Materie prime di origine organica e trattate

Le materie prime classificate in questo gruppo comprendono sia quelle ottenute a partire da materiali naturali sottoposti a trattamenti industriali che i materiali ottenuti come sottoprodotto di particolari processi industriali (Leoni 2003). In qualche caso si tratta di prodotti di risulta con caratteristiche molto variabili più o meno idonee a renderli utilizzabili come substrati di coltivazione. In altri l'intervento industriale viene effettuato espressamente sul prodotto con l'obiettivo specifico di modificarne alcune caratteristiche chimico-fisiche rendendolo più idoneo ad ospitare le colture. I prodotti possono essere utilizzati come tali o impiegati in percentuali variabili in miscuglio con altri prodotti organici o minerali. Sono dotati di quantità poco rilevanti di elementi minerali nutritivi utilizzabili dalle colture. Hanno una certa reattività chimica quindi non possono essere classificati materiali inerti. A causa dell'azione esercitata dai microrganismi sulla sostanza organica sono poco stabili nel tempo ed hanno caratteristiche fisico-chimiche non costanti (Leoni 2003).

2.2.1 Fibre di legno pressate.

La materia prima si ottiene sottoponendo a forti pressioni, accompagnate da movimenti di torsione, particolari tessuti legnosi a fibra lunga (Leoni 2003). Può essere ottenuto a partire da sottoprodotti della lavorazione del legno o direttamente dall'utilizzo di tronchi decorticati di specie vegetali di scarso pregio, ricche di cellulosa e lignina.

Nel caso si utilizzano fibre ottenute da tessuti freschi, non sottoposti ad essiccazione, è indispensabile fare molta attenzione al contenuto di terpeni perché tossici.

I terpeni sono presenti in quantità particolarmente elevate e costituiscono un reale rischio per le colture, nelle fibre ottenute da conifere, da canne di palude (Arundo

donax) che possono essere utilizzate spesso come materia prima. L'azione meccanica

esercitata durante la lavorazione determina la parziale separazione delle fibre legnose, successivamente si ha un considerevole aumento di volume del materiale, si creano in questo modo macro e micropori, in grado di trattenere quantità più o meno elevate di aria e acqua.

Il prodotto assume un aspetto simile al crine vegetale, successivamente viene pressato in cubetti o cuscini di dimensioni variabili più comodi da utilizzare in agricoltura. Hanno un pH compreso tra 4,8 e 5,2.

In generale si tratta di substrati estremamente leggeri, dotati di ottime caratteristiche fisico-chimiche al momento dell'impiego ma che tendono a decomporsi divenendo asfittici anche se in maniera meno rapida rispetto ad altri substrati organici. Attualmente sono assenti in Italia (Leoni 2003).

2.2.2 Ammendante compostato (compost).

Si definisce compostaggio il processo di decomposizione e di trasformazione operato da microrganismi aerobi (lieviti, attinobatteri, attinomiceti, batteri mesofili e termofili aerobici) della sostanza organica presente nei rifiuti che porta alla produzione di un prodotto stabile chiamato compost (Biavati, B., Sorlini, C., 2008).

Il compost un materiale simile ad un terriccio stabilizzato parzialmente mineralizzato ed umificato (Ferrari et al. 1998).

Gli attinomiceti producono con il loro metabolismo la geosmina, un composto che conferisce al compost il tipico profumo di terriccio di sottobosco.

1) Classificazione del compost in base al materiale di partenza.

I principali tipi di compost classificati in base al materiale di partenza sono: compost verde; compost da matrici organiche selezionate; compost da RSU; compost da fanghi di depurazione; compost da liquami zootecnici; compost misto (Ferrari et al. 1998).

Compost verde è il compost prodotto con scarti organici selezionati di natura

rifiuti mercantili (come cassette in legno, scarti di frutta e verdura da mercati orto frutticoli), cortecce derivate dalla lavorazione del legno e delle cartiere.

Compost da matrici organiche selezionate è compost prodotto da materiali organici

selezionati alla fonte tramite l'attivazione di specifiche raccolte differenziate

Le matrici organiche possono essere rappresentate da scarti delle aree verdi, rifiuti mercantili, frazione organica degli RSU derivante da raccolta differenziata secco/ umido, scarti di mensa da grandi utenze (ristoranti, mensa), fanghi di depurazione di reflui civili e da industrie agro-alimentari, reflui zootecnici, residui di trasformazione di natura vegetale (cortecce, raspi, bucce). I materiali ottenuti sono sottoposti a un corretto trattamento di compostaggio, possono generare compost con ottima caratteristiche agronomiche con modestissimo impatto ambientale.

Gli scarti delle industrie agro-alimentari possono provenire da industria conserviera, industria saccarifera, industria enologica, distillerie, oleifici e frantoi, industria lattiero- casearia, macelli, conserve di carne e prosciuttifici, birrifici e malterie

L'industria conserviera produce frutta e verdura in scatola, succhi di frutta e marmellata. Gli scarti vegetali come parti vegetali estranee, residui di lavorazione, bucce, noccioli baccelli del pisello, buccette e semi di pomodoro, residui della spremitura degli agrumi (scorza, membrane e semi cioè il pastazzo) dell'industria conserviera in generale possono essere utilizzati per produrre compost di qualità.

I fanghi di depurazione possono essere impiegati come ammendanti perché sono esenti da sostanze tossiche ma possono dare origine a problemi colturali se contengono ingenti quantità di semi ancora in grado di germogliare.

Zuccherifici producono scarti di lavorazione come residui terrosi ed organici della sedimentazione, fanghi biologici, melme di chiarificazione o defecazione derivate dalla chiarificazione del sugo zuccherino in uscita dai diffusori con grigliatura per la separazione dei residui grossolani dai residui più fini che vengono separati invece per precipitazione con latte di calce e anidride carbonica, materiali che vengono utilizzati come ammendanti per i terreni.

Le melme in particolare sono impiegate come ammendante nei terreni che necessitano di una correzione a base di calcio.

L'industria enologica ha scarti di lavorazione come le vinacce e i raspi. Le vinacce sono utilizzate prevalentemente all'interno della filiera vitivinicola, per la produzione di alcol e distillati oppure per estrarre tartrati, antocianine cioè le sostanze coloranti delle bucce mentre dai vinaccioli viene estratto l'olio. Le vinacce (bucce, vinaccioli) esauste

in parte prive di vinaccioli ed essiccate sono dette buccette d'uva possono essere utilizzate come ammendanti così come i fanghi biologici. I raspi hanno trovato impiego come materiale ligno-cellulosico da addizionare ai fanghi biologici nei processi di compostaggio. Nelle distillerie i fanghi e i residui solidi possono trovare impiego come ammendanti.

Le borlande pur essendo un residuo liquido, vengono largamente utilizzate come fertilizzanti per le colture, sono ricche di azoto e sali minerali in particolare di potassio. La borlanda è un liquido che rimane dopo la distillazione dell'alcool estratto ed è un prodotto di rifiuto del processo.

In oleifici e frantoi a fronte delle difficoltà nella depurazione delle acque di vegetazione per questo motivo è stata valutata l'opportunità di spandimento su terreni ai fini agronomici, le perplessità relative a questa pratica sono legate al rischio d'inquinamento delle falde, all'alterazione delle caratteristiche chimico-fisiche del suolo dovuto all'acidità del refluo, ai possibili effetti fitotossici dovuti ai composti fenolici e agli acidi. Le acque di vegetazione sono state impiegate come ammendante in colture arboree ed erbacee in quantità limitate. Le sanse possono essere compostate e miscelate a materiali più asciutti derivanti dalla mondanatura e dell'oliveto (foglie e rametti) il materiale in compostaggio può essere bagnato con le acque di vegetazione. I due materiali molto umidi e ricchi di azoto sono stati miscelati con residui ligno-cellulosici (pellet di scarto, potature, triturati) asciutti caratterizzati da un rapporto C/N elevato. Il compost risultante è di ottima qualità.

Nell'industria lattiero-casearia si producono fanghi biologici ed acque reflue.

Nei macelli col sangue recuperato si produce farina di sangue un ricco concime organico.

I fanghi biologici ed il contenuto ruminale sono privi d'interesse per l'industria dei sottoprodotti e sono stati usati sperimentalmente per la produzione di compost. Nell' industria delle conserve di carne e nei prosciuttifici i residui di carne possono essere utilizzati nell'industria mangimistica e dei concimi organici mentre i fanghi in agricoltura.

Nei birrifici e malterie le parti solide che si formano nelle diverse fasi di lavorazione (trebbie di birra, fecce di luppolo, lieviti) è bene che siano separate dall'effluente al fine di ridurre il carico inquinante e provvedere ad un riutilizzo. Vengono impiegate le trebbie come mangime e gli altri scarti organici possono essere

stabilizzati tramite digestione anaerobica e i meno umidi tramite compostaggio. I reflui liquidi vengono depurati in impianti biologici.

Compost da RSU è prodotto con la frazione organica degli RSU separata in un

impianto tramite opportune tecnologie (Ferrari et al. 1998).

Compost da fanghi di depurazione è prodotto a partire da una miscela di fanghi di

depurazione e materiali ligno-cellulosici (graspi, paglia, corteccia, potature). La sua qualità dipende dalla quantità di contaminanti presenti nel legno.

Compost da liquami zootecnici si ottiene miscelando deiezioni animali con materiali

ligno-cellulosici in particolare gli scarti aziendali (paglia, stocchi, tutoli di mais). Le deiezioni non devono essere troppo liquide quindi a seconda della loro consistenza cambia il tipo di raccolta, se prevale la frazione solida su quella liquida vengono raccolte con sistemi a secco (nel caso di allevamento su lettiera o su fessurato), se prevale la frazione liquida rispetto a quella solida possono essere usati due metodi centrifugazione e disidratazione per separare la frazione liquida da quella solida oppure si separa la sola frazione solida del liquame attraverso la vibrovagliatura. La frazione solida che si separa con centrifugazione non supera il 15 – 20% del volume di liquame tal quale. Il compost prodotto ha un'ottima qualità agronomica.

Lo stallatico bovino tradizionale è a tutti gli effetti un compost anche se ottenuto spesso con metodi poco razionali.

Compost misto è prodotto a partire da miscele di materiali di diversa tipologia e

provenienza. La miscela più comunemente impiegata è quella tra corteccia (o altro materiale ligno-cellulosico), fanghi di depurazione e frazione organica degli RSU (Ferrari et al. 1998).

2) Fattori di controllo del compostaggio.

Durante il processo di compostaggio è necessario monitorare diversi parametri quali il pH, umidità, areazione, la presenza di ossigeno, il rapporto C/N, temperatura, sostanze organiche biodegradabili, metalli pesanti, carica microbica iniziale.

Il pH del materiale di partenza da compostare può variare notevolmente a seconda della natura chimica degli scarti che vengono utilizzati. Nel corso del processo il pH subisce variazioni in funzione delle reazioni microbiologiche che avvengono diminuisce inizialmente nel processo di ossidazione della sostanza organica (Biavati, B., Sorlini, C., 2008) per la produzione anidride carbonica e acidi organici seguita da una leggera alcalinizzazione per la produzione di ammoniaca dovuta alla decomposizione

delle proteine. Il pH ottimale per lo sviluppo dei batteri è compreso tra 6 e 7,5 mentre i funghi prediligono un ambiente più acido con pH intorno a 5,5. Il compost maturo è tamponato su valori di pH prossimo alla neutralità (Ferrari et al. 1998).

L’umidità deve essere sufficiente a garantire il normale svolgimento dei processi biologici. I suoi valori non devono diventare troppo elevati per non favorire l'instaurarsi di condizioni di anaerobiosi per sostituzione dell'aria interstiziale. L'umidità ottimale è compresa nell'intervallo 50-65%. Tassi di umidità più bassi 20-25% inibiscono il processo in quanto non consentono un buon sviluppo della microflora. Tassi più elevati rendono più difficile la circolazione dell'aria nelle biomasse con il rischio che si creino zone anossiche con sviluppo di microflora anaerobica che sono causa di dilavamento dei nutrienti e di patogeni dal cumulo di compostaggio nell'ambiente dove assumono il ruolo di inquinanti. La maggior parte dell'acqua è richiesta nella fase iniziale del processo quando prevale l'attività di decomposizione dei batteri. Quando il tasso di umidità si abbassa al di sotto del 40% si ricorre all'umidificazione, intervento che si rende necessario nei climi caldi mentre quando i materiali di partenza hanno un contenuto eccessivo di umidità vengono lasciati essiccare fino a valori di umidità ottimali prima di avviare il processo. Il controllo dell'umidità dovrebbe essere effettuato sino al completamento della fase termofila del processo. L'umidità tende a ridursi nel corso del processo di compostaggio (Ferrari et al. 1998, Biavati, B., Sorlini, C., 2008).

L'areazione, per la massa in compostaggio deve essere garantita una buona areazione affinchè si possano realizzare i processi biossidativi e non si inneschino fermentazioni anaerobiche principale causa di cattivi odori. Umidità ed ventilazione sono interdipendenti infatti aumentando la ventilazione aumenta l'evaporazione dell'acqua che a sua volta determina una diminuzione della temperatura. La ventilazione garantisce che il processo avvenga in aerobiosi in ogni parte del cumulo inoltre provvede a ridurre l'umidità e a ridurre la temperatura che si innalza notevolmente nella fase termofila. Un'areazione eccessiva impedisce alla massa dei materiali da raggiungere la temperatura ottimale e può indurre una perdita eccessiva di umidità. La diffusione dell'aria nei cumuli è dipendente dalla porosità della sostanza organica e dalla sua continuità.

I metodi di areazione possono essere naturali, passivi e forzati.

L'areazione naturale è dovuta alla circolazione verso l'alto dell'aria calda che richiama aria a temperatura ambiente alla base del cumulo in compostaggio (effetto

camino), in queste condizioni il sistema è incapace di modificare rapidamente le condizioni fisiche all'interno della sua massa.

I sistemi Windrow vengono areati mediante periodico rivoltamento meccanico dei cumuli.

L'areazione passiva viene garantita dalla distribuzione dell'aria attraverso tubazioni perforate poste alla base dei cumuli.

L'areazione forzata viene applicata ai processi in reattori finalizzati alla massimizzazione della velocità di decomposizione microbica e all'ottimizzazione della temperatura e umidità.

La presenza di ossigeno nella massa in compostaggio deve essere più alta nella fase termofila 5-15% rispetto a quella di maturazione 1-5% .

Il rapporto C/N ottimale è compreso tra 25 e 35. Valori troppo alti del rapporto portano ad un eccesso di carbonio e possono rallentare la decomposizione dei materiali. Valori troppo bassi del rapporto portano ad un eccesso di azoto e provocano perdite azotate per volatilizzazione di ammoniaca. Se la biodisponibilità dell'N è bassa l'attività microbica nel corso del processo è lenta al contrario se è in eccesso l'N viene perso dal sistema come ammoniaca e con generazione di odore sgradevole. Quando i valori sono al di sotto di 25 il compost che si produce è di qualità scadente. Concentrazioni troppo basse di N rendono questo elemento un fattore limitante della riproduzione della microflora che si sviluppa in quantità troppo bassa ed inadeguata ad effettuare nei tempi previsti la demolizione della sostanza organica in questo caso elevate quantità di anidride carbonica vengono disperse nelle atmosfera. Nel compost finale il rapporto C/N è tra 15 e 20. Poiché durante il compostaggio proceda nel modo ottimale è necessario miscelare residui con rapporto C/N elevato (scarti legnosi) con altri con rapporto C/N basso (liquami o fanghi). I microrganismi eterotrofi, responsabili del processo di compostaggio necessitano sia di carbonio che di azoto per il protoplasma delle loro cellule. Le condizioni di processo rappresentate dalle alte temperature sono sufficienti per inattivare i fitopatogeni, uccidere i semi delle piante infestanti, eliminare i principali patogeni per l'uomo.

La temperatura per effetto del processo ossidativo operato dai microrganismi si sviluppa calore così che la temperatura all'interno del cumulo raggiunge in condizioni ottimali (temperature comprese tra 70 e 80°C). Il trasferimento del calore che si genera nei cumuli deve avvenire in modo omogeneo per assicurare in tutto il cumulo la morte della maggior parte dei batteri patogeni, delle larve di insetti parassiti e dei semi di

infestanti. Il raggiungimento delle condizioni ottimali indica che sta avvenendo la degradazione della sostanza organica in modo soddisfacente ma anche che si sta realizzando un processo di igienizzazione della massa di materiale.

L'eliminazione dei microrganismi patogeni durante il processo di compostaggio è anche dovuta a fenomeni di antagonismo e di competizione microbica che si instaurano nei cumuli.

La presenza di metalli pesanti in concentrazioni elevate costituisce un fattore negativo infatti possono accumularsi nel terreno e successivamente essere accumulati nei tessuti vegetali.

Per quanto riguarda la carica microbica iniziale tutti i materiali di scarto che vengono utilizzati per la produzione di compost contengono cariche più o meno elevate di microrganismi. Per un avvio pronto del processo è necessario non soltanto che la carica microbica sia sufficientemente elevata ma che sia opportunamente selezionata in funzione del substrato cioè dei composti che essa deve degradare. La selezione della microflora avviene spontaneamente ma richiede intervalli di tempo più o meno lunghi che variano sia in base alla microflora presente nei materiali sia alla struttura dei composti da degradare.

3) Il processo di compostaggio.

La matrice organica da compostare viene introdotta in sistemi chiusi (reattori

industriali operanti in continuo o in discontinuo) o deposta su piattaforme (sistemi aperti) chiamate cumuli o pile. I cumuli possono essere rivoltati manualmente (sistema Windrow) o ventilati meccanicamente per aspirazione per aspirazione o insufflazione di aria. La miscelazione della matrice organica di partenza introduce aria a sufficienza per l'attivazione delle reazioni ossidative. Regolando il tenore di ossigeno all'interno della massa in compostaggio si controlla automaticamente anche la temperatura essendo i due parametri sono strettamente connessi.

Il processo di compostaggio si compone di 4 fasi : Fase mesofila, fase termofila, fase di raffreddamento e maturazione, fase di maturazione e stabilizzazione.

La fase mesofila viene definita mesofila, può raggiungere temperature che vanno da 10 a 42°C e può durare da poche ore fino a due giorni. In questa fase si verifica la crescita della microflora zimogena presente compresi i microrganismi patogeni, in particolare enterobatteri e batteri eterofermentanti. Sono presenti anche gli azotofissatori

in numero limitato fra i quali prevalgono i generi Azomonas spp., Klebsiella spp. e

Enterobacter spp.

I batteri amilolitici hanno un ruolo fondamentale nella fase iniziale in quanto capaci di degradare l'amido. L'abbondante crescita microbica è legata alla quantità di sostanze organiche presenti nel substrato che vengono demolite in aerobiosi con alta resa in biomassa. Le reazioni biologiche ossidative sono esotermiche e provocano un aumento di temperatura. Contemporaneamente si ha una lieve diminuzione del pH determinati probabilmente dalla produzione di acidi organici liberati dalla degradazione delle sostanze organiche.

I batteri sono i più importanti agenti di decomposizione in questa fase e il loro numero supera di gran lunga quello degli altri microrganismi come attinobatteri e funghi.

Gli attinobatteri si sviluppano più lentamente della maggior parte dei batteri e funghi non competendo con essi quando nel sistema ci sono ancora elevate concentrazioni di nutrienti.

Nel caso del compostaggio dei rifiuti alimentari a elevato contenuto di vegetali, caratterizzati da bassi pH intorno a 4,5-5 si ha una rapida proliferazione di lievi e funghi.

La fase termofila viene definita termofila, perchè può raggiungere temperature che vanno da 45 a 71°C e può durare da pochi giorni fino a diverse settimane (rifiuti alimentari) o anche mesi (rifiuti lignocellulosici). L'elevata temperatura agisce da fattore igienizzante infatti viene uccisa gran parte dei microrganismi patogeni (zoopatogeni e fitopatogeni) e i semi delle piante infestanti presenti nei materiali. Si riducono drasticamente gli eumiceti e al di sopra dei 55-60°, si sviluppano numerosi i batteri aerobi sporigeni (Bacillus spp.) e gli eumiceti cellulosolitici termofili appartenenti ai generi Mucor spp., Chaetomium spp., Humicola spp., Sporothricum spp., Thermoascus

spp.

Gli azotofissatori si riducono di numero continuando ad essere presenti con prevalenza del genere Bacillus spp.

Attinobatteri e streptomiceti termofili degradano i polimeri naturali e colonizzano il substrato organico residuato dall'attività dei batteri e funghi. Essi utilizzano come fonte di C e N per moltiplicarsi emicellulose e cellulose (liberati dal materiale vegetale), chitina e sostanze umificate ma anche sostanze xenobiotiche. Si sviluppano con difficoltà nei materiali da compostare sia troppo secchi che troppo umidi.

Altri batteri molto attivi a temperature superiori a 60°C sono i generi non sporigeni

Hydrogenobacter spp. e Thermus spp.

Il pH aumenta per effetto dell'attività dei microrganismi ammonificanti.

La seconda fase mesofila è definita fase di raffreddamento e maturazione. Durante questa fase la temperatura cala lentamente fino a portarsi sui valori della temperatura ambiente, questo avviene per l'attività dei microrganismi autoctoni spesso diversi da quelli che avevano operato nella prima fase mesofila che utilizzano per crescere sostanza organica a più lenta degradazione. I microrganismi mesofili che ricolonizzano il substrato originano dalla germinazione delle spore, dalla diffusione da micronicchie protette o dall'ambiente esterno. Parte il processo di nitrificazione che non comporta una riduzione del pH che si stabilizza su valori compresi tra 7,5 e 8.

L'umidità del prodotto si riduce a valori intorno al 25%. La permanenza di un tasso di umidità superiore porta l'attività microbiologica di degradazione a continuare fino alla completa mineralizzazione della sostanza organica impedendo il processo di umificazione.

In questa fase diminuiscono gli schizomiceti rispettivamente prima i proteolitici e gli ammonificanti poi i pectinolitici e i cellulosolitici che successivamente si stabilizzano tutti su cariche costanti.

Un incremento forte subiscono gli attinobatteri e gli eumiceti non appena la temperatura scende al di sotto dei 55°C rispettivamente eumiceti cellulosolitici mesofili (basidiomiceti e deteuromiceti) per la degradazione della cellulosa appartengono ai generi Armillaria spp., Coprinus spp., Aspergillus spp., Cladosporium spp.,

Scopulariopsis spp., Trichoderma spp., Verticillum spp., Geiomastix spp.,