Il trattamento dei rifiuti urbani è un problema sempre più importante. Esso riguarda tutti i Paesi, in specie quelli più industrializzati e più urbanizzati.
Due sono i modi di eliminazione più utilizzati: la posa in discarica e l'incenerimento.
La posa in discarica è il sistema di eliminazione più semplice e più pratico, ma presenta dei pericoli sia per le falde freatiche che per l'atmosfera a causa delle sostanze putrefacibili che producono biogas e favoriscono l'effetto serra.
Sforzi importanti sono oggi in atto per selezionare e riciclare quel che pul essere valorizzato dei rifiuti urbani: il vetro, i metalli, la carta, le materie plastiche e persino le sostanze fermentabili. Questi sforzi dovranno nei prossimi anni contribuire a stabilizzare la produzione dei rifiuti che aumenta attualmente dell'1-2% all'anno (Gaz d'aujourd d'hui (1995), 5, 241-246). In pratica la valorizzazione della selezione preliminare dovrebbe permettere di ridurre del 25% la quantità dei rifiuti da incenerire. Purtroppo la selezione è un'operazione costosa e non tutto il "selezionato" è riciclabile. Per questo motivo e per l'orientamento legislativo di tutti i Paesi industrializzati l'incenerimento dei rifiuti urbani, nel prossimo decennio, aumenterà enormemente per impedire disagi e pericoli per l'ambiente.
In effetti, l'incenerimento è un sistema di eliminazione particolarmente efficace che permette di ridurre più del 90% in volume (70% in peso) i rifiuti urbani. D'altra parte, l'incenerimento permette di valorizzare il potere calorifico dei rifiuti per produrre energia (vapore, elettricità). Tuttavia, un incenerimento attuato senza nessuna precauzione particolare può risultare egualmente dannoso per l'ambiente, sia per gli inquinanti presenti nei fumi, sia per i residui secondari che esso produce (scorie, ceneri volatili, residui della depurazione dei fumi emessi). L'uso del gas naturale come combustibile di supporto può contribuire a ottimizzare la resa energetica dei rifiuti.
La produzione giornaliera dei rifiuti domestici per abitante varia considerevolmente da un Paese all'altro. A titolo di esempio, essa è di 2-3 kg/giorno/abitante nelle grandi metropoli americane, di 1-1,5 kg/giorno/abitante nelle grandi città europee e di circa 0,7 kg/giorno/abitante nelle grandi città dei Paesi in via di sviluppo. La composizione di questi rifiuti è funzione dei sistemi di vita e delle stagioni. Essi sono costituiti di materiale organico e minerale. E' necessario pertanto ricorrere all'ossidazione termica per eliminare completamente i composti organici e per verificare i minerali, se si vogliono rendere inerti queste sostanze.
Nei Paesi industrializzati il potere calorifico dei rifiuti urbani, principalmente dovuto agli imballaggi, è nell'ordine di 8,5 MJ/kg. In particolare può anche superare i 100 MJ/kg se i rifiuti domestici sono miscelati con rifiuti industriali, come viene fatto, ad esempio, nell'inceneritore di Malmö in Svezia.
L'incenerimento di una tonnellata di rifiuti produce abitualmente da 5000 a 6000 m³ di fumi, da 250 a 300 kg di scorie e da 25 a 40 kg di ceneri volanti o di residui a seconda del tipo di trattamento dei fumi. Da un punto di vista energetico una tonnellata (potere calorifico 9000 MJ) può produrre 6600 MJ di vapore. Questo vapore può essere utilizzato per alimentare una rete di calore e fornire energia elettrica (ca. 1600 MJ).
Gli inceneritori non richiedono alcun combustibile di supporto poiché, in genere, i rifiuti urbani permettono una combustione autosostenuta.
Norme nazionali e, più di recente, le norme europee impongono la presenza di bruciatori "d'appoggio" per mantenere i fumi a una temperatura superiore a 850 °C, allo scopo di impedire la formazione di diossine e furani e di ridurre le emissioni di incombusti. Queste condizioni sono in genere assicurate dagli inceneritori moderni. I combustori supplettivi vengono utilizzati solo durante le fasi di avviamento e di spegnimento dei forni, quando i fumi non raggiungono le temperature e i tempi di residenza necessari. La potenza totale dei bruciatori di supporto varia a seconda del tipo di struttura in cui devono essere installati. Lo scarso uso per il quale sono impiegati può però essere un ostacolo per l'utilizzo del gas naturale, specie per ragioni economiche.
Le critiche espresse nei confronti degli inceneritori, come fonte d'inquinamento, sono sempre meno fondate. I forni più recenti sono equipaggiati con un trattamento dei fumi particolarmente efficace. La regolamentazione europea dell'8 e del 21 giugno 1989 ha posto tutti i Paesi, anche quelli che non le avevano, nelle condizioni di darsi norme molto restrittive in materia. La depurazione dei fumi più efficace è quella detta a "umido" che schematicamente comprende un elettrofiltro (depolverizzatore) e un sistema di lavaggio dei fumi.
Nondimeno, questo sistema produce residui secondari come le ceneri volanti, bloccate dagli elettrofiltri, che hanno la particolarità di essere parzialmente ricche di inquinanti e di essere molto solubili. Una posa in discarica senza le dovute precauzioni di questi residui è suscettibile di provocare un trasferimento di inquinamento per dissoluzione dei metalli pesanti che possono in seguito essere ritrovati nelle falde freatiche. Per porre rimedio a questo pericolo potenziale è possibile inertizzare le ceneri volanti attraverso processi termici di vetrificazione. Questi processi consistono nel portare i residui a 1300-1500 °C in un forno e quindi raffreddare rapidamente il liquido ottenuto. Il "vetrificato" risultante è una fase amorfa che contiene la maggior parte di metalli pesanti che risultano così molto meno solubili. Il trattamento in questione permette il riutilizzo senza pericolo del granulato prodotto dal vetrificato, ad esempio come materiale di riporto. Per queste operazioni possono essere utilizzati diversi tipi di forno a gas naturale. Questi impianti ricorrono spesso alla combustione con ossigeno che permette di raggiungere più facilmente le temperature necessarie e far fronte alle eventuali variazioni di composizione delle ceneri volanti. Inoltre la combustione con il 100% di ossigeno riduce la quantità dei fumi e evita la presenza di un preriscaldatore dell'aria. Lo svantaggio è che l'ossigeno costa e pertanto si rende necessario verificare ogni volta l'economicità del processo in rapporto al sistema classico di combustione con aria preriscaldata.
Le scorie presentano lo stesso problema delle ceneri volanti anche se il loro tenore di metalli pesanti e di alogeni è meno importante. Esse presentano tuttavia un tasso di incombusti che può anche raggiungere, in certe situazioni, il 5%. Per essere utilizzate in lavori pubblici, ad esempio come materiale stradale, senza inconvenienti per l'ambiente devono rispettare alcuni criteri. La vetrificazione è un procedimento che, in modo simile a quello delle ceneri volanti, permette di inertizzare questi residui e di riutilizzarli in seguito senza pericolo. E' chiaro che la necessità di questo tipo di trattamento dipende dalle regole che ciascun Paese ha stabilito per proteggere il suo ambiente e le sue risorse idriche. In effetti la produzione di scorie è dieci volte quella delle ceneri volanti. D'altra parte nel caso di un trattamento di vetrificazione congiunto, la vetrificazione delle ceneri volanti che hanno un tenore di silice relativamente basso (20-30%) è facilitata dalla quantità di silice (50%) contenuta nelle scorie.
Va sottolineato che l'energia consumata per inertizzare questi residui secondari mediante vetrificazione può in parte essere ricuperata riciclando i fumi della combustione.
L'eliminazione degli scarti domestici per incenerimento permette una valorizzazione energetica di questi rifiuti particolarmente interessante che ammortizza il 40% del costo del loro trattamento.
Tuttavia l'incenerimento e la produzione di calore non hanno gli stessi obiettivi e possono essere persino antagonisti. E' importante perciò ben differenziare e porre in opera soluzioni che abbiano la flessibilità necessaria per ottimizzarli.
In genere a valle dell'inceneritore si trova una caldaia a tubi d'acqua per la produzione del vapore; questa produzione di vapore può rifornire una rete di calore o una turbina a vapore a contropressione per la produzione di elettricità. Nel caso in cui l'inceneritore alimenti una rete di calore, i bisogni della rete e la produzione efficace dell'impianto non sono sempre concomitanti. Nel caso di produzione insufficiente una soluzione è aggiungere una caldaia di supporto per regolare la produzione. Questa caldaia dovrà possedere la potenza e la flessibilità necessaria per questa funzione. Tuttavia è raro che la produzione di calore sia insufficiente; è molto più frequente la situazione opposta. L'ottimizzazione energetica in termini di recupero di calore può pertanto coesistere nel produrre elettricità sia con la totalità del calore, sia con il solo calore in eccesso. La produzione di elettricità si effettua a partire dal vapore saturo prodotto dalla caldaia.
Questo vapore (ottenuto a 300-350 °C e 40-65 bar) alimenta una turbina a contropressione accoppiata a un alternatore. Per ottenere simili risultati può essere interessante riscaldare il vapore a 500 °C: si migliora così il rendimento. Per evitare incrostazioni che sono sempre una fonte possibile di corrosione il vapore è surriscaldato a valle della caldaia in un surriscaldatore. Il surriscaldatore può essere alimentato con gas naturale, il che migliora il rapporto potenza/compattezza. In effetti, un aumento della temperatura del vapore surriscaldato (65 bar) da 400 a 522 °C permette di migliorare il rendimento della turbina a vapore a contropressione per produrre elettricità, come avviene nell'inceneritore danese di Holstebro-Struer.
Si può anche pensare di porre in opera, parallelamente all'inceneritore, una turbina a gas accoppiata a un secondo generatore di elettricità (turboalternatore): i prodotti di combustione della turbina a gas surriscaldano così il vapore prodotto dall'inceneritore. Una volta esauriti a livello del surriscaldatore, i fumi della turbina a gas sono riutilizzati a temperatura più bassa nella caldaia dell'inceneritore. Questa tecnica è stata posta in opera nel 1994 a Linköping (Svezia) dalla società Tekniska Verken.
Una prima esperienza di supercombustione (ricombustione) è stata già effettuata a Olmsted negli Stati Uniti in un inceneritore. I risultati sono stati presentati dall'Institute of Gas Technology (IGT). Iniettando gas naturale equivalente al 12-15% del potere calorifico dei rifiuti urbani direttamente nella zona di combustione primaria e iniettando l'8% di fumi riciclati nel focolare, le emissioni di Nox (50-60 ppm) sono state ridotte del 60%, mantenendo una combustione stabile (20-30 ppm di CO).
Un secondo progetto è stato condotto nell'inceneritore di Malmö dalla Sysav, società di gestione del Nordic Gas Technology Center (NGTC), con la compartecipazione di due organismi americani, il Gas Research Institute (GRI) e l'Energy and Environmental Research Corporation (EERC). All'inizio il progetto doveva occuparsi di studiare il procedimento di ricombustione iniettando il gas naturale in una zona separata dalla zona di combustione dei rifiuti urbani e di sostituire l'aria secondaria iniettata sopra il focolare con una riciclo dei fumi. Le prime prove hanno mostrato che se l'obiettivo di ridurre gli Nox era raggiungibile, la persistenza di picchi di CO importanti non era accettabile. Ciò dipendeva dal tipo di forno e dalle condizioni di lavoro che non permettevano né tempi di residenza né temperature adeguate. Per raggiungere una combustione migliore è stato necessario ristabilire l'iniezione dell'aria secondaria al di sopra del focolare. L'iniezione del gas naturale, che ha per effetto il consumo dell'eccesso di ossigeno e di aumentare la temperatura, permette di raggiungere l'obiettivo di una riduzione del tenore degli Nox malgrado la brevità dei tempi di residenza nella zona di ricombustione. E' stato posto in evidenza un fattore interessante: l'apporto del gas naturale, necessario per ridurre l'aerazione da 1,2 a 1,1 e da 1,1 a 1,0 nella zona di ricombustione ha gli stessi effetti in materia di riduzione della concentrazione degli Nox emessi: ciò indica una relazione lineare tra questi due parametri.
Tuttavia qualche picco di CO persiste, probabilmente a causa delle caratteristiche della caldaia di Malmö. In effetti la presenza di tubi d'acqua non coibentati discendenti sino al focolare di combustione dei rifiuti non permette di superare la temperatura di 1100 °C e i tempi di residenza dei fumi sono minori di quelli di Olmsted.
Per migliorare il processo e ridurre gli Nox, è stata sperimentata una terza tecnica: la combinazione dell'iniezione di urea e la ricombustione mediante iniezione di gas naturale e dei fumi riciclati appena sopra il focolare di combustione dei rifiuti.
Le prove sono state eseguite nel novembre 1993 per un periodo di qualche settimana e ciò purtroppo non ha permesso di ottimizzare i diversi parametri. I risultati ottenuti possono essere così riassunti:

1) l'iniezione di sola urea è efficace per ridurre le emissioni di Nox, allorquando è effettuata a temperature adeguate, ma nel medesimo tempo l'urea è causa della formazione di inquinanti secondari (NH₃, N₂O);

2) l'iniezione di gas naturale combinata con il riciclo dei fumi, senza iniezione di urea, ha un effetto meno importante del previsto sulla riduzione degli Nox e non permette una riduzione analoga a quella di Olmsted (60%). Ciò probabilmente dipende dalla potenza limitata del ventilatore che non permette un riciclo dei fumi superiore al 5% rispetto all'8-10% di Olmsted, oppure a una meno efficace miscelazione degli stessi con il gas naturale;

3) l'iniezione d'urea di concerto col gas naturale permette di ridurre in modo significativo le emissioni secondarie di NH₃ e di migliorare quelle degli Nox.

Il Danish Gas Technology Center (DGTC) conclude che la cosa importante è ottimizzare i parametri della ricombustione, non possibile durante l'esperienza di Malmö. Per risolvere il problema il DGTC ha programmato un altro progetto che è in corso di sperimentazione presso l'inceneritore di Herning in Danimarca con la collaborazione della ditta costruttrice di forni Volund e con Gaz de France.
In conclusione, il gas naturale rende l'incenerimento più efficace e a costi accettabili. La ricerca in questo settore è però ancora da sviluppare. Lo sforzo combinato di costruttori e operatori dell'industria garantisce certamente che operazioni come il disinquinamento e la valorizzazione energetica dei rifiuti perseguono l'interesse economico della collettività.

(a cura di M. Conca - La Rivista dei Combustibili)