I processi di base per il trattamento delle acque reflue
L'acqua è un bene prezioso. Per proteggere le nostre acque naturali e per sostenere la produzione di acqua potabile, tutte le acque di scarico vengono innanzitutto ripulite dai contaminanti e dalle sostanze inquinanti prima di essere reintrodotte nel ciclo idrico. Per trattare le acque e raggiungere la qualità idrica naturale migliore possibile, vengono adottati diversi processi. In generale, il trattamento delle acque reflue può essere suddiviso in due tipi. Per prima cosa, le sostanze problematiche vengono rimosse dall'acqua. Ciò avviene con la pulizia, rimozione del ferro, del manganese, la sterilizzazione, la desalinizzazione o l'ammorbidimento. Secondo, le sostanze vengono integrate in modo specifico per migliorare la qualità e influenzare i parametri quali il valore del pH o la conducibilità.
Gli stadi del trattamento delle acque
Hai a disposizione diversi processi per attuare i vari stadi di preparazione del trattamento delle acque:
- Processi fisici per la preparazione meccanica come l'aerazione, la sedimentazione o l'influenza termica. Questo comprende anche l'uso di griglie, filtri e setacci.
- Processi biologici quali il trattamento anaerobico delle acque reflue, l'ossidazione biochimica o la digestione dei fanghi
- Processi chimici quali neutralizzazione, disinfezione, flocculazione e precipitazione
- Processi a membrana quali filtrazione, osmosi e nanofiltrazione
Il maggiore volume di acque di scarico da trattare si trova negli impianti di depurazione urbani, per questa ragione serve una combinazione più diversificata e una procedura più efficace. Le procedure utilizzate variano a seconda del tipo di impianto di depurazione.
I processi di trattamento negli impianti di depurazione si possono suddividere in diversi stadi.
Stadio 1: trattamento meccanico delle acque
Nel primo stadio, le acque di scarico ancora completamente non trattate vengono trattate meccanicamente; in questo modo si rimuove circa il 20-30% dei solidi in esse contenuti. Per raggiungere questo obiettivo, le acque di scarico vengono condotte in un impianto di vagliatura, dove la la griglia a tamburo o a setaccio filtra le impurità grossolane, quali foglie, carta o tessuto. Diverse griglie, da quelle grossolane con una larghezza dei fori di diversi centimetri a quelle fini con una larghezza di pochi millimetri, attraverso i quali l'acqua scorre a velocità diverse, filtra i materiali grossolani passo dopo passo. I detriti recuperati meccanicamente vengono essiccati e smaltiti in un inceneritore.
L'acqua pre-purificata passa poi nel collettore di sabbia. Nella tecnologia per il trattamento delle acque reflue si utilizza la vasca di sedimentazione per rimuovere le particelle grossolane, come sassi, schegge di vetro o sabbia, nonché materiali organici grossolani che la griglia non può separare. Questo avviene a una velocità di flusso relativamente alta di circa 0,3 m/s. Si distingue tra collettore di sabbia lungo non aerato, collettore di sabbia lungo aerato (chiamato anche separatore di sabbia cilindrico) e collettore di sabbia circolare.
Il collettore di sabbia aerato rimuove grassi e oli aggiuntivi dalle acque di scarico e si verifica quanto segue: l'aria di processo introdotta produce un moto rotatorio nell'acqua, che porta in superficie le sostanze più leggere, come oli e grassi, che a questo punto possono essere facilmente rimossi.
Il collettore di sabbia circolare separa le sostanze dalle acque di scarico con la forza centrifuga e le elimina aspirandole. Dopo la pulizia nel collettore di sabbia, i detriti del collettore vengono lavati e liberati dalle sostanze organiche. Questa procedura migliora l'essiccazione del materiale inorganico raccolto che può essere riutilizzato, ad esempio, nella costruzione di strade. Se non è possibile un ulteriore riciclaggio, i detriti del collettore di sabbia devono essere smaltiti in modo adeguato, ossia in discarica o distrutti negli inceneritori.
L'impianto di depurazione primario è la fase successiva del trattamento delle acque reflue. La velocità dell'acqua di scarico è di circa 1,5 cm/s, nettamente più lenta rispetto al collettore di sabbia. La riduzione della velocità di flusso si raggiunge ampliando il bacino. È necessaria una velocità di flusso bassa per consentire alle particelle di sporco più fini di depositarsi sul fondo o sulla superficie dell'acqua, a seconda della loro natura. I fanghi prodotti dalla sedimentazione (deposito sul fondo) sono fanghi primari. Sono generalmente composti da materiale organico. I fanghi primari vengono spinti dal fondo in una tramoggia di fango fresco da un raschiatore. Le sostanze galleggianti vengono trasferite in un condotto galleggiante per fanghi. Una pompa trasporta il fango fresco al digestore anaerobico.
Nel digestore anaerobico viene prodotto il gas metano in quattro fasi (fase di idrolisi, di acidificazione, acetogenica e metanogenica); in un impianto di riscaldamento a blocchi viene convertito in elettricità e può essere utilizzato per fornire energia all'impianto. Il processo di digestione nel digestore anaerobico viene completato dopo circa quattro settimane. Ciò che rimane è un fango inodore che spesso viene usato in agricoltura dopo l'essiccazione per centrifuga o filtro.
Lo stadio di pulizia meccanica termina qui. In media, in questa fase viene rimosso dalle acque di scarico dal 30% al 40% dell'inquinamento. Nel percorso verso l'impianto di depurazione, l'acqua di scarico raggiunge ora lo stadio successivo del trattamento delle acque reflue.
Stadio 2: pulizia biologica
In gran parte degli impianti di depurazione, l'acqua pre-purificata nello stadio di trattamento meccanico raggiunge ora le vasche di ossidazione, che sono spesso progettate come vasche di circolazione. È qui che avviene la pulizia biologica.
L'acqua viene messa in circolazione fornendo ossigeno e con l'aiuto di propulsori. Si creano aeree più o meno ventilate in cui si verificano condizioni ambientali diverse per batteri e microrganismi. Questi microrganismi si nutrono dei contaminanti organici ancora presenti nell'acqua e li convertono in sostanze inorganiche. I batteri formano aggregati di fanghi attivi che galleggiano liberamente nell'acqua. L'apporto di ossigeno stimola la moltiplicazione di batteri promuovendo la formazione di fanghi attivi. Questo processo di trattamento biologico delle acque reflue prende anche il nome di processo a fanghi attivi.
Le acque reflue con i fanghi attivi vengono scaricate nel chiarificatore secondario. Qui la velocità di flusso del flusso delle acque di scarico viene ulteriormente ridotta. Avviene quindi la sedimentazione: i fanghi attivi si depositano sul fondo dell'acqua depurata dove possono essere separati dall'acqua pulita per mezzo di dispositivi di pulizia meccanici sul fondo. Parte di essi vengono trasferiti al digestore anaerobico come biomassa aggiuntiva. Un'altra parte dei fanghi, nota anche come "fanghi di ritorno", torna alla vasca di ossidazione per garantire che vi siano microrganismi sufficienti nella vasca per abbattere lo sporco. Dopo il trattamento biologico, circa il 90% delle acque reflue viene ripulito da sostanze biodegradabili. Poiché l'ossigeno viene fornito dai compressori, lo stadio di pulizia biologica è la fase più energetica dell'intero processo di pulizia. Quando l'acqua ha raggiunto la qualità prescritta per legge, può rientrare nel ciclo idrico, ad esempio, in un fiume.
In molti altri casi, la pulizia biologica non è sufficiente. In questi casi, sono necessari ulteriori processi di trattamento delle acque reflue, ad esempio la preparazione sotto forma di trattamento chimico. In questo caso vengono utilizzati anche additivi chimici.
Stadio 3: trattamento chimico delle acque reflue
In questa fase di trattamento delle acque di scarico vengono utilizzati processi chimici per il trattamento delle acque reflue. A tale scopo, vengono utilizzati composti chimici per raggiungere i valori idrici standard prescritti per legge. Il trattamento chimico negli impianti di depurazione comprende neutralizzazione, disinfezione, precipitazione dei fosfati, eliminazione dell'azoto, sbrinamento e rimozione del manganese.
La neutralizzazione viene utilizzata per produrre il valore di pH prescritto, che si raggiunge aggiungendo un acido, ad esempio acido cloridirco, o una base, ad esempio idrossido di calcio.
Durante la disinfezione, i patogeni vengono uccisi aggiungendo cloro o diossido di cloro. L'irradiazione delle acque reflue con luce UV è una buona alternativa all'aggiunta di sostanze chimiche, ma è poco utilizzata. Eliminazione dei fosfati: le nostre acque reflue sono spesso inquinate da fosfati provenienti da detergenti, fertilizzanti, additivi alimentari e feci. Se questi rimangono nelle acque di scarico, portano alla sovra-fertilizzazione dei corpi idrici e all'arricchimento dei nutrienti, il che può tradursi in una crescita inutile delle piante (eutrofizzazione) dannosa per l'ecosistema.
Phosphates are removed with a chemical precipitation or flocculation process. The phosphate precipitation is partly triggered by the addition of aluminium or iron salts in the sand collector or in the secondary wastewater treatment tank. The metal-phosphate flocks that are formed during this secondary clarification are then taken out of the wastewater together with the activated sludge. Depending on the mode of operation, the phosphate can also be "fished" with the help of microorganisms from the wastewater. In this case we speak of a biological phosphorus elimination, which is, however, still rarely used.
La depurazione chimica dell'acqua comprende anche l'eliminazione dell'azoto: viene utilizzata per rimuovere i composti azotati che sono dannosi per l'acqua, come l'ammoniaca e l'ammonio. I composti azotati rimuovono l'ossigeno vitale dall'acqua e possono persino uccidere i pesci quando vengono scaricati nei corpi idrici.
L'azoto viene eliminato per nitrificazione e denitrificazione: durante la nitrificazione, l'ammonio viene convertito in nitrito con l'aggiunta di batteri anaerobi e ossigeno, e successivamente in nitrato nella seconda fase. Anche la successiva denitrificazione è innescata dall'aggiunta di microrganismi anaerobi. Questi decompongono il nitrato in azoto gassoso attraverso attività enzimatiche, che viene poi restituito all'atmosfera.
Deferrizzazione: per ridurre il contenuto ferroso nelle acque di scarico al valore prescritto dalla legge, i cationi di ferro (II) vengono ossidati con l'ossigeno. Per avviare il processo di ossidazione, occorre aggiungere anche la soda caustica all'acqua di scarico.
Rimozione del manganese: generalmente il manganese è presente nelle acque di scarico come carbonato di manganese. L'aggiunta di ossigeno forma composti di manganese IV scarsamente solubili, che possono essere facilmente rimossi dall'acqua.
Stadio 4: Processi a membrana / Nanofiltrazione
Nel quarto e ultimo stadio della pulizia vengono utilizzati i processi a membrana e a filtrazione. In questo stadio, la purificazione è associata ai processi chimici di precipitazione e flocculazione. In questo modo si crea, ad esempio, il metodo di filtrazione a flocculazione. I precipitanti e i flocculanti vengono aggiunti alle acque di scarico, il che determina la flocculazione delle sostanze che verranno separate. Le acque di scarico con il materiale flocculato vengono fatte passare attraverso un panno o un filtro a sabbia,
e penetrano lentamente attraverso lo strato del filtro. In questa fase vengono rimossi anche i solidi organici sospesi più piccoli.
La nanofiltrazione ha un funzionamento molto simile. Contrariamente alla filtrazione normale, tuttavia, l'acqua viene fatta passare sotto pressione attraverso una membrana che trattiene anche le particelle dissolte più piccole, come molecole o ioni di metalli pesanti. Lo stesso si verifica con l'osmosi inversa, in cui vengono utilizzate pressioni di esercizio ancora maggiori e membrane più fini.
Gli inquinanti trattenuti durante la filtrazione, la nanofiltrazione e l'osmosi inversa vengono filtrati nel trattamento dei fanghi sotto forma di fanghi di filtrazione attraverso la vasca dell'impianto di depurazione primario.
A questo punto l'acqua raggiunge l'ultima area dell'impianto di depurazione: la vasca di stoccaggio dell'acqua trattata. Qui vengono di nuovo prelevati campioni di acqua per controllarne la qualità. L'acqua purificata viene reintrodotta nel ciclo idrico solo quando sono soddisfatti i parametri prescritti dalla legge.
