Capitolo 3 PROCESSI DI DEGRADAZIONE IN DISCARICA
3.5. Il percolato da discarica
3.5.2. Caratteristiche qualitative
3.5.2.1. Fattori di influenza
I meccanismi che determinano il passaggio dei composti inquinanti dal rifiuto al l li
idrolisi dei rifiuti e degradazione biologica; solubilizzazione dei sali contenuti nei rifiuti; trascina
della
siderevolmente; i parametri che hanno ione dei parametri del percolato sono:
mento di particolato.
Le modalità e l’entità con cui si verificano, nel tempo, questi fenomeni, dipendono dalle caratteristiche chimico–fisiche del rifiuto e dal mantenimento, all’interno discarica, di un determinato grado di umidità.
Le caratteristiche dei rifiuti possono variare con un ruolo significativo nella variaz
Capitolo 3 – Processi di degradazione in discarica
la natura della componente organica e la disponibilità dei nutrienti; l’eventuale presenza di sostanze tossiche;
l’umidità iniziale del rifiuto; il contenuto di metalli.
3.5.2.2. Intervalli di variabilità
Oltre ai fattori d’influenza richiamati precedentemente , la qualità del percolato subisce, no l’evolversi dei processi biologici che avvengono cesso di formazione del percolato può essere sintetizzato nel guente modo:
nel tempo, variazioni che seguo all’interno del rifiuto. Il pro se
Fase ae al l raggiungimento di temperature elevate
questa prima fase è leggermente acido e mantiene un elevato contenuto robica. T e fase è caratterizzata da
(60-70°C). L’aumento della pressione parziale dell’anidride carbonica, che si dissolve in acqua formando un acido debole, oltre a provocare la diminuzione del pH, può portare in soluzione altre sostanze minerali. Ne consegue che il percolato formatosi in
di COD, anche per la presenza di sostanze organiche parzialmente degradate. In questa prima fase i quantitativi di percolato prodotto sono minimi: il rifiuto non ha ancora raggiunto la stabilizzazione biologica
Fase anaerobica:
Stadio anaerobico non metanigeno (fase acida): il percolato è caratterizzato da pH acido, compreso generalmente tra 5.5 e 6.5, concentrazioni di BOD5
maggiori di 1000 mg/l per la forte presenza di acidi organici, elevati valori del rapporto BOD5/COD (>0.7), elevate concentrazioni di ammoniaca,
entrazioni di metalli pesanti (come Fe, Mn, Mg, Zn, Ca) la cui
e elevate conc
solubilizzazione è favorita da condizioni di pH acido, elevate concentrazioni di ioni inorganici (come Cl-, SO42-, Ca2+,Mg2+, Na+). Le elevat
concentrazioni di solfati possono lentamente diminuire con l’abbassamento del potenziale redox ed i solfuri che vengono di conseguenza prodotti possono contribuire alla precipitazione di ferro, manganese ed altri metalli che erano stati solubilizzati.
Stadio metanigeno instabile: il percolato è caratterizzato da diminuzione della concentrazione dei solfati per riduzione biologica, diminuzione
Capitolo 3 – Processi di degradazione in discarica
ferro, manganese e metalli pesanti (che possono essere precipitati come solfuri), rilasci di ammoniaca (che non viene convertita dal processo anaerobico);
Alcuni dati di confronto si ricavano dalla tabella 3.6 (Stegmann e Ehrig, 1989) in cui sono ra r
metanigena tra i campi
Stadio metanigeno stabile: la composizione del percolato è caratterizzata da pH vicino alla neutralità, concentrazioni di BOD5 relativamente basse,
bassissimi valori del rapporto BOD5/COD (0.05-0.07), significative
concentrazioni di ammoniaca, basse concentrazioni di solidi totali disciolti.
pp esentati i range di valori di diversi parametri nella fase acida e nella fase . Per altri parametri quali Cd, Cu, Ni, Cr è difficile operare una distinzione di oscillazione nella fase acida e da quelli in fase metanigena.
PARAMETRI FASE ACIDA FASE METANIGENA
pH 4.5 – 7.5 7.5 - 9 BOD5 (mg/l) 4000 - 40000 20 – 550 COD (mg/l) 6000 - 60000 500 - 4500 BOD5/COD 0.58 0.06 SO42- (mg/l) 70 - 1750 10 - 420 Ca (mg/l) 10 - 2500 20 - 600 Mg (mg/l) 50 - 1150 40 - 350 Fe (mg/l) 20 - 2100 3 - 280 Mn (mg/l) 0.3 - 65 0.03 - 45 Zn (mg/l) 0.1 - 120 0.03 – 0.4
Tabella 3. 6 - Differenziazione dei campi e dei parametri el percolato tra fase
di fermentazione aci anigena hrig, 1989).
Il range dei valori con cui si pr vari elementi per le differenti discariche è abbastanza ampia. Le ragioni di una tale differenziazione, pur trattandosi di valori riferiti tutti a discariche per rifiuti solidi urbani, sono le seguenti:
di oscillazion qualitativi d
da e fase met (Stegmann e E
esentano i chimici
differenze nell’età dei rifiuti presenti in discarica, con conseguente differenziazione dello stadio di avanzamento in cui si trova il processo di biostabilizzazione;
differenze nella merceologia del rifiuto stoccato;
differenti condizioni meteoclimatiche in cui sono collocati i siti di stoccaggio; differenti modalità di gestione della discarica.
Capitolo 3 – Processi di degradazione in discarica
In breve, sulla base di valori riportati in letteratura, si può affermare che:
l’azoto ammoniacale presenta un incremento di concentrazione passando dalla fase acida a quella metanigena; molti rilevamenti sulla concentrazione dell’N-NH4+ ci
mostrano come il range di variabilità sia rilevante 500-2000 mg/l; l’ammoniaca è rilasciata dai rifiuti principalmente per decomposizione proteica.
i cloruri, il sodio e il potassio presentano un leggero decremento di concentrazione zione o influenzati in minima parte da
per semplice passando dalla fase acida a quella metanigena; essi sono insensibili alla varia
del pH e del potenziale redox e vengon
adsorbimento, precipitazione e complessazione: essi decrescono dilavamento;
tenziale redox; il valore di conducibilità elettrica può variare in un range che va da 500 a 40.000 µS/cm, con un leggero decremento passando dalla fase acida a quella metanigena; anch’esso è insensibile alle variazioni del pH e del po
nella fase acida più del 95% del DOC (Dissolved Organic Carbon) è costituito da acidi volatili grassi e poco più dell’1% di macro-molecole; sono presenti anche ammine volatili e alcooli. Nella fase metanigena il 32% di DOC è composto di macro-molecole ed il 60% è dato da materiale umico;
oni di alcuni macrocomponenti inorganici nel percolato dipende dal a i la 2- 2- e che relativam (Revans rila le concentrazi
grado di st bil zzazione della discarica. I cationi come Ca, Mg, Fe, Mn, nella fase metanigena sono più bassi per l’alto pH, accrescendo i fenomeni di adsorbimento e precipitazione. La concentrazione di solfati è bassa nella metanogenesi per riduzione microbiologica da SO4 ´S .
3.5.2.3. Fattori che influenzano la solubilizzazione dei metalli pesanti
nel percolato
I m talli pesanti sono presenti nella maggioranza dei componenti caratteristici dei rifiuti vengono depositati in discarica, tuttavia sono presenti in concentrazioni
ente basse nel percolato, rimanendo principalmente “intrappolati” in discarica et al., 1999 ; Flyammar et Hakansonn, 1999). I fattori che provocano un loro scio sono:
decremento del pH:
Capitolo 3 – Processi di degradazione in discarica
ossidaz co
“intrappolati” da sp (solfuri e materia organica):
ione in ndizioni aerobiche e solubilizzazione dei metalli pesanti ecie ossidabili
MeS + 2O2 → Me2+ + SO42-
complessazione dei metalli da parte di materiale organico solubile (MOx) presente
nel percolato:
S-Me + MO(x) → S + MO-Mex
In particolare al materia organica svolge un ruolo fondamentale nella complessazione esenti in discarica. Infatti il percolato presenta elevate
con pacità di complessazione. In particolare
svo e fulvici, sostanze ad elevato peso molecolare,
Lag re la variazione di
con rame e del nichel, studiando diversi meccanismi di
di nico solubile e variazione del pH. A tal fine hanno misurato e mo iale redox e temperatura. Dai risultati ottenuti sono dei metalli pesanti pr
centrazioni di DOC che ha un’elevata ca lgono tale funzione gli acidi umici
presenti nel percolato soprattutto durante le fase metanigena. ier et al. (2001) hanno condotto esperimenti per valuta centrazione nel tempo del
mobilizzazione dei metalli: ossidazione dei solfuri, complessazione dei metalli da parte materiale orga
dificato nel tempo: pH, potenz giunti alle seguenti conclusioni:
in condizioni anaerobiche i metalli formano composti insolubili con solfuri e sostanza organica, quindi non possono fuoriuscire dalla discarica. L’acidificazione comporta l’aumento di concentrazione del nichel nel percolato; in particolare si ha una solubilizzazione completa a pH 2. La concentrazione del rame, invece, rimane all’incirca costante. La complessazione con materiale organico (DOC) incrementa la solubilità di entrambi i metalli in modo significativo (la concentrazione del nichel in presenza di DOC pari a 200 mg/l è tre volte superiore a quella che si ha con DOC pressoché nullo). Le concentrazioni finali dei metalli sono comunque basse;
in condizioni aerobiche (ossidazione del rifiuto stabilizzato, per esempio durante le operazioni di recupero del sito) si ha un elevato rilascio dei metalli nel percolato.
Jen coll
Nel passaggio da ambiente ridotto ad ambiente ossidato il pH decresce provocando un aumento della solubilizzazione dei metalli pesanti. Ad esempio a pH 7 la solubilità del rame passa dal 20% al 70%.
sen et al. (1997) hanno osservato la distribuzione dei metalli nelle varie frazioni oidali presenti nel percolato di quattro differenti discariche situate in Danimarca, in
Capitolo 3 – Processi di degradazione in discarica
par µm
ticolare analizzando le frazioni colloidali presenti dopo filtrazione a 1.2, 0.4, 0.001 . Dai risultati ottenuti sono giunti alle seguenti considerazioni:
Zn e Ni hanno grande affinità con le frazioni colloidali presenti (0.4-0.001 µm). E’ stata trovata in tale frazione una concentrazione dello zinco pari a circa l’80% dello zinco totale presente nel percolato mentre quella del nichel è di circa il 50-60%;
tre il cadmio è presente nella frazione
ioniche o molecolari:
atto
mo arte
prin
ossigeno (gruppo fenolico-OH, gruppo carbossilico-COOH) e dei gruppi coordinanti ontenenti azoto presenti negli amminoacidi. In determinate condizioni (in presenza di
pH elevati) n il
. Gli acidi Cu e Cd sono presenti in basse concentrazione nel percolato; il rame è presente soprattutto nella frazione colloidale men
disciolta.
3.5.2.4. Caratteristiche delle sostanze umiche presenti nel percolato
I complessi o composti di coordinazione possono essere specie
sono costituiti da un atomo o ione di un metallo di transizione (atomo o ione centrale) rno al quale, secondo geometrie ben definite, sono legate, con legami dativi, specie lecolari o ioniche dette ligandi. E’ questo il principio che regola la capacità, da p degli acidi umici, di “intrappolare” i metalli. La loro capacità complessante è dovuta
cipalmente alla presenza, nella loro struttura, dei gruppi funzionali contenenti
c
cedono u atomo d’idrogeno e formano un legame dativo molto forte con metallo, che viene rilasciato nel percolato soltanto in condizioni di pH acido.
Ki-Hoon Kang et al. (2002) hanno analizzato le differenti caratteristiche (composizione e quantità) degli acidi umici presenti in percolato emesso da tre discariche per RSU siruate in Corea ed aventi età differenti (5 anni, 5-10 anni e più di 10 anni), osservando che le dimensioni delle molecole e le componenti aromatiche costituenti gli acidi crescono con l’età della discarica; ciò implica che il grado di umificazione cresce parallelamente all’aumento dell’età della discarica.
Lager et al. (2001) hanno analizzato la composizione delle sostanze umiche presenti nel percolato in discarica anaerobica di rifiuti solidi urbani in scala pilota; le sostanze umiche rappresentano circa il 50% del carbonio totale presente nel percolato
umici estratti presentano le seguenti caratteristiche:
contengono minori gruppi carbossilici, alcolici e fenolici rispetto a quelli presenti negli acidi fulvici (O/C minore) (sono quindi più idrofobici);
Capitolo 3 – Processi di degradazione in discarica
hanno un più basso rapporto H/C rispetto a quello presente negli acidi fulvici, ciò evidenzia minore aromaticità degli umici;
contengono minori quantità di zolfo e azoto rispetto ai fulvici;
il peso molecolare degli acidi umici è maggiore di quello degli acidi fulvici;
Gli acidi umici e fulvici hanno un rapporto O/C nel percolato minore rispetto a quelli presenti nelle sostanze naturali, dovuto alle condizioni anaerobiche presenti in discarica;
carb spetto a quelle estratte
verso l’IRD
a stima
figura 3.6).
issando un IRD pari a 1000 mg O2 kg VS-1h-1, indice di una buona stabilità biologica,
si ottiene B
ne dei rifiuti è, come già visto, svolta da diversi gruppi uo compito
o enumerato i batteri presenti nei rifiuti domestici e
ttraverso l’acqua, una parte di questi batteri si viene a trovare inesorabilmente nel
percolato. tte za di alcuni indicatori
inoltre gli acidi umici e fulvici nel percolato presentano un maggior contenuto di onio alifatico e quindi più basse caratteristiche aromatiche ri
da sostanze naturali.
3.5.2.5. Previsione della qualità del percolato attra
La valutazione dell’indice di respirazione dinamico permette di effettuare un
della qualità del percolato prodotto da RSU prima che vengano depositati in discarica (Adani F. et al., 2002 ).
La tabella 3.7 riassume alcuni risultati ottenuti in esperienze in scala pilota.
Riportando tali valori su un grafico è possibile ricavare una correlazione tra l’IRD e il rapporto BOD5/COD (
F
OD5/COD di circa 0,5.
3.5.2.6. Caratteristiche biologiche del percolato
L’attività di degradazio
funzionali di batteri mesofili e termofili aerobi o anaerobi e ognuno ha un s
preciso. Tal batteri, dilavati dal rifiuto, costituiscono un pericolo igienico-sanitario per l’intero sistema. Alcuni autori hann
sono arrivati alla conclusione che la conta dei batteri patogeni in rifiuti eterogenei è altamente variabile.
A
Conte ba riche fatte su percolati rivelano l’esisten
d’inquinamento fecale. Una serie di studi hanno dimostrato che il numero di coliformi fecali diminuisce con l’età della discarica, mentre il numero di streptococchi rimane costante. Un deposito giornaliero o comunque regolare dei rifiuti in una discarica attiva, contribuisce a mantenere un numero di batteri nel percolato comunque elevato.
Capitolo 3 – Processi di degradazione in discarica
Fonte Trattamento IRD
(mgO2·kgSV
-1
·h-1) BOD5 (mg/l) COD (mg/l) BOD5/COD
A1 i - 1650 2182 0.76 A1 f (37d) - 270 655 0.41 A2 i - 2400 3075 0.78 Tambone, 1998 A2 f (37d) - 280 635 0.44 B1 i 4126 3875 4998 0.78 A d a n i e B1 m 2529 500 1297 0.39 B1 f (15d) 780 650 1710 0.38 B2 i 5148 3900 4864 0.80 B2 f 1100 2296 0.48 3255 2394 B3 f (15d) 918 1808 A3 f (12d) B2 m (15d) 1300 1450 3094 0.47 985 B3 i 2000 4470 0.57 B3 m 2150 3269 0.58 1750 3798 0.46 A3 i 2600 3873 0.69 692 1675 2935 0.57 A4 i 1746 3400 4305 0.79 A4 f (12d) 595 750 1904 0.39 A5 i 1971 950 1730 0.55 Cossu et al., 2001 A5 f (12d) 582 640 1557 0.41 A6 i 1838 1638 2255 0.72 A6 f (7d) 955 958 2350 0.41 A7 i 2646 1034 1424 0.73 A7 f (17d) 157 817 1733 0.47 A8 i n.d. 3913 4082 0.96 A8 f (7d) 414 989 2774 0.36 A9 i 2972 1641 2190 0.75 Adani et al., 2002 A9 f (14d) 296 1053 1816 0.58
Tabella 3.7 - IRD D, BOD5, BO D ottenuti da ti pretrat : trattamento di
bioessiccamento one. ttamento mec o e biolog si del pro
stabilizzazione: i =fase iniziale; m = fase intermedia; f = fas le).
, CO di bio D5/CO B: Tra rifiu canic tati. (A ico; Fa e stabilizzazi cesso di e fina
Capitolo 3 – Processi di degradazione in discarica y = 7.9E-05x + 4.2E-01 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.9 0.8 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 IRD (mgO2kgSV-1h-1) BO D5 /C O D
Figura 3. 6 - Correlazione BOD5/COD - IRD
ero energetico
zione (degradazione) operata dai microrganismi sulla materia organica presente nei rifiuti. Tale fermentazione ha
ogo a ogni scala indipendentemente dal substrato al quale si sviluppa: gli unici
.1. Caratteristiche qualitative
3.6.1.1. Fattori di influenza
Come il percolato, anch ogas è determinata da diversi fattori quali: