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La depurazione delle acque reflue: la linea fanghi

A.S. 2013 - 2014

Depurazione delle acque 2 Trattamento dei fanghi

Trattamento dei fanghi

Come abbiamo più volte puntualizzato sia nell’esame degli impianti biologici che in quelli chimici, i

trattamenti depurativi sono formati da due linee distinte:

1° linea o linea delle acque

In questa linea si eliminano i solidi sedimentabili, si converte il BOD solubile in BOD sedimentabile, si

eliminano il fosforo e l’azoto e dopo ulteriore eliminazione della frazione sedimentabile si ottengono

acque più o meno chiarificate con un BOD ridotto insieme a fanghi nei quali è concentrato il BOD

residuo.

2° linea o linea dei fanghi

In questa linea i fanghi ottenuti nella dalla linea acque, che contengono quasi tutto il BOD residuo e che,

a causa della presenza di rilevanti quantità di materiale batterico, sono altamente putrescibili, vengono

stabilizzati in modo da renderli idonei al successivo essiccamento e smaltimento.

Il trattamento dei fanghi risulta indispensabile poiché:

anche se il volume dei fanghi è molto inferiore a quello delle acque la loro quantità non è

certamente trascurabile;

nei fanghi sono contenuti anche batteri patogeni, virus e parassiti che, se non vengono

opportunamente degradati, possono essere fonte di pericolo per la salute pubblica.

Le fasi principali relative al trattamento dei fanghi sono riportate nella schema a blocchi dei figura 15.1. e

in maniera più dettagliata in figura 15.2

Figura 15.1 – Fasi per il trattamento dei fanghi


Figura 15.2 – Schema generale della linea del trattamento fanghi

Nella figura 15.2 le caselle in colore indicano tecniche poco utilizzate.

15.1 - Caratteristiche dei fanghi

I fanghi sono formati da una sospensione acquosa di vari tipi di sostanze solide che possono essere

di tipo minerale (solidi non volatili) o di tipo organico (solidi volatili). Una caratteristica importante dei fanghi è

il contenuto di sostanza secca cioè la quantità totale di solidi, espressa in g/l o come percentuale, che

rimane quando tutta l’acqua è stata evaporata alla temperatura di 105 °C. La parte organica volatile,

indicata come tenore delle materie secche volatili, rappresenta la porzione di sostanza secca che viene

eliminata per calcinazione alla temperatura di 550 °C e viene normalmente espressa come percentuale di

materiale volatile sulla totalità del contenuto di sostanza secca.

Il valore del contenuto di sostanza secca del fango varia con il tipo di fango considerato: fango

derivante dalla sedimentazione primaria, fango contenuto nella vasca di aerazione, fango del sedimentatore

secondario, fango misto, fango parzialmente o totalmente mineralizzato, fango parzialmente ispessito ecc.

In ogni caso tuttavia questo valore risulta molto basso, inferiore al 5% e in molti casi inferiore al 3%.

In un impianto a fanghi attivi, realizzato secondo lo schema classico il fango, che deve subire il

trattamento di stabilizzazione, viene normalmente estratto dal sedimentatore primario nel quale oltre al

fango derivante dalla sedimentazione dei solidi presenti nei liquami originali (fango primario), si ha anche la

sedimentazione del fango di supero, cioè il fango prodotto nel sedimentatore secondario che non viene

riciclato alla vasca di aerazione (fango secondario).

Questo schema è applicabile anche a un impianto privo di sedimentatore primario se si provvede a dividere

il fango in due parti: una che viene riciclata e l’altra che viene trattata (vedi figura 15.3)

Figura 15.3 – Estrazione del fango di supero da un impianto a schema semplificato

Chimico

Letti di

essiccamento

Chimico

Allo stato

liqiodo sul

terreno

Per gravità

Per flottazione

Per

centrifugazione

Fase di

concentrazione

(Ispessimento)

Fase di

stabilizzazione

Digestione

aerobica

Digestione

anaerobica

Stabilizzazione

chimica

2° Fase di

concentrazione

Post

ispessimento

Per gravità

Per flottazione

Per

centrifugazione

Condizionamento

Chimico

Pastorizzazione

Termico

Disidratazione e

essiccamento

Pastorizzazione

Filtri pressa

Centrifugazione

Filtri a nastro

Filtri sotto vuoto

Essiccamento

termico

Incenerimento e

compostaggio

Incenerimento

Compostaggio

Smaltimento

finale

Pastorizzazione

Termico

Pastorizzazione

Termico

Allo stato solido

sul terreno

Stagni di

accumulo

permanenti

Discariche

controllate

Mare

Corsi d'acqua

AERAZIONE

SEDIMENTAZIONE

SECONDARIA

Riciclo Fango di supero


Una soluzione alternativa, che presenta alcuni vantaggi rispetto allo schema classico descritto sopra,

consiste nel riciclare tutti i fanghi, ottenuti nel sedimentatore secondario, alla vasca di aerazione, e prelevare

quelli di supero, da inviare al trattamento fanghi, dalla stessa vasca di aerazione. Con questa tecnica si

ottiene sia un facile controllo della concentrazione del fango nella miscela aerata (Ca) sia dell’età del fango

e quindi del grado di stabilizzazione dello stesso, inoltre il fango ottenuto è più uniforme. (vedi figura 15.4).

Figura 15.4 – Prelievo del fango di supero dalla vasca di aerazione

Il prelievo del fango di supero dalla vasca di aerazione può avvenire in maniera continua, quando si usano

impianti ad alto carico nei quali si avrebbe una crescita rapida della concentrazione, o in maniera

discontinua, negli impianti ad aerazione prolungata nei quali, visti gli elevati volumi della vasca di aerazione,

l’aumento della concentrazione del fango è molto lento.

Ognuna delle fasi di trattamento dei fanghi indicate nello schema a blocchi di figura 15.1 può essere

eseguita seguendo modalità differenti (vedi figura 15.2). La combinazione di tutte queste modalità comporta

la possibilità di delineare un elevato numero di schemi differenti ognuno dei quali risulta convenientemente

applicabile in base alla tipologia del fango ottenuto e alla potenzialità dell’impianto.

La funzione delle varie fasi è la seguente:

preispessimento o addensamento o concentrazione

Questa fase serve ad aumentare il contenuto di sostanza secca del fango in modo da ridurre i volumi

necessari al suo trattamento

stabilizzazione

Ha la funzione di mineralizzare parte delle sostanze organiche putrescibili ed eliminare i batteri

patogeni e i parassiti normalmente presenti nel fango

postispessimento

Ha la funzione di aumentare ulteriormente il contenuto di sostanze solide nei fanghi stabilizzati

condizionamento

Ha la funzione di indebolire i legami dell’acqua con le particelle solide per facilitarne la sua fuoriuscita

disidratazione e essiccamento

Serve ad eliminare una buona parte dell’acqua presente nei fanghi stabilizzati

incenerimento o compattazione

Costituiscono la fase che precede lo smaltimento finale.

Esaminiamo ora in maniera più dettagliata le varie fasi e le modalità principali con le quali possono essere

eseguite.

AERAZIONE

SEDIMENTAZIONE

SECONDARIA

Riciclo

Fango di supero


15.2 - Ispessimento del fango

Per poter ridurre il volume delle apparecchiature necessarie al trattamento dei fanghi si sottopongono i

fanghi stessi a un processo che ha la funzione di aumentare il contenuto di sostanza secca eliminando

parte dell’acqua presente.

Questo processo prende il nome di “ispessimento del fango”. Il volume del fango risultante può essere

calcolato sulla base della concentrazione del fango dopo l’operazione di ispessimento (vedi esempio 15.1).

Esempio 15.1 - Ispessimento del fango

Da un sedimentatore escono 2750 l/giorno di fanghi con un contenuto d’acqua del 96%. Se con

un’operazione di ispessimento si porta il contenuto di acqua all’80% di quanto si ridurrà il volume dei fanghi?

***************

Nell’operazione di ispessimento si elimina solamente l’acqua e non la parte solida del fango che rimane

perciò costante.

Se indichiamo con:

Vi = volume iniziale (= 2750 l)

Ci = concentrazione iniziale del fango (= 100 – 96 = 4%)

Vf = Volume finale (da calcolare)

Cf = concentrazione finale del fango (= 100 – 80 = 20%)

Allora dovrà valere:

ffii CVCV

Risolvendo rispetto a Vf si ottiene:

litri 55020

42750

litri

C

CVV

f

iif

al giorno.

Quindi la riduzione percentuale (Rid. %) del fango sarà:

Una maniera alternativa è quella di usare il grafico riportato in figura 15.5

Nel grafico di figura 15.5 è riportata la riduzione del volume dei fanghi in funzione del contenuto finale di

sostanza secca per vari valori iniziali di detto parametro.

Se il contenuto di acqua è pari al 96% quello dei fanghi sarà del 4%. Si legge allora sul grafico, per un valore

iniziale della sostanza secca del 4%, il valore della riduzione del volume corrispondente a un contenuto di

sostanza secca del 20%.

Il valore trovato indica che il volume finale dei liquami è pari al 20% di quello iniziale cioè:

l/giorno 5502,027502,0VV IF

Il risultato ottenuto usando il grafico è uguale a quello ottenuto con il calcolo

Il grafico riportato in figura 15.5 è la rappresentazione dell’equazione:

F

I

I

F

U100

U100

V

V

(15.1)

dove:

UI = contenuto % iniziale di acqua nel fango

UF = contenuto finale % di acqua nel fango



7500 l/giorno di fango con un contenuto di sostanza secca del 3,0% viene concentrato in un

ispessitore in modo da eliminare il 60% dell’acqua presente. Determinare il nuovo contenuto di

sostanza secca nel fango ispessito.

*************

Se il fango contiene il 3% di sostanza secca conterrà il (100 – 3 = 97%) di acqua cioè:

l/giorno 72750,977500100

97VV FangoOH2

Il 60% di questa quantità viene eliminato

l/giorno 43650,672750,60VV OHelim. 2

Il volume finale del fango è perciò:

l/giorno 313543657500VVV elimFangofin

Infine si calcola la nuova concentrazione:

7,2%3135

75003

Vf

ViCiCfin

Il grafico che segue è utile per trovare la percentuale del volume iniziale del fango ispessito in funzione della

concentrazione finale delle sostanze secche conoscendo la loro concentrazione iniziale (valore sulle diverse

curve).

Per esempio: se Ciniz

=4% e Cfin

= 10% troviamo che Vfin.

= 0,4 Viniz.

Figura 15.5 – Volume dei fanghi in funzione del contenuto di sostanza secca.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20

solidi nel fango ispessito (%)

Volu

me f

ango ispessito in %

dell'o

rigin

ale

10

6

4

2

1

0,



8400 l/giorno di un fango con un contenuto di sostanza secca pari al 5,0% deve essere concentrato fino a

un contenuto del 12%. Quanta acqua deve essere eliminata?.

*************

La quantità di acqua da eliminare sarà data dalla differenza fra il volume iniziale e quello finale del fango.

Il volume iniziale è Vi

Il volume finale, si può determinare dal rapporto fra le concentrazioni e il volume iniziale usando la relazione

dedotta nell’esempio 15.1

gg

litri

gg

litri

Cf

CiVi

Cf

CiViViV f 4900

12

5184001

L’operazione di ispessimento del fango produce in definitiva due fasi (o strati) quello inferiore formato da

fango addensato, che procede verso i trattamenti successivi, e quello superiore (surnatante) che, essendo

formato da acqua con elevato inquinamento e contenente una certa quantità di solidi in sospensione, viene

riciclato a monte del trattamento depurativo delle acque reflue (vedi figura 15.6).

Figura 15.6 – Schema generale dell’ispessimento

In base al punto del trattamento nel quale viene svolta l’operazione di ispessimento si parla di:

preispessimento se viene eseguito prima della fase di stabilizzazione

ispessimento contemporaneo se viene eseguito durante la fase di stabilizzazione

postispessimento se viene eseguito dopo la fase di stabilizzazione

In base alla modalità con la quale si può realizzare l’ispessimento si può avere:

ispessimento discontinuo per gravità

ispessimento continuo per gravità

ispessimento per flottazione

ispessimento per centrifugazione.

Prendiamoli in esame uno per uno.

PROCESSO

DEPURATIVO

ISPESSIMENTO

DEL FANGO

Effluente depurato

Fango

diluito

Liuquami grezzi

Fango concentrato

Surnatante


15.2.1 - Ispessimento discontinuo per gravità

Viene eseguito inviando i fanghi provenienti dalle fasi di depurazione, nel caso del preispessimento, o dalla

fase di condizionamento, nel caso del postispessimento, in maniera discontinua, in una vasca di

sedimentazione di tipo Dortmund, blandamente aerata.

Nel fango viene insufflata aria per mantenere la quantità di ossigeno disciolto a valori sufficientemente alti da

evitare che si possano instaurare reazioni di tipo anaerobico.

Per ottenere l’addensamento dei fanghi è necessario mantenere questa condizione per tempi

sufficientemente lunghi e quindi queste vasche possono funzionare anche come vasche di accumulo.

Quando la sedimentazione ha raggiunto valori accettabili si interrompe il flusso dell’aria e si preleva il fango

dal fondo della vasca mentre dalla superficie si estraggono le acque separate (surnatante) che viene

riciclato (vedi figura 15.7).

Durante questa fase di interruzione del flusso dell’aria non si istaurano reazioni di tipo anaerobico perché la

quantità di nitrati presenti è sufficiente a fornire l’ossigeno necessario a mantenere le reazioni a livello

aerobico.

Figura 15.7 – Sedimentazione discontinua per gravità

Questi tipi di ispessitori vengono usati per impianti a aerazione prolungata o a fanghi attivi e filtri percolatori a

basso carico dal momento che in questi casi il prelievo del fango addensato viene fatto a distanza di giorni.

In questo caso il trattamento avviene seguendo le seguenti fasi operative:

la vasca d’ispessimento, dopo essere stata svuotata dal surnatante, viene caricata con nuovo

fango

si lascia ispessire il fango per il tempo necessario

si elimina nuovamente il surnatante e si ripete la prima fase

a distanza di tempo si prelevano i fanghi ispessiti e si inviano ai trattamenti successivi.

Aria compressa

Arrivo fango da

ispessire

Uscita surnatante

Uscita fango ispessito


15.2.2 - Ispessimento continuo a gravità

Si esegue in una vasca simile a quelle di sedimentazione nella quale si mandano, al centro, i fanghi che

devono essere ispessiti.

Nella vasca è presente un sistema di agitazione lento (velocità di rotazione 5 – 15 giri/h) dotato di aste

metalliche verticali la cui funzione è quella di facilitare la fuoriuscita dell’acqua inglobata nei fiocchi e delle

bolle di gas consentendo l’addensamento del materiale solido.

Questo sistema risulta particolarmente efficace nel caso di fanghi attivi contenenti elevate quantità di nitrati,

nei quali può svilupparsi azoto gassoso che, se non opportunamente eliminato, causerebbe la risalita del

fango causata dalle bolle di gas inglobate nei fiocchi (“rising”).

L’agitatore è dotato, nella parte inferiore, di alette raschiatrici il cui scopo è quello di convogliare il fango

verso il centro della vasca (tramoggia di raccolta) da dove poi verrà estratto (vedi figura 15.8).

Figura 15.8 – Ispessitore continuo a gravità.

15.2.3 - Ispessimento per flottazione

Questo sistema, molto usato nel trattamento di acque industriali, utilizza dell’aria compressa per costringere

il fango a risalire verso la superficie e qui concentrarsi mentre le acque, solo parzialmente liberate dal fango,

rimangono sul fondo della vasca e vengono riciclate al trattamento delle acque.

La flottazione viene usata quando i fanghi sedimentano con difficoltà e quindi il sistema a gravità, visto

sopra, è difficilmente applicabile. I costi sia di impianto che di gestione sono maggiori rispetto agli ispessitori

per gravità. La separazione può essere migliorata usando opportune sostanze polimeriche che favoriscono

la risalita dei fanghi verso la superficie. Questa tecnica consente anche una buona separazione delle sabbie

che non vengono trascinate verso l’alto ma si depositano sul fondo.

Un ulteriore vantaggio dell’ispessimento per flottazione risiede nell’uso di aria compressa che, mantenendo

la massa costantemente ossigenata, impedisce l’istaurarsi di fermentazioni anaerobiche e quindi lo

sviluppo di odori molesti.

Figura 15.9 – Ispessimento per flottazione

Ingresso fanghi

Surnatante

Fanghi ispessiti

Immissione polimeri

Uscita fanghi ispessiti

Ingresso fanghi

Ingresso aria

Uscita subnatante


15.2.4 - Ispessimento per centrifugazione

Una centrifuga a funzionamento continuo è rappresentata in forma schematica in figura 15.10. I fanghi da

ispessire entrano nella parte centrale attraverso l’albero di rotazione cavo quindi, a causa della forza

centrifuga sviluppata dal rotore in movimento, vengono spinti verso l’esterno. Qui, un sistema a coclea, che

ruota con velocità leggermente superiore a quella del rotore, spinge i fanghi addensati verso una estremità

mentre la parte acquosa più leggera esce attraverso uno sfioratore anulare dall’altra estremità.

La concentrazione del fango ottenibile con la centrifugazione è di circa il 10%

Figura 15.10 – Centrifuga continua per l’ispessimento del fango

15.3 - La stabilizzazione del fango

La stabilizzazione del fango, necessaria per eliminare parte delle sostanze organiche biodegradabili e

quindi putrescibili, può essere eseguita:

per via biologica (digestione)

per via chimica.

Questa operazione non risulta necessaria nei processi in cui sono previsti trattamenti finali particolari come

ad esempio l’incenerimento dei fanghi.

La digestione totale del fango, cioè la completa eliminazione delle sostanze biodegradabili, comporterebbe

un trattamento molto spinto sulle sostanze organiche presenti con conseguente aumento sia dei costi che

della complessità dell’impianto. Nella quasi totalità dei casi non è necessario attuare una digestione

completa, ma è sufficiente raggiungere la “stabilizzazione tecnica” che consiste in un trattamento

capace di rendere i fanghi facilmente manipolabili e smaltibili senza causare lo sviluppo di cattivi odori e

senza comportare pericoli per il personale addetto alle lavorazioni, vale a dire fino al punto in cui la velocità

delle reazioni di degradazione risulta sufficientemente bassa da non costituire un problema sanitario.

Un fango si considera tecnicamente stabilizzato quando il consumo di ossigeno, legato alla putrescibilità, è

inferiore a 0,1 kg di O2 al giorno per ogni kg di solidi volatili contenuti.

Da questo punto di vista i fanghi prodotti nelle fosse settiche, nelle fosse Imhoff, negli impianti a fanghi attivi

ad aerazione prolungata, nei filtri percolatori con fattore del carico organico volumetrico molto basso e nei

filtri percolatori a filtrazione prolungata, sono già quasi totalmente stabilizzati e possono essere sottoposti ai

trattamenti di essiccamento e smaltimento senza la necessità di una ulteriore fase di stabilizzazione.

In tutti questi casi dunque il trattamento finale necessario è formato dalle seguenti tre fasi:

concentrazione (ispessimento)

disidratazione

smaltimento.

Ingresso fanghi

Acque al riciclo

Fanghi ispessiti

Rotore


15.3.1 - Stabilizzazione biologica del fango

La stabilizzazione del fango, ottenuta mediante reazioni di tipo biochimico, può essere condotta seguendo

due diverse modalità:

per via aerobica mediante ossigenazione sfruttando la presenza di batteri aerobici

per via anaerobica utilizzando microrganismi che si sviluppano nel fango in assenza di ossigeno

disciolto.

Con la stabilizzazione biologica del fango non si ottiene solamente l’abbattimento di buona parte dei solidi

organici biodegradabili, ma anche una notevole riduzione dei solidi sospesi.

I fanghi contengono solidi volatili che sono in parte biodegradabili e in parte non biodegradabili. Quando la

parte biodegradabile del fango è stata eliminata il fango può essere considerato perfettamente stabilizzato

(con il BOD = 0) poiché, non essendoci più disponibilità di nutrienti, i batteri non possono più riprodursi.

In pratica non si riesce e non sarebbe neppure conveniente ridurre il BOD a zero, ma è sufficiente ottenere

un fango ben stabilizzato nel quale la riduzione delle sostanze organiche biodegradabili sia compresa fra

l’80 e il 90%. Poiché le sostanze biodegradabili sono una parte consistente dei solidi volatili, la loro rimozione

comporta anche una forte riduzione del volume del fango.

È possibile calcolare la variazione percentuale dei solidi sospesi volatili (SSV) se sono noti il contenuto

iniziale dei solidi sospesi volatili e la loro riduzione percentuale.

Se indichiamo con:

R = riduzione percentuale dei solidi sospesi volatili (SSV)

SSVf = valore percentuale dei solidi sospesi volatili nel fango fresco

SSVd = valore percentuale dei solidi sospesi volatili nel fango digerito

È valida la relazione:

100SSV)SSV100(

SSV)SSV100(1(%)R

fd

df

(15.2)

Riportando su un grafico il valore della concentrazione dei solidi sospesi volatili nel fango digerito (SSVd) in

funzione della concentrazione dei solidi sospesi volatili nel fango fresco (SSVf) per valori della riduzione

percentuale (R) che variano fra il 40 e l’85%, a intervalli del 5%, si ottiene l’andamento riportato

in figura 15.11.

Figura 15.11 – SSVd

in funzione di SSVf e di R

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

40 50 60 70 80 90

% SSVf

%S

SV

d

R = 40%

R = 85%


Il grado di riduzione dei solidi volatili durante la digestione del fango dipende:

dal tempo di permanenza del fango nella fase di digestione (età del fango)

dalla temperatura alla quale viene condotta la digestione.

L’età del fango nella fase di digestione è normalmente compresa fra 15 e 40 giorni mentre per quanto

concerne la temperatura si possono avere tre tipi di processi di digestione (ognuno condotto da diversi tipi

di microrganismi):

processi criofili con temperature inferiori a 10 °C

processi mesofili con temperature comprese fra 10 e 40 °C

processi termofili con temperature superiori a 40 °C.

La tendenza attuale, soprattutto nella digestione anaerobica, è quello di lavorare a temperature comprese

fra 32 e 38 °C.

Nei processi di stabilizzazione biochimica aerobica il fango si considera sufficientemente

stabilizzato quando la riduzione dei solidi sospesi volatili è di circa il 40% mentre per la digestione

anaerobica, che consente riduzioni maggiori, si pone il limite di riduzione al 50%.

15.3.2 - La digestione aerobica del fango

Questo tipo di trattamento, che risulta più semplice rispetto a quello anaerobico ma più costoso a causa

dell’energia necessaria per l’ossigenazione della miscela, viene di solito applicato negli impianti a fanghi

attivi a schema semplificato.

La digestione aerobica dei fanghi di supero può essere vista come una continuazione del trattamento

biologico ossidativo iniziato nella vasca di aerazione dell’impianto a fanghi attivi. Ai fanghi viene fornito

ossigeno (aerazione) senza però fornire nutrimento (substrato) mantenendo così i batteri in uno stato di

decadimento per respirazione endogena.

In queste condizioni i microrganismi che perdono vitalità rendono disponibile il loro materiale cellulare che

viene sfruttato dai batteri superstiti con il risultato di abbassare il contenuto dei solidi volatili e ottenere una

spinta mineralizzazione delle sostanze organiche biodegradabili.

Il risultato è che le sostanze organiche vengono ossidate, formando essenzialmente anidride carbonica

(insieme a fosfati, nitrati, solfati ecc.) e acqua.

L’impianto di digestione aerobica del fango è formato da una vasca nella quale vengono immessi i fanghi

da trattare e, nella zona centrale, viene insufflata l’aria che serve anche a mantenere in sospensione le

particelle di fango (vedi figura 15.12).

Figura 15.12 – Digestore aerobico discontinuo del fango di supero

Il prelievo del surnatante per il riciclo e del fango digerito e ispessito viene eseguito in maniera discontinua

dopo aver interrotto il flusso d’aria per consentire l’ispessimento del fango (ispessimento contemporaneo).

Ingresso fanghi da

trattare

Uscita surnatante

al riciclo

Uscita fanghi digeriti e

ispessiti

Ingresso aria


Nel periodo in cui l’aerazione è interrotta non si istaurano reazioni di tipo anaerobico poiché il BOD è stato

notevolmente ridotto e i nitrati che si sono formati durante la digestione sono in grado di fornire l’ossigeno

sufficiente a completare l’ossidazione del BOD residuo.

Negli impianti a funzionamento continuo si preferisce usare due vasche distinte: nella prima avviene la

digestione aerobica del fango mentre nella seconda si ha l’ispessimento del fango (post-ispessimento),

sempre in maniera continua. (vedi figura 15.13)

Figura 15.13 – Schema digestore aerobico continuo

Come è stato già affermato in precedenza l’entità della stabilizzazione dipende da due fattori fondamentali:

la temperatura e l’età del fango. È ovvio infatti che un fango risulterà tanto più stabilizzato quanto maggiore

è il tempo di aerazione al quale è stato sottoposto e tanto maggiore è la temperatura alla quale vengono

condotte le reazioni di ossidazione.

L’età del fango, relativa alla digestione aerobica, si ottiene dal rapporto fra la quantità totale di solidi sospesi

contenuti nella vasca e la quantità di fango estratta giornalmente dal digestore.

È importante notare tuttavia che, prima di essere inviati al digestore aerobico, i fanghi hanno trascorso un

certo tempo anche nella vasca di aerazione a fanghi attivi e nel sedimentatore. Per questa ragione, quando

si indica l’età del fango, non si deve considerare solo quella relativa alla digestione aerobica ma quella

totale che comprende anche il tempo di stazionamento nei trattamenti precedenti (età totale del fango).

A titolo di esempio: un liquame che è stato sottoposto a un trattamento di aerazione prolungata sarà quasi

totalmente stabilizzato e quindi il trattamento residuo di digestione, se necessario, dovrà essere effettuato

per un tempo breve. Al contrario, un impianto a fanghi attivi ad alto carico, produrrà un fango poco

stabilizzato e altamente putrescibile (età del fango relativa al trattamento a fanghi attivi molto bassa) è sarà

perciò necessario sottoporlo a un lungo trattamento di digestione aerobica.

Quando si considerano i tempi totali di permanenza del fango nell’intero impianto di trattamento delle acque

(trattamento a fanghi attivi, sedimentatore e digestione aerobica del fango) si ottengono valori simili qualsiasi

sia il tipo di trattamento complessivo adottato.

Molto importante è anche la temperatura perché le velocità di tutte le reazioni, comprese quelle biologiche,

aumentano (raddoppiano per un aumento di circa 10 °C) all’aumentare della temperatura.

Così, per esempio, l’età totale del fango necessaria a ottenere la stabilizzazione tecnica è:

compresa fra 40 e 60 giorni a 10 °C



compresa fra 7 e 10 giorni a 60°C

Si può notare che il prodotto della temperatura per gli estremi dell’intervallo dell’età del fango nel 1°, 2°, 3° e

4° caso fornisce approssimativamente sempre i valori 400 e 600.

Infatti:

1° caso: 10 (°C)·40 (giorni) = 400 (°C·giorno) e 10 (°C)·60 (giorni) = 600 (°C·giorno)



4° caso: 60 (°C)··7 (giorni) = 420 (°C·giorno) e 60 (°C)·10 (giorni) = 600 (°C·giorno)

Questa constatazione ha portato i progettisti a introdurre un nuovo parametro ottenuto moltiplicando

appunto l’età del fango necessaria a ottenere una stabilizzazione tecnicamente accettabile per la

temperatura alla quale è stata condotta la stabilizzazione.

DIGESTORE

AEROBICO

ISPESSITORE

CONTINUO

Riciclo

surnatante

Fango ispessito e stabilizzatoRiciclo del fango ispessito

Fango di supero

da stabilizzare


Studi sperimentali hanno consentito di mettere in relazione la riduzione percentuale dei solidi volatili

contenuti nel fango con questo nuovo parametro (vedi figura 15.14)

Figura 15.14 – Relazione fra la riduzione dei solidi sospesi e il prodotto età del fango per temperatura.

Dal grafico si può vedere che per ottenere una riduzione dei solidi sospesi di circa il 40% (che corrisponde a

una stabilizzazione tecnicamente accettabile) si deve avere un valore del prodotto età totale x temperatura

pari a circa 500. Questo corrisponde al valore medio riportato in precedenza per le temperature di 10, 20,

30 e 60°C che è compreso fra 400 e 600.

Usando i criteri descritti sopra è possibile determinare il volume della vasca di digestione necessario per

trattare un determinato tipo di fango.

Se, infatti, indichiamo con:

E = età del fango relativa al sistema vasca a fanghi attivi/sedimentatore

E’ = età del fango relativa al digestore aerobico (compreso eventualmente l’ispessimento).

Etot

= età totale del fango necessaria a ottenere la stabilizzazione tecnica.

M’ = quantità complessiva di fango contenuto nel digestore.

X’ = quantità di fango stabilizzato estratta ogni giorno dalla vasca di digestione

Cd = concentrazione del fango nel digestore aerobico.

Si può scrivere:

EEE tot ' (15.3)

(15.4)

(15.5)

Il volume del digestore è quindi calcolabile se sono note le tre grandezze E’, X’ e Cd .

Mentre l’età del fango nel digestore (E’) può essere facilmente trovato dal grafico di Figura 15.14

conoscendo la riduzione percentuale dei solidi sospesi volatili (R%) e la temperatura di esercizio, per

40,6

500

0

10

20

30

40

50

60

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

Rid

uzio

ne S

S (%

)

età totale del fango x temperatura (°C x giorno)


calcolare la produzione di fango stabilizzato occorre conoscere, oltre che la riduzione R%, sia la portata in

ingresso del fango ( SS) che la sua composizione (SSV%)1.

Per quanto riguarda la concentrazione del fango all’interno del digestore (Cd) è possibile calcolarla

conoscendo la concentrazione dei solidi sospesi (SS%)2 oppure assumerla entro intervalli ragionevoli che

dipendono dal tipo di fango che si sta trattando.

Gli intervalli di concentrazione più utilizzati sono:

per fanghi secondari non ispessiti valori compresi fra 0,6 e 1,2% (6 – 12 kg/m3

)

per fanghi misti non ispessiti valori compresi fra 2,5 e 3,5% (25 – 35 kg/m3

)

per fanghi secondari ispessiti valori compresi fra 1,8 e 2,8% (18 – 28 kg/m3

)

per fanghi misti ispessiti circa 4% (40 kg/m3

)

Due considerazioni finali importanti:

1. nel caso di assenza di ispessimento contemporaneo l’età del fango nel digestore coincide con il

tempo di ritenzione idraulico, E’ td e quindi V’ td Qs dove Qs è la portata volumetrica del

fango in ingresso al digestore (calcolabile sapendo SS e U ).

2. per impianti a fanghi attivi o a filtri percolatori ad alto carico, cioè con un basso tempo di ritenzione,

si può considerare un’età del fango E ≈ 0 giorni, quindi Etot E’, mentre per gli stessi impianti ma a

basso carico (tempi di ritenzione lunghi) i valori mediamente accettati sono compresi fra 6 e 8 giorni.

Esempio 15.4 - Volume del digestore aerobico

In un impianto a fanghi attivi che lavora alla temperatura di 20 °C vengono prodotti 500 kg di solidi sospesi al

giorno di fango di supero. L’età del fango nel sistema vasca di aerazione/sedimentatore è di 10 giorni.

Il fango di supero, dopo aver subito un preispessimento fino alla concentrazione del 2,2%, viene inviato a

una vasca di ossidazione aerobica per essere stabilizzato.

Determinare il volume della vasca di stabilizzazione aerobica.

***************

Prendiamo come valore medio del prodotto età del fango nella vasca di stabilizzazione/temperatura pari al

valore medio dell’intervallo necessario a ottenere una stabilizzazione tecnicamente accettabile cioè

500 giorni·°C.

Con questo valore si ottiene che l’età totale del fango deve valere:

giorni 2520

500E tot

Poiché nel sistema vasca di aerazione/sedimentatore il fango è già rimasto per 10 giorni nella vasca di

stabilizzazione dovrà rimanere per:

giorni 151025EE'E tot

La quantità totale di fango che entra nella vasca di stabilizzazione sarà perciò:

kgSS 7500gg15gg

kgSS500'EXMingresso

Assumendo la percentuale dei solidi sospesi volatili in ingresso (SSV) e la loro riduzione nel digestore

rispettivamente del 70% e del 45% possiamo trovare la quantità effettiva di fango all’interno del digestore:

,

,

1 Il fango giornaliero estratto dal digestore è: ∆X’=∆SS∙(1-SSV%∙R%) [kgSS/gg] 2 La concentrazione all’interno del digestore è: Cd = SS%∙10∙(1-SSV%∙R%) [kgSS/m3]


Con le stesse assunzioni possiamo calcolare la concentrazione del fango in uscita dal digestore; infatti se

consideriamo 1m3

di fango in ingresso:

22kgSS di cui 22∙0,70=15,4kgSSV e 22kgSS-15,4kgSSV=6,6kgSSM

Dei 15,4kgSSV dopo stabilizzazione ne rimangono 15,4kgSSV∙0,55=8,5kgSSV che sommati ai solidi

sospesi minerali (rimasti invariati) danno 8,5kgSSV+6,6kgSSM= 15,1kgSS

Il volume della vasca dovrà essere:

3

3

m 340

1,15

5138''

m

kgSS

kgSS

C

MV

d

15.3.3 – Digestione del fango con ossigeno puro

Questi impianti si distinguono da quelli convenzionali poiché la stabilizzazione dei fanghi viene realizzata con

ossigeno ad elevato grado di purezza anziché usare l’ossigeno contenuto nell’aria.

L’ossigeno, con grado di purezza compreso fra il 94 e il 97%, può essere prodotto sul posto separandolo

dall’azoto con un impianto a setacci molecolari azionato da un semplice compressore d’aria.

In alternativa si può usare ossigeno liquido contenuto in un apposito serbatoio e rifornito con autocisterne da

un impianto di frazionamento dell’aria liquida. Questo sistema è però più costoso e complesso del primo

dal momento che è necessario mantenere per periodi abbastanza lunghi una temperatura molto bassa

all’interno del serbatoio.

L’operazione di ossidazione viene eseguita immettendo, in vasche chiuse contenenti il fango da trattare,

l’ossigeno sotto leggera pressione. In queste condizioni il rendimento di utilizzazione dell’ossigeno risulta

particolarmente elevato, superiore al 90%.

Questo sistema, che è applicabile anche agli impianti a fanghi attivi, consente di mantenere concentrazioni

di ossigeno disciolto da 6 a 8 volte maggiori di quelle ottenibili con l’uso dell’aria e causa un intenso sviluppo

di microrganismi di “ottima qualità” cioè particolarmente attivi per la realizzazione di una efficace

depurazione mediante ossidazione.

Negli impianti a fanghi attivi, l’uso di ossigeno puro, produce un fango più denso e di migliore

sedimentabilità formato da fiocchi di dimensioni maggiori di quelli che si formano negli impianti operanti con

aria. Dal momento che non c’è la necessita di mescolare grandi quantità di aria con la massa da depurare,

l’agitazione di questa risulta molto ridotta e quindi si evita la frantumazione dei fiocchi di fango in parti più

piccole e di difficile sedimentabilità (pin point).

Lo sviluppo di odori molesti viene praticamente eliminato dal momento che l’impianto è chiuso e i gas

scaricati all’esterno sono in quantità ridotta.

Se si esegue la digestione aerobica in un digestore chiuso e ben coibentato, il calore sviluppato nelle

reazioni di ossidazione biologica causa un riscaldamento del fango la cui temperatura sale fino a 60 – 70°C.

In queste condizioni si ottiene una digestione termofila che procede velocemente e che, data l’elevata

temperatura, produce una vera e propria pastorizzazione del fango con eliminazione quasi totale dei

microrganismi patogeni.

Lavorando con due digestori in serie si ottiene un fango ben stabilizzato che per essiccamento fornisce un

terriccio privo di odori e del tutto innocuo per la salute.

15.3.4 - Fabbisogno di ossigeno nella vasca di stabilizzazione aerobica

Per l’ossidazione delle sostanze biodegradabili contenute nel fango che deve essere stabilizzato si

può usare l’equazione usata per gli impianti a fanghi attivi ponendo il valore del coefficiente di respirazione

attiva uguale a zero dal momento che in questo processo interviene solamente la degradazione delle

sostanze per respirazione endogena e non l’accrescimento batterico.

Il fabbisogno di ossigeno nel digestore aerobico si può dunque scrivere:

(15.6)

dove: = fabbisogno di ossigeno nel digestore (kgO

2/h)

b’= coefficiente di respirazione endogena (g(O2)/kgSSV·h)

= massa di solidi volatili contenuta nel digestore (kgSSV)


Tenendo conto che la massa dei solidi volatili è circa il 70% dei solidi totali M’ e che i valori

comunemente accettati per il coefficiente di respirazione endogena sono compresi fra

3,0 e 7,0 g(O2)/[kg(SSV)·h] dalla conoscenza di M’ si può avere facilmente una stima del fabbisogno di

ossigeno per la digestione dalla relazione:

( , )

Un altro metodo per la determinazione del fabbisogno di ossigeno nel digestore aerobico, che evita di usare

la costante di respirazione endogena b’ (ricavabile con esattezza solo sperimentalmente), è quello che

introduce il concetto di “indice complessivo di richiesta di ossigeno” (ocomplessiv

oF ) inteso come la quantità

totale di ossigeno necessaria a 1 kg di BOD5 per trasformarlo in fango tecnicamente stabile.

Tale quantità, statisticamente calcolata per acque reflue di tipo civile, è all’incirca 1,5 - 1,6 KgO2/kgBOD

5,

Vale a dire: quando i batteri aerobici, nel loro metabolismo del BOD5, hanno consumato circa

1,5 - 1,6 Kg di ossigeno per ogni kg di BOD5, il fango risultante è un fango tecnicamente stabile.

L’indice di richiesta di ossigeno per la digestione aerobica si determina dunque come differenza tra quello

complessivo e quello consumato in vasca di ossidazione:

e il fabbisogno di ossigeno per la digestione aerobica potrà essere calcolato nel modo che conosciamo per

la vasca di ossidazione dove al posto di viene introdotto :

15.3.5 - La digestione anaerobica

Il processo di digestione del fango per via anaerobica produce solidi inerti, materiale organico metastabile

(umus) e una miscela gassosa, formata in prevalenza da metano e anidride carbonica (biogas), che può

essere utilizzata sia per fornire l’energia necessaria al fabbisogno termico dello stesso processo di

digestione che ad altri scopi e addirittura venduto sul mercato.

Questo indubbio vantaggio economico viene in parte ridotto sia dalla complessità e costo delle

apparecchiature necessarie, sia dalla difficile conduzione dell’impianto e dalla necessità di istallare sistemi

di sicurezza e di controllo necessari alla manipolazione della miscela gassosa.

Sempre in conseguenza di questo potenzialmente vantaggioso fattore economico oltre che per la

stabilizzazione del fango di supero la digestione anaerobica si può utilizzare per il trattamento diretto di

liquami particolarmente concentrati come possono essere, ad esempio, quelli prodotti dalle industrie

alimentari, dagli allevamenti di animali, da macelli ecc. In questi ultimi casi le acque prodotte non sono

idonee allo smaltimento diretto, ma possono essere immesse nella fognatura pubblica senza causare

danni o indesiderate forti variazioni di carico organico.

La condizione di completa assenza di ossigeno, che viene mantenuta durante la digestione, favorisce la

selezione di batteri facoltativi e lo sviluppo di batteri anaerobi obbligati che, seppure già presenti nei liquami

originali, non possono svilupparsi durante le fasi di trattamento aerobico.

Tra i batteri di tipo strettamente anaerobico si ritrovano i ceppi, denominati genericamente metanobatteri,

responsabili della produzione di metano.

Le reazioni di digestione anaerobica sono fortemente influenzate dalla temperatura e, a questo riguardo,

possono essere condotte usando batteri che operano bene a temperature basse (criofili) o a temperature

medie (mesofili) o ad alte temperature (termofili). Con i batteri termofili è possibile lavorare a temperature

superiori a 45 °C (in alcuni casi si può arrivare fino a 70 °C!) e ottenere una produzione più rapida di biogas.

D’altra parte il mantenimento di temperature così elevate comporta una maggiore complessità di gestione e

quindi costi più elevati.

La soluzione normalmente accettata è quella di lavorare con batteri mesofili a temperature comprese fra

32 e 38 °C.

La digestione del fango e la contemporanea produzione di biogas sono dovute a una complessa serie di

reazioni biochimiche concatenate realizzate da batteri di tipo diverso. Anche se all’interno del digestore

anaerobico le reazioni avvengono con continuità, è possibile suddividerle in tre fasi distinte, fasi che

avvengono in sequenza solamente durante il periodo iniziale di messa in funzione dell’impianto.


Le tre fasi sono:

liquefazione

fermentazione acida (acidificazione)

fermentazione alcalina (gassificazione).

15.3.5.1 - Fase di liquefazione

Le macromolecole organiche biodegradabili presenti nel fango, sia allo stato solido che disciolto,

(polisaccaridi, amido, proteine, pectine, polipeptidi, lipidi ecc.) a causa delle loro dimensioni, non possono

essere trasportate all’interno dei batteri, che possono assimilare solo molecole di piccole dimensioni, per

essere metabolizzate. Tuttavia i microrganismi deputati alla degradazione di tali sostanze liberano enzimi

idrolitici (enzimi extracellulari) che degradano le macromolecole in molecole semplici.

Le fasi dell’idrolisi enzimatica sono rappresentate in forma semplificata nello schema seguente:

Figura 15.15 – Idrolisi enzimatica delle macromolecole organiche

Durante questa fase, a causa della produzione di molecole semplici facilmente biodegradabili, il BOD dei

liquami aumenta, mentre il volume totale del fango rimane inalterato.

15.3.5.2 - Fermentazione acida (acidificazione)

In questa fase i batteri di tipo facoltativo trasformano i monosaccaridi in acidi organici semplici (formico,

acetico, propionico e butirrico), gli aminoacidi in ammoniaca e acidi carbossilici e lo zolfo in idrogeno

solforato e mercaptani. È durante questo passaggio che l’azione dei batteri facoltativi, denominati

“produttori di acidi” causano il manifestarsi degli sgradevoli odori della putrefazione.

Alcune delle reazioni coinvolte in questo processo sono riportate negli schemi sottostanti:

ad esempio da glucosio a acido acetico o a una miscela di acido formico, acido acetico e acido propionico

mentre la degradazione delle proteine porta alla deamminazione degli amminoacidi con formazione di

ammoniaca e dell’idrossiacido equivalente. L’idrossiacido viene poi ulteriormente ossidato ad acido formico

e un acido saturo con un atomo di carbonio in meno dell’amminoacido di partenza: (nell’esempio l’alanina

forma ammoniaca, acido formico e acido acetico).

Durante questa fase, grazie alla presenza di ammoniaca e dei bicarbonati dell’acqua ( ), il pH della

miscela si mantiene vicino alla neutralità nonostante la formazione di sostanze acide (acidi carbossilici

semplici). Questa particolare neutralizzazione viene denominata regressione acida.

C6H12O6 3 CH3 COOH

C6H12O6 HCOOH + CH3 COOH + CH3 CH2 COOH

CH3 CH2 CH COOH

NH2

CH3 CH2 CH COOH

OH

+ NH3

CH3 COOH + HCOOH

Polisaccaridi

Cellulosa Amido

ecc.

Monosaccaridi

(glucosio, fruttosio,

mannosio ecc)

Proteine

e

polipeptidi

Aminoacidi e peptidi

Lipidi

Glicerina

e

acidi grassi

Lipasi

Amilasi

proteasi


15.3.5.3 - Fermentazione alcalina (gassificazione)

Questa è la fase più importante ed è realizzata da batteri strettamente anaerobici che sfruttano, per il loro

metabolismo, l’ossigeno contenuto nei composti organici per produrre anidride carbonica. La parte

rimanente delle molecole viene invece convertita in composti in forma ridotta: principalmente metano, con

quantità minori idrogeno solforato, mercaptani, azoto, ammoniaca e ammine.

Alcune reazioni di questo tipo sono riportate nello schema seguente:

È possibile visualizzare l’evoluzione delle varie fasi riportando in un grafico, in funzione del tempo, la

percentuale di concentrazione dei solidi sospesi volatili (SSV) degli acidi volatili, dell’alcalinità e della

produzione di biogas. Il risultato semiquantitativo è riportato in figura 15.16.

Figura 15.16 – Variazione di alcuni parametri durante la fermentazione anaerobica

d a g l i a c i d i

d a g l i a l c o li

4 C H 3 O H 3 C H 4 + C O 2 + 2 H 2 O

2 C H 3 C H 2 O H + C O 2 C H 4 + 2 C H 3 C O O H

2 C H 3 C H 2 C H 2 O H C O 2 + C H 4 + 2 C H 3 C H 2 C H 2 C O O H

d a l l ' a n i d r i d e c a r b o n i c a

C O 2 + 4 H 2 C H 4 + 2 H 2 O

C H 3 C O O H C H 4 + C O 2

C H 4 + 3 C O 2 + 2 H 2 O 4 H C O O H

7 C H 4 + 5 C O 2 4

C H 3 C H 2 C O O H + 2 H 2 O

C H 4 + C H 3 C O O H 4 2 C H 3 C H 2 C H 2 C O O H + C O 2 + 2 H 2 O

2 H 2 + 2 C H 3 C O O H C H 3 C H 2 C H 2 C O O H + 2 H 2 O

100

50

Tempo (giorni)

10 20 30

Liquefazione

Fermentazione acida

Fermentazione

Alcalinità

Produzione di biogas

Concentrazione solidi volatili

Concentrazione acidi volatili


Ripetiamo un concetto molto importante:

le fasi considerate si susseguono nell’ordine indicato solamente durante la fase di avvio dell’impianto, fase

che si considera terminata quando inizia la produzione di biogas. Quando l’impianto funziona in stato di

regime stazionario le varie fasi avvengono contemporaneamente.

Per ridurre il tempo di raggiungimento della condizione stazionaria (regime stazionario) si usano come

inoculo i liquami provenienti da un digestore già in fase di funzionamento regolare che contiene perciò una

popolazione di batteri metanigeni già ben sviluppata. In questo modo il tempo necessario a iniziare lo

sviluppo di biogas si riduce a qualche settimana. Nel caso in cui si attenda lo sviluppo spontaneo di batteri

metanigeni il tempo di avviamento può allungarsi fino a 6 – 7 mesi.

Durante il funzionamento in regime stazionario le varie fasi si sviluppano contemporaneamente e si

stabilisce un equilibrio dinamico fra la popolazione dei batteri facoltativi, responsabili della fase di

fermentazione acida, e quelli strettamente anaerobici (metanigeni) responsabili della gassificazione degli

acidi organici e degli alcoli. Poiché lo sviluppo dei metanobatteri è più lento di quello dei produttori di acidi,

la velocità di crescita dei primi diventa un fattore limitante per lo sviluppo delle reazioni biochimiche

responsabili dell’ultima fase della digestione anaerobica del fango.

Il fango digerito assume un colore nerastro ed emana un intenso odore di terriccio. Ha un volume inferiore a

quello dei fanghi originali sia perché parte del fango è stato convertito in biogas, sia a causa della perdita di

parte dell’acqua strettamente legata ai fiocchi.

La variazione del volume e della composizione del fango nel passaggio da fango fresco a fango digerito è

riportata in figura 15.17

Figura 15.17 – Composizione e volume del fango prima e dopo la digestione

100

66

33

0

So

lid

i

pu

tre

scib

ili

Um

us

Ce

ne

ri

(so

lid

i

min

era

lizza

ti)

So

lid

i vo

latili

Ga

ssific

azio

ne

de

i so

lid

i

pu

tre

scib

ili

Um

us

(so

lid

i

vo

latili)

Ce

ne

ri

(so

lid

i m

ine

ra

lizza

ti)

100

70

0

Fango fresco Fango digerito


Negli schemi seguenti (figura 15.18 e 15.19) sono rappresentate in due modi diversi le varie fasi di

digestione anaerobica dei fanghi:

Figura 15.18 – Schema riassuntivo della decomposizione anaerobica delle sostanze organiche

Figura 15.19 – Fermentazione anaerobica delle sostanze biodegradabili

CARBOIDRATI LIPIDI PROTEINE

ZUCCHERI

SEMPLICI

GLICERINA E

ACIDI GRASSI

AMINOACIDI

ACIDI VOLATILI

E ALCOLIACIDI VOLATILI AMINE

AMMONIACA

AZOTO

MERCAPTANI

INDOLO

SKATOLO

IDROGENO

SOLFORATO

METANO E

ANIDRIDE

CARBONICA

Carboidrati, Lipidi e Proteine

(C, H, O, N, S)

RCOOH + RCH(NH2)COOH CO2 NH3 H2O H2S

RCOOH + NH3 RCH2NH2 + CO2

NH4

+

HCO3

-

CH3COOH + NH4

+

HCO3

-

CH3COO-

NH4

+

+

H2CO3

CH4 + CO2

H2O + CO2

CH4 + CO2 + NH4

+

HCO3

- CH4 + 2 H2O

De

am

min

azio

ne

De

ca

rb

ossila

zio

ne

ossidasi

Ba

tte

ri m

eta

nig

en

i

Batteri metanigeni

Batteri

metanigeni


Per ottenere uno sviluppo di metanobatteri sufficiente e controllare il funzionamento, alquanto instabile, del

digestore anaerobico occorre che:

l’ambiente sia mantenuto in condizioni sufficientemente alcaline in modo da tamponare

l’abbassamento del pH che si può avere a causa di una eccessiva produzione di acidi volatili.

(l’attività dei batteri metanigeni viene inibita a valori troppo bassi del pH). Il pH non deve scendere

al di sotto di 6,2 per cui si rende necessario un attento controllo di questo parametro effettuando,

quando occorre, aggiunte di calce o di carbonato di sodio;

non sia presente ossigeno all’interno del digestore. Questo gas costituisce un fattore che inibisce lo

sviluppo dei batteri metanigeni, strettamente anaerobici;

l’introduzione dei fanghi freschi e l’eliminazione di quelli digeriti avvenga con continuità in modo

che non ci sia variazione della quantità totale di fango all’interno del digestore;

che siano mantenute condizioni di omogeneità mediante periodico e moderato mescolamento che

di solito viene ottenuto attraverso la circolazione esterna del fango poiché, a causa delle notevoli

dimensioni dei digestori, il mescolamento con agitatori meccanici richiederebbe strutture massicce

e potenze assorbite elevate.

15.3.6 - Produzione di biogas

Il biogas che viene prodotto nel digestore anaerobico è formato essenzialmente da una miscela di metano

(CH4), in quantità variabili dal 65 al 75%, e anidride carbonica (CO

2) dal 25 al 35%. Sono presenti inoltre

quantità minori di altri gas quali: ammoniaca (NH3), azoto (N

2), ammine (RNH

2), idrogeno solforato (H

2S),

indolo e scatolo.

L’idrogeno solforato, la cui quantità dipende dal contenuto iniziale di solfati, è particolarmente fastidioso

quando si usa il biogas come combustibile, perché produce fumi contenenti anidride solforosa; è per

questo motivo che generalmente il biogas prima di essere impiegato come combustibile viene liberato dai

composti dello zolfo (lavaggio con soluzione alcalina).

Il potere calorifico superiore del biogas è compreso fra 6000 e 7000 kcal/Nm3

, che corrisponde a un potere

calorifico inferiore compreso fra 5000 e 5600 kcal/Nm3

. La produzione di gas è fortemente dipendente dal

tipo di fango che viene sottoposto a digestione anaerobica, se cioè si tratta di un fango già parzialmente

ossidato (proveniente da un impianto a medio o basso carico) o di un fango fresco che ha soggiornato solo

per un breve tempo nella vasca di ossidazione (impianto ad alto carico).

Nella tabella 15.1 sono riportate le quantità di biogas prodotto sulla base della tipologia del fango sottoposto

a fermentazione anaerobica.

Tabella 15.1 – Biogas prodotto per vari tipi di fango

Tipo di fango Gas prodotto

(litri/kgSSVrimosso

)

Fango primario 1000 – 1200

Fango misto 900 – 1000

Fango parzialmente stabilizzato 600 - 900

In riferimento all’abitante equivalente invece possono essere considerati accettabili valori compresi fra

26 e 35 litri/ab·gg, misurato in condizioni standard.

La produzione di biogas può essere messa in relazione anche al tipo di sostanza che viene sottoposta a

digestione anaerobica: grassi, oli, proteine ecc.

Nella tabella 15.2 è riportata la quantità media di biogas ottenuto da varie classi di sostanze:

Tabella 15.2 – Biogas ottenuto per vari classi di sostanze

Classi di sostanze

Produzione specifica

di biogas

(litri/kgSSVrimosso

)

Contenuto di metano

(CH4 %)

Grassi 1100 – 1400 62 – 72

Sostanze oleose 1060 68

Carboidrati 790 50

Proteine 750 73

Schiume 870 - 990 70 - 75


Un altro metodo per determinare la composizione del biogas, compreso il contenuto di ammoniaca e

idrogeno solforato, consiste nell’uso della formula media empirica dei solidi volatili biodegradabili. Questa si

ottiene dall’analisi elementare, cioè dalla determinazione quantitativa dei vari elementi (C, H, O, N, S e

talvolta P) contenuti nei fanghi da sottoporre a fermentazione anaerobica. Il risultato ci consente di scrivere

una “formula” dei solidi volatili come se fossero costituiti da una sola sostanza. La formula ha indici

frazionari e ha valore solamente come indicazione dell’abbondanza dei vari elementi presenti nel fango. A

questo punto è possibile scrivere la reazione globale di digestione, usando anche acqua come ulteriore

reagente, in modo da formare metano, anidride carbonica, ammoniaca e idrogeno solforato.

A titolo di esempio si riporta la seguente reazione:

C4,42

H7O

1,44N

1,14S

0,03 + H

2O NH

3 + CO

2 + CH

4 + H

2S

che dopo opportuno bilanciamento diventa:

C4,42

H7O

1,44N

1,14S

0,03 + 2,82 H

2O 1,14 NH

3 + 2,13 CO

2 + 2,29 CH

4 + 0,03 H

2S

A questo punto è possibile calcolare la massa di ognuno dei gas ottenuti per digestione completa di 1 kg di

solidi volatili e quindi la composizione espressa come percentuale in peso. Inoltre, usando il volume molare

si può risalire anche al volume totale di gas ottenuto e alla sua composizione espressa come percentuale in

volume. [vedi Esempio 15.8]

Il biogas ottenuto dalla digestione anaerobica del fango può essere usato per la:

produzione di acqua calda per il riscaldamento del digestore;

produzione di vapore da usare in una turbina per la produzione di energia elettrica e utilizzazione

della condensa per il riscaldamento del digestore;

utilizzazione in motori a combustione interna per la produzione di energia elettrica e utilizzazione

del calore contenuto nei gas di scarico per il riscaldamento del digestore (con questo ultimo

sistema si riesce a recuperare circa il 30% dell’energia in forma di energia elettrica e dal 40 al 60%

come calore).

Esempio 15.5 - Energia dal biogas

Calcolare l’energia recuperabile da un impianto di digestione anaerobica che tratta un fango misto

proveniente da un impianto di depurazione che tratta i liquami di una comunità di 100000 abitanti e che

opera nelle seguenti condizioni:

- Temperatura del digestore Td = 33 °C

- Temperatura dei fanghi Tf = 20 °C

- Produzione di fango di supero X = 8800 kgSS/giorno

- Contenuto di sostanze volatili nel fango di supero = 75%

- Solidi volatili rimossi nella digestione = 50%

Determinare inoltre se il calore recuperato è sufficiente a mantenere la temperatura del digestore a 33 °C

considerando un recupero di energia elettrica del 27% e un recupero di calore del 48%.

******************************************

La produzione di biogas si può stimare in due modi diversi: o attraverso la produzione specifica per abitante

o attraverso la quantità di solidi volatili rimossi nella digestione.

Usando il primo metodo si può prendere, per la produzione specifica di biogas, il valore medio dell’intervallo

riportato sopra, cioè: (35+26)/2 = 30,5 litri/ab·giorno

Si ottiene così il volume giornaliero di biogas:

ggab

ggab

litriV ogiornalierbiogas

36 m

3050 gg

litri1005,31000005,30)(

Usando il secondo metodo si può prendere, per la produzione di biogas relativo alla quantità di solidi volatili

rimossi, il valore medio dell’intervallo relativo al trattamento di fanghi misti (contenenti fanghi primari), cioè:

(1000 + 900)/2 = 950 litri/kgSSV rimosso.


I solidi volatili rimossi corrispondono al 50% di quelli presenti che ammontano al 75% dei solidi sospesi totali:

gg

kgSSV 330050,075,0880050,075,0

gg

kgSSSSSSV

La quantità di biogas ottenuto è perciò:

gg

m 3135109503300950

333

kgSSV

m

gg

kgSSV

kgSSV

litriSSVFbg

Il valore più probabile si può ottenere dalla media dei valori ottenuti con i due metodi (che come si può

vedere sono vicini fra loro):

gggg

mV ogiornalierbiogas

33 m 3093

2

31353050)(

Come potere calorifico inferiore si può, anche in questo caso, usare il valore medio, cioè (5000 + 5600)/2 =

5300 kcal/Nm3

Si ottiene così:

gg

kcal 10639,153003093 7

3

3

Nm

kcal

gg

mEtot

Di questa energia il 27% viene convertita in energia elettrica:

kWh 5144gg

kJ 10852,1

gg

kcal 10425,427,010639,127,0 767

gg

kcalEE totel

Il calore recuperato dai fumi di combustione corrisponde al 48% dell’energia totale:

giorno

kJ 10293,3

gg

kcal 10867,748,010639,148,0 767

gg

kcalEQ tot

Per calcolare il calore necessario al riscaldamento dei fanghi si deve determinare il volume totale di fanghi

acquosi trattati ogni giorno. Sulla base dei valori statistici risulta che l’ispessimento di un fango misto

(primario più supero) fornisce un fango con contenuto di solidi del 5%.

La portata di massa del fango + acqua inviata al digestore sarà pertanto:

gg

kgSS 176000

05,0

8800

05,0)(

acquoso

acquoso

fangom

kgSS

kgSS

gg

kgSS

SSQ

e considerando la solita approssimazione della densità del fango praticamente uguale a quella dell’acqua

abbiamo:

( )

Prendendo come calore specifico dei fanghi quello dell’acqua si può calcolare il calore necessario a portare

i liquami dalla temperatura di entrata (20 °C) a quella di digestione (33 °C):

gg

kcal 10288,2)2033(1761)()( 6

3

Cgg

m

kgC

kcalTTQcQ fdacquosofangovpr

Poiché il calore richiesto è inferiore a quello disponibile è possibile riscaldare il digestore usando i fumi di

scarico del motore.


15.3.7 - I digestori anaerobici:

caratteristiche costruttive

A causa dell’instabilità del processo e della formazione di miscele gassose potenzialmente esplosive, il

digestore anaerobico è probabilmente l’apparecchiatura di maggiori dimensioni e più complessa fra tutte

quelle presenti in un impianto di depurazione delle acque reflue.

Il tipo di digestore anaerobico utilizzato e lo schema operativo seguito dipendono dalla potenzialità

dell’impianto e dal tipo di fanghi che si devono trattare.

Il digestore anaerobico più semplice è quello a singolo stadio non riscaldato (vedi figura 15.20).

Questo tipo di impianto è chiamato anche digestore stratificato dal momento che, a causa della scarsa e

saltuaria agitazione e della diversa densità dei vari componenti, la miscela si divide in diversi strati e

precisamente, cominciando dal basso e proseguendo verso l’alto (vedi figura 15.20):

lo strato di fondo formato da fango già stabilizzato e ispessito

uno strato di fanghi in fase di digestione attiva

uno strato di acqua del fango (surnatante), con elevato carico inquinante, che viene riciclata in

testa all’impianto di depurazione dopo averla eventualmente sottoposta a ossigenazione per

evitare che queste acque, in condizione di setticità, possano disturbare le condizioni presenti nella

vasca di aerazione. (Per le caratteristiche delle acque surnatanti vedi in seguito)

uno strato formato da schiume solidificate che si formano da sostanze oleose e dal fango

trascinato in superficie dalle bolle di gas che si liberano durante la digestione;

la parte superiore nella quale si accumula il biogas che viene prelevato e inviato a trattamenti

successivi.

Figura 15.20 – Digestore anaerobico non riscaldato a singolo stadio

Uscita surnatante

Prelievo campioni

Uscita biogas

Uscita fango digerito

Entrata fanghi

Fango digerito

e ispessito

Fango in fase di

digestione

Agitatore

Schiume solidificate

Raccolta biogas

Rompicrosta

Surnatante


Periodicamente i vari strati vengono parzialmente mescolati in modo da rompere la crosta superficiale e

mescolare i fanghi freschi con quelli in fase di digestione più ricchi di batteri metanigeni. In questo modo si

evitano gli squilibri locali fra la fase acida e quella di produzione del metano.

A intervalli di tempo prestabiliti si interrompe l’agitazione e si mantiene la miscela a riposo per un periodo

sufficientemente lungo da permettere la formazione degli strati (descritti sopra) e un adeguato ispessimento

dello strato inferiore di fango digerito. A questo punto si procede all’eliminazione di parte del fango che

forma lo strato inferiore e contemporaneamente si introduce un ugual volume di fanghi freschi.

Da un esame della figura 15.20 si possono evidenziare i seguenti componenti del digestore anaerobico non

riscaldato a singolo stadio:

il punto di ingresso del fango fresco situato subito sotto la crosta superficiale;

la tubazione di prelievo del fango digerito che pesca sul fondo del digestore;

la tubazione per il prelievo del surnatante da rimandare all’impianto di trattamento delle acque;

i punti di prelievo del biogas che viene inviato ai trattamenti successivi (raccolta in un gasometro,

trattamento in colonna di desolforazione, utilizzazione come combustibile ecc.);

l’agitatore per il mescolamento saltuario della miscela;

il dispositivo per rompere la crosta e consentire alla parte delle schiume solidificate di sedimentare

ed essere sottoposte a digestione;

i tubi laterali per il prelievo di campioni a varie altezze per poter controllare se l’impianto sta

funzionando in maniera corretta.

Le acque che si separano dal fango nella fase di digestione anaerobica (surnatante) hanno un elevato

carico inquinante: presenza di solidi sospesi, BOD5 e COD elevati, alto contenuto di ammoniaca e composti

del fosforo. La composizione del surnatante dipende ovviamente dal tipo di fango che è stato sottoposto a

trattamento (fanghi primari, fanghi misti da filtri percolatori o fanghi misti da impianti a fanghi attivi).

Quando il surnatante viene riciclato alla fase di trattamento dei liquami, in genere alla sedimentazione

primaria oppure alla vasca di ossidazione, si verifica un incremento dei parametri che caratterizzano il carico

inquinante delle acque che devono essere sottoposte a depurazione (BOD, COD, carico dei solidi sospesi,

contenuto di fosforo e di azoto) dovuto all’alto carico inquinante delle acque prelevate dal digestore (vedi

Tabella 15.3). La quantità di ossigeno disciolto subisce invece una netta diminuzione dal momento che le

acque provenienti dal digestore si trovano in condizione di completa anaerobiosi.

Nella tabella che segue sono riportati i valori dei parametri più importanti per tipi diversi di fango trattato sia

in modo anaerobico che aerobico:

Tabella 15.3 - Caratteristiche del surnatante riciclato dai digestori

ANAEROBICI AEROBICI

Parametro

Unità

di

misura

Fanghi primari

Fanghi misti

(primari più

fango da filtri

percolatori)

Fanghi misti

(primari più fanghi

da impianti a fanghi

attivi)

Fanghi

secondari

Solidi sospesi mg/l 200 - 1000 500 - 5000 5000 - 15000 200 – 3000

BOD5 mg/l 500 - 3000 500 - 5000 1000 – 10000 50 – 500

COD mg/l 1000 - 5000 2000 - 10000 3000 – 30000 200 – 2000

Ammoniaca mg/l di

NH3

300 - 400 400 - 600 500 – 1000 molto bassa

Fosforo mg/l di

Fosforo 50 - 200 100 - 300 300 - 1000 25 – 200

Acqua % 90 - 92 92 - 94 93 - 95 96 - 99

MOLTO IMPORTANTE: dall’analisi dei dati è evidente che nel caso della digestione anaerobica (molto meno

che in quella aerobica) sarà necessario tener conto di queste acque nel dimensionamento dei trattamenti

della linea acque che verranno coinvolti (vasca di ossidazione, sistema di aerazione, sedimentazione

secondaria).


Dal momento che questi digestori non sono riscaldati il loro funzionamento è fortemente influenzato dalla

temperatura esterna. Per evitare eccessivi sbalzi di temperatura è necessario provvedere a un buon

isolamento termico realizzato con materiale isolante ed eventualmente anche interrando parzialmente il

digestore e ammucchiando della terra nella parte che rimane fuori. A causa della difficoltà di controllo del

grado di stabilizzazione questi digestori possono funzionare solamente a basso carico.

Per ottenere un funzionamento più stabile si può provvedere al riscaldamento dei fanghi usando il biogas,

ottenuto durante la fase di stabilizzazione anaerobica, come fonte di energia termica. Nella figura 15.21 è

riportato lo schema di funzionamento di un digestore anaerobico a singolo stadio riscaldato.

Figura 15.21 – Digestore riscaldato a singolo stadio

Per mantenere la temperatura al valore desiderato parte del fango viene prelevata dal basso e, mediante il

passaggio in uno scambiatore di calore ad acqua calda, viene riscaldato fino alla temperatura desiderata.

L’acqua calda necessaria è prodotta in una caldaia che sfrutta il biogas come fonte di energia termica.

Anche l’alimentazione dei fanghi freschi è fatta in modo che prima di entrare nel digestore siano riscaldati

fino alla temperatura idonea al trattamento scelto.

Una valvola motorizzata, comandata da un dispositivo che misura la temperatura all’interno del digestore,

controlla il flusso dell’acqua calda all’interno dello scambiatore di calore in modo da mantenere la

temperatura dei fanghi al valore ottimale.

La miscelazione dei fanghi all’interno del digestore è realizzata attraverso un sistema di circolazione esterna

che preleva i liquami dal basso e li invia nuovamente nel digestore nella parte alta sopra la crosta di

schiuma indurita. In questo modo la crosta viene frantumata e così sedimenta unendosi al fango digerito. La

parte di schiume indurite che non si riesce a far sedimentare con il ricircolo dei liquami può essere eliminata

attraverso un’apertura laterale nella parte alta del digestore.

Poiché, come abbiamo visto in precedenza, l’azione dei batteri metanigeni si sviluppa meglio a valori del pH

superiori a 6,2 e che la produzione di acidi volatili può rendere difficile, nonostante l’effetto tamponante

dovuto alla presenza di ammoniaca e bicarbonati, mantenere il pH in questo campo, può risultare

necessario provvedere all’aggiunta di sostanze alcaline, calce o carbonato di sodio, in modo da correggere

il valore dell’acidità.

Questo viene fatto automaticamente usando un sistema di controllo che misura il valore del pH all’interno

del digestore e provvede ad aprire la valvola di alimentazione del reattivo alcalino quando è necessario. La

quantità di sostanze alcaline aggiunte è tanto più alta quanto maggiore risulta la differenza fra il pH misurato

e quello ottimale per l’operazione di digestione alcalina (gassificazione).

Nello schema di figura 15.21 i simbolo (AC) e (TC) inseriti nei cerchi indicano il controllo automatico

dell’acidità (pH) della miscela del fango e il controllo della sua temperatura.

Per consentire l’ispessimento del fango digerito è necessario far lavorare questo digestore in maniera

discontinua interrompendo sia il ricircolo dei fanghi sia il loro riscaldamento per il tempo necessario a

ottenere l’ispessimento desiderato.

TC AC

Ingresso fango fresco

Biogas

Acqua caldaCaldaia per il

riscaldamento

dell'acqua

Circolazione

del fango

Riscaldamento

del fango

Serbatoio del

carbonato o

della calce

Uscita surnatante

Uscita fango digerito

e ispessito

Uscita biogas

Eliminazione

delle schiume

indurite

Prelievo campioni

Scambiatore

di calore


Un sistema migliore che può funzionare in maniera continua, mantenere i fanghi alla temperatura

desiderata e consentire allo stesso tempo un buon grado di ispessimento, è costituito dal digestore

riscaldato a doppio stadio (vedi figura 15.22).

Figura 15.22 – Digestore anaerobico riscaldato a doppio stadio

In questo impianto il primo stadio è formato dal digestore riscaldato vero e proprio nel quale il fango da

trattare è continuamente miscelato per ottenere il miglior grado di stabilizzazione possibile e mantenere una

temperatura uniforme in ogni punto del digestore.

Il secondo stadio, non mescolato, ha la funzione di:

affinare le reazioni biologiche in modo da terminare la stabilizzazione del fango anche in quelle parti

non precedentemente digerite;

ispessire il fango digerito ottenendo una parte stabilizzata sufficientemente concentrata e un

surnatante da riciclare alla fase di trattamento delle acque;

abbattere la poca carica batterica patogena residua;

fornire un polmone di accumulo per effettuare un eventuale riciclo del fango in modo da spingere la

digestione fino al valore desiderato;

raffreddare il fango.

È importante dotare la tubazione di uscita del biogas di una valvola di regolazione sensibile alla pressione

interna per evitare che una eventuale caduta di pressione all’interno del digestore possa favorire l’ingresso di

aria e la formazione di miscele aria/metano potenzialmente esplosive.

Un impianto completo, nel quale si produce anche rilevanti quantità di biogas che verrà usato come

combustibile, deve prevedere anche l’inserimento di una torre di desolforazione per l’abbattimento

dell’idrogeno solforato presente nella miscela gassosa e un gasometro per la raccolta e la distribuzione del

biogas prodotto.

Nella colonna di assorbimento si invia, dal basso, il biogas prodotto nel digestore mentre dall’alto si manda

acqua o una soluzione alcalina (formata in genere da una soluzione acquosa di monoetanolamina).

L’idrogeno solforato, che ha natura acida, reagisce per formare un sale solubile in acqua e in questo modo

viene eliminato dalla miscela gassosa. Usando acqua, anche se meno efficace per l’assorbimento dei gas

solubili, si può eliminare contemporaneamente sia l’ammoniaca che l’idrogeno solforato.

Il gasometro è formato da una campana metallica parzialmente immersa in acqua in modo da formare uno

spazio a tenuta di gas, all’interno del quale viene raccolto il biogas depurato dall’idrogeno solforato e

dall’ammoniaca. Il peso della campana mantiene il gas a una pressione costante.

In figura 15.23 è riportato lo schema completo.

L’ultimo caso di digestore anaerobico, costruttivamente identico al bistadio riscaldato appena visto, è il

digestore riscaldato a doppio stadio e ben miscelato nel quale la miscelazione appunto non è fatta

ricircolando il fango dall’esterno mediante la pompa volumetrica, bensì con un opportuno miscelatore che

assicura una migliore omogeneità sia di temperatura che di composizione. In queste condizioni il

funzionamento del digestore non rimane a medio,ma arriva ad alto carico (la figura di questo ultimo tipo non è

riportata).

TC AC

Ingresso fango fresco

Biogas

Acqua caldaCaldaia per il

riscaldamento

dell'acqua

Circolazione

del fango

Riscaldamento

del fango

Serbatoio del

carbonato o

della calce

Uscita fango

digerito

Uscita biogas

Eliminazione

delle schiume

indurite

Uscita

surnatante

Prelievo

campioni

Riciclo del fango

Uscita fango digerito e ispessito


Figura 15.23 – Digestore anaerobico completo di apparecchiature ausiliarie

15.3.8 - Dimensionamento dei digestori anaerobici

Il dimensionamento dei digestori anaerobici si può fare utilizzando due diversi modi:

sulla base dell’età del fango;

considerando valori statistici relativi al volume di fango prodotto per ogni abitante equivalente.

15.3.8.1 - Dimensionamento sulla base dell’età del fango

L’uso dell’età del fango, come per i digestori aerobici, parte dalla constatazione che, per ottenere una

stabilizzazione tecnicamente accettabile, che per i digestori anaerobici si identifica con una riduzione dei

solidi volatili del 50%, si devono usare valori del prodotto dell’età del fango per la temperatura di digestione

compresi in un ben preciso intervallo.

Figura 15.24 – Riduzione dei solidi sospesi e prodotto età del fango x temperatura.

0

10

20

30

40

50

60

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Prodotto età del fango x temperatura (°C x giorno)

Rid

uzio

ne S

SV

(%

)


Data la differenza dei due processi questi valori sono diversi da quelli della digestione aerobica e sono

riportati nel grafico di figura 15.24 che si riferisce a un impianto riscaldato e che funziona in maniera corretta.

Negli impianti a medio e alto carico l’età che il fango raggiunge nella fase di ossidazione può essere

considerato trascurabile, pertanto il tempo di ritenzione del digestore anaerobico si può assumere uguale

all’età totale del fango.

I valori comunemente accettati dell’età totale del fango per ottenere una riduzione dei solidi volatili di circa il

50% (stabilizzazione tecnica) nei diversi tipi di digestori sono:

per impianti a basso carico non riscaldati (T≈20 °C), stratificati e monostadio il valore del prodotto

età del fango x temperatura è compreso fra 1200 e 1400 a cui corrisponde una età totale del fango

compresa fra 60 e 70 giorni.

per impianti a medio carico riscaldati monostadio (temperatura compresa fra 30 e 38 °C) non ben

miscelati il valore del prodotto età del fango x temperatura è compreso fra 1200 e 1400 a cui

corrisponde una età totale del fango compresa fra 30 e 40 giorni.

per un impianto a medio carico riscaldato bistadio (temperatura compresa fra 30 e 38 °C) il valore

del prodotto età del fango x temperatura è compreso fra 700 e 1100 a cui corrisponde una età

totale del fango compresa fra 25 e 28 giorni.

per un impianto a alto carico mesofilo bistadio e ben miscelati (temperatura compresa fra 30 e 38

°C) il valore del prodotto età del fango x temperatura è compreso fra 600 e 800 a cui corrisponde

una età totale del fango compresa fra 15 e 20 giorni.

Una volta determinata l’età totale del fango si può calcolare il volume del digestore nei due casi senza e con

ispessimento contemporaneo:

senza ispessimento →

con ispessimento →

Dove:

Qf = portata del fango da trattare espressa in m3

/giorno;

= fango giornaliero prodotto dal digestore in kgSS/gg

Cd = concentrazione del fango nel digestore

E’ = età del fango nel digestore in giorni.

È importante considerare che, come detto precedentemente, negli impianti la cui linea acque sia a medio e

alto carico, l’età del fango nel digestore corrisponde all’incirca all’età totale calcolata sulla base del valore

del prodotto età del fango x temperatura usato.

Negli impianti a basso carico l’età del fango nel digestore si determina sottraendo, all’età totale del fango, il

tempo medio di permanenza dei liquami nel complesso vasca a fanghi attivi-sedimentatore secondario.

La concentrazione del fango digerito (Cd) varia a seconda del trattamento subito dal fango prima della

digestione e del tipo di fango sottoposto a fermentazione anaerobica. Si hanno i seguenti casi:

fanghi che non hanno subito nessun preispessimento

fango derivante dal sedimentatore primario Cd = 3,5 - 4,5 %

fango misto primario più secondario Cd = 2,5 - 3,5 %

fango derivante da filtri percolatori Cd = 2,5 - 5,0 %

fanghi che hanno subito una fase di preispessimento:

fango derivante dal sedimentatore primario Cd = 8,0 - 10 %

fango misto primario più secondario Cd = 5,0 – 7,0 %

fango derivante da filtri percolatori Cd = 6,0 - 8,0 %


15.3.8.3 - Dimensionamento sulla base di valori statistici

Dall’esame dei risultati sperimentali ottenuti esaminando vari tipi di impianti è stato possibile determinare il

volume specifico del digestore anaerobico per ogni abitante servito:

digestori freddi Vspecifico

= 100 – 200 litri/abitante

digestori mesofili (30 – 38 °C) con fanghi primari Vspecifico

= 20 – 40 litri /abitante

digestori mesofili (30 – 38 °C) con fanghi misti Vspecifico

= 30 – 80 litri /abitante

Usando questi valori è possibile stimare, almeno in prima approssimazione, il volume del digestore

anaerobico che si deve usare per smaltire i fanghi di una comunità quando si conosce il tipo di fango da

trattare e il numero di abitanti serviti dall’impianto di depurazione.

I risultati ottenuti con quest’ultimo metodo hanno un minore grado di attendibilità ma, considerando che nel

dimensionamento di un digestore anaerobico è sempre meglio abbondare, possono risultare utili quando

non sono ben conosciuti gli altri parametri.

Esempio 15.6 - Volume del digestore anaerobico

Un digestore anaerobico a medio carico a singolo stadio, per una popolazione di 90000 abitanti, tratta 8800

kg/giorno di fanghi misti contenenti il 75% di sostanze volatili con una concentrazione del fango in ingresso

del 5%. La temperatura di esercizio è 33 °C.

Determinare il volume del digestore.

***********

Calcolo eseguito usando il tempo di ritenzione:

Occorre calcolare la portata dei fanghi espressa in m3

/giorno. Dal momento che conosciamo la

concentrazione del fango e la portata dei solidi sospesi, la portata volumetrica del fango calcolata nel solito

modo (fango

≈ acqua

) sarà:

ggQ

SSQ fm

acquoso fango3

acquoso fango m 176

gg

kg 176000

05,0

8800

05,0

Il calcolo del tempo di ritenzione si effettua prendendo come valore dell’intervallo età del fango x

temperatura il valore: (1200 + 1400)/2 = 1300 °C∙gg (vedi dati riportati alle pagine precedenti)

Dal momento che la temperatura di lavoro è 33 °C e che il tempo di ritenzione è pari all’età totale del fango

(impianto a medio carico), si può calcolare il tempo di ritenzione con l’equazione:

gg 39C33

ggC1300t

r

Infine per il volume della vasca si ottiene:

33

m 686439176 gggg

mtQV rfdig

Calcolo eseguito usando i valori statistici:

Per un digestore mesofilo che lavora su fanghi misti si può prendere come volume specifico del digestore il

valore medio dell’intervallo riportato in precedenza [Vspecifico

= (30 + 80)/2 = 55 litri/abitante]

Usando questo valore si può calcolare il volume del digestore anaerobico necessario:

33 m 4950900001055. abab

litriabnVV specificodig

La differenza tra i due risultati si può imputare al dato statistico usato (Vspecifico

= 55 litri/abitante) che, in

questo caso, risulta non adeguato.


I due esempi che seguono sono MOLTO IMPORTANTI perché prendono in considerazione due casi che, in

passato, sono stati affrontati più di una volta nella seconda prova dell’esame di stato.

Esempio 15.7– Digestione anaerobica di un liquame grezzo

Un’azienda agricola produce 6 m3

/giorno di acque reflue con un BOD5 = 12000 mg/l. Tali acque vengono

inviate a un impianto in cui si realizza la produzione anaerobica di biogas. Il processo viene condotto a una

temperatura di 35 °C in modo da permettere di usare una età del fango di 15 giorni. L’abbattimento del

BOD è del 95% e per ogni kg di BOD abbattuto si producono 0,65 m3

di biogas. Il biogas ottenuto viene

usato dalla stessa azienda come combustibile.

Con i dati a disposizione calcolare:

- Il volume del digestore anaerobico.

- La quantità di biogas prodotto giornalmente.

- La quantità di calore richiesta per il riscaldamento del digestore supponendo che i liquami in ingresso si

trovino alla temperatura di 15 °C e che le perdite di calore siano solamente quelle dovute all’uscita dei

liquami dal digestore.

- La quantità di calore ottenibile dalla combustione del biogas.

************

Volume del digestore

Si calcola usando il tempo di ritenzione:

33

m 90156 gggg

mtQV ridig

Quantità di biogas prodotto ogni giorno

Si calcola dal BOD abbattuto ogni giorno:

Carico organico

/ggkgBOD 72126 53

53

5 m

kgBOD

gg

mBODQQ iorg

BOD5 abbattuto giornalmente:

/ggkgBOD 4,6895,072 55

. gg

kgBODQQ orgabborg

Quantità di biogas prodotto:

gggg

kgBOD

kgBOD

mQ

kgBOD

mV

biogasbiogas

abborg

biogas

biogas

3

5

5

3

.

5

3 m 5,444,6865,065,0

Quantità di calore necessaria per mantenere il digestore a 35 °C

Si usa l’equazione fondamentale della calorimetria considerando il calore specifico del liquame uguale ad

uno (come quello dell’acqua):

kcal/gg 120000)1535(16000

CCCkg

kcal

gg

kgtcmQ

liquame

liquame

p

Calore ottenuto dalla combustione del biogas

Si ricorda che il potere calorifico medio del biogas è circa 5300 kcal/m3

Quindi la quantità di calore ottenibile

è:

gg

kcal

gg

m

m

kcal

m

kcalVQ

biogas

biogasbiogas 2360005,44530053003

33


Esempio 15.8 – Produzione di biogas

Un refluo industriale, portata 0,6 m3

/h e BOD5 = 45 g/l ha una composizione del carico inquinante espresso

dalla formula C4,42

H7O

1,44N

1,14S

0,03 viene utilizzato per la produzione di biogas secondo la reazione:

C4,42

H7O

1,44N

1,14S

0,03 + 2,82 H

2O 1,14 NH

3 + 2,13 CO

2 + 2,29 CH

4 + 0,03 H

2S

Sapendo che il BOD5 residuo dell’effluente è pari a 4,0 g/l, il tempo di ritenzione è di 9 giorni e considerando

che la popolazione cellulare si mantenga costante, determinare:

- la composizione del biogas espressa come % in volume.

- la composizione del biogas espressa come % in peso

- la quantità di metano prodotta espressa in kg/h e in Nm3

/h

- il volume del reattore.

Disegnare inoltre lo schema dell’impianto, utilizzando per quanto possibile la normativa

UNICHIM,prevedendo la degassazione dell’effluente anaerobico al fine di recuperare il gas disciolto e il suo

successivo trattamento aerobico per portarlo ai limiti di legge (BOD5 = 160 mg/l) per lo scarico in acque

pubbliche.

Pesi atomici: C = 12,01 H = 1,01 N = 14,01 O = 16,00 S = 32,06

**************

Dati disponibili U.M. originali U.M. comvertite

Portata oraria Q = 0,6 m3

/h Q = 0,6 m3

/h

BOD5 iniziale BOD

5i= 45 g/l BOD

5i = 45 kg/m

3

BOD5 finale BOD

5f= 4 g/l BOD

5f = 4 kg/m

3

Tempo di ritenzione tr = 9 giorni t

r = 9 giorni

Sono conosciuti inoltre i coefficienti di reazione per la reazione bilanciata

Composizione del biogas espressa come volume %

Ricordando (leggi dei gas) che, “una mole di qualsiasi gas nelle stesse condizioni di pressione e

temperatura occupa lo stesso volume” si deduce che la composizione in volume % coincide con quella in

moli %.

Per calcolare la composizione in moli% occorre conoscere il numero di moli dei singoli gas (questo è un

dato del problema e corrisponde ai coefficienti di reazione per la reazione indicata sopra) e il numero di moli

totali (ntot

) (che si calcola sommando le moli di ogni singolo gas)

Quindi:

moli 59,503,029,213,214,12423

SHCHCONHtot nnnnn

Per calcolare la composizione in moli % (che corrisponde a quella in volume%) si deve dividere il numero di

moli di ogni singolo gas per il numero totale di moli e moltiplicare per 100:

V/V3 % 39,2010059,5

14,11003

tot

NH

n

nNH

V/V2 % 10,3810059,5

13,21002

tot

CO

n

nCO

V/V4 % 97,4010059,5

29,21004

tot

CH

n

nCH

V/V2 % 54,010059,5

03,01002

tot

SH

n

nSH

%00,100Totale

Per calcolare la composizione del biogas in peso % si devono determinare le masse dei singoli gas (ottenibili

moltiplicando il numero di moli per il peso molecolare) e la massa totale del gas (mtot

) (calcolabile come

somma delle masse dei singoli gas):


Composizione del biogas espressa come peso %

Per prima cosa si devono calcolare i pesi molecolari dei singoli gas:

08,3401,1206,32

05,1601,1401,12

01,440,16201,12

04,1701,1301,14

2

4

2

3

SH

CH

CO

NH

PM

PM

PM

PM

Ora si possono calcolare le masse dei singoli gas:

g 150,94 ................................. totalePeso

________________________________________________

g 02,108,3403,0m

g 75,3605,1629,2m

g 74,9301,4413,2m

g 43,1904,1714,1

222

444

222

333

H

CH

CO

SHSHS

CHCH

COCO

NHNHNH

PMn

PMn

PMn

PMnm

ora è possibile calcolare la composizione espressa come % in peso

% 100,00 ...................................... Totale

_______________________________________

% 67,0 10094,150

02,1100H

% 35,2410094,150

75,36100CH

% 11,6210094,150

74,93100CO

% 87,1210094,150

43,19100

2

4

2

3

2

4

2

3

tot

SH

tot

CH

tot

CO

tot

NH

m

mS

m

m

m

m

m

mNH

Quantità di metano prodotta ogni ora: per calcolare la quantità di metano prodotta ogni ora si parte

dalla constatazione che per ogni mole di carico inquinante reagito (COD) si formano 2,29 moli di metano

(vedi reazione bilanciata del testo).

I calcoli da eseguire sono perciò:

- Calcolo del peso molecolare del carico inquinante (per determinare le moli di BOD rimosso).

- Calcolo del BOD rimosso ogni ora.

- Calcolo delle moli di carico inquinante rimosso.

- Calcolo delle moli di metano formate.

- Calcolo del peso di metano formato.

- Calcolo del volume di metano formato.

Peso molecolare del carico inquinante (PMBOD

)

Si usano gli indici riportati nella formula e i pesi atomici degli elementi presenti.

13,10003,006,3214,101,1444,100,16701,142,401,12 CODPM

BOD rimosso (BODabb

)

Il BOD rimosso si calcola moltiplicando la portata oraria dei liquami per la differenza fra il BOD iniziale e

quello finale:

/hkgBOD 6,24)445(6,0)( 53

5

3

55 m

kgBOD

h

mBODBODQBOD

fiiabb

Moli di BOD rimosso (nBOD5 abb

)

h

kmoli 0,2457

13,100

6,24

5

5

5 BOD

abb

abbBODPM

BODn


Moli di metano formate

Per ogni mole di BOD5 rimosso si formano 2,29 moli di metano quindi per 0,2457 kmoli di BOD

5 si formano:

hnn abbBODCH

)kmoli(CH 5627,02457,029,229,2 4

54

Peso del metano formato

hPMnP CHCHCH

)kg(CH 03,905,165627,0 4

444

Volume del metano formato

Per calcolare il volume è sufficiente ricordare che una mole di qualsiasi gas occupa, a condizioni normali, il

volume di 22,41 litri (1 kmole occupa 22,41 m3

). Quindi:

hh

kmol

kmol

mn

mol

litriV CHCH

33 Nm 61,125627,041,2241,22

44

Volume del digestore

Per calcolare il volume del digestore è sufficiente moltiplicare il carico idraulico (cioè la portata giornaliera dei

liquami) per il tempo di ritenzione. Il carico idraulico si ottiene dalla portata oraria moltiplicata per 24. Quindi:

33

m 6,12996,02424 ggh

m

gg

htQ

gg

hV ri

Schema impianto:

Prima di disegnare lo schema dell’impianto conviene fare alcune considerazioni:

Visto la piccola portata conviene sottoporre i liquami in ingresso a una grigliatura e dissabbiatura combinate

in un’unica vasca.

La degassazione dell’effluente può essere eseguita mediante stripping con aria o con un gas inerte

(esempio azoto) o con vapor d’acqua. L’uso dell’aria non è possibile perché con il biogas si formerebbero

delle miscele esplosive. Il gas inerte risulta generalmente costoso e produce un biogas diluito e quindi di

minor valore per quanto riguarda la sua potenzialità termica. La soluzione migliore consiste perciò nell’uso di

vapor d’acqua che può essere eliminato successivamente per condensazione.

Il surnatante che esce dal digestore, con un BOD5 ancora molto alto, (4000 ppm) deve essere sottoposto a

una ossidazione in un impianto a fanghi attivi. Dal momento che la portata dei liquami è molto bassa

conviene usare un impianto compatto a ossidazione prolungata in modo da formare piccole quantità di

fango già stabilizzato.

Grigliatura e

desabbiatura

Arrivo acque

grezze

TC

Vapore

AC

Uscita biogas

Circolazione

dei liquami

LC

PC

Digestore

Scambiatore di

calore per il

riscaldamento

del fangoCaldaia per la

produzione di

acqua calda

VB

Serbatoio del

carbonato o

della calce

Aria

Trattamento

aerobico

Fango di supero

Ric

iclo

fango

Biogas

Acque

depurate

allo scarico

Fango stabilizzato alll'essicamento e smaltimento

Colonna di

degassaggio

Surnatante


111555...333...999 ––– CCCooonnnsssiiidddeeerrraaazzziiiooonnniii rrriiissspppeeettttttooo aaalll tttrrraaattttttaaammmeeennntttooo aaannnaaaeeerrrooobbbiiicccooo dddiii rrreeefffllluuuiii iiinnnddduuussstttrrriiiaaallliii

Come è già stato accennato quando si devono trattare scarichi industriali con un elevato valore del BOD

(spesso superiore a 10000 ppm con punte che possono arrivare a 50000 ppm), come quelli prodotti da

industrie alimentari, allevamenti di animali o industrie chimiche, non risulta conveniente il trattamento con

impianti a fanghi attivi poiché l’elevatissima quantità di ossigeno che dovrebbe essere inviata all’impianto

richiederebbe elevate potenze istallate e un consumo di energia tanto alto da rendere il processo molto

antieconomico.

In questi casi si preferisce usare la fermentazione anaerobica applicata direttamente alle acque da

depurare.

I vantaggi ottenuti sono:

riduzione quasi totale del costo dell’energia necessaria;

riduzione del volume del fango ottenuto di circa 5 volte;

possibilità di lavorare con scarichi intermittenti dal momento che il digestore anaerobico può

sopportare l’interruzione dell’alimentazione per una o due settimane senza che la flora batterica

subisca danni eccessivi.

Questo tipo di trattamento, pur consentendo rendimenti depurativi superiori al 90%, non produce acque

depurate a causa dell’elevato valore iniziale del BOD. Infatti uno scarico con un BOD iniziale di 10000 ppm

anche se sottoposto a un processo depurativo anaerobico che riduce il carico inquinante del 90% produce

sempre acque trattate con un BOD pari a 1000 ppm che risulta assolutamente elevato per consentire lo

scarico diretto nei recettori finali (vedi esempi 15.7 e 15.8).

Per questa ragione la digestione anaerobica degli scarichi industriali non costituisce un trattamento

completo ma solamente un primo stadio di depurazione, necessario a ridurre in maniera considerevole il

carico inquinante, che deve essere seguito da un ulteriore fase di abbattimento del BOD. Così le acque

ottenute possono essere inviate a un impianto a fanghi attivi oppure immesse nella fognatura per essere

trattate, insieme agli scarichi civili, nell’impianto di depurazione centralizzato.

In alcuni casi, quando la natura del carico inquinante è ben conosciuta (esempio scarichi di acque degli

zuccherifici o acque derivanti dalla lavorazione del latte) è possibile usare particolari tipi di batteri

appositamente selezionati e “pellettizzati” che consentono l’uso di elevati carichi organici specifici (fino a 15

kg(BOD)/m3·g) con un tempo di ritenzione molto breve, inferiore a 4 h, e rendimenti depurativi molto elevati.

LLLAAA DDDIIISSSIIIDDDRRRAAATTTAAAZZZIIIOOONNNEEE DDDEEELLL FFFAAANNNGGGOOO

L’acqua presente nel fango

Dopo la stabilizzazione biologica la concentrazione dei solidi nel fango raggiunge valori ragguardevoli

(intorno all’8÷10%). L’acqua presente nella sospensione interagisce in diversi modi con le particelle solide

acquisendo caratteristiche diverse soprattutto verso la sua predisposizione ad essere estratta dalla

sospensione stessa.

Lo schema di fig. 1 indica, a livello microscopico, i vari “tipi di acqua” classificati rispetto all’intensità di forze

di legame con le particelle di fango.

Fig. 1 - Indicazione schematica dei vari tipi di acqua individuabili in una particella di fango.

A) Acqua interparticellare; B) acqua interstiziale; C) acqua particellare (da Vetta [56]).


Sono evidenziati i singoli “fiocchi” di fango e individuati tre tipi di acqua:

A) Acqua interparticellare (o «libera»): è quella trattenuta fisicamente fra le particelle di fango, e può essere

facilmente allontanata per mezzo dell'azione stessa della gravità (sedimentazione, ispessimento....) oppure

con specifici metodi di disidratazione «naturale» ed artificiale (letti di essiccamento, filtri a vuoto, filtri pressa

ecc....), senza necessità di particolari addizioni di reagenti chimici.

Costituisce la porzione più cospicua, in quanto rappresenta mediamente il 70 ÷ 75% dell'umidità del fango.

B) Acqua interstiziale (o «legata»): si tratta di acqua di «idratazione colloidale» e di acqua «capillare» legata

alle singole particelle del fango da forze di attrazione elettrica e molecolare: è molto più difficile da eliminare

e per toglierla dal fango si richiedono specifici processi di disidratazione corredati anche da una azione di

«condizionamento» del fango.

Si trova nel fango in percentuali di circa il 20%.

C) Acqua particellare (o «cellulare»): è la porzione più difficile da eliminare, e richiede notevole energia, in

quanto fa parte della struttura stessa delle particelle di fango. È presente in percentuali variabili fra il 2,5 e

l'8%. Può essere estratta solo con processi di essiccamento per via termica.

In pratica i primi due tipi di acqua (interparticellare ed interstiziale) rappresentano la quasi totalità dell'«acqua

del fango».

LLLAAA DDDIIISSSIIIDDDRRRAAATTTAAAZZZIIIOOONNNEEE

La disidratazione dei fanghi, condotta per via meccanica (mediante filtrazione o centrifugazione) o, in casi

limitatissimi, con metodi naturali (letti di essiccamento), è tesa a ridurre il volume e il peso dei fanghi per

separazione parziale della componente liquida, al fine di renderli compatibili con lo smaltimento finale. I

tenori di secco conseguibili sono tali da conferire al fango l'aspetto di un terriccio (il fango viene definito

quindi palabile, in grado cioè di essere movimentato con mezzi meccanici) e caratteristiche atte a

consentire il suo smaltimento finale, in discarica, mediante trattamenti termici e, ove ne ricorrano le

condizioni, mediante utilizzazione agronomica. La riduzione dell'umidità consente di limitarne i quantitativi e

di accrescerne il potere calorifico, con ovvi vantaggi sui costi di smaltimento e sull'applicabilità dei processi

termici. Il tenore di secco raggiungibile è fortemente legato alle caratteristiche intrinseche del fango, al tipo di

processo adottato e alle apparecchiature utilizzate. Come già discusso, le caratteristiche del fango in uscita

dai processi di stabilizzazione, in particolare la presenza di molte particelle di tipo colloidali, mal si prestano

alla diretta applicazione di trattamenti di disidratazione meccanica. Sono quindi necessari interventi

preliminari di condizionamento, non richiesti solo quando si proceda per disidratazione naturale.

Il condizionamento del fango

II condizionamento interviene sulle caratteristiche chimico-fisiche dei fanghi andando a modificare in modo

particolare le interazioni fra le particelle (sia dei fiocchi veri e propri che di quelle colloidali) e l’acqua legata.

Ciò consente di incrementare la disidratabilità del fango, la velocità di separazione solido-liquido e di

migliorare le caratteristiche del surnatante separato, soprattutto in termini di solidi sospesi. Per fanghi di

provenienza civile, è un'operazione assolutamente necessaria prima di interventi di disidratazione

meccanica; nel caso di fanghi industriali invece la sua necessità va valutata caso per caso in funzione della

natura del fango stesso.

Può essere condotto per via chimica (con l'utilizzo di additivi organici od inorganici) o fisica (per via termica).

La prima alternativa è di uso pressoché esclusivo, per i bassi costi di investimento, la flessibilità operativa e

la semplicità di gestione; i metodi termici sono poco diffusi, per la maggior complessità realizzativa, l'impe-

gno gestionale, i maggiori impatti ambientali nel caso di malfunzionamenti e i problemi connessi al

trattamento delle correnti liquide e gassose generate.

II condizionamento chimico prevede l'aggiunta al fango di reattivi al fine di ottenere una ulteriore

coagulazione delle particelle colloidali e sopracolloidali e la loro successiva flocculazione con riduzione della

fase finemente dispersa. I reattivi e le modalità operative sono analoghe a quelle della coagulazione-

flocculazione applicata alle acque reflue salvo che per l'assai più rilevante concentrazione della sospensione

e i valori di portata di gran lunga minori.

I dosaggi dei reattivi dipendono molto, oltre che dal tipo di flocculante, anche dalla particolare tecnica di

disidratazione prevista successivamente; a mo’ di esempio in Tabella 1 sono riportati i dosaggi nel

condizionamento di vari tipi di fango mediante cloruro di ferro e calce.


Tabella 1 - Dosi di cloruro ferrico, come FeCI3, e di calce, come Ca(OH)

2, impiegate nel condizionamento

dei fanghi di provenienza civile per filtri a vuoto e per filtri pressa a camere. Le dosi sono espresse in

percentuale sul contenuto di sostanza secca del fango alimentato.

Tipo di fango

Filtro a vuoto

Filtro pressa a camere

FeCl3

Ca(OH)2

FeCl3

Ca(OH)2

Primario

2-4

9-12

4-6

10-14

Fango attivo

5-10

0-16

7-10

22-30

Misto (Primario + Fango attivo)

2,5-6

10-16

7- 10

20-25

Primario digerito anaerobicamente

3-4,5

12-16

4-8

12-20

Misto digerito anaerobicamente

3-6

15-20

4-10

15-30

Essiccamento naturale

Nel caso di essiccamento naturale la componente acquosa del fango è rimossa per evaporazione e

drenaggio, senza necessità di apparecchiature specifiche e senza consumi energetici. Si richiedono per

contro ampie superfici (con connesse implicazioni ambientali per l'esposizione del fango all'atmosfera) e

notevole impegno per la rimozione del fango disidratato. Si tratta quindi di un'alternativa oggi proponibile

solo nel caso di impianti di dimensioni molto piccole, collocati in un idoneo contesto ambientale, meglio -

ma non esclusivamente - in regioni a clima caldo e semiarido. Peraltro i valori di siccità conseguibili con un

adeguato dimensionamento delle superfici sono spesso superiori a quelli della disidratazione meccanica.

Fig. 2 – Sezione di un letto di essiccamento e particolare del sistema di alimentazione

I letti di essiccamento, di cui una sezione è mostrata in Fig. 2, sono costituiti da vasche impermeabili in

conglomerato cementizio con il fondo a doppio spiovente che confluisce su un allineamento assiale ove è

posata una tubazione drenante, coperta da uno strato di ghiaia. Esso funge da supporto ad uno strato

superiore di sabbia di profondità non inferiore a 30 cm. Il fango liquido è alimentato per via idraulica

attraverso un sistema di tubazioni, dotate di saracinesche che consentono l'alimentazione indipendente di

ogni unità. La disidratazione avviene sia per drenaggio attraverso lo strato filtrante di sabbia e ghiaia che per

evaporazione dalla superficie esposta all'aria. L'acqua drenata, raccolta attraverso le tubazioni di fondo, è

ricircolata alla linea acque. La rimozione del fango disidratato è comunque problematica. Attrezzature

meccaniche (ponti mobili con sistemi di ripresa e simili), peraltro in passato in qualche caso impiegate, non

sono giustificati, data la semplicità del metodo e l'ampiezza delle superfici. L'asporto manuale non è

proponibile se non nel caso di potenzialità ridottissime. Normalmente si prevede la possibilità di accesso di

pale gommate o cingolate con seri rischi tuttavia di danneggiamento degli strati drenanti e del sistema di

allontanamento dell'acqua dal fondo. Il fango liquido (non condizionato) viene alimentato in spessore di circa

0,40 m. Nelle fasi iniziali, l'acqua è allontanata prevalentemente per drenaggio e poi per evaporazione dalla

superficie, sulla quale progressivamente si forma una crosta ampliamente fessurata. Si deve possibilmente

evitare di sovrapporre nuovi strati di fango liquido su spessori già parzialmente disidratati che

ostacolerebbero il drenaggio verso il basso. Il rapporto tra i quantitativi d'acqua drenati e quelli evaporati

dipende dalle condizioni climatiche e stagionali.


Disidratazione meccanica

La disidratazione meccanica può essere condotta solo dopo aver effettuato il condizionamento del fango.

Di seguito sono riportati gli schemi di funzionamento delle principali macchine in uso.

Filtro a vuoto


Nastropressa

Filtropressa


Particolare di filtropressa

Centrifuga


Confronto fra le prestazioni delle varie macchine

Concentrazione ottenuta delle materie secche (%)

Tipi di fango Filtri a vuoto Presse a nastri Filtri pressa Centrifughe

Fango primario + attivo 18 – 25 21 – 28 35 – 40 18 – 25

Fango anaerobico 18 – 25 20 – 28 40 – 50 17 – 21

Fango aerobico 16 – 23 15 – 25 33 – 38 14 – 22

Consumo di energia elettrica (kwh/ton di materie secche)

Filtri a vuoto Presse a nastri Filtri pressa Centrifughe

40 – 80 10 – 20 30 – 60 30 – 60

Filtri a vuoto:

- personale non particolarmente qualificato

- pulizia periodica necessaria

- acqua del fango povera di solidi sospesi

- produzione di notevoli quantità di aerosol nel lavaggio delle tele filtranti

Presse a nastri:

- bassi costi di esercizio

- facilità di manutenzione

- produzione di grandi quantità di aerosol nel lavaggio delle tele filtranti

Filtri pressa:

- costi iniziali elevati

- discontinuità del processo

- elevati costi di gestione

- maggiore resa nella disidratazione (fanghi direttamente smaltibili in discarica)

Centrifughe:

- basso ingombro e grande “pulizia”

- molto rumorose

- sensibili a fenomeni di usura per abrasione da sabbie presenti nel fango

- personale altamente qualificato per la messa a punto periodica (ogni anno).


SSSMMMAAALLLTTTIIIMMMEEENNNTTTOOO DDDEEELLL FFFAAANNNGGGOOO

IN AGRICOLTURA NELL’EDILIZIA IN DISCARICA

CONTROLLATA INCENERIMENTO

(2)

allo stato liquido

allo stato solido allo stato solido allo stato solido allo stato solido

come compost(1)

e/o

co-compost insieme alla

parte organica degli RSU

come materiale per la

fabbricazione di laterizi

poco pregiati

come materiale inerte con o senza

combustibile d’apporto

(1) Il compostaggio è una digestione aerobica termofila (60°C) con E’≈2gg che si applica al fango “solido”.

Trova estesa applicazione sia ai fanghi disidratati che alla parte organica dei rifiuti solidi urbani (RSU). Il

prodotto finale, denominato compost, è un materiale a struttura porosa che si presta bene quale

concime e correttore del terreno, adattissimo anche per colture specializzate(serre, giardini, vivai, ecc.).

Quando il compostaggio è applicato ad una miscela di fanghi disidratati e di sostanze organiche da

RSU si chiama co-compostaggio. Il co-compost ha caratteristiche superiori al compost perché unisce

la porosità e la leggerezza del compost da RSU ad un rapporto tra i nutrienti più equilibrato,

caratteristica dei fanghi di depurazione.

(2) L’incenerimento si effettua generalmente su fanghi che contengono sostanze tossiche o nocive e

quindi non idonee agli altri usi. Esso viene effettuato negli inceneritori (meglio se termovalorizzatori)

dove il fango viene “bruciato”.

Poiché la combustione del fango si autosostiene quando l’umidità è inferiore al 70% solo i fanghi

disidratati con i filtri pressa non hanno bisogno di combustibile d’apporto (metano, gasolio, carbone,

ecc.) mentre il fango disidratato con gli altri sistemi comporta dunque maggiori costi di incenerimento.

È evidente che nell’incenerimento particolare cura deve essere dedicata alla depurazione dei fumi

prima del loro rilascio in atmosfera. Le ceneri, generalmente inerti, sono smaltite in discarica

controllata.

In fig. 1 è schematizzato un inceneritore a letto fluido.


SSSIIINNNEEERRRGGGIIIEEE TTTRRRAAA IIIMMMPPPIIIAAANNNTTTIII DDDIIIVVVEEERRRSSSIII

Tendenza moderna è quella di costruire impianti per la depurazione delle acque reflue e impianti

per il trattamento dei rifiuti solidi urbani (RSU) vicini tra loro in modo da realizzare tutte le possibili

sinergie ed abbattere i costi economici.

Alcune delle sinergie più importanti sono:

1. coincenerimento di fanghi e di frazioni di RSU (i rifiuti solidi urbani possono fungere da

combustibile di apporto)

2. energia elettrica dall’inceneritore (termovalorizzatore) usata per il fabbisogno nell’impianto di

depurazione (pompe, compressori, miscelatori, carroponti, ecc.)

3. lavaggio dei filtri dei fumi dell’inceneritore (termovalorizzatore) con acqua depurata dall’impianto di

depurazione delle acque reflue

4. acque di lavaggio filtri e per il raffreddamento scorie trattata nell’impianto di depurazione delle

acque reflue

5. digestione dei fanghi insieme alla parte organica degli RSU per produzione di biogas

6. calore dei fumi dell’inceneritore (termovalorizzatore) usato per riscaldare il digestore anaerobico

7. biogas usato come combustibile d’apporto per l’avvio del forno dell’inceneritore

(termovalorizzatore) o in altre casi di fabbisogno.

IMPIANTO DI

DEPURAZIONE

ACQUE REFLUE

IMPIANTO DI

TRATTAMENTO

RIFIUTI SOLIDI

URBANI

INCENERITORE

(TERMOVALORIZZATORE)


Schema degli scambi tra i due sistemi di trattamento:

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