Reusable Perforated Plastic-Ball Bulking Agent for Decentralized Food Waste Composting: Maturity Validation, Nutrient Retention and Machine Learning-Based Process Interpretation

Ogni giorno, milioni di tonnellate di scarti alimentari vengono gettati via, finendo spesso in discarica dove marciscono senza aria. Questo processo di decomposizione rilascia cattivi odori e gas serra, mentre i preziosi nutrienti contenuti nel cibo vanno perduti per sempre. Un modo migliore per gestire questo rifiuto è il compostaggio, un metodo naturale in cui i microbi scompongono la materia organica in un ricco fertilizzante per il suolo. Affinché questo funzioni bene, il cumulo ha bisogno di ossigeno. Senza abbastanza aria, il processo si blocca, il cumulo diventa troppo umido e compatto, e i batteri benefici non possono svolgere il loro lavoro. Tradizionalmente, le persone mescolano materiali voluminosi come segatura o trucioli di legno per mantenere il cumulo sciolto e arioso. Tuttavia, questi materiali naturali si decompongono essi stessi durante il processo, perdendo eventualmente la loro capacità di trattenere l'aria e richiedendo una sostituzione costante.

I ricercatori stanno cercando una soluzione che mantenga aperto il cumulo senza scomparire. Sono anche interessati a utilizzare i dati per capire esattamente come questi cumuli di compost cambino nel tempo, andando oltre le semplici supposizioni per arrivare a previsioni precise. L'obiettivo è trasformare i rifiuti alimentari ad alta umidità in un prodotto stabile, sicuro e ricco di nutrienti rapidamente, specialmente per luoghi come scuole, hotel o quartieri che generano rifiuti quotidianamente ma mancano dello spazio per grandi impianti industriali.

In un ambiente di laboratorio controllato, un ricercatore presso l'MIT Art Design and Technology University di Pune, in India, ha testato un nuovo approccio a questo problema. Lo studio si è concentrato sull'uso di palline di plastica riutilizzabili, nello specifico traforate, come sostituto permanente dei tradizionali trucioli di legno. Queste palline di plastica agiscono come un'impalcatura, creando piccoli tunnel attraverso i quali l'aria può fluire attraverso il rifiuto alimentare umido senza decomporsi esse stesse. Il ricercatore ha mescolato i rifiuti alimentari raccolti da una mensa universitaria con alcuni additivi utili: biochar per trattenere i nutrienti, calce per bilanciare l'acidità, polvere di neem per controllare i microbi indesiderati e jaggery per nutrire i batteri. Per vedere quanto fosse necessario lo scaffold di plastica, sono stati preparati quattro diversi lotti. Un lotto non conteneva affatto palline di plastica, fungendo da controllo. Gli altri tre lotti contenevano il 2%, il 4% e l'8% di palline di plastica in peso, mescolate ai rifiuti alimentari.

L'esperimento è durato trenta giorni all'interno di un reattore metallico appositamente progettato che poteva controllare la temperatura e il flusso d'aria. La macchina manteneva il cumulo caldo e forniva ossigeno a cicli, imitando le condizioni di un sistema di compostaggio su larga scala. Durante il mese, il ricercatore ha misurato quanto diventava caldo il cumulo, come cambiava l'acidità e come evolveva la composizione chimica del rifiuto. La misura chiave del successo è stato il rapporto carbonio-azoto, un indicatore standard per capire se il compost è pronto all'uso. Un rapporto elevato significa che il materiale è ancora grezzo e instabile, mentre un rapporto più basso indica che il compost è maturato in un prodotto sicuro e simile al suolo.

I risultati hanno mostrato una chiara differenza tra i lotti. Il cumulo di controllo senza palline di plastica ha faticato a rimanere caldo e ha raggiunto una temperatura massima di 40 gradi Celsius. Non è rimasto nella zona di alta temperatura abbastanza a lungo da sanificare completamente il rifiuto o scomporlo efficientemente. Alla fine del mese, questo cumulo non era ancora completamente maturo, con un rapporto carbonio-azoto che rimaneva troppo alto per un uso sicuro. Al contrario, i lotti con palline di plastica sono stati molto più performanti. Il lotto con l'8% di palline di plastica ha raggiunto una temperatura massima di 58 gradi Celsius ed è rimasto abbastanza caldo da uccidere i patogeni per undici giorni. Questo calore ha aiutato i microbi a lavorare più velocemente e il cumulo è maturato significativamente prima. Entro il diciottesimo giorno, questo lotto aveva già raggiunto l'intervallo target per la maturità e, entro il ventiquattresimo giorno, era completamente stabile. Anche gli altri lotti con il 2% e il 4% di plastica sono migliorati, ma il lotto con l'8% ha mostrato la prestazione più costante.

Oltre alla velocità, le palline di plastica hanno aiutato il compost a mantenere i suoi nutrienti. Quando la materia organica si decompone, elementi preziosi come fosforo e potassio possono facilmente essere lavati via o sfuggire. Lo studio ha scoperto che il lotto con l'8% di palline di plastica ha trattenuto la maggior quantità di fosforo, conservandone il 45,65%, rispetto al solo 24,44% del lotto di controllo. Ha anche mantenuto più potassio, trattenendo il 22,96% rispetto al solo 7,69% del controllo. Ciò significa che il prodotto finale non era solo pronto all'uso prima, ma era anche più ricco di minerali necessari per la crescita delle piante. Il compost finale del lotto con l'8% è stato classificato come di alta qualità, sicuro per l'agricoltura e privo di rischi di metalli pesanti, mentre il lotto di controllo rimaneva di qualità inferiore.

Per capire esattamente quali fattori stessero guidando questi cambiamenti, il ricercatore ha utilizzato modelli informatici per analizzare i dati. Un modello ha esaminato tutte le misurazioni effettuate durante il mese per capire cosa fosse più importante. Ha scoperto che la quantità di azoto nel cumulo, il livello di acidità e il contenuto di umidità erano i principali motori della velocità di maturazione del compost. Un altro modello, progettato per tracciare i cambiamenti nel tempo, ha previsto con successo come il rapporto carbonio-azoto sarebbe diminuito con il passare dei giorni. Questi strumenti hanno confermato che le palline di plastica non aggiungevano solo volume; creavano un ambiente in cui le giuste reazioni chimiche potevano avvenire in modo più rapido e affidabile.

Lo studio suggerisce che l'uso di queste palline di plastica riutilizzabili potrebbe essere una soluzione pratica per i sistemi di compostaggio decentralizzati. A differenza della segatura o dei trucioli di legno, che vengono consumati e devono essere riacquistati continuamente, queste palline di plastica possono essere rimosse dal compost finito e utilizzate nel lotto successivo. Ciò potrebbe rendere il compostaggio più efficiente e meno costoso per le istituzioni che generano molti rifiuti alimentari ogni giorno. Sebbene l'esperimento sia stato condotto su piccola scala in un laboratorio, i risultati indicano un metodo che accelera la decomposizione dei rifiuti, preserva i nutrienti e produce un fertilizzante di alta qualità senza la necessità di una costante sostituzione dei materiali di riempimento. La ricerca evidenzia come, con la giusta struttura fisica e un pizzico di intuizione basata sui dati, trasformare gli scarti alimentari in terreno possa essere più veloce, pulito ed efficace di quanto precedentemente ipotizzato.