Sezioni
- La problematica dei NO₃⁻ nelle acque di approvvigionamento
- Trattamento delle acque con alto contenuto di nitrati
- Concentrazione dei residui mediante evaporazione a vuoto
- Conclusioni
La problematica dei NO₃⁻ nelle acque di approvvigionamento
L’inquinamento delle acque, sia superficiali che sotterranee, dovuto alle alte concentrazioni di nitrati è un problema diffuso e in crescita. Questo inquinamento è causato principalmente da un uso massiccio di fertilizzanti azotati e da una gestione inefficiente dei liquami nelle aziende zootecniche.
Il consumo di acqua con alte concentrazioni di nitrati comporta un rischio per la salute, specialmente per bambini e anziani, provocando una malattia caratterizzata dall’inibizione del trasporto di ossigeno nel sangue (metaemoglobinemia). Inoltre, i nitrati possono formare composti potenzialmente cancerogeni.
Per quanto riguarda l’ambiente, si riscontra l’eutrofizzazione delle acque superficiali, cioè l’aumento di nutrienti nell’acqua (azoto e fosforo) che causa la rapida crescita del fitoplancton e di altre specie di flora acquatica nelle acque. L’eutrofizzazione può anche favorire la proliferazione di specie invasive e aumentare significativamente la vegetazione.
Questa crescita può essere invasiva, dando luogo alla proliferazione di fioriture che possono impattare negativamente sulla qualità dell’acqua tramite lo sviluppo di batteri cianotossici.
La materia in sospensione aumenta e impedisce alla luce di penetrare negli strati profondi, riducendo l’ossigeno disciolto. Si producono cattivi odori per l’emissione di metano e solfuro di idrogeno. Aumenta anche il volume di fanghi organici, e l’anossia può causare la morte di molti pesci.
Esistono legislazioni e limiti relativi alla concentrazione di nitrati, sia nelle acque potabili che in quelle per irrigazione.
Per quanto riguarda l’acqua potabile, la legislazione europea (Direttiva 91/676/CEE) stabilisce che la concentrazione massima di nitrati consentita nell’acqua per consumo umano è di 50 mg/l. Tuttavia, si intende stabilire un limite inferiore, che si aggirerebbe intorno a 10 mg/l per una maggiore sicurezza per la salute.
Per quanto riguarda le acque destinate all’irrigazione, esistono delle linee guida per evitare l’inquinamento delle acque dovuto all’apporto di fertilizzanti ricchi di azoto e fosforo. Nella tabella allegata sono indicati i limiti analitici orientativi per le acque di irrigazione:
I principali parametri da considerare nella valutazione della qualità dell’acqua per irrigazione includono:
- pH, che indica l’acidità o alcalinità dell’acqua.
- Conduttività elettrica, che misura la quantità totale di sali disciolti nell’acqua.
- Livelli di nitrati e fosfati, poiché livelli elevati possono causare eutrofizzazione.
- Durezza dell’acqua, determinata dalla concentrazione di calcio e magnesio.
- Contenuto di sodio, poiché un alto contenuto può essere dannoso per alcune piante.
- Presenza di contaminanti chimici e biologici come metalli pesanti, pesticidi e patogeni.
Trattamento delle acque con alto contenuto di nitrati
Il nitrato è un anione stabile e altamente solubile in acqua. Esistono metodi fisico-chimici che permettono un’eliminazione efficace dei nitrati nelle acque contaminate.
Scambio ionico
Tra le tecnologie disponibili, spicca il trattamento mediante scambio ionico (IX), che utilizza colonne con resine anioniche progettate per scambiare gli ioni nitrato (NO₃⁻) con anioni come cloruro (Cl⁻) o bicarbonato (HCO₃⁻) presenti nella resina. Una volta saturata, la resina viene rigenerata mediante una soluzione concentrata di cloruro di sodio o bicarbonato di sodio, generando un effluente altamente concentrato in sali.
Gli impianti di scambio ionico hanno dimensioni compatte, producono acqua di alta qualità e presentano un costo operativo relativamente contenuto. Come controparte, richiedono un elevato consumo di rigeneranti e generano un effluente di rigenerazione che contiene sia i nitrati spostati sia l’eccesso di reagente rigenerante.
La capacità di scambio di queste resine è relativamente bassa (circa 0,5 meq/L), quindi, all’aumentare della concentrazione di nitrati, sono necessarie colonne di dimensioni maggiori o cicli di rigenerazione più frequenti.
Per queste ragioni, lo scambio ionico è considerato particolarmente adatto come processo di rifinitura per l’eliminazione residua di nitrati dopo trattamenti principali, come la separazione mediante membrane di osmosi inversa.
Osmosi inversa
L’osmosi inversa (OI) è una tecnologia molto efficiente per eliminare i nitrati dall’acqua. Questa tecnologia applica pressione all’acqua contaminata per forzarla a attraversare una membrana semipermeabile che trattiene la maggior parte dei soluti disciolti, inclusi i nitrati. Questa tecnologia presenta i seguenti vantaggi:
- Alta percentuale di eliminazione dei nitrati (>90%).
- Non richiede l’aggiunta di prodotti chimici (eccetto quelli applicati nel pretrattamento, se necessario).
- Produce acqua di alta qualità.
Tra gli svantaggi vi sono il costo energetico derivante dal pompaggio dell’acqua introdotta nelle membrane e la sua sensibilità all’intasamento, che obbliga a effettuare un pretrattamento per evitare l’intasamento prematuro delle membrane.
In questo contesto, abbiamo preso come esempio un’analisi di un’acqua di pozzo con elevato carico di nitrati e bassa torbidità. L’acqua trattata con osmosi inversa potrà essere destinata all’irrigazione o all’approvvigionamento di acqua potabile, se integrata con un post-trattamento adeguato.
| Tabella qualità acque grezze e trattate con osmosi inversa | ||||
|---|---|---|---|---|
| Parametro | Unità | Acqua di pozzo | Acqua per irrigazione – Valori limite raccomandati | Acqua osmotizzata |
| Ca⁺⁺ | mg/l | 159 | 400 | 0,15 |
| Mg⁺⁺ | mg/l | 75 | 60 | 0,1 |
| Na⁺ | mg/l | 350 | 900 | 20 |
| K⁺ | mg/l | 10 | 0,6 | |
| HCO₃- | mg/l | 300 | 600 | 10 |
| SO₄⁻² | mg/l | 250 | 1000 | 1,5 |
| Cl- | mg/l | 650 | 1100 | 15 |
| NO₃- | mg/l | 120 | 30 | 15 |
| TDS | mg/l | 1924 | 2000 | 62 |
| Conduttività | μS/cm | 2750 | 3000 | 90 |
| pH | – | 7 | 6,5 – 8,5 | 5,6 |
| Torbidità | NTU | ≤ 10 | ≤0,1 | |
| SS | mg/l | 20 | ≤0,1 | |
| MO | mg/l | ≤10 | ≤1 | |
| Oli e grassi | mg/l | ≤2 | ≤0,1 | |
Esistono altri trattamenti altamente promettenti per l’eliminazione dei nitrati in cui non si generano correnti residue come nei trattamenti fisico-chimici, tra cui la denitrificazione biologica e la denitrificazione catalitica, attualmente in fase di sviluppo.
Concentrazione dei residui mediante evaporazione a vuoto
L’osmosi inversa è una buona soluzione per trattare le acque con elevate concentrazioni di nitrati, ma produce un concentrato di contaminanti noto come rifiuto di OI, che deve essere gestito adeguatamente a causa della sua elevata concentrazione di contaminanti.
Una soluzione efficace per trattare la salamoia risultante dall’osmosi inversa è la evaporazione al vuoto, una tecnologia termica che consente di concentrare i residui liquidi fino a ridurli a un volume minimo. Il processo consiste in:
- Ridurre la pressione del sistema per abbassare il punto di ebollizione dell’acqua (solitamente al di sotto dei 50 °C).
- Applicare calore per evaporare l’acqua, che poi si condensa come distillato.
- Concentrare i residui in una frazione liquida più piccola o addirittura solida, che può essere gestita come rifiuto industriale controllato.
Questo sistema consente di recuperare fino al 95% dell’acqua presente nel rifiuto dell’osmosi inversa e di ridurre significativamente il volume dei residui.
L’evaporazione al vuoto permette il trattamento di miscele complesse, cosa non realizzabile con tecniche convenzionali, ottenendo acqua di qualità e un residuo molto concentrato che può essere gestito facilmente.
La gamma di evaporatori al vuoto di Condorchem Envitech include i principali tipi di questi impianti:
- Evaporatori al vuoto a bassa temperatura con pompa di calore
- Evaporatori al vuoto ad alta temperatura con compressione meccanica del vapore
- Evaporatori al vuoto a multiplo effetto
- Cristallizzatori
I cristallizzatori sono solitamente applicati come fase finale del trattamento per asciugare completamente il residuo di salamoia.
In alcuni casi, la soluzione più efficiente è la combinazione di entrambe le tecnologie, specialmente quando le tecnologie di filtrazione mediante membrane non sono sufficienti per ottenere i risultati desiderati e si rende necessario ampliare il trattamento mediante evaporazione e/o cristallizzazione.
Vantaggi del Processo Combinato
L’integrazione di osmosi inversa con evaporazione al vuoto offre una soluzione robusta e sostenibile per il trattamento delle acque con elevata concentrazione di nitrati. Questi sono i principali vantaggi:
- Produzione di acqua potabile sicura.
- Minimizzazione del volume dei residui.
- Possibilità di riutilizzo dell’acqua trattata per altri scopi (irrigazione, industria, ecc.).
- Conformità alla normativa sugli scarichi e riduzione dell’impatto ambientale.
Gli evaporatori al vuoto a circolazione forzata sono abitualmente impiegati per concentrare i rifiuti salini con alto contenuto di nitrati provenienti da un sistema di osmosi inversa.
Se l’obiettivo è ottimizzare il consumo energetico, si possono utilizzare i seguenti tipi di evaporatori:
- Evaporatore a multiplo effetto, che sfrutta il vapore del primo effetto per riscaldare i successivi, riducendo il consumo di energia.
- Evaporatori a compressione meccanica del vapore (MVC), che riutilizzano il vapore compresso come fonte di calore e sono ideali per trattare volumi medi con grande efficienza energetica.
Il concentrato dell’evaporatore (chiamato anche residuo concentrato o salamoia residua) contiene i nitrati e altri sali che non sono stati eliminati nelle fasi precedenti. La destinazione finale di questo residuo dipende da vari fattori:
- Volume del residuo.
- Normativa locale.
- Tipo di contaminanti.
- Budget disponibile.
Le opzioni più comuni sono:
- Conservare il concentrato in vasche o contenitori e consegnarlo a un gestore autorizzato di rifiuti pericolosi o speciali, nel caso in cui si superino certi livelli di tossicità (ad esempio, alti livelli di nitrati o metalli pesanti). È un’opzione sicura e regolamentata, anche se ha un costo elevato per tonnellata, per cui è prioritario aumentare il più possibile la concentrazione del fango.
- Se l’evaporatore è seguito da una fase di cristallizzazione, è possibile recuperare i sali in forma solida. Questi sali, se inerti o valorizzabili, potrebbero essere destinati a usi secondari (come fertilizzanti) o inviati a discarica controllata.
Conclusione
In conclusione, i nitrati sono sali altamente solubili e difficili da separare dall’acqua, sia nelle fonti naturali che nelle acque reflue. Nel caso dell’acqua destinata al consumo umano, la loro riduzione a livelli ammissibili è fondamentale per proteggere la salute, dato gli effetti nocivi dimostrati. Inoltre, garantire la qualità dell’acqua utilizzata per l’irrigazione è essenziale, poiché influisce direttamente sulla salute delle piante, sulla resa delle colture e, di conseguenza, sull’economia agricola.
Per quanto riguarda gli scarichi, è imprescindibile rispettare la normativa sui limiti massimi di nitrati, al fine di evitare fenomeni di eutrofizzazione. Questi possono portare a processi di sovrappopolazione biologica e fioriture massive, con conseguenze negative per l’equilibrio dell’ecosistema acquatico.
Le soluzioni più utilizzate attualmente includono la filtrazione mediante membrane di osmosi inversa, integrata, se necessario, con resine di scambio ionico specifiche per eliminare i nitrati residui.
I residui generati in questi processi presentano un’elevata concentrazione di contaminanti, inclusi i nitrati stessi, per cui richiedono un trattamento adeguato prima dello smaltimento in discariche autorizzate. In questo senso, l’evaporazione al vuoto e/o la cristallizzazione si posizionano come tecnologie efficaci per minimizzare il volume di questi residui.
Infine, è opportuno ricordare che il miglior trattamento è sempre la prevenzione. L’applicazione responsabile di fertilizzanti nei terreni agricoli e il corretto controllo delle acque reflue urbane e industriali sono fondamentali per evitare l’inquinamento da nitrati fin dall’origine.
Bibliografia e consultazioni:
Hydranautics – A Nitto Group Company, IMSDesign
Tabella di Qualità dell’Acqua per Irrigazione: Guida Essenziale per Ottimizzare la Salute delle tue Colture | Instituto del Agua
Dissalazione dell’acqua mediante sistemi di evaporazione al vuoto | Condorchem Enviro Solutions
Qualità dell’Acqua per Irrigazione: Guida Completa per Garantire una Coltivazione Sana e Sostenibile | Instituto del Agua
Trattamenti attuali per l’eliminazione dei nitrati – El Agua