La gerarchia da tempo riconosciuta della gestione dei rifiuti, in ordine di preferenza consiste in prevenzione, minimizzazione, riciclaggio e riutilizzo, trattamento biologico, incenerimento, e smaltimento in discarica (vedi figura seguente).

Gerarchia della gestione dei rifiuti La figura mostra la gerarchia della gestione dei rifiuti in ordine di preferenza, partendo dalla prevenzione come la più favorevole allo smaltimento come opzione meno favorevole. Fonte: Drstuey via Wikimedia Commons

Prevenzione dei rifiuti

L’alternativa ideale per la gestione dei rifiuti è quella di prevenire la produzione di rifiuti. Quindi, la prevenzione dei rifiuti è un obiettivo fondamentale di tutte le strategie di gestione dei rifiuti. Numerose tecnologie possono essere impiegate durante la produzione, l’uso o le porzioni post-utilizzo dei cicli di vita dei prodotti per eliminare i rifiuti e, a loro volta, ridurre o prevenire l’inquinamento. Alcune strategie rappresentative includono metodi di produzione attenti all’ambiente che incorporano materiali meno pericolosi o nocivi, l’uso di moderni sistemi di rilevamento delle perdite per lo stoccaggio dei materiali, tecniche innovative di neutralizzazione chimica per ridurre la reattività, o tecnologie di risparmio idrico che riducono la necessità di input di acqua fresca.

Minimizzazione dei rifiuti

In molti casi, i rifiuti non possono essere eliminati completamente da una varietà di processi. Tuttavia, numerose strategie possono essere implementate per ridurre o minimizzare la produzione di rifiuti. La minimizzazione dei rifiuti, o riduzione alla fonte, si riferisce alle strategie collettive di progettazione e fabbricazione di prodotti o servizi che minimizzano la quantità di rifiuti generati e/o riducono la tossicità dei rifiuti risultanti. Spesso questi sforzi nascono da tendenze identificate o da prodotti specifici che possono causare problemi nel flusso dei rifiuti e dai successivi passi intrapresi per fermare questi problemi. Nell’industria, i rifiuti possono essere ridotti riutilizzando i materiali, usando materiali sostitutivi meno pericolosi, o modificando i componenti della progettazione e della lavorazione. Molti benefici possono essere realizzati attraverso la minimizzazione dei rifiuti o la riduzione alla fonte, compreso l’uso ridotto di risorse naturali e la riduzione della tossicità dei rifiuti.

Le strategie di minimizzazione dei rifiuti sono estremamente comuni nelle applicazioni di produzione; il risparmio nell’uso dei materiali preserva le risorse ma risparmia anche costi significativi legati alla produzione. I progressi nell’imballaggio snello riducono l’uso di materiale, una maggiore efficienza di distribuzione riduce il consumo di carburante e le conseguenti emissioni nell’aria. Inoltre, i materiali da costruzione ingegnerizzati possono spesso essere progettati con specifiche proprietà favorevoli che, se considerate nella progettazione strutturale complessiva, possono ridurre notevolmente la massa complessiva e il peso del materiale necessario per una data struttura. Questo riduce la necessità di materiale in eccesso e riduce i rifiuti associati alla fabbricazione dei componenti.

L’industria del lavaggio a secco fornisce un eccellente esempio di sostituzione del prodotto per ridurre la produzione di rifiuti tossici. Per decenni, le lavanderie a secco hanno usato il tetracloroetilene, o “perc”, come solvente per il lavaggio a secco. Anche se efficace, il tetracloroetilene è un composto relativamente tossico. Inoltre, è facilmente introdotto nell’ambiente, dove è altamente recalcitrante a causa delle sue proprietà fisiche. Inoltre, quando avviene la sua degradazione, i prodotti figli intermedi generati sono più tossici per la salute umana e l’ambiente.

A causa della sua tossicità e dell’impatto sull’ambiente, l’industria del lavaggio a secco ha adottato nuove pratiche e utilizza sempre più prodotti di sostituzione meno tossici, compresi i composti a base di petrolio. Inoltre, nuove tecnologie emergenti stanno incorporando anidride carbonica e altri composti relativamente innocui. Mentre questi prodotti sostitutivi sono stati in molti casi imposti da regolamenti governativi, sono stati anche adottati in risposta alle richieste dei consumatori e ad altre forze di mercato.

Riciclaggio e riutilizzo

Il riciclaggio si riferisce al recupero di materiali utili come vetro, carta, plastica, legno e metalli dal flusso dei rifiuti in modo che possano essere incorporati nella fabbricazione di nuovi prodotti. Con una maggiore incorporazione di materiali riciclati, si riduce l’uso richiesto di materie prime per applicazioni identiche. Il riciclaggio riduce la necessità di sfruttamento delle risorse naturali per le materie prime, ma permette anche ai materiali di scarto di essere recuperati e utilizzati come risorse preziose. Il riciclaggio dei rifiuti conserva direttamente le risorse naturali, riduce il consumo di energia e le emissioni generate dall’estrazione di materiali vergini e dalla loro successiva fabbricazione in prodotti finiti, riduce il consumo globale di energia e le emissioni di gas serra che contribuiscono al cambiamento climatico globale, e riduce l’incenerimento o la messa in discarica dei materiali che sono stati riciclati. Inoltre, il riciclaggio crea diversi benefici economici, compreso il potenziale per creare mercati del lavoro e guidare la crescita.

I materiali riciclati più comuni includono carta, plastica, vetro, alluminio, acciaio e legno. Inoltre, molti materiali da costruzione possono essere riutilizzati, tra cui cemento, materiali di asfalto, muratura e acciaio di rinforzo. Gli scarti vegetali “verdi” sono spesso recuperati e immediatamente riutilizzati per applicazioni di pacciame o fertilizzanti. Molte industrie recuperano anche vari sottoprodotti e/o raffinano e “rigenerano” solventi da riutilizzare. Gli esempi includono il recupero di rame e nichel dai processi di finitura dei metalli; il recupero di oli, grassi e plastificanti tramite estrazione con solventi da mezzi di filtraggio come il carbone attivo e le argille; e il recupero degli acidi tramite torrefazione a spruzzo, scambio ionico o cristallizzazione. Inoltre, una serie di oli alimentari usati vengono recuperati e utilizzati in applicazioni “biodiesel”.

Ogni giorno si incontrano numerosi esempi di sforzi di riciclaggio e riutilizzo di successo. In alcuni casi, i materiali riciclati sono usati come materiali di input e sono pesantemente trasformati in prodotti finali. Esempi comuni includono l’uso di carta da macero per la produzione di nuova carta, o la trasformazione di vecchie lattine di alluminio in nuovi prodotti di alluminio. In altri casi, i materiali riciclati sono sottoposti a poca o nessuna lavorazione prima del loro riutilizzo.

Alcuni esempi comuni includono l’uso di scarti di alberi come trucioli di legno, o l’uso di mattoni e altri infissi in nuove costruzioni strutturali. In ogni caso, il successo del riciclaggio dipende dall’efficace raccolta e trattamento dei materiali riciclabili, dai mercati per il riutilizzo (ad esempio, produzione e/o applicazioni che utilizzano materiali riciclati) e dall’accettazione e promozione pubblica dei prodotti riciclati e delle applicazioni che utilizzano materiali riciclati.

Trattamento biologico

Lo smaltimento in discarica di rifiuti contenenti frazioni organiche significative è sempre più scoraggiato in molti paesi, compresi gli Stati Uniti. Tali pratiche di smaltimento sono addirittura proibite in diversi paesi europei. Poiché lo smaltimento in discarica non rappresenta un’opzione di gestione attraente, sono state identificate altre tecniche. Un’opzione è quella di trattare i rifiuti in modo che i materiali biodegradabili vengano degradati e la frazione di rifiuti inorganici rimanente (nota come residui) possa essere successivamente smaltita o utilizzata per uno scopo benefico.

La biodegradazione dei rifiuti può essere realizzata utilizzando metodi di compostaggio aerobico, digestione anaerobica o trattamento meccanico biologico (MBT). Se la frazione organica può essere separata dal materiale inorganico, il compostaggio aerobico o la digestione anaerobica possono essere utilizzati per degradare i rifiuti e convertirli in compost utilizzabile. Per esempio, i rifiuti organici come i rifiuti alimentari, i rifiuti del cortile e il letame animale che consistono di batteri che degradano naturalmente possono essere convertiti in condizioni controllate in compost, che può poi essere utilizzato come fertilizzante naturale. Il compostaggio aerobico si realizza mettendo proporzioni selezionate di rifiuti organici in mucchi, file o recipienti, in condizioni aperte o all’interno di edifici chiusi dotati di sistemi di raccolta e trattamento dei gas. Durante il processo, al materiale di scarto vengono aggiunti agenti di carica come i trucioli di legno per migliorare la degradazione aerobica dei materiali organici. Infine, il materiale viene lasciato stabilizzare e maturare durante un processo di indurimento in cui gli agenti patogeni vengono simultaneamente distrutti. I prodotti finali del processo di compostaggio includono l’anidride carbonica, l’acqua e il materiale utilizzabile per il compostaggio.

Il materiale di compostaggio può essere usato in una varietà di applicazioni. Oltre al suo uso come ammendante del suolo per la coltivazione delle piante, il compost può essere usato per bonificare i terreni, le acque sotterranee e le acque piovane. Il compostaggio può essere laborioso e la qualità del compost dipende fortemente dal controllo adeguato del processo di compostaggio. Un controllo inadeguato delle condizioni operative può portare a un compost inadatto alle applicazioni benefiche. Ciononostante, il compostaggio sta diventando sempre più popolare; il compostaggio ha deviato 82 milioni di tonnellate di materiale di scarto dal flusso dei rifiuti in discarica nel 2009, in aumento rispetto ai 15 milioni di tonnellate del 1980. Questa diversione ha anche impedito il rilascio di circa 178 milioni di tonnellate di anidride carbonica nel 2009 – una quantità equivalente alle emissioni annuali di anidride carbonica di 33 milioni di automobili.

In alcuni casi, i processi aerobici non sono fattibili. In alternativa, possono essere utilizzati processi anaerobici. La digestione anaerobica consiste nella degradazione di rifiuti organici misti o selezionati in recipienti in condizioni anaerobiche. Il processo di degradazione anaerobica produce una combinazione di metano e anidride carbonica (biogas) e residui (biosolidi). Il biogas può essere usato per il riscaldamento e la produzione di elettricità, mentre i residui possono essere usati come fertilizzanti e modifiche del suolo. La digestione anaerobica è una degradazione preferita per i rifiuti umidi rispetto alla preferenza del compostaggio per i rifiuti secchi. Il vantaggio della digestione anaerobica è la raccolta di biogas; questa raccolta e il successivo utilizzo benefico la rende un’alternativa preferita allo smaltimento dei rifiuti in discarica. Inoltre, i rifiuti vengono degradati più velocemente attraverso la digestione anaerobica rispetto allo smaltimento in discarica.

Un’altra alternativa di trattamento dei rifiuti, il trattamento meccanico biologico (MBT), non è comune negli Stati Uniti. Tuttavia, questa alternativa è ampiamente utilizzata in Europa. Durante l’implementazione di questo metodo, il materiale di scarto è sottoposto a una combinazione di operazioni meccaniche e biologiche che riducono il volume attraverso la degradazione delle frazioni organiche nei rifiuti. Le operazioni meccaniche come la selezione, la triturazione e la frantumazione preparano i rifiuti per il successivo trattamento biologico, che consiste nel compostaggio aerobico o nella digestione anaerobica. Dopo i processi biologici, la massa di rifiuti ridotta può essere sottoposta a incenerimento.

Incenerimento

La degradazione dei rifiuti non solo produce utili prodotti finali solidi (come il compost), i sottoprodotti della degradazione possono anche essere utilizzati come fonte di energia benefica. Come discusso sopra, la digestione anaerobica dei rifiuti può generare biogas, che può essere catturato e incorporato nella generazione di elettricità. In alternativa, i rifiuti possono essere direttamente inceneriti per produrre energia. L’incenerimento consiste nella combustione dei rifiuti a temperature molto alte per produrre energia elettrica. Il sottoprodotto dell’incenerimento è la cenere, che richiede un’adeguata caratterizzazione prima dello smaltimento o, in alcuni casi, un benefico riutilizzo. È ampiamente utilizzato nei paesi sviluppati a causa dei limiti di spazio delle discariche. Si stima che circa 130 milioni di tonnellate di rifiuti siano bruciati ogni anno in più di 600 impianti in 35 paesi. Inoltre, l’incenerimento è spesso usato per mitigare efficacemente i rifiuti pericolosi come idrocarburi clorurati, oli, solventi, rifiuti medici e pesticidi.

Nonostante i vantaggi, l’incenerimento è spesso visto negativamente a causa degli alti costi di costruzione iniziali e delle emissioni di ceneri, che sono tossiche (vedi tabella sopra). Attualmente, molti sistemi di “prossima generazione” sono in fase di ricerca e sviluppo, e l’USEPA sta sviluppando nuovi regolamenti per monitorare attentamente le emissioni atmosferiche degli inceneritori sotto il Clean Air Act.

Smaltimento in discarica

Nonostante i progressi nel riutilizzo e nel riciclaggio, lo smaltimento in discarica rimane il principale metodo di smaltimento dei rifiuti negli Stati Uniti. Come menzionato in precedenza, il tasso di produzione dei rifiuti solidi urbani continua ad aumentare, ma la capacità complessiva delle discariche sta diminuendo. I nuovi regolamenti riguardanti il corretto smaltimento dei rifiuti e l’uso di sistemi innovativi di rivestimento per minimizzare il potenziale di contaminazione delle acque sotterranee da infiltrazioni e migrazioni di percolato hanno portato a un aumento sostanziale dei costi di smaltimento delle discariche. Inoltre, l’opposizione pubblica alle discariche continua a crescere, in parte ispirata dai ricordi delle pratiche storiche di dumping incontrollato e dai conseguenti effetti collaterali indesiderati di vettori incontrollati, acque sotterranee contaminate, odori non mitigati e conseguente diminuzione dei valori delle proprietà.

Figura 1: Discarica moderna

Le discariche possono essere progettate e autorizzate per accettare rifiuti pericolosi in accordo con i regolamenti RCRA Subtitle C, o possono essere progettate e autorizzate per accettare rifiuti solidi urbani in accordo con i regolamenti RCRA Subtitle D. Indipendentemente dalla loro designazione di rifiuti, le discariche sono strutture ingegnerizzate che consistono in sistemi di rivestimento inferiori e laterali, sistemi di raccolta e rimozione del percolato, sistemi di copertura finale, sistemi di raccolta e rimozione del gas e sistemi di monitoraggio delle acque sotterranee. Per l’ubicazione, la progettazione e il funzionamento delle discariche è necessario un ampio processo di autorizzazione. Il monitoraggio post-chiusura delle discariche è anche tipicamente richiesto per almeno 30 anni. A causa della loro progettazione, i rifiuti all’interno delle discariche sono degradati anaerobicamente. Durante la degradazione, il biogas viene prodotto e raccolto. I sistemi di raccolta impediscono la migrazione incontrollata del gas nel sottosuolo e riducono il potenziale di una condizione esplosiva. Il gas catturato è spesso usato in impianti di cogenerazione per il riscaldamento o la generazione di elettricità. Inoltre, alla chiusura, molte discariche sono sottoposte a “riciclaggio del terreno” e riqualificate come campi da golf, parchi ricreativi e altri usi benefici.

I rifiuti si trovano comunemente in una condizione secca all’interno delle discariche, e come risultato, il tasso di degradazione dei rifiuti è comunemente molto lento. Questi lenti tassi di degradazione sono accoppiati a lenti tassi di assestamento indotti dalla degradazione, che possono a loro volta complicare o ridurre il potenziale per un benefico riutilizzo del terreno in superficie. Recentemente, è emerso il concetto di discariche a bioreattore, che comporta il ricircolo del percolato e/o l’iniezione di liquidi selezionati per aumentare l’umidità nei rifiuti, che a sua volta induce una rapida degradazione. L’aumento del tasso di degradazione aumenta il tasso di produzione di biogas, che aumenta il potenziale di produzione di energia benefica dalla cattura e dall’utilizzo del biogas.