Economia circolare: biochar e idrochar da fanghi – Bioenergie

La crescita della popolazione e le normative sempre più stringenti in materia di tutela delle acque hanno portato a sistemi di trattamento dei reflui sempre più complessi e performanti, con il conseguente aumento del volume di fanghi di depurazione. I fanghi vengono ancora percepiti dalla politica e dal pubblico come un problema e quindi smaltiti come rifiuti malgrado contengano nutrienti preziosi per il suolo.

Leggi anche Il recupero di fertilizzanti da fanghi fognari

In particolare, i fanghi potrebbero contribuire a risolvere il problema dell’impoverimento di fosfati nei suoli agricoli, sostituendo fino al 50% dei fertilizzanti minerali fosfatici nell’agricoltura europea. Purtroppo i fanghi talvolta contengono anche sostanze nocive e questa è la causa per la quale, per pura arbitrarietà ideologica, la legislazione non fa alcuna differenza fra fanghi industriali e civili, vietandone di fatto l’utilizzo in agricoltura. In altri Paesi europei più evoluti, come la Svezia, l’uso agricolo dei fanghi fognari è possibile e sono state emanate politiche per il recupero dei nutrienti, non senza polemiche (¹). Le pratiche attuali di smaltimento dei fanghi fognari, come il monoincenerimento, sono energivore perché richiedono l’essiccazione e non consentono un recupero efficiente del fosforo.

Esistono due processi termochimici alternativi per il trattamento dei fanghi:

• Pirolisi. Il fango viene mantenuto per un certo tempo a temperatura compressa fra 350 e 500^°C, in assenza di ossigeno. Per poter attuare la pirolisi è necessario però essiccare il fango, quindi questa alternativa presenta problemi analoghi all’incenerimento.
• Carbonizzazione idrotermale, detta HTC dall’inglese hydrothermal carbonization. Il fango viene solo parzialmente disidratato e portato a temperatura fra 200 e 300^°C, ad alta pressione.

Pirolisi e HTC convertono i fanghi in carbone, chiamato rispettivamente biochar o idrochar a seconda del processo di provenienza, e in altri prodotti liquidi e gassosi. Tale carbone è utilizzabile come ammendante del suolo (si vedano La dicotomia del biochar e Risparmiare acqua e fertilizzanti con il biochar), combustibile o adsorbente, ad esempio per la purificazione dell’acqua.

Tuttavia, gli impatti ambientali di tali processi non sono chiari rispetto al monoincenerimento dei fanghi, ad oggi la pratica più diffusa. Le migliori applicazioni per biochar e idrochar nell’ambito dell’economia circolare agricola sono ancora in fase di ricerca.

Un recente studio, al quale hanno partecipato due università italiane (²), ha tentato di identificare quale sia la migliore strategia di utilizzo del biochar o idrochar da fanghi fognari, mediante la tecnica nota come valutazione del ciclo di vita (Lca, Life Cycle Assessment). Lo studio confronta i trattamenti termochimici dei fanghi (pirolisi e HTC) valutando otto percorsi di riciclaggio per il biochar o l’idrochar risultante, rispetto al monoincenerimento convenzionale. La Lca include anche le analisi degli scenari e di sensibilità per valutare l’influenza di fattori come l’approvvigionamento energetico e il trattamento delle acque di processo. Lo studio mira a fornire alle parti interessate informazioni per definire strategie sostenibili di trattamento dei fanghi da depurazione e recupero delle risorse.

La Lca è una tecnica particolarmente utile per studiare nuove tecnologie o sistemi per i quali sono disponibili solo dati limitati o nulli su scala industriale, come appunto la pirolisi e l’HTC dei fanghi fognari. I risultati dell’Lca possono essere utilizzati per determinare se le tecnologie in esame rappresentano un miglioramento ecologico rispetto alle tecnologie esistenti o se queste ultime rappresentano già la soluzione migliore.

Il risultato atteso da tali analisi è duplice: ottimizzare la strategia di gestione dei flussi di energia e materia e chiudere i cicli dei nutrienti minimizzando le emissioni inquinanti nell’ambiente. Va detto che, nonostante siano state prese in considerazione numerose categorie di impatto ambientale, l’Lca potrebbe risultare insufficiente nell’analisi delle esternalità sociali ed economiche o gli impatti sulla biodiversità, che sono ugualmente importanti nella valutazione complessiva della sostenibilità. Malgrado talvolta risulti imperfetto, l’Lca è il migliore strumento di cui disponiamo per la definizione razionale di politiche e strategie.

L’Lca di un sistema di trattamento dei rifiuti si concentra solitamente sulla fase di fine vita di un prodotto o di un rifiuto, considerando solo i processi necessari per la loro gestione. L’unità funzionale sulla quale si basano tutti i calcoli è stata quindi definita come “trattamento di 1 chilogrammo di fanghi da depurazione di acque fognarie dopo digestione anaerobica, aventi un contenuto di solidi totali (ST) del 5% e un contenuto di solidi volatili (SV) del 48% rispetto ai ST”. Le suddette percentuali di ST e SV sono state così definite per poter comparare i risultati con il processo di monoincenerimento utilizzato dal database Ecoinvent, che è servito come trattamento di riferimento, anche se negli impianti di trattamento i fanghi risultanti possono avere concentrazioni largamente variabili. In tutti i casi, si è assunto che i fanghi vengono prima disidratati meccanicamente fino al 20% di solidi totali (TS) per poi procedere al trattamento termochimico.

I risultati per l’HTC

Le condizioni di processo ideali consistono nel sottoporre i fanghi al trattamento a 200^°C per un’ora. In tali condizioni, si massimizza la concentrazione di ST del prodotto, minimizzando l’energia necessaria per il trattamento. L’acqua di processo risultante consente la facile rimozione degli inquinanti organici.

L’HTC consente di recuperare l’8,2% della massa iniziale del fango digerito, ovvero il 60% dei ST in forma di idrocarburi (noti come bio-olio).

Le emissioni di gas a effetto serra (GHG, Green House Gases) del processo HTC derivano principalmente dal consumo di energia, responsabile del 62% del potenziale di riscaldamento globale (GWP, Global Warming Potential) dell’intero processo. La sostituzione dei combustibili fossili (in particolare la lignite) offre i maggiori risparmi di emissioni di GHG. L’HTC stesso ha un impatto relativamente basso sulle emissioni complessive a causa dei minori requisiti energetici rispetto alla pirolisi (nessuna essiccazione ad alta intensità energetica).

Gli altri impatti del processo HTC considerati nello studio sono:

• Le emissioni di particolato (PM, Particulate Matter), che dipendono però dalla risorsa fossile sostituita.
• Il potenziale di eutrofizzazione (EP, Eutrophication Potential), legato al contenuto di fosforo nell’idrochar.
• Il potenziale di risorse inorganiche (IRP, Inorganic Resource Potential), influenzato dal mix elettrico e quindi variabile a seconda dal Paese in cui viene condotto il trattamento e dalle emissioni evitate dall’estrazione di fertilizzanti e torba. I potenziali di tossicità (definiti come unità equivalenti di inquinanti di riferimento) sono dovuti principalmente all’uso di flocculanti e al trattamento del filtrato. Il potenziale di tossicità umana cancerogena è legato agli inquinanti organici nell’idrochar, ridotti rispetto all’incenerimento.
• Analisi di scenario e sensibilità: l’uso di flocculanti a base di amido aumenta le emissioni nella maggior parte dei parametri analizzati. Il trattamento anaerobico delle acque di processo riduce le emissioni, mentre l’ossidazione a umido peggiora alcune categorie ma riduce altre. L’uso di diversi mix di elettricità europei influisce sul potenziale di riscaldamento globale (GWP) e IRP, Potenziale di Radiazioni Ionizzanti. Uno scenario di “migliori pratiche” dimezza quasi il GWP. La sensibilità del modello è maggiore per il trattamento termochimico rispetto agli scenari di utilizzo.

I risultati per la pirolisi

È stato ipotizzato un processo a 550^°C per due ore per una rimozione ottimale degli inquinanti e per massimizzare la disponibilità del fosforo.

A differenza dell’HTC, la pirolisi richiede la pre essiccazione dei fanghi per arrivare ad almeno l’80% di ST. L’apporto energetico comprende l’energia per l’avviamento del processo mediante l’utilizzo di una caldaia a biogas (prodotto con i fanghi grezzi) e l’energia di funzionamento in continuo (derivante dalla combustione degli oli e dei gas prodotti dalla pirolisi).

La pirolisi dei fanghi produce biochar (2,5% della massa iniziale del fango digerito, quasi privo di umidità), gas di pirolisi (13%) e olio da pirolisi (36%).

Emissioni di gas serra: senza l’uso di biochar, le emissioni derivano principalmente dall’energia per l’essiccazione dei fanghi. L’uso agricolo di biochar come ammendante per seminativi ha le emissioni più elevate. L’uso orticolo (in sostituzione della torba) genera invece risparmi sulle emissioni. L’uso di biochar determina il sequestro del carbonio nel suolo, compensando le emissioni di gas serra del processo. L’uso di biochar come combustibile (in sostituzione della lignite) determina invece i risparmi più elevati.

Altri impatti: le emissioni di PM derivano principalmente dal processo di pirolisi stesso. I maggiori benefici si ottengono quando il biochar sostituisce le risorse fossili come combustibile. L’ecotossicità (FETP) deriva in gran parte dalla produzione di flocculanti per la separazione solido-liquida dei fanghi. L’EP è dominato dalle emissioni dirette di fosforo dal biochar. Il Potenziale di Acidificazione (AP), il Potenziale di Esaurimento dell’Ozono (ODP), il Potenziale di Formazione di Ossidanti Fotochimici (OFP) e l’IRP sono principalmente influenzati dal processo di pirolisi. La tossicità umana non cancerogena (HTPnc) è determinata dalle emissioni di metalli pesanti dagli scenari applicativi. La tossicità umana cancerogena (HTPc) è legata alle diossine residue, ridotte nel caso dell’utilizzo del biochar come combustibile.

Analisi di scenario e sensibilità: le variazioni dei parametri mostrano sensibilità elevate, simili a quelle dell’HTC.

Conclusioni

Sia l’HTC che la pirolisi dei fanghi offrono potenziali benefici ambientali rispetto al monoincenerimento, in particolare tramite la sostituzione di combustibili fossili e il recupero di risorse. Tuttavia, gli impatti specifici dipendono fortemente dai parametri di processo, dalle fonti di energia e dai percorsi di utilizzo. Le analisi di sensibilità e di scenario evidenziano l’importanza di considerare questi fattori per una valutazione ambientale completa.

L’uso agricolo di biochar e idrochar determina emissioni di GHG positive, con crediti di GWP minori rispetto alla sostituzione delle risorse fossili. Gli scenari ottimizzati bilanciano quasi del tutto emissioni e crediti, favorendo i processi termochimici rispetto al monoincenerimento. Sia la pirolisi che l’HTC mostrano vantaggi ecologici rispetto al monoincenerimento per GWP, PM, AP, ODP e IRP, indipendentemente dal fatto che il carbone venga utilizzato per applicazioni energetiche o come ammendante o adsorbente. L’HTC è meglio della pirolisi perché evita l’essiccazione ad alta intensità energetica.

Non c’è una chiara preferenza tra l’uso materiale o energetico dei carboni, poiché le classifiche variano in base allo scenario e alla categoria di impatto. Ad esempio, l’uso del biochar o dell’idrochar ha un EP più alto rispetto all’uso energetico a causa dei nutrienti rilasciati. L’idrochar ha un EP più alto rispetto al biochar a causa della maggiore disponibilità di fosforo nel primo e dello scarico di fosforo nell’acqua di processo.

La pirolisi produce invece più inquinanti in fase gassosa e liquida rispetto all’HTC, mentre l’HTC produce acqua di processo con un certo potenziale energetico recuperabile. L’HTC genera crediti di sostituzione di energia fossile più elevati grazie alla maggiore resa di idrocarburi e al maggiore valore calorifico di questi. La pirolisi consente sinergie energetiche tramite l’uso in loco di sottoprodotti.

In alcuni casi (Paesi con forti percentuali di combustibili fossili nel mix energetico) i risultati dell’Lca possono favorire l’incenerimento rispetto al riciclaggio dei materiali a causa dei crediti di sostituzione dell’energia fossile. Per contro, i processi di riciclaggio dei materiali possono essere migliori dell’incenerimento all’aumentare della percentuale di energia rinnovabile. Il sequestro del carbonio dal biochar è generalmente basso, ma può contribuire ai serbatoi di carbonio (noti nel gergo come carbon sink).

Confrontare diversi studi Lca è difficile a causa delle diverse metodologie. La letteratura esistente mostra risultati diversi, con alcuni studi che rilevano emissioni più elevate per la pirolisi rispetto all’incenerimento o ad altri trattamenti, mentre altri mostrano il contrario. Le differenze nei confini del sistema, nelle ipotesi tecniche e nella disponibilità dei dati, contribuiscono a questa variazione. La composizione dei fanghi ha inoltre un impatto significativo sui risultati.

Il recupero di materiali ed energia dai fanghi di depurazione può avere impatti ambientali positivi. L’entità dei benefici dipende dalle caratteristiche dei fanghi, dagli scenari applicativi e dalle categorie di impatto.

Il processo HTC mostra generalmente emissioni inferiori rispetto alla pirolisi ed entrambi i trattamenti termochimici (HTC e pirolisi) mostrano emissioni inferiori rispetto al processo di riferimento dell’incenerimento in quasi tutte le categorie di impatto ambientale. Contrariamente alla percezione del pubblico, l’Lca dimostra che le applicazioni energetiche del biochar forniscono maggiori benefici in alcune categorie rispetto al riutilizzo del materiale in agricoltura. I vantaggi di HTC e pirolisi sono ancora più chiari se si tiene conto di una configurazione ottimale dell’impianto.

L’uso di idrochar come ammendante per agricoltura in pieno campo e come sostituto della torba in orticoltura mostra un maggiore potenziale di tossicità a causa degli inquinanti organici, che dovrebbero essere monitorati criticamente per evitare la contaminazione del suolo derivante da fanghi di depurazione preinquinati. Ciò è particolarmente vero per i processi di conversione a bassa temperatura come l’HTC, che non rimuovono completamente gli inquinanti nocivi come i PCDD/PCDF (dibenzodiossine policlorurate e dibenzofurani).

Pertanto, oltre all’incenerimento un ulteriore trattamento termochimico sarebbe utile per ridurre gli effetti negativi sul potenziale di tossicità dovuto ai contaminanti organici. Tuttavia, un trattamento combinato o a cascata, in cui prima si applica HTC e poi pirolisi (ad alta temperatura), pone una sfida economica che deve essere esaminata in studi futuri. Per gli altri inquinanti non sono stati determinati aumenti significativi del potenziale di tossicità per entrambi i processi. Sebbene il biochar possa immagazzinare carbonio a lungo termine, il livello di stoccaggio del carbonio è risultato troppo basso per compensare le emissioni di gas serra generate all’interno della filiera di trattamento. Inoltre, è possibile il riciclaggio diretto dei nutrienti utilizzando il carbone da entrambi i processi di conversione termochimica, sostituendo i fertilizzanti minerali.

L’analisi dell’applicazione energetica mostra che i risparmi di emissioni ottenuti tramite la sostituzione di combustibili fossili con biocarbone da HTC o da pirolisi sono notevoli in quasi tutte le categorie di impatto ambientale. Con una strategia di riciclaggio opportunamente personalizzata, sia la pirolisi che l’HTC offrono vantaggi rispetto al monoincenerimento.

Infine, nei futuri sistemi energetici defossilizzati il riciclaggio dei materiali potrebbe essere la migliore alternativa a lungo termine rispetto all’uso energetico, a condizione che il contenuto di inquinanti dei biocarboni rispetti i limiti. Pertanto, sarà obbligatoriamente richiesta una caratterizzazione continua e attenta dei fanghi in entrata al processo. Inoltre, è essenziale costruire un quadro legislativo adatto per abilitare di conseguenza questi percorsi di riciclaggio.

Bibliografia

(¹) Dagerskog, L. and Olsson, O. (2020). Swedish sludge management at the crossroads. Policy brief. Stockholm Environment Institute.

(²) Fabian Gievers, Matia Mainardis, Arianna Catenacci, Achim Loewen, Michael Nelles, Life cycle assessment of biochar and hydrochar derived from sewage sludge: Material or energy utilization?, Cleaner Environmental Systems, Volume 16, 2025, 100254, ISSN 2666-7894.