Abstract
Recycling of waste if certainly one of the
most effective methods to really reduce waste production.
It is also know that, in the management of Municipal Solid Waste
(M.S.W.) and packaging materials, mainly plastic products, represent
a problem because of their volume, that is why the "recyclability"
of a packaging material itself or for energy recovery a very important
factor.
During the last few year industrial research has elaborated new
starch-based plastic polymers which are intrinsically biodegradable.
In this paper it was studied the possibility of composting these
materials when used in manufacturing of packaging (M.S.W. bags,
trasport packaging, etc.) with other organic waste obtained after
the separated collection of M.S.W.
Experiments have been done in laboratories and in-situ (in a compost
plant near Modena town) to check the hygienic and health aspects
of the compost produced with starch-based plastic polymers.
INTRODUZIONE
Il trend in continuo aumento della produzione
di Rifiuti Solidi urbani (R.S.U.) porta alla ricerca di soluzioni
alternative allo smaltimento degli stessi in discarica, anche
per il progressivo esaurirsi dei siti idonei.
Nei R.S.U. una cospicua percentuale è rappresentata dai
rifiuti di imballaggio. Recenti stime infatti, riportano che circa
il 50% dei R.S.U. (Fonte Ministero Ambiente) è costituita
da imballaggi.
Tale problema, che non è proprio solo dell'Italia ma di
tutti i paesi ad alta industrializzazione, è stato oggetto
di studio anche da parte della Comunità Europea, che nel
dicembre 1994 ha adottato una specifica direttiva del Parlamento
e del Consiglio sugli imballaggi ed i rifiuti di imballaggio (n.
94/62/CE).
Tale direttiva affronta la problematica "imballaggi"
dall'unico punto di vista possibile: incentivando le operazioni
di riutilizzo attraverso il recupero di energia o il riciclaggio,
compreso il riciclaggio organico.
Per riciclaggio organico viene inteso il trattamento aerobico
(compostaggio) o anaerobico (biometanizzazione), per mezzo di
microrganismi ed in condizioni controllate, della frazione biodegradabile
dei rifiuti di imballaggio al fine di ottenere residui organici
stabilizzati.
Negli ultimi anni, anche in relazione agli sviluppi normativi
in atto in Italia ed in alcuni paesi comunitari ed extracomunitari,
la ricerca industriale ha messo a punto dei polimeri plastici
definibili intrinsecamente biodegradabili, a base amidacea idonei
anche alla fabbricazione di imballaggi (buste per asporto merci,
sacchi per raccolte R.S.U., blister, ecc.) (Musmeci L. et al.,
1991) (Veracch H. et al., 1992).
L'attributo di biodegradabilità per alcuni materiali da
imballaggio, difficilmente separabili nei R.S.U. permetterebbe
un compostaggio degli stessi unitamente alla frazione organica
dei R.S.U. e/o ad altre matrici, con indubbio vantaggio nella
gestione delle raccolte differenziate dei rifiuti municipali (Bastioli
C., 1994).
Nell'ottica, ormai largamente condivisa, di
produrre solo compost di elevata qualità agronomica ed
ambientale, viene riconosciuto che, ove si intenda produrre del
compost, questo lo si possa ricavare esclusivamente da rifiuti
organici a basso contenuto di sostanze inquinanti ottenibili,
come tali, attraverso una separazione alla fonte della frazione
organica biodegradabile dalle altre componenti dei rifiuti (Aragno
M., 1994).
Un problema che si pone a questo punto è la verifica delle
caratteristiche igienico-sanitarie di un compost nella cui produzione
sono state utilizzate oltre alle matrici considerate intrinsecamente
biodegradabili (mercatali, potature, sfalci, cippato, residui
organici di ristorazione, frazione umida R.S.U., ecc.), anche
imballaggi fabbricati con i polimeri di nuova concezione a base
amidacea.
E' stato, pertanto, condotto uno studio, riportato nella presente
nota, in cui sono stati sottoposti a compostaggio utilizzando
come inoculo iniziale un compost prodotto con residui vegetali
e cippato, sia in scala di laboratorio che reale, alcune tipologie
di materiale plastico a base amidacea (40-70% in amido di mais)
in film ed in sfoglia rigida. Ai fini dell'individuazione delle
caratteristiche igienico-sanitarie del compost ottenuto sono stati
effettuati sui campioni di inizio e fine ciclo, sia in scala di
laboratorio che reale, Test Tossicologici con Microtox in Fase
Solida che permettono di individuare una tossicità generica
del materiale esaminato (Ribo J.M., Kaiser K.L.E., Ribo J.M.,
1987).
Inoltre, lo stesso compost di inizio e fine ciclo, sia in scala
di laboratorio che reale è stato sottoposto ad analisi
con spettrofotometro ad infrarosso (I.R.) al fine di caratterizzare
il tipo di processo degradativo instauratosi nella fase di compostaggio
dei materiali in esame (Baker D., 1985) (Hyun Oek K., Williams
P.C., 1990)
MATERIALI E METODI
Materiali
Le prove di laboratorio sono
state condotte su polimeri plastici a base di amido (40-70% amido),
più correttamente definibili "compound" a base
amidacea, così caratterizzati:
- materiale in polvere di granulometria <200 µm;
Analisi elementare: Azoto Kjeldhal = 1.95%; Carbonio organico = 54.90%;
- materiale in film:
Analisi elementare: Azoto Kjeldhal = 1.95%; Carbonio organico = 54.90.
- materiale in sfoglia rigida utilizzabile per manufatti vari:
Analisi elementare: Azoto Kjeldhal = non rilevabile; Carbonio organico = 51.46%.
Tali materiali sono stati additivati, in rapporto
in peso 1:6, a compost maturo prodotto esclusivamente con residui
vegetali da raccolta differenziata e cippato. Quindi sono stati
sottoposti a test di compostaggio in scala di laboratorio.
Inoltre il materiale in sfoglia è stato sottoposto ad un
processo di compostaggio reale, in un impianto situato in Provincia
di Modena, addizionandolo in misura dello 0.14% in peso ai residui
vegetali da raccolta differenziata ed a cippato.
I campioni sottoposti sia a Test Tossicologici con MICROTOX in Fase Solida sia ad analisi spettrofotometrica I.R. sono stati così denominati:
Campioni provenienti dal test condotto in scala di laboratorio:
- N. 1: compost
senza aggiunta dei materiali plastici in esame;
- N. 2: composto + materiale in polvere;
- N. 3: compost + materiale in film;
- N. 4: compost + materiale in sfoglia.
Campioni provenienti dal test condotto in scala reale nell'impianto di compostaggio di Modena:
- N. 1 bis:
compost senza aggiunta del materiale plastico in sfoglia;
- N. 2 bis: compost + materiale in sfoglia.
Inoltre i campioni N. 1 bis e N. 2 bis sono stati campionati anche dopo 150 giorni di ciclo di compostaggio al fine di accertare le caratteristiche tossicologiche del compost pronto alla commercializzazione.
Metodo MICROTOX in Fase Solida
Principio del metodo
Per valutare la potenziale tossicità
dei campioni è stato utilizzato il test tossicologico con
Microtox in Fase Solida. Tale test è in grado di
misurare la tossicità di materiali che sono strettamente
legati a particelle in campioni di suolo o di sedimento o, nello
specifico caso, di compost (Microbis Corporation, 1992).
Il principio del metodo si basa sulla proprietà del batterio
utilizzato di emettere luce come prodotto dei suoi processi metabolici.
Ogni cambiamento in questi processi causati dall'esposizione a
sostanze tossiche, provocano un cambiamento nell'emissione di
luce. Pertanto le sostanze tossiche eventualmente presenti nel
campione da saggiare, interferendo con il metabolismo del batterio
che viene aggiunto al campione stesso, riducono la sua emissione
di luce in modo proporzionale alla tossicità esibita.
La tossicità viene espressa come "Effective Concentration"
(E.C. 50), cioè la concentrazione in grado di diminuire
del 50% la luminosità della popolazione batterica saggiata.
Condizioni operative
Sono stati pesati 300 mg di ciascun
campione costituito o da solo compost o da compost addizionato
con i materiali in esame, ad essi sono stati aggiunti 3 ml di
una soluzione diluente specifica. Quindi è stato misurato
il pH al fine di ricondurlo ove necessario nel range di pH ottimale:
pH 6 - 8. Per ciascun campione sono state poi effettuate successive
diluizioni, sempre in rapporto 1 : 2, fino ad arrivare ad una
concentrazione di circa 0.05 mg/ml. Su tali soluzioni a differente
grado di diluizione è stato aggiunto il batterio-test,
dopo essere stato opportunamente rivitalizzato.
Tutte le analisi sono state eseguite in triplo.
Metodo Spettroscopico Infrarosso con la
Derivata di Fourier (F.T.I.R.)
Principio del metodo
Le analisi sono state eseguite utilizzando
uno Spettrofotometro F.T.I.R. della Perkin-Elmer, modello 2000,
equipaggiato con lo strumento per condurre le analisi in trasparenza.
Condizioni operative
A 3 mg di campione costituito o
da solo compost o da compost addizionato con i materiali in esame,
preventivamente macinato fino all'ottenimento di una granulometria
di circa 100 µm, è stato aggiunto Kbr (circa 150 mg)
puro (99+ % F.T.I.R. GRADE) per le analisi in F.T.I.B., quindi
di nuovo la miscela è stata macinata al fine di ottenere
un campione il più possibile omogeneo. Tale campione è
stato sottoposto ad una pressa sotto vuoto per ottenere pasticche
le quali sono state avviate all'analisi condotta in trasparenza.
Le condizioni operative strumentali erano:
Numero di scansioni: 8
Risoluzione: 4
Range in ascissa: 400-4000 cm-1
Range in ordinata: 0-100 % T
Tutte le analisi sono state condotte in doppio.
RISULTATI OTTENUTI
Nelle figure 1-2-3-4 vengono
riportati gli spettri ottenuti nell'analisi F.T.I.R. sui campioni
in esame. In ciascuna figura viene messo a confronto lo spettro
ottenuto per il compost di fine ciclo senza aggiunta del materiale
in esame, ed il compost di inizio e fine ciclo addizionato con
il materiale.
Viene riportato in ogni figura lo spettro relativo unicamente
al compost non addizionato di fine ciclo, in quanto il compost
di inizio ciclo esibisce da solo uno spettro nelle zone più
significative assolutamente identico a quello di fine ciclo.
E' da notare che uno dei problemi maggiori incontrati nell'effettuazione
dell'analisi spettroscopica, è dovuto alla disomogeneità
dei campioni sia di compost sia di compost addizionato. Infatti,
come si può notare dalle figure 1-2-3-4, le linee di base
dei vari spettri sono differenti tra loro.
Ciò premesso, tutti i campioni di compost addizionato con
i materiali plastici di fine ciclo, sia quelli ottenuti in scala
di laboratorio che in scala reale, hanno evidenziato all'analisi
spettroscopica un praticamente identico finger printing
(da 1500 cm-1
a 400 cm-1)
rispetto al compost non addizionato.
Tale comportamento evidenzia che il processo di compostaggio del
materiale plastico a base amidacea porta all'ottenimento di un
compost del tutto uguale a quello non addizionato con il materiale
sopradetto.
Dalle figure 1-2-3-4 inoltre si evidenzia, esaminando sempre
le zone del finger-printing, che lo spettro del compost
addizionato di inizio ciclo presenta un andamento in alcune zone
del finger-printing stesso, diverso rispetto sia al compost
da solo che al compost addizionato di fine ciclo. Ciò a
dimostrare che durante il processo di compostaggio il materiale
plastico a base amidacea addizionato subisce una degradazione
tale da renderlo non più riscontrabile all'analisi strumentale
e portando, quindi, alla sovrapposizione degli spettri.
Pertanto da tale indagine spettroscopica emerge che i materiali
saggiati non solo non inibiscono il processo di compostaggio,
ma portano alla produzione di un compost del tutto simile a quello
ottenuto senza aggiunta di materiali plastici.
Un elemento ancora da valutare è la possibilità
di formazione di metaboliti tossici, non rilevabili all'indagine
spettroscopica.
Per tale ragione è stato condotto il test tossicologico
con MICROTOX in Fase Solida.
Come prima detto il Test Tossicologico con Microtox in Fase Solida
è un procedimento atto a saggiare direttamente la tossicità
dei campioni senza eseguire estrazioni e purificazioni, utilizzando
come organismo-test un batterio marino bioluminescente. Tale microrganismo
è il Photobacterium phosphoreum che appartiene alla
famiglia delle Vibrionacee e che è stato selezionato per
la sua elevata sensibilità verso un ampio spettro di sostanze
tossiche e per la buona correlazione dei risultati ottenuti in
rapporto ad altri biosaggi di uso comune come ad esempio quelli
che utilizzano i pesci o la Daphnia magna. Pertanto i risultati
ottenuti con tali test offrono garanzie di attendibilità
e soprattutto forniscono utili informazioni sulla "tossicità
generica" dei materiali testati.
In tabella 1 vengono riportati i valori
degli EC 50 valutati con il test tossicologico con MICROTOX in
Fase Solida per i campioni di inizio e fine ciclo ottenuti in
scala di laboratorio. Mentre in tabella 2 vengono riportati
i valori relativi ai campioni di inizio e fine ciclo ottenuti
in scala reale presso l'impianto di compostaggio sito in Modena.
Fig. 1: Spettri F.T.R. relativi al compost
di fine ciclo non addizionato (campione N. 1) e compost di inizio
e fine ciclo addizionato (campione N 2)
Fig. 2: Spettri F.T.I.R. relativi al compost
di fine ciclo non addizionato (campione N. 1) e compost di inizio
e fine ciclo addizionato (campione N. 3)
Fig. 3: Spettri F.T.I.R. relativi al compost
di fine ciclo non addizionato (campione N. 1) e compost di inizio
e fine ciclo addizionato (campione N. 4)
Fig. 4: Spettri F.T.I.R. relativi al compost
di fine ciclo non addizionato (campione N. 1 bis) e compost di
inizio e fine ciclo addizionato (campione N. 2 bis)
Tab. 1 - Valori degli EC 50 valutati con il test tossicologico con Microtox in fase solida per i campioni ottenuti in scala di laboratorio
Nota:
N.T. = Non tossico
Tab. 2 - Valori degli EC50 valutati con il test tossicologico con Microtox in fase solida per i campioni ottenuti in scala reale
| N 1 bis (bianco) | ||||||
| N 2 bis |
Nota:
Val. = Valutazione
D.T. = Debolmente tossico
N.T. = Non tossico
Per ciò che concerne i campioni ottenuti
in scala di laboratorio non si riscontra tossicità nei
campioni di compost addizionati con i materiali plastici in esame
prelevati sia all'inizio che alla fine del ciclo di compostaggio
(circa 60 giorni), rispetto al compost senza aggiunta dei materiali
plastici stessi. Infatti le letture di trasmittanza effettuate
al fotometro MICROTOX per i campioni suddetti sono molto simili
a quelle ottenute con il "Bianco di riferimento" costituito
unicamente dal batterio test più il compost senza aggiunta
di alcun campione da saggiare.
Quindi l'effetto tossico inibitore sul metabolismo batterico,
che porterebbe ad una netta diminuzione dell'emissione di luce
da parte dei batteri bioluminescenti, non si è verificato.
Dalla tabella 2 si evince che i campioni di compost ottenuti nell'impianto
di compostaggio di Modena presentano una lieve tossicità.
E' comunque da escludere la formazione di metaboliti intermedi
tossici, in quanto, come si può notare, la tossicità
diminuisce man mano, dall'inizio alla fine del ciclo di compostaggio,
scomparendo del tutto nei campioni prelevati dopo circa 150 giorni
dall'inizio del processo.
La lieve tossicità rilevata nei campioni di fine ciclo
(campioni N. 1 bis e N. 2 bis) è presumibilmente ascrivibile
unicamente al compost. Infatti non si notano evidenti differenze
tra i dati di EC 50 evidenziati nel test MICROTOX in Fase Solida
per i campioni con o senza aggiunta del materiale plastico. Le
piccole differenze riscontrate rientrano nella deviazione standard
propria del metodo (~ ± 4%).
CONCLUSIONI
Le prove spettroscopiche condotte, come
prima detto, hanno evidenziato che il processo di compostaggio
porta all'ottenimento di un compost la cui "impronta"
di analisi F.T.R. è del tutto analoga per il compost con
e senza additivazione di materiali plastici.
Le prove tossicologiche condotte hanno mostrato, in accordo con
quanto riportato in letteratura, che la massa di materiale organico
in corso di maturazione (biodegradazione) in un processo di compostaggio
può esibire una debole tossicità dovuta probabilmente
alla presenza di alcune sostanze tossiche, come ad esempio residui
di prodotti per la casa (biocidi, disinfettanti) che possono essere
stati adsorbiti in piccolissime dosi dalla frazione organica umida
che viene compostata. Tali sostanze, nel corso del processo di
compostaggio, si degradano anch'esse. Infatti alla fine del processo
di maturazione del compost (dopo circa 3 mesi dalla fine del ciclo
di compostaggio vero e proprio di circa 60 giorni) si hanno valori
di EC 50 praticamente confrontabili con quelli ottenibili con
il bianco di riferimento.
Tale fenomeno di lieve tossicità non si riscontra, infatti
nel compost come "inoculo" nel test condotto in scala
di laboratorio in quanto veniva utilizzato un compost maturo (di
circa 3 mesi).
E' da escludere, quindi, la formazione di metaboliti tossici nella
fase di biodegradazione dei materiali stessi, in quanto i valori
di EC 50 per i campioni relativi alle prove di pieno campo diminuiscono
man mano che avanza il processo di compostaggio, evidenziando,
quindi, una perdita di tossicità della massa solida nel
suo insieme.
Tuttavia, come prima detto, non si riscontrano differenze di EC
50 nei campioni con o senza aggiunta di materiale plastico in
esame nelle sue varie forme fisiche e formulazioni sia per i tests
condotti in laboratorio, che per quelli condotti in pieno campo.
Pertanto si può concludere che i materiali testati non
presentano elementi di tossicità, né generano metaboliti
tossici durante il processo biodegradativo e quindi sembrano non
inibire il processo di compostaggio sia in scala reale, che in
scala di laboratorio.
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