STIMA DELLE EMISSIONI DI BIOGAS DALLA EX-CAVA MONTE ZACCON

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1 Gruppo di lavoro interdisciplinare per lo svolgimento di indagini ambientali nell'area in cui insiste l'ex cava Monte Zaccon (Roncegno Terme) RIPRISTINO AMBIENTALE EX CAVA MONTE ZACCON nel Comune di Roncegno Terme (Tn) Risultati dell indagine ambientale AGOSTO 2012 ALLEGATO 6 Relazioni di calcolo delle emissioni gassose

2 PROVINCIA AUTONOMA DI TRENTO Agenzia provinciale per la protezione dell ambiente I.D. di studio ed analisi dei processi tecnologici e produttivi STIMA DELLE EMISSIONI DI BIOGAS DALLA EX-CAVA MONTE ZACCON PRODUZIONE DI BIOGAS DA DISCARICHE Generalità L emissione di biogas dalle discariche è dovuta alla presenza di rifiuto costituito da sostanza organica degradabile. Metano (CH 4 ) ed anidride carbonica (CO 2 ) sono i costituenti principali del biogas (LFG - landfill gas) e sono prodotti durante la decomposizione anaerobica della sostanza organica e delle proteine presenti nei rifiuti conferiti in discarica, che vengono inizialmente trasformati in zuccheri, poi principalmente in acido acetico ed, infine, in CH 4 e CO 2. In aggiunta a questi due gas sono prodotte anche minori quantità di composti organici non metanici tra i quali alcuni composti organici volatili reattivi e pericolosi. Tali altri composti sono in generale responsabili dei maleodori che caratterizzano le discariche, soprattutto di rifiuti solidi urbani. La decomposizione anaerobica è un processo complesso nel quale le condizioni ambientali giocano un ruolo fondamentale. Tra i fattori ambientali più importanti sono da considerare: composizione merceologica e pezzatura dei rifiuti; concentrazione di nutrienti; ph e temperatura all'interno del cumulo di rifiuti; presenza e distribuzione dei microrganismi; contenuto d acqua del rifiuto ed eventuali infiltrazioni. Il processo di produzione del biogas durante il ciclo di vita della discarica può essere schematizzato, come in figura, in quattro distinte fasi, durante le quali varia sia la velocità di formazione del biogas che la sua composizione: I - Aerobica; II - Anaerobica non metanica III - Anaerobica metanica non-stazionaria; IV - Anaerobica metanica stazionaria Inizialmente si produce soprattutto CO 2, successivamente aumenta la produzione di CH 4, finché nella fase finale, in condizioni di quasi stazionarietà, la composizione del biogas rimane pressoché costante: % metano, % anidride carbonica, - 5% azoto ed altri composti organici ed azotati. La durata delle varie fasi e dell'intera sequenza dipende dalle caratteristiche del rifiuto organico e del materiale di copertura, potendo altresì variare anche in funzione delle condizioni climatiche (temperatura, precipitazioni atmosferiche, ).

3 La produzione di biogas ha comunque un periodo di latenza (variabile fra qualche mese e qualche anno) a causa delle iniziali condizioni aerobiche e della formazione di acidi volatili nella prima fase del periodo anaerobico. La durata della produzione di biogas all interno del corpo di una discarica può variare tra i 15 ed i 50 anni. Le complesse reazioni biochimiche di trasformazione della sostanza organica in biogas possono essere schematizzate nella seguente formula empirica (McCarty): C 99 H 149 O 59 N + x*h 2 O y*ch 4 + z*co 2 + w*c 5 H 7 NO 2 + k*nh n*hco 3 Oltre all importanza per l effetto serra (21 volte superiore rispetto alla CO 2 ), la presenza del metano in ambiente deve essere attentamente monitorata laddove sussista il rischio di entrare nell intervallo di esplosività, compreso fra il 5% ed il 15%. Inoltre, più che l effetto tossico sull uomo e sugli animali, che si manifesta per soffocamento in ambienti chiusi, il biogas risulta dannoso per la vegetazione, potendo causare asfissia delle radici quando le stesse vengono investite dal gas nel sottosuolo. La modellistica previsionale sulla produzione di biogas da discarica I modelli previsionali della produzione di biogas in discarica sono generalmente costituiti da: un sottomodello stechiometrico, che tiene conto della composizione del rifiuto calcolando la quantità di carbonio organico gassificabile, un sottomodello biochimico-cinetico, che, in relazione alle condizioni al contorno, determina l evoluzione temporale della degradazione del carbonio organico a biogas. In tutti i modelli dunque l elemento sostanziale è la determinazione del contenuto di carbonio organico e del suo grado di degradabilità. Secondo dati di letteratura si può approssimativamente considerare che il 50% della sostanza organica sia rappresentato dal carbonio, e che solo la sua metà sia gassificabile. Inoltre, quanto all evoluzione temporale del fenomeno degradativi, e quindi alla durata della produzione di biogas, in base alle esperienze empiriche la maggior parte dei modelli attualmente in uso fa riferimento a cinetiche del primo ordine, con velocità di gassificazione decrescente nel tempo. Normalmente la durata media del processo di gassificazione può durare anni. In ogni caso, pur tenuto conto dell imprecisione intrinseca nell applicazione di qualunque tipologia di modello di simulazione dei fenomeni di produzione ed emissione di biogas da una discarica, soprattutto in riferimento all incertezza delle grandezze rappresentative dei fenomeni di degradazione della materia organica, i relativi risultati risultano comunque utili nel valutare gli ordini di grandezza, sia in riferimento alle emissioni specifiche (m 3 /anno), sia per quanto riguarda le emissioni complessive (m 3 ) che avvengono durante l intero ciclo di vita della discarica, fino a completa mineralizzazione della sostanza organica.

4 IL CASO IN ESAME: EX-CAVA MONTE ZACCON Applicazione della modellistica previsionale Al fine di valutare gli effetti dell emissione di biogas dalla ex cava Monte Zaccon a seguito del deposito all interno dell ammasso di rifiuti inorganici di materiali organici cellulosici (fanghi di cartiera), si rileva l opportunità di stimare la quantità e le modalità di dispersione del biogas stesso mediante l utilizzo di modellistica atta a simulare il fenomeno in questione. All uopo viene impiegato il programma Andrea 5.0 elaborato da Giancarlo Canciani (ARPA Liguria). Si tratta di un modello molto semplice che tuttavia, in aderenza ai dati di letteratura, ricalca molto fedelmente il fenomeno emissivo delle discariche in relazione al rilascio del biogas per effetto della presenza di sostanze organiche in ambiente anaerobico. Per l applicazione del modello è richiesta la stima del fattore di emissione (Nm 3 CH4/t rifiuto ) e del coefficiente di trasformazione che, in dipendenza della densità del rifiuto e della costipazione del materiale soprastante, determina la velocità di degradazione e quindi il tempo del rilascio. Descrizione modello Il programma esegue una stima della produzione di biogas in discarica di rifiuti solidi urbani in base alla relazione tipica di una reazione del primo ordine secondo quanto riportato in letteratura: biogas prodotto = k * quantità di carbonio degradabile * (1 - Exp(-z)) dove k e z sono coefficienti che il programma propone secondo indicazioni di letteratura che tuttavia sono piuttosto scarse. Esiste naturalmente la possibilità di modificare tali dati se si dispone di esperienza circa le modalità di degradazione nelle specifiche condizioni di composizione del rifiuto, di temperatura ed umidità della discarica che si vanno a considerare. Nel caso in esame, trattandosi specificamente di fanghi di cartiera, il fattore di emissione può essere stimato a partire dall indice di biometanizzazione, pari a 200 Nm 3 CH4/TSV, suggerito a pagina 163 della relazione Jacucci. Sulla base di tale valore, che si riferisce alla sostanza organica volatile (SV), tenuto conto dell umidità dei fanghi, il fattore di emissione riferito ai fanghi umidi può essere assunto pari a circa un terzo, ossia 67 Nm 3 CH4/t rifiuto. Considerando inoltre che il metano costituisce circa il 50% del biogas emesso, il fattore di emissione riferito al biogas può essere assunto pari a 135 Nm 3 /t rifiuto. In riferimento ai quantitativi la medesima relazione peritale (pagg ) riporta le tabelle recanti tipologie e quantità di rifiuti ritirate nei diversi anni, dal 2001 al Negli anni 2007 e 2008 risultano conferiti fanghi e scarti riferibili a cartiere [codici CER (fanghi di scarto contenenti carbonato di calcio) e CER (scarti di fibre e fanghi contenenti fibre, riempitivi e prodotti generati dai processi di separazione meccanica)] nelle quantità riportate in tabella. Codici CER totale totale Senz altro i rifiuti CER sono rifiuti Fanghi di cartiera smaltiti nella ex cava Monte Zaccon organici a cui la relazione Jacucci assegna il fattore di emissione 200 Nm 3 CH4/TSV, ed ai quali è stato assegnato un valore di 67 Nm 3 CH4/t rifiuto. I rifiuti CER potrebbero contenere a loro volta frazioni organiche significative, talché nella simulazione è opportuno tener conto anche della loro presenza, assegnando ad essi, cautelativamente, un fattore di emissione variabile fra 0 e 33 Nm 3 CH4/t rifiuto.

5 Applicando il modello si ottengono i valori riassunti nelle seguenti tabelle e figure. anno CER emissione CER emissione Somma cumulata somma cumulata Calcolo delle emissioni di biogas nel caso in esame Diagrammi

6 Nei due casi (fattore di emissioni del rifiuto CER nullo o pari a 33 Nm 3 /t) le emissioni complessive di metano sono variabili fra circa e Nm 3, che, secondo le condizioni introdotte nel modello, si esauriscono in circa anni. Corrispondentemente le emissioni massime annue sono quantificabili in Nm 3 /anno, che evidentemente si manifestano il primo anno, per poi calare negli anni successivi. Verosimilmente, sulla base delle informazioni attualmente disponibili e tenuto conto delle condizioni rilevabili in loco, la situazione reale potrebbe collocarsi in una posizione intermedia con una emissione attuale attorno a Nm 3 /anno, a cui potrebbero corrispondere emissioni complessive pari a circa Nm 3 di metano, che potrebbero svilupparsi completamente nell arco di anni. È chiaro che, anche considerando l incertezza sulle specifiche condizioni del rifiuto all atto del conferimento e sulle precise modalità di degradazione dello stesso, e sempreché i quantitativi riferiti nella perizia Jacucci siano corretti, le stime fatte possono comunque essere assunte come valide per quanto concerne gli ordini di grandezza che esprimono il fenomeno emissivo indagato. In altri termini, tenuto conto della tipologia di impatto dovuto alle emissioni in questione, il margine di incertezza insito nel modello di calcolo sicuramente non inficia la rappresentazione dell entità dei rilasci, in rapporto alla valutazione sui possibili rischi ad essi correlati. Conclusioni I valori di emissione stimati con l applicazione della modellistica previsionale corrispondono ad un rilascio attuale pari a circa 8,5 Nm 3 /h di biogas (contenente circa 4,5 Nm 3 /h di gas metano). Tali portate, abbastanza contenute, sono compatibili con le concentrazioni di metano riscontrate dal Servizio Antincendi e Protezione Civile Corpo Permanente Vigili del Fuoco in occasione dei rilievi effettuati nel dicembre 2009, nel corso dei quali sono stati misurati i seguenti valori: ppm di CH 4 nella zona genericamente interessata dalla presenza di fanghi, ppm di CH 4 sul condotto di sfiato (2000 ppm all apertura), ppm di CH 4 a 10 m dallo sfiato, ppm di CH 4 a 20 m dallo sfiato. Si rileva inoltre che la presenza di metano all interno della discarica decade piuttosto velocemente allontanandosi dal condotto che consente lo sfiato del biogas, talché si può ipotizzare una ridotta estensione della superficie interessata dai rilasci e, quindi, una posizione dell accumulo di rifiuto organico abbastanza centrato rispetto allo sfiato stesso. In riferimento ai possibili rischi paventati nella relazione Jacucci (pag.166), i citati rilievi dei Vigili del Fuoco escludono la possibilità di esplosione in quanto le concentrazioni rilevate sono al di fuori dell intervallo di esplosività (5% 15% = ppm). La localizzazione consente comunque di escludere a priori rischi per la popolazione. Risulta tuttavia importante assicurare che la porosità dell ammasso soprastante ai fanghi sia tale consentire la costante migrazione del biogas verso l alto, impedendo la formazione di sacche di metano che potrebbero dare luogo a fughe improvvise con rischio locale di esplosione. Nel caso di capping potrebbe dunque risultare opportuno procedere a realizzare una serie di fori fino allo strato di fanghi per favorire il drenaggio e la liberazione del biogas sviluppato. - ing. Maurizio Tava -