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.

depura3

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.

depura5

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.

fangidepurazione

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.

 Desiccation-cracks_hg

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

220px-ImhoffGlas

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.

Schema_ARA_grande

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.

orofogne1

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.

Saccharose2.svg

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

220px-Valeric_acid_acsv.svg

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.

180px-Hydrogen-peroxide-2D

acqua ossigenata o perossido di idrogeno

200px-Sodium-hypochlorite

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.

100px-Methane-2D-stereo.svg

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.

digestoreanaerobico

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!

150px-Alpha-pinen.svg

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.

ironamended-biosand-water-filter-in-nepal-1-728

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.

La depurazione delle acque come arte (parte 4)

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, qui e qui.

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

La chiacchierata sulla depurazione come arte ha preso spunto da un romanzo pubblicato ormai vent’anni fa. Un romanzo che mi incuriosì perché era abbastanza singolare che  trattasse di un argomento poco conosciuto dai non addetti ai lavori.


Io lavoravo in questo settore da quattro anni, e mi rendevo conto che, come per ogni altro tipo di lavoro, era necessario imparare le malizie, i trucchi. Bisognava “imparare il mestiere”. Perché molte volte quello che è scritto sui libri non basta. Perché il fango che dovrebbe sedimentare perfettamente dall’acqua depurata proprio non ne vuole sapere di adagiarsi sul fondo del sedimentatore per essere raccolto, e docilmente accompagnato al suo trattamento. Ma flotta, viene a galla, diventa quasi ingestibile. E allora cominciano i dispiaceri, le arrabbiature, le classiche rogne. E mi ponevo le classiche domande.

Sarà un problema di processo? Per qualche motivo l’impianto starà trattando un liquame non bilanciato, quello che  non rispetta il famoso rapporto scritto in ogni testo che tratta di quest’arte, e che ti dice tra sostanze organiche, azoto e fosforo deve esserci una proporzione di 100: 5:1 ?

Sara stato scaricato qualche scarico tossico o inibente ?

Tutte le apparecchiature staranno funzionando regolarmente ?

Col passare degli anni ci si fa il callo. Si riesce quasi sempre ad identificare un problema se non immediatamente, con una buona approssimazione.

Ricordo una domenica, quando venni chiamato a casa mentre stavo giocando con mia figlia che aveva allora quattro anni. La voce del collega al telefono mi descriveva una situazione quasi apocalittica, nuvole di schiume da tensioattivi, la possibilità di un avvelenamento di tutto il fango biologico nella vasca di ossidazione (il nostro reattore biologico). In realtà era semplicemente il blocco di una pompa di ricircolo che non ricircolava il fango in testa al reattore per un guasto elettrico. Ma il quadro, che allora era di vecchio tipo, non segnalava l’allarme di blocco pompa per una banale lampadina bruciata.

Col tempo ci si rende conto che bisogna stabilire un legame stretto con i collaboratori dei settori della manutenzione elettrica e meccanica. Ognuno di noi può imparare qualcosa dall’altro. E anche se tu, “chimico implume”, (citazione dall’ amatissimo Primo Levi) hai passato  ore a studiare le caratteristiche delle pompe degli impianti chimici, i diagrammi portata-prevalenza, le curve di isorendimento, ti rendi conto che c’è qualcuno che forse ha letto meno libri di te, ma che al momento la sa più lunga.

Arriva poi il momento che ti viene chiesto di istruire studenti che stanno preparando una tesi, o di parlare di come si svolge il lavoro in un depuratore. A partire dal 2008 ho avuto modo di iniziare una collaborazione con l’Università dell’Insubria di Varese. Sperimentazione terminata lo scorso anno.

Abbiamo testato cosa si può aggiungere ai  fanghi in un digestore, per farlo funzionare meglio, e per produrre più biogas. Reflui dell’industria della produzione della birra, della produzione lattiero casearia, fino alla frazione umida dei rifiuti solidi, ed ai residui delle deiezioni di allevamento. Chimica umile, campionamenti di materiale che per le sue caratteristiche può anche far storcere il naso quando lo si  maneggia o lo si campiona. Un’esperienza che mi ha fatto capire quanto si potrebbe e si dovrebbe ancora fare. Realizzando ulteriori sperimentazioni a livello di impianto pilota, fino alla realizzazione operativa.  La codigestione di reflui organici per migliorare il rendimento dei digestori anaerobici municipali è  suggerita dall’agenzia europea di protezione ambientale. Il biogas prodotto dagli impianti in Norvegia ed in Francia viene riutilizzato per riscaldamento, cogenerazione. Ad Oslo il biogas compresso deumidificato e desolforato viene utilizzato come carburante per gli autobus del servizio urbano.

Questo è un ringraziamento a tutti gli studenti che ho seguito in questi anni. Mi hanno dato davvero tanto dal punto di vista umano. E ai loro docenti che hanno voluto attivare questo ciclo di collaborazione. E’ stato a volte faticoso gestire  il progetto contemporaneamente alla routine del mio lavoro quotidiano. Insegnare a studenti che non vi erano mai entrati come muoversi in un laboratorio chimico. Come usare gli strumenti, le pipette e la mitica propipetta a tre valvole.


Insegnare loro che agli acidi è pericoloso “dare da bere”. Spiegare loro sul campo cos’è un depuratore, visto che lo avevano visto solo sulle fotografie nei loro testi universitari.  Ma  l’emozione il giorno della loro laurea, è stata anche la mia. E le loro parole di riconoscenza e stima mi hanno davvero fatto piacere. Praticamente tutti hanno trovato occupazione. Alcuni hanno proseguito il loro percorso universitario fino alla laurea magistrale. Ogni tanto mi chiamano per qualche suggerimento e consiglio. Ed è molto bello che il contatto con loro non si sia mai interrotto.
Qualche considerazione ancora. La depurazione (ma in generale la gestione del ciclo idrico nel suo insieme) deve affrontare problemi nuovi. Per gestire il bene acqua occorre fare ancora tanto. Dal punto di vista tecnico bisogna adeguare gli impianti più obsoleti.  Affrontare il tema degli inquinanti emergenti. Normarli, capire quali sono i limiti che gli impianti possono tollerare. Capire come trattarli in maniera efficace ed economica. Servirà impegno. Serviranno risorse economiche. E personale adeguatamente formato e preparato.  I chimici sono pronti e adatti a questo impegno.

Rispondo adesso a due domande che mi vengono spesso fatte, ma che credo ogni collega si sia sentito rivolgere .
“Il depuratore pesca acqua dal fiume?”

Risposta.

” Il depuratore non preleva acqua dai fiumi o dai laghi per depurarla. Riceve le acque delle fognature di una città o di un paese, le sottopone ad una serie di trattamenti, e poi le restituisce all’ambiente, o meglio ad un corpo idrico ricettore (fiume , lago o mare) dopo avere trattenuto mediamente l’ottanta per cento di queste sostanze inquinanti.”

“L’acqua in uscita dal depuratore si può bere ?”
Risposta

“L’acqua in uscita dal depuratore è idonea ad essere scaricata in un corpo idrico ricettore (fiume, lago o mare). Esistono dei limiti per i principali inquinanti normati (limiti tabellari) che il depuratore deve rispettare. Se questi limiti non sono rispettati possono essere erogate sanzioni amministrative o penali. Per ora in Italia non esistono ancora impianti di recupero integrale dell’acqua, impianti cioè che dopo aver depurato l’acqua di fogna, la sottopongano ad un successivo trattamento di potabilizzazione. Ma in paesi come il Sudafrica o gli Stati Uniti ne sono stati realizzati”

Queste due domande mi sono state fatte centinaia di volte. Le prime volte mi sembravano domande assurde. Poi ho capito che rivelavano la necessità di informare cittadini, studenti e persone interessate su quello che si fa in un depuratore, o nella gestione di una rete di acquedotto.
La risposta alla seconda domanda ha lasciato molte persone perplesse. Eppure questa possibilità tecnicamente esiste. E’ una possibilità limite. Per non arrivare a questa situazione occorre gestire e preservare le fonti di acqua per uso potabile di cui disponiamo. Sembra banale. Non lo è.
La gestione del bene acqua si intreccia con altri problemi a cui stiamo assistendo. Primo fra tutti il cambiamento climatico. Si dice da anni che dobbiamo risparmiare acqua. Rinnovo l’invito. Anzi, dove è possibile, recuperiamo anche l’acqua piovana. Laviamo meno l’automobile. Usiamo i riduttori di flusso. Questi sono alcuni suggerimenti. Applichiamoli. L’acqua va difesa e non sprecata.

Concludo questa ultima chiacchierata sulla depurazione, ma che ha finito per parlare di acqua e di ciclo idrico raccontando un curioso episodio.
Quando si parla di fogne, molti ricordano la leggenda degli alligatori nelle fogne di New York. La leggenda pare avere radici storiche. Nel febbraio del 1935 un coccodrillo fu davvero avvistato nelle fogne della città americana da un gruppo di adolescenti. Anzi, le cronache d’epoca riportano che uno di essi fu morso dalla bestia, che finì poi uccisa dagli altri, armati delle pale con cui stavano buttando la neve nella fogna. Dalle ricerche effettuate, risultò che l’animale poteva essere fuggito da una nave che lo stava portando a nord dalla Florida. Raggiunto il fiume Harlem, il coccodrillo probabilmente aveva cercato rifugio nelle fogne per via della tempesta di neve.

Ebbene all’incirca verso la metà degli anni novanta, i miei colleghi di un altro impianto ebbero la sorpresa di trovare nella griglia di ingresso un esemplare di pitone reticolato. La nuova moda di tenere in casa animali esotici (che poi diventano impegnativi e di fatto ingestibili) deve aver spinto il proprietario ormai non più in grado di gestire questo tipo di animale a disfarsene.


.Purtroppo non riuscì a sopravvivere sia per la pemanenza nella fognatura, sia  perché il pettine della griglia automatica lo ferì. Gli agenti della guardia forestale che vennero chiamati lo misurarono. Era un esemplare di quattro metri.

Nell’impianto dove lavoro invece, a parte i molti stormi di gabbiani  che in primavera stazionano nella zona della sedimentazione primaria, abbiamo salvato e consegnato al centro di recupero della fauna selvatica un esemplare di svasso maggiore, ed uno di albanella minore.

E visto che ci troviamo in una zona dove è molto amato il volo ( Varese è chiamata oltre che la provincia dei sette laghi, anche la provincia con le ali ) abbiamo permesso ad una mongolfiera in difficoltà di atterrare nell’area di impianto. E sempre in tema di palloni recuperato anche un pallone sonda per misure meteorologiche proveniente dalla Svizzera come la mongolfiera. In conclusione penso di poter dire che un depuratore, nonostante il tipo di materia prima che lavora, sia un luogo apprezzato. Dove di certo non ci si annoia.

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”.

112826-RGilgrandebisogno300dpi-285x407

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.