Trattamenti Biologici

La frazione organica del rifiuto

Per frazione organica s’intendono i rifiuti caratterizzati dalla presenza di sostanze ancora putrescibili. La frazione organica è costituita dall’umido (residui alimentari) raccolto in maniera differenziata e dagli scarti vegetali (sfalci e potature) raccolti presso le isole ecologiche.
Secondo le stime ISPRA, in Italia la frazione organica rappresenta circa il 35% in peso del rifiuto urbano.

Questa categoria di rifiuti deve essere sottoposta ad adeguati trattamenti al fine di consumare in modo controllato la componente organica e trasformare il rifiuto in materiale stabilizzato riutilizzabile. A seconda del processo può essere prodotta anche energia.

I trattamenti preferibilmente applicabili a questo tipo di rifiuti sono due: il compostaggio e la digestione anaerobica, che prevedono la decomposizione del materiale organico rispettivamente in presenza e in assenza di ossigeno.

Il compostaggio

Il compostaggio è un processo biologico che si svolge in presenza di ossigeno, il cui scopo è trasformare (in gergo tecnico si usa il termine “degradare”) la sostanza organica contenuta nei rifiuti: batteri, funghi e muffe decompongono le sostanze organiche in composti più semplici, trasformando il rifiuto di partenza in un materiale stabile e privo di microrganismi patogeni, chiamato compost.
Il compost è ricco di acidi umici, gli stessi che si trovano nell’humus del terreno, e per questa ragione trova impiego in agricoltura come fertilizzante.
Le caratteristiche del compost variano in funzione del tipo di rifiuto sottoposto a stabilizzazione e delle condizioni di processo: si parla di ammendante compostato verde, quando si utilizza solo la frazione vegetale; mentre l’ammendante compostato misto è ottenuto da una miscela di frazione vegetale e umido domestico. In entrambi i casi, la normativa fissa i requisiti che il compost deve avere per poter essere utilizzato in agricoltura (contenuto di carbonio organico, di azoto, umidità, pH, contenuto di metalli e plastiche, etc.)

Il processo di compostaggio consta di due fasi principali:

1. Biossidazione accelerata (circa un mese): è la fase attiva in cui si prevede insufflazione forzata di aria e periodici rivoltamenti del materiale. Qua avviene la maggior parte della degradazione;

2. Maturazione (circa due mesi): si completa l’umificazione della sostanza organica.
A valle della maturazione il compost è raffinato tramite vagliatura ed eventuali altri trattamenti, per essere poi commercializzato.

Il processo

I microrganismi decompongono la frazione organica biodegradabile, traendone energia e nutrimento. Le reazioni di degradazione modificano la composizione chimica del rifiuto, ne riducono il volume e il peso e comportano lo sviluppo di calore.

I parametri e le fasi del processo
Le variabili che influenzano il processo di degradazione aerobica sono diverse:

Umidità: è indispensabile garantire un contenuto d’acqua sufficiente a veicolare i microrganismi e a consentire la loro attività metabolica, operando, se necessario, con periodiche irrigazioni del materiale. Tuttavia un’eccessiva umidità può ostacolare la diffusione dell’ossigeno nella massa di rifiuto e rallentare l’attività batterica.

Elementi nutritivi: Carbonio, azoto e fosforo sono gli elementi necessari alla crescita dei microrganismi. Se si registra una carenza di nutrienti può essere utile miscelare il materiale con altri rifiuti a matrice fortemente organica (ad es. fanghi da depurazione).

Ossigeno: elemento fondamentale per il sostentamento del processo aerobico di biossidazione, è quindi sempre previsto un sistema di insufflazione di aria all’interno del cumulo di materiale da degradare.

Temperatura e pH: questi due parametri variano durante il processo identificando le singole fasi del compostaggio.
Biossidazione accelerata – In questa fase si verificano le principali reazioni di degradazione biologica, a partire dalla decomposizione della sostanza organica facilmente biodegradabile: durante questo stadio, definito mesofilo, l’attività dei batteri è molto intensa e comporta un aumento della temperatura fino a 40÷50 °C e un abbassamento del pH che arriva ad essere pari a 5÷6. Successivamente si entra nello stadio termofilo in cui i batteri attivi in precedenza vengono sostituiti da quelli in grado di sopravvivere a temperature più elevate e la massa di rifiuti raggiunge i 70 °C e valori di pH intorno a 7. Questa fase consente la degradazione della sostanza organica meno volatile.
Maturazione – Esaurita la sostanza organica biodegradabile il compost si stabilizza: l’attività dei batteri rallenta, la temperatura scende fino al valore ambientale e il pH intorno a valori neutri o leggermente basici.

Le elevate temperature che si registrano nello stadio termofilo sono fondamentali per garantire la rimozione di eventuali agenti patogeni: ai fini igienico-sanitari è infatti necessario che sia mantenuta una T > 55 °C per almeno tre giorni.

Le tecnologie

Compostaggio in cumuli (pile aperte)
Il materiale organico viene disposto in cumuli a sezione trapezoidale o triangolare, collocati all’aperto in apposite aree dotate di un sistema di drenaggio per le acque meteoriche e di dilavamento.
L’impianto deve prevedere anche un sistema di rivoltamento dei cumuli al fine di garantire la corretta ossigenazione del materiale, ad esempio tramite pala meccanica o macchine rivoltatrici automatiche.
In passato questo è stato il sistema più utilizzato, ma ad oggi si preferisce che il processo avvenga in spazi chiusi, in modo da evitare la diffusione di odori molesti.

Pile aerate statiche
Il rifiuto è disposto in cumuli (pile) ricoperti di compost maturo che ha lo scopo di fungere da biofiltro per gli odori. In questo caso le pile non sono movimentate (per questo vengono dette statiche), ma l’ossigenazione è garantita grazie all’insufflazione di aria attraverso apposite tubazioni forate poste al di sotto del materiale.

Compostaggio in reattore chiuso
La fase di biossidazione viene eseguita all’interno di un reattore chiuso, in cui il materiale è soggetto a intensi processi di trasformazione che permettono di ridurre considerevolmente i tempi di biossidazione, a seguito dei quali viene trasferito in aree esterne per completare la fase di maturazione.
I reattori sono sempre dotati di sistemi per l’insufflazione forzata di aria, e possono essere di tipo statico (biocelle) se il materiale non subisce movimentazione durante la fase di biossidazione, o prevedere il rivoltamento del rifiuto ad opera di coclee o della rotazione del digestore stesso (reattore a tamburo rotante).

Il compostaggio domestico

Negli ultimi anni si sta diffondendo l’abitudine del «compost fai da te» : le compostiere domestiche sono dei contenitori in cui gettare gli scarti alimentari vegetali e quelli della manutenzione del verde e nei quali avvengono le trasformazioni biologiche con ossigenazione naturale. Dopo qualche settimana di permanenza del rifiuto nel contenitore si potrà estrarre dal fondo il compost prodotto ed utilizzarlo per il proprio giardino.

La digestione anaerobica

La digestione anaerobica è il processo di degradazione della sostanza organica condotto in assenza di ossigeno. Si realizza quindi in reattori chiusi (digestori) e porta alla trasformazione del materiale biodegradabile in biogas e digestato.

Il biogas è il prodotto gassoso costituito principalmente da metano (≈55÷65%) e anidride carbonica e presenta un elevato potere calorifico (≈17÷21 MJ/Nm3). Per questo motivo può essere sfruttato come combustibile per produrre energia elettrica e calore.
In alternativa il biogas può essere sottoposto ad un processo di rimozione della CO2 (detto “upgrading”), che consente di recuperare il biometano da immettere nella rete del gas naturale o da utilizzare come combustibile per gli autoveicoli.

Il digestato è un prodotto secondario del processo che presenta proprietà ammendanti, migliora cioè le qualità fisiche del suolo. Può quindi essere utilizzato direttamente in agricoltura o sottoposto ad una fase di compostaggio aerobico per essere ulteriormente stabilizzato.

Se confrontata con il compostaggio, la digestione anaerobica è un processo più complesso da gestire e ha costi d’investimento più elevati. Nonostante ciò, può risultare conveniente grazie ai vantaggi economici ed ambientali derivanti dal recupero energetico.

Il rifiuto in ingresso viene solitamente pretrattato mediante triturazione, omogeneizzazione e aggiunta di acqua, è poi inviato al reattore, dove va incontro alla degradazione, distinta nelle quattro fasi biologiche di idrolisi, acidogenesi, acetogenesi e metanogenesi, al termine delle quali si ha la produzione di biogas.

Il processo

Le fasi

Il processo di digestione anaerobica si svolge attraverso 4 fasi:

I parametri

La temperatura rappresenta un fattore determinante per l’intero processo: ne condiziona la velocità e l’avanzamento, ma contribuisce anche alla selezione delle diverse popolazioni batteriche coinvolte, che operano a diversi intervalli di temperatura:

  • Batteri psicrofili: T = 4 ÷ 15 °C;
  • Batteri mesofili: T = 20 ÷ 40 °C;
  • Batteri termofili: T = 45 ÷ 70 °C.

Altri parametri/fattori necessari a garantire la riuscita del processo:

  • pH compreso tra 6,5 e 7,5
  • Ammoniaca indissociata < alcune centinaia di mg di azoto/L
  • Alcalinità = 1000÷5000 mg/L
  • Nutrienti necessari: azoto e fosforo
  • Acidi grassi volatili < 250 mg/L
  • Assenza di elementi potenzialmente tossici come metalli pesanti e solfuri

Il biogas e il biometano

Il biogas è il prodotto principale del processo di digestione anaerobica e può essere impiegato per produrre energia essenzialmente in due modi:

1. Combustione diretta per produzione di energia elettrica
In motori a combustione interna, turbine e microturbine a gas per generare energia elettrica, che può essere venduta al Gestore delle Rete.
Questa scelta, attualmente la più praticata, risulta vantaggiosa se accanto alla vendita dell’energia elettrica si prevede lo sfruttamento del calore in eccesso.

2. Upgrading a biometano
Consiste nella produzione di metano a partire dal biogas, attraverso la rimozione di CO2 e H2S presenti nella miscela gassosa.
Il biometano così ottenuto può essere utilizzato come combustibile per alimentare gli autoveicoli o essere immesso direttamente nella rete nazionale del gas naturale.