La valorizzazione dei rifiuti

L'attività antropica genera rifiuti, i quali possono avere due destinazioni: la raccolta differenziata (composta da una fase di smaltimento selettivo per evitare che materiali pericolosi vengano immessi nel flusso di materia differenziata e una fase di riuso dei materiali) ed infine la raccolta indifferenziata.

La raccolta differenziata è il mezzo per diminuire la produzione di rifiuti. Per quanto riguarda l'indifferenziato, una separazione di valle può eventualmente separare le diverse frazioni (fini, carta e plastica, vetro e metalli) per destinarle a differenti trattamenti.

L'indifferenziato ha solitamente una distribuzione di dimensione come illustrato in seguito:

Una vagliatura iniziale permette di non far passare la plastica oppure permetterebbe di separare teoricamente le tre frazioni di rifiuti ma come si vede dalle figure si hanno delle zone di sovrapposizione.

I rifiuti si possono separare anche per differente densità, ad esempio sfruttando dei sistemi aeraulici che utilizzano l'aria per la separazione, oppure delle tavole vibranti che sfruttano la differente inerzia delle particelle solide. Tali metodi costano poco ma possono avere un impatto atmosferico (es. polveri).

Ma tale strada è realmente percorribile? Si, nel caso il flusso separato sia gestibile e venga gestito, ovvero se c'è qualcuno disposto a prendere l'eventuale compost, oppure qualcuno disposto a prendere l'energia prodotta dai rifiuti. Il legno, la carta, la plastica e i tessuti possono venire bruciati, e ceduti ad un impianto dedicato (vuol dire costruire un inceneritore) o ad un impianto preesistente (ad esempio un cementificio). Tale frazione determina il CDR (Combustibile Da Rifiuto) o RDF, di cui sono importanti le caratteristiche fisiche e termotecniche, oltre a quelle inquinanti (S, Cl, metalli, ecc…).

Quindi due sono le strade possibili:

I vantaggi e gli svantaggi sono i seguenti:

  • l'inceneritore bisogna costruirlo, e ci va molto tempo per farlo;
  • l'inceneritore non ha problemi di mercato, nel caso del cementificio l'azienda potrebbe trovare un combustibile più economico;
  • dal punto di vista ambientale occorre valutare l'impatto locale (è preferibile l'inceneritore per i sistemi di trattamento delle emissioni) ma a livello globale (es. produzione di CO2), potrebbe dare un contributo non indifferente all'effetto serra.
  • l'inceneritore non ha problemi di scala, mentre il cementificio ha una specifica esigenza di CDR da rispettare.

Il CDR deve essere stabile e viene bruciato in un forno a griglia: il CDR scivola sopra una griglia forata da cui fuoriesce dell'aria. A monte di tale sistema c'è la fossa ovvero un contenitore dove vengono immessi i rifiuti per omogeneizzarli e mischiarli per avere una qualità costante. Rispetto a 20 anni fa, il potere calorifico del rifiuto è sicuramente aumentato, quindi al giorno d'oggi non occorre fornire del combustibile secondario a causa del rischio di sviluppare temperature troppo elevate (attenzione agli NOx e alla fusione delle scorie che si appiccicano sulle pareti del forno). Il residuo si divide in scorie e polveri le quali escono con i fumi.

La valorizzazione energetica del rifiuto

Sistema combustione solido: prevede l'ingresso del rifiuto sottoforma di CDR (generalmente la frazione secca proveniente da un impianto di pretrattamento) e di aria in un combustore con l'uscita di ceneri e fumi, i quali potranno alimentare un impianto di termovalorizzazione.

Sistema con pirolisi o massificazione: prevede l'ingresso del rifiuto CDR e di gas combustibile, il quale forma in uscita dal combustore un flusso di gas combustibile il quale, bruciato in una caldaia apposita genera dei fumi caldi. Il calore dei fumi viene utilizzato direttamente o indirettamente per vaporizzare una corrente di acqua liquida da utilizzare in una turbina a vapore, collegata ad un generatore per la produzione di energia elettrica.

Bruciare un gas forma meno polveri e meno fumi e poi a parità di combustibile si produce maggiore energia. I fumi ad alta temperatura vanno poi ad una caldaia che alimenta un impianto di cogenerazione.

Tale impianto è caratterizzato da un sistema a spillamento ovvero una portata di vapore uscente dalla turbina viene fatta convogliare a un sistema di teleriscaldamento. E' chiaro che più vapore si manda al teleriscaldamento, meno vapore verrà destinato all'uso elettrico.

Si può scrivere un'equazione del tipo:

Per quanto riguarda la caldaia (scambio termico) si può scrivere il bilancio:

Generalmente le due temperature di fumi caldi e fumi freddi sono dell'ordine di 1000 °C e 200-250 °C.

Per quanto riguarda l'inceneritore è possibile scrivere il seguente bilancio entalpico:

Le portate descritte precedentemente sono nell'unità di misura massa/tempo.

Se la temperatura dei fumi è troppo alta capitano degli inconvenienti ovvero la formazione di NOx. Nel caso la camera fosse adiabatica, W = 0.

E' importante sottolineare che il potere calorifico del rifiuto è definito per il rifiuto umido e non per quello secco, quindi una parte dell'acqua del rifiuto andrà a finire in vapore, e quindi il potere calorifico dei rifiuti potrebbe variare nel tempo. Inoltre, data la reazione N2 + O2 -> 2NO si ha una dipendenza tra l'eccesso d'aria e la quantità di ossidi d'azoto prodotti.

L'eccesso d'aria si calcola nel modo seguente:

E la percentuale di ossigeno dei fumi è:

Per quanto riguarda l'inceneritore, esso determina un flusso in uscita di ceneri volanti (pericolose), ceneri di fondo e fumi. Le prime, in quanto pericolose, devono essere sottoposte ad un processo di inertizzazione. Un inceneritore per rifiuti urbani è composto da una caldaia a griglia in cui viene alimentata aria primaria dai fori della griglia e aria secondaria da speciali aperture sulle pareti. Un inceneritore per rifiuti industriali è a tamburo rotante. A livello industriale è meno importante il recupero energetico. Ogni industria, per quanto concerne la gestione dei rifiuti, possiede un laboratorio analitico (gestisce le operazioni di stoccaggio e analizza i flussi a monte) e un ufficio tecnico di programmazione che gestisce le operazioni di smaltimento.

Lo schema di un inceneritore è il seguente:

Nel punto A sono presenti ceneri volanti che si depositano del dispositivo di scambio termico e devono venire rimosse. Tali residui, più fini delle scorie, hanno una maggiore capacità di adsorbimento di microinquinanti. La loro generazione M è data da:

dove cemissione è il flusso di residui che entra nello scambiatore. Prima del camino si mette un bruciatore a metano per aumentare la temperatura dei fumi, affinché siano meno saturi in termini di umidità, e per evitare la formazione di condensa lungo la risalita nel camino a causa del raffreddamento. Poi il pennacchio di vapore uscente dal camino non è bello da vedere. Il ventilatore ai piedi del camino serve per tenere in pressione la linea (generalmente ce ne sono due ridondati).

Valorizzazione agronomica dei rifiuti

Nel caso dei RSU, occorre valutare innanzitutto un possibile confronto tra:

  • un sistema di combustione totale del rifiuto;
  • un sistema di combustione della frazione secca e il recupero della frazione organica, costituita da acqua, C, H, O.

Un impianto di compostaggio è fatto nel modo seguente:

La FOS è composta da acqua, C, H, O e una parte minerale inevitabile. Il 40-50% del carbonio presente nel rifiuto viene ossidato ed il restante finisce nella FOS. Una parte di acqua viene persa e quindi nella FOS il tenore d'acqua è comunque basso. La differenza d'acqua tra l'ingresso e l'uscita nell'impianto di compostaggio finirà in atmosfera. Quindi occorrerà fare dei bilanci del carbonio e di acqua tra l'ingresso e l'uscita del reattore.

Se l'organico è secco si può prevedere un sistema di ricircolo dell'acqua.

Poco azoto inibirebbe la degradazione dell'organico, troppo invece favorirebbe lo stripping di ammoniaca con produzione di odori sgradevoli.

La temperatura del processo segue un andamento seguente:

Gli impianti possono essere:

  • A cumuli, in cui il materiale viene rimescolato continuamente. Gli inconvenienti sono la formazione di percolato in caso di pioggia e i cattivi odori che vengono prodotti. E' possibile prevedere un sistema a cumuli al chiuso con un sistema di convogliamento dei gas.
  • In corsia, ovvero l'organico viene messo in corsie differenziate e un macchinario progressivamente rimescola i rifiuti. Questo sistema viene affiancato da un controllo della temperatura.
  • A bioreattore: i vantaggi sono le minori dispersioni termiche, le cinetiche migliori e il raggiungimento di temperature più elevate. Si possono inoltre trattare i gas esausti prima che vengono immessi in atmosfera. I bireattori hanno l'inconveniente di essere complessi da gestire e non sempre funzionano come previsto. Ci sono sistemi di bireattori a tamburo rotante inclinato e a cilindri verticali. E' comunque difficile controllare i flussi di massa in gioco e il tempo di permanenza dell'organico dentro il bioreattore. Il loro utilizzo è diminuito nel corso degli anni. Per purificare l'aria si usano dei biofiltri che sono nientemeno che contenitori di compost maturo che fissa a sé le particelle che puzzano.

In alternativa si può pensare di predisporre una digestione anaerobica con la formazione di biogas composto per il 30% di CO2 e il restante 70% di CH4. Il biogas può poi venire bruciato per produrre energia termica. Ma questo processo costa di più rispetto al compostaggio ed è di difficile gestione.

Si riportano in seguito alcuni schemi possibili:

Digestore anaerobico a secco con recupero energetico da biogas:

Digestore anaerobico a umido con recupero energetico da biogas:


Il materiale che esce da questi impianti non può definirsi compost vero e proprio perché subisce diversi trattamenti rispetto al compost tradizionale.