di Sergio Piccinini, Giuseppe Moscatelli, Silvia Tagliavini , Centro Ricerche Produzioni Animali – CRPA scpa, Reggio Emilia
IL CONTESTO DEL PROGETTO STRUVITE E GLI OBIETTIVI
Il progetto Struvite nasce da una duplice esigenza. Nelle zone con molti allevamenti zootecnici come la pianura padana c’è un surplus di azoto e fosforo disponibile, derivante dagli effluenti animali. Questa eccedenza può causare problemi ambientali, come emissioni nocive in atmosfera, inquinamento dei corpi idrici e delle falde. Per contro, in altre zone l’agricoltura ha bisogno di fertilizzanti, ma quelli attualmente utilizzati sono di origine industriale e la loro produzione è costosa, energivora, contribuisce ai cambiamenti climatici e utilizza materie prime, come le rocce fosfatiche, considerate in via di esaurimento nel mondo.
Con la digestione anaerobica già adesso avviene una prima valorizzazione degli effluenti zootecnici con la produzione di biogas. Dal digestato che deriva come sottoprodotto di questo processo, il progetto Struvite intende recuperare il fosforo e l’azoto per trasformarli in un prodotto fertilizzante naturale, la struvite, offrendo una soluzione vantaggiosa sia per l’ambiente sia per l’agricoltura.
La struvite è un sale cristallino principalmente composto da fosforo, azoto e magnesio. Questi elementi sono fondamentali per la fertilità dei terreni agricoli, perché sono quelli di cui ogni coltura vegetale necessita per crescere e produrre. In pratica, la struvite è un fertilizzante naturale che può sostituire i concimi di origine industriale e che, in accordo col nuovo Regolamento Europeo 2019/1009 sui fertilizzanti, può competere su tutto il mercato europeo con i fertilizzanti minerali e di sintesi ed evitare le emissioni di gas serra derivanti dalla loro produzione.
Il sistema prototipale sviluppato nel progetto Struvite, installato in un allevamento suinicolo dotato di impianto biogas che tratta effluenti zootecnici e sottoprodotti agroindustriali, è in grado di recuperare un precipitato ricco in struvite dal digestato per utilizzarlo come fonte di fosforo al posto delle rocce fosfatiche e dell’azoto di origine chimica. L’obiettivo è avviare il recupero della struvite e la sua commercializzazione. Il prodotto fertilizzante naturale che si ottiene può essere utilizzato direttamente nei campi oppure ulteriormente lavorato dall’industria dei fertilizzanti.
Il progetto “Struvite – Trattamento dei digestati per ridurre le emissioni e recuperare un fertilizzante, la struvite” è finanziato nell’ambito del PR-FESR Emilia-Romagna 2021-2027 (www.struvite.it). Il progetto è coordinato dal CRPA di Reggio Emilia e ha visto in primis la partecipazione della Società Agricola Colombaro, sede delle attività e importante e storico allevamento suinicolo di Formigine in provincia di Modena e socio CIB, ed è supportato dal CIB stesso.
IL PROTOTIPO REALIZZATO
Come detto sopra, obiettivo del progetto è quello di produrre il fertilizzante a base di struvite attraverso il recupero di azoto e fosforo nei digestati agrozootecnici e da Forsu (per le attività di ricerca sul trattamento di tale matrice è stata coinvolta nel progetto Biorg, società del gruppo HERA, che gestisce un digestore anaerobico per la produzione di biometano da Forsu e sottoprodotti agroindustriali).
Col Gruppo Operativo STRUVITE (https://struvite.crpa.it), realizzato nell’ambito del Programma di Sviluppo Rurale 2014-2020 della Regione Emilia-Romagna, CRPA aveva già sperimentato un processo di produzione della struvite da digestato zootecnico. Il nuovo progetto offre l’opportunità di proseguire nell’implementazione, nella messa a punto del processo e nella sua dimostrazione prototipale in ambito aziendale.
Per fare ciò, il progetto ha realizzato e sta implementando un sistema prototipale a scala aziendale costituito da:
- un microfiltro per ridurre la presenza di sostanza organica sospesa che ostacolerebbe la precipitazione della struvite;
- un filtro zeolitico per ridurre la concentrazione di ammoniaca del digestato, avvicinandolo a un rapporto stechiometrico N:P ottimale per la cristallizzazione/precipitazione della struvite;
- un sistema di additivazione di compositi biochar-Mg come additivi di magnesio a lento rilascio e catalizzatori della cristallizzazione della struvite;
- una fase di cristallizzazione/sedimentazione per ottenere una fase densa precipitata ricca in struvite;
- una filtropressa per disidratare e compattare il precipitato struvitico e le zeoliti arricchite di ammonio.
Il sistema prototipale è installato presso l’Azienda Agricola Colombaro a Formigine (MO), un allevamento suinicolo che sottopone i propri liquami in uscita dalle porcilaie al processo di digestione anaerobica con produzione di biogas. La digestione anaerobica comporta la mineralizzazione di parte dell’azoto organico presente nei reflui in azoto ammoniacale (N-NH4+) e di parte del fosforo organico ad ortofosfato inorganico (PO43-). Pertanto, il digestato, in uscita dalla digestione anaerobica e dalla successiva separazione solido/liquida, è una matrice ottimale da avviare al processo innovativo di recupero di azoto e fosforo per cristallizzazione e precipitazione di struvite, in quanto sono gli ioni fosfato ed ammonio che, legandosi al magnesio, contribuiscono alla formazione del sale.
Il prototipo è diviso in tre sezioni: una prima sezione di pretrattamento dell’effluente, con microfiltro e filtro zeolitico, da un successivo reattore di cristallizzazione e precipitazione della frazione densa ricca di struvite e da una fase finale di disidratazione della frazione densa precipitata con filtropressa (figure 1, 2 e 3).
Figura 1 – Schema della linea di trattamento prototipale realizzata
Figura 2 – Prototipo in fase di implementazione e installazione in azienda
Figura 3 – Vista dall’alto del prototipo: fase di cristallizzazione/sedimentazione
La prima sezione di pretrattamento prevede l’eventuale aggiunta di acido per incrementare la frazione minerale di fosforo (ortofosfato), già naturalmente presente nei liquami suinicoli digeriti; una successiva microfiltrazione a 40 micron (con macchina messa a disposizione da WAMGROUP), al fine di avviare alla cristallizzazione un refluo il più possibile privo di materiale sospeso e particolato solido che ostacolerebbero la formazione della struvite; una filtrazione con zeolite (sistema prototipale messo a disposizione sempre da WAMGROUP e sviluppato con la collaborazione dell’Università di Ferrara, partner del progetto con il laboratorio Terra&AcquaTech) per rimuovere e recuperare parte dell’azoto ammoniacale, ripristinando un più corretto rapporto molare tra azoto e fosforo, altrimenti decisamente sbilanciato verso l’azoto e nel contempo ottenere un ammendante azotato, la zeolite arricchita in ammonio.
La seconda sezione si compone di un reattore cilindrico di cristallizzazione, concentrico a un reattore a cono rovesciato in cui avviene la successiva fase di precipitazione della struvite. La frazione addensata ricca di struvite viene scaricata dal fondo, mentre lo scarico del surnatante chiarificato impoverito di fosforo avviene nell’estremità alta. Nel reattore di cristallizzazione può essere aggiunto un sale di magnesio, nel caso fosse necessario aumentare la concentrazione di ione magnesio per garantire i rapporti stechiometrici ottimali alla cristallizzazione della struvite: nel progetto viene, inoltre, testata l’aggiunta di un composito innovativo a base di biochar, prodotto da scarti agricoli, e magnesio recuperato da dolomia in sostituzione del sale di magnesio e coadiuvante del processo di cristallizzazione. Tale fase è sviluppata dall’Università di Bologna, anch’essa partner del progetto, con il laboratorio CIRI FRAME.
All’interno del reattore cilindrico di cristallizzazione una soffiante insuffla aria tramite una coppa porosa con la duplice funzione di miscelare i reagenti e incrementare il pH attraverso lo strippaggio della CO2. Un pH basico del refluo è infatti necessario per la precipitazione della struvite. Nel caso l’aereazione non risultasse sufficiente a ottenere il pH desiderato di 8,5-9,5, è previsto un sistema automatico di innalzamento del pH mediante l’aggiunta di un reagente basico. La frazione precipitata ed estratta dal sedimentatore viene poi sottoposta a filtropressatura, con una filtropressa messa disposizione dalla Diemme Soil Washing, per l’ottenimento di un pannello disidratato ricco di struvite avviabile, ad esempio, all’industria dei fertilizzanti organici e organo-minerali.
Il prototipo, ora completo in tutte le sue sezioni, è in grado di trattare in continuo e in modo autonomo circa 5 m3 al giorno di digestato.
LE PRIME PROVE CON IL PROTOTIPO E CONSIDERAZIONI
Nei primi sei mesi del 2025 sono stati condotti dei test della durata di una settimana ciascuno che hanno valutato tre diverse condizioni operative: la prima ha visto l’acidificazione del digestato chiarificato, microfiltro funzionante, aggiunta di MgCl2 e alcalinizzazione del microfiltrato, estrazione del precipitato dal cristallizzatore/sedimentatore ogni 4 ore; nella seconda prova, dopo il microfiltro è stato inserito anche il filtro zeolitico (si utilizza tufo ricco in chabazite che nelle prove in laboratorio ha mostrato ottime performance, in termini di ammonio rimosso) con produzione di zeolite arricchita in ammonio, e con le stesse altre condizioni di cui sopra; la terza prova è stata condotta senza l’utilizzo del filtro zeolitico, ma con la sostituzione del MgCl2 con il composito biochar-Mg. Il composito biochar-Mg utilizzato (72 kg) è stato prodotto in laboratorio e selezionato tra differenti tipologie a seguito di test atti a capire quale miscela biochar-dolomie offrisse le migliori prestazioni in termini di costi-benefici in vista di una eventuale produzione a scala industriale. Sono stati inoltre verificati aspetti operativi quali la possibilità di preparare con il composito biochar-Mg uno slurry pompabile con cui alimentare, nelle corrette dosi richieste dal processo, il sistema prototipale (durante la terza prova si è utilizzata una soluzione del composito con acqua 1:2).
In tutte le prove sono stati prelevati diversi campioni e sono state condotte le analisi chimiche per la loro caratterizzazione (tabelle 1 e 2).
| pH | [-] | 8,27 |
| Solidi totali (ST) | [g/kg tq] | 46,95 |
| [%tq] | 4,7 | |
| Solidi volatili (SV) | [g/kg tq] | 29,86 |
| [%ST] | 63,6 | |
| Azoto totale Kjeldhal (NTK) | [mg/kg tq] | 4679 |
| [%ST] | 10,0 | |
| Azoto ammoniacale (N-NH4+) | [mg/kg tq] | 3223 |
| [%NTK] | 69,0 | |
| Fosforo totale (P) | [mg/kg tq] | 1272 |
| [%ST] | 2,7 | |
| Fosforo ortofosfato (P-PO43-) | [mg/kg tq] | 300 |
| [%P tot] | 6,4 | |
| Magnesio (Mg) | [mg/kg tq] | 668 |
| [%ST] | 1,4 | |
| Calcio (Ca) | [mg/kg tq] | 1645 |
| [%ST] | 3,5 |
Tabella 1 – Caratteristiche chimico-fisiche medie (6 campioni) del digestato chiarificato (trattato con separatore a compressione elicoidale) oggetto del trattamento con il sistema prototipale
Tabella 2 – Caratteristiche chimiche dei principali flussi dei “prodotti” del sistema prototipale campionati durante le prime tre prove condotte sul prototipo: precipitato struvitico, zeolite arricchita in ammonio, frazione addensata del microfiltro, surnatante del reattore di precipitazione cristallizzazione (vedi figura 1)
I risultati analitici e i vari rilievi effettuati sono in corso di elaborazione e, in prima istanza, consentono le seguenti considerazioni:
- il recupero di fosforo e azoto dai digestati agro-zootecnici attraverso lo sviluppo e l’implementazione del sistema prototipale Struvite risulta tecnicamente fattibile; il progetto è ancora in corso e il precipitato contenente struvite deve essere ancora sottoposto alle prove di filtropressatura al fine di ottenere un materiale più “secco” e quindi più facilmente gestibile;
- tale materiale, in ogni caso, dovrà essere ulteriormente raffinato/valorizzato, per poter effettivamente sostituire i minerali fosfatici con fosforo di recupero in accordo col nuovo regolamento europeo sui fertilizzanti. Sono in corso di attivazione collaborazioni in tal senso con imprese produttrici di fertilizzanti;
- l’elevata concentrazione di solidi, sostanza organica e sali minerali, in particolare calcio, nel digestato, anche se sottoposto a separazione solido/liquido, risulta una criticità in quanto ostacola la formazione dei cristalli di struvite e la loro successiva precipitazione. Il sistema di pretrattamento del digestato prima dell’immissione nel sistema prototipale di cristallizzazione/precipitazione della struvite può e deve essere ulteriormente efficientato. Le prove che verranno condotte nei prossimi mesi verteranno in particolare su questo aspetto (il termine del progetto è previsto per agosto 2026).
- In relazione ai dati presentati in tabella 2, il contenuto di Solidi Totali (ST) del surnatante non risulta significativamente ridotto rispetto al digestato chiarificato (vedi tabella 1) in ingresso al trattamento in quanto nel processo è stato aggiunto nei test 1 e 2 sale di cloruro di magnesio e nel test 3 il composito biochar-Mg, che in piccola parte ritroviamo nel surnatante; inoltre nel test 3 il fatto che il contenuto di N e P del precipitato siano superiori così come il Mg è da attribuire sempre all’aggiunta del composito biochar-Mg;
- anche le prove in campo hanno dimostrato l’elevata affinità della zeolite nel catturare l’azoto ammoniacale e successivi test in laboratorio di essiccazione della zeolite arricchita in ammonio prodotta hanno evidenziato la sua capacità di non rilasciare l’azoto ammoniacale nonostante l’evaporazione della componente acquosa;
- la frazione addensata del microfiltro contiene gran parte della sostanza organica, del fosforo e dell’azoto organici presenti nel digestato chiarificato (vedi tabella 1) in ingresso al sistema prototipale; tale frazione può essere rinviata nel digestore anaerobico per un ulteriore recupero di biogas o sottoposta a filtropressatura per ottenere una frazione disidratata con un buon tenore di sostanza organica.
Bibliografia
S. Piccinini, G. Moscatelli, A. Pignagnoli (2024) – Trattamento dei digestati agro-zootecnici per ridurre le emissioni e produrre Struvite – BIOGASINFORMA 43/24.
S. Piccinini, G. Moscatelli (2025) – Recuperare struvite dai digestati zootecnici- Suinicoltura n. 5 maggio 2025.
C. Vaneeckhaute et al. (2017) – Nutrient recovery from digestate: systematic technology review and product classification – Waste Biomass Valor, Springer.
M. Muys et al. (2021) – A systematic comparison of commercially produced struvite: quantities, qualities and soil-maize phosphorus availability – Science of Total Environment, volume 756, Elsevier.
