Processo di formazione

L’ecosistema di uno scarico controllato presenta caratteristiche molto eterogenee, i microrganismi presenti interagiscono con i vari tipi di substrati disponibili e sono influenzati dai gradienti chimici dei composti organici e inorganici. Per capire al meglio i fondamenti della microbiologia e della biochimica che governano la decomposizione del rifiuto è bene riuscire ad interpretare e distinguere le diverse fasi in cui la decomposizione stessa si esplica. Sebbene la prima fase di stabilizzazione del rifiuto avvenga in ambiente aerobico, è la digestione anaerobica che domina il processo sia nella durata sia per il ruolo fondamentale che esercita nel processo di biostabilizzazione della matrice organica del rifiuto. Ancor prima che la cella della discarica sia completa, il rifiuto solido umido riceve svariati inoculi di batteri, attinomiceti e funghi, tramite l’apporto di idrometeore o la deposizione delle sostanze aerodisperse. Questi organismi si sviluppano con una velocità di reazione che dipende dalle condizioni ambientali già presenti nella discarica. I fattori che influenzano la colonizzazione del substrato organico sono:

- dal tasso di umidità; - dalla temperatura; - dallo stato nutrizionale; - dal pH;

- dalla massa volumica del materiale presente.

Il processo di biostabilizzazione dei rifiuti è sintetizzabile nei seguenti quattro stadi:

1. aerobico;

2. anaerobico non metanigeno; 3. anaerobico metanigeno instabile; 4. anaerobico metanigeno instabile.

Le fasi di cui sopra in elenco sono stata di seguito affrontate in maniera quanto più dettagliata possibile.

I - Stadio aerobico

Durante questa prima fase le proteine si degradano dapprima ad amminoacidi, quindi ad anidride carbonica, acqua, nitrati e solfati; i carboidrati si convertono a biossido di carbonio ed acqua e i grassi s’idrolizzano ad acidi grassi e glicerolo. Pertanto, il risultato dell’idrolisi (equazione 1.1) è la solubilizzazione dei materiali in zuccheri, alcoli e lunghe catene di acidi grassi riducendo le dimensioni delle molecole organiche, e di fatto consentendo il trasporto attraverso le membrane cellulari dei microbi.

㻝㻡㻤㻌 La cellulosa, che costituisce la parte preponderante della frazione organica dei rifiuti, è degradata a glucosio, che è successivamente utilizzato dai batteri e convertito in CO2 e H2O. Questo stadio, data

l’esotermicità delle reazioni d’ossidazione biologica, è caratterizzato dal raggiungimento di temperature elevate (60-70 °C). L’aumento della pressione parziale dell’anidride carbonica, che si dissolve in acqua formando un acido debole, oltre a diminuire il pH, può portare in soluzione altre sostanze minerali. Ne consegue che il percolato formatosi in questa prima fase è leggermente acido e normalmente mantiene un elevato contenuto di COD, anche per la presenza delle sostanze organiche parzialmente degradate. E’ bene comunque osservare che durante questa prima fase decompositiva, i quantitativi di percolato prodotto sono minimi, il rifiuto non ha ancora raggiunto la stabilizzazione idrologica, e il processo tende ad assorbire i liquidi presenti.

II - Secondo stadio anaerobico non metanigeno

Una volta consumato l’ossigeno, hanno inizio i processi biodegradativi come respirazione anaerobica. In questa fase i composti inorganici ossidati (nitrati e solfati) possono essere utilizzati come fonte di ossigeno. Durante questo stadio l’esotermicità della reazione è meno pronunciata rispetto allo stadio precedente. Una gran varietà di prodotti può formarsi dal substrato organico di partenza che è in genere costituito da acidi grassi, zuccheri ed amminoacidi. Dal glucosio si possono formare gli acidi organici volatili acetico, propionico e butirrico, come descritto nelle reazioni 1.2, 1.3 e 1.4. Questi acidi e l’anidride carbonica disciolta, la cui formazione continua ad aumentare, accentuano le proprietà acide del percolato, il cui pH è generalmente compreso tra 5,5 e 6,5.

C6H10O6ÆÆ CH3(CH2)2COOH + 2H2 + 2CO2 (1.2) C6H10O6 + 2H2Æ 2CH3CH2COOH + 2H2O (1.3) C6H10O6 + 2H2O Æ 2CH3COOH + 4H2 + 2CO2 (1.4)

A differenza del metabolismo aerobico durante il quale la conversione della materia organica è quasi sempre portata a termine da un’unica specie di batteri, il metabolismo anaerobico richiede diversi tipi di popolazioni batteriche, ciascuna delle quali ossida parzialmente una determinata classe di composti. Queste prime due fasi si concludono in un lasso di tempo di circa 6 mesi.

III - Stadio anaerobico metanigeno instabile

In questa fase ha inizio il processo di decomposizione anaerobica metanigena, durante la quale i metanigeni, classe batterica molto eterogenea, convertono la sostanza organica parzialmente degradata in CH4 e CO2. Durante questa fase si verifica la conversione in acido acetico delle lunghe

catene di acidi grassi volatili. 㻌

CH3(CH2)2COOH + 2H2O Æ 2CH3COOH + 2H2 (1.5) 㻌

CH3CH2COOH + 2H2O Æ CH3COOH + 3H2 + CO2 (1.6) 㻌

In conseguenza del consumo di acidi organici, diminuisce la concentrazione di COD nel percolato, il cui pH aumenta fino ad avvicinarsi alla neutralità. Questo comportamento porta ad una riduzione

㻝㻡㻥㻌 dell’aggressività chimica del percolato e ad una diminuzione delle concentrazioni dei composti inorganici (a causa dell’influenza del pH sulla solubilità). A seguito del consumo di substrati solubili, la produzione di metano dai rifiuti diventa dipendente dall’idrolisi della cellulosa, la quale peraltro contiene la più alta quantità di carbonio effettivamente biogassificabile. La percentuale di metano nella miscela gassosa cresce progressivamente, e pertanto diminuisce la pressione parziale dell’anidride carbonica. Questa terza fase, caratterizzata dal progressivo aumento della frazione volumetrica costituita da metano, dura per un lasso di tempo che va da 3 mesi ad un anno.

㻌

IV - Stadio anaerobico metanigeno stabile

Il processo di trasformazione anaerobica della materia organica biodegradabile raggiunge l’equilibrio con frazioni volumetriche costanti di metano e biossido di carbonio. Le equazioni 1.7 e 1.8 sintetizzano le funzioni esplicate dai metanigeni.

㻌

CH3COOH ÆÆ CH4 + CO2 (1.7) 4 H2 + CO2Æ CH4 + H2O (1.8) 㻌

㻌

La percentuale di metano è piuttosto variabile, tuttavia compresa in un range del 45-65%. Per maggiore chiarezza, le quattro fasi sopra descritte sono state riassunte nel seguente diagramma di flusso.

Fig. 9.15 - Sequenza delle fasi costituenti il processo di formazione del percolato

Come è emerso dall’analisi del processo sopra descritto, il concorso di fattori, quali la composizione dei rifiuti e l’andamento nel tempo delle reazioni biologiche e chimico-fisiche in discarica, fa si che le caratteristiche qualitative del percolato siano fortemente variabili.

E' importante osservare però che la variazione nei parametri di qualità del percolato è altresì dovuta a fattori quali:

- l’età della discarica e quindi il grado di stabilizzazione della sostanza organica; - il bilancio idrico che ha condotto alla formazione del percolato stesso.

㻝㻢㻜㻌 Di seguito si riportano i valori indicativi della composizione del percolato prodotta dalla discarica.

Tabella 9.2 - Composizione indicativa percolato prelevato da una generica discarica controllata per rifiuti solidi urbani

Sostanza Parametro indicatore Intervallo di valori Unità di misura

Minimo Massimo pH 5,80 8,60 mg/l BOD5 O2 300 23000 COD O2 900 57000 Ammoniaca N-NH4+ 27 1500 Azoto Organico N 6,50 510 Acidi volatili 2,40 240 m2/l Fosforo P 0,40 23 mg/l Cadmio Cd 0,02 0,12 Cromo Cr 0,02 0,85 Ferro Fe 5 600 Manganese Mn 0,20 70 Nichel Ni 0,06 1,70 Piombo Pb 0,05 2,35 Rame Cu 0,02 0,6 Zinco Zn 0,10 4,25

E’ chiaro pertanto come la produzione del percolato si distingue, in base al grado di biodegradazione in atto, in due fasi: una detta acida, l’altra denominata metanifera o metano genica. La prima fase è classica dei percolati prelevati da discariche, cosiddette “giovani”, con meno di 10 anni di esercizio ed è caratterizzata da alti valori di BOD5 e COD e dalla presenza di acidi volatili

liberi come l’acetico, il propinico ed il valerico. Più che i valori assoluti di BOD5 e COD, ai fini

della valutazione del livello di biodegradazione, si prende in considerazione il loro rapporto; un valore del rapporto BOD5 /COD pari a 0,5 indica un alto gradi di biodegradazione in atto.

Nella seconda fase, tipica del percolato prelevato da discariche più vecchie dove si manifesta un’attenuazione dei processi di biodegradazione, si nota un notevole calo della concentrazione di BOD5 e COD, anche se in maniera diversa: il COD si riduce infatti più lentamente rispetto al BOD5

a causa della persistenza di materiali organici non biodegradabili. In questo fase il rapporto tra le due domande di ossigeno, quella biologica e quella chimica, assume valori inferiori a 0,2.

Quella finale è la fase in cui i processi di stabilizzazione tendono a concludersi, in quanto si esaurisce via via la percentuale di organico, e la discarica si avvia così a fine vita.

Di seguito si riporta l’andamento di concentrazione dei parametri indicatori (vedi tabella 9.2) durante le fasi di stabilizzazione del particolato sinora discussa.

㻝㻢㻝㻌 Fig. 9.16 - Variazioni dei tenori dei parametri indicatori nelle fasi di stabilizzazione dei

percolati - Fonte: Sonia Gervasoni – Discariche Controllate – HOEPLI 2004