Indice di respirazione dinamico e stabilità biologica dei rifiuti

La corretta gestione della frazione organica dei rifiuti solidi urbani rappresenta un punto cruciale nel corretto recupero dei rifiuti. Il suo utilizzo nella produzione di compost porterebbe infatti ad una riduzione del volume finale della frazione conferita in discarica. La determinazione della stabilità biologica dei rifiuti mediante l’ indice di respirazione dinamico risulta essere fondamentale per comprendere l’efficacia dei processi di stabilizzazione della frazione da conferire in discarica e dei processi di compostaggio.

Stabilità biologica: come determinarla?

La stabilità biologica è definita come il grado di decomposizione della sostanza organica biodegradabile all’interno di una matrice. Il processo di stabilizzazione è quindi fondamentalmente determinato dall’attività metabolica dei microrganismi naturalmente presenti.

Questi microrganismi degradano le sostanze organiche presenti nel substrato consumando ossigeno e rilasciando anidride carbonica. Di conseguenza, maggiore è la frazione organica, più intensa sarà l’attività metabolica.

Uno dei metodi presenti in letteratura per la determinazione della stabilità biologica è la misurazione dell’attività respiratoria tramite il test respirometrico dinamico da cui si ricava l’ indice di respirazione dinamico (IRD). Questo test determina il consumo orario di ossigeno impiegato per l’ ossidazione dei composti biodegradabili presenti all’interno di una matrice.

L’ indice di respirazione dinamico può essere di due tipologie:

Indice di respirazione dinamico potenziale (IRDP): test eseguito su campione standardizzato;
Indice di respirazione dinamico reale (IRDR): test eseguito su campione tal quale.

Indice di respirazione dinamico: strumenti

Il test di respirazione viene effettuato mediante un respirometro aerobico a flusso continuo (Fig. 1).

*Figura 1 – Respirometro aerobico a flusso continuo per il test di respirazione dinamico (sinistra) e rappresentazione schematica dello stesso (destra) [Fonte: www.newprojectsrl.com].*

Il respirometro si compone di:

Corpo reattore adiabatico: contenitore a chiusura ermetica in cui viene inserito il campione;
Sistema pneumatico (aerazione) munito di manometro;
Sistema di rilevamento della concentrazione in % di ossigeno in uscita;
Sonde di termometriche per la misurazione della temperatura dell’aria in ingresso, in uscita e all’interno del reattore;
Centralina per la memorizzazione ed elaborazione dati.

Il campione inserito all’interno del rettore viene continuamente aerato tramite flussi d’aria in cui la concentrazione di ossigeno è superiore al 14%. Si misura quindi la concentrazione di ossigeno presente nell’aria esausta una volta che ha attraversato il campione.

Indice di respirazione dinamico: preparazione del campione

Prima dell’inizio dell’analisi si determinano i valori di pH, umidità e solidi volatili (SV) del campione. I solidi volatili rappresentano la frazione solida che volatilizza in seguito a combustione a 600°C.

Solo per la determinazione dell’ indice di respirazione dinamico potenziale (IRDP) si procede con la standardizzazione o normalizzazione dell’umidità e della densità apparente del campione.

Standardizzazione dell’umidità

Si determina inizialmente la capacità idrica massima pesando 1000 g di campione tal quale (P_i) all’interno di un sacchetto precedentemente immerso in acqua, strizzato e pesato (T). Il sacchetto ed il campione in esso contenuto vengono immersi completamente in acqua e lasciati in immersione per 12 ore. Successivamente si estrae il sacchetto e lo si lascia sgocciolare per 6 ore al termine delle quali viene pesato. La differenza fra il peso finale (P_f) e la somma del peso iniziale e la tara (P_i+T) rappresenta la quantità di acqua assorbita durante la prova. Questa, sommata a quella presente nel campione tal quale, rappresenta la capacità idrica massima (CIM_va), ovvero la quantità massima di acqua assorbibile dal campione espressa in grammi.

Per determinare l’ indice di respirazione dinamico potenziale (IRDP), l’ umidità del campione deve risultare uguale o superiore al 75%. Si procede come segue per il calcolo della eventuale quantità d’acqua da aggiungere (J) per la standardizzazione:

J = ( 0.75 * CIM_va ) – U_va

Dove U_va rappresenta l’umidità in valore assoluto (g) nel campione tal quale.

Qualora il valore J risultasse superiore a zero, è necessario umidificare il campione aggiungendo una quantità di acqua pari a J (in grammi) moltiplicata per il peso del campione tal quale (in grammi) che si vuole sottoporre ad analisi respirometrica.

Sul campione standardizzato (P_st) viene poi misurata l’umidità corretta (U_cvr) che verrà utilizzata per il calcolo dell’ indice di respirazione dinamico.

Standardizzazione della densità apparente

La densità influisce sulla capacità dell’ossigeno di attraversare il campione in maniera omogena. Un densità troppo elevata avrebbe quindi un impatto negativo sull’esito del test respirometrico.

La densità viene determinata inserendo un peso noto di campione standardizzato all’interno del reattore. Il peso viene quindi diviso per il volume occupato. Nel caso di valori superiori a 0.75 kg* L^-1, si riduce la densità aggiungendo al reattore materiali inerti come l’argilla espansa.

Indice di respirazione dinamico: analisi e calcolo

Il processo analitico è lo stesso sia per l’ indice di respirazione dinamico potenziale (IRDP) che per l’ indice di respirazione dinamico reale (IRDR).

L’analisi ha solitamente una durata di 96 ore durante le quali un flusso costante di aria attraversa il campione all’interno del reattore. L’ossigeno presente all’interno dell’aria insufflata viene quindi consumato dall’attività metabolica dei microrganismi presenti e la sua concentrazione finale viene misurata e registrata in uscita.

L’andamento tipico di un test respirometrico per la determinazione dell’ indice di respirazione dinamico è caratterizzato da quattro fasi (Fig. 2).

Andamento dell' indice di respirazione dinamico in funzione del tempo — *Figura 2 – Andamento dell’ indice di respirazione dinamico in funzione del tempo [Fonte: www.arpa.veneto.it]*.

La prima fase è caratterizzata da un periodo di latenza in cui il consumo di ossigeno è molto basso a causa di una ridotta attività metabolica. Questa fase potrebbe protrarsi per diverso tempo nel caso non vi siano condizioni favorevoli alla proliferazione o all’attività dei microrganismi (es. condizioni chimico-fisiche estreme o ridotta frazione organica).

Nella seconda fase, coincidende con la proliferazione dei mirorganismi, il consumo di ossigeno aumenta e la curva diventa di tipo esponenziale. Questa fase è fondamentale per il calcolo finale dell’ indice di respirazione dinamico.

Nella terza fase si assiste ad una limitata disponibilità delle sostanze biodegradabili e ad un bilancio pressochè netto fra proliferazione e morte dei microrganismi. Questo porta ad un rallentamento dell’attività di biodegradazione e conseguente stabilizzazione della curva.

Nella quarta fase si assiste ad una progressiva diminuzione del consumo di ossigeno, in quanto la sempre minore disponibilità di sostanze organiche nel substrato porta ad una attenuazione dell’attività microbica.

Calcolo dell’IRD

L’ indice di respirazione dinamico è calcolato come la media dei valori di indice orari (IRDh) relativi alle 24 ore in cui il consumo di ossigeno è maggiore. Si individua quindi il valore di IRDh massimo raggiunto e si considerano i 23 valori consecutivi di IRDh più elevati intorno al valore massimo. Si calcola quindi la media dei 24 valori.

I software gestionali dello strumento sono in grado di eseguire in automatico i precedenti calcoli per la determinazione dell’ indice di respirazione dinamico. Si riporta giusto per completezza la formula:

IRD_h = Q * ( O_2i – O_2f ) * V_g^-1 * 31.98 * SV^-1

Dove Q rappresenta il flusso d’aria, ( O_2i – O_2f ) la differenza di concentrazione fra l’ ossigeno in ingresso e quello in uscita, V_g il volume occupato da una mole di gas, 31.98 il peso molecolare dell’ ossigeno e SV la quantità di solidi volatili in kg.

Il risultato finale di IRDP o IRDR è espresso come milligrammi di ossigeno consumato per chilogrammo di solidi volatili all’ ora ( mgO₂ * kg SV^-1 * h^-1 ).

Interpretazione e utilizzi

L’ indice di respirazione dinamico fornisce una descrizione dello stato di biodegradabilità e quindi di stabilità biologica di un materiale. Più il valore risulta elevato, maggiore sarà il grado di biodegradabilità della biomassa. A titolo esemplificativo si riportano (Fig. 3) le caratteristiche del materiale in base ai valori di IRDP.

Caratteristiche del materiale in funzione del valore dell' indice di respirazione dinamico potenziale (IRDP) — *Figura 3 – Caratteristiche del materiale in funzione del valore dell’ indice di respirazione dinamico potenziale (IRDP) [Fonte: www.mavetec.it]*.

A questo punto: perchè conoscere l’ indice di respirazione dinamico? A cosa serve?

L’ indice di respirazione dinamico è un parametro necessario al fine della caratterizzazione dei rifiuti destinati all’impiego come ammendanti e fertilizzanti in genere. Questi infatti devono presentare un certo grado di stabilità biologica: l’impiego di un compost che presenta un elevato consumo di ossigeno dovuto all’elevata attività microbica rappresenterebbe un problema a causa della potenzialità odorigena.

La determinazione dell’ indice di respirazione dinamico è di fondamentale importanza anche per valutare l’ammissibilità dei rifiuti non compostabili in discarica. Infatti, l’ammissibilità in discarica è permessa solo nel caso in cui il valore di IRDP di un rifiuto non superi i 1000 mgO₂ * kg SV^-1 * h^-1, altrimenti è reso necessario un trattamento dello stesso al fine di ridurre il suo grado di biodegradabilità.

L’ indice di respirazione dinamico rappresenta quindi un parametro fondamentale per la corretta gestione dei rifiuti e per l’ottimizzazione del loro trattamento e recupero.