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Depurazione Acque Reflue,  Impianti Biologici

di Antonella G. Tosca

L’attenzione all’ambiente è recente anche se l’inquinamento nasce con l’industrializzazione e l’urbanizzazione. Le matrici nelle quali viene valutato l’indice di inquinamento sono acqua, suolo ed aria. In questo lavoro tratterò  alcuni dei metodi di depurazione dell’acqua.

In passato le acque reflue contenevano quasi esclusivamente sostanze biodegradabili, quindi di facile smaltimento; oggi questa operazione è resa problematica della presenza sempre più consistente di composti chimici.

L´efficienza dei sistemi di fognatura e di depurazione delle acque reflue di natura domestica ed urbana, generalmente, costituisce un aspetto di fondamentale importanza per la salvaguardia dell´ambiente, sia in termini di protezione della “qualità ambientale” delle acque marine costiere e superficiali, sia dal punto di vista igienico-sanitario per la protezione della salute umana. Infatti molti dei depuratori della costa, al servizio degli agglomerati urbani del litorale, scaricano direttamente il chiarificato in mare a pochi chilometri dalla costa stessa, in zona riconosciuta come "area sensibile", ai sensi del D.Lgs.152/99.

 Il D.Lgs.152/99, definisce il trattamento appropriato delle acque di scarico mediante un processo o sistema di smaltimento che, dopo lo scarico del refluo trattato, garantisca la conformità dei corpi idrici recettori ai relativi standard di qualità (allegato 5 parte III del  D.lgs. 152/2006).

Le acque reflue che giungono in fognatura si distinguono in:

acque di tipo urbano (scarichi civili): provengono da insediamenti residenziali, commerciali, ricreativi e di servizio (ad esempio, ospedali e alberghi); possono contenere anche acque industriali;

acque industriali (scarichi produttivi): provengono da attività produttive nelle quali hanno svolto la funzione di acque di processo (diluizione, idratazione) o di lavaggio;

acque di infiltrazione e drenaggio: acque del sottosuolo che entrano nel sistema fognario attraverso giunture difettose o rotture;

acque di pioggia: derivano dalle grondaie e dal dilavamento delle superfici degli edifici, delle strade e dei suoli ed entrano nel sistema fognario attraverso i tombini stradali.

La rete fognaria è costituita dall´insieme delle opere di raccolta, di immissione e di convogliamento delle acque reflue e meteoriche nei collettori stradali (canalizzazioni generalmente sotterranee), dagli impianti di sollevamento (sistemi di pompe che consentono di superare differenze di livello), dai manufatti di controllo idraulico ed ambientale, da quelli di scarico lungo la rete (scaricatori di piena) e dagli impianti di trattamento dei reflui (depuratori).

Le reti fognarie, generalmente, funzionano per gravità e sono dotate di un´adeguata pendenza per convogliare i liquami al depuratore. Se i liquami devono essere portati ad impianti posti ad altezze superiori rispetto a quelle delle condotte, si usano pompe e condotte in pressione.

Le canalizzazioni che costituiscono la rete fognaria vengono distinte in funzione del ruolo che svolgono:

fogne: canalizzazioni elementari che raccolgono le acque provenienti da botole;

collettori: canalizzazioni costituenti l´ossatura principale della rete, raccolgono le acque provenienti dalle fogne;

emissario: canale che, partendo dal depuratore, conduce le acque raccolte al recapito finale (corpo idrico recettore).

Le reti fognarie vengono distinte in miste e separate: le prime sono tali per cui le acque di pioggia (acque bianche) e le acque dei reflui domestici e industriali (acque nere) sono raccolte in un unico condotto; le reti fognarie separate, invece, hanno due condotti distinti: uno per le acque piovane (fognatura bianca) ed uno per le acque civili ed industriali (fognatura nera).

I due sistemi fognari, misto e separato, presentano entrambi pregi e difetti. La rete nera del sistema separato è soggetta a frequenti intasamenti derivanti dal forte carico organico, spesso grossolano, e dai molti tensioattivi; richiede, dunque, interventi di pulitura. Nella fognatura mista invece, gli aumenti di portata derivanti dagli eventi meteorici asportano i depositi in formazione, non sono quindi necessari gli interventi di pulizia.

La fognatura mista però, durante le piogge intense, ha l´inconveniente di scaricare, assieme alle acque di pioggia in eccesso, anche le acque nere attraverso sfioratori intermedi.

Se collegata al depuratore, la fogna mista ha il vantaggio di consentire l´eliminazione degli inquinanti ambientali che si accumulano nelle strade e sulle superfici impermeabilizzate, derivanti dalle auto, dalle emissioni in atmosfera e da altre attività antropiche. Può, tuttavia, causare problemi gestionali ai sistemi depurativi a causa della variabilità della portata e del modesto carico organico trasportato.

Lo sfioratore o scaricatore di piena è un sistema che consente di allontanare l´eccesso di carico idraulico che la rete può trasportare durante eventi meteorici particolarmente intensi all´impianto di depurazione, scaricando direttamente tale eccesso in acque superficiali.

In presenza di un sistema fognario separato è possibile dotare la rete bianca di vasche di prima pioggia, cioè enormi recipienti in grado di contenere le acque dei primi minuti dell´evento meteorico (inquinate in quanto contengono le sostanze derivanti dal dilavamento delle strade, infrastrutture e suoli) e convogliarle, attraverso la rete nera, all´impianto di depurazione.

Ai fini della tutela ambientale è necessario che tali sistemi fognari siano adeguatamente controllati e gestiti, perché non si verifichino delle perdite pericolose nell´ambiente circostante.

Le sostanze inquinanti si differenziano in base alle seguenti caratteristiche:

- Fisiche, sostanze sospese (sedimentabili e non) si trovano o disciolte o in forma colloidale

- Chimiche, organiche o inorganiche

- Biologiche, biodegradabili (più o meno velocemente) non biodegradabili.

Prima del vero e proprio trattamento biologico i reflui subiscono trattamenti di tipo fisico quali:

- Grigliatura: consiste in una filtrazione attraverso griglie con spaziature che vanno da grossolana (5-6 cm), media, fine (da 4  mm) a finissima. I solidi grossolani raccolti vengono solitamente smaltiti in discarica.

- Dissabbiatura: per questa procedura si utilizzano manufatti di grandi dimensioni al fine di eliminare particelle, anche molto piccole, di sabbia abrasiva che potrebbe danneggiare le attrezzature elettromeccaniche.

- Disoleazione: garantisce per flottazione l’eliminazione di oli e grassi.

- Equalizzazione o laminazione: rendendo costante la portata nel tempo garantiscono l’alimentazione costante all’impianto.

Questi trattamenti, se ben condotti, già da soli possono eliminare buona parte del carico organico inquinante; in fase di sedimentazione primaria, infatti, è possibile eliminare anche il 60% del BOD₅ del liquame in ingresso. BOD₅ è una valutazione indiretta dell’inquinamento, misura infatti  la quantità di ossigeno consumata in 5 giorni a 20°C per annullare l’inquinante.

I solidi separati nella sedimentazione primaria (fanghi primari) vengono poi sottoposti ad ulteriori trattamenti nella cosiddetta "linea fanghi". E’ lungo questo percorso che avviene lo smaltimento dei fanghi prodotti durante le fasi di sedimentazione, ossia dei fanghi primari e di recupero. Scopo di tale linea è quello di eliminare l´elevata quantità di acqua in essi contenuta e di ridurne il volume, nonché di stabilizzare il materiale organico e di distruggere gli organismi patogeni presenti.

I principali trattamenti per l´eliminazione dell´acqua sono l´ispessimento, la disidratazione e l´essiccazione; la stabilizzazione invece, avviene attraverso la digestione aerobica o anaerobica, attraverso batteri responsabili della degradazione della materia organica.

I fanghi trattati vengono stoccati e smaltiti in discarica o utilizzati come concimi per terreni agricoli.

Il liquame inoltre, viene sottoposto alla defosfatazione, ossia all´eliminazione del fosforo presente; essa avviene in modi differenti a seconda dell´impianto.

Va ricordato che i pretrattamenti non sono influenti sul vero e proprio processo biologico.

La Depurazione Biologica di acque reflue, applicata per la prima volta, nel 1914, in Inghilterra, da E. Arden e W. T.Lockett, consiste in  processi di rimozione delle sostanze organiche contenute nel liquame utilizzando apposite vasche nelle quali avviene la riduzione del grado di inquinamento ad opera della popolazione batterica aerobica contenuta nel liquame stesso, attraverso un processo condotto con utilizzo di ossigeno disciolto (fornito artificialmente) indispensabile per il mantenimento e l'attività dei microrganismi. Parallelamente alla degradazione dell´inquinante organico (utilizzato come nutrimento) si ha la proliferazione dei batteri che,  anziché rimanere dispersi nell’effluente trattato, tendono ad agglomerarsi, per adsorbimento e bioflocculazione formando ammassi fangosi di natura fioccosa detti appunto Fanghi Attivi. 

 La “Teoria dei fanghi” si articola in più punti:

1)    

Se in questa fase l’alimento (liquame) scarseggia i filamenti rimangono tali per anni e non

sedimentano.

2)

3)

Da quanto detto si desume che: in condizioni di buona depurazione i fiocchi di circa 30 μm ÷ 100 μm di diametro si aggregano in formazioni più grandi (fino ad 1 mm ÷ 2 mm) eliminati successivamente nella sedimentazione secondaria (fanghi di supero). Quest’ultima permette di ottenere un ulteriore grado di depurazione che consiste in una  filtrazione, per rimuovere quelle particelle sospese, sfuggite alla fase di sedimentazione, ed in una disinfezione chimica (solitamente con ipoclorito di sodio) per abbattere i microrganismi patogeni presenti.

Attraverso le fasi di ossidazione-nitrificazione e di sedimentazione secondaria si ha il completo abbattimento del BOD₅, fino a valori prossimi al 95%.

Gli impianti a fanghi attivi possono essere distinti a biomassa dispersa e biomassa adesa.

Gli impianti a biomassa dispersa sono caratterizzati da una struttura modulare che comprende

-         una vasca per la raccolta del liquame

-          una vasca di areazione, normalmente settata, dove avviene la biodegradazione

-          una vasca per la raccolta del liquame depurato

-         un sistema di condotte che permettono il recupero dei fanghi che devono essere ripresi per costituire compost o essere utilizzati in agricoltura.

Negli impianti a biomassa adesa i batteri aderiscono ad un supporto solido, materiale litoide.

In una vasca si deposita il materiale litoide (A) e su questo si distribuisce il liquame in modo omogeneo, grazie ad un braccio ruotante; sul materiale di supporto si sviluppa una “ pellicola mucillaginea”  per la presenza di batteri e ossigeno (B). La pellicola cresce progressivamente e nello strato più interno si crea anaerobiosi e si sviluppa gas (C).Quando la pellicola si rompe (D) il materiale si deposita  (E) e il ciclo ricomincia. Perché tutto proceda nel migliore dei modi è necessario che ci sia stato un buon pretrattamento del liquame, altrimenti i canalicoli che si formano all’ interno del  materiale litoide (di forma irregolare) si intasano dando luogo a processi di fermentazione con sviluppo di gas e invasione di insetti attratti dal liquame.

Un esempio di manufatto per biomassa adesa sono i Biodischi o Biorulli  dove il liquame in vasca è in fase statica mentre il materiale solido inerte è fissato a dischi che ruotano, quando il supporto è nel liquido avvengono reazioni organiche quando è in aria si hanno fenomeni di ossidazione.

Le principali fasi di un impianto biologico sono: 

Omogeneizzazione:  rende omogenee e costanti le caratteristiche chimiche dei reflui affluenti, assicurando un tempo di residenza idraulico che consenta di smorzare le fluttuazioni di portata dell’impianto.

Ossidazione Biologica: è il trattamento più importante dell’intero ciclo di depurazione, consiste nella biodegradazione da parte di microrganismi di tutte le sostanze organiche presenti nelle acque da depurare, fino a trasformarle in composti molto semplici ed innocui dal punto di vista ambientale.

Nitrificazione: è l’ossidazione di composti ridotti dell'azoto, cioè un processo chemiosintetico e strettamente aerobico, attuato da due gruppi di batteri_nitrificanti presenti nelle acque. Un gruppo ossida l'ammoniaca NH₃ a nitrito NO₂^-_;  l'altro gruppo ossida il nitrito NO₂ ^- a nitrato NO₃^- . A questi batteri deve essere fornita sufficiente quantità di ossigeno (processo aerobico).

Denitrificazione: è il processo necessario per la riduzione biologica dell’azoto nitrico e nitroso, con formazione di azoto gassoso che si libera in atmosfera ad opera di batteri eterotrofi denitrificanti.

Chiarificazione o sedimentazione secondari: consente per differenza di peso specifico la separazione delle acque depurate dalla biomassa (fanghi attivati) che vengono inviate al corpo idrico recettore.

I fanghi sedimentati vengono riciclati in quantità controllata nel bacino di ossidazione biologica o inviati alla compattazione e a successiva disidratazione. 

Disinfezione: è un trattamento con il quale si elimina la carica batterica presente nell’acqua di scarico.

Al termine di questo processo l’acqua può essere immessa nel corpo recettore in quanto rientra nei parametri fissati.

Oltre alla bonifica con fanghi attivi esiste un’altra tecnica che permette l’eliminazione dalle acque (soprattutto industriali) di inquinanti usando metodi biologici ed è la Rhyzofiltrazione. Questa  tecnica utilizza piante che hanno la capacità di accumulare nei loro tessuti metalli pesanti. Le radici delle piante vengono fatte crescere in acqua areata in modo che possano assorbire, precipitare e concentrare metalli tossici da effluenti inquinati al fine di restituire una notevole quantità di acqua potabile.

I rifiuti tossici derivati da questa tecnologia hanno minor volume rispetto a quelli derivati da altre tecniche di bonifica; per lo più si tratta di tessuti vegetali che possono essere  smaltiti  in discarica, bruciati con recupero di energia od essiccati. Inoltre, alcuni metalli contenuti nei rifiuti possono essere recuperati e riciclati.

Questa tecnica  ha comunque dei limiti in quanto le piante iperaccumulatrici hanno generalmente una crescita lenta, piccola biomassa con  radici che non penetrano in profondità inoltre, la rimozione dell’inquinante è lenta.

Nonostante questo la Rhyzofiltrazione ha il pregio di non alterare o danneggiare ulteriormente l’ecosistema e per questo motivo è applicabile a vaste aree.

A fine di questa trattazione va ricordato che il mare i fiumi ed i laghi non sono in grado di ricevere una quantità di sostanze inquinanti superiore alla propria capacità autodepurativa, senza vedere compromessa la qualità delle proprie acque ed i normali equilibri dell´ecosistema. Nonostante nel mare l´effetto diluizione sia molto elevato e il grado di salinità neutralizza abbastanza rapidamente una modesta carica batterica mentre, può essere dannoso l´ apporto dei composti dell´azoto e del fosforo, responsabili dell´eutrofizzazione marina.

Riassumendo: La Depurazione a Fanghi Attivi e la Rhyzofiltrazione sono tecniche biologiche che si attuano, senza l’utilizzo di sostanze chimiche, seguendo gli insegnamenti della natura e dei suoi equilibri, sono procedure da utilizzare perché, oltre a fornire acqua depurata aiutano a proteggere l’ecosistema marino e noi stessi. E’  bene infatti, che l’acqua che arriva al mare sia il più possibile pura come le acque di fonte, che in uno scritto di V. Hugo,  rivolgendosi al ” mar tremendo” dissero:

”…..l’ amara immensità non ti contendo,

 ma ti do quel che non sapresti avere

 una goccia ti do che si può bere.”   

(12-2010)

Antonella G. Tosca