Sistemi con reattori aerobici per il trattamento delle acque reflue

I trattamenti biologici delle acque reflue (reattori aerobici e anaerobici) sfruttano la capacità di determinati microrganismi (tra cui spiccano i batteri) di assimilare la materia organica e i nutrienti disciolti nell’acqua reflua da trattare per la propria crescita, effettuando l’eliminazione dei componenti solubili nell’acqua. La materia organica solubile è assimilata dai microrganismi come fonte di carbonio. Dopo questa operazione, la biomassa generata viene separata per decantazione dal soprannatante. Per la crescita dei microrganismi è necessario, oltre alla materia organica, la presenza di azoto e fosforo nell’effluente. Se la loro concentrazione non è sufficiente, dovranno essere apportati al trattamento.

L’applicazione tradizionale consiste nell’eliminazione della materia organica biodegradabile, sia solubile che colloidale, nonché nell’eliminazione di composti contenenti azoto e fosforo. È uno dei trattamenti più comuni, non solo nel caso delle acque reflue urbane, ma in gran parte delle acque industriali, per la sua semplicità e il basso costo operativo.

Gli unici requisiti per l’applicazione soddisfacente di queste tecnologie sono che l’inquinamento sia biodegradabile e che non vi sia presenza di alcun composto biocida nell’effluente da trattare.

I microrganismi possono assimilare la materia organica consumando ossigeno, oppure in completa assenza di esso, il che ci porta a disporre di 2 sistemi di trattamento biologico delle acque reflue:

• Sistemi Aerobici
• Sistemi Anaerobici

La selezione del tipo di processo biologico più conveniente deve essere analizzata caso per caso in funzione delle caratteristiche dell’effluente da trattare.

SISTEMI MEDIANTE REATTORI AEROBICI

I sistemi aerobici di trattamento delle acque reflue sfruttano la capacità dei microrganismi di assimilare materia organica e nutrienti (azoto e fosforo) disciolti nell’acqua reflua per la propria crescita, in presenza di ossigeno, che agirà come accettore di elettroni nel processo di ossidazione della materia organica.

Questa particolarità comporta elevate rese energetiche e una significativa generazione di fanghi, conseguenza dell’elevata crescita dei batteri in condizioni aerobiche.

FASI DEI TRATTAMENTI CON REATTORI AEROBICI

Un sistema di trattamento aerobico è composto dalle seguenti fasi:

1. Pretrattamento: In questa fase si procede all’eliminazione dei solidi di grandi dimensioni che arrivano all’impianto di trattamento delle acque. Questi materiali, se non eliminati efficacemente, possono causare gravi guasti alle apparecchiature. Pietre, sabbia, lattine, ecc. provocano usura delle tubazioni e delle condotte nonché delle pompe. Oli e grassi che possono arrivare sono anch’essi eliminati in questa fase per evitare che il trattamento biologico rallenti, che la sua resa diminuisca e che la qualità dell’effluente peggiori. Si utilizzano a tal fine sia operazioni fisiche che meccaniche. Le principali operazioni che possono essere impiegate in funzione della provenienza dell’acqua reflua da trattare, della sua qualità o dei trattamenti successivi sono:

• Separazione dei grandi solidi: ogni volta che le acque da trattare possono contenere solidi di grandi dimensioni si utilizza questo sistema che consiste in un pozzo situato all’ingresso del collettore che permette di concentrare i solidi e le sabbie decantate in una zona specifica dove possono essere estratti efficacemente.
• Grigliatura grossolana: Questa operazione evita ostruzioni nelle parti successive dell’impianto dovute all’arrivo massiccio di grandi solidi. Consiste nell’uso di griglie con diverse separazioni tra le barre che permettono di separare i solidi in base alla loro dimensione.
• Setacciatura: Questa operazione è indicata quando le acque reflue contengono grandi quantità di solidi galleggianti o residui. Si utilizzano setacci di diverso spessore.
• Desarenatura: permette di eliminare particelle solide superiori a 200 micron che possono causare problemi di intasamento delle condotte o delle pompe o abrasioni nelle varie apparecchiature.
• Deoleazione-degrassaggio: Permette di eliminare grassi, oli, schiume e altri materiali galleggianti più leggeri dell’acqua, che potrebbero distorcere i processi di trattamento successivi. Vengono effettuati normalmente per insufflazione d’aria al fine di disemulsionare e aumentare la flottazione dei grassi.

2. Trattamento Primario: In questa fase del trattamento si eliminano i solidi sospesi nelle acque da trattare utilizzando diversi processi fisico-chimici. Questi solidi possono essere: sedimentabili, galleggianti o colloidali.

• Sedimentazione: Separazione per gravità che permette alle particelle più dense dell’acqua di depositarsi sul fondo del sedimentatore. Sarà più efficace quanto maggiore è la dimensione e la densità delle particelle da separare dall’acqua, cioè quanto maggiore è la loro velocità di sedimentazione, che è il principale parametro di progettazione per questi impianti. Questa operazione di sedimentazione è spesso chiamata anche decantazione. La decantazione primaria permette di eliminare i solidi sospesi (circa il 60%) e la materia organica (circa il 30%) e protegge i processi successivi di ossidazione biologica dall’intrusione di fanghi inerti ad alta densità. Possono essere utilizzati sedimentatori rettangolari, circolari e lamellari.
• Flottazione: Si basa sulla differenza di densità e permette di separare la materia solida o liquida di densità inferiore a quella del fluido che risale in superficie. Si utilizza aria come agente di flottazione e, in base a come viene introdotta nel liquido, si hanno due sistemi di flottazione: Flottazione ad aria disciolta (DAF) in cui l’aria viene introdotta nell’acqua reflua sotto pressione di diverse atmosfere e Flottazione ad aria indotta dove la generazione delle bolle avviene tramite diffusori.
• Coagulazione – Flocculazione: se sono presenti particelle di dimensioni molto ridotte si formano sospensioni colloidali, molto stabili a causa delle interazioni elettriche tra di esse, con una lenta velocità di sedimentazione. Per migliorare la loro eliminazione, si aggiungono reagenti chimici che destabilizzano la sospensione colloidale (coagulazione) e favoriscono la flocculazione per ottenere particelle facilmente sedimentabili. I coagulanti sono solitamente prodotti chimici che in soluzione apportano carica elettrica opposta a quella del colloide.
• Filtrazione: La filtrazione è un’operazione in cui l’acqua viene fatta passare attraverso un mezzo poroso, con l’obiettivo di trattenere la maggior quantità possibile di materia in sospensione. Il mezzo poroso tradizionalmente utilizzato è un letto di sabbia, di altezza variabile.

3. Trattamento secondario: I trattamenti secondari si basano su processi biologici in cui si impiegano microrganismi (tra cui spiccano i batteri) per eliminare la materia organica biodegradabile, sia colloidale che disciolta, nonché per eliminare composti contenenti elementi nutritivi (N e P). Nella maggior parte dei casi, la materia organica viene ossidata dai microrganismi che la usano come fonte di energia per la loro crescita. I processi aerobici si basano sull’eliminazione degli inquinanti organici tramite la loro trasformazione in biomassa batterica con l’aiuto dell’ossigeno (che agirà come accettore di elettroni nel processo di ossidazione), CO2 e H2O.

• Digestione: Nei sistemi aerobici l’acqua reflua passa in un reattore-digestore aerobico, dove si trovano i microrganismi responsabili dell’ossidazione della materia organica disciolta, utilizzando un flusso di ossigeno.
• Decantazione: la separazione dei fanghi formati avviene per gravità nei sedimentatori secondari.

4. Trattamento Terziario: in funzione della qualità dell’effluente ottenuto, della destinazione finale dello stesso e della normativa vigente in ogni caso, si applica un trattamento terziario con l’obiettivo di eliminare il carico organico residuo e altre sostanze inquinanti non eliminate nei trattamenti secondari, come ad esempio i nutrienti, fosforo e azoto. Può essere utilizzata qualsiasi combinazione di processi, da trattamenti fisici, chimici o biologici. Generalmente saranno:

• Processi di filtrazione: microfiltrazione, ultrafiltrazione
• Scambio ionico
• Osmosi inversa
• Adsorbimento
• Membrana
• Disinfezione: La disinfezione consiste nell’eliminare o inattivare i microrganismi patogeni o qualsiasi altro microrganismo vivente al fine di garantire il riutilizzo dell’acqua trattata. I principali processi di disinfezione sono:
  • Clorazione
  • Ozonizzazione
  • Elettrodisinfezione

CLASSIFICAZIONE DEI REATTORI AEROBICI

In base al sistema impiegato per la crescita della biomassa, i sistemi di trattamento aerobico si classificano in:

1. Biomassa in sospensione (fanghi attivi): la biomassa cresce libera o in sospensione all’interno del biorreattore, producendo la formazione di fiocchi.

• Processo convenzionale.
• Reattori sequenziali (SBR): Questo tipo di reattore opera in modo discontinuo e tutti i processi avvengono nello stesso serbatoio in modo sequenziale nel tempo. È una buona alternativa per quelle industrie che producono piccoli effluenti ma con elevata variabilità nelle loro caratteristiche.
• Reattori a biomembrana (MBR): Questo reattore è simile a quello a fanghi attivi con la particolarità di disporre di un modulo di membrane di ultrafiltrazione al suo interno. Questo modulo permette la separazione del fango e del liquido mediante membrane, ottenendo importanti vantaggi rispetto ai tradizionali sedimentatori secondari. È un’alternativa per quei casi in cui lo spazio disponibile è limitato.
• BIOCARB®: È un modello esclusivo brevettato da Condorchem Envitech e si basa sullo sviluppo di un reattore aerobico a letto fisso il cui materiale di riempimento è carbone lignitico granulare. Il carbone filtra, adsorbe e funge da supporto per la biopellicola, oltre a fornire ai microrganismi minerali ed elementi traccia. Inoltre, il processo di adsorbimento contribuisce doppiamente al processo, attenuando i picchi di carico degli inquinanti e aumentando il tempo di residenza degli inquinanti all’interno del reattore, rendendo possibile la degradazione di composti organici persistenti. Il reattore BioCarb® si è dimostrato particolarmente efficace nel trattamento di inquinanti difficili da biodegradare e con colore. Inoltre, l’immobilizzazione della biomassa sulla superficie del carbone lignitico permette di effettuare in un’unica fase un trattamento biologico e fisico-chimico delle acque reflue.

2. Biomassa Fissa: la biomassa cresce aderita a un supporto che può essere naturale o artificiale, formando uno strato o pellicola.

• Biodischi: insieme di dischi di un materiale determinato (legno, polietilene corrugato, polistirene corrugato, PVC) che ruotano attorno a un asse orizzontale, situati all’interno del reattore. Su questo supporto si sviluppa gradualmente una pellicola di biomassa batterica, che utilizza come substrato per il suo metabolismo la materia organica solubile presente nell’acqua reflua. Quando la superficie del disco è a contatto con l’aria, la biomassa aderente al disco assorbe l’ossigeno necessario affinché durante il periodo di immersione avvenga la degradazione della materia organica presente nell’acqua reflua.
• Biofiltri: L’aria viene aspirata vicino al punto di emissione e solitamente guidata in una camera di condizionamento. Qui viene saturata di umidità e poi indirizzata a un letto di biomassa fissata. Le sostanze inquinanti vengono assorbite dalla biopellicola di biomassa formata sul riempimento e successivamente digerite dai microrganismi. Nel processo di digestione e metabolizzazione vengono trasformate in composti che non emanano odori.
• Filtri percolatori: L’acqua di scarico decantata viene “lasciata cadere” o spruzzata sul filtro. Mentre l’acqua migra attraverso i pori del filtro, la materia organica viene degradata dalla biomassa che ricopre il materiale del filtro.
• Filtri a letto mobile (MBBR): Il coltivo batterico incaricato della depurazione si trova sotto forma di biopellicola aderente a supporti ad alta superficie specifica (riempimento filtrante). Questi supporti sono immersi e in movimento nel reattore biologico.

La selezione di un processo biologico a biomassa fissa o a biomassa in sospensione più conveniente può essere fatta solo dopo aver analizzato le caratteristiche dell’effluente, il tipo di processo industriale che lo genera, il grado di depurazione richiesto e le esigenze globali dell’utente:

VANTAGGI E SVANTAGGI DEI SISTEMI AEROBICI RISPETTO AGLI ANAEROBICI: CRITERI DI BASE PER LA LORO SELEZIONE

I criteri che aiutano a selezionare se è più conveniente un processo aerobico o se un processo anaerobico sarà più vantaggioso sono la concentrazione di materia organica da eliminare, se è necessaria l’eliminazione dell’azoto, la disponibilità di spazio fisico e il rapporto tra OPEX e CAPEX del progetto. Nella tabella seguente si può osservare, in funzione di questi criteri, quale tipo di processo (aerobico o anaerobico) è più conveniente:

Vantaggi:

• Permette di trattare una grande varietà di acque reflue: i due requisiti che devono soddisfare sono che siano biodegradabili.
• La digestione aerobica fornisce una resa maggiore. Y = 0,4, il che significa che da 1 grammo di materia organica si ottengono 0,4 grammi di biomassa.
• Facilità di gestione.
• Bassi CAPEX.
• Minimizza la produzione di odori.
• Riduce i coliformi e gli organismi patogeni, così come i grassi.
• Produce soprannatante chiarificato.
• Possono essere impiegati un maggior numero di tipi di batteri per la digestione.
• Riduce il tasso di respirazione dei fanghi.

Svantaggi:

• OPEX elevati a causa del consumo energetico continuo associato all’aerazione.
• Molti parametri da controllare affinché i risultati siano ottimali: pH, temperatura, % materia organica, portata in ingresso, % tossici (biocidi).
• In caso di fermo per manutenzione o guasto i costi aumentano a fronte della necessità di mantenere i livelli di materia organica necessari per la sopravvivenza dei microrganismi.

FANGHI GENERATI: LA SFIDA DEI SISTEMI AEROBICI

Una delle maggiori sfide dei sistemi aerobici è la gestione dei fanghi generati. Nel seguente schema si può vedere in modo generale la loro gestione, in funzione del contenuto degli stessi. Va sottolineato che attualmente in molti casi e sempre che sia possibile, dopo il trattamento aerobico si applica un trattamento anaerobico per la gestione dei fanghi.