Fanghi attivi
I processi a fanghi attivi sono una parte di un complesso sistema di trattamento delle acque reflue (U.S. EPA 2002). Vengono solitamente utilizzati dopo il trattamento primario (inclusa la vagliatura che rimuove i solidi sedimentabili), includono una o più camere di trattamento principali aerate, dispositivi di aerazione, un dispositivo per la miscelazione appropriata per mantenere il fango in sospensione, un chiarificatore secondario per separare la biomassa dall’effluente trattato e raccogliere la biomassa sedimentata, generalmente un regime di circolazione non lineare e molto complesso (ad esempio anelli di ricircolo, by-pass ecc.) e sono talvolta seguiti da una fase finale di pulizia (vedi filtrazione e disinfezione terziarie). I processi biologici che si verificano sono efficaci per rimuovere materiali solubili, colloidali e particolati. Il reattore può essere progettato per la nitrificazione e denitrificazione biologica, così come per la rimozione biologica del fosforo.
La progettazione deve essere basata su una stima accurata della composizione e del volume delle acque reflue. L’efficienza del trattamento può essere gravemente compromessa se l’impianto è sotto o sovradimensionato. A seconda della temperatura, il tempo di ritenzione dei solidi (SRT) nel reattore varia da 3 a 5 giorni per la rimozione del BOD, a 3 a 18 giorni per la nitrificazione.
I fanghi in eccesso richiedono un trattamento per ridurre il loro contenuto di acqua e organico e per ottenere un prodotto stabilizzato adatto all’uso finale o allo smaltimento finale. È importante considerare questo passo nella fase di pianificazione dell’impianto di trattamento).
Grandi quantità di ossigeno iniettato permettono di mantenere condizioni aerobiche e di miscelare in modo ottimale la biomassa attiva con le acque reflue da trattare. Per mantenere una quantità relativamente alta di microrganismi attivi utili a rimuovere le sostanze organiche dalle acque reflue, il fango viene separato dall’effluente mediante decantazione in un chiarificatore secondario (UNEP 2004) o mediante filtrazione a membrana e mantenuto nel processo mediante ricircolo nella vasca di aerazione. Sono state sviluppate diverse modifiche di questo processo di base, compresi diversi dispositivi di aerazione, diversi mezzi di raccolta dei fanghi e di riciclo al serbatoio di aerazione o al chiarificatore primario, e il miglioramento del processo attraverso l’aggiunta di un’area di media inerte su cui il biofilm può crescere (processo combinato film fisso/crescita sospesa).
Anche se i batteri aerobi sono i microorganismi più dominanti nel processo, possono essere presenti altri batteri aerobi, anaerobi e/o nitrificanti insieme a organismi superiori. Così, oltre alla rimozione della materia organica, i nutrienti (ammoniaca organica, fosforo) possono anche essere rimossi biologicamente tramite nitrificazione/denitrificazione e assorbimento biologico del fosforo. L’esatta composizione dei microrganismi dipende dal design del reattore, dall’ambiente e dalle caratteristiche delle acque reflue (TILLEY et al. 2008). Per raggiungere le condizioni ottimali per la rimozione di sostanze organiche e nutrienti, viene utilizzata una sequenza di camere aerobiche e anaerobiche variabili.
Processo di trattamento dettagliato
Dopo la vagliatura, la sabbia e le particelle pesanti simili vengono rimosse in una camera di graniglia dove si depositano al suolo. Questa camera vuole solo rimuovere la graniglia grossolana e le acque reflue vi passano solo un periodo relativamente breve (alcuni minuti) (UNEP & MURDOCH 2004). I solidi più piccoli sono rimossi in una vasca di decantazione o sedimentazione. In questa unità, le acque reflue trascorrono più tempo (circa un’ora) per consentire una buona separazione. Il fango proveniente da questo trattamento primario meccanico (compresa la vagliatura e la decantazione nella camera di graniglia e nel serbatoio di sedimentazione) è chiamato fango primario e, come tutti i fanghi in eccesso, richiede un’ulteriore catena di trattamento avanzata.
Dopo questo trattamento primario, segue l’unità principale contenente i fanghi attivi. Le acque reflue pretrattate sono mescolate con i fanghi attivi concentrati del sottofondo del chiarificatore secondario in un serbatoio aerato. L’aerazione è fornita da agitatori meccanici di superficie o da diffusori sommersi di aria compressa (WSP 2008). L’aerazione fornisce ossigeno ai fanghi attivi e allo stesso tempo mescola accuratamente i fanghi e le acque reflue (UNEP & MURDOCH 2004). Durante l’aerazione e la miscelazione, i batteri formano piccoli ammassi o flocs (TILLEY et al. 2008). In queste condizioni, i batteri nei fanghi attivi degradano le sostanze organiche nelle acque reflue. Usano la sostanza organica per l’energia, la crescita e la riproduzione. I prodotti finali sono anidride carbonica (CO2), acqua (H2O) e nuove cellule.
Dopo alcune ore nella camera di aerazione, la miscela entra nella vasca di decantazione secondaria (chiarificatore), dove i microorganismi flocculati si depositano e vengono rimossi dal flusso dell’effluente. I microrganismi depositati (i fanghi attivati) sono poi riciclati all’estremità del serbatoio di aerazione per essere mescolati nuovamente con l’acqua di scarico e continuare a crescere e formare nuovi fanghi e a degradare le sostanze organiche. Per mantenere una quantità ottimale di fango nel sistema, il tasso di ricircolo dei fanghi sedimentati varia dal 20 al 100%. I fanghi in eccesso prodotti ogni giorno (fanghi attivi di scarto) devono essere trattati in un’ulteriore catena di trattamento insieme ai fanghi degli impianti di trattamento primario. Una catena convenzionale di trattamento dei fanghi in eccesso consiste in digestione anaerobica, ispessimento, incenerimento e smaltimento sicuro, per esempio in una discarica. Un modo più sostenibile sarebbe il compostaggio dei fanghi (prima o al posto della digestione) per riutilizzare i nutrienti in agricoltura.
I tempi di ritenzione idraulica nell’intero sistema vanno da alcune ore fino a diversi giorni per la fase liquida. Il trattamento dei fanghi in eccesso può richiedere in qualche modo più tempo a seconda del tipo di ispessimento e di digestione anaerobica applicata. L’effluente di un impianto a fanghi attivi correttamente progettato e gestito è di alta qualità, di solito con concentrazioni di BOD e TSS uguali o inferiori a 10 mg/L (CRITES & TCHOBANOGLOUS 1998). La rimozione della domanda biologica di ossigeno (BOD) e dei solidi sospesi (TSS) è generalmente compresa tra l’80 e il 100% a seconda delle concentrazioni dell’affluente, della configurazione del sistema e della temperatura (UNEP 2004; SANIMAS 2005; WSP 2008).
Anche gli elementi nutritivi come l’azoto e il fosforo vengono rimossi nel processo dei fanghi attivi, ma richiedono una configurazione di diverse camere aerate e non aerate nei sistemi ibridi di fanghi attivi. La rimozione biologica dell’azoto si ottiene prima con la trasformazione dell’azoto organico in ammoniaca, seguita dalla conversione aerobica dell’ammoniaca (NH4+) in nitrito (NO2-) e poi nitrato (NO3-) e dalla trasformazione anaerobica del nitrato in azoto gassoso (N2), che viene poi rilasciato nell’atmosfera. La trasformazione dell’ammoniaca in nitrato attraverso una fase intermedia di nitrito è chiamata nitrificazione. La trasformazione del nitrato in azoto gassoso è chiamata denitrificazione. Quindi, una combinazione di entrambi i processi, aerobico e anaerobico (anossico) è necessaria per ottenere la completa eliminazione dell’azoto dalle acque reflue. In molti sistemi di trattamento dei fanghi attivi, un serbatoio anaerobico è integrato dopo il bacino aerato e prima della chiarificazione (post-denitrificazione); o appena prima del serbatoio di aerazione (pre-denitrificazione). Nel caso della pre-denitrificazione, la nitrificazione avviene nella vasca aerata dopo la prevasca aerobica. La denitrificazione avviene solo quando l’effluente del serbatoio aerato, contenente nitriti, viene rimesso in circolo come il fango.
La rimozione del fosforo nei sistemi a fanghi attivi può essere fatta chimicamente o biologicamente. L’eliminazione biologica del fosforo nel sistema convenzionale di trattamento delle acque reflue avviene attraverso l’assorbimento del fosforo da parte di alcune cellule batteriche. Tuttavia, solo poco fosforo può essere rimosso in questo modo, poiché la frazione di massa di fosforo nei fanghi volatili è solo circa il 2,5% (HAANDEL&LUBBE 2007). Questo risulta in una concentrazione di effluente di circa 2 a 7 mg P/L per le acque reflue comunali con una concentrazione di COD di 500 mg/L (HAANDEL&LUBBE 2007). Tuttavia, sarà generalmente richiesto di abbassare la concentrazione di fosforo nell’effluente ad un valore ≤ 1 mg P/L.
Un altro processo biologico è la rimozione biologica migliorata del fosforo. La rimozione biologica potenziata del fosforo si basa sulla coltivazione di alcuni speciali batteri accumulatori di fosforo, che, rispetto al 2,5% di P nei fanghi attivi convenzionali, possono portare fino al 38% di accumulo di P nel fango (HAANDEL&LUBBE 2007).
Quando si devono rimuovere sia l’azoto che il fosforo, la combinazione diventa ancora più complessa. La rimozione biologica migliorata del fosforo richiede generalmente una fase anaerobica (per la coltivazione di PAO), una fase anossica (per la denitrificazione) e una fase aerobica (per la nitrificazione e l’accumulo di fosforo) in serie.
Al giorno d’oggi, i sistemi di fanghi attivi, dove i nutrienti preziosi (fosforo e azoto) e la materia organica sono inceneriti invece di essere rimessi in circolo per la produzione alimentare in agricoltura non sono più percepiti come sostenibili. L’introduzione della rimozione dell’azoto in un impianto a fanghi attivi aumenta il volume del reattore in modo significativo e porta ad un maggiore consumo di energia di circa il 60-80% per l’aerazione (MAURER 2003). L’eliminazione del fosforo richiede o l’aggiunta di prodotti chimici e il successivo smaltimento dei fanghi inorganici o un aumento della complessità e del volume del reattore per una maggiore rimozione biologica del fosforo.
Per raggiungere specifici obiettivi di effluenti per BOD, azoto e fosforo, sono stati fatti diversi adattamenti e modifiche al progetto base dei fanghi attivi. Modifiche ben note includono reattori a lotti in sequenza (SBR), fossati di ossidazione, pozzi profondi, aerazione estesa, letti mobili e bioreattori a membrana.
Reattori batch sequenziali (SBR)
Il processo può essere gestito in lotti, dove le diverse condizioni sono tutte raggiunte nello stesso reattore ma in tempi diversi (UNEP & MURDOCH 2004). Il trattamento consiste in un ciclo di cinque fasi: riempimento, reazione, assestamento, prelievo e inattività. Durante il tipo di reazione, l’ossigeno viene aggiunto da un sistema di aerazione. Durante questa fase, i batteri ossidano la materia organica proprio come nei sistemi a fanghi attivi. In seguito, l’aerazione viene interrotta per permettere al fango di depositarsi. Nella fase successiva, l’acqua e il fango vengono separati per decantazione e lo strato chiaro (surnatante) viene scaricato dalla camera di reazione (METCALF & EDDY 2007). A seconda del tasso di produzione dei fanghi, alcuni fanghi possono anche essere spurgati. Dopo una fase di inattività, la vasca viene riempita con un nuovo lotto di acque reflue (UNEP & MURDOCH 2004). Almeno due serbatoi sono necessari per il modo di funzionamento a batch, poiché l’afflusso continuo deve essere conservato durante la fase di funzionamento. Sistemi (molto) piccoli (ad esempio, che servono piccoli insediamenti) possono applicare un solo serbatoio. In questo caso, l’influente deve essere trattenuto in un laghetto o scaricato continuamente sul fondo del serbatoio per non disturbare le fasi di decantazione, prelievo e inattività. Gli SBR sono adatti a flussi più bassi perché la dimensione di ogni serbatoio è determinata dal volume delle acque reflue prodotte durante il periodo di trattamento nell’altro serbatoio (UNEP & MURDOCH 2004). Per ulteriori informazioni sui sistemi a fanghi attivi SBR, si prega di consultare WSP (2007) o U.S. EPA (1999).
Vasche di ossidazione
Le fosse di ossidazione sono grandi fosse rotonde o ovali (reattori a canale) con uno o più aeratori orizzontali per garantire la fornitura di ossigeno, e per mescolare e spostare il contenuto intorno alla fossa. L’affluente vagliato entra nel canale di ossidazione, viene aerato e circola a circa 0,25-0,35 m/s (SANIMAS 2005). Il funzionamento può essere continuo o intermittente. La sedimentazione primaria di solito non è richiesta, ma si usano generalmente vasche di sedimentazione secondaria. Il volume di trattamento richiesto pro capite è di circa 1 m³ (SANIMAS 2005). I fossati di ossidazione sono adatti per le aree in cui la disponibilità di terra è alta. Hanno il vantaggio di essere relativamente facili da mantenere e sono resistenti ai carichi d’urto che spesso si verificano nelle comunità più piccole (per esempio all’ora di colazione e alla sera). Il tipico tempo di ritenzione idraulica è tra le 24 e le 48 ore con un’età del fango da 12 a 20 giorni (Wikipedia 2010). Per ulteriori informazioni sulle fosse di ossidazione, si prega di fare riferimento a U.S. EPA (2000), WSP (2007) o WSP (2008).
Fossi profondi
Dove la terra scarseggia, le acque di scarico possono essere trattate iniettando ossigeno in un flusso di fango di ritorno pressurizzato, che viene iniettato nella base di un profondo serbatoio a colonna interrato. Questo tipo di reattore a fanghi attivi è chiamato pozzo profondo. Tali pozzi possono essere profondi fino a 100 m. Mentre il liquame sale, l’ossigeno forzato in soluzione dalla pressione alla base del pozzo si libera come ossigeno molecolare. Questo fornisce una fonte di ossigeno altamente efficiente per i microrganismi contenuti nei fanghi attivi. L’ossigeno che sale e il fango di ritorno iniettato forniscono il meccanismo fisico per la miscelazione. Il fango misto e l’affluente delle acque reflue vengono decantati in superficie e separati in componenti del surnatante e del fango. L’efficienza del trattamento dei pozzi profondi può essere alta, ma richiedono professionisti qualificati per la costruzione, il funzionamento e la manutenzione; e inoltre una grande quantità di energia (adattato da Wikipedia (2012)).
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