INTRODUZIONE

La depurazione biologica delle acque di scarico è uno dei campi di applicazione più importanti delle biotecnologie (grazie all’azione di particolari microrganismi si trasformano le sostanze biodegradabili contenute nelle acque di scarico, consentendone lo smaltimento). Il trattamento delle acque è una successione di operazioni o processi unitari in cui le acque di scarico inquinate vengono trasformate per raggiungere i requisiti per lo smaltimento finale.

fiumilaghifalde sotterraneemare

Per ogni tipo di lavorazione è possibile caratterizzare il tipo di inquinanti e le relative portate degli scarichi. L’effetto delle acque inquinate sull’ambiente dipende dalla natura e dalla quantità di inquinanti immessi. Tra gli agenti inquinanti una categoria a parte è formata dalle SOSTANZE BIODEGRADABILI che vengono decomposte dai microrganismi aerobi con consumo di ossigeno e produzione di anidride carbonica (molecole organiche di natura biologica = carboidrati, proteine ed amminoacidi, facilmente degradabili; alcoli, aldeidi …. presentano una buona degradabilità; idrocarburi, molto poco degradabili). Il fenomeno della biodegradazione è una delle tappe del ciclo biologico del carbonio:

a) trasformazione dell’anidride carbonica in sostanza organica (organismi fotosintetici);b) consumo e trasformazione della sostanza organica;c) trasformazione del carbonio organico nuovamente in CO2 (microrganismi demolitori come i

batteri aerobici).

Quindi, l’immissione di forti quantità di sostanze biodegradabili nelle acque comporta una diminuzione sensibile dell’ossigeno disciolto e, quando esso raggiunge una concentrazione esigua, si instaurano dei meccanismi di degradazione anaerobica che producono sostanze ridotte (metano + solfuro di idrogeno = miscela maleodorante).Alle sostanze biodegradabili vanno aggiunti altri inquinanti come tensioattivi (formazione di schiume) e microrganismi patogeni o meno.

CARATTERIZZAZIONE DELLE ACQUE DI SCARICO CIVILI

1

ACQUE NATURALI

INQUINAMENTO DELLE ACQUE

CAUSE CIVILI:acque consumate nelle abitazioni e acque urbane non direttamente connesse a particolari attività produttive o di servizi.

CAUSE INDUSTRIALI: acque di processo, di servizio, di lavaggio,… provenienti dall’industria petrolifera, biotecnologica, tessile, cartaria, estrattiva, metallurgica, agroalimentare, zootecnica.

Le loro caratteristiche sono influenzate dalla natura del territorio e dalle attività antropiche che generano inquinamento (Legge Merli del 1976).

Tali acque presentano una composizione che non varia radicalmente da caso a caso; infatti sono contenute le stesse classi di sostanze (proteine, carboidrati, grassi, tensioattivi ed altre sostanze biodegradabili).Ai fini della pratica di depurazione non interessano le singole concentrazioni delle sostanze, ma si possono utilizzare le seguenti grandezze non specifiche per determinare il carico organico:

1) CARICO ORGANICO: Kg BOD5/giorno (BOD5: quantità di O2 necessaria per la demolizione biologica di tutte le sostanze biodegradabili). Il C.o. è collegato al BOD5 tramite la portata di acqua reflua:

C.o. = Q · BOD5

2) CARICO ORGANICO attraverso CARICO ORGANICO SPECIFICO, cioè grammi di BOD5

rilasciati in un giorno da ogni abitante (valore medio = 60 g BOD5/ab·giorno da indagini statistiche).

3) CARICO ORGANICO attraverso PORTATA GIORNALIERA MEDIA (~ 250 – 300 litri per abitante al giorno).

Carico organico e portata entranti nell’impianto di depurazione non sono costanti nell’arco di una giornata, ma presentano un picco durante le ore della mattina ed un altro durante le ore serali (ore di maggior consumo delle acque nelle abitazioni).Per il dimensionamento delle apparecchiature è importante conoscere la portata, il carico e l’intensità dei picchi. Infatti, un’apparecchiatura progettata solo in base alla portata media sarà sottostimata nel periodo di punta, cioè l’impianto rilascia un effluente che contiene ancora un carico inquinante. Statisticamente, esiste una relazione tra il numero di abitanti e l’intensità dei picchi (tanto più pronunciati quanto minore è il numero di abitanti). Per stimare la portata di punta si utilizza il COEFFICIENTE DI PUNTA “p” definito come il rapporto tra la portata di punta e la portata media giornaliera:

p = Fmax/Fm

Altro parametro importante è il CARICO IN SOLIDI, cioè il contenuto in solidi dell’acqua che possono essere classificati in diverse frazioni:

a) SOLIDI TOTALI: solidi disciolti + solidi sospesi (misurata essiccando completamente una certa aliquota di campione);

b) FRAZIONE DEI SOLIDI SOSPESI: frazione di solidi che non attraversa un filtro da 0,45 μm, suddivisi a loro volta in SOLIDI SEDIMENTABILI e SOLIDI NON SEDIMENTABILI. Entrambi sono costituiti da solidi non volatili (solidi inorganici) e solidi volatili ( solidi organici di cui una parte è biodegradabile).

Ad alcune di queste frazioni è possibile associare un’operazione per la rimozione (i solidi sedimentabili si rimuovono per sedimentazione, quelli biodegradabili disciolti per trattamento di ossidazione).In certi casi è necessario conoscere il contenuto di alcune sostanze specifiche come i cosiddetti “nutrienti”, cioè i composti di azoto e fosforo responsabili dell’eutrofizzazione. L’azoto si può trovare nelle acque sotto forma ammoniacale o organico ridotto proveniente dalla trasformazione di proteine e amminoacidi (forma predominante), o sotto forma di nitriti NO2

- e nitrati NO3- prodotti

per ossidazione delle forme ridotte. Il fosforo si trova sotto forma di ortofosfati, polifosfati e fosforo organico.Altre sostanze da considerare per il trattamento sono i tensioattivi, che determinano la formazione di schiume, e le sostanze più leggere dell’acqua (oli, grassi e idrocarburi). Infine, è importante

2

Q = portata = m3/giornoBOD5 espresso in Kg/m3 (ppm = 10-3Kg/m3)

conoscere anche la carica in microrganismi patogeni la cui presenza è associata a particolari batteri come Coliformi fecali, Coliformi totali e Streptococchi fecali.

IMPIANTO DI DEPURAZIONE DELLE ACQUE REFLUE CIVILI

È costituito da una successione di diversi trattamenti, ognuno volto alla rimozione di una determinata frazione delle sostanze inquinanti. La scelta della linea di trattamento è effettuata considerando il tipo di liquame da depurare:

Acque di scarico civili: ossidazione biologica; Acque industriali di raffineria: disoleazione; Acque industriali con cationi metallici (Ni+, Cu2+, Cd2+): precipitazione o ossidazione

chimica.

Impianto a FANGHI ATTIVI(acque di scarico civili)

I vari trattamenti possono essere classificati in base a diversi criteri:

TRATTAMENTI FISICIPRINCIPIO DI TRATTAMENTI BIOLOGICI

3

Liquame da depurare

Line

a tra

ttam

ento

liqu

ami

GRIGLIATURA DESABBIAMENTO EVENTUALE DISOLEAZIONE

SEDIMENTAZIONE PRIMARIA

AERAZIONE(OX. BIOLOGICA)

SEDIMENTAZIONE SECONDARIA

EVENTUALE CLORAZIONE FINALE

Effluente depurato

Fanghi di supero Riciclo fanghi

Line

a tra

ttam

ento

fang

hi

Fanghi di supero alla linea fanghi

PRE ISPESSIMENTO DIGESTIONE POST ISPESSIMENTO DISIDRATAZIONE MECCANICA

Letti di essiccamento e conferimento in discarica

FUNZIONAMENTO TRATTAMENTI CHIMICITRATTAMENTI CHIMICO-FISICI

TRATTAMENTI PRELIMINARIDISPOSIZIONE DEL TRATTAMENTI PRIMARITRATTAMENTO NELLA TRATTAMENTI SECONDARISUCCESSIONE TRATTAMENTI TERZIARI

I TRATTAMENTI PRELIMINARI preparano il liquame ai successivi trattamenti:

1) GRIGLIATURA: rimuove i materiali grossolani (stracci, pietre, lattine…) che potrebbero danneggiare le apparecchiature (sempre presente come pretrattamento).

2) DESABBIATURA: eliminazione delle sabbie che potrebbero avere un’azione corrosiva su tubazioni e pompe o sedimentare (alternativo, per piccoli impianti, alla sedimentazione primaria).

3) DISOLEATURA: effettuata a sé stante o contemporaneamente alla sedimentazione primaria

Operati i trattamenti preliminari che abbassano in una certa misura anche il carico inquinante, il liquame procede verso la zona dell’impianto ove viene rimossa la quasi totalità del carico inquinante, costituita dal sedimentatore primario, dalla vasca a fanghi attivi (areatore) e dal sedimentatore secondario:

1) SEDIMENTATORE PRIMARIO: abbatte i solidi sedimentabili presenti nel liquame, costituiti anche da sostanze biodegradabili (abbattimento dei solidi sedimentabili + abbattimento del carico organico di ~ 30%) – TRATTAMENTO PRIMARIO;

2) AERATORE (vasca a fanghi attivi): effettua l’ossidazione biologica, cioè la rimozione della maggior parte del carico biodegradabile, con elevata efficienza in impianti di dimensioni accettabili. – TRATTAMENTO SECONDARIO;

3) SEDIMENTATORE SECONDARIO: separa la biomassa dall’effluente e lo ricicla all’aeratore. – TRATTAMENTO SECONDARIO;

4) TRATTAMENTI TERZIARI: rimozione di sostanze nutrienti (azoto e fosforo), disinfezione (necessaria se l’effluente viene immesso in zone di mare balneabili o in bacini di approvvigionamento idrico).

OSSIDAZIONE BIOLOGICA TRAMITE FANGHI ATTIVI.

La variante più comune per l’impianto prevede una fase centrale dell’intero ciclo di lavorazione costituita da una coppia di trattamenti, ovvero una vasca di aerazione ed un sedimentare secondario (SCHEMA CONVENZIONALE).

4

sedimentatore

Nell’aeratore è presente una biomassa la cui parte attiva è costituita da batteri eterotrofi aerobici, ma anche da protozoi. Vengono realizzate le condizioni ottimali affinché i batteri possano esercitare la loro azione di demolizione del carbonio organico; quindi, la biomassa sfrutta le sostanze biodegradabili nel liquame come substrato per le reazioni metaboliche che comportano consumo del substrato e produzione di nuova biomassa:

substrati + biomassa nuova biomassa + prodotti del catabolismo

In condizioni operative normali, la biomassa ha forma fioccosa altamente sedimentabile (condizione essenziale per il buon funzionamento). Dal sedimentatore primario perviene il liquame in cui il carico inquinante è in forma disciolta sospesa non sedimentabile. Nell’aeratore non si elimina il carico inquinante, ma lo si trasforma in una forma solida sedimentabile, cioè nuovo materiale cellulare. Il compito di rimuovere gli inquinanti dalla fase liquida spetta al sedimentatore secondario dal quale esce l’effluente chiarificato, mentre dal fondo si separano i fanghi che vengono riciclati all’aeratore. Tale riciclo è molto importante (alta concentrazione di biomassa nell’aeratore ed elevata velocità di rimozione) e, per mantenere costante la biomassa all’interno del sistema, quella prodotta dal metabolismo dei batteri è allontanata ed inviata alla linea trattamento fanghi, come fango di supero.La vasca a fanghi attivi è un reattore CSTR, detto anche “mixed liquor” nel quale l’agitazione è fornita dal sistema di aerazione.L’analisi dei fiocchi di fango mostra che esso è costituito solo in parte da batteri vivi; infatti, i solidi di cui si compone il fiocco sono solidi volatili (associati alle sostanze di natura organica) e non volatili.La determinazione dei solidi volatili (SSV) si effettua, previa filtrazione e lavaggio del campione, portando il solido a 550 °C in presenza di aria (trasformazione di tutto il carbonio in anidride carbonica). La concentrazione in SSV del campione è data dalla differenza di peso sull’unità di volume.La frazione organica della biomassa si suddivide in:

5

Liquame da depurare

Fango di supero

Effluentedepurato

aeratoreFanghi di riciclo

a) frazione non biodegradabile;

b) frazione biodegradabile

La distribuzione approssimativa dei componenti della biomassa è la seguente:

- solidi totali 100%- solidi volatili 75%- solidi biodegradabili 60%- biomassa cellulare 50%- batteri attivi 40%

In condizioni di processo regolari, i fiocchi di fango hanno Ø = 0,1 mm – 10 mm con una media compresa tra 0,1 e 1 mm. L’aggregazione e l’accrescimento dei fiocchi è dovuto alla produzione di biopolimeri esocellulari (polisaccaridi) che consentono l’unione tra i vari batteri e tra le altre componenti, organiche o no, del fiocco di fango. La struttura del fiocco è dovuta alla natura dei batteri che lo compongono:

- batteri di natura filamentosa- batteri zooglali

I primi si accrescono formando strutture filamentose che costituiscono lo scheletro per lo sviluppo di quelli zooglali. Un eccesso di forme filamentose origina il fenomeno del BULKING con formazione di aggregati tra più fiocchi, generando fiocchi “rigonfiati” difficilmente sedimentabili. Un difetto di forme filamentose, invece, genera il fenomeno PIN POINT (testa di spillo) per cui si formano fiocchi poco resistenti meccanicamente che si disgregano per effetto dell’agitazione del sistema.Nell’ecosistema dell’aeratore assumono notevole importanza anche i protozoi, specialmente quelli ciliati, che esercitano un’azione di predazione rispetto ai batteri dispersi nel liquame, riducendo così la torbidità e il carico inquinante dell’effluente. I protozoi si possono suddividere in:

1) natanti (free swimming): possono muoversi liberamente;2) mobili di fondo: stazionano sul fiocco di fango;3) sessili: rigidamente attaccati al fiocco tramite un peduncolo.

L’osservazione della microfauna è un veloce indicatore dell’efficienza di depurazione del processo:

a) presenza predominante di rotiferi e protozoi ciliati: buon funzionamentob) predominanza di sarcodinie e protozoi flagellati: sovraccarico organicoc) assenza di protozoi e rotiferi, presenza di corpi morti: scarsa ossigenazione o scarichi

industriali tossici.

6

biomassa cellulare vitale ed attiva verso il substrato

batteri che hanno esaurito il loro ciclo vitale che contribuiscono al contenuto in SSV totale

L’azione della biomassa consente la rimozione delle sostanze biodegradabili e di buona parte dei solidi sospesi non sedimentabili:

1) complessa azione di bioflocculazione e di bioadsorbimento: rimozione dei solidi sospesi, biodegradabili o no, in 15 minuti (i solidi non biodegradabili vanno ad aggiungersi alla frazione di solidi inerti che costituisce il fiocco);

2) metabolismo di tutte le sostanze biodegradabili sospese e disciolte, in alcune ore:a) idrolisi delle molecole complesse in molecole più semplicib) trasporto all’interno della cellula battericac) catabolismo con ossidazione (produzione di energia e cataboliti) e biosintesi.

Contemporaneamente, i batteri presentano un tasso di decadimento costante più o meno significativo rispetto alla crescita netta, in base alla disponibilità di substrato.

PARAMETRI PER IL DIMENSIONAMENTO

Nella pratica operativa si fa riferimento a grandezze di semplice applicazione, piuttosto che alle equazioni cinetiche di accrescimento batterico.Un fattore determinante per la crescita dei microrganismi è la disponibilità di substrato, rappresentata dal CARICO DEL FANGO definito come la quantità di substrato alimentata nell’unità di tempo riferita alla massa di microrganismi.

7

15 minuti

BOD5

totale

BOD5

BOD5 rimosso associatoai solidi sospesi

BOD5 rimosso associatoai solidi disciolti

TEMPO

Negli impianti a fanghi attivi il substrato può essere rappresentato dal carico organico (BOD5

alimentato al giorno). La massa dei microrganismi, invece, non è così direttamente definibile, poiché è difficile risalire alla concentrazione dei batteri attivi. Allora, si fa riferimento alla misura dei solidi sospesi totali nel mixed liquor (aeratore), indicata con SSa, che può essere messa in relazione con la quantità di batteri attivi (non la rappresenta esattamente) e può essere misurata facilmente. Quindi:

CARICO DI FANGO =

Il C.o. si può stimare dai dati statistici, mentre KgSSa si può mettere in relazione al volume della vasca:

essendo (concentrazione)

La determinazione del volume dell’aeratore si effettua fissando i valori del carico del fango e della [SSa] e calcolando i volumi in base al carico organico dato.Gli impianti possono essere classificati in base al valore del carico del fango impostato:

a) aerazione prolungata Cf = 0,02 – 0,15b) a basso carico Cf = 0,2 – 0,3c) a medio carico Cf = 0,3 – 0,5d) ad alto carico Cf = 0,5 – 0,8

La scelta del valore di Cf al momento della progettazione va fatta in base a diverse considerazioni:

1) RENDIMENTO DEPURATIVO: BOD5 rimosso diviso il BOD5 entrante:

BOD5i = carico organico in ingresso alla vasca;BOD5u = carico organico in uscita dalla vasca.

Per valori di Cf < 0,5 , η ~ 92% mentre cala bruscamente per valori di C f superiori (indagine statistica).

2) PRODUZIONE DI FANGO DI SUPERO: è tanto maggiore quanto più elevato è il C f, cioè quanto più è elevata la disponibilità di substrato rispetto ai microrganismi. Un basso valore di Cf è richiesto quando si deve effettuare una nitrificazione dei liquami , quando si hanno liquami difficilmente degradabili, quando si prevedono improvvise oscillazioni di portata e/o carico, quando si richiede un elevato grado di stabilizzazione del fango di supero o quando la temperatura di esercizio è bassa. Per impianti a schema convenzionale, Cf = 0,2 – 0,5.

8

3) CONCENTRAZIONE DEI SOLIDI (SSa): influenza il volume dell’aeratore (a concentrazioni maggiori corrispondono volumi minori ). Elevate concentrazioni originano una minore sedimentabilità dei fanghi nel sedimentatore secondario. Un valore ottimale è [SSa] = 4Kg/m3 con una concentrazione minima [SSa] = 2,5 Kg/m3 ed una concentrazione massima [SSa] = 6 Kg/m3.

Il dimensionamento può essere fatto sfruttando anche il CARICO ORGANICO VOLUMETRICO (C.o.V) cioè il carico organico per unità di volume:

essendo

Valori di riferimento del C.o.V sono i seguenti:a) aerazione prolungata C.o.V = 0,10 – 0,75 (SSP)b) a basso carico C.o.V = 1 – 1,5 (SSP) C.o.V = 0,7 – 1,05 (CSP)c) a medio carico C.o.V = 1,50 – 2,50 (SSP) C.o.V = 1,05 – 1,75 (CSP)d) ad alto carico C.o.V = 1,75 – 2,30 (CSP)

(SSP): senza sedimentazione primaria(CSP): con sedimentazione primaria

L’elevata concentrazione dei solidi è mantenuta grazie al riciclo di fanghi dal sedimentatore secondario che, oltre a chiarificare l’effluente, concentra i solidi che passano da un valore [SSa] della corrente in uscita dall’aeratore ad un valore [SSr] della corrente in uscita dal fondo del sedimentatore.La determinazione della PORTATA DI RICICLO si effettua risolvendo il bilancio di materia dei solidi applicato all’aeratore in condizioni stazionarie:

Fr[SSr] + Fm[SSi] = (Fr + Fm)[SSa]

Dato che il liquame di ingresso proviene dal sedimentatore primario, [SSi] è trascurabile:

Fr[SSr] = (Fr + Fm)[SSa]9

Fm

Fs

Fr

[SSr]

[SSi] Fm + Fr

[SSa]Fe = Fm - Fs

[SSr]Fr = portata del ricicloFm = portata media giornaliera in ingresso[SSr] = concentrazione di solidi nel riciclo[SSi] = concentrazione di solidi nel liquame di ingresso[SSa] = concentrazione di solidi nell’aeratore

Fm

Detto R il RAPPORTO DI RICICLO come rapporto tra la quantità di riciclo e la portata in ingresso:

R =

Dividendo il bilancio di materia per Fm:

R[SSr] = (R + 1)[SSa]

La concentrazione del riciclo dipende:1) dalla concentrazione in uscita dall’aeratore [SSa];2) dalla portata da trattare;3) dal buon dimensionamento del sedimentatore;4) dalle caratteristiche di sedimentabilità del fango, con valori indicativi di [SSr] tra 8 e 12

Kg/m3.

Dato che [SSr] dipende dalla portata di riciclo, questa non è un parametro operativo variabile a piacere (all’aumentare di R, si hanno variazioni di [SSa] meno rilevanti con sovraccarico del sedimentatore). La [SSr] può essere messa in relazione con l’INDICE DI VOLUME DEL FANGO o INDICE DI MOHLMAN (SVI) che si determina ponendo 1 litro di campione di fanghi in un cono lasciato in quiete, leggendo il volume occupato dai fanghi dopo 30 minuti e rapportandolo alla quantità di solidi (SVI in ml/g). Quindi:

in ppm

ore K = costante dipendente dalle caratteristiche del sedimentatore.

PROBLEMI DI ESERCIZIO

Riguardano principalmente:a) la sedimentabilità dei fanghi (bulking);b) il “rising”;c) la formazione di schiume.

L’effetto finale del bulking è la fuoriuscita dei fanghi dalla superficie del sedimentatore secondario con conseguente intorbidamento dell’effluente ed aumento del BOD5 all’uscita dell’impianto. Il

10

primo segnale del bulking è dato dal valore di SVI > 150 ml/g, ma anche dall’indagine microscopica del fiocco di fango. Si distinguono:

1) BULKING VISCOSO (meno frequente): eccessiva crescita di batteri zooglali che, formando una grande quantità di esopolimeri saccaridi intrappolano notevoli quantità di acqua (fiocco di forma rigonfiata e con elevato SVI, anche in assenza di eccesso di forme filamentose).

2) BULKING FILAMENTOSO: formazione di ponti tra i fiocchi di fango per eccesso di forme filamentose.

Le principali cause del bulking sono:a) caratteristiche dell’acqua di scarico (l’eccesso di sostanze biodegradabili solubili favorisce le

forme filamentose in quanto esse possono nutrirsi più facilmente dei solidi biodegradabili adsorbiti sulla superficie del fiocco);

b) ossigeno disciolto (per [O2]<0,8 ppm, i filamentosi si sviluppano più facilmente);c) carenza di nutrienti (i filamentosi si adattano meglio a condizioni di squilibrio di nutrienti,

accaparrandosi prima il nutriente che costituisce il fattore limite);d) acque prive di ossigeno (possono contenere solfuro di idrogeno H2S, ossidato a solfati SO4

2- da alcuni filamentosi che, perciò, ricavano energia);

e) carico del fango (i filamentosi sono avvantaggiati da carichi di fango troppo bassi, quindi da carenza di substrato).

Le tecniche per il trattamento del bulking si suddividono in:1) TECNICHE SPECIFICHE: in base alla causa che ha prodotto il fenomeno (aumento di

ossigeno disciolto, preaerazione del liquame, addizione di nutrienti, controllo del pH o aggiustamento del carico del fango tramite la variazione dell’estrazione del fango di supero);

2) TECNICHE ASPECIFICHE: aggiunta di un disinfettante (derivato del cloro) per diminuire la quantità di batter filamentosi.

Nella TECNICA DEL SELETTORE si adotta un piccolo bacino di contatto rapido tra il fango di riciclo ed il liquame che precede l’ingresso dell’aeratore, ove si mantengono condizioni adatte allo sviluppo dei batteri fiocco-formatori, cioè un elevato rapporto substrato/microrganismi con Cf ~ 3 KgBOD5/KgSSa·giorno. Il tempo di residenza nel selettore è di ~ 15 – 30 minuti, sufficiente a metabolizzare le sostanze biodegradabili disciolte.Altra causa di malfunzionamento è il fenomeno del RISING che consiste nella risalita del fango dal fondo, sebbene esso non presenti alcuna anomalia, ed è causato dalla formazione di azoto sul fondo del sedimentatore che nella risalita trascina con sé i fanghi e si libera in superficie con formazione di bollicine. Questi fenomeno è presente soprattutto negli impianti in cui si effettua una nitrificazione ed è dovuto all’elevato tempo di residenza dei fanghi nel sedimentatore secondario (in assenza di aria), in tal modo, si ha il consumo di ossigeno con conseguente attivazione della denitrificazione. Altra causa è la completa setticità con sviluppo, talvolta, di metano e solfuro di idrogeno che emanano anche cattivi odori. I rimedi al rising sono:a) riduzione del tempo di residenza dei fanghi nel sedimentatore;b) aumento della concentrazione di O2 nell’aeratore.

Altro problema frequente è la formazione di schiume persistenti nell’aeratore, causate dal proliferare di batteri filamentosi in concomitanza di eccessiva presenza di oli e grassi o di un basso Cf. Si rimedia con una migliore rimozione dei grassi o con la correzione del C f tramite opportuno riciclo.

11

PRODUZIONE DEL FANGO DI SUPERO

La biomassa si accresce nel tempo sia per effetto della riproduzione cellulare che per l’adsorbimento superficiale di particelle solide. Quindi, per mantenere costante la biomassa, cioè per lavorare con lo stesso Cf, si deve smaltire il fango di supero, ossia l’eccesso di biomassa prodotto nel periodo. L’estrazione del fango dì supero può essere effettuata direttamente dal sedimentatore secondario oppure lo si può riciclare al sedimentatore primario per sfruttare il potere bioflocculante dei fanghi attivi in tale step (fango misto: primario e secondario).La quantità di fango di supero prodotta giornalmente si calcola in riferimento alla quantità di BOD5

rimosso giornalmente:

ΔSS = y · ΔBOD5 + f · ΔBOD5 – Kd · SSa

ove ΔSS: fango di supero prodotto in 1 giorno (KgSS/giorno); ΔBOD5: BOD5 rimosso giornalmente = C.o. · η

y: coefficiente di crescita batterica lorda (KgSS/KgBOD5): quantità di batteri generati per effetto del consumo di BOD5;f: coefficiente di bioflocculazione (KgSS/KgBOD5): quantità di solidi inerti catturati dal fango, associata ad un dato consumo di BOD5;Kd: costante di decadimento (giorni–1);SSa: quantità totale di biomassa nell’aeratore.

Più precisamente:y · ΔBOD5 = biomassa prodotta per effetto del consumo di sostanze organiche;f · ΔBOD5 = quantità di solidi adsorbiti;Kd · SSa = quantità di batteri scomparsi a causa del decadimento batterico.

Approssimativamente: y = f = 0,5 (KgSS/KgBOD5) e Kd = 0,05 giorni-1.

Una grandezza collegata alla produzione del fango è l’”età del fango”, cioè il tempo medio di residenza della biomassa nel sistema a schema convenzionale o il tempo necessario a rigenerare la biomassa:

(giorni)

Con elevati rapporti substrato/microrganismi si hanno elevate velocità di produzione e basse età di fango e viceversa.

Per ogni specifico impianto è possibile la determinazione esatta dei coefficienti y,f e Kd:

che è l’equazione di una retta di coefficiente angolare (y + f) ed intercetta – Kd. In pratica si raccolgono periodicamente i dati SSa, BOD5 rimosso e ΔSS e si costruisce il grafico:

12ΔSS/SSa

FABBISOGNO DI OSSIGENO NELL’AERATORE

L’ossigeno è sfruttato dai batteri attivi per degradare le sostanze organiche in arrivo con il liquame e per consumare il materiale cellulare rilasciato dai microrganismi in fase di decadimento:

ΔO2 = z · ΔBOD5 + re · SSa

ove ΔO2: fabbisogno giornaliero di O2 (KgO2/giorno); z: coefficiente respirazione attiva (ossigeno consumato sul BOD5 rimosso, KgO2/KgBOD5); re: coefficiente di respirazione endogena (O2 consumato sulla biomassa in fase di decadimento in KgO2/KgSS).

Approssimativamente, z = 0,5 KgO2/KgBOD5 e re = 0,1 KgO2/KgSS.Le apparecchiature di distribuzione di aria devono essere dimensionate però sul fabbisogno di punta e non su quello medio per evitare che si abbia un’ossigenazione insufficiente nelle ore di maggior carico:

ΔO2 = z · ΔBOD5 · y + re · SSa

ove y = 2 è un semplice coefficiente maggioritario.Noto il fabbisogno di ossigeno e quello di punta si può effettuare il dimensionamento del sistema di aerazione che consiste nel determinare la potenza impegnata ed il consumo giornaliero di energia elettrica.

LA RIMOZIONE DEI NUTRIENTI

La rimozione dell’azoto è effettuata con trattamenti biologici, mentre quella del fosforo e dei suoi composti è effettuata con precipitazione chimica o con trattamenti biologici (vedere libro di testo).

La maggior parte dell’azoto è sotto forma ammoniacale. La sua rimozione prevede:13

ΔBOD5/SSa

- Kd

tgα = (y + f)

1) NITRIFICAZIONE: ossidazione dell’azoto ammoniacale in nitrati NO3-;

2) DENITRIFICAZIONE: i nitrati NO3- prodotti vengono ridotti ad azoto molecolare.

NITRIFICAZIONE

Nella fase di nitrificazione agiscono batteri nitrificanti di natura autotrofa:

NH4+ + 3/2O2 2H+ + NO2

- + H2O NITROMONAS NO2

- + 1/2O2 NO3- NITROBACTER

NH4+ + 2O2 2H+ + NO3

- + H2O

con un consumo di 4,57 g di ossigeno per ogni grammo di azoto ammoniacale consumato.In relazione alle reazioni di ossidazione del carbonio organico, tali reazioni possono essere realizzate in IMPIANTI a NITRIFICAZIONE COMBINATA o a NITRIFICAZIONE SEPARATA.Nel primo caso, nella biomassa devono coesistere sia batteri eterotrofi che nitrificanti, cosa possibile solo rispettando determinate condizioni che dipendono dalle differenze dei due tipi di batteri:1) i nitrificanti hanno un più basso tasso di crescita dovuto alla minore energia recuperata

dall’ossidazione dell’azoto ammoniacale (ridotta attività di biosintesi). Quindi, nella vasca la quantità di biomassa nitrificante prodotta non deve essere minore di quella uscente con i fanghi di supero (impedire il fenomeno del “dilavamento”). Si lavora, perciò, con Cf bassi, ovvero con età del fango elevata (base produzioni di fango di supero).

2) i nitrificanti presentano un optimum per [O2] > 3 ppm e risentono maggiormente degli eterotrofi di carenze di questo elemento. Quindi, bisogna valutare bene la [O2] considerando anche il fabbisogno di ossigeno della nitrificazione:

ΔO2 = z · ΔBOD5 + 4,57 · ΔN – NH4 + re · SSa

DENITRIFICAZIONE

È realizzata da particolari batteri eterotrofi facoltativi (Pseudomonas, Micrococcus….) in grado, in assenza di ossigeno disciolto, di consumare carbonio organico utilizzando l’ossigeno dei nitrati. Per questo motivo, tale processo deve essere svolto in una vasca diversa da quella della nitrificazione. La fonte di carbonio può essere lo stesso liquame, ma si può impiegare anche metanolo (adatto al loro metabolismo):

5CH3OH + 6NO3- 3N2 + 5CO2 + 7H2O + 6OH-

Per la rimozione completa dell’azoto si possono impiegare diversi schemi operativi:1) denitrificazione e successiva nitrificazione combinata (nitrificazione + ossidazione);2) nitrificazione combinata e post denitrificazione, strippaggio azoto;3) predenitrificazione, nitrificazione combinata, post denitrificazione e strippaggio azoto.

L’impianto (3) con pre-post denitrificazione è il migliore (tutte le reazioni avvengono in modo completo).

ELIMINAZIONE DEI COMPOSTI FOSFORATI

14

Si effettua per precipitazione chimica con calce e reattivi coagulanti (FeCl3 o Al2(SO4)3) degli ortofosfati (PO4

3-), triplofosfati e composti organici del fosforo:

Al2(SO4)3 + 2 PO43- 2AlPO4 + 3SO4

2-

La precipitazione può essere effettuata dopo il trattamento biologico (POST PRECIPITAZIONE) o dopo la sedimentazione secondaria (separazione dei fanghi chimici dai fanghi biologici necessaria quando si prevede un trattamento anaerobico dei fanghi per non ridurre la carica organica).

(1) DENITRIFICAZIONE INCOMPLETA

(2)OSSIDAZIONE INCOMPLETA

15

Effluentedepurato

Vasca di nitrificazione – ossidazione (ossidazione del carbonio organico e nitrificazione dell’azoto ammoniacale presente nel liquame originario)

Predenitrificazione (anaerobica) (liquame + riciclo dal sedimentatore che apporta biomassa nitrificante ed eterotrofa + riciclo della vasca di nitrificazione con apporto di nitrati)

Effluentedepurato

Post denitrificazioneStrippaggio azoto (N2 si sviluppa liberamente, impedendo il fenomeno del rising nel sedimentatore)

TRATTAMENTO DEI FANGHI

Il fango di supero è un materiale altamente putrescibile (sostanze inquinanti + microrganismi patogeni originariamente contenuti nei liquami da depurare) che deve essere sottoposto a trattamenti di stabilizzazione per ottenere la riduzione del contenuto in sostanze biodegradabili, dei microrganismi patogeni, del contenuto in solidi e del volume complessivo, al fine di consentire lo smaltimento finale.La scelta del numero e del tipo di trattamenti in una linea fanghi dipende dalla potenzialità complessiva dell’impianto e dal tipo di trattamenti realizzati nella linea liquami:

Il primo trattamento è spesso un trattamento di ispessimento che consente di aumentare la concentrazione di solidi nella corrente dei fanghi di supero, operando una separazione solido/liquido con un ispessitore ove, per gravità, viene separato il fango (dal fondo) dal surnatante (riciclato alla linea liquami). Lo stadio successivo è la stabilizzazione aerobica, anaerobica o chimica che permette di ridurre il contenuto di sostanze biodegradabili (il fango si considera stabilizzato quando il consumo di ossigeno legato ovviamente alla putrescibilità, è inferiore a 0,1 Kg di O2 al giorno per ogni Kg di solidi volatili contenuti nel fango). Molto semplice è la STABILIZZAZIONE CHIMICA che consiste nel determinare nel fango condizioni non compatibili con la vita dei batteri (alcalinizzazione con calce fino a pH ~ 11-12), impiegata in piccoli impianti o come trattamento di emergenza nel caso di malfunzionamento della stabilizzazione biologica. Più comuni sono i trattamenti di stabilizzazione biologica (“digestione”) aerobici o anaerobici. La DIGESTIONE AEROBICA consiste nel sottoporre i fanghi ad aerazione senza fornire substrato (si mantengono i batteri in uno stato di decadimento endogeno), con conseguente abbassamento del contenuto in solidi volatili e spinta alla mineralizzazione delle sostanze organiche presenti. Quindi, si ottiene una parziale mineralizzazione del fango in cui le sostanze organiche sono trasformate in anidride carbonica e i solidi inerti aumentano in %. Si impiegano normali vasche munite di sistema di aerazione ove il fango permane per un tempo che dipende dalla temperatura ambiente (semplicità operativa, ridotti costi di istallazione, ma costo operativo elevato dovuto all’energia richiesta dall’aerazione). La DIGESTIONE ANAEROBICA presenta caratteristiche opposte (non richiede energia) e viene prodotto biogas (CH4 + CO2) sfruttato per i fabbisogni energetici dell’impianto. Però, la presenza di biogas richiede l’impiego di un apposito reattore con relativi dispositivi di controllo e sicurezza (elevati costi di istallazione,

16

Nitrificazione – ossidazione (una parte è inviata direttamente al post denitrificatore per fornire carbonio organico)

ispessimento stabilizzazione eventualepost ispessimento condizionamento chimico

disidratazione smaltimento finale in discarica

recuperati durante la gestione in caso di adeguata produzione di biogas). Può seguire, poi, un post ispessimento che ha sempre lo scopo di concentrare i fanghi e ridurre il volume da trattare. Segue poi il condizionamento (preparazione del fango alla successiva operazione di disidratazione) per aggiunta di reattivi coagulanti e calce (gli aggregati fioccosi perdono più facilmente acqua nel successivo trattamento). La disidratazione si effettua con diverse apparecchiature (filtro presa: operazione discontinua con alti costi di gestione e buona concentrazione di solidi; nastro pressa: bassi costi di esercizio, ma basse concentrazioni finali; centrifuga: minimo ingombro e ridotti tempi di trattamento; letti di essiccamento: non consumano energia, ma richiedono ampi spazi) e l’acqua estratta deve essere riciclata alla linea liquami. Lo smaltimento finale del fango consiste nel conferimento in discarica controllata eventualmente abbinato al compostaggio e all’incenerimento.

DIGESTIONE ANAEROBICA E PRODUZIONE DI BIOGAS

Con questo processo è possibile ottenere la stabilizzazione dei fanghi senza dispendio energetico ed il fango è trasformato parte in solidi inerti, parte in materiale organico metastabile e parte in gas (biogas) riutilizzato nell’impianto. Tale processo è impiegato anche per il trattamento diretto di reflui molto concentrati (reflui dell’industria alimentare) ed è economico solo se la produzione di biogas è sufficientemente elevata.

MICRORGANISMI E REAZIONI

Dato che si opera in assenza di ossigeno, si scelgono particolari ceppi batterici anaerobici obbligati (Methanobrevi bacter, Methanogenium, Methanobacter…), facoltativi (Staphylococcus), sporigeni (Clostedium e Bacillus) e Escherichia coli. La soluzione ottimale di temperatura di reazione consiste nell’impiegare batteri mesofili (30-45 °C), poiché l’utilizzo di batteri termofili (T > 45 °C), pur permettendo una rapida produzione di biogas (maggiore temperatura maggiore velocità di reazione), comportano un elevato dispendio energetico (costi elevati associati al riscaldamento dei fanghi). Il processo di digestione del fango e contemporanea produzione di biogas può essere così schematizzato:

1) FASE IDROLITICA o LIQUEFAZIONE: demolizione idrolitica delle macromolecole biodegradabili contenute nel fango, sia allo stato solido che disciolto, in molecole più piccole solubili in acqua ad opera di enzimi esocellulari, con aumento del BOD5 (facile degradabilità dei prodotti di idrolisi):

polisaccaridi monosaccaridi

proteine e peptici AA

lipidi glicerolo + acidi grassi

17

Amilasi

Pectinasi

Peptidasi

Lipasi

I batteri che realizzano tale fase sono del genere Bacillus, Clostridium e Staphylococcus (batteri sporigeni e facoltativi).

2) FASE DI FERMENTAZIONE ACIDA: realizzata da batteri facoltativi produttori di acidi che trasformano ulteriormente i prodotti della fase precedente, come la trasformazione dei monosaccaridi in acidi volatili (acidi acetico, propionico e butirrico) o degli amminoacidi in ammoniaca e acidi volatili. Si formano, inoltre, grandi quantità di ossigeno. La presenza nell’ambiente di NH3, HCO3

- e cationi metallici consente la salificazione degli acidi ed il mantenimento del pH a valori ~ neutri in una successiva fase di transizione.

3) FASE DI REGRESSIONE ACIDA: fase di transizione determinante per la fase successiva di gassificazione in cui la presenza nell’ambiente di NH3, HCO3

- e cationi metallici consente la salificazione degli acidi ed il mantenimento del pH a valori ~ neutri.

4) FASE DI FERMENTAZIONE ALCALINA: è operata da batteri anaerobici obbligati, ovvero batteri metageni che utilizzano diversi substrati per produrre metano. Tali batteri sono inibiti a pH acidi; per tale motivo la fase di regressione acida è determinante:

4HCOOH CH4 + 3CO2 + 2H2O

CH3COOH CH4 + CO2

Il CH4 si può formare anche per riduzione di CO2 associata alla trasformazione di vari substrati (metaboliti intermedi) come gli acidi non volatili o gli alcoli:

2C2H5OH + CO2 CH4 + 2CH3COOH

o per riduzione diretta della CO2 con H2:

CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O

Nel corso della digestione anaerobica la concentrazione dei solidi volatili (sostanze biodegradabili costituite dalla biomassa da stabilizzare) diminuisce progressivamente, mente la concentrazione di acidi volatili aumenta inizialmente per poi abbassarsi progressivamente con l’attivazione della fase alcalina, ove la produzione di biogas diviene notevole.

CONDIZIONI OPERATIVE NELLA DIGESTIONE

Le fasi descritte si susseguono nell’ordine dato solo nelle fasi di avviamento dell’impianto, ultimate quando si ha una consistente produzione di biogas. La tecnica più rapida per avviare la digestione consiste nell’impiego di fango proveniente da un digestore avviato come inoculo (contiene già metageni), introdotto nel digestore già riempito di liquame per escludere l’aria. Si può anche effettuare un avviamento senza inoculo, con allungamento dei tempi di avviamento. Dato che la digestione anaerobica è un processo piuttosto instabile, si devono controllare rigorosamente le condizioni operative, soprattutto la temperatura (~ 33 °C) e l’alimentazione del fango fresco; un’alimentazione non regolare dà luogo a produzione di acidi volatili in quantità superiore a quella metabolizzata dai batteri metageni con conseguente abbassamento del pH ed inibizione degli stessi batteri (necessario il controllo del pH con impiego di calce come tamponante).

PRODUZIONE DI BIOGAS

18

BIOGAS: miscela di CH4 (60 – 70 %) e CO2, oltre H2S, N2 ed H2 con potere calorifico di ~ 5.500 Kcal/Nm3.La quantità di biogas prodotta dipende dalla potenzialità dell’impianto e dalla natura chimica delle sostanze contenute nell’alimentazione (sono preferiti i grassi che forniscono quantità elevate di biogas ad alto contenuto di metano). Il biogas è generalmente sfruttato all’interno dello stesso impianto sia in caldaia (produzione di calore) che in motori a combustione interna (cogenerazione di energia elettrica e recupero di calore).

APPARECCHIATURE ED IMPIANTI

Il tipo più semplice è il digestore a stadio singolo in cui si vengono a formare diversi strati durante il funzionamento:

a) strato di fondo (FANGO ISPESSITO): fango già stabilizzato in fase di ispessimento;b) strato di fango (FANGO IN DIGESTIONE) in cui avviene la digestione;c) strato di SURNATANTE che si libera dal fango durante la digestione;d) strato superficiale (CROSTA) che si forma per il consolidamento di schiume e sostanze

grasse;e) biogas che si libera progressivamente.

Questi strati vengono periodicamente rimescolati (impedire l’eccessivo accrescimento della crosta e garantire la maggiore uniformità tra i fanghi freschi immessi e fanghi in fase di digestione). Il fango fresco è immesso sotto la crosta ed il prelievo dei fanghi digeriti avviane dal fondo; periodicamente è estratto anche il surnatante, riciclato alla linea liquami essendo ricco di inquinanti.I digestori sono muniti di sistema di riciclo (funzione di riscaldare e miscelare il digestore) e sistemi di controllo del pH che impiegano calce o carbonato di sodio (Na2CO3).Per impianti di potenzialità superiore a 40.000 abitanti si impiegano digestori a doppio stadio in cui un primo digestore è addetto alla stabilizzazione, mentre il secondo ispessisce e raffredda il fango, riducendone la carica batterica.

INDICE

Introduzione Pag. 1

19

Caratterizzazione delle acque di scarico civili “ 2

Impianto di depurazione delle acque reflue civili “ 3

Ossidazione biologica tramite fanghi attivi “ 5

Parametri per il dimensionamento “ 8

Problemi di esercizio “ 11

Produzione del fango di supero “ 12

Fabbisogno di ossigeno nell’aeratore “ 13

La rimozione dei nutrienti “ 14

Trattamento dei fanghi “ 16

Digestione anaerobica e produzione di biogas “ 17

20