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Presenza di contaminanti nelle acque reflue

L’acqua naturale più pura si trova nell’atmosfera sotto forma di vapore. Durante la sua precipitazione sulla terra come pioggia, trascina con sé impurità sospese nell’aria (polvere, polline, ecc.). Una buona parte di quest’acqua finisce nel mare, contribuendo a mantenere l’equilibrio salino e la purificazione di questo ambiente, mentre il resto si deposita sulla superficie solida del pianeta nutrendo fiumi, paludi e laghi, nonché le falde acquifere sotterranee. Inoltre, abbiamo l’acqua che precipita in forma solida durante i periodi invernali e/o nei punti elevati delle montagne.

L’acqua pura tende a combinarsi cercando la sua stabilità, il che la rende un buon solvente. Così, i sali minerali solubili che incontra lungo il percorso si integrano in essa tramite un processo noto come dissoluzione, contribuendo in modo significativo al fenomeno di erosione e trasformazione dei terreni.

Questi sali disciolti contribuiscono alla potabilità e alla conducibilità dell’acqua, ma quando si superano determinati limiti di salinità diventano un contaminante che necessita di gestione.

L’eliminazione di questi sali avviene anche quando si richiede acqua di processo con bassa o nessuna salinità (acque demineralizzate), o quando è necessario separare in modo selettivo alcuni contaminanti specifici, come nel caso degli addolcimenti, eliminazione di nitrati o separazioni selettive di determinati cationi e anioni.

Oltre ai composti inorganici, l’acqua può contenere anche contaminazione organica di origine vegetale e animale, e altri contaminanti come composti organici, batteri, virus, ecc. Tuttavia, gran parte dell’inquinamento delle acque deriva dall’attività umana, sia domestica che industriale.

Le tecnologie di depurazione delle acque permettono di separare diversi tipi di particelle in base alla loro dimensione e natura. In questo modo, l’acqua viene rigenerata per il riutilizzo o lo scarico.

Queste tecnologie possono essere raggruppate in base alla grandezza su cui si basano per effettuare la separazione.

Processi di separazione delle acque reflue

Separazione dei contaminanti per massa

Per la separazione di solidi di dimensioni grandi o medie (fino a circa 1 mm), si utilizzano sistemi puramente fisici. Come griglie, setacci e crivelli, che non sono altro che processi filtranti aperti con luce di passaggio adeguata alla dimensione dei solidi. L’estrazione dei solidi separati è meccanica e solitamente avviene tramite rastrelli manuali o pettini automatici.

Altri metodi di separazione fisica sono la decantazione e la flottazione, che permettono l’eliminazione dei materiali in sospensione. La flottazione combina la sedimentazione con la flottazione dei materiali meno densi, con o senza l’aiuto di aria insufflata.

La decantazione e la centrifugazione sono processi di separazione che sfruttano la differenza di massa e densità delle particelle rispetto al solvente per ottenere la separazione. Più pesanti sono le particelle, più facile è la loro separazione.

Spesso si utilizzano reagenti chimici (coagulanti e flocculanti) con cui si ottengono rese di separazione più elevate. Questa combinazione di processi chimici e fisici è nota come processo fisico-chimico.

Esistono alternative alla centrifugazione per il trattamento di effluenti con elevate cariche di fanghi, come la separazione mediante filtri a pressa o filtri a nastro, che impiegano tessuti filtranti per separare i solidi.

Separazione dei contaminanti per dimensione

I seguenti processi sono impiegati per la separazione di contaminanti di dimensioni maggiori:

  • Sistemi di filtrazione semplice in letti di sabbia.
  • Sistemi duali sabbia / antracite.
  • Sistemi di diatomee o misti.

Sono tecnologie fisiche di separazione che utilizzano la percolazione per trattenere i contaminanti solidi nel letto filtrante. Questi sistemi di filtrazione possono raggiungere livelli affidabili di separazione tra 50 e 100 μm.

Per filtrare particelle di dimensioni inferiori si utilizzano tecnologie di separazione con membrane di microfiltrazione, ultrafiltrazione e nanofiltrazione. Quando si filtra a questi livelli si parla di unità di misura come la frazione di micron e il Dalton.

Separazione dei contaminanti per diffusione

Quando è necessario ridurre il carico salino dell’acqua reflua, si possono scegliere trattamenti più sofisticati come la diffusione attraverso membrane semipermeabili, come nel caso dell’osmosi inversa, della dialisi o dell’elettrodialisi. Queste tecnologie riducono la salinità totale (TDS) oltre il 99%. L’unità di misura a livello dimensionale è l’Angstrom, ma in pratica si misura la conducibilità (μS/cm) dell’acqua trattata, chiamata permeato.

Le tecnologie di filtrazione (microfiltrazione, ultrafiltrazione e nanofiltrazione) sfruttano la differenza di dimensione delle particelle da separare rispetto alla dimensione dei pori della membrana. Non è il caso dell’osmosi inversa.

L’osmosi inversa sfrutta la diffusione o permeabilità che hanno le sostanze contaminanti per attraversare una membrana. Mentre il solvente permea la membrana con relativa facilità, le particelle in sospensione e disciolte non possono farlo, o lo fanno con molta difficoltà.

Lo stesso principio si applica anche ai processi di dialisi ed elettrodialisi, sebbene in quest’ultima l’applicazione di un potenziale elettrico agisca come forza motrice che permette la separazione.

Separazione dei sali per carica ionica

Le resine a scambio ionico sono un’altra tecnologia efficiente e molto popolare per la separazione dei sali, poiché permettono di ottenere acque demineralizzate di alta qualità (conducibilità ≤ 0,1 μS/cm).

Per ottenere acqua ultrapura si utilizzano i cosiddetti letti misti (LM) di resina cationica e anionica, oppure i sistemi misti di membrane e resine denominati Elettrodeionizzazione (EDI).

Nel caso dello scambio ionico, la carica ionica permette di stabilire differenze tra ioni diversi. Per esempio, una resina cationica scambierà ioni con carica positiva (cationi) senza interagire affatto con ioni con carica negativa (anioni).

Separazione per pressione di vapore

La distillazione separa e condensa ogni composto mediante l’ebollizione dell’acqua reflua. I diversi contaminanti si separano in differenti punti di evaporazione, condensazione e pressione di vapore.

Questo processo si basa sulla diversa pressione di vapore delle sostanze pure che compongono la miscela da trattare. Più grande è la differenza tra le pressioni di vapore dei diversi componenti della miscela, più facilmente le sostanze si separano mediante distillazione.

Separazione per solubilità

La diversa solubilità di un soluto in un fluido o in un altro permette di effettuare una separazione efficace tramite assorbimento o estrazione.

Separazione per area superficiale

Il carbone attivo fornisce elevate superfici con alta tensione superficiale grazie alla sua porosità morfologica e ai microdifferenziali di carica. Queste caratteristiche favoriscono l’adesione di piccole particelle.

Separazione dei contaminanti per evaporazione a vuoto e cristallizzazione

Gli evaporatori a vuoto raggiungono l’ebollizione delle acque reflue a basse temperature operando in vuoto. Ciò consente un notevole risparmio energetico, mentre i contaminanti si separano e disidratano fino a cristallizzarsi nei cosiddetti cristallizzatori a vuoto. Questo processo ottiene un’acqua condensata di qualità superiore.

Gli evaporatori a vuoto sono particolarmente indicati nel trattamento di scarichi complessi, poiché permettono di raggiungere alte concentrazioni nei materiali separati, che in alcuni casi sono recuperabili.

La tabella seguente presenta i diversi metodi e tecnologie di separazione dei contaminanti presenti nelle acque reflue:

Concentrazione dei contaminanti separati

I residui separati mediante le tecnologie analizzate in questo articolo hanno concentrazioni che variano dall’1 al 4%, ad eccezione di quelli separati con griglie e setacci che presentano concentrazioni maggiori.

La maggior parte di questi contaminanti deve essere inviata a gestori autorizzati, quindi è importante minimizzarne il volume per ridurre i costi di gestione e trasporto. Inoltre, salvo eccezioni, le discariche non accettano rifiuti con concentrazioni inferiori al 30% in sostanza secca, pertanto questi devono essere sottoposti a processi di concentrazione tramite diversi sistemi di disidratazione.

I processi più comuni per ridurre il loro volume sono i sistemi di filtrazione meccanica come i filtri a pressa e i filtri a nastro che utilizzano tessuti filtranti per concentrare i residui, oppure i decanter centrifughi che li concentrano mediante forza centrifuga. Questi residui vengono solitamente sottoposti a processi di coagulazione e flocculazione per migliorare la resa dell’essiccazione meccanica.

Come indicato nella sezione precedente, esistono altri sistemi di separazione e concentrazione dei contaminanti come l’evaporazione e la cristallizzazione a vuoto. Queste tecnologie sono le più efficienti per minimizzare i rifiuti da inviare al gestore, permettendo al contempo di ottenere condensati di alta qualità che, in molti casi, possono essere riutilizzati come sottoprodotti, contribuendo a ridurre i costi di gestione degli impianti di trattamento delle acque reflue.

Le tecnologie di evaporazione e cristallizzazione sono particolarmente efficienti quando si dispone di fonti di energia economiche. Per esempio, quando è disponibile energia in eccesso come vapore o acqua calda, o quando si dispone di fonti di energie rinnovabili.

L’umidità dei residui risultanti può essere ridotta fino alla loro quasi completa asciugatura, il che comporta un minor costo di trasporto, smaltimento o manipolazione.

L’uso dei cristallizzatori è solitamente limitato al recupero di prodotti di valore, oppure alla massima concentrazione di contaminanti pericolosi.

Riassunto

Le acque reflue contengono sostanze contaminanti presenti nell’ambiente naturale o apportate dalle attività umane. Questi contaminanti devono essere separati per utilizzare tali acque in processi specifici o per restituirle all’ambiente, per cui si utilizzano diverse tecniche di trattamento in base al tipo di sostanze e alla destinazione dell’acqua trattata.

I processi più utilizzati vanno da un semplice setacciamento a sistemi per ottenere acque ultrapure tramite scambio ionico e membrane semipermeabili.

I contaminanti separati si presentano sotto forma di rifiuti solidi o fanghi e, nella maggior parte dei casi, richiedono il loro condizionamento e disidratazione per essere inviati al gestore.

Nei casi di rifiuti recuperabili si utilizzano sistemi di evaporazione a vuoto e/o cristallizzatori, al fine di minimizzarne il volume e il costo, ottenendo al contempo un condensato di alta qualità.

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