Indagine preliminare sull effetto del ricircolo del percolato in una discarica per la frazione organica da selezione meccanica

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1 Indagine preliminare sull effetto del ricircolo del percolato in una discarica per la frazione organica da selezione meccanica Francesco Di Maria, Alessio Sordi, Caterina Micale, Giuseppe Cirulli Department of Industrial Engineering, University of Perugia, Italy ATIA-ISWA, Italy Alessandro Canovai, GESENU, Italy Riassunto La gestione di discariche in modalità bioreattore sembra essere una delle possibilità più interessanti per la gestione delle frazioni residuali dalle racolte differenziate, previo Trattamento Meccanico Biologico, per quelle aree in cui vi è carenza di impianti di incenerimento. In questa ottica si è valuato l effetto che il ricircolo del percolato ha per discariche bioreattore anaerobiche dedicate allo smaltimento della sola frazione organica da selezione meccanica del rifiuto indifferenziato. I risultati mettono in evidenza la possibilità di accelerare notevolmente la rapidità del processo biologico, come dimostrato dalla produzione di biometano, nonchè la possibilità di operare una notevole riduzione del carico inquinante del percolato. A tale proposito si evidenziano notevoli benefici nella riduzione del COD e del BOD 5, nonchè della concentrazione dei principali metalli pesanti. Summary Bioreacotr landfill seems to be one of the most suitable solutions for managing mechanically treated residual waste in areas that lacks of incinerators. In this work the preliminary results concerning the effect of the leachate recirculation for the mechanically sorted organic fraction of Municipal Solid Waste disposed in anaerobic Bioreactor landfill are represented. Leachate recirculation seems to have a very positive effect both on anaerobic biological process optimization and biomethane production. A strong reduction trend in COD and BOD 5 values has been noted together with a relevant heavy metals concentration reduction. 1. Introduzione Il rispetto dei nuovi obiettivi imposti dall ultima direttiva europea 2008/9//EC [1], impone per molti sistemi di gestione integrata un riassetto sia degli aspetti logistici che impiantistici legati alla raccolta/trattamento dei rifiuti. Come noto, una tipicità di molte realtà Italiane è rappresentata dalla carenza di impianti di incenerimento che rende la discarica un impiantistica necessaria e strategica per poter chiudere il ciclo di gestione dei rifiuti. Anche difronte al forte incremento sia della percentuale di raccolta differenziata sia dei quantitativi di materia effettivamente recuperati è lecito continuare ad attendersi per il prossimo futuro un quantitativo di rifuti smaltiti in discarica non inferiore al 50% del totale raccolto. Una ulteriore aspetto che potrebbe ridurre il fabbisogno di discarica è rappresentato dalla possibilità di produrre dal rifiuto indifferenziato e dagli scarti porvenienti da altri processi di ricicalggio/recupero, un combustibile solido secondario (CSS) [2]. Il CSS potrebbe essere inviato presso impianti di co-combustione o comunque verso altri impianti di trattamento termico a prezzi paragonabili se non competitivi rispetto al mero smaltimento in discarica. In questo particolare scenario si potrebbero collocare tutte quelle realtà in cui operano impianti di Trattamento Meccanico Biologico (TMB) del tipo a due flussi [3] che trattano le frazioni residuali dalle raccolte differenziate unitamente alla frazione organica selezionata alla fonte per la produzione di un ammendante compostato misto. Questi impianti potrebbero continuare a svolgere un ruolo di primaria importanza mediante la produzione di un CSS di qualità a partire dal sovvallo dell indifferenziato. Inoltre, mediante la

2 conversione della sezione esistente di biostabilizzazione del sottovaglio in una sezione di compostaggio attivo (ACT) per il primo trattamento aerobico della frazione organica selezionata alla fonte si potrebbe aumentare la produzione di ammendante compostato misto. In questa ottica gestionale, il sottovaglio prodotto dalla linea di selezione meccanica, verrebbe smaltito direttamente in discarica. A sua volta la discarica potrebbe essere gestita in modalità innovativa, per esempio Bioreattore, al fine di addivenire ad una rapida stabilizzazione del rifiuto e conseguente riduzione delle emissioni inquinanti. Uno degli aspetti di maggiore interesse nella gestione delle discariche in modalità Bioreattore è rappresentato dal ricircolo del percolato che può portare a notevoli benefici quali: 1) Una ottimizzazione dei processi di biodegradazione; 2) Ridurre i tempi necessarri ad una completa stabilizzazione del rifiuto; 3) Ridurre i tempi per un completo recupero ambientale del sito; 4) Incrementare la quantità di energia producibile dal gas di discarica; 5) Ridurre il contenuto di inquinanti del percolato. Nel presente lavoro si riportano i primi risultati di una indagine sperimentale volta a quantificare i precendenti aspetti mediante l ausilio di test di laboratorio su scala pilota in grado di simulare un Bioreattore anaerobico. 2. Materiali e metodi Per l analisi oggetto della presente relazione sono stati attivati due test in parallelo utilizzanti la stassa tipolgia di rifiuto. Il rifiuto è stato prelevato all uscita della sezione di trattamento meccanico di un impianto TMB esistente e caratterizzato sia dal punto di vista fisico-chimico che merceologico. I test sono stati condotti mediante due apparati sperimentali (Fig. 1) costituiti da un reattore cilindrico stagno, dal volume di circa 75 litri, all interno del quale sono stati inseriti circa 40kg di sottovaglio. Il percolato utilizzato per attivare le prove è stato prelevato dalle vasche di raccolta di quello prodotto da una discarica per rifiuti urbani in esercizio da circa 4 anni. Anche per il percolato si è proceduto ad una completa caratterizzazione chimico-fisica. L operazione di ricircolo del percolato è stata efettuata mediante un pompa peristaltica attivata ad intervalli di tempo prestabiliti. Fig. 1 Schema dell apparato sperimentale utilizzato. Il quantitativo di gas prodotto durante la fase anaerobica è stato misurato con un dispositivo volumetrico ad acqua. Il quantitativo di biometano presente nel gas è stato valutato in %v/v mediante un analizzatore ad infrarossi (±1%).

3 Ad intervalli di tempo prefissati si è proceduto a prelevare un adeguato quantitato di percolato per sottoporlo ad una caratterizzazione chimico-fisica volta a valutare l evoluzione dei principali parametri inquinanti quali in COD, il BOD 5, il contenuto e le diverse forme dell azoto oltre ai princiapli metalli pesanti. 3. Principali risultati Le Tabelle 1 e 2 riportano i risultati dell analisi merceologica e chimico-fisica effetuata sul campione di sottovaglio prelevato dall impianto TMB esistente. Si può notare una concentratione di materiale non biodegradabile di circa il 22%, mentre il restante 80 % è rappresentato da materiale biodegradabile, il tutto su base secca. L analisi chimico-fisica mette in evidenza dei valori rientranti nella media per tali materiali con un contenuto di metalli pesanti e sopratutto di cromo esavalente inferiore ai limiti di legge. Sul campione è anche stata effettutata una indagine relativa all indice respirometrico dinamicao potenziale (IRDP) che risulta essere pari a circa 5000 mgo 2 /kgsv*h tipico per un rifiuto organico non stabilizzato. In Tabella 3 si riportano i risultati dell analisi chimico-fisica del percolato utilizzato per attivare le prove. La concentrazione di metalli pesanti risulta essere contenuta mentre il COD ed il BOD 5 hano valori abbastanza alti e comunque tipici di percolati di discarica per rifiuti urbani simili a quello utilizzato nei test. E interessante notare come tutto l azoto presente sia di fatto sotto forma ammoniacale ad indicare la presenza di una elevata attività anaerobica nel corpo dei rifiuti. La produzione di biogas risulta essere alquanto intensa (Fig. 2) pari a circa 100/120 l/kg di sottovaglio tal quale, con una elevata percentuale di metano che ha raggiunto conentrazioni pari al circa il 75% v/v. Ad eccezione di un certo quantitativo registrato nella parte iniziale dei test variabile fra le 10 e le 60 ppm, la concentrazione di H 2 S risulta essere praticamente nulla. Il COD ed il BOD 5 (Fig. 3) dopo un naturale incremento di concentrazione registrato nei primi giorni conseguenti l inizio delle operazioni di ricircolo, sono praticamente ritornati sui livelli iniziali manifestando tuttavia una forte tendenza verso una ulteriore riduzione. Questo andamento, a differenza di quanto registrato per la produzione di gas, risuta essere più omogeneo fra i due test. Sia l azoto totale che ammoniacale presentano una concentrazione crescente ad indicare la solubilizazione nella fase liquida dell azoto presente nella frazione organica del rifiuto conseguente alle operazioni di ricircolo (Fig. 4). I metalli pesanti presentano una forte riduzione della concentrazione iniziale (Tab. 2) a testimoniare un notevole effetto adsorbente da parte della fase solida durante le operazioni di ricircolo. Classe merceologica % ss Vetro 13,50 Metalli 0,540 Inerti 3,110 Carta/Cartone 10,20 Plastica 4.96 Organico 67,69 Tab. 1 Composizione merceologica del sottovaglio (ss= sostanza secca).

4 Parametro Valore u.m. ss 51,20 % w/w ph SV 52,00 % ss Corg, tot % ss Ntot 1,160 % ss Cr,tot mg/kg ss Cr VI < 0,14 mg/kg ss Hg 0,0043 mg/kg ss Ni 28,10 mg/kg ss Pb 65,90 mg/kg ss Cu 47,10 mg/kg ss Zn 110,2 mg/kg ss IRDP 4919 mgo 2 /kgsv*h Tab. 2 Composizione chimico fisica del sottovaglio (ss= sostanza secca). Parametro Valore u.m. ph 8,54 - COD mgo 2 /l BOD mgo 2 /l Ntot 2959 mg/l N N-NH mg/l NH 4 Ptot 38,6 mg/l Cr,tot 1,66 mg/l Cr VI <0.045 mg/l Hg 0,0034 mg/l Ni 0,53 mg/l Pb 0,18 mg/l Cu 0,27 mg/l Zn 0,79 mg/l Tab. 3 Composizione chimico fisica del sottovaglio (ss= sostanza secca). 150 Biogas Bioreattore 1 Metano Bioreattore 1 Biogas Bioreattore 2 Metano Bioreattore l/kg 50 0 Giorno Fig. 2 Produzione di gas e di biometano per i due test.

5 30000 BOD 5 Bioreattore COD Bioreattore 1 BOD 5 Bioreattore 2 COD Bioreattore mgo 2 /l Giorno Fig. 3 Andamento del COD e del BOD 5 nel percolato dei due test TKN Bioreattore 1 NH 4 Bioreattore 1 TKN Bioreattore 2 NH 4 Bioreattore mg/l Giorno Fig. 4 Andamento dell azoto totale ed ammoniacale nel percolato dei due test mg/l Cr Bioreattore 1 Cr VI Bioreattore 1 Hg Bioreattore 1 Ni Bioreattore 1 Pb bioreattore 1 Cr Bioreattore 2 Cr VI Bioreattore 2 Hg Bioreattore 2 Ni Bioreattore 2 Pb bioreattore 2 Cu Bioreattore 2 Zn Bioreattore Giorni Fig. 5 Andamento dei principali metalli pesanti nel percolato dei due test.

6 3. Conclusioni Il ricircolo del percolato in discariche per lo smaltimento della sola frazione organica da selezione meccanica dei rifiuti urbani non differenziati composrta molteplici aspetti posistivi. Mediante i test sperimentali approntati per sutdiare il fenomeno si è riscontrata la produzione di una notevole quantità sia di biogas sia di biometano compresa fra i 60 ed i 120 l/kg. L azione combinata dell evoluzione del processo biologico con processi di adsorbimento da parte dell frazione solida, ha comportato durante i primi 130 giorni di test, una notevloe riduzione del carico inquinante del percolato sia in termini di COD, di BOD 5, sia di metalli pesanti. La notevole tendenza alla riduzione dei suddetti parametri lascia intravedere la possibilità di ulteriori miglioramenti nel prosieguo delle attività sperimentali. References [1] Waste Framework Directive 2008/98/CE of the European Parliament and of the Council on waste (2008). Official Journal of the European Union, November, 22. [2] UNI CEN/TS (2006) Solid recovered fuels. Specification and classes. UNI, Milano, Italy. [3] Di Maria F (2012) Upgrading of a Mechanical Biological Treatment (MBT) plant with a Solid Anaerobic Digestion Batch: A Real Case Study. Waste Management & Research. doi: / X