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Acque reflue: il trattamento ossidativo biologico

Vediamo come funziona il trattamento ossidativo biologico, la seconda tra le fasi funzionali di un ciclo di depurazione

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Il trattamento ossidativo biologico rappresenta la fase più importante del ciclo depurativo delle acque reflue urbane ed industriali.

Con questo trattamento, il processo di rimozione della sostanza organica (biodegradabile) avviene a carico di batteri che possono essere di tipo autotrofo o eterotrofo (a seconda se utilizzano come fonte di nutrimento il carbonio di tipo inorganico o organico) che, a loro volta, possono essere distinti in batteri aerobici (che vivono in presenza di ossigeno) e anaerobici (che vivono in assenza di ossigeno ma, ad esempio, in presenza di composti organici, ferro trivalente, solfati e anidride carbonica). I substrati biologici (carbonio, azoto e fosforo, ecc…) vengono degradati dal metabolismo batterico attraverso una serie di reazioni biochimiche che portano alla formazione di anidride carbonica e acqua.

Questo trattamento opera nello stesso modo in cui agiscono i processi naturali di autodepurazione delle acque, solo che i trattamenti di depurazione agiscono in un ambiente molto più concentrato in modo che le reazioni depurative operate dai batteri avvengano ad una velocità notevolmente maggiore. Infatti, lo svolgimento delle funzioni di nutrimento per la crescita e la moltiplicazione dei batteri comporta un consumo di energia ed i processi depurativi per via biologica sfruttano proprio la necessità dei batteri di utilizzare sostanze organiche nutritive ed energetiche per soddisfare le loro esigenze.

Queste trasformazioni possono avvenire sia in ambiente aerobico che in ambiente anaerobico.

Nel primo caso gli organismi eterotrofi trattengono dal carbonio contenuto nella sostanza organica la loro energia, formando anidride carbonica con l’ossigeno presente, e lo usano come materia prima per la sintesi cellulare; nel secondo caso, invece, in assenza di ossigeno, i microrganismi autotrofi trattengono energia direttamente dalla demolizione dei composti inorganici come nitrati e solfati, o direttamente dal sole.

Nei trattamenti biologici vengono stimolati i processi aerobici incrementando la quantità di ossigeno disciolto nell’acqua in modo da mantenere le condizioni favorevoli a mantenere in vita i microrganismi eterotrofi aerobici e a ottenere anche la migliore attività degli stessi. Questi processi danno luogo a creazione di bioflocculi (formazione di fiocchi di fango, detto fango attivo) che rimangono attaccati alle superfici di trattamento (sistema a filtri percolatori) o rimangono dispersi nel liquido da trattare (sistema a fanghi attivati).

Questi fiocchi hanno il duplice impiego di aggregare le particelle colloidali fini presenti e di adsorbire sulla loro superficie altre sostanze disciolte. Per mantenere questa massa biologica sempre attiva ed utilizzabile è molto importante che il livello di ossigeno non scenda mai sotto ad un certo livello che altrimenti comprometterebbe l’esatto funzionamento del sistema di depurazione.

Ma occorre sottolineare che nella fase di aerazione, oltre alla rimozione della parte organica BOD carboniosa (da parte dei batteri eterotrofi aerobici) avviene la nitrificazione, operata dai batteri autotrofi aerobici, che traendo l’energia dal composto inorganico come l’ammoniaca (NH4) e utilizzando come fonte di carbonio inorganico l’anidride carbonica, effettuano l’ossidazione biologica delle forme ammoniacali dell’azoto presente nel liquame trasformandole in nitriti (NO2) e nitrati (NO3)

Il ciclo di vita della colonia batterica (fanghi attivi) all’interno di un sistema chiuso segue un andamento caratterizzato da diverse fasi:

  • Fase 1: stazionaria, microorganismi costanti;
  • Fase 2: avviamento, la velocità di reazione tende alla velocità di regime;
  • Fase 3: crescita logaritmica illimitata;
  • Fase 4: crescita limitata dalla disponibilità del cibo (Carico organico)
  • Fase 5: fase endogena o morte dei batteri

Le prime due fasi consistono nell’attivazione degli enzimi (detti anche biocatalizzatori), che servono per l’attacco alle sostanze organiche, da parte dei microrganismi; la terza fase è caratterizzata da un’enorme moltiplicazione di individui, data l’elevata concentrazione di nutrimento. In una quarta fase si assiste prima a un rallentamento e successivamente ad un arresto della crescita della colonia dovuto all’esaurimento del materiale nutritizio. L’ultima fase consiste nell’autodistruzione dei microrganismi che, non avendo più a disposizione nutrimento esterno, consumano il loro stesso protoplasma autodistruggendosi.

Dal punto di vista impiantistico, per l’ossidazione biologica si utilizzano più tecniche, le tradizionali sono:

  • gli impianti a letti percolatori (o a filtri percolatori);
  • gli impianti a fanghi attivati: attualmente sono quelli più utilizzati in virtù della loro alta efficienza (abbattimento del BOD5 >90% ).

I filtri percolatori possono essere realizzati con materiali di forma prestabilita disposti al alveare, come mattoni o fogli di plastica. Le strutture con cui sono formati questi filtri percolatori danno l’opportunità di avere una vasta superficie di contatto per unità di volume. Questa superficie è molto importante in quanto è su di essa che si deposita il film biologico attivo. La distribuzione del refluo da trattare avviene mediante un sistema a bracci rotanti o mediante spruzzatori posti sopra tutta la superficie del letto; il liquido, scorrendo sul film depositato sul fondo del filtro percolante, viene demolito dalle sostanze organiche presenti.

Ad ogni modo, l’impianto a fanghi attivi che è di gran lunga il più usato in quanto più efficace degli impianti a letto percolatore.

L’ossidazione a fanghi attivi (o attivati), nella versione fondamentale, avviene in vasche nelle quali avviene un insufflaggio di ossigeno o di aria mediante aeratori meccanici. L’aria o l’ossigeno vengono dispersi nel liquido da trattare mediante l’utilizzo di turbine sommerse o di diffusori costituiti da supporti porosi come porcellana o particolari tipi di plastica.

Le vasche sono di solito in cemento e di forma rettangolare con gli angoli smussati in modo da evitare che si formino zone di ristagno e di deposizione del fango.

Solitamente si opera in modo che una vasca grande venga suddivisa in varie vasche più piccole per evitare eventuali straripamenti e per rendere più semplice la pulizia e rendendo possibile l’alternanza nelle varie vasche.

Esempio di vasca di sedimentazione

Dopo un certo tempo di permanenza in queste vasche, necessario per la degradazione delle sostanze organiche e per la nitrificazione dello ione ammonio a nitrato, il refluo trattato viene inviato ad un sedimentatore secondario (viene chiamato secondario per differenziarlo sia da quello eventualmente presente a monte della vasca di aerazione e precisamente prima della eventuale vasca di defosfatazione, sia da quello presente nello stadio del pretrattamento meccanico) che separa il fango attivo (contenente i microorganismi attuanti la depurazione biologica) dal refluo chiarificato ovvero l’acqua che ha subito il processo depurativo biologico.

Quindi, l’impianto biologico a fanghi attivi nello schema classico più semplice si compone di due sole fasi: ossidazione e sedimentazione.

Fase ossidativa

Ovviamente, più alto il carico organico, maggiore sarà la richiesta di ossigeno da parte dei batteri aerobi.
Ma la solubilità di O2 nell’acqua è relativamente bassa (a 20 °C, circa 9,1 mg di O2 per litro d’acqua) per cui bisogna costantemente fare in modo che il refluo sia sufficientemente ossigenato. Per assicurare il buon funzionamento del processo, nella vasca di ossidazione si devono mantenere i seguenti parametri: pH quasi neutro compreso tra 6 e 8, una concentrazione di O2 disciolto maggiore di 2 mg/l e temperature comprese tra 25 °C e 32 °C.

L’aerazione del liquame può essere effettuata mediante:

  • aerazione meccanica (rimescolamento continuo della superficie del refluo);
  • insufflazione d’aria o di O2.

Durante questa fase avvengono numerosissime reazioni di biodegradazione della materia organica biodegradabile, dove a partire da composti organici complessi si arriva a composti inorganici semplici: anidride carbonica CO2, acqua H2O, nitriti – NO2 e nitrati – NO3 .

I batteri sono naturalmente selezionati dalle condizioni dell’ambiente in cui si trovano, così che in ambienti ad alta concentrazione di proteine si troveranno generi di Alcaligens, Flavobacterium e Bacillus; in ambienti ricchi di carboidrati saranno presenti Pseudomonas e, a basse concentrazioni di O2 e sostanze organiche, Nitrosomonas e Nitrobacter.

A livello gestionale, bisogna fare in modo che la turbolenza interna del refluo dovuta all’ossigenazione della vasca non sia troppo elevata per evitare la distruzione dei fiocchi di fango e la conseguente morte dei microrganismi che li abitano.

Si tenga presente che poiché nella vasca di ossidazione il liquame è mescolato continuamente (tramite l’agitazione meccanica o tramite insufflazione di aria o di O2) in essa non avviene una decisa sedimentazione di fango che avviene, invece, successivamente nel sedimentatore secondario.

Sedimentazione secondaria

La sedimentazione secondaria permette la separazione dell’acqua depurata dal fango; l’acqua in superficie defluirà all’uscita mentre il fango sedimentato verrà inviato come ricircolo in testa alla ossidazione o come fango di esubero allo smaltimento, previa eventuale digestione.

I fanghi secondari o biologici sono diversi dai fanghi primari i quali vengono separati dal liquame grezzo senza subire alcuna trasformazione da parte dei batteri.

I fanghi secondari sono costituiti da:

  • solidi sospesi sedimentabili (SSS) sfuggiti alla sedimentazione primaria (i decantatori primari non hanno mai un rendimento del 100%);
  • solidi sospesi non sedimentabili (SSNS) e non biodegradabili: cioè quelle sostanze che non vengono attaccate dai batteri ma rimangono comunque incorporate nella biomassa;
  • solidi sospesi non sedimentabili (SSNS) biodegradabili: cioè quelle sostanze colloidali che vengono attaccate dai batteri e da questi trasformate in biomassa;
  • solidi disciolti (SDV) biodegradabili: cioè quelle sostanze disciolte che vengono attaccate dai batteri e da questi trasformate in biomassa.

Il fango biologico sedimentato (linea fanghi) può intraprendere varie strade: può essere pompato nuovamente nella vasca di ossidazione, può essere pompato nella vasca di denitrificazione, può essere pompato nella vasca di defosfatazione, può subire l’ispessimento, la digestione, e altri trattamenti finalizzati allo smaltimento come rifiuto.

Il refluo chiarificato o trattato (linea acque) verrà avviato ad eventuali ulteriori trattamenti come la denitrificazione, la disinfezione, ecc..

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