Federico Valentini

Comitato Tecnico Consorzio Italiano Compostatori

f.valentini@gruppocatanzaro.it

Stabilità biologica e maturità del compost

COMPOST PRODUCTION AND USE IN

SUSTAINABLE FARMING SYSTEMS

Bari – 1 ottobre 2014

Compostaggio:

“Processo di bioconversione e

mineralizzazione di tipo ossidativo, termofilo

ed esotermico che avviene in condizioni

controllate e a carico di matrici organiche in

fase solida.

Esso evolve attraverso due fasi (biossidazione

e maturazione) e porta alla formazione di

acqua, anidride carbonica, calore e compost”

Una definizione

IL COMPOST

è un fertilizzante organico con tante qualità:

biologicamente stabilizzato,

ricco di sostanze umiche,

non fitotossico,

variamente dotato di elementi nutritivi,

di elevate qualità fisiche,

igienicamente sicuro,

esente da semi vitali di infestanti

Una peculiarità tutta italiana

I numeri indice del sistema compostaggio nel 2013 (da Rapporto Rifiuti ISPRA 2014)

Impianti di compostaggio operativi in Italia 240

Impianti oltre 1,000 t/a capacità 180

Scarto organico trattato 4,6 ML t

Scarto organico alimentare (umido) differenziato conferito agli impianti di compostaggio

2,4 ML t

Scarto vegetale (verde) differenziato conferito agli impianti di compostaggio

1,4 ML t

Fanghi da depurazione e agroindustriali 0,5 ML t

Altro 0,3 ML t

STABILITÀ BIOLOGICA

Si può definire come quello stato in cui i

processi degradativi a carico della sostanza

organica contenuta in una biomassa si svolgono

a velocità rallentata anche in presenza di

condizioni ottimali (di temperatura, umidità, pH)

e assenza di fattori inibenti (sostanze tossiche o

batteriostatiche).

In termini matematici questo stato corrisponde a

cinetiche di ordine superiore al primo.

LA MISURA DELLA STABILITÀ

Ci dà informazioni su:

efficienza del processo di compostaggio/stabilizzazione

idoneità del prodotto finale ai diversi usi

tendenza a fermentare (biogas e gas di discarica)

potenziale odorigeno durante la produzione e l’impiego

grado di igienizzazione

attitudine alla conservazione e manipolazione

Efficienza del processo un indice di stabilità deve descrivere la dinamica della

degradazione delle frazioni biodegradabili

Idoneità ai diversi usi

Colture in vaso, letti di semina

Giardinaggio

Paesaggistica, aiuole

Frutteti, pascoli, erbai, prati erbosi

Letti caldi, serre

Colture di pieno campo

Maggesi, pacciamature

Fungaie, bioremediation

STA

BIL

ITÀ

Tendenza a fermentare

Binner, 2002

Potenziale odorigeno

Adani, 2006, Fertilitas Agrorum 2 (1)

Stato igienico

ELEVATA STABILITÀ

=

SCARSA TENDENZA ALLA

RICOLONIZZAZIONE

Conservazione e manipolazione

Durante le varie fasi commerciali un

compost instabile può:

generare cattivi odori

essere invaso da muffe

attirare mosche

fermentare

riscaldarsi deteriorando i pellet e le confezioni

provocare rischio incendio

METODI ANALITICI chimici:

variazione di pH, concentrazione delle diverse forme

dell’azoto (ammoniacale, nitrico, ecc.), rapporto C/N, solidi

volatili, carbonio organico, frazioni umiche, DOC, DON,

CSC, …

fisici:

test di autoriscaldamento, spettroscopia IR, spettroscopia

NMR in stato solido, densità ottica, …

biologici:

richiesta di O2, produzione di CO2, attività enzimatiche,

contenuto in ATP, biosaggi su piante e semi, ...

organolettici

QUESTIONE TERMINOLOGICA

• STABILITÀ: – riduzione dell’attività degradativa

• MATURITÀ: – assenza di effetti fitotossici

• GRADO DI EVOLUZIONE: – quantità e qualità della sostanza organica e delle

frazioni umusimili

Variazioni di pH

Ceneri e Carbonio (TOC)

Andamento del contenuto in carbonio totale e

delle ceneri

10

15

20

25

30

35

0 6 29 41 65 77

Età (gg)

%

s.s.

20

25

30

35

40

45

50

55

60

%

s.s. C tot

Ceneri

Rapporto C/N Scarto verde

Scarto verde + umido

Scarto verde + fanghi agroindustriali

Andamento di alcuni indici di evoluzione

della sostanza organica CO = Carbonio Organico (Spinger & Klee)

TEC = Carbonio Totale Estratto (pirofosfato)

HA = Acidi Umici

HF = Acidi Fulvici (PVP)

DH% = Grado di Umificazione =

(HA+FA)/TEC x 100

HR% = Tasso di Umificazione

(HA+FA)/TOC x 100

Umificazione

Spettroscopia IR

Fourier Transform infrared (FTIR) spectra of humic acid (HA) extracted from

municipal solid waste compost samples at six stages of composting from

Chefetz et al. (1998)

Spettroscopia RMN 13C allo stato solido Spaccini, Piccolo 2007

Piro(termo)lisi in TMAH + GC-MS

Test di accrescimento

• Metodi di analisi del compost, IPLA,

DIVAPRA, ARPA, Regione Piemonte, 1998

• Metodi microbiologici di analisi del compost,

APAT, Manuali e linee guida 20/2003

Piante test:

Lepidium sativum

Vicia faba

Lactuca sativa

Test di germinazione

Metodi di analisi del

compost, IPLA,

DIVAPRA, ARPA,

Regione Piemonte,

1998

Test di Germinazione in Lepidum sativum

• estratto acquoso

• diluizione (D.Lgs. 75/2010 = 30%)

• incubazione 24 h

• conta semi

• misurazione radichetta

Ig % = (Gc x Lc / Gt x Lt ) x 100

Zucconi, F., A. Pera, M. Forte, and M. de Bertoldi. 1981b.

Evaluating toxicity of immature compost. Biocycle 22:54–

57.

Test di autoriscaldamento

UNI EN 16087-2:2012

Titolo: Ammendanti e substrati di

coltivazione - Determinazione dell'attività

biologica aerobica - Parte 2: Prova di

auto-riscaldamento per il compost

RESPIROMETRIA

basata sulla misurazione del consumo di O2

(o sulla produzione di CO2)

È UNA MISURA DIRETTA DELL’ATTIVITÀ

DEGRADATIVA (in un processo aerobico)

APPROCCI METODOLOGICI:

stato solido Statico o dinamico?

Adani e Tambone (1998)

tasso di respirazione

ottimale

diffusione dell’ossigeno

come fattore limitante

INDICE DI RESPIRAZIONE

STATICO (IRS)

INDICE DI RESPIRAZIONE

STATICO (IRS) Metodo IPLA (Regione Piemonte, 1998)

∆P

SOLVITA COMPOST MATURITY TEST

INDICE DI RESPIRAZIONE

DINAMICO (IRD)

Metodo DIPROVE

(Adani et al., 2001)

UNI/TS 11184

INDICE DI RESPIRAZIONE

DINAMICO (IRD)

ASTM D5975-96 (2010) mg O2/g VS.4d

APPROCCI METODOLOGICI:

fase acquosa

Specific Oxygen Uptake Rate (SOUR) (Lasaridi & Stentiford, 1998)

DO meters Interface (A/D)

& controller

Water bath, 30 oC

O2 probe

Compost suspension

Fish tank pumps

Specific Oxygen Uptake Rate

0

5

10

15

20

0 10 20 30 40 50

Time (hours)

mg

O2/ g

VS

/ h

r

SOUR

OD20

Un'applicazione: ottimizzazione del processo

Limiti Allegato 2 - D.lgs. 75/2010 s.m.i. – ACM e ACV

Umidità <50%

pH 6-8,8 / 6-8,5 per ACV

Azoto Organico ss > 80% di N tot.

Carbonio Organico ≥20% d.m.

C/N <25

Carbonio umico e fulvico ≥7 / 2,5 per ACV

Salinità da dichiarare

Cu 230 p.p.m d.m.

Zn 500 p.p.m d.m.

Pb 140 p.p.m d.m.

Cd 1,5 p.p.m d.m.

Ni 100 p.p.m d.m.

Hg 1,5 p.p.m d.m.

Cr VI 0,5 p.p.m d.m.

Mat. plastico, vetro e metalli (Ø 2 mm) 0, 5 % d.m.

Inerti (pietre, litoidi) (Ø 5 mm) < 5% d.m.

Salmonelle absent in 25 g f.m.

Escherichia Coli 1 × 103 UFC per g

Indice di Germinazione >60%

End of Waste - Caratteristiche del prodotto

38

Parametri Limite

EoW

Limite

75/10

Note

C organique% m.s.

≥15 >20 Dopo il compostaggio e la digestione

anaerobica e prima della miscela

con altri materiali

Cd (ppm s.s.) 1.5 1,5 =

Cr (ppm s.s.) 100 n.p. In Italia 0,5 ppm s.s. CrVI

Cu (ppm s.s.) 200 230 - 30 ppm

Hg (ppm s.s.) 1 1,5 -0,5 ppm

Ni (ppm s.s.) 50 100 - 50 ppm

Pb (ppm s.s.) 120 140 -20 ppm

Zn (ppm s.s.) 600 500 + 100 ppm

PAH16* (ppm s.s.) 6 n.p.

End of Waste - Caratteristiche del prodotto

39

Parametri Limite

EoW

Limite 75/10 Note

Salmonella spp.

(n. in 25g)

Absent Assente =

E.Coli (CFU/g s.f.)

1.000 1000 =

Semi vitali di

malerbe (n/l)

2 n.p. n.p. in Italia

Impurità (vetri,

plastiche, metalli)

(% s.s.)

0.5 0,5 =

Pietre e sassi

(% s.s.)

n.p. 5 n.p.in EU

End of Waste - Caratteristiche del prodotto

40

Parametri Limiti Note

Stabilità Compost *

≤15 mmol O2/kg O.M./h

or

16 mg CO2/g O.M./day

or

Minimum Rottegrad IV or V

EN 16087-1 (for respirometric

index) o EN 16087-2

(Rottegrad).

Stabilità Digestato*

≤50 mmol O2/kg O.M./h,

or

organic acids ≤ 1.500 mg/l

or

Residual biogas potential ≤ 0,25 L/ g

V.S.

EN 16087-1 (respirometric

index) per le metodiche per

acidi organici e residual

biogas potential

presumibilmente vanno usati i metodi UK

*If a Member State already has an official method in place that differs from the two methods above, together with an associated limit value, the Member State competent authorities may complement or replace the two methods described above with its existing method and associated limit value as an eligible alternative.

OUR - oxygen uptake rate

41

UNI EN 16087-1:2012

Titolo: Ammendanti e substrati di coltivazione - Determinazione dell'attività biologica aerobica - Parte 1: Tasso di assorbimento

dell'ossigeno (OUR)

Data entrata in vigore: 12 gennaio 2012

UNO STUDIO COMPARATIVO

18 Campioni

3 Trattamento Meccanico Biologico (BT)

inizio (BTb), metà (BTm) e fine (BTe) processo

totale = 9 campioni

3 Trattamento di bioessiccazione (BS)

inizio (BSb) e fine (BSe) processo

campioni id vagliato (ST) Ø < 2 cm

totale = 9 campioni

Respiration Index determination: a comparative study

Adani, F., Gigliotti G., Valentini F., and Laraia R., (2003)

Campioni MBT– processo 1

0

500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

3.500

4.000

4.500

BT-1-b BT-1-m BT-1-e

DR

I -

SR

I (m

g O

2 /

kg

VS

/ h

)

0

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

12.000

14.000

16.000

18.000

SO

UR

(m

g O

2 /

kg

VS

/ h

)

DRI

SRI

SOUR

Campioni MBT– processo 2

0

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

BT-2-b BT-2-m BT-2-e

DR

I -

SR

I (m

g O

2 /

kg

VS

/ h

)

0

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

12.000

14.000

16.000

SO

UR

(m

g O

2 /

kg

VS

/ h

)

DRI

SRI

SOUR

Campioni BS– processo 1

0

200

400

600

800

1.000

1.200

1.400

1.600

1.800

2.000

BS-1-b BS-1-e

0

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

DRI

SRI

SOUR

Campioni BS – processo 2

0

200

400

600

800

1.000

1.200

1.400

1.600

1.800

2.000

BS-2-b BS-2-e

0

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

DRI

SRI

SOUR

Correlazioni (tutti i dati)

DRI SRI SOUR

DOC DOC

h. philic h. phobic

DRI 1

SRI 0.78* 1

SOUR 0.70* 0.55* 1

DOC h. phylic 0.46 0.23 0.69* 1

DOC h. phobic 0.05 0.31 0.16 0.40 1

Conclusioni (questo e altri studi)

gli indici di respirazione descrivono bene la dinamica del processo di compostaggio

l’IRS sottostima la richiesta di ossigeno specialmente in materiali instabili

il SOUR sembra risentire della presenza di frazioni solubili della sostanza organica ma l’argomento merita maggiori approfondimenti

Confrontabilità fra metodi

INDICI UNITA' DI matrice compost compost compost compost

MISURA compostabile fresco fresco maturo maturo

ROTTEGRAD (D, BGK 1998) scala I-V I II III IV V

I.R.S. (D, BGK 1998) mg O2 kg SV-1

.4d > 40000 28000-40000 16000-28000 6000-16000 < 6000

SELF HEATING TEST (D, 1995) t°C max > 60 50-60 40-50 30-40 20-30

I.R.D. (U.S.A., ASTM 1996)* mg O2 kg SV-1

. 4d n.d. 258000 109000 8000-35000 n.d.

I.R.D. (Italia, Reg. Lomb. 1999) mg O2 kg SV-1

h-1 / < 1000 < 500

I.R.S. (Italia, Reg. Lomb. 1999) mg O2 kg SV-1

h-1 / < 600 < 300

I.R.S. (Italia, UNI 1998)* mg O2 kg SV-1

h-1 / 400 - 600 200-400 < 200

I.R.S.= Indice respirazione Statico

I.R.D.= Indice respirazione Dinamico

* dati rilevati in bibliografia

Confrontabilità fra metodi

Sánchez-Monedero, Urpilainen, Cabañas-Vargas, Kamilaki and Stentiford, Assessing the stability

and maturity of compost at large-scale

Plants, XXVIII Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental

Cancún, México, 2002

Considerazioni generali

• La determinazione della stabilità di un compost di qualità dà utili indicazioni agli utilizzatori sugli impieghi ottimali del prodotto

• è auspicabile l’adozione volontaria da parte dei produttori un sistema di classificazione dei prodotti compostati in base alla stabilità determinata con metodi respirometrici

GRAZIE!