Smaltimento dei liquami

Insieme dei processi impiegati per raccogliere, trattare e depurare le acque di scarico civili e industriali.

Il problema della depurazione delle acque è emerso in maniera evidente verso il 1970, con la presa di coscienza dei problemi legati all’inquinamento ambientale e alla contaminazione dei fiumi, dei laghi, degli oceani e delle falde acquifere con rifiuti domestici, urbani, agricoli e industriali.

Per rifiuto liquido si intende un’acqua che, dopo essere stata utilizzata in diversi processi e/o attività (industriali, civili, agricole, ecc.), ha perduto le caratteristiche qualitative originarie, divenendo inidonea ad un utilizzo diretto.

Soluzioni per lo smaltimento dei liquami domestici vennero elaborate fin dall'antichità. Tra le rovine delle civiltà cretese e assira sono stati rinvenuti piccoli fossi entro cui venivano convogliate le acque nere, mentre i canali di scolo delle acque piovane costruiti dagli antichi romani funzionano ancora oggi come condotti di drenaggio.

Tra le infrastrutture tecnologiche delle città, la rete fognaria è certo la più antica. Roma, già nel VI secolo a.C., disponeva di una vasta rete di fognature costruite allo scopo di drenare le zone paludose. Lungo le vie cittadine, condotti di dimensioni modeste raccoglievano le acque e le scaricavano in un grande collettore fognario, la cloaca maxima, che sboccava nel Tevere.

Milano, in epoca imperiale, fu dotata di una rete di fognature che faceva capo ad un canale emissario che, oltrepassato il fossato di difesa delle mura, proseguiva fino al fiume Lambro (significativamente anche chiamato ”Lambro Merdario”).

Milano condotti fognari romano (1) e medioevale (2)

Verso la fine del Medioevo, in Europa, si cominciarono a costruire vasche di raccolta per i liquami domestici, una sorta di prototipo dei futuri pozzi neri, che venivano fatte svuotare a spese del committente. I liquami prelevati venivano utilizzati per concimare i campi o scaricati nei fiumi o su terreni abbandonati.

Dagli "Statuti delle strade e delle acque del contado di Milano", del 1346 è possibile farsi un’idea piuttosto raccapricciante sulle condizioni igieniche della vita cittadina. Molto spazio è dedicato dagli statuti al problema dei pozzi neri. Il contenuto dei pozzi neri situati nelle abitazioni non doveva essere vuotato né nelle strade, né nelle chiaviche e neppure nei numerosi corsi d’acqua cittadini.

Una prescrizione vieta lo svuotamento dei pozzi neri, con relativo trasporto del contenuto, nei mesi estivi. Il servizio di svuotamento era svolto da appositi addetti, che svolgevano un servizio di pubblica utilità traendone il vantaggio di utilizzare il liquame in campagna quale concime.

Agli inizi del XIX secolo si comprese, tuttavia, che dal punto di vista sanitario e della difesa della salute pubblica lo scarico di escrementi umani in canali dilavati dalle acque meteoriche sarebbe stata una misura più efficace di altre.

Fu così che tra il 1844 e il 1875 a Londra venne realizzato un sistema di canali artificiali per convogliare i liquami e le acque piovane verso il tratto inferiore del Tamigi.

A Milano, nel 1868, venne presentato un progetto che affrontava nella sua globalità la sistemazione delle fognature della zona del centro storico. I progettisti adottarono il così detto sistema misto, nel quale si provvedeva con un unico condotto alla raccolta delle acque di rifiuto e di quelle piovane. I condotti avevano una sezione moderna, di tipo ovoidale, studiata in modo da mantenere una buona velocità di efflusso anche in periodi di magra e da evitare la formazione di depositi sul fondo dei canali. Per il loro dimensionamento si fece riferimento alle prime osservazioni pluviometriche sistematiche raccolte dall’Osservatorio di Brera.

Milano sezioni ovoidali fine 1800

Più tardi, lo sviluppo di sistemi avanzati di erogazione delle acque, ovvero di acquedotti e di impianti idraulici domestici, consentì la progettazione e la realizzazione dei complessi sistemi fognari che caratterizzano gran parte dei centri urbani occidentali.

Agli inizi del XX secolo alcune amministrazioni riconobbero che scaricare le acque di scolo direttamente nei corpi idrici poteva causare danni alla salute dell'uomo e fu così che vennero realizzati i primi impianti di depurazione.

Le acque reflue vengono raccolte e convogliate ai depuratori mediante una rete di tubazioni e canalizzazioni. In alcuni casi le acque di scarico urbane (acque nere) e l'acqua piovana (acque bianche) vengono fatte scorrere dentro uno stesso sistema di condotti, detti a canalizzazione unica, particolarmente diffusi nei centri storici urbani.

In altri casi i due tipi di acque vengono raccolti in sistemi di canalizzazione separati, in modo da consentire uno smaltimento più efficiente dei liquami, in quanto, così facendo, è possibile ridurre il carico di liquidi introdotto negli impianti di depurazione ed evitare che i canali di trasporto, non riuscendo a contenere i volumi di acque nere e bianche che vi si riversano, tracimino inquinando le aree limitrofe.

Strade e cortili allegati dopo un temporale a Prima Porta, uno dei quartieri di Roma che da anni attende la realizzazione della nuova condotta fognaria

La rete fognaria è costituita da un sistema di canalizzazioni. Le tubature che collegano le abitazioni alla rete sono generalmente in ghisa o in materiale plastico (PVC), misurano 8-10 cm di diametro e convogliano i liquami verso condotti più larghi, costruiti in laterizi, cemento o cemento armato, installati sotto la linea mediana delle sedi stradali a una profondità di circa 2 m. All'interno dei canali i liquami scorrono per effetto della forza di gravità perciò le tubazioni devono avere un'inclinazione tale da consentire ai liquami di scorrere a una velocità di almeno 0,5 m/sec, indispensabile a evitare che i materiali solidi si sedimentino e finiscano con l'ostruire le condutture.

Le acque di scarico urbane e industriali contengono materiali inquinanti in percentuali variabili a seconda della loro origine. Le acque di scarico urbane, prodotte dai cittadini all'interno delle abitazioni o degli impianti civili pubblici e ricreativi, contengono detersivi, detergenti, escrementi e resti di cibo. In Italia ogni cittadino produce in media ogni giorno circa 200 l di scarichi.

Guerre Stellari: il mostro del liquame

Le acque di scarico industriali presentano caratteristiche molto differenti a seconda del tipo di processo da cui provengono e del tipo di trattamento, ossia di parziale depurazione, a cui sono state sottoposte prima di venire scaricate nella sede fognaria.

Il grado di inquinamento delle acque di scarico viene misurato in base a parametri fisici, chimici e biologici. Tra i più utilizzati quelli relativi al tipo di materiali solidi presenti nell'acqua e alla loro relativa concentrazione, il consumo di ossigeno microbiologico (BOD), il consumo di ossigeno per ossidazione chimica (COD) e il pH.

IL PRINCIPIO DEL TRATTAMENTO BIOLOGICO

Fin dall’antichità è nota la capacità di certi microrganismi di trasformare sostanze organiche per ottenerne altre (ad es. la vinificazione con la trasformazione degli zuccheri in alcoli o la produzione dell’aceto con la trasformazione degli alcoli), effettuando tali reazioni in presenza o in assenza di ossigeno.Anche la depurazione biologica delle acque si serve di questi principi e si basa sull’azione dei microrganismi già contenuti nelle acque reflue, messi in condizioni opportune per aumentare il loro numero e la loro efficienza. I microrganismi devono trovarsi in condizioni idonee in termini di sostanze nutrienti, che sono carbonio, azoto e fosforo contenuti nel refluo di cui sono parte e, per quanto riguarda gli aerobi, deve esserci un adeguato apporto di ossigeno. Inoltre sono necessarie condizioni opportune di pH e di temperatura.

Fossa settica

La fossa settica è uno dei sistemi più usati nelle aree rurali per trattare i liquami domestici. Le fosse settiche sono grandi cisterne in cemento, calcestruzzo o metallo, in cui i liquami vengono scaricati e lasciati parzialmente sedimentare.

I materiali solidi contenuti nelle acque di scarico si depositano sul fondo del pozzo, mentre quelli galleggianti salgono in superficie. Passando attraverso un sifone i liquidi parzialmente chiarificati si riversano in fosse sotterranee piene di pietrisco e percolano, così, nel suolo, dove vengono ossidate aerobicamente. I materiali galleggianti e quelli sedimentati rimangono invece per periodi più o meno lunghi (da sei mesi a parecchi anni) nella fossa, dove vengono decomposti anaerobicamente.

Le Fosse Imhoff permettono di effettuare due fasi di trattamento: la sedimentazione e la digestione; si compongono di due scomparti sovrapposti in comunicazione tra loro. Quello superiore, conformato a tramoggia con fessure di fondo, consente la sedimentazione delle sostanze sospese contenute nel liquame che lo attraversa longitudinalmente, mentre lo scomparto inferiore, conformato a piramide rovesciata, è destinato all'accumulo progressivo ed alla conseguente digestione anaerobica del fango che vi perviene attraverso le fessure del vano soprastante.

Fosse Imhoff

Le Fosse Imhoff costituiscono il primo esempio della tecnica depurativa di impianti compatti di tipo combinato; il brevetto di Imhoff, creatore dell'arte della depurazione delle acque di scarico, risale al 1904.

Gli impianti di depurazione delle acque sono composti da una serie più o meno complessa di unità di processo, riunite in tre fasi dette trattamento primario, secondario e terziario; ogni singolo processo rimuove uno o alcuni tipi di inquinanti.

La linea di pre-trattamento o trattamento primario, processo di tipo fisico è costituito dalle seguenti operazioni:

Grigliatura. In questo processo avviene la rimozione dei solidi grossolani con griglie metalliche opportunamente distanziate. Dissabbiatura. Qui la sabbia è separata in apposite vasche di sedimentazione. Preareazione, disoleatura. Infine il liquame viene ossigenato impedendo l’instaurarsi di condizioni settiche e si determina la risalita in superficie con l’asportazione di buona parte degli oli e dei grassi. Sedimentazione primaria. In essa viene eliminata la parte più grossolana di inquinamento organico per sedimentazione sul fondo delle vasche.

Il trattamento secondario, comprende:

Ossidazione biologica. Consiste nei processi di ossidazione biologica della sostanza organica biodegradabile sospesa e disciolta nelle acque di scarico. Per questi processi sono utilizzati batteri aerobi e vengono favoriti dall’insufflazione di O2 e dal mantenimento di una temperatura ottimale (fanghi attivi). Sedimentazione finale. È la separazione tra fango e acqua pulita. Filtrazione a sabbia. L’acqua proveniente dalla sedimentazione finale viene filtrata su filtri di sabbia così da liberarsi da ulteriori particelle solide eventualmente ancora presenti.

Il trattamento terziario viene effettuato quando, in considerazione della composizione del corpo idrico recettore o dell'eventuale riuso dell'effluente finale, si deve procedere alla rimozione dei nutrienti e comprende:

Denitrificazione e defosfatazione. È un processo per la rimozione dei Sali solubili di fosforo e di azoto delle acque di scarico, effettuato per precipitazione chimica.Disinfezione. Consiste nell’aggiunta di opportuni reagenti ad azione battericida in genere composti del cloro (biossido di cloro, ipoclorito di sodio) od ozono.

Linea di trattamento dei fanghi. In essa viene eliminata ulteriormente la materia organica:

Ispessimento. Consiste in una diminuzione di volume dei fanghi.

Digestione. Si tratta di un processo che può essere aerobio, ma nella maggior parte dei casi è anaerobio; infatti il fango viene messo a contatto con microrganismi anaerobi che trasformano la sostanza organica in H2O, CO2 , CH4 , H2S, cioè in una miscela gassosa che forma biogas. Il biogas prodotto molto spesso viene utilizzato in loco per mantenere la temperatura del digestore a 37°C, in modo da facilitare la decomposizione operata dai microrganismi. Dalla digestione si ottiene un fango che è separato dall’acqua, ancora ricca di fosfati; quest’ultima è rimandata nella linea dei liquami, mentre il fango viene disidratato e può essere utilizzato in agricoltura.

I liquami immessi nell'impianto di depurazione contengono residui grossolani (detriti e frammenti di materiali inerti) che, se non rimossi, potrebbero intasarne le tubature e danneggiarne le pompe.

Grigliatura

Per evitare ciò, questi materiali vengono rimossi mediante una serie di griglie e barre e, quindi, prelevati meccanicamente o manualmente e inceneriti o stoccati in discarica.

Dissabbiatura e deoleatura

La deoleatura serve per eliminare pressoché totalmente i corpi galleggianti, che vengono portati in superficie tramite insufflazione d'aria nell'acqua, e le particelle oleose che vengono raccolte in canalette di scarico.

Alla fase di grigliatura segue quella di dissabbiatura in cui sabbie, polveri, scorie, ghiaia e ceneri vengono rimosse mediante sedimentazione. Le sabbie depositatesi vengono quindi rimosse dall'impianto.

Sedimentazione primaria

Dopo la disoleatura i liquami fluiscono molto lentamente in una vasca di quiete idraulica, o sedimentatore, in cui la materia organica e inorganica più minuta viene lasciata sedimentare sul fondo. I fanghi biologici depositati vengono rimossi.

Con il processo di sedimentazione è possibile rimuovere circa il 20-40% del BOD e circa il 40-60% dei materiali solidi in sospensione.Per accelerare il processo possono essere aggiunte ai liquami sostanze chimiche (come il solfato di alluminio e il cloruro di ferro) o poli-elettroliti in grado di destabilizzare le cariche superficiali delle molecole delle particelle inquinanti e di favorirne, così, l'aggregazione e la precipitazione.

Le sostanze organiche biodegradabili sospese e disciolte nelle acque di scarico vengono eliminate mediante processi di ossidazione biologica, operati da batteri ‘eterotrofi’, che si nutrono di sostanze azotate e trasformano l’azoto nitrico in gassoso che si libera nell’atmosfera (processo ‘anaerobico’) o da i batteri ‘autotrofi’, che si nutrono di azoto ammoniacale e trasformano l’azoto in nitrato (processo ‘aerobico’).

Ossidazione biologica

Con il processo di digestione è possibile ridurre la concentrazione di materia organica nei liquami del 45-60%.

Fanghi attivi o attivati

L'ossidazione a fanghi attivi avviene all'interno di una vasca di aerazione nella quale l'ossigeno viene fornito mediante aeratori meccanici o insufflazione d'aria. Ai liquami vengono aggiunti fanghi batterici attivi formati da milioni di batteri degradatori che assorbono la materia organica e la trasformano in svariati sottoprodotti. Il processo di depurazione a fanghi attivi consente di eliminare circa il 60-85% del BOD5.

Letti percolatori

Sono costituiti da un letto poroso formato da materiali grossolani (sassi, carbone fossile o materie plastiche) rivestiti da un film di batteri attivi. I liquami spruzzati sul letto, percolando verso la base, consentono ai batteri di venire a contatto con la materia organica inquinante e di decomporla, trasformandola in anidride carbonica e acqua.

La degradazione mediante filtri percolatori consente di eliminare circa l'85% del BOD5 immesso nell'impianto.

Lagune o vasche di stabilizzazione

Le lagune sono vasche di grandi dimensioni utilizzate soprattutto nelle aree rurali. Spesso superano 1,5 m di profondità e la loro superficie misura parecchi acri. Nei modelli più diffusi la materia organica viene decomposta sia in condizioni aerobiche (prevalenti negli strati più superficiali), sia in condizioni anaerobiche (prevalenti negli strati più profondi, che normalmente non vengono aerati).

Con questo processo è possibile eliminare il 75-85% del BOD5.

Sedimentazione finale

L'acqua trattata biologicamente viene fatta affluire in grandi vasche non agitate dove avviene la sedimentazione finale. Si ottiene la separazione tra acqua e fango.Una parte del fango attivo torna all’ossidazione biologica per il ripristino della massa batterica, l’altra parte viene inviata all’ispessimento (fango di supero).

Filtrazione

L’acqua proveniente dalla sedimentazione finale viene filtrata su filtri di sabbia così da liberarsi da ulteriori particelle solide eventualmente ancora presenti.

Trattamento terziarioIl trattamento terziario può essere seguito da un'ulteriore fase di depurazione finalizzata a eliminare le sostanze inquinanti refrattarie. Certi processi chimico-fisici consentono di ridurre anche del 90% la presenza di materiali solidi in sospensione e il BOD5 delle acque di scarico.

Disinfezione

Gli effluenti vengono a volte sottoposti a disinfezione con cloro o mediante raggi UV o ozonizzazione, processi ritenuti più sicuri della comune clorazione.

Trattamento dei fanghi

IspessimentoIl fango viene immesso in vasche dove l’ispessimento si ottiene per gravità. Il ’ fango di supero ‘ con l’aggiunta di aria e un flocculante viene concentrato.

Digestione Anaerobica Il fango viene trattato con un processo di stabilizzazione e si ottiene la riduzione volumetrica e la produzione di biogas.

Disidratazione meccanica Per rendere più facile e conveniente il trasporto il fango viene ulteriormente disidratato con l'aggiunta di flocculante e poi passato in centrifughe ottenendo un valore di secco finale del 25% circa.