Invito all’educazione idrica.

Mauro Icardi

L’approssimarsi dell’estate si può ormai riconoscere da due fenomeni ricorrenti. Il primo sono gli incendi boschivi. Piaga che sembra quasi da considerarsi come una maledizione, ma dipende invece da un disinteresse per il rispetto ambientale. E anche da disturbi comportamentali. Il piromane è attirato dagli effetti del fuoco, e può appiccarli per vandalismo, profitto personale o vendetta. Non sono né psicologo ne psicoterapeuta. Tocca a loro studiare il problema.

Il secondo fenomeno che si sta invece verificando negli ultimi anni, e con un peggioramento significativo è quello dei fenomeni ricorrenti di siccità. Il modificarsi del regime delle piogge, i sempre più evidenti fenomeni estremi sia di siccità prolungate che di scarso innevamento invernale si ripercuotono in maniera evidente nel comparto delle gestione del ciclo idrico integrato.

Già nel 2011 l’organizzazione mondiale della sanità si è preoccupata di emanare linee guida per la fornitura idrica ed il trattamento di potabilizzazione durante il verificarsi di eventi meteorologici estremi.

(WHO Guidance in water supply and sanitation in extreme weather events).

Eventi di questo genere mettono sotto pressione le strutture di distribuzione e di depurazione. Quindi occorre dotare le aziende di efficaci piani di intervento. Allo stesso tempo, ad eventi violenti e concentrati di precipitazioni piovose fanno spesso seguito periodi piuttosto lunghi di assenza di precipitazioni. Quindi occorre predisporre usi razionali dell’acqua. E questo non deve essere impegno solo delle aziende fornitrici, ma dovrebbe esserlo di ogni singolo utente. Per quanto attiene al settore depurativo che patisce maggiormente le repentine variazioni dei flussi idraulici vale comunque l’invito a non gettare nei wc materiali estranei e non biodegradabili. Questa è una regola ancora troppo spesso sottovalutata. Interventi straordinari di manutenzione e di pulizia sono necessari per liberare le sezioni di trattamento da materiali estranei che oltrepassano la sezione di grigliatura. Spesso il trattamento di depurazione è conosciuto da non molte persone. Questo è un invito a non buttare tutto giù nl wc alla rinfusa.

Per quanto riguarda invece l’acqua potabile l’invito è sempre quello di risparmiarla e di non sprecarla. Destinandola agli usi principali, cioè per bere e cucinare, e per l’igiene personale.

In questo grafico viene suggerito come l’acqua piovana possa sostituire quella potabile per utilizzi diversi. Ma non solo l’acqua potabile, anche l’acqua depurata potrebbe avere utilizzi diversi, primo fra tutti quello irriguo. Non sono pochi gli ostacoli di carattere più burocratico che tecnico. Ma occorre essere molto attenti, e rendersi conto che dovremmo inserire tra le materie di studio anche quella dell’educazione idrica. Educarci a risparmiare e rispettare l’acqua. Da subito. Da ora. Vincendo inutili resistenze, rinunciando alla piscina gonfiabile in giardino, e del rito settimanale di lavaggio dell’auto.

Non è a mio parere una regressione, bensì il primo passo dell’educazione idrica . Fondamentale e indispensabile.

(Cogliamo l’occasione per ricordare il nostro collega di Unife Francesco Dondi che anche su questi temi ha speso la sua vita accademica; Francesco continuiamo la tua attività).

 

Un tema emergente: depuratori come bioraffinerie.

Mauro Icardi

Con una certa ricorrente periodicità si leggono sui giornali notizie che parlano in maniera molto generica del potenziale energetico della FORSU, ovverosia della frazione umida dei rifiuti solidi urbani, e più in generale dei reflui fognari. Ho seguito, a livello di esperienze in scala di laboratorio questo tipo di sperimentazioni, e posso dire che funzionano. Ma occorre fare immediatamente alcune considerazioni e sgombrare il campo da possibili obiezioni o fraintendimenti. Questo tipo di tecnica, cioè la codigestione di frazione umida dei rifiuti, o di diverse tipologie di residui di origine organica, di sottoprodotti di lavorazioni agroindustriali insieme ai fanghi originati dalla depurazione a fanghi attivi tradizionale, non è da confondersi con la produzione di biogas da biomasse eventualmente coltivate o importate esclusivamente a questo scopo.

Si tratta di una possibilità diversa. La digestione anaerobica è circondata troppo spesso dalla solita confusione che si fa quando si parla di questioni tecniche. I fanghi di risulta dei depuratori vengono mandati al trattamento di digestione anaerobica sostanzialmente per ridurne il potenziale di putrescibilità e per essere parzialmente igienizzati. La riduzione della percentuale di sostanza organica permette successivamente un trattamento più agevole dei fanghi destinati ad essere resi palabili e smaltibili con un trattamento di disidratazione meccanica.

La possibilità di trattare insieme ai fanghi la frazione umida dei rifiuti solidi aumenta considerevolmente la produzione di metano. Il principio della codigestione si adatta al trattamento anaerobico della FORSU; infatti, la combinazione di biomasse eterogenee permette di ottenere una matrice da digerire che risponda meglio alle caratteristiche chimico-fisiche desiderate. Ad esempio, una corretta ed attenta miscelazione di matrici differenti può aiutare a risolvere problemi relativi al pH e al corretto rapporto acidi volatili/alcalinità.

La codigestione è pratica standard in diversi paesi europei, quali Francia e Norvegia.

Le matrici attualmente più utilizzate nella codigestione sono gli effluenti zootecnici, gli scarti organici agroindustriali e le colture energetiche. Gli scarti organici da utilizzare come co-substrati provengono dalle più svariate fonti e possiedono quindi forti differenze nella composizione chimica e nella biodegradibiltà. Alcune sostanze (quali percolati, acque reflue, fanghi, oli, grassi e siero) sono facilmente degradabili mediante digestione anaerobica senza richiedere particolari pretrattamenti, mentre altre (scarti di macellazione e altre biomasse ad elevato tenore proteico) necessitano di essere fortemente diluite con il substrato base, in quanto possono formare metaboliti inibitori del processo (ad esempio l’ammoniaca). Una vasta gamma di matrici richiede step vari di pretrattamento quali, ad esempio, il rifiuto organico da raccolta differenziata, gli alimenti avanzati e/o scaduti, gli scarti mercatali, i residui agricoli e gli scarti di macellazione. La codigestione, se gestita correttamente, è una buona pratica per migliorare la gestione e le rese di un impianto di digestione anaerobica.

Le modifiche impiantistiche dei digestori esistenti potrebbero riguardare la realizzazione di agitatori interni al comparto di digestione, e nel caso del trattamento di frazioni organiche solide di trituratori e coclee per il caricamento dei reflui nel comparto di digestione.

Oltre a problemi di tipo impiantistico e di gestione di processo occorre anche citare problemi di carattere autorizzativo e burocratico. Che permettano di agevolare l’eventuale uso di residui che da rifiuti si trasformino in materie prime secondarie.

Un ultima considerazione. Mediamente la produzione specifica di biogas dai soli fanghi di depurazione desunta da dati di letteratura e sperimentali è di circa sui 10 m3/t. Quella della FORSU raggiunge i 140 m3/t.

La sinergia è quindi ampiamente auspicabile.

Questo filmato mostra una prova di infiammabilità eseguita insieme a studenti dell’Università di Varese durante una delle sperimentazioni lab scale di codigestione.

Una piccola dedica ed un ricordo di anni proficui sia professionalmente che umanamente. Una piccola dedica ai ragazzi che ho seguito con affetto e passione.

Fatta questa lunga premessa, in questi giorni ho notato che la pubblicità di una nota industria petrolifera parla di sperimentazioni volte ad ottenere “tramite lo studio della decomposizione anaerobica dei primi organismi viventi” lo sviluppo di un processo che permette “di ottenere un bio olio da impiegare direttamente come combustibile o da inviare successivamente ad un secondo stadio di raffinazione per ottenere biocarburante da usare nelle nostre automobili”.

Questa affermazione mi lascia sinceramente perplesso. Il tema dell’ottenimento di petrolio dai rifiuti ricorda la vicenda ormai nota della Petrol Dragon.

E’ noto che per convertire sostanza organica in idrocarburi si debba lavorare ad alte pressioni e temperature. Uno studio sperimentale per convertire alghe in biocarburante identifica i parametri di processo in una temperatura di 350°C e pressione di 3000 psi.

Questo il link dello studio.

http://www.smithsonianmag.com/innovation/scientists-turn-algae-into-crude-oil-in-less-than-an-hour-180948282/?no-ist

Questo processo convertirebbe dal 50 al 70% della mistura di acqua e alghe in “una specie di petrolio greggio in meno di un’ora” .

Da quel che si deduce fino ad ora lo studio è fermo alla fase di realizzazione in scala impianto pilota.

Allo stesso modo un processo che volesse ottenere combustibili liquidi utilizzando come materia prima la FORSU e che dovrebbe subire lo stesso tipo di trattamento, da adito a diverse perplessità, vista l’eterogeneità del materiale di partenza.

La FORSU che sappiamo essere facilmente gassificabile dovrebbe produrre biogas che si dovrebbe convertire in gas di sintesi, se la quantità di metano fosse sufficientemente elevata, e successivamente tramite reazioni quali quella di Fischer Trops in carburante sintetico. Probabilmente troppi passaggi. E visto il prezzo ancora relativamente basso del petrolio probabilmente anche antieconomico.

Nuove tecnologie e sperimentazioni per il recupero energetico nella depurazione.

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

Il recupero di energia negli impianti di depurazione si utilizza da tempo. Negli impianti centralizzati di medie-grandi dimensioni (indicativamente dai 50.000 fino ai 100.000 abitanti equivalenti) che solitamente effettuano il trattamento dei fanghi con il processo di digestione anaerobica, si effettuava un recupero del biogas per il riscaldamento dello stesso digestore, dopo avere filtrato il gas dalle impurezze, in particolare l’acido solfidrico, particolarmente aggressivo per le strutture metalliche, e la deumidificazione.

Questa non si può in senso stretto definire un’operazione completa di recupero energetico. In seguito si sono utilizzati per la combustione del biogas e la produzione di energia elettrica anche dei motori ciclo diesel opportunamente modificati. Per il loro funzionamento, è necessario fino al 10% di diesel o di olio combustibile per l’accensione, che viene iniettato direttamente nella camera di combustione, mentre il biogas viene iniettato insieme all’aria. Generalmente i motori possono funzionare anche solo con gasolio o petrolio.

Il vantaggio principale di questo tipo di motori consisteva nel fatto che potevano funzionare anche con basse percentuali di metano nel biogas (< 30-45%) quindi anche con biogas di scarsa qualità. Necessitano però di frequenti manutenzioni, oltre alla necessità del combustibile supplementare. Hanno anche una elevata emissione di NOx allo scarico.

Per il recupero energetico del biogas prodotto dagli impianti di trattamento dei fanghi residui si possono utilizzare anche sistemi anche sistemi cogenerativi a microturbina. Questo tipo di soluzione permette l’utilizzo del biogas anche senza necessità di installare nessun sistema di filtraggio degli inquinanti emessi.

Le emissioni di una microturbina risultano significativamente più basse di quelle di un motore alternativo che riesce ad ottenere il rispetto dei limiti di legge sulle emissioni con l’ausilio di un sistema catalitico sullo scarico fumi. Alcune microturbine in commercio hanno emissioni di NOx dell’ordine dei 10 mg/Nm3 contro un limite di legge che è pari a 20 mg/Nm3.

Lo svantaggio è da ricercarsi nel maggior costo di investimento iniziale. Altro limite per l’utilizzo di queste macchine è il rendimento elettrico inferiore, quindi l’utilizzo e la progettazione di un sistema di questo tipo deve prevedere lo sfruttamento del calore prodotto. Al contrario, i motori a combustione interna sono più adatti dove non ci sia elevato bisogno di sfruttare energia termica.

Ma nel tempo i gestori degli impianti, spesso in sinergia con le università, hanno sviluppato ulteriori progetti volti a migliorare ulteriormente il recupero energetico non solo di calore e di energia elettrica, ma anche di sottoprodotti utili dai reflui. In altre parole di mettere al lavoro i batteri che sono responsabili della depurazione delle acque reflue. Due sperimentazioni si sono avviate recentemente in due tra i più grandi impianti del nord Italia: quello del depuratore di Milano Nosedo, e quello del Po Sangone di Torino.

A Nosedo è stata effettuata una sperimentazione effettuata da RSE (Ricerca Sistema Energetico), Università di Milano. Il progetto è stato promosso da Regione Lombardia e Ministero dell’Istruzione, dell’Università e della ricerca con l’utilizzo di fondi europei.

L’idea è quella di sfruttare la capacità dei batteri di fermentare la sostanza organica e di trasferire gli elettroni derivanti dal processo di ossidazione tramite una corto circuitazione tra metallo e componente biologica. Questo permette di realizzare una pila a combustibile batterico. I batteri catalizzano le reazioni di ossidazione del combustibile e quindi il passaggio di elettroni dall’anodo al catodo. La pila microbiologica è costituita da due compartimenti, ciascuno contenente un elettrodo, l’anodo e il catodo. Le due camere, una in assenza e l’altra in presenza di ossigeno, sono separate da una membrana semipermeabile che consente lo scambio di protoni.

Normalmente i batteri presenti nelle acque nere trasferiscono gli elettroni prodotti durante il consumo del loro cibo (le sostanze organiche) all’ossigeno. Ma posti nel comparto dell’anodo, che si trova in assenza di ossigeno, sono costretti a cedere gli elettroni prodotti direttamente all’elettrodo, che li trasferisce al catodo. La differenza di potenziale tra un elettrodo e l’altro produce energia. Nella camera del catodo, gli elettroni si riuniscono ai protoni passati attraverso la membrana e combinandosi insieme all’ossigeno producono acqua come sottoprodotto.

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http://www.focus.it/scienza/scienze/energia-pulita-dall-acqua-sporca Credit: Bruce Logan Pennsylvania State University

La fase sperimentale iniziata nella primavera del 2014 è terminata L’industrializzazione del processo secondo i responsabili della sperimentazione potrebbe avvenire nel medio periodo. In questo modo dalle biomasse si potrebbero ottenere non solo biogas o biocarburanti, ma anche energia elettrica.

Lo scorso marzo partecipando ad un convegno presso il depuratore in questione ho scoperto che non solo è stata effettuata questa sperimentazione, ma anche che l’impianto già effettua riscaldamento e raffrescamento degli edifici sfruttando il calore presente nelle acque reflue utilizzando le pompe di calore.

Nell’ottica di aumentare l’efficienza energetica e di ridurre l’utilizzo di combustibili fossili queste iniziative sono assolutamente lodevoli.

Anche al depuratore Po Sangone di Torino si è dato il via nel novembre del 2011 ad un progetto tendente a massimizzare il recupero energetico. Il progetto denominato Sofcom che significa  Solid Oxide Fuel Cell, una tecnologia di celle a combustibile ad ossidi solidi che funzionano alla temperatura di 800 ° C e sono alimentate a biogas. Il prototipo messo a punto presso l’impianto di Torino trasforma il biogas prodotto dal trattamento del fango attraverso il processo elettrochimico che avviene negli elettrodi di cella. Il biogas come per ogni altra sua applicazione viene depurato dallo zolfo e dagli altri contaminanti. Questa tecnologia permette di ottenere rendimenti di produzione di energia elettrica con un rendimento che può arrivare al 50% mentre le macchine termiche (di dimensioni analoghe) si attestano intorno al 30-35%. Gli esausti anodici del processo sono già privi di azoto, mentre la CO2 viene fatta passare in un fotobioreattore dove avviene la crescita di colture algali che si nutrono di essa. Questo passaggio completa il processo che parte dal biogas, produce energia elettrica e utilizza la CO2 nel fotobioreattore dove possono essere trattate anche parte delle acque reflue ricche di nitrati e fosfati. Per esempio per effettuare un trattamento terziario di finissaggio delle acque già trattate con il processo convenzionale a fanghi attivi.

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Anche in questo caso la sperimentazione è terminata ma il politecnico di Torino si è aggiudicato un finanziamento per il progetto denominato Demosofc che dovrebbe occuparsi di realizzare la versione industriale del prototipo.

I due progetti sono indubbiamente il fiore all’occhiello di queste due grandi realtà impiantistiche, cioè uno dei tre depuratori di Milano (Nosedo), ed uno “storico” come quello del Po Sangone che come scritto in altri miei articoli è stato descritto in un libro non tecnico, bensì un romanzo di Piero Bianucci.

Questo è il futuro della depurazione. Ed è incoraggiante che queste sperimentazioni si siano iniziate finalmente anche in Italia. In paesi come Norvegia, Francia, Danimarca e Germania sono usuali.

Con la conclusione di queste sperimentazioni si intravede per i depuratori una vocazione “produttiva”.

Nello stesso tempo il sistema depurativo in Italia deve provvedere anche a massicci investimenti per l’adeguamento degli impianti ormai obsoleti, alla chiusura di quelli la cui gestione risulta antieconomica e che non riescono per limiti strutturali a garantire un’efficienza depurativa adeguata (i tantissimi piccoli impianti di potenzialità inferiore a 5000 abitanti equivalenti).

Ma questi studi dimostrano come si possa e si debba coniugare l’efficienza depurativa con quella energetica. Un bel segnale per il futuro.

Trattamento e recupero dei fanghi di depurazione

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

Il trattamento dei fanghi residui dal trattamento di depurazione delle acque reflue è dal punto di vista organizzativo, tecnico, e di pianificazione quello che più impegna da decenni tecnici ed operatori del settore.

Gli inquinanti che vengono rimossi dai trattamenti depurativi si concentrano nei fanghi. Negli impianti di depurazione municipali o negli impianti di trattamento delle aziende il corretto trattamento dei fanghi rappresenta la soluzione a due problemi.

Uno economico e l’altro ambientale.

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Cioè rendere il fango idoneo ad uno smaltimento finale ad un costo il più possibile contenuto e nel contempo non provocare problemi di carattere sanitario o di inquinamento. I nuovi limiti più restrittivi imposti dalle norme europee (direttiva comunitaria 91/271/EEC) hanno fatto crescere la quantità dei fanghi prodotti dagli impianti a seguito del miglioramento e potenziamento degli impianti esistenti e alla realizzazione di nuovi.

Attualmente la produzione di fanghi nell’unione europea ammonta a circa 10 milioni di tonnellate di sostanza secca. L’Italia ne produce circa un milione di tonnellate.

La regione Lombardia produce circa 800.000 tonnellate di fanghi di depurazione tal quali ( 120.000 tonnellate di sostanza secca). Il 50% proviene da impianti di trattamento da impianti di depurazione municipali. Il 30% da impianti di trattamento di acque industriali, ed il restante 20% da impianti dell’industria agroalimentare.

La regione Lombardia ha emanato un deliberazione risalente al Luglio 2014 (deliberazione X/2031 01/07/2014) nella quale consente ancora l’utilizzo dei fanghi di depurazione in agricoltura, riservandosi di introdurre nuovi criteri sulla qualità dei fanghi da destinare al riutilizzo in agricoltura se dovessero essere emanate modifiche alla normativa statale vigente.

Nel contempo rivestono sempre maggior interesse le tecniche applicabili agli impianti di trattamento che hanno lo scopo di ridurne la produzione.

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Per quanto riguarda lo smaltimento dei fanghi per il riutilizzo in agricoltura sono da considerare con molta attenzione i valori limite per i metalli pesanti e le caratteristiche agronomiche dei fanghi. In particolare la composizione in carbonio organico, fosforo, azoto totale.

Queste le concentrazioni ammesse per i metalli nella deliberazione della Regione Lombardia

Metalli pesanti

Cadmio (Cd) mg/kg ss ≤ 22

Rame (Cu) mg/kg ss ≤ 1200

Nichel (Ni) mg/kg ss ≤ 330

Piombo (Pb) mg/kg ss ≤ 900

Zinco (Zn) mg/kg ss ≤ 3000

Cromo (Crtot) mg/kg ss ≤ 900

Mercurio (Hg) mg/kg ss ≤ 11

Nutrienti

Carbonio organico % SS > 10

Azoto totale % SS > 1,0

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L’utilizzo in agricoltura può essere una soluzione al progressivo impoverimento dell’humus dei terreni dovuta all’umidità e al riscaldamento. I fanghi non devono contenere sostanze persistenti e bioaccumulabili, e rimane comunque aperto il problema dei microinquinanti organici e degli inquinanti emergenti, tema che riguarda anche le acque reflue. Le analisi da effettuare per i microinquinanti organici sono quelle per la determinazione degli IPA;PCB;PCDD/F*. Queste analisi sono effettuate in fase di ammissibilità annuale per impianti di depurazione con potenzialità superiore ai 100.000 abitanti equivalenti. Questi i limiti ammessi

IPA mg/kg ss < 6

PCB mg/kg ss < 0,8

PCDD/F ng TEQ/kg ss < 50

I fanghi che possono essere ritirati sono di provenienza molto varia, per quanto riguarda quelli derivanti da processi di lavorazione dell’industria. Spaziano dall’industria alimentare fino alla produzione di grassi saponi e detergenti, che devono comunque rispettare i limiti precedenti.

I trattamenti di stabilizzazione e di igienizzazione consistono in digestione anaerobica mesofila a 35°C o termofila a 55° C con tempi di ritenzione minimi di trenta e venti giorni rispettivamente.

Anche la stabilizzazione aerobica prevede un tempo di ritenzione di venti giorni.

Altri trattamenti da che si effettuano sono la stabilizzazione con ossido di calcio e, se necessario, con acqua. Al termine dell’addizione del reagente, il fango è ammassato in apposita area per l’ultimazione del processo, conseguendo, contemporaneamente, un’adeguata igienizzazione. Durante tale periodo (qualche ora) si instaurano delle reazioni esotermiche che portano la temperatura della massa di fanghi fino a circa 50°-70° C. Terminata tale fase il fango ha raggiunto un pH alcalino almeno pari a 12.

Nel trattamento con ammoniaca Il fango, scaricato nell’area di messa in riserva, è immesso in apposito reattore/vasca chiusa in cui avviene il trattamento con il dosaggio di ammoniaca o soluzioni contenenti ammoniaca. Durante tale fase avviene un leggero innalzamento di pH ed un arricchimento di azoto. Il risultato è un fango igienizzato. Il processo avviene in ambiente liquido e pertanto è necessario che i fanghi miscelati raggiungano percentuali di sostanza secca con valori di circa 8 – 12%. In alcuni casi, per garantire condizioni di fluidità della miscela di fanghi, è aggiunta acqua.

Sono ammessi anche processi di trattamento termico (ad esempio trattamento termico del fango liquido per un minimo di 30 min a 70 °C) eventualmente combinati con processi di digestione anaerobica. Tali processi assicurano l’igienizzazione del fango.

Per ottenere un fango di maggiore qualità sarebbe consigliabile un trattamento ulteriore di compostaggio per migliorare la qualità agronomica.

I fanghi che non sono idonei al recupero agricolo possono essere destinati a trattamenti quali:

Co-Combustione dei fanghi tal quali (o previa disidratazione) presso inceneritori di rifiuti urbani, combustione presso inceneritori “dedicati” (previo essiccamento termico o disidratazione meccanica “spinta” per raggiungere la percentuale di secco sufficiente all’autonomia termica): una tipologia indicata di combustione appare in questo caso quella a “letto fluido”, utilizzo quale combustibile presso cementifici previa essicazione termica, combustione con produzione di vapore e produzione di energia utilizzabile per l’impianto, gassificazione, pirolisi, termocatalisi, etc.

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TRATTAMENTI DI MINIMIZZAZIONE DELLA PRODUZIONE

Sono trattamenti che si possono effettuare sia nella linea acque, che nella linea fanghi.   Le tecniche innovative applicabili sulla linea acque possono essere di tipo biologico (idrolisi enzimatica, trattamento alternato ossidazione aerobico-anaerobico) e quelli chimici (ozonolisi e termochimico). Sono trattamenti più “rischiosi” che richiedono un controllo molto attento della gestione.

Più sicuri quelli sulla linea fanghi (idrolisi termica nella fase di digestione anaerobica), ultrasuoni, digestione anaerobica termofila. Quest’ultima risulterebbe molto agevolata dalla codigestione di residui di lavorazione agricoli e industriali quali scarti della produzione lattiero casearia o frazione umida dei rifiuti solidi negli esistenti digestori anaerobici degli impianti municipali e consortili.

Vediamo alcuni di questi trattamenti:

Idrolisi termica: Solubilizzazione del fango ⇒ miglioramento delle rese di digestione anaerobica ⇒incremento della produzione di biogas.

Consiste nella scissione delle cellule e delle lunghe catene di molecole in presenza di acqua grazie all’applicazione di calore (termica) e/o di un reattivo che ne altera il pH. I vantaggi di questo trattamento nella minor produzione di fango, nella maggior produzione di biogas, e nella migliore igienizzazione del fango.

Ultrasuoni: Utilizzo di ultrasuoni (onde sonore con frequenza 20 ÷ 40 KHz) per il trattamento di fanghi (primari e secondari) che generano pulsazioni all’interno della massa di fango costituita da bolle o cavità; queste bolle o cavità aumentano di diametro fino a raggiungere uno stato critico, in corrispondenza del quale implodono

Il risultato finale è la distruzione delle strutture solide contenute nel fanghi. Si incrementa il COD rapidamente biodegradabile o rapidamente idrolizzabile a spese dei solidi sospesi.

Questo tipo di trattamento migliora la successiva disidratabilità del fango riducendo il consumo di polielettrolita organico. Lo svantaggio consiste nell’elevato consumo energetico.

http://www.isprambiente.gov.it/it/pubblicazioni/manuali-e-linee-guida/digestione-anaerobica-della-frazione-organica-dei

http://www.isprambiente.gov.it/it/pubblicazioni/rapporti/l2019ottimizzazione-del-servizio-di-depurazione

Il tesoro nascosto nelle fogne.

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

Lo scorso 23 Marzo, in occasione del 249° meeting dell’ American Chemical Society è stato presentato un progetto di studio per valutare la possibilità economica e tecnica del recupero di metalli dai reflui fognari. Molti giornali hanno titolato in maniera a mio giudizio superficiale di “miniera d’oro nelle fogne” oppure più prosaicamente “La cacca è una miniera”. Effettivamente l’articolo che si trova sul sito della società chimica americana usa questa frase “ Sewage. Yes poop could be a source of valuable metals and criticals elements” Ma leggendo in maniera più approfondita si rivela meglio il senso dello studio.

Katlheen Smith dello United States Geological Services nel presentare il progetto spiega che recuperare metalli avrebbe il beneficio di ridurne la concentrazione nei fanghi di risulta (biosolids) provenienti dal trattamento delle acque reflue. In America (ma anche in Italia) i fanghi di risulta sono riutilizzati in agricoltura. Negli Stati Uniti si originano annualmente più di sette milioni di tonnellate di fanghi. La metà circa viene reimpiegata e sparsa nei terreni.

Questo è il primo approccio dello studio e della sperimentazione.

Il secondo approccio è invece totalmente orientato al recupero di metalli preziosi e rari che potrebbero avere un mercato. Tra questi il vanadio e il rame. Si legge che il gruppo di studio sta lavorando in collaborazione con l’industria mineraria, sperimentando per l’estrazione dei metalli dai fanghi gli stessi prodotti utilizzati per l’estrazione dei metalli dalle rocce, o per il recupero dei concentrati di miniera.

Il progetto prevede anche di raccogliere ed incrociare i dati provenienti dall’EPA (Environmental Protection Agency) ed altre agenzie simili, con quelli dell’USGS.

Esaminando fanghi di depurazione al microscopio elettronico il gruppo della Smith ha iniziato a scoprire metalli come platino, argento e oro. A loro giudizio le quantità di minerali presenti sia pure in quantità minime, sarebbero commercialmente redditizie se si trovassero in matrici rocciose. La presentazione dello studio prosegue dicendo che la convenienza economica del recupero di metalli da fanghi di depurazione andrà valutata caso per caso.

Nella foto si vedono particelle di piombo e di oro in un fango di risulta osservate al microscopio elettronico. Di dimensioni inferiori a dieci micron.

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Credo ci siano alcune considerazioni da fare. La prima che mi viene in mente dopo avere letto alcuni anni fa il libro “La terra svuotata” di Ugo Bardi è che, dopo avere svuotato la terra, adesso vogliamo scavare anche nella latrina. E’ risaputo che ci sono problemi di approvvigionamento di metalli che saranno sempre più difficili e costosi da estrarre. Come ho già avuto modo di scrivere, non ho come chimico nessuna preclusione ad immaginare che si possano ricavare dai fanghi di depurazione. Anzi sono in generale un sostenitore del recupero di energia e materiali dagli impianti di trattamento delle acque.

Sarà ovviamente importante avere a disposizione dati certi ed attendibili per la corretta valutazione della convenienza al trattamento di estrazione

Il recupero di metalli da scarti di lavorazione come bagni galvanici, rifiuti elettrici ed elettronici, scarti dell’industria metallurgica, dei bagni radiografici si effettua usualmente da tempo. Le tecniche sono quelle di lisciviazione, la separazione solido liquido, l’elettrodeposizione, e i conosciuti e già applicati trattamenti chimico fisici. Per quanto riguarda il trattamento delle acque si tratta credo di una novità.

In quasi tutti i paesi che hanno regolamentato il ciclo idrico, esistono dei limiti di accettabilità per i reflui che vengono recapitati in fognatura e poi negli impianti di trattamento centralizzati. Per quanto riguarda poi i limiti allo scarico in acque superficiali, la tendenza è quella di raggiungere standard qualitativi sempre più elevati. Ovviamente maggiori standard raggiunti nelle acque reflue depurate significheranno maggiori concentrazioni di inquinanti nei fanghi residui. E di conseguenza maggiori difficoltà nel reperimento di siti per lo smaltimento, ed anche una modifica dello scenario del conferimento degli stessi.

Queste premesse sembrerebbero essere favorevoli ad intraprendere un cammino di questo genere. Mi fanno anche pensare alla necessità di investimenti e modifiche importanti nelle strutture degli impianti tradizionali. Un impegno anche in verifiche rigorose della funzionalità dei comparti presenti negli impianti. Oltre a tutto questo a stabilire sinergie con le industrie ed i comparti produttivi. La mia esperienza di lavoro è ormai arrivata ai venticinque anni (nozze d’argento con la depurazione…). E mi sono reso conto che gli scenari sono mutati. Cosi come negli anni sono mutate abbastanza spesso le caratteristiche qualitative dei reflui in ingresso agli impianti e di conseguenza dei fanghi prodotti dal trattamento. Quindi ci dovranno essere scambi di dati ed informazioni tra industrie, gestori, enti di controllo. E gli impianti futuri dovranno essere impianti molto modulari, capaci di adattarsi a mutamenti sia nel flusso idraulico dei reflui in ingresso, sia nelle variazioni di composizione degli stessi.

In futuro si potrebbero dover modificare i protocolli di analisi. Alcuni dei metalli che lo studio americano cita, non sono presenti nei protocolli analitici usuali. Oro e vanadio per esempio.

In Italia il decreto legislativo 99 del 1992 che regolamenta l’utilizzo dei fanghi di depurazione in agricoltura prevede di ricercare nei fanghi i valori di concentrazione di cromo, cadmio, nichel, mercurio, piombo rame e zinco, potassio.

L’ultima considerazione mi porta a considerare l’opera di Nicholas Georgescu Roegen e quello che definì il “quarto principio della termodinamica”. In sostanza un limite alle possibilità di riciclo infinito della materia.

Ma credo che ai ricercatori statunitensi debba andare il nostro sostegno ed incoraggiamento. Insomma le fognature come miniere sono la rappresentazione dei nostri tempi. Che ci vedranno impegnati nella modifica di molti processi produttivi. In tutto questo penso che la chimica ed i chimici saranno molto impegnati.

Chiudo con la citazione dello studio dell’USGS statunitense che in un recente environmental Science and Paper (2015, DOI: 10.1021 / es505329q) ha calcolato che il valore economico dei rifiuti prodotti da un milione di americani potrebbe valere 13 milioni di dollari in metalli.

Link della presentazione dello studio dell’American Chemical Society

http://www.acs.org/content/acs/en/pressroom/newsreleases/2015/march/sewage-yes-poop-could-be-a-source-of-valuable-metals-and-critical-elements.html

Chiare, fresche, …..dolci acque!

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 (siricaro@tiscali.it)

Le acque da depurare non sono tutte uguali. Quelle che provengono dalle industrie hanno ovviamente delle caratteristiche proprie diverse da quelle che provengono dalle abitazioni. Il trattamento per esempio dell’acqua degli zuccherifici, un’acqua che non è del tutto fuori luogo definire “dolce”, visto che è molto arricchita in saccarosio (il normale zucchero da tavola), è un ‘acqua reflua che deve essere trattata in tempi relativamente rapidi.

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saccarosio

Non è molto prudente infatti che questo tipo di acqua resti in bacini di accumulo per troppo tempo. Sei ore sono all’incirca il limite massimo, prima che queste acque comincino ad emanare odori decisamente sgradevoli e  diventare aggressive nei confronti delle strutture metalliche. L’acqua negli zuccherifici viene utilizzata per il lavaggio ed il trasporto delle barbabietole, e proviene dall’evaporazione del succo zuccherino estratto dalle barbabietole stesse. L’acqua di evaporazione, dopo essere stata condensata, costituisce quella che viene chiamata “acqua ammoniacale”. In origine non è contaminata da materie organiche. A quest’acqua si aggiungono altre acque residue provenienti dal processo, dal lavaggio degli impianti e delle barbabietole stesse. L’acqua reflua si arricchisce quindi di materiale organico (residui di erba, zucchero proveniente dalle barbabietole rotte, residui di barbabietole marcite). Questi apporti rendono questo refluo molto appetibile dai microorganismi che sono responsabili dei normali processi di depurazione aerobica. Si tratta di un refluo facilmente biodegradabile. Anche i microorganismi anaerobici però lo gradiscono, ma a differenza dei microorganismi aerobici che come prodotti finali del loro metabolismo hanno molecole inorganiche che non danno particolari problemi, i prodotti finali di una degradazione anaerobica dell’acqua zuccherata possono produrre composti quali l’acido solfidrico,l’acido valerico (o valerianico o penatanoico), metilsolfuri.

H2S

acido solfidrico, H2S

dimetilsolfuro

dimetilsolfuro

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acido valerico, valerianico o penatnoico

Queste molecole hanno la spiacevole caratteristica di emanare odori sgradevoli: l’acido solfidrico il tipico odore di uova marce, l’acido valerianico (pentanoico) odore di sudore, i metilsolfuri odore di cavolo.Sono odori piuttosto penetranti e che percepiamo facilmente.  Negli zuccherifici molto spesso prima del trattamento di depurazione vi sono grandi vasche chiamate vasche di lagunaggio. Queste vasche possono essere areate con turbine superficiali, come una normale vasca di ossidazione, ma molto spesso ne sono prive. Sono pensate per effettuare un pretrattamento prima di inviare l’acqua  in un normale depuratore. Se si sviluppano cattivi odori, sono ancora i microrganismi a venire in aiuto, ma questa volta sono miscele di batteri selezionati e disponibili in commercio. Batteri aerobici che lavorano di solito molto bene in presenza di ossigeno disciolto vengono costretti a lavorare in carenza di ossigeno. La loro funzione è quella di evitare lo sviluppo dei cattivi odori in queste vasche di pretrattamento e di rendere più facile il normale trattamento biologico che si effettuerà successivamente. Il problema degli odori nelle acque che si originano dalla lavorazione delle barbabietole si possono risolvere con un dosaggio controllato e regolare di queste miscele selezionate. Si possono utilizzare in alternativa prodotti quali ipoclorito di sodio o acqua ossigenata per impedire la fermentazione anaerobica.

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acqua ossigenata o perossido di idrogeno

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ipoclorito di sodio

Sono prodotti normalmente usati per la disinfezione. L’acqua ossigenata la usiamo normalmente per disinfettare le nostre piccole ferite. Ci è familiare lo  schiumeggiamento dovuto allo sviluppo di ossigeno quando la applichiamo su tagli o abrasioni. Lo stesso effetto questi prodotti lo hanno sulla biomassa depuratrice. Sono prodotti da dosare con attenzione per non distruggerla.  In genere la quantità di prodotto che deve essere utilizzata  rende però difficile e poco conveniente questo tipo di trattamento. Questo processo di fermentazione anaerobica indesiderata sposta il valore di pH del refluo verso il campo acido (valore di 5-6). Per correggerlo e quindi evitare problemi di corrosione si dosano prodotti basici quali calce o soda.

Visto che l’acqua di zuccherificio ha la tendenza a poter sviluppare una degradazione anaerobica non desiderata, si può pensare di assecondare questa tendenza e utilizzare un processo di digestione anaerobica per trattarla. Non da sola, ma mescolata con i residui di lavorazione (barbabietole esauste e foglie). In questo modo si produce gas biologico costituito normalmente per il 50-70% di metano che si può utilizzare come combustibile per produzione di sola energia termica o in un cogeneratore anche per la produzione di energia elettrica.

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Metano

Un impianto di questo tipo può produrre circa 350- 400 Nm3 di gas biologico per tonnellata di sostanza organica biodegradabile secca.  Alla fine del processo tramite un separatore il liquido risultante può venire trattato in un impianto di recupero acque, mentre la parte solida e quella acquosa molto concentrata si destinano di solito ad impianti di compostaggio.

Il trattamento anaerobico può essere fatto anche solo sulle acque zuccherine. In questo caso si utilizzano digestori anaerobici di tipo diverso, chiamati digestori anaerobici a letto di fango granulare (Upflow anaerobic sludge blanket) e dopo il trattamento il refluo viene inviato in un classico impianto di depurazione a fanghi attivi.

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digestore anaerobico – http://www.sereco.it

Nel corso degli anni le industrie saccarifere, ma in generale tutte le industrie , hanno posto molta attenzione al risparmio dell’acqua che viene utilizzata nel processo produttivo. Se un tempo negli zuccherifici si potevano impiegare fino a 15mdi acqua per tonnellata di barbabietole lavorate, oggi questo valore è decisamente calato fino a valori di meno di un metro cubo (di solito 0,5-0,8  mdi acqua per tonnellata ). Le acque utilizzate in sezioni quali quelle di lavaggio, di pressatura delle polpe di barbabietola e le acque di condensa delle sezioni di evaporazione sono ricircolate. Ognuna di queste acque subirà un trattamento per renderla idonea al reimpiego. Le acque di lavaggio vengono inviate in un decantatore per permettere la sedimentazione dei residui di terra. Altri trattamenti normalmente impiegati per il reimpiego delle acque di processo sono quelli chimico fisici di flocculazione utilizzando polielettrolita organico e idrossido di sodio.

Le chiare e dolci acque zuccherine possono riservarci sorprese sgradevoli, diventando acque maleodoranti. Il problema degli odori delle acque reflue è un problema sentito e che impegna a fondo chi lavora nel settore della depurazione. Percepire un odore è una sensazione soggettiva, in qualche caso può esserci qualche preconcetto che ci impedisce di lavorare con serenità. Ricordo che avevo iniziato da poco a lavorare e stavo come si dice  “imparando il mestiere”. Ricevetti una telefonata da una signora che abitava in una casa poco distante dell’impianto. Lamentava di sentire odore che probabilmente proveniva dalla sezione di grigliatura. Questa sezione degli impianti di depurazione è oggettivamente critica per lo sviluppo di odori sgradevoli visto che sulle griglie si raccoglie materiale solido di varia origine  che può dare problemi di questo tipo. Per risolvere il problema decidemmo, oltre ad incrementare gli interventi di rimozione del materiale trattenuto dalle griglie ed i lavaggi delle griglie stesse, di spruzzare un deodorante al profumo di pino silvestre in quest’area dell’impianto. Eravamo convinti di avere fatto del nostro meglio per risolvere il problema ed accontentare la signora. Due giorni dopo la stessa signora ritelefonò chiedendoci che cosa fosse mai questo odore di pino che sentiva!

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alfa-pinene

Una filtrazione ferrea.

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 Luigi Campanella (ex presidente SCI)

I processi mondiali di industrializzazione ed urbanizzazione hanno prodotto come risultato un crescente inquinamento delle acque. Le sorgenti della contaminazione includono le attività agricole, domestiche, industriali, minerarie, medico-chimiche, di smaltimento tanto che oggi si guarda alle acque superficiali di molti ambienti come a dei veri e propri cocktail di inquinamento.

Il numero di gruppi di specie chimiche potenziali contaminanti è molto vario:dai composti organici clorurati ai coloranti, dai metalli pesanti ai nitro aromatici, dai farmaci ai fenoli. Ciascuna classe è costituita da sostanze singole con differenti proprietà chimiche e fisiche. Per esempio i coloranti sono di varia dimensione molecolare e differente solubilità, possono essere anionici, cationici, o neutri. Alcuni di essi sono composti redox attivi. In altre parole parlare dei coloranti come di una classe di sostanze non è appropriato, e questo vale anche per il risanamento, che si basa su specifiche interazioni fra la tecnologia di rimozione ed il contaminante (assorbimento, co-precipitazione, coagulazione, scambio ionico, ossidazione, riduzione, esclusione molecolare, delle quali assorbimento coprecipitazione e esclusione molecolare si applicano anche alla contaminazione microbica). Poiché come si diceva le acque naturali possono essere considerate un cocktail di inquinanti, risulta evidente come la rimozione non possa essere affidata ad una sola tecnica ma debba risultare dalla integrazione fra metodi diversi in vere e proprie catene,alla fine delle quali gli effetti di ogni trattamento si somma agli altri.

Alla ricerca di metodi più compatti,scartati i sistemi centralizzati perché troppo costosi ci si è orientati verso le tecnologie di membrana che combinano ultra- filtrazione ed osmosi inversa, risultate idonee per eliminare contaminazioni chimiche, fisiche e microbiche. Quando si parla di tecnologie appropriate si intende enfatizzare che la soluzione preposta deve essere perseguibile su piccola scala, con basso consumo energetico, non inquinante, affidabile, capace di utilizzare risorse prevalentemente se non esclusivamente locali, con relativi controlli possibili da parte della popolazione interessata.

Il ferro come tale è da oltre un secolo considerato un agente di rimozione e recupero dei metalli disciolti. La sua applicazione alla preparazione delle acque potabili è recente:si basa sulla azione riducente esercitata sugli ioni dei vari metalli con deposizione dei metalli ridotti sulla superficie del filtro di ferro. Il principio è ulteriormente migliorato dal fatto che il pH sperimentale comporta l’ossidazione del Ferro (0) a Ferro (II) con la formazione di prodotti di corrosione fra i quali quelli del Fe (II) agiscono da ulteriori riducenti. Il parametro principale di controllo è la concentrazione dell’ossigeno disciolto che non dovrebbe eccedere 1,5 mg/l. Questo controllo può essere realizzato con biofiltri a sabbia.

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Nota dell’amministratore.

Questa piccola ma densa e brillante (lasciatemelo dire) nota di Luigi Campanella, mi ha messo in crisi (e non solo me ma anche altri membri della redazione), perchè il fenomeno citato relativo al ferro elementare mi risultava del tutto sconosciuto; ebbene devo ringraziare Luigi per avermi insegnato una cosa; ho scoperto che i filtri a sabbia arricchiti di ferro elementare sono un recente ed efficace ritrovato di grande efficienza depurativa.

Si tratta di un ulteriore esempio della “dualità” della Chimica; la ossidazione del ferro, la formazione della ruggine, la corrosione, cioè uno fra i più midiciali nemici della tecnologia umana che diventa una sussidio fondamentale per combattere le malattie che vengono dall’acqua, che oggi condannano alla morte milioni di uomini!

I due meccanismi principali del funzionamento del ferro elementare sarebbero:

1) la formazione di particelle cariche positivamente che tendono a far aderire particelle di segno opposto; i batteri e i virus tendono ad avere una leggera carica negativa (i polisaccaridi extracellulari tendono a comportarsi da polianioni!!)

2) il Fe(II) tende a comportarsi come riducente verso altri elementi in soluzione mentre si ossida a Fe(III).

Chi è interessato può leggere :

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/clen.200900114/pdf

https://www.ideals.illinois.edu/bitstream/handle/2142/26107/Bradly_Ian.pdf

http://web.mit.edu/watsan/Docs/Other%20Documents/KAF/NgaiWalewijk-%20ABF%20Report2003.pdf

http://cee.illinois.edu/biosand_filters

ironsandfilter

PS E dato che una citazione letteraria qui non può mancare, con mera azione preventiva, aggiungo che Primo Levi nel suo racconto “Cromo”, dove fra l’altro narra del suo primo incontro con la moglie, parla di corrosione e vernici anticorrosione, di ricette la cui origine di perde nei secoli o nel tempo e nessuno la sa più e di come il cloruro di ammonio, che certo non previene la formazione di ruggine, ma anzi la favorisce venisse cionondimeno aggiunto in una vernice antiruggine ai cromati per prevenire l’impolmonimento della medesima, con una ricetta di cui lui medesimo era l’origine, ma di cui si era velocemente persa la motivazione; un’argomento, questo della perdita della memoria, che gli stava particolarmente a cuore, come certamente capirete da voi.