Studio del comportamento bio-meccanico dei rifiuti solidi urbani (RSU) e modellazione dei cedimenti secondari

Uno degli aspetti strategici dello sviluppo dei grandi agglomerati urbani è senza dubbio la gestione dei rifiuti solidi. Per far fronte alle necessità di smaltimento si possono seguire due strategie: quella dell’incenerimento e quella dello stoccaggio in discarica, con o senza pre-trattamento. Quest’ultima soluzione, molto praticata in Italia, richiede delle attente valutazioni di carattere ambientale, sanitario e geotecnico, al fine di garantire la fruibilità del servizio in sicurezza, durante il tempo di gestione che ordinariamente supera i decenni. L’attività di ricerca s’inserisce nell’ambito della modellazione teorica della compressibilità secondaria bio-meccanica dei Rifiuti Solidi Urbani (RSU), attraverso test di laboratorio e riscontri con opere in vera grandezza. La ricerca, sviluppata nel corso del triennio 2010-2012, riveste un certo interesse pratico ove si consideri che l’inesatta valutazione dei cedimenti dei rifiuti possa comportare un’imprecisa stima della capacità di accumulo dell’impianto, nonché difficoltà di funzionamento delle opere accessorie a causa dei cedimenti totali e differenziali. Quest’ultimi derivano dalla sovrapposizione delle componenti: immediata, primaria e secondaria, differenti per intensità e decorso. Il cedimento immediato si produce ogni qualvolta si applichi un carico al di sopra di uno strato di rifiuto, durante lo stoccaggio; il cedimento primario è legato alla compressibilità differita nel tempo dello scheletro solido, a causa dell’instaurarsi di moti di fluido, sia liquido che gassoso, all’interno dei vuoti. Il cedimento secondario, o di lungo termine, oggetto della presente Tesi di Dottorato, è prodotto dalla compressione dello scheletro solido sotto tensioni effettive costanti. Il ben noto fenomeno di creep si accoppia, negli RSU, a fenomeni di degradazione biologica, derivanti dalla trasformazione della sostanza organica in percolato e biogas. Scopo della ricerca è stato quello di calibrare un modello bio-meccanico disaccoppiato di tipo monodimensionale per la valutazione delle deformazioni da cedimento e del loro decorso nel tempo, partendo dai parametri biologici e meccanici del rifiuto urbano. L’analisi dei parametri bio-meccanici del rifiuto, costituente la parte preliminare della ricerca, si fonda, oltre che su dati provenienti dalla letteratura specialistica, sui risultati di esperienze con reattori biologici presso i laboratori delle Università di Padova e di Grenoble, utilizzando materiale tal quale (a Padova) o pretrattato (a Grenoble). Una volta calibrati i parametri del modello bio-meccanico è stato possibile quantificare le variazioni di volume riconducibili alle due distinte componenti, di creep e biologica, presenti simultaneamente ma attivatesi con tempi diversi, in ragione dell’incidenza della componente organica e delle condizioni di degradazione biologica (anaerobica e/o aerobica). Completa lo studio il riscontro con i dati provenienti da opere in vera grandezza, ricavati sia dalla letteratura specialistica che da indagini in situ su discariche esistenti. Modalità di indagine 1. Attività introduttive Nella fase iniziale del lavoro viene presentata una rassegna sulla gestione dei rifiuti solidi urbani (RSU) a livello mondiale, europeo e nazionale. Queste strategie riguardano l’incenerimento, l’attività di selezione(raccolta differenziata) e riciclo del materiale, la riduzione dell’attività biologica del materiale tramite degradazione aerobica e/o anaerobica, e lo stoccaggio in discarica. Particolare evidenza è data ai metodi di pretrattamento meccanico e biologico, in grado di limitarne le emissioni inquinanti e di ridurre i volumi conferiti attraverso la preventiva stabilizzazione della sostanza organica (discarica bioreattore, landfill mining, aerazione in situ). 2. Stato delle conoscenze sulla meccanica degli RSU Nella seconda parte della ricerca si è tracciato il quadro delle conoscenze riguardo alle proprietà chimiche, fisiche, idrauliche e meccaniche del mezzo poroso eterogeneo, qual è il rifiuto solido urbano. 3. Elaborazione di un modello bio-meccanico per la compressibilità secondaria degli RSU Nella terza fase dello studio si è resa necessaria una valutazione delle principali caratteristiche del rifiuto e delle possibili trasformazioni che esso può sperimentare nel tempo. In particolare, sono stati esaminati i seguenti aspetti: composizione merceologica, granulometria, densità, contenuto d’acqua, grado di compattazione e rappresentatività statistica. Con riferimento ai parametri chimici, sono state prese in esame le caratteristiche di biodegradazione in relazione all’incidenza della sostanza organica ed al tipo di processo, aerobico e anaerobico. In tale ambito sono state esaminate le produzioni di percolato e di biogas, la temperatura, il contenuto d’acqua gravimetrico ed il livello di tensione coinvolto. Si è proceduto, quindi, alla caratterizzazione dei parametri meccanici che incidono sullo sviluppo dei cedimenti secondari. I modelli di previsione dei cedimenti, attualmente presenti nella letteratura tecnica, possono essere classificati secondo differenti criteri, in relazione alle ipotesi su cui si fondano: modelli derivanti dalle leggi della meccanica delle terre (Sowers, 1973; Bjarngard ed Edgers, 1990), modelli di tipo reologico (Gibson e Lo, 1961), modelli empirici (Yen e Scanlon, 1975; Edil et al., 1990; Ling et al., 1998), modelli incorporanti la biodegradazione (Marques et al., 2003; Hettiarachchi et al., 2009) e modelli di tipo costitutivo (Machado et al., 2008; Sivakumar Babu et al., 2010). Il modello sviluppato nella ricerca considera le due distinte componenti, di creep e biologica, presenti simultaneamente ma attivatesi con tempi diversi, in ragione dell’incidenza della componente organica e delle condizioni di degradazione biologica (anaerobica e/o aerobica). I parametri del modello sono stati calibrati sulla base dei risultati di un’indagine sperimentale condotta in laboratorio con reattori di medie dimensioni ed osservazioni in sito relative ad opere in vera grandezza. 4. Analisi di laboratorio e ricerca sperimentale Per ottenere una gamma completa di dati rappresentativi, sono state condotte delle ricerche sperimentali sul comportamento di due tipi di rifiuto soggetti a compressione, utilizzando, in parallelo, due serie di indagini di laboratorio. La sperimentazione, che costituisce la quarta fase della ricerca, è stata condotta presso il laboratorio di Ingegneria Sanitaria Ambientale dell’Università di Padova (Dipartimento ICEA) e presso il laboratorio LTHE (Laboratoire d’étude des Transferts en Hydrologie et Environnement) dell’Università di Grenoble (Francia). Le prove all’Università francese sono state condotte sotto la guida del Professor Jean-Pierre Gourc, durante un periodo di stage di cinque mesi (maggio–ottobre 2012). Il materiale utilizzato è un rifiuto solido urbano proveniente dall’impianto di Legnago (VR), ottenuto sia da rifiuti tal quali, sia da un pretrattamento bio-meccanico. L’RSU originario (tal quale), è stato sottoposto a prove di compressione su un reattore presente all’Università di Padova, per un periodo di 180 giorni, ricevendo, settimanalmente, una determinata quantità entrante di percolato, al fine di migliorarne le condizioni di degradabilità. Parallelamente, l’RSU pretrattato bio-meccanicamente è stato sottoposto a prove di compressione su un reattore presente all’Università di Grenoble, per un periodo di 77 giorni, senza alcuna iniezione di liquido. Tale sperimentazione ha consentito di mettere in luce la dipendenza dei parametri bio-meccanici in funzione dello stato iniziale del rifiuto. 5. Estensione del modello alle opere in vera grandezza Nell’ultima fase della ricerca, sono stati esaminati i riscontri provenienti dal monitoraggio di opere in vera grandezza. Partendo dai dati sperimentali, su piccola e media scala, ottenuti dai reattori di laboratorio, si è proceduto al calcolo delle deformazioni da cedimento di opere in vera grandezza. Il comportamento della singola cella elementare è stato generalizzato ad una serie di celle verticali, in grado di simulare il comportamento di una colonna di rifiuti all’interno della discarica. A tal fine si sono confrontati i risultati con i dati di monitoraggio provenienti dalle discariche di Chatuzange in Francia e di Yolo County e S-Landfill negli USA, ottenendo risultati molto incoraggianti. Il principale prodotto della ricerca si può sintetizzare nei seguenti aspetti: * Si evidenzia la necessità della taratura del modello bio-meccanico proposto per la valutazione delle deformazioni secondarie da cedimento, considerando le due distinte componenti, di creep e biologica. Il modello è stato tarato sulla base dei dati provenienti dalla letteratura specialistica, nonché attraverso prove di laboratorio presso le Università di Padova e Grenoble. Ulteriori conferme sono state desunte dallo studio dei cedimenti di tre impianti di stoccaggio degli RSU. Il beneficio di una corretta taratura si osserva su intervalli di tempo molto ampi, come dimostrato dai riscontri con opere in vera grandezza. * I modelli che includono la componente di degradazione biologica si rivelano efficienti solo se in grado di considerare e di quantificare la componente di cedimento dovuta alla produzione di biogas nei processi anaerobici, circostanza questa molto influente nei grandi cumuli urbani di RSU. * Un modesto pretrattamento aerobico, anticipando i tempi di biodegradazione della sostanza organica, consente di limitare i cedimenti e di abbreviare i tempi di stoccaggio in discarica