Energia dagli scarichi della macinazione del caffè.

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

a cura di Mauro Icardi

In Sudamerica a partire dal 2010 è stato dato l’avvio al progetto “Energy from coffee Wastewater”.

L’obiettivo e quello di affrontare il cambiamento climatico e proteggere le risorse idriche trattando gli scarichi prodotti dalle piantagioni di caffè, e di affrontare i problemi ambientali e sanitari che le acque reflue di questo settore possono provocare. Il progetto ha coinvolto in una prima fase otto piantagioni di caffè del Nicaragua e dieci dell’Honduras.

Il progetto è poi stato esteso ad altri paesi. L’America latina produce circa il 70% del caffè mondiale ed è il continente dove si trova circa il 30% delle risorse di acqua dolce del pianeta.

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La produzione di caffè però genera una grande quantità di acque reflue che viene scaricata nei fiumi senza alcun tipo di trattamento prima dello scarico, causando problemi alla fauna e alla flora acquatiche e alle comunità situate a valle di questi scarichi. L’acqua di questi fiumi viene utilizzata per lavare il bucato, o per uso potabile, ma le popolazioni di questi paesi lamentavano l’insorgere di dermatiti e infestazione da parassiti.

Oltre a questo problema relativo al rilascio incontrollato di acque reflue si sommavano tonnellate di rifiuti organici ad elevata tossicità, che danneggiavano il suolo e generavano una considerevole emissione di gas serra (principalmente metano).

La tecnologia impiegata prevede l’utilizzo di semplici digestori in materiale plastico dotati di una camera stagna e interrati, che di solito trovano largo impiego nelle comunità rurali di paesi come la Cina per esempio. Lo schema è decisamente molto semplice.

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In questo modo si sono riuscite a trattare praticamente tutte le acque reflue, e nello stesso tempo si è ridotta del 50% la percentuale dell’acqua utilizzata per il lavaggio dei chicchi di caffè da inviare alla successiva tostatura e macinazione.

Il biogas prodotto è stato utilizzato sia nelle abitazioni per uso di riscaldamento e cucina, sia per alimentare gli impianti di macinazione del caffè.

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Donna in Nicaragua che cucina con biogas

Questo progetto che è fondamentalmente molto semplice ha permesso di rendere sostenibile la coltivazione del caffe, e allo stesso tempo di salvaguardare gli ecosistemi di queste zone del centro America che sarebbero stati irrimediabilmente compromessi.

Il progetto sta per essere introdotto in Brasile dove la contaminazione e l’inquinamento idrico di vaste zone del paese è un problema noto da tempo, in Perù e si pensa di estendere l’iniziativa in Africa e in Asia.

Gli scarti di lavorazione del caffè sono da considerarsi con caratteristiche simili a quelli “tipici” dell’industria alimentare. In particolare con concentrazioni di sostanza organica (COD,BOD) da 10 a 100 volte quelli degli scarichi civili. Potrebbero contenere in tracce pesticidi, sostanze organiche di difficile degradabilità e alcaloidi.

Il trattamento anaerobico ha rendimenti elevati ma tende a produrre un BOD residuo con valori superiori a quello aerobico. Vista però la situazione di assoluta deregolamentazione degli scarichi in questi paesi, si tratta in ogni caso di un miglioramento notevole.

La produzione di fanghi è minore rispetto al trattamento aerobico (fino a cinque volte inferiore). A questo va aggiunta la relativa semplicità di installazione e di conduzione e il minor costo energetico (niente impianti di ossigenazione che sono quelli che arrivano ad assorbire circa il 50% o più dell’energia elettrica in un impianto di depurazione tradizionale.)

Impianti di questo tipo possono essere anche mantenuti in fase di ridotto carico o di fermata per lungo tempo senza che il processo ne risulti compromesso. Il successivo riavvio è rapido (alcuni giorni) e questa caratteristica può essere sfruttata non solo per l’industria del caffè, ma per tutte le lavorazioni agricole stagionali.

La produzione di metano e di circa 0,35 N m3/Kg COD rimosso. La convenienza e la possibilità di adottare il trattamento anaerobico è da prendere in considerazione a partire da concentrazioni di COD pari a 1500/3000 mg/lt. Nel caso dei reflui delle piantagioni sudamericane questo valore varia dai 18000 mg/lt fino ai 30000 mg/lt.

Un esempio di recupero di biomasse e acque reflue in paesi dove è possibile il verificarsi di problemi sanitari e di compromissione grave degli ecosistemi che non può che essere incoraggiato.

E anche un modo semplice ed efficace di ridurre gas serra come il metano, e produrre energia a scala locale preservando foreste di alberi nativi che prima venivano tagliati per essere utilizzati nelle stufe a legna ora sostituite da quelle a biogas.

Un impianto pilota situato Diriamba in Nicaragua ha prodotto 200.000 kWh di energia con un risparmio di 40000 dollari. Nel contempo un utilizzo più attento dell’acqua per il lavaggio dei chicchi di caffè ha ridotto il quantitativo di acqua per il lavaggio del caffè a meno di 250 m3/anno.

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Quella inspiegabile magia

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

a cura di Mauro Icardi

Venticinque anni di lavoro in Laboratorio possono sembrare noiosi. Quasi la rappresentazione della ripetitività. Eppure non è cosi, almeno per me. E quando capita di dover tornare ad eseguire analisi utilizzando tecniche che possono sembrare antiquate, sorpassate dalle tecnologie recenti, è proprio in quel momento che si rinnova quella che io definirei l’inspiegabile magia del rapporto personale con le analisi di un tempo.

Nel settore del trattamento delle acque l’analisi del BOD5 è fondamentale. Il consumo di ossigeno che i microrganismi aerobi utilizzano per decomporre le sostanze organiche. E il consumo di ossigeno deve essere misurato e riferito al campione di acqua in esame.

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In commercio si trovano kit di semplice utilizzo, sistemi manometrici che misurano il consumo di ossigeno misurando la depressione nello spazio di testa di una bottiglia. Si può misurare l’ossigeno consumato dopo cinque giorni con un ossimetro portatile.

Ma può accadere che si decida di ricorrere all’analisi volumetrica per determinare l’ossigeno disciolto all’inizio ed alla fine dei cinque giorni necessari per questo test. Il metodo per determinare l’ossigeno disciolto è una titolazione iodometrica. Tornano alla mente con un pizzico di nostalgia ricordi che non sono mai passati. Conviene però ripassare la teoria. Dunque vediamo: lo ione Mn2+ in soluzione alcalina è ossidato dall’ossigeno disciolto nell’acqua, secondo la reazione:

O2 + 2 Mn2++ 4 OH → 2 MnO(OH)2

Il composto formatosi, trattato con un acido forte in presenza di ioduro, libera una quantità equivalente di iodio:

MnO(OH)2 + 4 H+ + 2 I – → Mn2+ + I2 + 3 H2O

Lo iodio liberatosi è titolato con tiosolfato di sodio:

I2 + 2 S2O32- → 2 I – + S4O62-

Il punto finale della titolazione si determina con la salda d’amido.

Questa è la teoria. Nel frattempo si preparano le soluzioni, il solfato di manganese, la soluzione alcalina di ioduro di sodio-sodio azide.

Si pesano i reattivi, si sciolgono. Si usano le dovute precauzioni (la soda sviluppa calore quando la sciogli in un matraccio). Si aspetta che si raffreddi la soluzione prima di portare a volume. Ci si ricorda di una frase che torna alla mente dai vecchi libri ormai consumati e macchiati per l’uso. Cioè che è “il menisco inferiore che deve traguardare la linea di fede”. Ci si ricorda delle raccomandazioni ricevute durante le prime esperienze in laboratorio. Osservare il menisco alla stessa altezza degli occhi per evitare gli errori di parallasse.

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Quando si è terminata la preparazione dei reattivi arriva poi il momento di eseguire l’analisi. Pronte le bottiglie con tappo a smeriglio. Riempite completamente. Devi ricordarti di introdurre i reattivi al di sotto del livello del campione. Se si formano bolle d’aria ricordati di eliminarle battendo con il tappo a smeriglio sul collo della bottiglia. Capovolgi le bottiglie e fai formare il precipitato. Poi lasci che depositi una volta. Ripeti l’operazione una seconda volta e poi aggiungi l’acido solforico . Così hai liberato lo iodio. Il procedimento ti dice di scartare i primi 100 cc dalla bottiglia, e poi di titolare. Il tuo campione nella bottiglia si è colorato di arancione. Inizi a titolare. Naturalmente prima hai avvinato la buretta con la tua soluzione di tiosolfato. Poi al riempimento hai verificato che non vi fossero bolle d’aria. Tutto a posto? Si.

Procedi con la titolazione fino a quando non vedi il giallo paglierino. E ora di aggiungere l’indicatore. Il tuo campione si colora di un bell’azzurro intenso. Continui a titolare. Goccia dopo goccia. Il colore sbiadisce pian piano. Un’ultima goccia ed è completamente incolore. Stop. Chiudi il rubinetto e prendi nota con attenzione del valore.

Poi eseguirai i calcoli ed esprimerai il risultato.

Tutto questo non è altro che la cronaca di quanto accaduto solo la scorsa settimana in Laboratorio. Analizzare uno standard in BOD confrontando metodo potenziometrico e metodo per titolazione.

Questo secondo metodo sembra laborioso. E certamente in parte lo è. Lasciare che tutto il lavoro di misurazione dell’ossigeno consumato lo faccia il manometro differenziale oppure una sonda potenziometrica è comodo. Indubbiamente. Ma riscoprire certe nozioni pratiche, sapere di non avere perso la manualità nelle operazioni di laboratorio è una bella sensazione.

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E questo fascino non è una sensazione riservata solo alla nostra categoria. Qualche mese insieme alla collega abbiamo regalato una buretta di pellet ad un amico che lavora in uno studio dentistico. Francamente non ricordo a cosa gli servisse. Non per fare analisi. Solo per dosare una quantità prefissata di un certo prodotto. Bene questa buretta è stata vista quasi con stupore dai colleghi di questo nostro amico.

L’immaginario collettivo dei non chimici. Ma credo anche il nostro. Che è legato a mio parere più che ad una sala piena di gascromatografi, ad un laboratorio con burette, distillatori, matracci. Con la vetreria. Con le bottiglie di Ranvier.

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Si è proprio un inspiegabile magia.

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.