Adattato dalla 3a edizione, Encyclopaedia of Occupational Health and Safety.

Le acque reflue vengono trattate in modo da rimuovere gli inquinanti e rispettare i limiti di legge. A tale scopo si cerca di rendere insolubili gli inquinanti presenti nell'acqua sotto forma di solidi (es. fanghi), liquidi (es. olio) o gassosi (es. azoto) mediante opportuni trattamenti. Vengono poi utilizzate tecniche ben note per separare le acque reflue trattate da restituire ai corsi d'acqua naturali dagli inquinanti resi insolubili. I gas vengono dispersi in atmosfera, mentre i residui liquidi e solidi (fanghi, olii, grassi) vengono solitamente digeriti prima di essere sottoposti ad ulteriore trattamento. I trattamenti possono essere mono o pluristadio a seconda delle caratteristiche delle acque reflue e del grado di depurazione richiesto. Il trattamento delle acque reflue può essere suddiviso in processi fisici (primari), biologici (secondari) e terziari.

Processi fisici

I vari processi di trattamento fisico sono progettati per rimuovere gli inquinanti insolubili.

Screening

Il liquame viene fatto passare attraverso griglie che trattengono i solidi grossolani che possono bloccare o danneggiare le apparecchiature dell'impianto di depurazione (es. valvole e pompe). Le proiezioni vengono elaborate in base alle situazioni locali.

Rimozione della sabbia

La sabbia contenuta nelle acque reflue deve essere rimossa in quanto tende a depositarsi nelle tubazioni a causa della sua elevata densità e causare abrasione alle apparecchiature (es. separatori centrifughi e turbine). La sabbia viene generalmente rimossa facendo passare le acque reflue attraverso un canale di sezione costante ad una velocità da 15 a 30 cm/s. La sabbia si raccoglie sul fondo del canale e può essere utilizzata, previo lavaggio per rimuovere il materiale putrescibile, come materiale inerte, ad esempio per la costruzione di strade.

Rimozione dell'olio

Oli e grassi non emulsionabili devono essere rimossi perché aderirebbero alle attrezzature degli impianti di trattamento (es. vasche e chiarificatori) e interferirebbero con il successivo trattamento biologico. Le particelle di olio e grasso vengono fatte raccogliere in superficie facendo passare le acque reflue ad opportuna velocità attraverso vasche di sezione rettangolare; vengono scremati meccanicamente e possono essere utilizzati come combustibile. Per la disoleazione vengono frequentemente utilizzati separatori multipiastra di concezione compatta ed elevata efficienza: il liquame viene fatto passare dall'alto attraverso pile di piastre piane inclinate; l'olio aderisce alle superfici inferiori delle piastre e si sposta verso l'alto dove viene raccolto. Con entrambi questi processi l'acqua disoleata viene scaricata sul fondo.

Sedimentazione, flottazione e coagulazione

Questi processi consentono di rimuovere i solidi dalle acque reflue, quelli pesanti (superiori a 0.4 μm di diametro) per sedimentazione e quelli leggeri (inferiori a 0.4 μm) per flottazione. Anche questo trattamento si basa sulle differenze di densità dei solidi e delle acque reflue fluenti che vengono fatte passare attraverso vasche di sedimentazione e vasche di flottazione in cemento o acciaio. Le particelle da separare si raccolgono sul fondo o in superficie, depositandosi o risalendo a velocità proporzionali al quadrato del raggio delle particelle e alla differenza tra la densità delle particelle e la densità apparente delle acque reflue. Le particelle colloidali (p. es., proteine, lattici ed emulsioni oleose) con dimensioni da 0.4 a 0.001 μm non vengono separate, poiché questi colloidi si idratano e di solito si caricano negativamente per adsorbimento di ioni. Di conseguenza le particelle si respingono a vicenda in modo che non possano coagularsi e separarsi. Tuttavia, se queste particelle vengono "destabilizzate", si coagulano formando fiocchi superiori a 4 μm, che possono essere separati come fanghi nelle vasche di sedimentazione o flottazione convenzionali. La destabilizzazione si ottiene per coagulazione, cioè aggiungendo da 30 a 60 mg/l di un coagulante inorganico (solfato di alluminio, solfato di ferro (II) o cloruro di ferro (III). Il coagulante si idrolizza in determinate condizioni di pH (acidità) e forma ioni metallici polivalenti positivi, che neutralizzano la carica negativa del colloide. La flocculazione (l'agglomerazione di particelle coagulate in fiocchi) è facilitata aggiungendo da 1 a 3 mg/l di polielettroliti organici (agenti flocculanti), risultando in fiocchi di diametro compreso tra 0.3 e 1 μm che sono più facili da separare. Possono essere utilizzate vasche di sedimentazione del tipo a flusso orizzontale; hanno sezione rettangolare e fondi piani o inclinati. L'acqua di scarico entra lungo uno dei lati della testata e l'acqua chiarificata esce dal bordo opposto. Si possono utilizzare anche sedimentatori a flusso verticale che sono di forma cilindrica e hanno il fondo a forma di cono circolare retto rovesciato; l'acqua di scarico entra nel mezzo e l'acqua chiarificata lascia il serbatoio oltre il bordo frastagliato superiore per essere raccolta in un canale circonferenziale esterno. Con i due tipi di vasca, il fango si deposita sul fondo e viene convogliato (eventualmente tramite rastrellatore) in un collettore. La concentrazione di solidi nel fango è compresa tra il 2 e il 10%, mentre quella dell'acqua chiarificata è compresa tra 20 e 80 mg/l.

I serbatoi di flottazione sono generalmente di forma cilindrica e hanno diffusori d'aria a bolle fini installati nella parte inferiore, i liquami entrano nei serbatoi al centro. Le particelle aderiscono alle bolle, galleggiano in superficie e vengono scremate via, mentre l'acqua chiarificata viene scaricata al di sotto. Nel caso delle più efficienti “vasche galleggianti ad aria disciolta”, le acque reflue vengono saturate con aria ad una pressione da 2 a 5 bar e quindi lasciate espandere al centro della vasca galleggiante, dove le minuscole bollicine risultanti dalla la decompressione fa galleggiare le particelle in superficie.

Rispetto alla sedimentazione, la flottazione produce un fango più denso a una maggiore velocità di separazione delle particelle e l'attrezzatura richiesta è quindi più piccola. D'altra parte, il costo di esercizio e la concentrazione di solidi nell'acqua chiarificata sono più elevati.

Per la coagulazione e la flocculazione di un sistema colloidale sono necessari diversi serbatoi disposti in serie. Nel primo serbatoio, dotato di agitatore, all'acqua di scarico viene aggiunto un coagulante inorganico e, se necessario, un acido o un alcali per correggere il valore del pH. La sospensione viene quindi fatta passare in un secondo serbatoio dotato di agitatore ad alta velocità; qui il polielettrolita viene aggiunto e sciolto in pochi minuti. La crescita del fiocco avviene in una terza vasca con un agitatore a funzionamento lento e viene effettuata per 10-15 minuti.

Processi biologici

I processi di trattamento biologico rimuovono gli inquinanti organici biodegradabili mediante l'uso di microrganismi. Questi organismi digeriscono l'inquinante mediante un processo aerobico o anaerobico (con o senza apporto di ossigeno atmosferico) e lo trasformano in acqua, gas (anidride carbonica e metano) e una massa microbica solida insolubile che può essere separata dall'acqua trattata. Soprattutto nel caso di effluenti industriali devono essere assicurate condizioni idonee allo sviluppo di microrganismi: presenza di composti azotati e fosforici, tracce di microelementi, assenza di sostanze tossiche (metalli pesanti, ecc.), temperatura e valore di pH ottimali. Il trattamento biologico comprende processi aerobici e anaerobici.

Processi aerobici

I processi aerobici sono più o meno complessi a seconda dello spazio disponibile, del grado di depurazione richiesto e della composizione delle acque reflue.

Stagni di stabilizzazione

Questi sono generalmente rettangolari e profondi da 3 a 4 m. Il liquame entra da un'estremità, viene lasciato per 10-60 giorni e lascia lo stagno in parte all'estremità opposta, in parte per evaporazione e in parte per infiltrazione nel terreno. L'efficienza di depurazione varia dal 10 al 90% in funzione del tipo di effluente e della domanda biologica residua di ossigeno a 5 giorni (BOD₅) contenuto (<40 mg/l). L'ossigeno viene fornito dall'atmosfera per diffusione attraverso la superficie dell'acqua e dalle alghe fotosintetiche. I solidi in sospensione nelle acque reflue e quelli prodotti dall'attività microbica si depositano sul fondo, dove vengono stabilizzati da processi aerobici e/o anaerobici a seconda della profondità degli stagni che influiscono sulla diffusione sia dell'ossigeno che della luce solare. La diffusione dell'ossigeno è spesso accelerata da aeratori di superficie, che consentono di ridurre il volume degli stagni.

Questo tipo di trattamento è molto economico se lo spazio è disponibile, ma richiede un terreno argilloso per evitare l'inquinamento delle acque sotterranee da parte di effluenti tossici.

Fanghi attivi

Viene utilizzato per un trattamento accelerato effettuato in vasche di cemento o acciaio da 3 a 5 m di profondità dove le acque reflue vengono a contatto con una sospensione di microrganismi (da 2 a 10 g/l) che viene ossigenata mediante aeratori di superficie o soffiando aria. Dopo 3-24 ore, la miscela di acqua trattata e microrganismi viene fatta passare in una vasca di sedimentazione dove i fanghi costituiti da microrganismi vengono separati dall'acqua. I microrganismi vengono in parte restituiti al serbatoio aerato e in parte evacuati.

Esistono vari tipi di processi a fanghi attivi (es. sistemi di stabilizzazione del contatto e utilizzo di ossigeno puro) che consentono efficienze depurative superiori al 95% anche per effluenti industriali, ma richiedono controlli accurati ed elevati consumi energetici per l'approvvigionamento di ossigeno.

Filtri percolatori

Con questa tecnica i microrganismi non vengono tenuti in sospensione nell'acqua di scarico, ma aderiscono alla superficie di un materiale di riempimento su cui viene spruzzato il liquame. L'aria circola attraverso il materiale e fornisce l'ossigeno necessario senza alcun consumo di energia. A seconda del tipo di acque reflue e per aumentare l'efficienza, parte dell'acqua trattata viene ricircolata nella parte superiore del letto filtrante.

Laddove il terreno è disponibile, vengono utilizzati materiali di riempimento a basso costo di dimensioni adeguate (ad esempio, pietrisco, clinker e calcare) e, a causa del peso del letto, il filtro percolatore è generalmente costruito come una vasca di cemento alta 1 m solitamente interrata nel terreno. Se non c'è abbastanza terreno, i materiali da imballaggio leggeri più costosi come i materiali a nido d'ape in plastica ad alta velocità, con un massimo di 250 metri quadrati di superficie/metro cubo di materiale, vengono accatastati in torri di percolazione alte fino a 10 m.

Le acque reflue vengono distribuite sul letto filtrante tramite un meccanismo di sparging mobile o fisso e raccolte nel pavimento per essere eventualmente ricircolate verso l'alto e convogliate in una vasca di sedimentazione dove i fanghi formatisi possono depositarsi. Le aperture nella parte inferiore del filtro percolatore consentono la circolazione dell'aria attraverso il letto filtrante. Si ottengono efficienze di rimozione degli inquinanti dal 30 al 90%. In molti casi diversi filtri sono disposti in serie. Questa tecnica, che richiede poca energia ed è facile da usare, ha trovato un uso diffuso ed è consigliata nei casi in cui c'è disponibilità di terra, ad esempio nei paesi in via di sviluppo.

Biodischi

Una serie di dischi piatti di plastica montati parallelamente su un albero rotante orizzontale sono parzialmente immersi nelle acque reflue contenute in un serbatoio. Per effetto della rotazione il feltro biologico che ricopre i dischi viene messo in contatto con gli effluenti e l'ossigeno atmosferico. I fanghi biologici che si staccano dai biodischi rimangono in sospensione nelle acque reflue, e il sistema funge contemporaneamente da fango attivo e da sedimentatore. I biodischi sono adatti a fabbriche e comunità industriali di piccole e medie dimensioni, occupano poco spazio, sono facili da utilizzare, richiedono poca energia e hanno un'efficienza di rendimento fino al 90%.

Processi anaerobici

I processi anaerobici sono eseguiti da due gruppi di microrganismi:batteri idrolitici, che decompongono sostanze complesse (polisaccaridi, proteine, lipidi, ecc.) in acido acetico, idrogeno, anidride carbonica e acqua; e batteri metanogeni, che convertono queste sostanze in una biomassa (che può essere rimossa dal liquame trattato mediante sedimentazione) e in biogas contenente dal 65 al 70% di metano, il resto è costituito da anidride carbonica e ad alto potere calorifico.

Questi due gruppi di microrganismi, molto sensibili ai contaminanti tossici, agiscono contemporaneamente in assenza di aria a un valore di pH quasi neutro, alcuni richiedono una temperatura compresa tra 20 e 38^oC (batteri mesofili) e altri, più delicati, da 60 a 65^oC (batteri termofili). Il processo viene eseguito in calcestruzzo o acciaio agitato e chiuso digestori, dove la temperatura richiesta è mantenuta da termostati. Tipico è il processo di contatto, dove il digestore è seguito da una vasca di sedimentazione per separare i fanghi, che vengono parzialmente ricircolati al digestore, dall'acqua trattata.

I processi anaerobici non necessitano né di ossigeno né di energia per l'approvvigionamento di ossigeno e producono biogas, che può essere utilizzato come combustibile (bassi costi di esercizio). D'altra parte, sono meno efficienti dei processi aerobici (BOD residuo₅: da 100 a 1,500 mg/l), sono più lenti e più difficili da controllare, ma permettono di distruggere i microrganismi fecali e patogeni. Sono utilizzati per il trattamento di rifiuti forti, come fanghi di sedimentazione da fognature, fanghi in eccesso da fanghi attivi o trattamenti percolatori-filtranti e reflui industriali con BOD₅ fino a 30,000 mg/l (es. da distillerie, birrifici, zuccherifici, mattatoi e cartiere).

Processi terziari

I processi terziari più complessi e costosi si avvalgono di reazioni chimiche o specifiche tecniche chimico-fisiche o fisiche per rimuovere inquinanti idrosolubili non biodegradabili, sia organici (es. coloranti e fenoli) che inorganici (es. rame, mercurio, nichel, fosfati , fluoruri, nitrati e cianuri), soprattutto da acque reflue industriali, perché non possono essere rimossi da altri trattamenti. Il trattamento terziario consente inoltre di ottenere un elevato grado di depurazione dell'acqua e l'acqua così trattata può essere utilizzata come acqua potabile o per processi produttivi (generazione di vapore, impianti di raffreddamento, acque di processo per usi particolari). I processi terziari più importanti sono i seguenti.

Precipitazione

La precipitazione avviene in reattori realizzati con materiale idoneo e dotati di agitatori dove vengono aggiunti reagenti chimici a temperatura e pH controllati per trasformare l'inquinante in un prodotto insolubile. Il precipitato ottenuto sotto forma di fango viene separato con tecniche convenzionali dall'acqua trattata. Nelle acque reflue dell'industria dei fertilizzanti, ad esempio, i fosfati ei fluoruri vengono resi insolubili per reazione con la calce a temperatura ambiente ea pH alcalino; cromo (industria conciaria), nichel e rame (negozi galvanici) vengono precipitati come idrossidi a pH alcalino dopo essere stati ridotti con m-disolfito a pH 3 o inferiore.

Ossidazione chimica

L'inquinante organico viene ossidato con reagenti in reattori simili a quelli utilizzati per la precipitazione. La reazione viene generalmente continuata fino all'ottenimento di acqua e anidride carbonica come prodotti finali. I cianuri, ad esempio, vengono distrutti a temperatura ambiente aggiungendo ipoclorito di sodio e ipoclorito di calcio a pH alcalino, mentre i coloranti azoici e antrachinonici vengono decomposti mediante perossido di idrogeno e solfato ferroso a pH 4.5. Gli effluenti colorati dell'industria chimica contenenti dal 5 al 10% di sostanza organica non biodegradabile vengono ossidati a 200-300°C ad alta pressione in reattori realizzati con materiali speciali mediante insufflaggio di aria e ossigeno nel liquido (ossidazione a umido); a volte vengono utilizzati catalizzatori. Gli agenti patogeni rimasti nelle acque reflue urbane dopo il trattamento vengono ossidati mediante clorazione o ozonizzazione per rendere l'acqua potabile.

Assorbimento

Alcuni inquinanti (es. fenoli nelle acque reflue delle cokerie, coloranti nelle acque per uso industriale o potabile e tensioattivi) vengono efficacemente rimossi per assorbimento su polvere o granuli di carbone attivo che sono altamente porosi e hanno un'ampia superficie specifica (di 1000 m²/g o più). La polvere di carbone attivo viene aggiunta in quantità dosate all'acqua di scarico in serbatoi agitati e dopo 30-60 minuti la polvere esausta viene rimossa sotto forma di fango. Il carbone attivo granulato viene utilizzato in torri disposte in serie attraverso le quali passa l'acqua inquinata. Il carbonio esaurito viene rigenerato in queste torri, ovvero l'inquinante assorbito viene rimosso mediante trattamento chimico (ad esempio, i fenoli vengono lavati via con soda) o mediante ossidazione termica (ad esempio, coloranti).

Scambio ionico

Alcune sostanze naturali (es. zeoliti) o composti artificiali (es. Permutit e resine) scambiano, in maniera stechiometrica e reversibile, gli ioni ad esse legati con quelli contenuti, anche fortemente diluiti, nelle acque reflue. Rame, cromo, nichel, nitrati e ammoniaca, ad esempio, vengono rimossi dalle acque reflue mediante percolazione attraverso colonne riempite di resine. Quando le resine sono esaurite, vengono riattivate mediante lavaggio con soluzioni rigeneranti. I metalli vengono così recuperati in una soluzione concentrata. Questo trattamento, anche se costoso, è efficace e consigliabile nei casi in cui è richiesto un elevato grado di purezza (es. per acque reflue contaminate da metalli tossici).

Osmosi inversa

In casi particolari è possibile estrarre acqua di elevata purezza, potabile, da acque reflue diluite facendola passare attraverso membrane semipermeabili. Sul lato acque reflue della membrana gli inquinanti (cloruri, solfati, fosfati, coloranti, alcuni metalli) vengono lasciati come soluzioni concentrate che devono essere smaltite o trattate per il recupero. Le acque reflue diluite vengono sottoposte a pressioni fino a 50 bar in appositi impianti contenenti membrane sintetiche in acetato di cellulosa o altri polimeri. Il costo operativo di questo processo è basso e si possono ottenere efficienze di separazione superiori al 95%.

Trattamento dei fanghi

Rendere insolubili gli inquinanti durante il trattamento delle acque reflue comporta la produzione di notevoli quantità di fanghi (dal 20 al 30% della domanda chimica di ossigeno rimossa (COD) che è fortemente diluita (dal 90 al 99% di acqua)). Lo smaltimento di questi fanghi in modo accettabile per l'ambiente presuppone trattamenti con un costo fino al 50% di quelli necessari per la depurazione delle acque reflue. Le tipologie di trattamento dipendono dalla destinazione del fango, a sua volta dipendente dalle sue caratteristiche e dalle situazioni locali. I fanghi possono essere destinati a:

• concimazione o scarico in mare se sostanzialmente esente da sostanze tossiche e contenente composti azotati e fosforici (fanghi da trattamento biologico), mediante scarichi fissi, autocarri o chiatte

• discarica sanitaria in fosse scavate nel terreno, alternando strati di fango e terra. L'impermeabilizzazione delle torbe è necessaria se i fanghi contengono sostanze tossiche che possono essere dilavate dalle precipitazioni atmosferiche. Le fosse dovrebbero essere lontane dalle falde acquifere. I fanghi organici non stabilizzati vengono solitamente miscelati con il 10-15% di calce per ritardare la putrefazione.

• incenerimento in forni rotativi oa letto fluido se i fanghi sono ricchi di sostanze organiche e privi di metalli volatili; se necessario, viene aggiunto carburante e il fumo emesso viene purificato.

Il fango viene disidratato prima dello smaltimento per ridurne sia il volume che il costo del trattamento, e viene frequentemente stabilizzato per prevenirne la putrefazione e per rendere innocue le eventuali sostanze tossiche in esso contenute.

disidratazione

La disidratazione prevede un ispessimento preventivo in addensatori, simili a vasche di sedimentazione, dove il fango viene lasciato per 12-24 ore e perde parte dell'acqua che si raccoglie in superficie, mentre il fango addensato viene scaricato al di sotto. I fanghi ispessiti vengono disidratati, ad esempio, per separazione centrifuga o per filtrazione (sottovuoto o pressione) con apparecchiature tradizionali, oppure per esposizione all'aria in strati di 30 cm di spessore in letti di essiccamento fanghi costituiti da lagune rettangolari in cemento, circa 50 cm di profondità, con fondo in pendenza ricoperto da uno strato di sabbia per favorire il drenaggio dell'acqua. I fanghi contenenti sostanze colloidali devono essere preventivamente destabilizzati mediante coagulazione e flocculazione, secondo le tecniche già descritte.

Stabilizzazione

La stabilizzazione comprende la digestione e la disintossicazione. La digestione è un trattamento a lungo termine del fango durante il quale perde dal 30 al 50% della sua sostanza organica, accompagnato da un aumento del suo contenuto di sali minerali. Questi fanghi non sono più putrescibili, gli eventuali agenti patogeni vengono distrutti e la filtrabilità è migliorata. La digestione può essere di tipo aerobico quando il fango viene aerato per 8-15 giorni a temperatura ambiente in vasche di cemento, il processo è simile al trattamento con fanghi attivi. Può essere di tipo anaerobico se i fanghi vengono digeriti in impianti simili a quelli utilizzati per il trattamento anaerobico dei rifiuti, a 35-40°C per 30-40 giorni, con produzione di biogas. La digestione può essere di tipo termico quando il fango viene trattato con aria calda a 200÷250°C e ad una pressione superiore a 100 bar per 15÷30 minuti (combustione umida), oppure quando viene trattato, in assenza di aria, a 180°C ea pressione autogena, per 30-45 minuti.

La disintossicazione rende innocui i fanghi contenenti metalli (es. cromo, nichel e piombo), che vengono solidificati mediante trattamento con silicato di sodio e convertiti autotermicamente nei corrispondenti silicati insolubili.

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