Innovazioni tecnologiche nella discarica di rifiuti pretrattati e relativo impatto ambientale

Due to the European and Italian laws in force, the waste management integrated systems will be necessarily organized with the aim of landfilling only pretrated and at least partly stabilized waste; these “new” refuses, having very different characteristics with respect of the raw waste, will allow a significant reduction in terms of biogas production and leachate pollutant load, even if this reduction will be not enough to result compatible the environment and the long-term behaviour is still to be understood; new disposal conditions and new management strategies must be defined, aiming at facilitating the development of the biodegradation processes, the achievement of the stabilization conditions and the shortening of the aftercare phase. Based on these issues, the present research focused on the behaviour of different pretreated waste and their mixtures once landfilled; in particular, Municipal Solid Waste Organic Fraction (MSWOF) at a different biostabilization degree (15 and 90 days), coming from a selection and composting plant, and bottom ash (BA) from MSW incineration were used to realize several landfill reactor in semipilot scale; such reactors were managed in different ways (anaerobic and semi-aerobic conditions), in order to evaluate the potential emissions via leachate, the sanitary implications and the length of the post-closure phase. The wastes were initially and periodically characterized in terms of several chemical, microbiological and geotechnical parameters; besides leachate characteristics and settlements of the bulk waste were monitored. Prior to be landfilled, the leaching behaviour of the waste and mixtures used was investigated, thus verifying whether the parameters analyzed in the eluates produced were below the limits fixed by Italian and European laws in force for non-hazardous waste. prEN 12457-1, prEN 12457-2 tests were executed, along with some other characterization tests: Toxicity Characteristic Leaching Procedure (TCLP), NEN 7341, which provided information about the maximum potential emission from the waste (availability) and Acid/Basic Neutralization Capacity (ANC/BNC), which furnishes the acid/base need by the waste to reach a predetermined pH, and pH static test, through which the heavy metals solubility curves as a function of pH can be developed. The eluates obtained in each test were characterized in terms of heavy metals, chlorides, sulphates, Total Dissolved Solids (TDS). The results obtained were used to compare the Italian and European laws regarding the acceptance of waste in landfill as well as the different behaviour of the waste studied as pH and liquid to solid ratio (L/S) changes. BA showed the maximum ANC value, resulting in a higher buffering effect exerted by this material, once landfilled; due to such a behaviour, the solubility of heavy metals in leachate is probably significantly reduced; besides, the length of the acid phase in the anaerobic metabolism can be shortened, allowing both a faster establishment of the methanogenic conditions and a limited production of biogas. The solubility curves showed different behaviour, depending on the organic content of the waste; in particular, minimum values of the heavy metal solubility corresponded to slightly alkaline pH (7÷9) for wastes with higher inorganic content, such as BA, and for neutral pH for predominantly organic waste, such as MSWOF. MSWOF, BA and their mixture resulted non-hazardous according to Italian law; with respect to the European Directive MSWOF resulted hazardous, due to the more restrictive limits. Arising from the results obtained by the study of the reactors, the anaerobic co-disposal of BA and MSWOF biostabilized at 15 days, in the percentages here used (30-70% by weight), allowed to reach some advantages in terms of both leachate organic load and a more rapid definitive closure of landfill, due to the more rapid settlements exhaustion and stabilization; besides, final settlements results lower. The presence of BA behaved as a rigid skeleton which firstly retarded the start of settling and secondly hindered the settlement rate, thus leading to a lower value reached at the biological stability occurrence. Despite the space increase made available by the biodegradable fraction consumption, the bulk waste did not settle appreciably because the BA, by aggregating the residual waste particles, made a sort of “cement”. Probably BA supplied aggregating and stabilizing properties to the materials which they are added to and functioned as structural and support material. The air supply to one of the mixed reactors, allowed to accelerate the biodegradation process, providing a significant reduction in the leachate organic load and a faster mechanical stabilization of the bulk waste; nevertheless, the aeration implies some burdens: proper air and water addition for the biological aerobic metabolism, costs increases due to the air needs, clogging of the air supply pipes, homogeneous water distribution and circulation. By the study of the monolandfills, containing MSWOF 15 and 90 days biostabilized, the release was significantly reduced (of about 70-80%) in the leachate from the latter and also a higher mechanical stability was reached. It is noteworthy that for all the reactors, the total amounts of heavy metals released during the experimental activity represented only a very limited fraction (in some case lower than 10%) of the initial content measured in the bulk waste. Consequently, leachate hazardousness resulted lower, on the other hand, significant heavy metals release can occur in case of pH or Eh changes in the landfill, due for example to oxygen and water entry because of the exhaustion of biogas production and problems at the isolation system. The data obtained showed that co-disposal of BA with MSWOF, being previously partly biostabilized, can allow to achieve a more rapidly plateau conditions of both the organic load released in the leachate, and the settlements of the bulk waste, unless for the operating conditions and the waste fraction percentages tested in this study. This implies some clear advantages in terms of the postclosure management. Moreover, leachate organic load and settlements trends were shown to be quite similar in the case of codisposal of BA and partly biostabilized MSWOF, and in the case of completely biostabilized MSWOF landfilling; thus co-disposal seems to represent a valid alternative to a more stressed and expensive pre-treatment phase. Finally, a strong correlation between the biochemical parameters of leachate and the mechanical behaviour of the bulk waste was demonstrated to exist. This correlation can be used as a valuable tool in both designing and modelling of landfill plant. It can also help in planning the best management practises as well as the economic implications related to either life or post-closure period of the landfill.

A seguito dei recenti sviluppi della normativa italiana ed europea, i sistemi di gestione dei rifiuti saranno organizzati in modo che in discarica siano conferiti rifiuti pretrattati caratterizzati da un basso grado di putrescibilità, al fine di realizzare discariche più facilmente gestibili, controllare le emissioni a lungo termine e ridurre quanto più possibile la durata della fase successiva alla chiusura, in cui è indispensabile operare il monitoraggio ed il controllo delle emissioni. Sulla base di queste considerazioni la presente ricerca ha posto l’attenzione su differenti tipologie di rifiuti pretrattati meccanicamente, biologicamente e termicamente e loro miscele destinabili allo smaltimento in discarica; tali rifiuti, Frazione Organica di Rifiuti Solidi Urbani (FORSU) a diverso grado di biostabilizzazione aerobica e scorie da incenerimento di RU sono stati utilizzati per realizzare diversi reattori in scala semi-pilota, gestiti in maniera “tradizionale”, cioè anaerobicamente, ed in condizioni semiaerobiche, al fine di verificarne il possibile impatto ambientale, in termini di qualità del percolato, condizioni igienico-sanitarie e durata della fase di post mortem per un rapido recupero del sito. Ciascun rifiuto è stato caratterizzato inizialmente da un punto di vista chimico, biologico e geotecnico; per ciascun reattore sono stati inoltre monitorati i cedimenti e le caratteristiche di rifiuti e percolato. Prima di realizzare i reattori, si è provveduto inoltre a caratterizzare il comportamento alla lisciviazione dei rifiuti utilizzati e delle loro miscele, anche con l’obiettivo di verificare il rispetto dei vincoli normativi imposti per l’ammissibilità dei rifiuti in discarica. A questo scopo sono stati utilizzati diversi test di lisciviazione (prEN 12457-1 e prEN 12457-2), sui cui eluati sono state misurate le concentrazioni di metalli pesanti, cloruri, solfati, TDS e sono state valutate le discrepanze tra la normativa italiana ed europea in materia di ammissibilità in discarica. Gli eluati prodotti da FORSU, scorie e dalla loro miscela sono compatibili con i limiti imposti dalla normativa nazionale per lo smaltimento in discarica per rifiuti non pericolosi, ma non con quelli della corrispondente normativa europea, che presenta limiti più restrittivi. Si è inoltre effettuato uno studio delle caratteristiche di rilascio tramite l’applicazione del test NEN 7341, che fornisce indicazioni sul massimo rilascio potenziale di contaminanti, e l’ANC/BNC che, al variare del pH della soluzione lisciviante, consente di valutare la capacità di neutralizzazione acida e basica di un materiale e di costruire le curve di solubilità dei diversi metalli. Le scorie presentano una elevata ANC, che consente di favorire la rapida estinzione della fase acida, con vantaggi per la solubilizzazione dei metalli, di anticipare la fase metanigena e ridurre la produzione di biogas. Le curve di solubilità mostrano un andamento molto diverso per i vari metalli, a seconda del contenuto in organico del rifiuto analizzato: si riscontrano minimi nella solubilità per pH in campo lievemente alcalino (7-9) per matrici, come le scorie, ad elevato contenuto di inorganico, e per pH neutro per la FORSU, a prevalente carattere organico. A seguito dello studio dei reattori di discarica, si è mostrato che il cosmaltimento di FORSU e di scorie rappresenta una valida alternativa alle discariche monorifiuto, con vantaggi in termini di qualità del percolato e di un più rapido recupero finale del sito, grazie ad un più rapido sviluppo dei cedimenti, che peraltro risultano di entità minore; le scorie infatti, ripristinano il materiale strutturale eliminato dal rifiuto durante le fasi del pretrattamento meccanico-biologico, consentendo una riduzione dei cedimenti del cumulo. Inoltre, le scorie, grazie alla loro elevata capacità tampone ed alla diluizione che esercitano sul contenuto iniziale di sostanza organica, consentono, come mostrato dal profilo temporale del pH e del carico organico nel percolato, di raggiungere in tempi ridotti le condizioni metanigene, nelle quali il metabolismo dei microrganismi anaerobici risulta accelerato. In tal modo si raggiungono più velocemente le condizioni di stabilità biologica e meccanica dei rifiuti, si riduce significativamente la produzione di biogas e la durata della fase di gestione post-operativa. Nell’ambito del cosmaltimento, la gestione semiaerobica (condizioni aerobiche e anaerobiche alternate), accelera il processo di biodegradazione, con una significativa riduzione di emissioni di COD ed azoto ed un più rapido raggiungimento delle condizioni di stabilità strutturale, rispetto alla tradizionale gestione anaerobica. L’aerazione comporta, tuttavia, alcuni oneri: la necessità di gestire opportunamente gli apporti idrici e la portata di aria per assicurare le condizioni ottimali per la biomassa, un incremento dei costi di esercizio per la fornitura di aria, problemi associati a intasamento e ostruzione degli impianti di aerazione ed alla distribuzione e circolazione dell’acqua. Lo studio di due diverse tipologie di discariche monorifiuto, contenenti FORSU rispettivamente parzialmente e totalmente stabilizzata, ha mostrato che, a parità di intervallo temporale, le emissioni di COD ed azoto in quest’ultimo caso sono ridotte di circa il 70-80% e si ottiene una maggiore stabilità meccanica. Per tutti i reattori esiste comunque un elevato grado di correlazione tra le caratteristiche del percolato ed i parametri microbiologici, chimici e geotecnica dei rifiuti. Dal bilancio di massa effettuato tra contenuto iniziale di metalli nei rifiuti ed rilascio nel percolato al termine del monitoraggio, si ottiene che il quantitativo trattenuto all’interno di tutti i reattori è generalmente superiore al 90%, a causa sia dei crescenti valori di pH, sia della presenza di agenti complessanti organici ed inorganici, che ne riducono la solubilità; si riduce dunque la pericolosità del percolato a breve termine, ma si genera un potenziale fattore di rischio per il lungo termine. Dal confronto tra i parametri di caratterizzazione del percolato e i cedimenti misurati nel reattore di cosmaltimento anaerobico ed in quello contenente FORSU ad elevato grado di stabilizzazione, si nota un comportamento sovrapponibile, che fa ipotizzare l’equivalenza di un trattamento biologico più spinto e di uno smaltimento congiunto di sostanza organica a basso grado di biostabilizzazione e scorie da incenerimento; entrambe le configurazioni consentono infatti di raggiungere le condizioni metanigene in tempi più brevi e quindi di conseguire i seguenti vantaggi sia da un punto di vista gestionale, che di minimizzazione di impatto ambientale e di tempi di recupero del sito: miglioramento della qualità del percolato, riduzione della produzione di biogas e miglioramento delle caratteristiche meccaniche dei rifiuti. Le valutazioni e le considerazioni conclusive sono necessariamente soggette ad un’attenta ed accurata valutazione preliminare degli oneri economici dei processi di pretrattamento al fine di ottimizzare il rapporto costo/beneficio dell’intero sistema “trattamento -smaltimento”.