1.4 Biodegradazione dei rifiuti solidi urbani
1.4.2 I cedimenti dei rifiuti nelle discariche di RSU
Una discarica è un sistema progettato e costruito per contenere rifiuti così da minimizzare il rilascio di contaminanti nell’ambiente. L’efficacia di una discarica può essere espressa in forma generale in funzione di diversi fattori:
𝐸𝑡= 𝑓[(𝐷 + 𝑃𝑚+ 𝐶) + (𝑄) + (𝑀𝑜+ 𝑀𝑒) + (𝑆𝑔+ 𝑆ℎ) + (𝐿𝑡)] dove:
𝐸𝑡 è l’efficacia della discarica ad un particolare tempo dopo la costruzione; D corrisponde alle dimensioni dei componenti della discarica;
𝑃𝑚 è la proprietà dei materiali in discarica;
C è l’arrangiamento (configurazione) dei componenti; Q è la qualità di sicurezza pratica durante la costruzione;
𝑀𝑜è il progetto e l’efficienza operativa del sistema di monitoraggio;
𝑀𝑒è l’efficacia della manutenzione in base al tipo e alla frequenza delle attività di manutenzione stessa;
𝑆𝑔indica le caratteristiche geotecniche e geologiche del sito; 𝑆ℎindica le caratteristiche idrologiche e climatiche del sito;
𝐿𝑡 sono i carichi variabili nel tempo e fenomeni che inducono stress dentro e/o tra i componenti della struttura.
E’ fondamentale quindi che venga garantita nel tempo l’integrità delle strutture in essa presenti (sistema di drenaggio del percolato, sistema di captazione del biogas, sistemi barriera, capping). Mentre la stabilità del suolo su cui è posta la discarica è accuratamente studiabile facendo riferimento alle equazioni consolidate della geotecnica, la stabilità del corpo rifiuti è ancora oggetto di studio per le difficoltà presenti nella determinazione delle proprietà geotecniche dei rifiuti solidi urbani dovute alla loro all’eterogeneità, alle difficoltà nel reperire campioni rappresentativi, alla mancanza di procedure unificate di campionamento e alla variabilità delle proprietà nel tempo anche in funzione del sistema di abbancamento, dei pretrattamenti effettuati e della presenza dello strato di copertura giornaliero. La soluzione studiata attualmente in campo scientifico è la determinazione del
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legame fra compressione secondaria e degradazione del rifiuto, come previsto dai modelli di calcolo dei cedimenti, in modo che la conoscenza a priori della prima possa portare ad una efficace determinazione della seconda. I cedimenti e le deformazioni che avvengono in una discarica, prodotti generalmente dalla compressibilità molto elevata, anche sotto carichi moderati, e da processi di degradazione, sono considerati l’aspetto strutturale più rilevante.
In particolare i rifiuti subiscono una riduzione del volume in seguito al processo di degradazione, che comporta la trasformazione da stato solido a stato liquido e gassoso dei materiali con conseguente instaurarsi di cedimenti anche di notevole entità. Il cedimento indotto dalla degradazione biologica della sostanza organica può continuare per molti anni, anche dopo la chiusura del sito provocando considerevoli rotture nella copertura finale, sebbene numerosi studi indichino un alto tasso di cedimento concentrato nel primo anno dal conferimento dei rifiuti in discarica. I cedimenti non sono distribuiti in maniera uniforme, ma differenziale, in quanto dipendono dalla caratteristica di deformabilità del corpo rifiuti, che a sua volta è relazionato a:
-la composizione iniziale del rifiuto; -il contenuto di sostanza organica; -l’età del rifiuto;
-la densità iniziale, la porosità e l’indice iniziale dei vuoti; -le modalità di messa in opera dei rifiuti;
-la densità di compattazione;
-l’altezza finale del cumulo di rifiuti;
-la quantità di materiale utilizzato per la copertura giornaliera;
-la produzione di percolato, il suo livello sulla barriera impermeabile di fondo e la permeabilità idraulica nel cumulo di rifiuti;
-l’umidità ed il contenuto d’acqua;
-la velocità di degradazione della sostanza organica; -la temperatura;
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Il rifiuto si deforma e cede a causa del proprio peso e per l’azione di sovraccarichi esterni, come:
-ulteriori strati di rifiuti; -la copertura finale;
-eventuali costruzioni successive, durante la fase di riutilizzazione del sito.
Viste queste numerose variabili, la determinazione e il calcolo dei cedimenti rappresenta un processo di difficile attuazione. È comunque opportuno condurre una stima preliminare della deformabilità d’insieme in modo da dimensionare correttamente il sistema dei pozzi per la captazione del biogas. Nel caso contrario questi pozzi potrebbero essere sottoposti a delle anomale sollecitazioni o a sovraccarichi che possono compromettere facilmente la loro integrità e funzionalità. In riferimento alla Figura 1.28 a), un campione di rifiuti è composto idealmente da elementi inerti stabili, da elementi fortemente deformabili (carta, tessili, plastica lamellare) e da elementi degradabili (sostanza organica). Se soggetti a un sovraccarico Q, gli elementi inerti subiscono grandi spostamenti disponendosi secondo una struttura definitiva, senza però aver possibilità di entrare a contatto tra di loro in quanto impediti dagli altri elementi. Man mano che il campione è sottoposto a carico costante (creep) e la sostanza organica diminuisce di volume in seguito a degradazione biologica, la massa subisce una riorganizzazione della struttura interna (Figura 1.28 b)). Una volta terminata la degradazione degli elementi degradabili, i contatti tra gli elementi inerti possono essere ristabiliti (Figura 1.28 c)). In Tabella 1.6 sono riportati tutti i meccanismi di compressione del rifiuto e i fattori che influiscono sui cedimenti (Monassero et al., (1996)).
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Figura 1.28 fasi di deformazione di un campione di rifiuti (adattata da Grisolia et al., 1995).
Tabella 1.6 Meccanismi di compressione del rifiuto e fattori di influenza sui cedimenti (Monassero et al., 1996).
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Tabella 1.7 classificazione delle differenti fasi di vita di una discarica di RSU (IWWG, Conferenza di Toulouse, 2009).
Figura 1.29 evoluzione dell’altezza del rifiuto e del cedimento di superficie nel corso delle fasi di riempimento (operational period) e di post-riempimento (post-operational period).
Alla conferenza di Toulouse tenutasi nel 2009, è stata redatta una classificazione delle differenti fasi di vita di una discarica che si sviluppano lungo un periodo di 100 anni (Tabella 1.7). La prima fase corrisponde al deposito dei rifiuti, mentre i cedimenti sono compresi totalmente nelle seconda e nella terza fase. In Figura 1.29 viene rappresentata l’altezza e il cedimento dei rifiuti in funzione del tempo. Nello specifico in letteratura i cedimenti vengono identificati come la sovrapposizione di tre componenti: istantanea, primaria e secondaria. Il cedimento
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istantaneo ha inizio immediatamente dall’applicazione di un carico ed è indipendente dal tempo. Alcuni autori attribuiscono il fenomeno della compressione immediata agli effetti della non-saturazione del rifiuto: la presenza d’aria in qualche parte della struttura, ad esempio nei vuoti interparticellari, rende il rifiuto compressibile e perciò immediatamente deformabile (Watts e Charles (1999)). Come indicato anche in tabella, per ridurre la deformabilità iniziale della massa dei rifiuti, quest’ultimi possono subire dei pretrattamenti meccanici (separazione, triturazione e compattazione) prima del loro conferimento in discarica, oppure è possibile utilizzare compattatori di peso variabile in modo da ridurre lo spessore iniziale degli strati di rifiuto, o anche utilizzare una maggiore quantità di inerti stabili per aumentare la rigidità della massa o controllare i processi riguardanti la decomposizione della sostanza organica.
Il cedimento primario si verifica durante la fase di deposito dei diversi strati di rifiuti, che causano un importante sovraccarico. Il cedimento si presenta sottoforma di compressione ritardata, legata alla presenza di liquido e di gas all’interno dei rifiuti, che li rendono quindi ancora una volta comprimibili e deformabili.
∆ℎ𝑝 = ℎ𝑖𝑠𝑡 𝐶𝑐 1 + 𝑒0𝑙𝑜𝑔 𝜎0′+ 𝛥𝜎𝑣′ 𝜎0′ (𝑆𝑜𝑤𝑒𝑟𝑠) ∆ℎ𝑝 = ℎ𝑖𝑠𝑡𝐶𝑐′𝑙𝑜𝑔𝜎0 ′+ 𝛥𝜎𝑣′ 𝜎0′ (𝑆𝑜𝑤𝑒𝑟𝑠)
dove ∆ℎ𝑝= cedimento primario (m); ℎ𝑖𝑠𝑡= altezza dello strato di rifiuti dopo la compressione istantanea (m); 𝛥𝜎𝑣′= incremento di sforzo effettivo verticale (kPa), agente al punto medio dello strato adiacente superiore; 𝑒0= indice dei vuoti iniziale (-);𝐶𝑐= indice di compressione primaria (-);𝐶𝑐′= coefficiente di compressione primaria (-); 𝜎0′= sforzo effettivo iniziale (kPa).
Il cedimento secondario avviene sotto una tensione effettiva costante ed è associato al creep meccanico ed ai processi di degradazione biologica della sostanza organica. Durante questa fase si verifica la rottura e il riorientamento delle particelle di maggiori dimensioni e la migrazione graduale delle particelle fini, con conseguente riorganizzazione della struttura interna della massa dei rifiuti. Inoltre la materia solida organica si trasforma in biogas e percolato.
55 ∆ℎ𝑠 = ℎ𝑝 𝐶𝛼 1 + 𝑒𝑝𝑙𝑜𝑔 𝑡 𝑡𝑝 (𝑆𝑜𝑤𝑒𝑟𝑠) ∆ℎ𝑠 = ℎ𝑝𝐶𝛼𝜀𝑙𝑜𝑔 𝑡 𝑡𝑝 (𝑆𝑜𝑤𝑒𝑟𝑠)
dove ∆ℎ𝑠=cedimento secondario (m); ℎ𝑝=altezza dello strato di rifiuti dopo la compressione primaria (m); 𝐶𝛼=indice di compressione secondaria (-); 𝐶𝛼𝜀= coefficiente di compressione secondaria (-); 𝑒𝑝=indice dei vuoti dopo la compressione primaria (-); 𝑡𝑝=tempo corrispondente alla fine della compressione primaria (giorni).
Tabella 1.8 valori tipo dei parametri del modello di Sowers (1973).
Il cedimento secondario può avere durata molto lunga in quanto dipende dall’arco temporale in cui si verifica la completa degradazione biologica (Ivanova et al., 2008). Secondo Grisolia et al. (1995) il cedimento secondario può essere ulteriormente suddiviso in tre sotto-cedimenti (Figura 1.30): cedimento secondario intermedio prodotto dalle interazioni meccaniche, dovute ad un ritardo della compressione del rifiuto e a deformazioni lente e, in minima parte, dall’inizio della degradazione organica; cedimento secondario a lungo termine: in cui le velocità di cedimento sono molto elevate, probabilmente dovute agli effetti aggiuntivi della degradazione della frazione maggiormente biodegradabile del rifiuto; cedimento secondario residuo instaurato dal riorientamento meccanico ritardato e alla degradazione ritardata delle componenti organiche.
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2 Variazione delle caratteristiche di
un materiale coesivo a causa delle
sollecitazioni termiche
Molti studi dimostrano che lo strato impermeabile del pacchetto di copertura superficiale delle discariche risente di variazioni termiche legate sia alle alte temperature prodotte dalla biodegradazione dei rifiuti, sia alle fluttuazioni termiche dell’aria, che possono creare condizioni di congelamento, scongelamento e essiccazione (Campanella e Mitchell(1968)), Daniel(1987), Othman (1994), Hanson e Yesiller (2010)).
In questo capitolo vengono affrontati i fenomeni del congelamento/scongelamento dei materiali coesivi e della loro essicazione. Gli effetti generati dalle variazioni termiche interessano in modo particolare i sedimenti di tipo coesivo, in quanto fortemente influenzati dalla presenza dell’acqua all’interno della loro struttura. In seguito al fenomeno del congelamento e dell’evaporazione, il terreno va incontro a disidratazione e alla formazione di crack, che causano l’aumento della conducibilità termica dello strato in materiale fine e la perdita di resistenza. In seguito verrà creato un modello agli elementi finiti mediante il software Feflow, grazie al qual sarà possibile identificare l’effettiva distribuzione delle temperature all’interno della copertura provvisoria sottoposta a diverse sollecitazioni termiche.
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