ORDINE DEI CHIMICI DELLA TOSCANA giornata di studio RIFIUTI URBANI INDIFFERENZIATI Problematiche per il loro corretto smaltimento VIVAHOTEL ALEXANDER Viale Guidoni, 101 - Firenze COMPOST L impianto di trattamento meccanico biologico rsu e compostaggio delle frazioni organiche differenziate località Casa Sartori - Comune di Montespertoli. Publiambiente SpA Dott. Ing. Paolo Daddi 15 novembre 2007
COMPOSTAGGIO Il nuovo Testo Unico in materia ambientale (D.lgs. 152/2006) definisce il compost da rifiuti nell art. 183 come il prodotto ottenuto dal compostaggio della frazione organica dei rifiuti urbani nel rispetto di apposite norme tecniche finalizzate a definirne i contenuti e usi compatibili con la tutela ambientale e sanitaria e in particolare a definirsi i gradi di qualità ; tale definizione è integrata nell Allegato C da quella del processo di compostaggio: un operazione di riciclo/recupero delle sostanze organiche non utilizzate come solventi. Leggi di riferimento circa la produzione e la qualità del prodotto Vecchia normativa - Legge 748/84 Nuove norme per la disciplina dei fertilizzanti - Circolare MiPAF n. 8 del 13/09/99 Nuova normativa - D.lgs 217/06 Revisione della disciplina in materia di fertilizzanti
IL PROCESSO Il compostaggio (processo di umificazione artificiale) consiste nella decomposizione aerobica (ossigeno-dipendente) di materiali organici da parte di microrganismi, in condizioni controllate (temperatura, umidità, ossigeno, ecc..). Durante il compostaggio, i microrganismi consumano O2 mentre si sviluppano a spese di substrati organici. Nella fase intensa di trasformazione si sviluppa una considerevole quantità di: calore; anidride carbonica; vapore acqueo. Le perdite di CO2 e acqua possono risultare fino metà del peso del substrato organico iniziale, determinando la riduzione di volume e di massa dei materiali di partenza. Il compostaggio si svolge in tempi ristretti se sono create e mantenute le condizioni che rendono ottimale la crescita dei microrganismi responsabili del processo.
Principali condizioni: Miscelazione dei substrati di partenza in appropriate proporzioni in modo da garantire la presenza dei nutrienti necessari per l attività metabolica e la crescita dei microrganismi, compreso un bilanciato C/N. Ossigeno a livelli tali da garantire l attività dei microrganismi aerobi; Umidità in misura sufficiente da permettere l attività biologica, senza che, per altro, sia impedita l aerazione della biomassa substrato; Temperature che consentano una intensa e durevole attività metabolica dei microrganismi. Poiché il rilascio di calore è direttamente correlato all attività microbica ossidativi, la temperatura è un ottimo indicatore di processo. L innalzamento della temperatura a seguito dell attività microbica è particolarmente marcato nelle 12-48 h successive all attivazione del processo e contestualmente al consumo di composti facilmente degradabili (zuccheri solubili, acidi organici ecc..). Le temperature dei materiali sottoposti a compostaggio seguono di norma un andamento di rapida crescita fino ad un plateau di 60-65 C. E questa la fase termofila che può protrarsi, a seconda della biomassa e del sistema di compostaggio adottato, da alcune settimane a qualche mese. Se poi il calore non viene adeguatamente dissipato, la temperatura di alcune matrici organiche può superare con facilità anche i 65 70 C, provocando la disattivazione della maggiore parte dei microrganismi. Allo stadio termofilo segue una fase di lenta ma progressiva diminuzione della temperatura. Durante questa fase, la matrice in compostaggio si arricchisce di composti umici, perde l eventuale fitotossicità residua, mentre la biomassa microbica si avvia verso una condizione di equilibrio dinamico. Questo periodo viene indicato fase di finissaggio.
Reazioni generali nei processi di degradazione microbica Polimeri (cellulosa, lignina, proteine, ecc.) enzimi extracellulari Monomeri (zuccheri, fenoli, a.a., ecc.) aerobiosi CO2 + H2O + molta energia + molta biomassa anaerobiosi CO2 + CH4 + alcol + ac. org. + H2 + meno energia + meno biomassa
Il processo di compostaggio
FATTORI CHE INFLUENZANO IL PROCESSO DI COMPOSTAGGIO la concentrazione di ossigeno e l aerazione; la concentrazione ed il rapporto dei nutrienti nella biomassa substrato (C/N); l umidità; la porosità; la struttura; la tessitura e la dimensione delle particelle; il ph; la temperatura; il tempo.
Fasi del processo
Concentrazione di ossigeno e aerazione Il compostaggio consuma notevoli quantità di ossigeno. Durante i primi giorni del processo, le componenti più facilmente degradabili della biomassa sono rapidamente metabolizzate. Il bisogno di ossigeno e, di conseguenza, la produzione di calore sono perciò decisamente maggiori nei primi stadi della biostabilizzazione, mentre decrescono con l evolversi del processo. Nel caso in cui l apporto di ossigeno sia limitato, il compostaggio rallenta. Anche se una concentrazione minima di ossigeno del 5% nell atmosfera circolante tra le particelle della biomassa substrato può consentire il compostaggio, per la gestione ottimale del processo, dovrebbero essere garantite nella matrice concentrazioni di O2 non inferiori al 10%. Senza un adeguata ossigenazione la microflora microbica anaerobica prende il sopravvento portando all accumulo di composti ridotti (acidi grassi volatili, idrogeno solforato, mercaptani ecc..) caratterizzati da odore decisamente aggressivo e da elevata fitotossicità. L aerazione del materiale in compostaggio, per garantire l apporto di ossigeno necessario al processo, rende inoltre possibile la dissipazione di calore, l eliminazione del vapor d acqua e l allontanamento di altri gas intrappolati nell atmosfera interna del substrato. In effetti, il tasso di aerazione richiesto per la rimozione del calore può essere anche dieci volte maggiore di quello necessario per l apporto di ossigeno. Di conseguenza, è la temperatura che normalmente determina l estensione e la frequenza degli interventi di aerazione.
Concentrazione e rapporto dei nutrienti C, N, P, K sono gli elementi nutritivi principali richiesti dai microrganismi coinvolti nel processo di compostaggio. N, P, K sono inoltre i principali nutrienti delle piante e, per questo, la loro concentrazione finisce per influenzare anche il valore agronomico del compost. E però soprattutto la quantità di C e N della biomassa substrato che ne può influenzare la stabilizzazione mediante il compostaggio. Per le reazioni energetiche e la crescita i microrganismi utilizzano, C in ragione circa 20 volte maggiore dell N. matrici organiche da avviarsi al compostaggio: C/N compreso tra 20:1 e 30:1 (40:1) casi particolari. C/N inferiori a 20:1 il carbonio disponibile è completamente utilizzato senza che, di contro, sia stato stabilizzato tutto l azoto presente. L eccesso di azoto può allora essere perduto in atmosfera sotto forma di ammoniaca o ossido nitroso (emissioni maleodoranti). C/N superiori a 40 tempi di compostaggio eccessivamente lunghi, dovuti alla più lenta crescita microbica in presenza di matrice carboniosa in eccesso. Sebbene il rapporto C/N rappresenti un utile guida per la preparazione delle miscele di residui organici da avviare al compostaggio, anche il grado di suscettibilità dei composti carboniosa all attacco microbico deve essere tenuto in debito conto. Così, ad esempio, la paglia, a prevalente composizione cellulosica, si degrada e rende disponibile il carbonio per i microrganismi più facilmente dei sarmenti di potatura, nei quali, invece, la cellulosa è diffusamente incrostata da lignina e legata da altri composti organici (resine, tannini, ecc.) recalcitranti alla degradazione biologica.
Umidità La fase acquosa è il mezzo dove avvengono le reazioni chimiche, la diffusione ed il trasporto dei nutrienti, i movimenti e la migrazione dei microrganismi. In teoria, l attività biologica trova le condizioni ottimali in un ambiente saturo. Di contro. Essa cessa completamente al di sotto del 15% di umidità. In pratica in un processo di compostaggio si opera tra il 45 ed il 65% di umidità. Al di sotto del 40% l attività microbica procede molto lentamente; Al di sopra del 65% l acqua espelle l aria dalla maggior parte degli spazi interstiziali tra le particelle della matrice organica. Ciò ostacola la diffusione dell ossigeno (anossia locale) e del flusso di aria in genere (accumulo di calore); L eccessiva disidratazione del substrato in corso di processo può portare, erroneamente, ad interpretare il declino dell attività microbica come segno di avvenuta stabilizzazione. Il materiale così ottenuto sarà invece stabilizzato solo da un punto di vista fisico (disidratazione). Se nuovamente riumidificato, questo, in realtà, riprenderà ad evolversi biologicamente, con grave danno per le colture cui, eventualmente, sia stato somministrato.
Porosità, struttura, tessitura e dimensione delle particelle La porosità è una misura degli spazi vuoti nella biomassa in compostaggio e determina la resistenza alla circolazione dell aria. Essa dipende dalle dimensioni delle particelle, dalla distribuzione granulometrica dei materiali e dalla continuità degli interstizi tra le particelle. Ovviamente particelle più grandi e più uniformi incrementano la porosità. La struttura indica la rigidità delle particelle, vale a dire la resistenza delle stesse a collassate e compattarsi. Un buon grado di struttura previene la perdita di porosità del substrato umido. La tessitura è la caratteristica che descrive l area superficiale del substrato disponibile per l attività microbica aerobica. Le reazioni di degradazione avvengono prevalentemente alla superficie delle particelle della matrice in trasformazione. Ciò perché l ossigeno diffonde facilmente attraverso gli spazi vuoti delimitati dalle particelle, ma molto più lentamente attraverso la fase liquida o i materiali solidi. Così, i microrganismi aerobi si concentrano nel sottile strato acquoso che contorna le particelle del substrato, utilizzando l ossigeno all interfaccia tra la fase liquida e la fase gassosa degli interstizi (vedi fig.). Poiché l estensione dell area superficiale aumenta con la riduzione della pezzatura, il tasso di decomposizione aerobica si innalza in una matrice organica quanto più piccole sono le dimensioni delle particelle. Particelle troppo piccole però rischiano di compromettere la porosità ed è quindi necessario trovare una situazione di compromesso. Risultati soddisfacenti si ottengono normalmente quando il diametro medio delle particelle della matrice sottoposta a compostaggio oscilla tra 0,5 e 5 cm.
ph Il compostaggio è relativamente poco sensibile al ph dei substrati di partenza; ciò in ragione dell ampio spettro di microrganismi associati ai substrati stessi e coinvolti nelle reazioni di processo. I valori ottimali del ph cadono nell intervallo tra 6,5 e 8, tuttavia la naturale capacità tampone del processo rende possibile l impiego di substrati con ph compresi in un ben più ampio spettro (da 5,5 a 9). Temperatura Di solito, nel caso di matrici putrescibili, la fase di compostaggio attivo si svolge a temperature comprese tra 45 C e 70 C. Le temperature termofile sono importanti per la distruzione degli eventuali organismi patogeni associati alla biomassa substrato di partenza. Il limite largamente fissato per l attivazione dei patogeni umani è 55 C. Mentre per i semi delle erbe infestanti, sono necessarie temperature non inferiori a 60 C. Si è già detto che la decomposizione microbica durante il compostaggio rilascia una grande quantità di energia sottoforma di calore. Tutti i sistemi di aerazione accelerano la perdita di calore e, quindi, sono usati per mantenere la temperatura nell intervallo compatibile con l attività metabolica dei microrganismi. E importante ribadire che, nei casi di scarsa dissipazione dell eccesso di calore generato dalle reazioni ossidative esotermiche, la temperatura può raggiungere e oltrepassare i 70 C. A questo punto la quasi totalità dei microrganismi soccombe. Ad evitare questa situazione, giova un puntuale monitoraggio della temperatura e l attivazione, quando questa si avvicina ai 60 C, di sistemi, come il rivoltamento o la ventilazione forzata, che accelerino la rimozione del calore. Tempo L estensione del tempo necessario per trasformare in compost i substrati avviati alla biostabilizzazione aerobica dipende da molti fattori: matrice organica di partenza; temperatura; umidità; tipo di aerazione. Un adeguato contenuto di umidità (60-65%), un corretto rapporto C/N (circa 25) ed una efficace aerazione della massa consentono di realizzare il compostaggio in tempi decisamente contenuti (poche settimane).
Ammendante Compostato Misto Analisi media dei lotti prodotti nell'anno 2007 Parametro u.m limte valore (%) <50 22,1 unità di ph 6-8,5 7,4 Carbonio organico % s.s. >25 30,0 Acidi Umici e Fulvici % s.s. >7 11,2 Azoto totale % s.s. >1 1,8 Azoto Organico % s.s. 1,7 Rapporto Norg/Ntot >80 89,5 Rapporto C/N <25 16,9 Rame mg/kg s.s. <150 74,8 Zinco mg/kg s.s. <500 189,8 Piombo mg/kg s.s. <140 87,1 Cadmio mg/kg s.s. <1,5 0,4 Nichel mg/kg s.s. <100 17,7 Mercurio mg/kg s.s. <1,5 0,6 Cromo VI mg/kg s.s. <0,5 <0,1 Plastiche Totali % s.s. Assenti Assenti Plastiche< 10 mm E > 3,33 mm % s.s. <0,05 <0,01 Plastiche < 3,33 mm % s.s. <0,45 0,1 Inerti totali % s.s. Assenti Assenti Inerti< 10 mm E > 3,33 mm % s.s. <0,1 <0,01 Inerti< 3,33 mm % s.s. <0,9 0,3 UFC/25g Assente Assente Enterobacteriacee Totali UFC/g <100 51,1 Streptococchi Fecali MNP/g <1000 <18 Umidità ph Salmonella
Impianto di Compostaggio di Montespertoli Confronto Qualità Ammendante Compostato Misto con limiti D.lgs 217/07 1,0 0,9 0,8 valore limite D.lgs 217/07 0,7 % 0,6 valore Ammendante Compostato Misto Publiambiente S.p.A. 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 Plastiche< 10 mm E > 3,33 mm Plastiche < 3,33 mm Inerti< 10 mm E > 3,33 mm parametro Inerti< 3,33 mm
Impianto di Compostaggio di Montespertoli Confronto Qualità Ammendante Compostato Misto con limiti D.lgs 217/07 1,6 1,4 valore limite D.lgs 217/07 1,2 mg/kg 1,0 valore Ammendante Compostato Misto Publiambiente S.p.A. 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Cadmio Mercurio parametro Cromo VI
Impianto di Compostaggio di Montespertoli Confronto Qualità Ammendante Compostato Misto con limiti D.lgs 217/07 600,0 500,0 valore limite D.lgs 217/07 mg/kg 400,0 valore Ammendante Compostato Misto Publiambiente S.p.A. 300,0 200,0 100,0 0,0 Rame Zinco Piombo parametro Nichel
Impianto di Compostaggio di Montespertoli Confronto Qualità Ammendante Compostato Misto con limiti D.lgs 217/07 100,0 90,0 80,0 valore limite D.lgs 217/07 70,0 % 60,0 valore Ammendante Compostato Misto Publiambiente S.p.A. 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 Umidità Carbonio organico Acidi Umici e Fulvici parametro Rapporto Norg/Ntot Rapporto C/N
USO DEL COMPOST Il compost può essere destinato a numerosi impieghi in campo agricolo e forestale. Potenziali settori di applicazione: in agricoltura in pieno campo; orticoltura protetta; semenzai e vivai forestali; produzione in serra di piante ornamentali; nei suoli ai fini del mantenimento delle proprietà fisico-meccaniche e della fertilità biologica degli stessi; ripristino paesaggistico (coperture di discariche, cave, ex aree industriali); Gli effetti positivi derivanti dall uso del compost Il compost una volta addizionato al terreno: riduce la densità del terreno rendendo più facile la lavorabilità e la penetrazione da parte delle radici delle piante; promuove la struttura, aumentando, da una parte, l aerazione e il drenaggio nei suoli pesanti, favorendo invece, l aggregazione glomerulare e la capacità di ritenzione idrica in quelli sabbiosi. aumenta la capacità di scambio cationico, cioè l abilità di un suolo ad adsorbire i nutrienti. trasferisce nel terreno tutti gli elementi necessari per la crescita delle piante (N, P, K, Cu, Mg, Mn, ecc.); trasferisce acidi humici che contribuiscono, con le loro proprietà tensioattive, a rendere più disponibili le sostanze nutritive e ad aumentare la traslocazione di queste attraverso le membrane delle cellule radicali. pur non sostituendo completamente il ricorso ai fertilizzanti chimici ne riduce notevolmente l utilizzo (con notevoli risparmi economici); conseguentemente si riduce la perdita di questi per lisciviazione che spesso va a danneggiare le falde idriche. ha apprezzate proprietà biologiche fra cui quella fungicida, è antagonista di microrganismi fitopatogeni,