Il trattamento biologico delle acque reflue si realizza mediante una serie di importanti processi di trattamento che hanno in comune l’utilizzo di microrganismi (tra cui spiccano i batteri) per eliminare componenti solubili nell’acqua. Questi processi sfruttano la capacità dei microrganismi di assimilare la materia organica e i nutrienti (azoto e fosforo) disciolti nell’acqua reflua per la loro crescita. Quando si riproducono, si aggregano tra loro formando fiocchi macroscopici con massa critica sufficiente per sedimentare in un tempo ragionevole.
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 per le acque reflue urbane, ma anche per gran parte delle acque industriali, grazie alla sua semplicità e al basso costo operativo.
Nella maggior parte dei casi, la materia organica costituisce la fonte di energia e carbonio necessaria ai microrganismi per la crescita. Inoltre, è necessaria la presenza di nutrienti contenenti gli elementi essenziali per la crescita, in particolare azoto e fosforo, e infine, nel caso di sistemi aerobici, la presenza di ossigeno disciolto nell’acqua. L’ossigeno non è indispensabile, poiché i microrganismi sono in grado di degradare la materia organica anche in condizioni anaerobiche. Questo aspetto sarà fondamentale nella scelta del processo biologico più conveniente.
Nel metabolismo cellulare, gioca un ruolo fondamentale l’accettore finale di elettroni nei processi di ossidazione della materia organica. Questo aspetto ha inoltre un’importante incidenza sulle possibilità di applicazione al trattamento delle acque reflue. In base a quale sia l’accettore finale di elettroni si distinguono tre casi:
- Sistemi aerobici: l’ossigeno è l’accettore finale di elettroni preferito da qualsiasi cellula. Se è presente ossigeno nell’ambiente, questo sarà l’accettore finale di elettroni, il che comporta rendimenti energetici elevati e una significativa produzione di fanghi, dovuta all’elevata crescita dei batteri in condizioni aerobiche.
- Sistemi anaerobici: in questo caso l’accettore finale di elettroni è la stessa materia organica che funge da fonte di carbonio. Come risultato di questo metabolismo, la maggior parte del carbonio è destinata alla formazione di sottoprodotti della crescita (biogas, che è CO2 e metano), mentre la frazione di carbonio utilizzata per la sintesi cellulare è bassa. Per il trattamento, questo fatto rappresenta un doppio vantaggio: si produce poca quantità di fanghi e si genera biogas, che può essere valorizzato. Normalmente viene utilizzato per produrre energia elettrica, che viene autoconsumata nell’impianto stesso.
- Sistemi anossici: si definiscono così i sistemi in cui l’accettore finale di elettroni non è né l’ossigeno né la materia organica. In condizioni anossiche l’accettore finale di elettroni sono solitamente nitrati, solfati, idrogeno, ecc. Quando l’accettore finale di elettroni è il nitrato, come risultato del processo metabolico, l’azoto della molecola di nitrato viene trasformato in azoto gassoso. Pertanto, questo metabolismo consente l’eliminazione biologica dell’azoto dall’acqua reflua (denitrificazione).
Vantaggi di ogni sistema secondo criteri
Tenendo conto di tutti questi aspetti, esiste una grande varietà di modalità operative, a seconda delle caratteristiche dell’acqua e del carico organico da trattare. 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 base a questi criteri, quale tipo di processo (aerobico o anaerobico) è più conveniente:
D’altra parte, la biomassa può crescere libera, in sospensione all’interno del biorreattore, oppure aderita a un supporto (biomassa fissa). Nel processo convenzionale cresce in sospensione, come nel caso dei reattori sequenziali (SBR) e nei reattori biologici a membrana (MBR). Nei reattori a biodischi, biofiltri, filtri percolatori o a letto mobile (MBBR) la biomassa cresce aderita alla superficie di un supporto in plastica o sabbia. Questo criterio, se la biomassa cresce in sospensione o fissata a un supporto, comporta una serie di conseguenze pratiche da considerare al momento di scegliere la tecnologia più adatta. Nella tabella seguente sono riassunte:
Pertanto, la selezione del processo biologico 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 del cliente. Condorchem Envitec dispone di una vasta esperienza nella progettazione, fabbricazione, installazione, messa in funzione e gestione di impianti di depurazione biologica, sia aerobici che anaerobici, adattati alle esigenze particolari dei propri clienti.
Esistono configurazioni particolari che uniscono i vantaggi di entrambi i sistemi. È il caso del reattore BioCarb®, un modello esclusivo brevettato da Condorchem Envitech, basato 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 di 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 consente di effettuare in un’unica fase un trattamento biologico e fisico-chimico delle acque reflue.
Per quanto riguarda i sistemi anaerobici, la vasta esperienza di Condorchem Envitech ha portato all’utilizzo di tecnologie come UASB (reattore anaerobico a flusso ascendente e mantello filtrante), RAFAC® (reattore anaerobico a flusso ascendente di contatto) e RAC® (reattore anaerobico di contatto), tutte caratterizzate da elevata efficacia, producendo effluenti cristallini e trasformando la materia organica in biogas e fertilizzante organico stabilizzato.