La depurazione delle acque come arte (parte 3)

Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo.

precedenti puntate di questo post qui e qui

a cura di Mauro Icardi (siricaro@tiscali.it)

Questo articolo tratterà della gestione e del trattamento della linea dei fanghi,nel trattamento delle acque reflue.

La descrizione della fase di trattamento e di origine della linea dei fanghi che segue, è riferita ad un impianto di grandi dimensioni, tipicamente quelli delle grandi città. Per gli impianti al servizio di piccoli paesi, si possono trovare schemi impiantistici  diversi.

I fanghi residui negli impianti di depurazione si originano in due punti diversi dell’impianto.  Il primo è il fango proveniente dalla sedimentazione primaria. Questo tipo di fango si riesce a separare nelle acque reflue grezze senza necessità di nessuna trasformazione di tipo biologico. Il fango che viene estratto dai decantatori primari è una miscela costituita in prevalenza da:

sostanze organiche facilmente degradabili (cellulosa,zuccheri,lipidi).

sostanze inorganiche inerti (ossidi metallici e carbonati)

sostanze organiche non facilmente degradabili (semi e fibre).

Eliminando questi solidi sedimentabili per sola decantazione si ottiene nel refluo in ingresso un abbattimento di circa il 20-25% del BOD, e del 10% del fosforo e dell’azoto. Il liquame chiarificato viene inviato successivamente alla vasca di ossidazione dove subisce il trattamento di ossidazione biologica.

Questo è quello che si legge di solito nei testi di depurazione. Ma non sempre le cose vanno così bene. Spesso può capitare che all’uscita della fase di sedimentazione primaria, ci si trovi di fronte ad un dato anomalo. In particolare che la concentrazione dell’ammonio (NH4+) sia addirittura maggiore di quella che viene riscontrata all’ingresso dell’impianto. A questo punto iniziano delle discussioni piuttosto accanite, e spesso il povero chimico viene accusato di essere quasi un visionario. Il problema si risolve con molta pazienza e l’esperienza acquisita. L’aumento della concentrazione di ammonio all’uscita di un sedimentatore primario deriva quasi sempre dal fatto che all’ingresso di questa sezione vengono fatte confluire tutte le acque di risulta e di lavaggio della sezione di trattamento dei fanghi. Che sono ricche di ammonio che proviene dalla fase di digestione anaerobica. Per quanto riguarda la questione delle sostanze non degradabili, ricordo che qualche anno fa un sedimentatore primario venne praticamente intasato da una quantità piuttosto elevata di semi di colore nero, di cui non riuscimmo mai ad identificare ne l’origine ne la provenienza.

Il secondo tipo di fango con cui si ha a che fare è quello secondario. Dopo che nella vasca di ossidazione sono avvenute le reazioni biochimiche, il fango che era nella vasca di ossidazione viene separato dal liquame depurato nel sedimentatore secondario.

Il liquame depurato può subire ancora un trattamento chimico-fisico di chiariflocculazione  per abbattere il fosforo inorganico, nel caso che il recapito finale dell’acqua depurata sia un lago che ha limiti più restrittivi per quanto riguarda i nutrienti quali azoto e fosforo, responsabili del processo di eutrofizzazione.

Il fango secondario è costituito principalmente da biomassa batterica, dalla frazione dei solidi sedimentabili che non sono stati trattenuti nelle fase di sedimentazione primaria (che non ha mai un rendimento del 100%), dalle sostanze attaccate dai batteri, ma rimaste incorporate nella biomassa.

A questo punto si deve procedere al trattamento di questi flussi di fanghi. La parte solida contiene sostanze organiche putrescibili, ragione per cui si devono effettuare una serie di trattamenti che consentano il successivo smaltimento senza inconvenienti per la salute umana e l’ambiente.

Di solito i fanghi (primari e secondari) si mescolano dando origine al fango misto. Questa operazione permette in seguito di disidratare piu’ facilmente il fango. Il fango misto ha un tenore di acqua pari al 98%. Occorre diminuire questo tenore di acqua con trattamenti a gravità in ispessitori dinamici, per flottazione, o tramite un tamburo rotante. Al termine di queste operazioni il tenore di acqua si riduce al 95%. In queste condizioni il fango si comporta ancora come un liquido ed è pompabile con pompe resistenti all’abrasione (solitamente pompe a membrana). La riduzione seppur modesta del tenore di umidità comporta una notevole riduzione del volume di materiale da trattare, e quindi una riduzione del dimensionamento delle successive fasi, e quindi dei costi di investimento, di esercizio e di smaltimento dei fanghi.

Al termine di questa fase, il fango viene inviato al trattamento successivo di stabilizzazione e mineralizzazione. La stabilizzazione è anche chiamata digestione dei fanghi. Un fango misto si può convenientemente trattare per digestione anaerobica.

Qui parlerò della digestione anaerobica dei fanghi di depurazione. La controversa questione dei digestori anaerobici per biomassa, di quelli delle aziende agricole meritano una trattazione a parte. Così come può essere interessante parlare della possibilità di codigestione di frazioni organiche biodegradabili come la frazione umida dei rifiuti urbani negli impianti di depurazione municipali, per aumentarne la resa in biogas e migliorarne il funzionamento.

In assenza di ossigeno microrganismi anaerobici trasformano le sostanze organiche tramite vari stadi in metano ed anidride carbonica.

In una prima fase il fango subisce una fermentazione di tipo acido. Molecole quali carboidrati, proteine e grassi vengono scisse ad opera di batteri idrolitici in monosaccaridi, acidi grassi, glicerolo.  Contestualmente avviene l’ulteriore scissione in molecole ancora più semplici come gli alcoli e acidi grassi volatili (acetico, propionico, butirrico). Questa fase produce come sottoprodotti ammoniaca, anidride carbonica, acido solfidrico.

Le molecole che sono state precedentemente prodotte vengono ulteriormente digerite producendo anidride carbonica, idrogeno ed acido acetico.

L’ultima fase del trattamento porta alla produzione di metano per azione dei batteri metanigeni, con formazione di metano, anidride carbonica ed acqua.

Con questa tecnica i fanghi derivanti dal trattamento risultano parzialmente igienizzati. La riduzione percentuale della sostanza organica inizialmente presente (che se la digestione anaerobica è soddisfacente e ben gestita è maggiore del 40%) rende più agevole il successivo processo di disidratazione.

Generalmente negli impianti di depurazione si effettua una digestione anaerobica di tipo mesofilo (condotta nell’intervallo di temperatura 16-38°C con temperatura ottimale di 35° C per i batteri mesofili).

I batteri metanigeni  sono a crescita più lenta, e possono lavorare in un range di pH abbastanza ristretto (tra 6,8 e 7,5) . Costituiscono perciò il fattore limitante del processo. Per lo stesso motivo, visto che i batteri acidificanti crescono più velocemente, nella fase di avviamento del digestore anaerobico, ed in tutti i casi in cui si verifichi un accumulo di acidi volatili con abbassamento del pH  che causa inibizione dei metanigeni, possono essere dosate nel digestore quantità idonee di idrossido di calcio, che servono a ripristinare le condizioni ottimali per la fermentazione alcalina.

Il biogas prodotto ha di solito una percentuale di metano che va dal 60 al 75%. Il resto è costituito da anidride carbonica e da acido solfidrico. Ha mediamente un potere calorifico di 5000 kcal/Nm3. Viene quindi utilizzato per il riscaldamento dei digestori dopo essere stato sottoposto a trattamenti di deumidificazione e desolforazione.

Nella gestione di un digestore anaerobico i principali parametri di processo che il laboratorio chimico al servizio dell’impianto di depurazione deve controllare sono il pH, la quantità di acidi volatili ed il loro rapporto con l’alcalinità. Questi tre parametri servono a verificare che le condizioni all’interno del digestore siano favorevoli per lo sviluppo dei batteri metanigeni, che la produzione di biogas sia costante. Si eseguono poi semplici analisi gravimetriche sui fanghi. Si determina la percentuale di umidità dei fanghi, e successivamente gli stessi vengono calcinati in muffola per determinarne la frazione inerte. Per differenza da questa si determina la percentuale di sostanza organica volatile. Le verifiche vengono effettuate sul fango che viene alimentato al digestore, e su quello che dopo aver subito il processo di digestione viene inviato al trattamento di stabilizzazione. Come detto precedentemente, se la riduzione percentuale della sostanza organica tra il fango in alimentazione, e quello digerito è maggiore del 40% significa che il processo sta funzionando in maniera soddisfacente.

Ma ritornando a quanto avevo scritto nei precedenti articoli, può essere utile una sommaria analisi sensoriale. Il fango prima del trattamento di digestione ha ovviamente odore sgradevole ed è solitamente di colore grigiastro. Un fango che ha subito un processo corretto di digestione anaerobica è di colore nero, e il parziale trattamento di igienizzazione lo ha reso meno sgradevole e quindi emana meno cattivo odore.

L’ultimo trattamento che il fango deve subire prima dello smaltimento finale è quello di disidratazione. Ridurre il tenore di acqua, rendere il fango palabile cioè con una percentuale di sostanza secca almeno del 20%.

Prima di subire un trattamento di centrifugazione, o di nastropressatura il fango viene condizionato con il dosaggio di un flocculante (polielettrolita) che facilita l’addensamento del fango, ed il successivo rilascio  dell’acqua.

Le macchine maggiormente usate per ottenere una buona disidratazione del fango sono principalmente le centrifughe e le nastropresse.

Il processo di centrifugazione permette di separare l’acqua dal fango mediante l’applicazione della forza centrifuga. Il fango viene immesso nella centrifuga attraverso un tubo centrale che corre al centro di un tamburo cilindrico in rotazione ad un elevato numero di giri. I solidi si addensano contro la parete interna del tamburo. All’interno del tamburo cilindrico è posizionata una coclea che ruota nello stesso senso del tamburo ma a velocità inferiore e trascina il fango disidratato verso l’estremità del tamburo dove è situato lo scarico dei fanghi. L’acqua che si elimina dal fango viene convogliata all’esterno attraverso un disco sfioratore, e viene sempre rimandata in testa all’impianto di trattamento delle acque per ripetere il ciclo depurativo.

Schema di centrifuga per fanghi.

Schema di centrifuga per fanghi.

La nastropressa per fanghi è  una macchina in cui il fango viene caricato da un tramoggia e viene fatto passare attraverso dei teli coniugati, e sottoposti alla pressione di rulli che pressano il fango. Il fango viene a contatto con il rullo di drenaggio che essendo di grande diametro permette una prima leggera pressione del fango. Il fango subisce quindi pressioni sempre più elevate fino alla zona di alta pressione. Dopo l’evacuazione dei fanghi i due teli subiscono un lavaggio per l’allontanamento del materiale residuo.

Schema di nastropressa per fanghi

Schema di nastropressa per fanghi

 

Il trattamento dei fanghi residui è la fase più importante a mio parere del trattamento depurativo. Se non si allontanano correttamente i fanghi prodotti dal processo di depurazione, e si accumula troppo fango, il depuratore non può più garantire adeguati livelli di abbattimenti sulla linea acqua. La sezione dei fanghi è anche il collo di bottiglia. La maggior parte degli sforzi, e dei costi che si devono sostenere sono proprio quelli di trattamento e smaltimento dei fanghi. La linea fanghi è anche quella che spesse volte provoca qualche ripensamento sugli studi scelti da qualche studente universitario particolarmente sensibile o schizzinoso. In diversi casi qualche rappresentante del gentil sesso in visita all’impianto si è sentita per così dire un po’ spaesata. E molti anni fa una professoressa inglese che insegnava alla scuola europea di Varese mi disse in italiano ma con un inconfondibile e delizioso accento british che “le sembrava impossibile che una struttura così strana potesse davvero servire a qualcosa”.

In effetti parlare di acqua di fogna, e del suo trattamento può sembrare quasi un tabù.

Eppure qualche anno fa, precisamente nel 2010 è uscito per Bompiani un libro (che io ho molto apprezzato) dall’inequivocabile titolo “Il grande bisogno. Perché non dobbiamo sottovalutare l’ultimo tabù: la nostra ca**a”.

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Questa è la nota di copertina : ““Due terzi della popolazione mondiale sono privi di misure sanitarie. Oltre un miliardo di persone bevono quotidianamente acqua inquinata. Se il mondo può parlare di cibo, allora non è il momento  di parlare anche di come smaltire questo cibo?  “Un viaggio intrepido, erudito, appassionante, attraverso le conseguenze pubbliche dei nostri più privati comportamenti.”

Depurare l’acqua, e occuparsi di restituirla all’ambiente pulita, dopo che è stata sporcata dai gesti che consideriamo normali, come lavarci ed utilizzare i servizi igienici, credo sia un mestiere particolare, ma che i chimici possono fare bene. Perché i chimici sanno che “la materia è materia, ne nobile ne vile, infinitamente trasformabile” (Primo Levi  Azoto “Il sistema periodico”

E per chiudere questa parte direi che è giusto tornare a citare il libro che mi ha ispirato a voler scrivere questi articoli sulla depurazione come arte. Dove descrivendo la linea dei fanghi Piero Bianucci in “Benvenuti a bordo”, dopo avere parlato di gestione anaerobica e di metano, scrive questo brano, punteggiato di ironia.

 “I tecnici hanno calcolato con soddisfazione che un impianto di depurazione può cavare la potenza di due cavalli vapore ogni mille abitanti serviti. Nel caso di Torino, poiché l’impianto serve un comprensorio di un milione e quattrocentomila abitanti, ciò significa che tali cittadini con le loro deiezioni sviluppano la considerevole potenza di  duemilaottocento  cavalli vapore. La cosa è poco risaputa, minoranza esigua sono i torinesi consapevoli del contributo energetico dei propri escrementi.”

Spero che questa trattazione non abbia disgustato ne annoiato. Per un chimico la materia è materia. Per un chimico che si occupa di depurazione, può essere una materia particolare, ma pur sempre materia è…

Per completare queste chiacchierate rimane da scrivere ancora un ultimo articoletto. Varie ed eventuali, nuove tecnologie, e le leggende e bufale sui depuratori, e qualche caso davvero curioso a cui ho personalmente assistito.

2 thoughts on “La depurazione delle acque come arte (parte 3)

  1. Hai fatto molto bene a ricordare che: “Per un chimico la materia è materia. Per un chimico che si occupa di depurazione, può essere una materia particolare, ma pur sempre materia è…”
    Chi non riesce a sviluppare questo atteggiamento mentale è un chimico a mezzo servizio.

    • Grazie. Devo questo atteggiamento alla mia passione personale, ma devo un doveroso ringraziamento anche ai docenti che lo hanno ulteriormente sviluppato. E che a distanza di più di venticinque anni non posso che ringraziare.

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