Il compostaggio dei rifiuti solidi
Definizione Il compostaggio consiste nella stabilizzazione biologica in fase solida di potature, scarti, residui e rifiuti organici putrescibili, in condizioni prevalentemente aerobiche (presenza di ossigeno molecolare) tali da garantire alla matrice in trasformazione il passaggio spontaneo attraverso una fase di autoriscaldamento, dovuto alle reazioni microbiche. Il processo trasforma il substrato di partenza in un prodotto stabile, simile all humus, chiamato compost, adatto all uso come ammendante. Nello specifico parleremo del compostaggio applicato alla stabilizzazione di rifiuti organici.
Obiettivi complessivi Produzione di compost; Stabilizzazione della sostanza organica; Igienizzazione della massa di sostanza organica con eliminazione di possibili agenti patogeni e fitotossici, Riduzione del volume dei rifiuti prevalentemente a causa della perdita di acqua.
Prodotto Biostabilizzato Produzione di materiale organico stabilizzato ( compost grigio ) per applicazioni controllate in attività paesistico-ambientali o per coperture discarica. Questo tipo di prodotto di valore commerciale nullo è il risultato di un processo di compostaggio (in questo caso meglio l uso del termine generico di biostabilizzazione aerobica ) applicato su frazioni organiche selezionate a valle della raccolta e quindi ricche di impurità tali impedire che il risultato possa essere classificato come compost.
Definizione di rifiuto organico rifiuti biodegradabili di giardini e parchi, rifiuti alimentari e di cucina prodotti da nuclei domestici, ristoranti, servizi di ristorazione e punti vendita al dettaglio e rifiuti simili prodotti dall'industria alimentare raccolti in modo differenziato.
Sottoprodotti
Schema di riferimento
Sottoprodotti organici stabilizzati
Cosa è dunque il compost di qualità? AMMENDANTE COMPOSTATO a sensi del D.Lgs.75/10
Ammendate compostato
Caratteristiche dei rifiuti
Rifiuti organici di provenienza alimentare (FORSU) Si fa spesso riferimento all acronimo FORSU (Frazione Organica Rifiuti Solidi Urbani) ottenuta da raccolta differenziata seccoumido. Si tratta degli scarti organici derivanti dalla preparazione degli alimenti o dei residui degli stessi, sia domestici che provenienti da utenze collettive (ristoranti, mense, ). Tale frazione presenta un elevato livello di putrescibilità e ridotta capacità strutturante. E necessario un veloce avvio al trattamento di stabilizzazione per evitare lo sviluppo di emissioni odorigene. Negli impianti le fasi di stoccaggio temporaneo e pre-trattamento devono dunque avvenire in locali chiusi.
Scarti verdi e altri materiali legnosi Si tratta dei materiali di risulta delle attività di manutenzione e cura del verde pubblico e privato. Per assimilazione possono ricadere in questa classe anche biomasse di risulta di attività agricole ed industriali (resti legnosi, fibre vegetali, ). La frazione è caratterizzata da una ridotta attività biochimica di degradazione ed elevata capacità strutturante. Sono quindi complementare alla FORSU. E utile separare i circuiti di raccolta delle due frazioni per evitare un eccessivo incremento della produzione di rifiuti e l ottimizzazione dei contenitori di raccolta. Utile in questo senso l introduzione del compostaggio familiare per le utenze con giardino.
Fanghi di depurazione I fanghi derivanti dalla depurazione delle acque reflue civili ed agroindustriali per il loro contenuto di sostanza organica possono essere destinati al trattamento di compostaggio. Possono tuttavia essere presenti sostanze inquinanti (p.es. metalli pesanti) che sono in contrasto con le caratteristiche qualitative del compost.
Carta e cartone E un ottimo costituente delle miscele di materiale organico inviate al compostaggio in quanto possono condizionare positivamente l umidità ed il rapporto C/N, laddove sia scarsa la presenza di biomasse lignocellulosiche da raccolta differenziata. Deve essere escluso l introduzione di poliaccoppiati parzialmente cartacei.
Esempio di filiera
Il processo biologico Trasformazione biologica aerobica della frazione organica dei rifiuti, che vengono trasformati in materiale organico stabilizzato Acqua Calore CO 2 Materia organica Nutrienti Acqua Microrganismi Materiali grezzi Compost Prodotto finito Ossigeno
I percorsi di biostabilizzazione La massa da compostare può essere suddivisa in alcune frazioni prevalenti di materiale complesso non assimilabili direttamente dai microrganismi: Carboidrati (X C ); Proteine (X P ); Lipidi (X L ), Emicellulosa (X H ); Cellulosa (X CE ); Lignina (X LG ); Materiale inerte (X I ). Queste frazioni sono quindi trasformate attraverso processi di idrolisi in composti più semplici disciolti, che possono essere assimilati dai microrganismi (Batteri, Actinomiceti e Funghi). I microrganismi aerobici possono in questo modo crescere trasformando i substrati in CO 2, H 2 O e nuova biomassa di microrganismi. I residui non biodegradati costituisco la sostanza organica stabile che compone il compost. In particolare il compost è ricco di humus, un'associazione di molecole trasformate di origine biologica a peso molecolare relativamente basso. Per questa ragione nel processo di compostaggio si parla di humuficazione.
Riepilogo del modello
Velocità di degradazione Tempo Le diverse frazioni organiche sono caratterizzate da differenti dinamiche del processo di biodegradazione. Le più lente sono le frazioni lignico-cellulosiche, degradate attraverso l azione di funghi. Molto più velocemente biodegradabili gli zuccheri semplici.
Sono necessari una serie di trattamenti preliminari volti al conferimento delle proprietà necessarie al corretto sviluppo dei processi di stabilizzazione e maturazione del rifiuto. Le tipologie di pre-trattamento sono molto legate alla tipologia del rifiuto ed alle modalità con cui è stato raccolto. Essi possono riguardare: Ricezione dei rifiuti grezzi Pre-trattamenti Cernita, per l eliminazione degli ingombranti Triturazione per l omogeneizzazione della pezzatura Vagliatura per la selezione della pezzatura più idonea Deferizzazione, per l eliminazione dei metalli Miscelazione con eventuali altri substrati (fanghi biologici per es.) Separazione balistica, per l eliminazione delle plastiche
Le fasi della biostabilizzazione In condizioni ottimali, il compostaggio si svolge attraverso tre fasi principali: 1. la fase mesofila di latenza - che può protrarsi da poche ore ad alcuni giorni - durante la quale, la matrice iniziale viene invasa dai microorganismi, il cui metabolismo finisce per causare il progressivo riscaldamento del substrato; 2. la fase termofila o di stabilizzazione (fase attiva ) di durata variabile da alcuni giorni a diverse settimane nel corso della quale si ha un intensa attività bio-ossidativa; 3. la fase di raffreddamento o maturazione - di durata da poche settimane ad alcuni mesi nella quale intervengono le reazioni di humificazione.
Fase termofila (o fase attiva ) Degradazione delle sostanze più facilmente biodegradabili Aumento della temperatura (fino a 50-65 C) a causa delle reazioni esotermiche con necessità di adeguati sistemi di dispersione del calore. Igienizzazione (eliminazione o inattivazione patogeni) a causa della temperatura (per la norma italiana almeno 3 giorni a temperatura > 55 C). Deve essere garantito un adeguato rivoltamento del materiale e l insufflazione di aria (il processo è aerobico e quindi consuma ossigeno). Un non adeguato controllo porta alla formazione di cattivi odori.
Maturazione In questa fase si ha la trasformazione e polimerizzazione delle sostanze più lentamente biodegradabili che portano alla formazione di sostanze umiche. La temperatura decresce progressivamente nel tempo. La durata complessiva può protrarsi nel tempo a seconda delle modalità operativa (tempi ridotti in reattori specifici).
Affinamento finale o raffinazione A seguito della maturazione sono necessari trattamenti per ridurre la presenza di impurezze e fornire granulometria uniforme (deferrizzazione, separazione inerti, vagliatura, triturazione e separazione carta e plastica con classificazione ad aria). Il tipo di trattamenti dipende naturalmente dalla qualità del materiale di partenza. La necessità è molto legata dalla presenza o meno di una fase spinta di pre-trattamento.
Esempio di affinamento finale
Modalità di compostaggio In funzione del livello tecnologico adottato possiamo genericamente suddividere il compostaggio in tre grandi modalità: - Domestico, svolto direttamente nelle proprietà degli utenti, con l obiettivo di riutilizzarlo direttamente; - In azienda agricola, utilizzando gli scarti organici dei processi produttivi, con l obiettivo di riutilizzare il compost come ammendante sui terreni di proprietà; - Industriale, attraverso impianti a livello tecnologico più o meno controllato con l obiettivo di arrivare ad un prodotto commerciabile. Noi tratteremo il compostaggio industriale
Classificazione dei Sistemi di compostaggio sistemi intensivi ed estensivi, a seconda del grado di complessità tecnologica e del carico per unità di superficie utilizzata. sistemi chiusi ed aperti a seconda del confinamento o meno del processo. sistemi statici e dinamici a seconda della presenza e frequenza della movimentazione dei rifiuti in degli interventi di movimentazione per la ricostituzione periodica dello stato strutturale; sistemi areati e non aerati a seconda della adozione dell aerazione forzata o, di converso, dell affidamento esclusivo ai processi spontanei di diffusione e convezione.
Soluzioni tecnologiche SISTEMI APERTI Cumulo statico aerato Cumuli rivoltati SISTEMI CHIUSI Sili Biocontainer e Biocelle Biotamburi Trincee dinamiche Bacini dimamici SISTEMI VERSATILI (aperto o chiuso) Andane rivoltate
CUMULI STATICI AERATI/1 Sistemi di relativa semplicità tecnologica. Nascono in USA come sistema di compostaggio in ambiente agricolo per il trattamento di biomasse agronomiche. Prevede la costituzione di un cumulo con aerazione forzata, solitamente per aspirazione con invio dell aria esausta ad un filtro. I cumuli sono solitamente non più alti di 1-1,2 m e ricoperti, in superficie, con uno strato di circa 10 cm costituito da compost maturo, paglia o torba. Questo strato esterno ha funzioni coibenti e di adsorbimento delle emissioni maleodoranti. Poiché, una volta formato, il cumulo non viene più movimentato, se non a fine processo, è necessario miscelare bene il substrato di partenza per renderlo quanto più omogeneo e dotato di una adeguata tessitura, magari ricorrendo all uso di agenti di supporto lignocellulosici. In alcune varianti l aerazione avviene per insufflazione con copertura dei cumuli con teli o membrane semi-permeabili
CUMULI STATICI AERATI/2 ventola cumulo ad aerazione forzata in aspirazione filtro L uso di aria in aspirazione permette di controllare più facilmente gli odori dall aria esausta (p.es. con un filtro di compost maturo sulla mandata della ventola di aspirazione).
CUMULI STATICI AERATI/3 Esempio di un sistema tradizionale a basso contenuto tecnologico. Si noti la presenza del materiale poroso a protezione della tubazione perforata di estrazione dell aria per evitarne l intasamento con il materiale in compostaggio.
CUMULI AERATI/4 Esempio di sistema più complesso, AC Composter, coperto da brevetto. Il principio è lo stesso, ma la gestione dell aria consente di ridurre le emissioni. Adatto ad impianti più grandi i cumuli sono coperti e l aria estratta è convogliata ad un biofiltro. La copertura ha delle aperture per far entrare l aria di processo. E previsto il monitoraggio di temperatura dell aria estratta e l eventuale pompaggio di aria fresca per il controllo della temperatura di processo..
CUMULI RIVOLTATI/1 Prevedono la disposizione della biomassa in cumuli di grande dimensione (3-4 metri di altezza e larghezza da 3 a oltre 20 metri). Tipicamente senza aerazione sono rivoltati con pale meccaniche o con apposite rivoltatrici al fine di garantire l ossigenazione. Sono soluzioni quindi adatte per materiali prevalentemente lignocellulosici o per biomasse in fase di maturazione. Sono applicati solitamente all aperto. I cumuli possono essere gestiti in batch o in continuo con la formazione del cumulo si una sezione di carico e traslazione progressiva verso la sezione di scarico.
CUMULI RIVOLTATI/2 Esempio di cumulo rivoltato in fase di maturazione con frequenza di rivoltamento settimanale.
ANDANE/1 Sono costituite da accumuli di materiale di altezza inferiore ai cumuli ma lunghezza maggiore e possono dotati o meno di aerazione forzata. Il rivoltamento avviene con macchinari appositi ed è frequente, anche giornaliera. Sono usate all aperto o al chiuso. Sono adottate per: - Fase attiva di matrici ad elevata fermentescibilità in locali chiusi; - Fase di maturazione all aperto.
ANDANE/2 L altezza delle andane varia a seconda delle caratteristiche del substrato e della macchina movimentatrice. Matrici molto dense (es. alcuni tipi di deiezioni animali), che tendono a compattarsi, devono essere sistemate in cumuli di 1,2-1,5 m; d altra parte, con materiali piuttosto soffici, come i fanghi di depurazione miscelati a scagliette di legno (wood chips), si possono formare cumuli di 2-3 m di altezza e talvolta anche più alti. La base dei cumuli varia, di solito, dai 3 ai 6 m. Le più comuni pale meccaniche possono lavorare tranquillamente anche su andane alte. Le macchine rivoltatrici, sia trainate che semoventi, non sono invece compatibili con cumuli alti più di 3 m. Figur
ANDANE/3 Andane in area agricola Sistema di movimentazione a traino Sistemi di movimentazione semoventi
BIOREATTORI L uso di bioreattori permette di ridurre significativamente i tempi di trattamento attraverso il controllo dei parametri di processo ottenuto attraverso il confinamento rispetto all ambiente circostante della biomassa in fase di compostaggio. L uso dei bioreattori, che prevede quindi il funzionamento in ambiente chiuso, consente di ridurre le emissioni in atmosfera riducendo in modo significativo l impatto ambientale dell impianto di compostaggio.
BIOCELLE Il compostaggio mediante biocelle prevede il trattamento del substrato all interno di veri e propri container coibentati in calcestruzzo, dotati di un impianto di aerazione che consente l adduzione di aria all interno del reattore attraverso il pavimento ad intercapedine, perforato. Ogni biocella può contenere da 30 a 60 m 3 di materiale, il quale viene caricato attraverso un portellone, successivamente chiuso in maniera ermetica. Il metodo è, a tutti gli effetti, un sistema statico e, perciò, richiede una accurata preparazione della miscela iniziale, sia in termini di bilanciamento dei nutrienti, sia, soprattutto, in termini di adeguata porosità e resistenza meccanica al compattamento.
BIOCELLE: RICIRCOLO DELL ARIA Nelle biocelle è spesso presente un ricircolo dell aria dotato di scambiatore di calore che consente di disaccoppiare il problema della dispersione del calore da quello dell ossigenazione. Infatti la necessità di aria è maggiore per il controllo della temperatura che per fornire ossigeno. Le arie esauste dopo un passaggio attraverso la biomassa sono ancora relativamente ricche di ossigeno, mentre devono rilasciare calore all esterno. Il ricircolo di arie passate da uno scambiatore di calore consente tale operazione evitando di aumentare il flusso di arie da inviare al trattamento per l abbattimento degli odori e di asportare in misura eccessiva l umidità raccoltà dall aria immessa. Le biocelle si prestano quindi ad un controllo in continuo del processo ed al mantenimento delle condizioni ottimali di funzionamento.
BIOCELLE
BIOCONTEINER Come le biocelle sono reattori chiusi a sviluppo orizzontale tipicamente statici. Al contrario della biocelle sono containers amovibili, non coibentati. La volumetria è dell ordiine dei 20-30 m 3. Le arie esauste non sono ricircolate. Bioconteiner e Biocelle sono utilizzati per la gestione della fase attiva del compostaggio. Come tutti i sistemi statici sono condizionati dall avere un buon grado di strutturazione della biomassa, che quindi deve essere dotata di buone percentuali di supporto lignocellulosico.
BIOCONTEINER
TRINCEE DINAMICHE Le trincee dinamiche aerate. Sono definite anche letti agitati (agitated beds). Questi sistemi combinano l aerazione controllata del substrato con il periodico rivoltamento dello stesso. Il compostaggio delle matrici alimentate avviene in strette corsie o vasche (trincee), delimitate da pareti che corrono soltanto lungo l asse longitudinale. Più corsie possono essere sistemate, in batteria, una adiacente all altra e sul culmine di ogni parete è posizionata una rotaia. Una macchina rivoltatrice si muove a cavallo di ogni corsia, seguendo il binario formato dalle due pareti di contenimento adiacenti. Negli impianti a corsie multiple, la macchina rivoltatrice può essere spostata da una trincea all altra per mezzo di un telaio traslatore su ruote, posto in testa alle vasche. Sono solitamente utilizzati in ambienti chiusi (capannoni). Figura 4.13 - Batteria di corsie per il
TRINCEE DINAMICHE/2 Sono tipicamente utilizzate nella gestione delle fasi attive di biomasse ad elevata fermentescibilità. Hanno il vantaggio di poter controllare il processo abbastanza agevolmente visto il periodico mecolamento e la possibilità di ricostituire con facilità lo strato strutturale quando ci sia l arrivo di rifiuti con elevato grado di umidità. Sono soluzioni frequentemente utilizzati in impianti di medio-grande dimensione.
TRINCEE DINAMICHE/3
BACINI DINAMICI Tipologia impiantistica aerata in cui il materiale è posto in un reattore in cui viene periodicamente rivoltato con appositi macchinari (a coclee, a ruote dentate, a tazze, ) montate generalmente su carroo ponte. Utilizzato per trattare la fase attiva è utilizzabile anche nella fase di maturazione. Adatto per installazioni grandi (>100 t/d). Per quanto riguarda la gestione del processo valgono le considerazioni fatte sulle trincee dinamiche.
BACINI DINAMICI/2
CILINDRI ROTANTI/1 Si tratta di grandi cilindri disposti orizzontalmente e sistemati su speciali ingranaggi che ne consentono un lento movimento rotatorio. Il substrato viene alimentato attraverso una tramoggia sistemata ad una estremità del cilindro. La matrice organica, a seguito del movimento rotatorio, viene miscelata e spinta attraverso tutta la lunghezza del cilindro, per poi venir scaricata all estremità opposta a quella di carico. Le dimensioni più frequenti per questo tipo di cilindri sono 3 m di diametro per 35 m circa di lunghezza. Considerando un utilizzo massimo del volume interno intorno al 70%, le suddette misure consentono una capacità giornaliera dell ordine di 50 t, con tempi di residenza del substrato di tre giorni. Vengono usati per la fase attiva in sistemi intensivi e come pretrattamento accelerato prima del passaggio ad altre tecnologie in fase attiva.
CILINDRI ROTANTI/2
CILINDRI ROTANTI/3
SILI Sono reattori cilindrici, verticali, di solito completamente chiusi. In quelli a configurazione più recente, ogni giorno uno speciale apparato estrattore rimuove dal fondo del reattore la porzione di substrato parzialmente stabilizzata, mentre la nuova matrice fresca viene alimentata dall alto. L aerazione è attuata per mezzo di un sistema di diffusori posti al fondo del silo, che permettono all aria di passare attraverso tutto il profilo del materiale in compostaggio. Una volta arrivata al culmine del reattore, l aria esausta viene convogliata in un filtro per l abbattimento degli odori. Il tempo di ritenzione del substrato all interno del silo è normalmente dell ordine delle due settimane. Figura 4.12 -
eattore (silos) con nastri rasporatori Reattore (silos) cilindrico con miscelatore radiale Reattore (silos) a piani orizzontali fissi Reattore (silos) a Flusso verticale Reattore cilindrico rotante con miscelatore assiale
TEMPERATURA Nella fase attiva di biostabilizzazione la temperatura è compresa fra 45-65 C. Per ottenere un adeguata igienizzazione (eliminazione patogeni e fitopatogeni) deve essere garantita per un numero di giorni adeguati (almeno 3) una T > 55 C. In fase di maturazione T < 45 C
UMIDITA Si tratta di un parametro complesso. Bassi valori di umidità inibiscono il processo biologico che ha bisogno di acqua. Valori elevati impediscono la diffusione di ossigeno. Normalmente si tende a mantenere l umidità compresa fra 45-60%.
OSSIGENO La mancanza di ossigeno porta allo sviluppo di processi anaerobici ed alla produzione di cattivi odori. Deve quindi essere garantita una concentrazione nell aria interstiziale non inferiore al 10%, con valori ottimali intorno al 15%.
NUTRIENTI Garantire una rapporto equilibrato fra i nutrienti presenti: C/N = 25 50; C/P = 75 150 eventuale miscelazione con altri composti organici (fanghi biologici, sfalci, ecc.) per garantire i valori desiderati. Per bassi valori C/N è possibile una perdita di composti azotati, mentre per alti valori un rallentamento dell attività microbica per assenza di di nutrienti.
BILANCIO DI MASSA TIPICO DI UN IMPIANTO DI COMPOSTAGGIO Il sovvallo plastico e di altro materiale di scarto può raggiungere valori anche prossimi al 20-25% in funzione della qualità della raccolta differenziata.
Integrazione con la Digestione Anaerobica Raccolta Organico Digestione anaerobica Compostaggio Solido Surnatante Ammendante Biogas Agricoltura Il sistema permette, a fronte di una maggiore complessità impiantistica, di: Ridurre i consumi energetici; Recuperare energia dal biogas; Ridurre le emissioni odorigene; Garantire un compost finale di qualità più stabile