Compostaggio

È una delle tecniche per trattare la FORSU (frazione organica dei rifiuti). Il trattamento più veloce è quello dei processi biologici aerobici, che porta al compostaggio verde o di qualità, mentre un altro tipo di processi aerobici porta alla biostabilizzazione, oppure in alternativa si può ricorrere a processi anaerobici.

Vantaggi

I vantaggi economici ed ambientali del compostaggio dei rifiuti organici rispetto allo smaltimento in discarica sono:

• minor quantità di RU da smaltire in discarica
• semplificazione della gestione operativa delle discariche (minori problemi di emissioni maleodoranti e di percolati)
• valorizzazione economica dei rifiuti:
• il compost ha prezzo orientativo di mercato 18000¸120000lire/ton, molto variabile in funzione della qualità e della zona di vendita (ad esempio un buon mercato per il compost sono le zone in cui non ci sono allevamenti animali, che invece dispongono già di concime naturale)
• i sopravagli dei trattamenti di selezione, quali carta, plastiche e metalli, sono materie prime per impianti di riciclaggio di tali materiali
• il potere calorifico dei RU, in assenza della frazione organica umida (si arriva ad eliminare il 95% dell’acqua presente nei RU indifferenziati), tende ad aumentare: perciò si possono produrre combustibili da rifiuti (CDR) da utilizzare in opportuni inceneritori con recupero energetico.

Caratteristiche del Compost

Generalmente il compostaggio si articola in due fasi: la prima, di ricezione e selezione dei rifiuti grezzi (operazioni di pretrattamento) è seguita da una miscelazione.
Il processo di compostaggio consiste nella biodegradazione aerobica, talvolta indicata anche come fermentazione, di rifiuti organici tesa all’ottenimento di un prodotto, chiamato appunto compost, che possiede le seguenti caratteristiche:

• visivamente simile al terriccio e dall’odore caratteristico di sottobosco
• alto contenuto di acidi umici () con struttura comunque non ben definita, a seconda dei rifiuti di partenza. Questi acidi sono facilmente attaccabili dai microrganismi e non dalle piante: forniscono in pratica (durante un tempo di inoculo) il nutrimento ai batteri che poi producono le sostanze nutritive inorganiche per le piante
• elevato potere tampone (pH), per cui il compost è particolarmente utile in terreni acidi
• assenza di semi di piante infestanti, batteri fito-patogeni (dagli intestini degli animali) e composti chimici fitotossici e/o bioaccumulabili

Azioni del compost sul terreno

• azione concimante svolta tramite l’apporto di elementi utili alla fertilità agricola (quali azoto, fosforo, potassio, calcio, zolfo, magnesio e zinco)
• azione ammendante svolta dalla sostanza organica unificata che modifica le caratteristiche fisiche (rinforza la struttura e diminuisce la capacità di ritenzione idrica del terreno) e meccaniche (quali la plasticità e la compattezza) del terreno
• azione correttiva, sia del pH (dilavamento dei metalli e dei minerali), che della carica batterica totale (maggiore resistenza alle specie microbiche patogene)

Grado di maturazione del compost

• fresco: 3 mesi di maturazione, ancora in fase di trasformazione biologica, estremamente ricco di elementi nutritivi e con temperatura spontanea maggiore di quella ambiente; utilizzato in floro-vivaistica per la preparazione dei letti caldi
• pronto o stabilizzato: 4-8 mesi di maturazione, con umificazione e mineralizzazione ancora incomplete, e con temperatura spontanea inferiore a quella del compost fresco; utilizzato in floro-vivaistica prima della semina o del trapianto
• maturo o finito: 12-24 mesi di maturazione, materiale con completa umificazione e mineralizzazione, a basso tenore di elementi nutritivi e con temperatura spontanea uguale a quella ambiente; utilizzato come substrato di coltivazione
• speciale: miscele di compost fresco o pronto, dopo essiccazione o igienizzazione a vapore, con substrati supplementari quali argilla, sabbia o farina di osso; utilizzato solo nel settore hobbistica/giardinaggio

Valutazione del grado di stabilizzazione del compost

• Empirico: basato sullo sviluppo di calore e gas maleodoranti durante lo stoccaggio, oppure quando la temperatura dei cumuli è inferiore a 40°C. In pratica si misura la temperatura del compost, e se è ancora caldo non è stabile
• Autoriscaldamento (test di Niese): se la temperatura non supera i 30°C in contenitori adiabatici ed in presenza di acqua allora il compost è stabile
• COD: se il COD (contenuto di sostanze organiche) è inferiore al 35% del contenuto del COD iniziale allora il compost è stabile
• Rapporto C/N: nel compost maturo esso è inferiore a 20

Parametri del processo di compostaggio

Umidità

In funzione della tipologia dei rifiuti, della loro granulometria e dell’apporto esterno di acqua, l’umidità dei rifiuti che iniziano il processo di compostaggio può variare 45¸55% espressa come kg di acqua su kg di rifiuto tal quale. Se U<45% si ha una diminuzione della cinetica biologica, mentre U=55% è il valore limite massimo che permette il trasferimento di ossigeno nella fase solida, che può essere portato fino al 60% nei bioreattori. L’acqua viene rimossa dal solido in compostaggio tramite aria effluente calda ed umida, e si deve arrivare alla fine del trattamento con U=30% nel compost, e l’aria necessaria per ottenere questo è, per substrati secchi, 5¸10 volte maggiore (è un eccesso di aria) di quella necessaria alla loro biossidazione. Per il rapporto tra quantità di acqua prodotta e quantità di solido volatile consumato W=8¸10, mentre il rapporto tra il calore rilasciato ed i grammi di acqua evaporata è pari ad E=600¸800. L’umidità diminuisce durante il compostaggio perché tende a diminuire la quantità di solido volatile presente e quindi aumenta il riscaldamento.

Ossigenazione

In funzione della tipologia dei rifiuti (ovvero in base alla formula bruta dei solidi volatili biodegradabili: SVB) è necessaria una certa quantità di ossigeno per la reazione, in quanto maggiore è l’ossigeno presente nella sostanza, minore è quello richiesto dall’esterno. In pratica si ha bisogno di 1¸4 g di O2 per g di SVB, rispettivamente per i carboidrati e per gli idrocarburi. È invece trascurabile la richiesta di ossigeno per la nitrificazione dell’ammoniaca prodotta (inoltre è prevalente la vaporizzazione). L’aria è resa disponibile alla biomassa tramite aerazione naturale, forzata o con periodici rivoltamenti con consumi specifici massimi di .

Temperatura

Essa può variare tra 40¸70°C a seconda della fase di crescita e sviluppo di diversi metaboliti.

• Fase mesofila: periodo di latenza in cui sono attivi batteri attinomiceti, con temperature di 40¸45°C, , produzione di acidi organici volatili (pH=4¸5) e fenomeni di proteosi
• Fase termofila: diminuisce la velocità di processo, temperatura 50¸70°C con presenza di funghi (attivi fino a 60°C: processo di autoigienizzazione) e attinomiceti, rapida produzione di NH3 con pH=8¸9
• Maturazione: temperatura che scende al disotto dei 40°C, con funghi e attinomiceti che degradano i materiali ligno – cellulosi con produzione di humus, mentre il pH torna alla neutralità (7)

Concentrazione idrogenionica (pH)

Le concentrazioni ottimali di attività sono 6¸7.5 per i batteri, 5.5¸8 per i funghi, anche se è un parametro difficilmente controllabile in pratica. A pH e temperature elevate si registrano perdite di NH3.

Nutrienti

Consideriamo la biomassa prodotta :

• se Ym=0.1 si ha  con rapporto C/N=30.9 (in grammi), PM=180 per il reagente, 113 per il prodotto.
• se Ym=0.2 si ottiene invece C/N=15.

Perciò se risulta C/N compreso tra 15 e 30 siamo in una condizione in cui l’azoto non è limitante. Analogamente, per il fosforo, si ottiene una condizione per cui C/P deve essere compreso tra 75 e 150. Bisogna però tenere presente che il calcolo di questi rapporti va fatto sulla base della sola sostanza biodegradabile (in particolare, il carbonio è presente anche in forma inorganica. Il calcolo del carbonio biodegradabile presente può essere fatto in diversi modi, semplicemente dal contenuto di sostanze volatili ().

Il processo di compostaggio

Rifiuti idonei al compostaggio

• frazione organica dei rifiuti solidi derivanti da raccolta indifferenziata (FORSU)
• frazione umida dei rifiuti organici da raccolta differenziata
• rifiuti organici da raccolta selezionata (mercati, mense, utenze commerciali)
• rifiuti verdi (dalla manutenzione del verde cittadino e floro-vivaismo)
• rifiuti delle industrie alimentari o da centri allevamento e macellazione di bestiame
• fanghi di esubero degli impianti di trattamento delle acque

Per produrre il compost si parte da rifiuti a temperatura ambiente (25°C), che contengono acqua e solidi volatili, C organico in diversa forma (sostanze biodegradabili o meno), inerti. Si aggiunge aria a 25°C che chiaramente contiene N2, O2, CO2 e vapore, in condizioni diverse tra estate ed inverno; si può poi aggiungere acqua e sostanze ammendanti (intese come frazioni ricche di azoto, come erba o fanghi di trattamento acque: oggi non si possono più aggiungere). Dal cumulo si sviluppa calore, prodotto dalla degradazione dei rifiuti da parte dei batteri, con produzione di gas (N2, O2 –diminuito-, CO2 –aumentata-, NH3, vapore) a 55°C, per cui alla fine si ottiene compost solido a 55°C contenente acqua (che deve essere minimizzata), solidi volatili non biodegradabili (gli altri si sono consumati) e ceneri secondo la reazione:

L’ammoniaca che si produce è instabile e tende ad essere ossidata dai microrganismi a nitrato, inoltre è in piccole quantità e l’ossigeno necessario ad ossidarla è poco soprattutto perché evapora.

Calore di reazione

Per ossidare un grammo di solido volatile si producono 5550cal, ovvero possiamo dire che DHbiox=5550kcal/kgSV equivalente a DHbiox=104.2kcal/molO2. L’entalpia di reazione può essere anche misurata sperimentalmente:

• calorimetro aperto (a pressione costante)
• bomba calorimetria (a volume costante), che opera con O2 puro a 20atm e la reazione è innescata con una scintilla
• metodi empirici:
• fanghi: DH=3.81·COD+28.6, dove COD=mgCOD/g di solido secco
• sostanze organiche: DH=127·R+400 in cui , dove le concentrazioni sono espresse in peso, riferite all’elemento privo di ceneri (ash free).

Fasi del compostaggio

• ricezione, alimentazione e selezione dei rifiuti grezzi (pre-trattamenti)
• processo:
• miscelazione ed omogeneizzazione dei flussi di rifiuti (alimentazione a reattori o aie)
• biotrattamento dei rifiuti (compostaggio e biostabilizzazione)
• raffinazione e nobilitazione del compost (post-trattamenti)

Pre-trattamenti

La cernita manuale è in generale vietata dal decreto Ronchi tranne che in questo caso. Dovendo eseguire questa operazione, il nastro trasportatore iniziale è in ferro o acciaio per essere più resistente ai colpi dovuti al materiale ingombrante.
La vagliatura è un sistema molto semplice, la cui efficienza dipende essenzialmente dalla distribuzione dimensionale del rifiuto stesso.
La balistica, poi, si applica di solito sulla frazione “media” della vagliatura; l’ulteriore frazione media che si ottiene da questa operazione è detta “dense organic”, ed è quella che va al compostaggio.

Processo

I sistemi di compostaggio possono essere suddivisi in tre gruppi, che ora esamineremo; il tipo di reattore utilizzato si sceglie principalmente in base alla potenzialità nominale richiesta.

Impianti statici a fermentazione naturale in aia (FN)

Il più antico sistema di compostaggio, il più semplice e più adatto a piccole potenzialità d’impianto (<50ton/giorno) e con tempi di maturazione di 6 mesi, con aerazione naturale dovuta al gradiente termico e ai periodici rivoltamenti del materiale.
Il materiale viene disposto in cumuli con un certo angolo di declivio, che possono avere diverse conformazioni (triangolare o trapezoidale) e dimensioni, sempre per assicurare al materiale l’ossigenazione necessaria:

• sezione triangolare: altezza massima 2m, larghezza della base 3m, angolo circa 45° e superficie specifica richiesta di 0.6¸1m3/m2.
• sezione trapezoidale: altezza massima 2.5m, larghezza della base 5m, angolo circa 55° e superficie richiesta di 2¸2.5m3/m2, ed in questo caso bisogna stare attenti ad assicurare comunque la giusta ventilazione ai rifiuti.

Naturalmente il processo è influenzato da fattori climatici locali, dalla disponibilità di spazio e dalle tecniche di messa a parco e rivoltamento. I cumuli vengono in genere disposti all’aperto in piazzole con pavimentazione bitumosa o cementizia in lieve pendenza così da permettere, tramite una rete fognaria, l’allontanamento delle acque di dilavamento e di percolazione che possono essere eventualmente trattare in appositi impianti. Tra i cumuli viene lasciata una corsia per permettere l’accesso ai mezzi adatti a miscelare (movimentare) i rifiuti.

Impianti statici a fermentazione accelerata in aie con aerazione forzata (FA)

In questo tipo di impianto (per 50¸150ton/giorno) la fase di maturazione è accelerata (tempo richiesto di 4 mesi) in cumuli statici aerati forzatamente tramite tubi o griglie da cui si aspira o insuffla aria (DP<100mmCA, controllo in linea della T e/o O2), con frequenza di rivoltamento (necessaria per la omogeneizzazione dei rifiuti) minore di quella adottata in cumuli a fermentazione naturale.
In pratica si dispone di un ventilatore che fornisca la DP richiesta: quando esso funziona in aspirazione c’è bisogno di un biofiltro (o impianto di deodorizzazione) che depuri l’aria che arriva dal ventilatore, mentre è necessaria una copertura di compost raffinato (spessore 0.3m) sul cumulo per evitare odori quando il ventilatore funziona da pompa.

Impianti a pre-fermentazione accelerata con maturazione finale in aia (PF)

Per potenzialità >150ton/giorno si utilizzano dei bioreattori nei quali la biossidazione è accelerata tramite il controllo dell’umidità, della temperatura e della portata d’aria in condizioni di frequente agitazione per periodi di alcuni giorni. Si hanno così condizioni di maturazione incompleta, ridotte superfici, regolarità d’esercizio e buona igienizzazione.

• Struttura fissa e movimentazione interna
• Bacini cilindrici con carroponte rotante radiale sul quale sono montate viti di Archimede verticali, scarico dal centro e carico dalla periferia. Dimensioni tipiche sono diametro 3m, altezza 6m, tempo di permanenza 5 giorni, con aie di maturazione finale
• Bacini parallelepipedi (trincee dinamiche) con carroponte longitudinale con movimentazione a viti o tramogge, carico e scarico da lati opposti (20m di larghezza per ogni corsia) e con tempi di permanenza elevati (7-28 giorni) si opera la completa maturazione
• Torri cilindriche con ripiani (il materiale cade tramite bracci rotanti) o senza (usato per i fanghi, che cadono a gravità), con carico dall’alto e scarico dal fondo. Hanno grandi dimensioni (diametro 8m, altezza 24m) con tempi di maturazione di 2-9 giorni e aie di maturazione finale. Osserviamo che questa soluzione in particolare può portare a notevoli complicazioni impiantistiche in quanto occorre un sistema per portare i rifiuti a 24m di quota per essere alimentati alla torre, oltre ad essere necessario un motore che tenga in rotazione il sistema.
• Struttura mobile, formati da lunghi cilindri (detti DANO) del diametro di 3.5m e lunghi fino a 30m che ruotano lentamente (0.3¸1giri/minuto), inclinati sull’orizzontale (20¸30°) con carico dal lato più alto ed aria in controcorrente o equicorrente. Hanno tempi di permanenza di 3¸5 giorni, con aie di maturazione finale

Impegno di superfici

Sono impegnate tre diverse classi di superfici specifiche (m2 giorno/ton)

Superfici coperte

Destinate alla ricezione dei rifiuti, pre-trattamenti, prefermentazione accelerata, servizi. Si calcolano dalla relazione , in cui a=75 per impianti FA ed FN, mentre a=80 per impianti PF, b=24 e PN è la potenzialità nominale dell’impianto (ton/giorno).

Superfici scoperte SVR

Sono destinate alla viabilità generale ed alle aree di rispetto, per cui è una grandezza funzione della morfologia generale e dalla disponibilità di spazio

Superfici scoperte Sa

Sono costituite dalle aie di fermentazione (Sf) e di stoccaggio (Ss), cioè (, in cui compare il tempo di permanenza nelle aie (qH, espresso in ore), dipendente sia dal tipo di rifiuto che dalla legislazione, il volume specifico (v/s, in m3/m2), dipendente dal sistema di rivoltamento ed accatastamento dei rifiuti, il peso specifico del materiale (g, in ton/m3) ed ovviamente la frazione di rifiuti entranti che va al compostaggio R.

Compostaggio anaerobico

Serve alla produzione di biogas per mezzo della degradazione della frazione organica dei rifiuti (fanghi, prodotti ortofrutticoli e scarti animali). Si cerca cioè di produrre metano in un modo più veloce che non la stabilizzazione del rifiuto, ma comunque si hanno rese piuttosto basse (0.3m3/kg di rifiuto). Il processo anaerobico può essere svolto con un contenuto d’acqua alto (92-96%) o basso (72-78%): nel primo caso si usano delle pompe, e non delle coclee, per spostare il materiale lungo l’impianto ed inoltre l’acqua funge da volano termico e favorisce lo scambio di calore (naturalmente il rifiuto necessita di un’aggiunta di acqua per poter avere queste condizioni!); il secondo tipo di processo è invece ancora in fase di sviluppo perché richiede una serie di accorgimenti (come ad esempio l’utilizzo delle coclee invece delle pompe).
Questo tipo di processo ha come caratteristiche degli elevati tempi di digestione (10-30 giorni), la necessità che il reattore sia ben agitato (perché il contenuto deve essere pressoché liquido e soprattutto omogeneo, per cui è richiesta anche una ottima triturazione), termostatato con camicie di riscaldamento a 30-60°C e con pH>6.2, ed inoltre è richiesta alla fine del processo la disidratazione degli effluenti fino al 35¸40% di contenuto d’acqua.

Stechiometria del processo

Fasi del processo

• Idrolisi dei lipidi, polisaccaridi, proteine ed acidi nucleici con produzione di substrati di fermentazione quali acidi grassi, monosaccaridi, amminoacidi, purine e pirimidine
• Acidogenesi con produzione dei substrati necessari alla metanogenesi (H2, CO2, formiato, metanolo, metilammine ed acetato)
• Metanogenesi, ovvero formazione del biogas: CH4 50¸55%, CO2 45¸50% in volume