XJY Trasformare i fanghi di depurazione in biosolidi: un viaggio attraverso il trattamento delle acque reflue e oltre
Introduzione del trattamento dei fanghi XJY
Prima del 1950, la maggior parte delle comunità degli Stati Uniti scaricava le proprie acque reflue, o liquami, in corsi d'acqua e fiumi con scarsi o nessun trattamento. Con l'aumento della popolazione urbana, la capacità naturale di corsi d'acqua e 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 sistemi di trattamento delle acque reflue durante gli anni '50 e '60. Ciò ha portato a un notevole miglioramento della qualità dell'acqua di corsi d'acqua e fiumi, ma ha creato un altro materiale da trattare: i fanghi di depurazione. Circa il 99% del flusso di acque reflue che entra in un impianto di trattamento viene scaricato come acqua rigenerata. Il resto è una sospensione diluita di solidi che è stata catturata dal processo di trattamento. Questi solidi derivanti dal trattamento delle acque reflue sono comunemente chiamati fanghi di depurazione.
"Fanghi di depurazione" o "biosolidi": cosa significa 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 sottoposti a un trattamento sufficiente per la stabilizzazione e la riduzione degli agenti patogeni e di qualità sufficientemente 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 contenenti grandi quantità di inquinanti ambientali. Il termine "biosolidi" aiuta 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 discutibile per il grande pubblico. Sebbene "biosolidi" non evochi indubbiamente le stesse immagini negative di "fanghi di depurazione" o semplicemente "fanghi", è un termine legittimo e funzionale se utilizzato correttamente per fare la distinzione sopra descritta. Nel presente documento, il termine "fanghi di depurazione" verrà utilizzato per indicare in generale i solidi provenienti dal trattamento delle acque reflue, mentre il termine "biosolidi" verrà utilizzato per indicare specificamente il materiale idoneo all'applicazione sul terreno.
immagine 6 fanghi di depurazione
Produzione di fanghi di depurazione municipali XJY
Le acque reflue urbane, o acque reflue, si riferiscono all'acqua utilizzata nelle abitazioni o nelle aziende delle aree urbane e suburbane per lavarsi, lavarsi e usare lo sciacquone dei servizi igienici. Le acque reflue urbane possono anche includere l'acqua proveniente da fonti industriali. Per rimuovere sostanze chimiche o inquinanti derivanti dai processi industriali, le aziende che contribuiscono ai sistemi di acque reflue urbane 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 delle acque reflue (a volte chiamato Impianto di Trattamento di Proprietà Pubblica, o POTW). Presso il POTW, le acque reflue passano attraverso una serie di fasi di trattamento che utilizzano processi fisici, biologici e chimici per rimuovere nutrienti e solidi, decomporre i materiali organici e distruggere i patogeni (organismi che causano malattie) presenti nell'acqua. L'acqua rigenerata viene rilasciata in corsi d'acqua e fiumi, oppure può essere spruzzata su ampie aree di terreno.
immagine 7 Fanghi di depurazione municipali
Il trattamento preliminare delle acque reflue grezze prevede una 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, pietrisco, ceneri) si depositano rapidamente fuori dall'acqua. Le sabbie e le griglie rimosse in questa fase di trattamento vengono generalmente smaltite 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 aspirato dal fondo e costituisce il fango primario. Nella maggior parte dei POTW, 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 naturali vengono utilizzati per degradare (decomporre 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 massa 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 trattamento includono anche fasi di trattamento terziario progettate per ridurre ulteriormente i nutrienti delle piante (azoto e fosforo), i solidi sospesi o la domanda biologica di ossigeno nelle acque reflue. Il fosforo precipitato chimicamente e la filtrazione producono un fango terziario.
Infine, l'acqua viene sottoposta a un trattamento di disinfezione per distruggere i microrganismi patogeni. L'acqua rigenerata viene poi rilasciata in un corso d'acqua o in un fiume, oppure può essere spruzzata su ampie aree di terreno.
Metodi di trattamento XJY per i fanghi di depurazione municipali
I fanghi primari, secondari e terziari vengono normalmente combinati e la miscela risultante, che contiene dall'1 al 4% di solidi, è chiamata fanghi di depurazione "grezzi". A causa del loro contenuto di agenti patogeni e della loro natura instabile e decomponibile, i fanghi di depurazione grezzi rappresentano un potenziale pericolo per la salute e l'ambiente; tuttavia, diversi processi di trattamento vengono attualmente utilizzati per stabilizzare i fanghi 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 nei fanghi di depurazione sono elencati e brevemente descritti nella Tabella 1.
| Metodo di trattamento | Descrizione | Effetti sui fanghi |
| Addensamento | I solidi dei fanghi vengono concentrati per sedimentazione dovuta alla gravità oppure mediante l'introduzione di aria, che fa sì che i solidi dei fanghi galleggino. | I fanghi mantengono le proprietà di un liquido, ma il contenuto di solidi aumenta al 5-6% |
| Disidratazione | Disidratazione
|
|
| digestione anaerobica | Uno dei metodi più utilizzati per il trattamento dei fanghi. I fanghi vengono conservati in assenza di aria per 15-60 giorni a temperature comprese tra 20 e 50 °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. |
|
| Digestione aerobica | I fanghi vengono agitati con aria o ossigeno per 40-60 giorni a temperature comprese tra 15 e 20 °C. I batteri aerobici si nutrono dei fanghi, producendo anidride carbonica. |
|
| Stabilizzazione alcalina | Viene aggiunta al fango una quantità sufficiente di materiale alcalino, solitamente calce (CaO), per aumentarne il pH ad almeno 12 per 2 ore. Il pH deve rimanere superiore a 11,5 per altre 22 ore. |
|
| Compostaggio | I fanghi vengono disidratati per aumentare il contenuto di solidi 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 59 °C per diversi giorni durante il processo di compostaggio. |
|
Cosa c'è nei fanghi di depurazione?
I fanghi di depurazione sono composti da materiali sia inorganici che organici, da elevate concentrazioni di alcuni nutrienti per le piante, da concentrazioni molto più ridotte di numerosi oligoelementi¹ e sostanze chimiche organiche e da 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 per le piante e di alcuni degli oligoelementi presenti nei fanghi di depurazione. Questi dati provengono da un'ampia indagine sui fanghi di depurazione prodotti in Pennsylvania nel 1996 e nel 1997.
Opzioni per la gestione dei fanghi di depurazione
I fanghi di depurazione possono essere considerati una risorsa organica e nutritiva da utilizzare in modo proficuo o un materiale di scarto da smaltire. Prima del 1991, grandi quantità di fanghi di depurazione, compresi alcuni provenienti dalla Pennsylvania, venivano smaltiti tramite 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 essere classificati come biosolidi. Poco meno della metà di questo materiale viene smaltito in discarica o incenerimento, mentre i restanti biosolidi vengono riciclati nel terreno mediante utilizzo in agricoltura, bonifica mineraria, paesaggistica o orticoltura. Ognuna di queste opzioni presenta vantaggi, problemi e rischi economici e ambientali.
Smaltimento in discarica
Dal punto di vista gestionale e di movimentazione dei materiali, lo smaltimento in discarica è forse la soluzione più semplice. Dal punto di vista economico, lo smaltimento in discarica attualmente si confronta favorevolmente con altre opzioni. Tuttavia, la situazione è destinata a cambiare, man mano che lo spazio in discarica diventa più limitato e i costi di smaltimento dei rifiuti aumentano. Dal punto di vista ambientale, lo smaltimento in discarica impedisce il rilascio di inquinanti o agenti patogeni presenti nei fanghi concentrandoli in un unico luogo. Se la discarica è costruita e mantenuta correttamente, i rischi ambientali sono minimi.
Esistono, tuttavia, rischi associati allo smaltimento in discarica dei fanghi di depurazione. I rifiuti organici subiscono una decomposizione anaerobica nelle discariche, producendo gas metano che potrebbe essere rilasciato nell'atmosfera. Il metano è un gas serra implicato nel riscaldamento globale. Altri gas rilasciati dalle discariche possono causare odori sgradevoli. Le grandi quantità di nutrienti che i fanghi di depurazione aggiungono a una discarica rappresentano un rischio per l'ambiente locale. In caso di guasto 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 in discarica dei fanghi di depurazione occupa inoltre spazio prezioso in discarica e perde i potenziali benefici della materia organica e dei nutrienti per le piante presenti nei fanghi.
immagine 8 Smaltimento in discarica
Smaltimento tramite incenerimento
L'incenerimento dei fanghi di depurazione riduce il volume del materiale da smaltire, distrugge completamente i patogeni, decompone la maggior parte delle sostanze chimiche organiche e recupera la piccola quantità di potere calorifico contenuta nei fanghi di depurazione. Le ceneri residue sono un materiale inorganico stabile, relativamente inerte, che contiene solo il 10-20% del volume del fango originale. La maggior parte dei metalli in tracce presenti nei fanghi di depurazione si concentra nelle ceneri (con un aumento della concentrazione da cinque a dieci volte). Questo materiale viene comunemente smaltito in discarica, sebbene possa 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 dell'inceneritore 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 per il conferimento in discarica, i potenziali benefici derivanti dalla materia organica e dai nutrienti per le piante presenti nei fanghi di depurazione vanno persi.
immagine 9 Smaltimento tramite incenerimento