XJY Trasformare i fanghi di depurazione in biosolidi: un viaggio attraverso il trattamento delle acque reflue e oltre
Introduzione dell'XJY Trattamento dei fanghi
Prima del 1950, la maggior parte delle comunità negli Stati Uniti scaricava le proprie acque reflue, o liquami, nei torrenti e nei fiumi con un trattamento minimo o nullo. Con l'aumento della popolazione urbana, la capacità naturale dei torrenti e dei fiumi di gestire le acque reflue è stata sopraffatta, causando un deterioramento della qualità dell'acqua in molte regioni. In risposta alle preoccupazioni relative al degrado della qualità dell'acqua, migliaia di comunità in tutti gli Stati Uniti hanno costruito impianti di depurazione.Trattamento delle acque sistemi durante gli anni '50 e '60. Ciò ha portato a un notevole miglioramento della qualità delle acque di torrenti e fiumi, ma ha creato un altro materiale da gestire: i fanghi di depurazione. Circa il 99% del flusso di acque reflue che entra in un impianto di trattamento viene scaricato come acqua rigenerata. La parte restante è una sospensione diluita di solidi che sono stati catturati dal processo di trattamento. Questi solidi derivanti dal trattamento delle acque reflue sono comunemente chiamati fanghi di depurazione.
immagine 1 acque reflue
"Fanghi di depurazione" o "biosolidi": cosa c'è in un nome?
Il termine "biosolidi" è stato recentemente introdotto dall'industria del trattamento delle acque reflue. L'industria definisce i biosolidi come fanghi di depurazione che hanno subito un trattamento sufficiente per la stabilizzazione e la riduzione degli agenti patogeni, e che sono di qualità abbastanza elevata da poter essere applicati al terreno. Il termine intende distinguere i fanghi di depurazione trattati di alta qualità dai fanghi di depurazione grezzi e dai fanghi di depurazione che contengono grandi quantità di inquinanti ambientali. Il termine "biosolidi" contribuisce anche a distinguere i fanghi di depurazione dai fanghi industriali, sottolineando che i primi sono prodotti da un processo biologico. Il termine è stato criticato da alcuni come un tentativo di mascherare la vera natura dei fanghi di depurazione, rendendo così l'applicazione al terreno di questo materiale meno sgradita al pubblico. Sebbene "biosolidi" non evochi indubbiamente le stesse immagini negative di "fanghi di depurazione" o semplicemente "fanghi", è un termine legittimo e funzionale se usato correttamente per fare la distinzione sopra descritta. In questo documento, con il termine "fanghi di depurazione" ci si riferirà in generale ai solidi derivanti dal trattamento delle acque reflue, mentre con il termine "biosolidi" ci si riferirà specificamente al materiale idoneo all'applicazione sul terreno.
immagine 2 Linea di fanghi di depurazione
Produzione di Fanghi di depurazione municipali XJY
Le acque reflue urbane, o fognature, si riferiscono all'acqua utilizzata nelle case e nelle attività commerciali di aree urbane e suburbane per lavarsi, fare il bagno e scaricare i servizi igienici. Le acque reflue urbane possono includere anche acque provenienti da fonti industriali. Per rimuovere sostanze chimiche o inquinanti derivanti dai processi industriali, le industrie che contribuiscono al sistema fognario urbano devono pretrattare le proprie acque reflue prima di scaricarle nella rete fognaria. Le acque reflue vengono convogliate attraverso la rete fognaria sanitaria a un impianto di trattamento centralizzato (a volte chiamato impianto di trattamento pubblico, o POTW). Presso il POTW, le acque reflue attraversano una serie di fasi di trattamento che utilizzano processi fisici, biologici e chimici per rimuovere nutrienti e solidi, decomporre la materia organica e distruggere gli agenti patogeni (organismi che causano malattie) presenti nell'acqua. L'acqua depurata viene rilasciata in corsi d'acqua e fiumi, oppure può essere irrorata su vaste aree di terreno.
Immagine 3 Trattamento dei fanghi di depurazione municipali
Il trattamento preliminare delle acque reflue grezze prevede una fase di vagliatura per rimuovere oggetti di grandi dimensioni come bastoni, bottiglie, carta e stracci, e una fase di rimozione delle sabbie durante la quale i solidi inorganici (sabbia, ghiaia, cenere) si depositano rapidamente sul fondo. I materiali vagliati e le sabbie rimossi in questa fase del trattamento vengono generalmente smaltiti in discarica e non entrano a far parte dei fanghi di depurazione.
Il trattamento primario prevede processi di sedimentazione per gravità e flottazione che rimuovono circa la metà del materiale solido che entra in questa fase. Il materiale solido (sia organico che inorganico) che si deposita durante questa fase di trattamento viene prelevato dal fondo e costituisce il fango primario. Nella maggior parte degli impianti di trattamento delle acque reflue urbane, il materiale galleggiante (olio, grasso, legno e materia vegetale) che viene rimosso dalla superficie dell'acqua durante il trattamento primario viene smaltito separatamente e non entra a far parte del fango primario.
Il trattamento secondario è un processo biologico attentamente controllato e accelerato in cui microrganismi presenti in natura vengono utilizzati per degradare (scomporre o digerire) il materiale organico sospeso e disciolto nelle acque reflue. Questo materiale viene convertito in anidride carbonica che viene rilasciata nell'atmosfera e in biomassa cellulare microbica.
Nei bacini di sedimentazione secondaria, la massa cellulare microbica si deposita sul fondo e viene rimossa. Questo materiale, prevalentemente organico, è chiamato fango secondario.
Alcuni impianti di depurazione includono anche fasi di trattamento terziario progettate per ridurre ulteriormente i nutrienti vegetali (azoto e fosforo), i solidi sospesi o la domanda biologica di ossigeno nelle acque reflue. La precipitazione chimica del fosforo e la filtrazione producono un fango terziario.
Infine, l'acqua viene sottoposta a un trattamento di disinfezione per distruggere i microrganismi patogeni. L'acqua così trattata viene poi rilasciata in un ruscello o in un fiume, oppure può essere irrorata su vaste aree di terreno.
Metodi di trattamento XJY per fanghi di depurazione urbani
I fanghi primari, secondari e terziari vengono normalmente combinati e la miscela risultante, che contiene dall'1 al 4% di solidi, è chiamata fango di depurazione "grezzo". A causa del suo contenuto di agenti patogeni e della sua natura instabile e decomponibile, il fango di depurazione grezzo rappresenta un potenziale rischio per la salute e l'ambiente; tuttavia, oggigiorno vengono utilizzati diversi processi di trattamento per stabilizzare il fango di depurazione, ridurne il contenuto di agenti patogeni e aumentarne il contenuto di solidi. Alcuni dei processi più comunemente utilizzati per stabilizzare e ridurre i livelli di agenti patogeni nel fango di depurazione sono elencati e brevemente descritti nella Tabella 1.
| Metodo di trattamento | Descrizione | Effetti sui fanghi |
| Ispessimento | I solidi del fango vengono concentrati per sedimentazione dovuta alla gravità oppure mediante l'introduzione di aria, che fa sì che i solidi del fango galleggino. | Il fango conserva le proprietà di un liquido, ma il contenuto di solidi aumenta fino al 5-6%. |
| Disidratazione | Disidratazione
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| Digestione anaerobica | Uno dei metodi più diffusi per il trattamento dei fanghi. I fanghi vengono conservati in assenza di aria per un periodo compreso tra 15 e 60 giorni a temperature tra 20 e 55 °C. I batteri anaerobici si nutrono dei fanghi, producendo metano e anidride carbonica. In alcuni impianti di trattamento, il metano viene raccolto e bruciato per mantenere la temperatura di trattamento. |
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| Digestione aerobica | Il fango viene agitato con aria o ossigeno per 40-60 giorni a temperature comprese tra 15 e 20 °C. I batteri aerobici si nutrono del fango, producendo anidride carbonica. |
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| Stabilizzazione alcalina | Si aggiunge al fango una quantità sufficiente di materiale alcalino, più comunemente calce (CaO), per aumentarne il pH ad almeno 12 per 2 ore. Il pH deve rimanere al di sopra di 11,5 per ulteriori 22 ore. |
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| Compostaggio | I fanghi vengono disidratati per aumentare il contenuto di solidi fino a circa il 20%, quindi miscelati con un materiale organico ad alto contenuto di carbonio come la segatura. La miscela viene compostata in condizioni aerobiche a temperature di almeno 55 °C per diversi giorni durante il processo di compostaggio. |
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Cosa c'è dentro fanghi di depurazione?
I fanghi di depurazione sono composti da materiali sia inorganici che organici, elevate concentrazioni di alcuni nutrienti vegetali, concentrazioni molto inferiori di numerosi oligoelementi¹ e sostanze chimiche organiche, e alcuni agenti patogeni. La composizione dei fanghi di depurazione varia considerevolmente a seconda della composizione delle acque reflue e dei processi di trattamento utilizzati. La Tabella 2 riporta le concentrazioni mediane e al 95° percentile di nutrienti vegetali e di alcuni oligoelementi presenti nei fanghi di depurazione. Questi dati provengono da un'ampia indagine sui fanghi di depurazione prodotti in Pennsylvania tra il 1996 e il 1997.
Opzioni per affrontare fanghi di depurazione
I fanghi di depurazione possono essere considerati sia una risorsa organica e nutritiva da utilizzare in modo vantaggioso, sia un materiale di scarto da smaltire. Prima del 1991, grandi quantità di fanghi di depurazione, provenienti anche dalla Pennsylvania, venivano smaltite mediante scarico in mare. Le preoccupazioni relative all'eccessivo carico di nutrienti nelle acque oceaniche hanno portato al divieto di questa pratica. Attualmente, quasi tutti i fanghi di depurazione prodotti in Pennsylvania sono stati trattati e sono di qualità sufficientemente elevata da poter essere classificati come biosolidi. Poco meno della metà di questo materiale viene smaltito in discarica o incenerito, mentre i restanti biosolidi vengono riciclati nel terreno e utilizzati in agricoltura, nel recupero di aree minerarie, nella cura del paesaggio o nell'orticoltura. Ciascuna di queste opzioni presenta vantaggi, problemi e rischi economici e ambientali.
Smaltimento in discarica
Dal punto di vista della gestione e del trasporto dei materiali, la discarica è forse la soluzione più semplice. Da un punto di vista economico, al momento la discarica risulta più vantaggiosa rispetto ad altre opzioni. Tuttavia, questa situazione cambierà indubbiamente con la progressiva riduzione dello spazio disponibile nelle discariche e l'aumento delle tariffe di smaltimento dei rifiuti. Dal punto di vista ambientale, la discarica impedisce il rilascio di inquinanti o agenti patogeni presenti nei fanghi, concentrandoli in un unico luogo. Se la discarica è costruita e gestita correttamente, i rischi ambientali sono minimi.
Tuttavia, lo smaltimento dei fanghi di depurazione in discarica comporta dei rischi. I rifiuti organici subiscono una decomposizione anaerobica nelle discariche, producendo metano che potrebbe essere rilasciato nell'atmosfera. Il metano è un gas serra responsabile del riscaldamento globale. Altri gas rilasciati dalle discariche possono causare odori sgradevoli. Le grandi quantità di nutrienti che i fanghi di depurazione apportano a una discarica rappresentano un rischio per l'ambiente locale. In caso di cedimento del rivestimento della discarica o del sistema di raccolta del percolato, questi nutrienti potrebbero contaminare le falde acquifere e le acque superficiali locali. Lo smaltimento dei fanghi di depurazione in discarica occupa inoltre spazio prezioso e vanifica i potenziali benefici della materia organica e dei nutrienti per le piante contenuti nei fanghi.
immagine 4 Smaltimento in discarica
Smaltimento tramite incenerimento
L'incenerimento dei fanghi di depurazione riduce il volume del materiale da smaltire, distrugge completamente gli agenti patogeni, decompone la maggior parte delle sostanze chimiche organiche e recupera il poco potere calorifico contenuto nei fanghi. Le ceneri residue sono un materiale inorganico stabile e relativamente inerte, che rappresenta solo il 10-20% del volume dei fanghi originali. La maggior parte dei metalli in tracce presenti nei fanghi si concentra nelle ceneri (con un aumento di concentrazione da cinque a dieci volte). Questo materiale viene solitamente smaltito in discarica, sebbene potrebbe potenzialmente essere utilizzato nei materiali da costruzione.
L'incenerimento rilascia anche anidride carbonica (un altro gas serra) e potenzialmente altri inquinanti volatili (cadmio, mercurio, piombo, diossine) nell'atmosfera. Il funzionamento degli inceneritori richiede sistemi sofisticati per rimuovere il particolato fine (ceneri volanti) e gli inquinanti volatili dai gas di scarico. Questo rende l'incenerimento una delle opzioni più costose per lo smaltimento dei fanghi di depurazione. Come nel caso della discarica, si perdono i potenziali benefici derivanti dalla materia organica e dai nutrienti per le piante presenti nei fanghi di depurazione.
Immagine 5 Smaltimento tramite incenerimento