Come funzionano gli impianti di trattamento delle acque reflue: Modelli di trattamento delle acque reflue

Il trattamento delle acque reflue è fondamentale per la salute delle comunità e degli ecosistemi. Fornisce acqua pulita e salubre per uso industriale e municipale, riduce la trasmissione di malattie e contribuisce a garantire un ambiente verde e prospero per le generazioni future.

Come funziona questo processo essenziale? La guida che segue illustra le fasi del trattamento delle acque reflue, esamina lo schema di un impianto di trattamento delle acque reflue e discute in dettaglio alcuni metodi di trattamento delle acque reflue.

Le acque reflue sono l'acqua che le persone hanno utilizzato, sia a casa nei bagni, nelle cucine, nelle lavanderie e nei cortili, sia in operazioni industriali come l'agricoltura o la produzione. Negli Stati Uniti, gli impianti di trattamento delle acque reflue trattano circa 34 miliardi di galloni di acque reflue al giorno.

Le acque reflue non trattate contengono soprattutto acqua in volume. Inoltre, contiene numerose impurità che rendono l'acqua non sicura per il riutilizzo o per lo scarico nell'ambiente.

Negli Stati Uniti, la maggior parte delle acque reflue viene sottoposta a trattamento. In tutto il mondo, tuttavia, la pratica di trattare le acque reflue non è così comune. Secondo le Nazioni Unite, circa l'80% delle acque reflue mondiali non viene trattato quando torna nell'ambiente.

Il trattamento delle acque reflue è essenziale per diversi motivi. 

Preservare l'ambiente

Il riversamento di acque reflue non trattate nell'ambiente ha un effetto ecologico devastante. I contaminanti presenti nelle acque reflue possono uccidere piante e animali o rendere gli habitat insicuri e le fonti d'acqua pericolose da bere. Le acque reflue contaminate provenienti da molte industrie, compresa quella del petrolio e del gas, possono avere queste conseguenze negative.

Un altro effetto ambientale comunemente associato alle acque reflue è la proliferazione di fioriture algali dannose. Queste fioriture si formano spesso quando le acque reflue, contenenti alte concentrazioni di nutrienti come azoto o fosforo, raggiungono le riserve di acqua dolce. I nutrienti si accumulano nell'acqua dolce in un processo noto come eutrofizzazione.

Le alghe si nutrono di azoto e fosforo e, consumando questi nutrienti, iniziano a sovraccaricare il loro habitat. Consumano gran parte dell'ossigeno disponibile e spesso contengono tossine nocive. In definitiva, tendono a soffocare la vegetazione autoctona e a uccidere gli organismi acquatici come pesci e molluschi.

Proteggere la salute umana

Lo scarico di acque reflue non trattate nell'ambiente ha molti effetti negativi sulla salute umana. Per esempio, lo scarico di acque reflue non trattate è un fattore di molti dei circa 1,6 milioni di morti per diarrea che si verificano ogni anno. In tutto il mondo, 1,8 miliardi di persone utilizzano fonti d'acqua contaminate da materiale fecale e i Centri statunitensi per il controllo e la prevenzione delle malattie riferiscono che l'88% delle morti per diarrea sono attribuibili ad acqua non sicura, servizi igienici insufficienti e pratiche igieniche inadeguate. I terreni agricoli irrigati con acque reflue non trattate possono anche produrre colture non sicure da consumare.

Malattie come il colera, la dissenteria, il tifo e la schistosomiasi sono comuni in molte parti del mondo dove le acque reflue sono poco trattate. Queste malattie uccidono più bambini del morbillo, della malaria e della sindrome da immunodeficienza acquisita (AIDS) messi insieme.

In paesi come gli Stati Uniti, dove molte di queste malattie sono meno comuni, malattie come la criptosporidiosi, la giardiasi e la colite infettiva associata ad agenti patogeni come l'E. coli continuano a destare preoccupazione.

Alleviare la scarsità d'acqua

Anche la scarsità d'acqua è un problema serio in molte aree del mondo. Le Nazioni Unite riferiscono che due terzi della popolazione mondiale sperimenta la scarsità d'acqua per almeno un mese all'anno e che un'intensa scarsità d'acqua potrebbe far fuggire dalle loro case fino a 700 milioni di persone entro il 2030.

La riduzione della scarsità d'acqua dipende in parte dai processi di conservazione e riciclo dell'acqua. Il trattamento delle acque reflue è una parte preziosa di questi processi. Un trattamento accurato ed efficace delle acque reflue le rende spesso adatte al riutilizzo nei processi industriali o talvolta come acqua potabile, se i protocolli di trattamento sono sufficientemente rigorosi.

Quali sono le tre fasi del trattamento delle acque reflue?

Le tre fasi principali del trattamento delle acque reflue sono il trattamento primario, secondario e terziario. Molti impianti aggiungono anche una fase di pretrattamento prima del processo di trattamento primario.

In un modello standard di impianto di depurazione comunale, le acque reflue passano in vasche di pretrattamento prima di essere sottoposte a un trattamento primario e poi secondario. Non tutti gli impianti utilizzano il trattamento terziario, ma molti lo fanno quando hanno bisogno che le loro acque reflue soddisfino un determinato standard.

1. Pretrattamento

Il pretrattamento utilizza principalmente processi fisici come la filtrazione e la decantazione per rimuovere le particelle solide più grandi dalle acque reflue.

Durante il pretrattamento, le acque reflue confluiscono nelle vasche e nei bacini di trattamento come affluenti. Le grandi griglie a barre filtrano gli oggetti più grandi, come rami d'albero, foglie e detriti di plastica. Le vasche di equalizzazione (vasche EQ) regolano il flusso dell'acqua per favorire la decantazione, mentre le camere di graniglia permettono di far precipitare piccole particelle come sporco, sabbia, ghiaia, fondi di caffè e gusci d'uovo.

Il pretrattamento varia spesso in base al tipo di acque reflue. Se le acque reflue contengono un'elevata quantità di grasso e unto, l'impianto di trattamento può scremare queste impurità dalla superficie dell'acqua durante il pretrattamento o utilizzare soffiatori per creare una schiuma grassa facilmente rimovibile. Altri impianti possono riservare queste fasi fino al trattamento primario.

Il trattamento delle acque reflue industriali può anche utilizzare metodi di pretrattamento chimici anziché fisici. Questi processi spesso modificano il pH dell'acqua o alterano la struttura delle impurità in essa contenute. Il risultato è che le particelle di rifiuti solidi si uniscono e formano composti più pesanti che precipitano più facilmente. Questi processi sono noti come coagulazione e flocculazione.

2. Trattamento primario

Il processo successivo dell'impianto di trattamento delle acque reflue è il trattamento primario. Il suo obiettivo principale è quello di utilizzare la gravità e i processi fisici continui per rimuovere i solidi dalle acque reflue.

Durante il trattamento primario delle acque reflue, l'acqua pretrattata si raccoglie nei chiarificatori primari. L'acqua di scarico rimane a riposo per un po' di tempo, in modo da far precipitare altre impurità. Le apparecchiature di raschiatura meccanica possono raccogliere parte della materia solida e inviarla all'apparecchiatura di trattamento dei fanghi per far parte del processo a fanghi attivi, di cui parleremo più avanti.

Se l'impianto non ha rimosso gli oli e i grassi durante il pretrattamento, lo farà durante il trattamento primario, scremando questi grassi dalla superficie. Alcune piante aggiungono sostanze alcaline ai grassi scremati in un processo noto come saponificazione. Questo è il primo passo per produrre i saponi e il glicerolo.

3. Trattamento secondario

Il trattamento secondario delle acque reflue utilizza processi batterici piuttosto che fisici. Utilizza microrganismi benefici per scomporre una parte maggiore delle impurità solide presenti nelle acque reflue.

Il trattamento secondario assume alcune forme principali.

Trattamento anossico

Il trattamento anossico avviene in assenza di ossigeno molecolare libero, anche se un po' di ossigeno può essere presente sotto forma di nitrati, nitriti o solfati. Questo processo è spesso utilizzato per la denitrificazione di acque reflue ad alto contenuto di azoto. Utilizza microbi che non richiedono ossigeno per i loro processi metabolici.

Come funziona la denitrificazione anossica? L'azoto presente nelle acque reflue deve essere solitamente sotto forma di nitrato (NO3). La pianta può convertire l'azoto in nitrato utilizzando un filtro a goccia o un sistema di crescita in sospensione. Per evitare che l'ossigeno molecolare interferisca con il processo, gli impianti utilizzano in genere reattori ermetici per i loro trattamenti anossici. I microrganismi consumano l'azoto del nitrato, lasciando solo le molecole di ossigeno.

Trattamento anaerobico

Il trattamento anaerobico avviene anche in assenza di ossigeno. A differenza del trattamento anossico, in cui l'ossigeno molecolare è assente ma l'ossigeno legato può essere presente in altri composti, il trattamento anaerobico avviene in assenza di tutte le forme di ossigeno. Il trattamento anaerobico utilizza spesso lagune di digestione coperte in cui i batteri anaerobici possono scomporre i rifiuti organici.

Il trattamento aerobico è utile per le acque reflue con una concentrazione particolarmente elevata di solidi biodegradabili, come ad esempio le acque reflue urbane concentrate, i liquami provenienti dalle deiezioni animali e le acque di lavorazione degli alimenti. Come il trattamento anossico, è anche meno dispendioso dal punto di vista energetico rispetto al trattamento aerobico, perché non richiede apparecchiature per miscelare l'ossigeno con le acque reflue.

Un ulteriore vantaggio della digestione anaerobica è che tende a produrre metano, insieme ad altri sottoprodotti del biogas come l'anidride carbonica e il vapore acqueo. Molti impianti di trattamento delle acque reflue possono isolare il metano per riutilizzarlo come combustibile, a volte anche per alimentare l'impianto.

Il trattamento aerobico avviene in presenza di ossigeno perché i microrganismi coinvolti necessitano di ossigeno per i loro processi metabolici.

Affinché il trattamento aerobico abbia luogo, l'impianto di trattamento delle acque reflue deve disporre di apparecchiature in grado di fornire ossigeno e di incorporarlo nelle acque reflue in un processo noto come aerazione. L'impianto può essere dotato di lagune con aeratori di superficie per miscelare l'aria nell'acqua. Oppure può utilizzare vasche di aerazione piene di membrane di gomma o di diffusori ceramici, spesso a forma di disco o di tubo. L'aria passa attraverso i tubi sul pavimento della vasca e nei diffusori, che contengono numerose piccole perforazioni. Queste perforazioni emettono l'aria sotto forma di piccole bolle. Quando le bolle salgono attraverso la colonna d'acqua, facilitano il trasferimento di ossigeno e la digestione aerobica.

Alcuni impianti utilizzano filtri di media per la digestione aerobica. Una forma comune di sistema di filtraggio a media è il sistema a letto mobile con reattore a biofilm (MBBR). Un sistema MBBR utilizza un bacino riempito con migliaia di minuscoli supporti di plastica. I pezzi occupano una quantità significativa del volume del bacino, spesso dal 50 al 70%.

Il design dei supporti è ottimale per favorire la crescita batterica. I pezzi assomigliano a ruote con tanti piccoli raggi. Questa forma intricata offre una superficie estesa e ospitale per la crescita dei batteri. Una volta che i batteri hanno attecchito, formano un biofilm viscoso sui supporti. I pezzi hanno anche una densità simile a quella dell'acqua, quindi possono sospendersi in tutta la colonna d'acqua per massimizzare lo spazio disponibile. Questa disposizione aiuta i batteri a contattare il maggior numero possibile di rifiuti per promuovere una digestione efficiente e ridurre il tempo di ritenzione idraulica.

In genere gli impianti utilizzano anche il trattamento a fanghi attivi, che è uno dei processi aerobici più comuni. Funziona utilizzando l'aerazione e la flocculazione insieme.

Come abbiamo visto, le acque reflue confluiscono in una vasca di aerazione e si mescolano all'acqua durante l'aerazione. Successivamente, le acque reflue confluiscono in una vasca di decantazione o in un chiarificatore secondario. Qui, alcuni dei biosolidi si raggruppano e si depositano sul fondo della vasca, formando quello che l'industria dei rifiuti chiama flocs, ovvero una coltre di fango. L'impianto può quindi pompare la coltre di fango nella vasca di aerazione. I numerosi microrganismi contenuti nei fanghi contribuiscono alla decomposizione di altri rifiuti.

Il trattamento dei fanghi attivi richiede uno spazio significativo all'interno dell'impianto ed è ad alto consumo energetico. Tuttavia, è altamente affidabile e adatto a molti carichi di rifiuti diversi, quindi è uno strumento eccezionalmente efficace.

Il trattamento terziario fornisce un'ulteriore filtrazione e disinfezione. A differenza del trattamento primario e secondario, che hanno luogo nella maggior parte degli impianti di trattamento delle acque reflue, il trattamento terziario è solitamente facoltativo. Gli impianti lo utilizzano spesso quando devono soddisfare requisiti particolarmente severi per i loro effluenti.

Il trattamento terziario può basarsi su alcuni processi diversi: prima la filtrazione e poi una forma di disinfezione:

• Filtrazione: il trattamento terziario utilizza spesso filtri come i filtri a sabbia o i filtri ad adsorbimento di carbone per rimuovere le impurità persistenti dalle acque reflue. Questi filtri possono essere a disco, a sacco, a fibra attiva granulare (GAC) o a tamburo.
• Clorazione: Molti impianti di trattamento delle acque reflue aggiungono cloro all'acqua per sterilizzarla. L'uso del cloro è economicamente vantaggioso, per cui molti impianti municipali si affidano a questo metodo.
• Disinfezione a raggi ultravioletti (UV): il trattamento terziario può anche utilizzare la luce UV per distruggere o sterilizzare eventuali microrganismi rimasti nelle acque reflue e renderli innocui.
• Trattamento con ozono: alcuni impianti di trattamento delle acque reflue utilizzano anche il trattamento con ozono per la disinfezione. Il trattamento con ozono è più efficace del cloro, ma è costoso, richiede attrezzature speciali resistenti alla corrosione e produce gas tossici, per cui gli impianti devono valutare attentamente i costi e i benefici di questo trattamento.
• Scambio ionico: il trattamento terziario può anche prevedere l'uso dello scambio ionico, che scambia gli ioni innocui con quelli indesiderati, proprio come un addolcitore d'acqua domestico sostituisce gli ioni calcio e magnesio indesiderati con gli inoffensivi ioni sodio.

Una volta che le acque reflue soddisfano i requisiti normativi applicabili, gli impianti di trattamento delle acque reflue possono scaricare le acque trattate nell'ambiente come effluenti. L'effluente si mescola con le acque superficiali o sotterranee esistenti. In questa forma, un giorno potrà essere riutilizzata per l'irrigazione o per i processi industriali, oppure inviata al trattamento e utilizzata come acqua potabile.

In alcuni casi, se le acque reflue sono state sottoposte a trattamento terziario, l'impianto può riciclare l'acqua per riutilizzarla in processi industriali o agricoli ad alta intensità idrica.

Le acque reflue municipali sono quelle prodotte dalle abitazioni e dagli edifici commerciali durante le loro attività quotidiane. Queste acque reflue provengono da lavandini, docce e gabinetti di strutture come case, appartamenti, ristoranti, ospedali e uffici.

Le acque reflue domestiche contengono circa 99,9% di acqua in peso. Negli stadi sospesi SSI, il restante 0,1% è costituito da solidi disciolti e sospesi che l'impianto di trattamento delle acque reflue deve rimuovere. Anche se questa cifra è molto piccola, i solidi disciolti e sospesi contengono microbi che sarebbero dannosi per la salute umana e l'ecosistema locale se scaricati nell'ambiente senza essere trattati. I solidi contengono generalmente anche saponi, detergenti, sostanze nutritive per le piante e altre sostanze organiche.

2. Liquami industriali

Le acque reflue industriali sono i residui dei processi industriali. Molti processi produttivi richiedono l'uso di acqua, che diventa acqua di scarico una volta terminata la produzione.

Le acque reflue industriali contengono spesso una concentrazione molto elevata di composti chimici facilmente identificabili. Gli impianti di trattamento delle acque reflue specializzati, noti come impianti di trattamento degli effluenti (ETP), sono utili per trattare gli effluenti chimici che fuoriescono dai processi di produzione industriale.

Le acque reflue industriali possono assumere diverse forme. Di seguito sono elencate alcune industrie che producono elevati volumi di acque reflue industriali.

Produzione farmaceutica

Le acque reflue farmaceutiche provengono dalla produzione di farmaci. Queste acque reflue sono molto complesse e spesso hanno un elevato contenuto chimico. Contiene composti farmaceuticamente attivi, tra cui antibiotici, ormoni, tensioattivi e composti organici volatili (VOC) che potrebbero essere pericolosi per la salute umana e per l'ambiente se scaricati accidentalmente. Gli antibiotici destano particolare preoccupazione per il loro potenziale di dare origine a ceppi di batteri resistenti agli antibiotici.

I residui di farmaci presenti nei rifiuti farmaceutici hanno generalmente un'elevata richiesta biologica di ossigeno (BOD) e una richiesta chimica di ossigeno (COD).

Le fabbriche tessili producono grandi volumi di acque reflue chimiche attraverso processi come il candeggio, la tintura, l'ignifugazione e l'impermeabilizzazione. Anche la pulizia e il finissaggio della lana e la produzione di filati tendono a generare acque reflue chimiche.

Le acque reflue tessili hanno spesso un BOD elevato e contengono sostanze come olio e grasso, cromo, fenoli e solfuri. Nella lavorazione della lana, i grassi animali sono spesso presenti nelle acque reflue, così come eventuali pesticidi con cui le pecore sono entrate in contatto.

Gli impianti di tintura tessile utilizzano vari tipi di coloranti, tra cui coloranti acidi, coloranti basici, coloranti diretti, coloranti mordenti, coloranti a pigmento, coloranti a solvente e coloranti al tino, che contribuiscono con una serie completamente diversa di contaminanti alle loro acque reflue. L'acqua di scarico può anche includere sostanze come tamponi di pH e acceleratori di tintura. Le acque reflue della tintura tessile contengono spesso metalli pesanti, oli e grassi, fenoli e solfuri. 

Produzione di pasta di cellulosa e carta

Gli effluenti della produzione di pasta e carta hanno spesso un BOD elevato e contengono alte concentrazioni di solidi sospesi. Se la sbiancatura fa parte del processo di produzione, le acque reflue hanno in genere un COD elevato e includono sostanze come cloroformio, diossine, furani e fenoli.

Raffinazione del petrolio e produzione petrolchimica

La raffinazione del petrolio e la produzione di prodotti petrolchimici, come tutti i processi che hanno a che fare con materie prime estratte dalla terra, tendono a produrre rifiuti con alte concentrazioni di metalli pesanti, tra cui arsenico, cadmio, cromo, piombo, mercurio, nitrati e nitriti. Queste acque reflue hanno spesso un BOD elevato e contengono impurità come ammoniaca, cromo, fenoli, solfuri, olio e grasso e vari solidi sospesi.

Le centrali elettriche che si basano su combustibili fossili per generare elettricità tendono a produrre enormi volumi di acque reflue, che spesso includono alte concentrazioni di metalli pesanti. Processi come la desolforazione dei gas di scarico e il controllo del mercurio contribuiscono alla produzione di acque reflue. Se l'impianto è dotato di scrubber a umido o di dispositivi simili per il controllo dell'inquinamento, i contaminanti catturati finiscono solitamente anche nel flusso delle acque reflue. 

Lavorazione di alimenti e bevande

Le acque reflue della lavorazione degli alimenti e delle bevande hanno caratteristiche uniche. Ha un basso contenuto di sostanze chimiche, non è tossico e altamente biodegradabile, anche se tende ad avere un elevato contenuto di solidi sospesi e un alto BOD.

La composizione delle acque reflue provenienti dalla lavorazione di alimenti e bevande tende a variare notevolmente in base al tipo di produzione. L'acqua di lavaggio e lavorazione degli ortaggi tende a contenere un'alta concentrazione di materia organica e di particolato. L'acqua di lavorazione dei prodotti lattiero-caseari, invece, contiene alti livelli di grassi, zuccheri e altri solidi in sospensione. L'acqua di lavorazione della carne contiene spesso grassi, sangue, olio e unto, oltre ad azoto e batteri coliformi provenienti dall'intestino.

Altre attività di lavorazione di alimenti e bevande, come l'imbottigliamento, il lavaggio dei prodotti e la pulizia delle superfici, generano ulteriori acque reflue.

3. Acque meteoriche

Le acque meteoriche sono quelle che si riversano nelle fognature cittadine dopo le precipitazioni. Le acque meteoriche sono spesso composte da un'alta concentrazione di detriti, come sporcizia e ramoscelli. Contiene anche un'alta concentrazione di materia organica che l'acqua raccoglie quando scorre sul terreno.