vigneti, frutteti e oliveti).
A tal fine sono state effettuate dapprima sistematiche prove analitiche volte a individuare in
primo luogo la presenza di eventuali fattori di rischio per l‟ambiente, quali i metalli pesanti;
e in secondo luogo la concentrazione di elementi nutritivi utili per le piante o per la fertilità
del suolo in generale.
Per le analisi sono sati utilizzati i campioni di cenere ottenuti dalla combustione in caldaia
dell‟agri-pellet ECODENS ottenuto da miscele di sansa vergine e residui di potature di
ulivo, nel rapporto ponderale 30/70.
Le analisi chimiche relative al contenuto degli elementi nutritivi e dei metalli pesanti
nonchè degli elementi fertilizzanti (N, P, K, Mg, Ca) sono state eseguite, come prima,
utilizzando la spettrometria di massa ICP-MS. I campioni sono stati dapprima sottoposti a
processo di dissoluzione mediante attacco acido in un sistema chiuso a microonde.
Ottenuti i valori dei diversi elementi utili alla caratterizzazione delle ceneri, la
concentrazione degli elementi Ca, P, K e Mg è stata convertita nella equivalente
concentrazione di ossidi quali CaO, P2O5, K2O e MgO rispettivamente, al fine di consentire
un facile confronto con i dati reperibili in letteratura.
I risultati ottenuti sono stati dapprima confrontati con i limiti previsti dalla attuale normativa
(D.lgs 75/2010) per i metalli pesanti presenti nei fertilizzanti. La seguente tabella 3 mostra
i risultati e tale confronto.
Dall‟analisi della tabella 3 è possibile notare come nessuno dei metalli pesanti considerati
superi i limiti massimi previsti dal decreto legislativo 75/2010, per cui è possibile affermare
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che le ceneri prodotte dalla combustione del pellet ECODENS possono essere re-immesse
nel terreno agricolo, nel rispetto dei limiti normativi, ovvero senza che ciò comporti alcun
rischio di carattere ambientale.
Tab. 3 – Concentrazione dei metalli pesanti nelle ceneri di agri-pellet ECODENS.
Elemento
U.M.
Cenere 50 -50
Cenere 30 -50
D.lgs 75/2010
Arsenico (As)
mg/Kg
0,25
0,48
< 1,0
Cadmio (Cd)
mg/Kg
0,073
0,07
< 1,5
Cromo (Cr)
mg/Kg
20,48
23,49
---
Rame (Cu)
mg/Kg
176,2
119,6
< 230
Piombo (Pd)
mg/Kg
33,81
25,09
< 140
Mercurio (Hg)
mg/Kg
0,02
0,02
< 1,5
Nichel (Ni)
mg/Kg
48,3
31,89
< 100
Zinco (Zn)
mg/Kg
109,6
226,8
< 500
I risultati relativi alla concentrazione degli elementi cosiddetti fertilizzanti, cioè utili alla
nutrizione delle piante, sono riportati nelle seguente tabella 4 insieme ai valori caratteristici
di ceneri ottenuti dalla combustione del legno.
Tab. 4 - Concentrazione di macro elementi nelle ceneri di agri-pellet ECODENS.
Elemento
U.M.
Ceneri da legno
Cenere da Pellet 30-70
Azoto (N)
%
0,00
0,00
Fosforo (P2O5)
%
6,20
2,93
Potassio (K2O)
%
10,30
8,49
Magnesio (MgO)
%
5,60
5,45
Calcio (CaO)
%
42,80
23,40
L‟esame comparativo mostra che la cenere dell‟agri-pellet ECODENS ha una
concentrazione di potassio e magnesio (e azoto) confrontabile con quella delle ceneri di
legno, mentre è inferiore è il contenuto di calcio e fosforo. Pari a circa la metà è invece il
contenuto fosforo e calcio.
In particolare, dal punto di vista agronomico, risulta di notevole importanza il contenuto in
potassio e calcio.
Il potassio infatti, è un elemento chimico che la pianta assorbe in discrete quantità; esso
rappresenta un importante regolatore fisiologico della permeabilità cellulare, interviene nei
sistemi enzimatici della sintesi di glucidi, oltre a regolare la turgescenza cellulare e i
processi di accumulo degli zuccheri.
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Il calcio invece, riveste un ruolo di fondamentale importanza sulla fertilità del suolo più che
per la nutrizione delle piante. Infatti, questo elemento regola il pH del terreno che ha
notevole influenza sulla effettiva disponibilità degli elementi nutritivi (pH lontani dalla
neutralità rendono il terreno inospitale per molte colture e creano fenomeni di insolubilità
per molti elementi nutritivi).
Al fine di evidenziare l‟utilità delle ceneri dell‟agri-pellet ECODENS nella concimazione
delle colture, si è provveduto a dare un titolo alle ceneri analizzate, inteso come il contenuto
in elementi nutritivi del concime espresso in % sul peso. In altre parole, come nelle
confezioni di concime chimico presenti in commercio è riportato nell'ordine il titolo in
azoto, anidride fosforica (P2O5) e ossido di potassio (K2O), anche per le ceneri è stato
calcolato in pratica il titolo in N- P2O5- K2O che risulta peri a 0 – 3 – 9 (vedi tabella 4).
Tale classificazione ha permesso di stimare il quantitativo di cenere necessario per
effettuare una concimazione potassica in alcune delle principali colture arboree ed erbacee
della Sicilia, come riportato nella successiva tabella 5.
Tab. 5 - Fabbisogno in potassio di alcune colture diffuse in Sicilia e ceneri necessarie.
Coltura
U.M.
Fabbisogno medio di
Quantità di cenere da
potassio
distribuire
Arance
Kg/ha
50-100
550-1100
Limone
Kg/ha
50-100
550-1100
Olivo da olio
Kg/ha
40-60
440-660
Vite da vino
Kg/ha
40-80
440-880
Anguria
Kg/ha
80-160
880-1700
Fragola
Kg/ha
30-100
300-1100
Pomodoro
Kg/ha
120-200
1200-2200
Melone
Kg/ha
100-200
1200-2200
Dalla tabella si osserva come per colture arboree e per la fragola, i quantitativi minimi
variano tra 300 e 550 kg/ha di ceneri, mentre per altre colture orticole (anguria, pomodoro e
melone) si hanno quantitativi minimi compresi tra 880 e 1200 kg/ha. Tenuto conto che dalla
combustione di agri-pellet, come ampiamente mostrato dalle analisi condotte nell‟abito del
progetto dai tecnici della SABER, si ottiene una percentuale di pellet di circa il 5%, si ha
che la concimazione potassica di un ettaro di colture arboree o fragole necessita delle ceneri
derivanti dall‟uso di 6-10 ton circa di agri-pellet, mentre per la concimazione di ortaggi
sono necessarie le ceneri derivanti dall‟uso di 16-20 ton di agri-pellet. In altre parole le
ceneri prodotte da una azienda casearia medio-piccola, che utilizza circa 15 ton di agripellet, possono servire alla concimazione potassica 1.5-2.5 ha di colture arboree ovvero
0.7-1 ha circa di colture orticole.
Risulta pertanto dimostrato come lo spargimento delle ceneri di agri-pellet nel terreno
agricolo non comporta alcun effetto inquinante (legge 75/2010), ma anzi da luogo ad una
significativa concimazione (incremento dei macro elementi) di questo, consentendo allo
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stesso tempo di trasformare un rifiuto (le ceneri) in una risorsa con sensibili vantaggi per le
coltivazioni e l‟economia delle aziende agricole.
Altro vantaggio legato all‟utilizzazione delle ceneri è la possibilità di effettuare sui suoli
acidi la cosiddetta “calcitazione”, ovvero la correzione del pH dei terreni mediante la
somministrazione di calce (CaO) di cui la cenere è relativamente ricca (23% circa, vedi
tabella 4). Lo spargimento delle ceneri nei terreni agricoli acidi consente in pratica sia di
innalzare il pH mediante sostituzione degli ioni H+ con lo ione calcio Ca++, sia di
arricchire il terreno di Ca che porta ad un significativo miglioramento della struttura, grazie
alla formazione di ponti di calcio tra i colloidi argillosi.
E‟ quindi altresì dimostrato come lo spargimento delle ceneri dell‟agri-pellet consenta la
correzione ed il miglior manto della delle qualità dei terreni, specie quelli acidi e argillosi.
5. CONCLUSIONI
In conclusione, grazie agli studi eseguiti e sopra sinteticamente esposti, è possibile
affermare che:
1) La concentrazione dei metalli pesanti presenti nell‟agri-pellet ECODENS rispetta
ampiamente i relativi limiti previsti dalla norma UNI-EN 14961;
2) il residuo principale del processo di combustione del‟agri-pellet ECODENS,
ovvero le ceneri, possono essere vantaggiosamente re-impiegate in agricoltura sia
quale fertilizzante per la concimazione potassica dei terreni agricoli, sia quali
correttivi ed ammendanti dei i suoli acidi ed argillosi.
Si tratta di importanti risultati caratterizzati da significativi vantaggi economici ed
agronomici, che consentono di trasformare ciò che attualmente sono considerati rifiuti, in
una vera e propria risorsa per il modo agricolo.
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