Summary
The evaluation of the emission production, and particularly of the biogas, produced in landfill has an extremely important role both to appraise the environmental impact that a site for the disposal of RSU can involve, for the planning of the systems of extraction and for the technical-economic evaluations around the opportunity of an energetic exploitation of the biogas. This quantification is normally made through models of production that, however, are characterized by some parameters that should be set. The use of the usual values, verifiable in literature, not they always allow some reliable results. In this work the results of the analysis of the case of Montegrosso-Pallareta landfill that digests the Potenza’s RSU. We have considered three models (Andreottola - Cossu, Encom MGM, Lifshits - Galueva), and the respects drawn in base to the quantity of RSU indeed digested in landfill have been put to comparison with the measured true values in landfill. In this way from a side of the values have been drawn for the characteristic parameters of every model, and from the other one is tried to understand what, among the considered models both the most proper for reality and situations as that of the Potenza’s landfill.

Sommario
La valutazione della produzione delle emissioni, ed in particolare del biogas, prodotto in discarica ricopre un ruolo estremamente importante sia per valutare l'impatto ambientale che un sito per lo smaltimento di RSU può comportare, sia ai fini della progettazione dei sistemi di estrazione e per le valutazioni tecnico-economiche circa l'opportunità di una valorizzazione energetica del biogas. Questa quantificazione viene fatta normalmente tramite modelli di produzione che però sono caratterizzati da alcuni parametri che andrebbero tarati. L'utilizzo degli usuali valori, riscontrabili in letteratura, non sempre consentono dei risultati attendibili. In questo lavoro vengono presentati i risultati dell'analisi del caso della discarica di Montegrosso Pallareta, che smaltisce i RSU provenienti dalla città di Potenza. Sono stati considerati tre modelli (Andreottola - Cossu, Encom MGM, Lifshits - Galueva), e le stime ricavate in base alla quantità di RSU effettivamente smaltito in discarica sono state messe a confronto con i valori reali misurati in discarica. In questo modo da un lato sono stati ricavati dei valori per i parametri caratteristici di ciascun modello, e dall'altro si è tentato di capire quale, tra i modelli considerati, sia il più adatto a realtà e situazioni come quella della discarica del comune di Potenza.



1. L'origine del biogas da discariche di rifiuti


Le discariche di rifiuti solidi urbani sono sorgenti significative di metano (CH₄) e diossido di carbonio (CO₂). In aggiunta a questi due gas sono prodotte anche minori quantità di composti organici non metanici tra i quali alcuni composti organici volatili reattivi e pericolosi.
Il metano e l'anidride carbonica sono i costituenti principali del "biogas" (LFG, "landfill gas") e sono prodotti durante la decomposizione anaerobica sostanza organica e delle proteine presenti nei rifiuti smaltiti in discarica che vengono inizialmente trasformati in zuccheri, poi principalmente in acido acetico ed, infine, in CH₄ e CO₂. 

Rappresentazione schematica dei successivi stati di demolizione della sostanza organica durante il processo di fermentazione anaerobica


La decomposizione anaerobica ha luogo in assenza di ossigeno ed è un processo complesso nel quale le condizioni ambientali giocano un ruolo fondamentale. Tra i fattori ambientali più importanti sono da considerare:

» il contenuto d'acqua del rifiuto;
» la presenza e distribuzione dei microrganismi;
» la concentrazione di nutrienti;
» la composizione merceologica e la pezzatura media dei rifiuti;
» il pH e la temperatura all'interno del cumulo di rifiuti;
» l'eventuale infiltrazione di acqua.


Il processo di generazione del biogas può essere schematizzato in quattro fasi caratteristiche di tutto il ciclo di vita della discarica. Durante tali fasi varia sia la velocità di formazione del biogas che la sua composizione.

Evoluzione tipica della composizione del biogas nel tempo.
Fasi del processo:
I. Aerobica; II. Anaerobica, non-metanica; III. Anaerobica, metanica, non-stazionaria; IV. Anaerobica, metanica, stazionaria.

La prima fase è "aerobica" ed il principale gas prodotto è l'anidride carbonica (CO₂). La seconda fase è caratterizzata da una forte diminuzione della concentrazione di ossigeno che porta l'ambiente ad operare in condizioni anaerobiche. Si assiste ad una notevole produzione di CO₂ ed, in misura minore, di idrogeno (H₂). Nella terza fase (sempre anaerobica) inizia la generazione di CH₄ associata ad una riduzione della CO₂ precedentemente prodotta.
Il contenuto di azoto (N₂) nel biogas è inizialmente elevato nella prima fase aerobica e decresce molto velocemente durante la seconda e la terza fase (anaerobiche). 
Nella quarta ed ultima fase la produzione di biogas raggiunge condizioni di quasi stazionarietà e la composizione del biogas rimane pressoché costante. La durata delle varie fasi e dell'intera sequenza dipende dalle condizioni presenti in discarica (composizione del rifiuto, caratteristiche del materiale di copertura, schema progettuale) e può variare anche in funzione delle condizioni climatiche, come la quantità delle precipitazioni atmosferiche e la temperatura ambientale. 
La produzione di biogas ha un periodo di latenza di circa un anno a causa della presenza di condizioni aerobiche nel periodo iniziale e dell'attività biologica rivolta alla formazione di acidi volatili nella prima fase del processo anaerobico.
Nelle discariche tuttavia la produzione di metano potrebbe avere un periodo di latenza iniziale che può durare anche più di un anno. Essa è determinata da due fattori:

» all'esistenza di condizioni iniziali aerobiche;
» la prevalenza delle attività biologiche anaerobiche rivolte alla produzione di acidi volatili (batteri acido produttori).

Il periodo di latenza è normalmente caratterizzato da apprezzabili produzioni di idrogeno, oltre che di CO2.
I rifiuti smaltiti in una discarica controllata possono produrre biogas per 20 - 30 anni. 
Le reazioni biochimiche di trasformazione della sostanza organica in biogas sono complesse, tuttavia McCarty ne ha proposto una di tipo empirico:

C₉₉H₁₄₉O₅₉N+x *H₂O a y * CH₄ + z *CO₂ + w * C₅H₇NO₂+k*NH₄+ +n*HCO₃

Composizione tipica del biogas da discarica 


Oltre alla già nota importanza del metano come gas ad effetto serra, la presenza del CH4 nelle discariche di rifiuti deve essere monitorata attentamente a causa delle sue caratteristiche esplosive in ambienti confinati non appena la sua concentrazione risulta essere compresa tra il 5% ed il 15%. Inoltre, esso risulta dannoso sia per l'uomo (può provocare asfissia in ambienti chiusi) che per la vegetazione (può avere effetti letali per la vegetazione a causa dell'asfissia delle radici quando esse vengono investite dal gas nel sottosuolo).


La stima delle emissioni di metano da discariche mediante modelli previsionali


In linea di massima si può affermare che un modello revisionale della produzione di biogas in discarica sia normalmente costituito da una parte di carattere stechiometrico e da un'altra a carattere biochimico-cinetico.
Il sottomodello stechiometrico ha come input principale la composizione merceologica dei rifiuti posti in discarica controllata, e, come output, la quantità di carbonio organico gassificabile, dalla quale è possibile poi calcolare la quantità massima di biogas producibile dalla degradazione dell'unità di massa di rifiuto;
il sottomodello biochimico descrive invece l'evoluzione temporale del processo di massificazione del carbonio organico disponibile tramite le costanti di degradabilità tenendo conto di alcuni parametri quali il contenuto di acqua, la pezzatura media e la temperatura.La struttura appena descritta caratterizza la maggior parte dei modelli più diffusi, tra cui:

» PALOS VERDES Model;
» SCHOLL CANYON Model;
» SHELDON-ARLETA Model;
» MGM EMCOM Model;
» EPA Model. 

In estrema sintesi è tuttavia possibile individuare alcuni parametri fondamentali che sono alla base di un modello revisionale per la produzione di biogas:

» Contenuto di carbonio organico e sua frazione gassificabile;
» Cinetica di degradazione della frazione organica;
» Umidità;
» Tempo di generazione;
» Tempo di ritardo iniziale.


Contenuto di carbonio organico e sua frazione gassificabile

Appare chiaro come il contenuto di carbonio organico ed il suo grado di degradabilità dipendano dalla composizione merceologica del rifiuto. In via del tutto approssimativa si può considerare che il 50% della sostanza organica sia rappresentato dal carbonio, e che solo la sua metà sia gassificabile.


Cinetica di degradazione della frazione organica


La definizione della cinetica di reazione consente di valutare l'evoluzione temporale del fenomeno degradativo e quindi la durata della produzione di biogas.
L'espressione generale è del tipo: 

DC/dt = f(t,C^n)

Dove con C si è indicata la concentrazione di carbonio organico gassificabile e con n l'ordine della cinetica.
Tale relazione è usualmente applicata ad una massa di rifiuti depositata in uno stesso strato o in un determinato periodo (mese o semestre).
Particolare attenzione va rivolta all'esponente n che rappresenta l'ordine del modello.
Una cinetica di ordine zero (n=0) implica che variazioni non eccessive ci C, non influenzano la velocità di massificazione della frazione organica del rifiuto, ed essa quindi risulta evidentemente costante nel tempo, eventualmente influenzabile solo da altre condizioni al contorno, quali il contenuto di acqua e la disponibilità di nutrienti.
Alcuni processi dovuti ad un certo numero di reazioni, vengono descritti da cinetiche del secondo ordine (n=2) (ad esempio massificazione anaerobica della sostanza organica).
Tuttavia la maggior parte dei modelli attualmente in uso fa riferimento a cinetiche del primo ordine, in cui il fattore limitante del processo è rappresentato dalla concentrazione di carbonio gassificabile residuo.
Questo modello esprime il fatto che la velocità di massificazione presenta normalmente un andamento decrescente nel tempo:

-dC/dt = kC

con k costante di degradazione (che tiene conto anche della fase di idrolisi), definita, in genere, per almeno tre tipologie di substrato gassificabile:

1. velocemente biodegradabile - RB;
2. mediamente biodegradabile - MB;
3. lentamente biodegradabile - LB. 




Umidità

Affinché abbia luogo un'attività di degradazione anaerobica l'umidità del rifiuto deve essere compresa tra il 50% e l'80%. Per valori inferiori, che si registrano per climi aridi o per rifiuti pre-trattati meccanicamente, la cinetica risulta notevolmente rallentata causando un'estensione della durata della fase di produzione del biogas. 


Tempo di generazione

La durata del processo di massificazione è considerata variabile tra i 15 ed i 50 anni. Il parametro normalmente considerato per la definizione del tempo di generazione è il cosiddetto tempo di dimezzamento t1/2, ovvero il lasso di tempo necessario alla degradazione della metà della quantità complessiva di carbonio gassificabile.
Nei modelli del primo ordine esso è calcolato in funzione della costante di degradazione attraverso l'espressione:

t_1/2 = ln2/k


Tempo di ritardo iniziale

Rappresenta il tempo necessario per la prima comparsa del biogas, ed è essenzialmente legato al processo di acclimatazione della biomassa responsabile del consumo della sostanza organica biodegradabile. Il valore del tempo di ritardo dipende dalle caratteristiche del rifiuto in termini di biodegradabilità e grado di compattazione, nonché dalle modalità di gestione della discarica.
In base ai dati riportati in letteratura è possibile assumere quali intervalli tipici del tempo di ritardo i seguenti: 0-0,3 anni per la frazione RB, 1,5-2 anni per la frazione MB e circa 5 anni per la frazione LB.

 

4. Metodologie di stima delle emissioni di metano e risultati

La stima della quantità di metano che si genera dalle discariche di rifiuti viene nel seguito svolta utilizzando una metodologia di calcolo basata sull'utilizzo di una relazione cinetica del primo ordine.
La scelta di una cinetica piuttosto che di un'altra è basata sul grado di conoscenza dei parametri che interessano la relazione in esame.
In questo caso viene utilizzata una relazione proposta dall'EPA e sperimentata anche in Italia, così come ampiamente documentato in bibliografia.


3. Le caratteristiche della discarica di MONTEGROSSO-PALLARETA

La discarica in esame sorge in località "MONTEGROSSO-PALLARETA" nel comune di Potenza.
In essa vengono smaltiti RSU, fanghi provenienti dal trattamento dei reflui civili e ceneri inertizzate.
La deposizione dei rifiuti è iniziata nel maggio '89, ed è tutt'ora in corso. Da tale data sono stati riempiti progressivamente 6 lotti. 


Cronologia discariche "MONTEGROSSO - PALLARETA"

Fonte : ACTA -Potenza

Quantità di RSU e fanghi di depurazione conferiti nelle discariche
"MONTEGROSSO - PALLARETA"

Fonte : ACTA -Potenza

Di particolare interesse ai fini delle valutazioni inerenti la produzione di biogas è il calcolo della presenza di sostanza organica biodegradabile e di cellulosa nelle frazioni "carta, cartone e legno". Appare chiaro che un elevato contenuto di sostanza organica, così come si evince dalla tabella sottostante, non fa altro che favorire la produzione di biogas e quindi di metano. 

Analisi merceologica relativa agli RSU della città di Potenza (media 1998)

Nella tabella successiva vengono riportate le caratteristiche chimico-fisiche rinvenute dall'indagine 1998 sui rifiuti solidi urbani della città di Potenza.

Analisi chimico-fisica relativa agli RSU della città di Potenza

4.1 Metodologia cinetica del primo ordine 

Un approccio più complesso alla stima delle emissioni di metano dalle discariche è rappresentato dal cosiddetto "modello di decadimento del primo ordine". A differenza della stima condotta attraverso la metodologia ibrida, in cui si è comunque introdotto un fattore temporale, l'approccio cinetico permette una stima dell'andamento delle emissioni nel tempo più conforme ai reali processi che si instaurano nelle discariche. Il modello cinetico del primo ordine è stato ampiamente utilizzato per lo studio delle emissioni di metano da singole discariche, ma può essere efficacemente esteso per la modellizzazione delle emissioni di intere regioni. La relazione di tipo esponenziale rappresenta la formulazione matematica del modello cinetico del primo ordine.

dove:

Q = metano generato nell'anno corrente [m³/anno];
L₀ = metano potenzialmente generabile per unità di rifiuto [m³/t] . Dipende dalla composizione del rifiuto ed è di difficile stima. I valori possono variare da meno di 100 a più di 200 m³/t;(densità gas metano = 0.74 kg/m³ ).
R_x = quantitativo di rifiuti smaltiti in discarica nell'anno corrente [t/anno];
k = costante di generazione del metano. Dipende dalle condizioni ambientali del sito dove è collocato l'impianto. L'intervallo di variabilità di va da meno di 0,005 a 0,4 anno^-1, dove gli alti valori sono associabili a condizioni di elevata umidità in discarica [anno^-1] ;
x = anno in cui i rifiuti vengono posti a discarica [anno];
T = anno corrente [anno].

E' da ricordare che alti valori di k fanno riferimento ad elevata umidità nel corpo della discarica e che quest'ultimo parametro, insieme a temperatura e pH, rappresenta un fattore chiave che influenza l'intero processo fermentativo alla base della trasformazione della frazione organica dei rifiuti in metano. 
Nel caso in esame sono stati considerati i seguenti valori :

L₀ = 140 mc/ton;
k = 0,05 anno^-1.

Il grafico rappresentato in seguito riporta l'andamento della produzione teorica del metano per la discarica di RSU situata in località Montegrosso-Pallareta, presso il comune di Potenza.

Depurazione del biogas grezzo

Per il recupero dell'energia dal biogas, si impone così un impianto di depurazione che consenta di abbattere gli inquinanti senza dispersioni in atmosfera, ma inviandoli al sistema di trattamento del percolato, consentendo così lo smaltimento negli impianti preposti a questo scopo, e ottenere un Biogas depurato che consenta un funzionamento ottimale dei Motori endotermici e un livello di emissioni in atmosfera ampiamente entro i limiti. In particolare si considerino i seguenti componenti:CO2 - Anidride Carbonica o Biossido Di Carbonio. La presenza di CO2 nel Biogas viene ridotta nel processo di abbattimento, nelle torri di lavaggio. Una corretta combustione con un giusto apporto di O2 porta alla formazione di H2O che viene persa sotto forma di vapore e di CO2, non dando origine al dannoso CO.

- H2S - Idrogeno Solforato
- HCl - Acido Cloridrico
- HF - Acido Fluoridrico
- Composti Del Silicio

L'idrogeno solforato è prodotto dalla fermentazione anaerobica di prodotti che contengono composti di zolfo. Viene abbattuto pressoché totalmente nelle colonne di lavaggio e quindi avviato di trattamento, evitando così sia la dispersione nell'ambiente sia il trascinamento verso i motori endotermici utilizzatori. L'Acido Cloridrico e l'Acido Fluoridrico vengono anch'essi interamente abbattuti, trasformandosi in Cloruri e Fluoruri di Sodio e Calcio, avviati quindi all'impianto di trattamento.

* DIFA - Dipartimento di Ingegneria e Fisica dell'Ambiente, Università degli Studi di Basilicata 
** ACTA - Azienda Comunale per la Tutela Ambientale, Potenza

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