XJY Trasformare i fanghi di depurazione in biosolidi: un viaggio attraverso il trattamento delle acque reflue e oltre

Introduzione del trattamento fanghi XJY

Prima del 1950, la maggior parte delle comunità degli Stati Uniti scaricava le proprie acque reflue, o liquami, in torrenti e fiumi con poco o nessun trattamento. Con l’aumento della popolazione urbana, la capacità naturale dei corsi d’acqua e dei fiumi di gestire le acque reflue è stata sopraffatta e ha causato il deterioramento della qualità dell’acqua in molte regioni. In risposta alle preoccupazioni sul degrado della qualità dell’acqua, migliaia di comunità in tutti gli Stati Uniti costruirono sistemi di trattamento delle acque reflue negli anni ’50 e ’60. Ciò ha comportato un notevole miglioramento della qualità dell’acqua dei corsi d’acqua e dei 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 ringiovanita. Il resto è una sospensione diluita di solidi catturata dal processo di trattamento. Questi solidi di trattamento delle acque reflue sono comunemente indicati come fanghi di depurazione.

"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 sono stati sottoposti a un trattamento sufficiente per la stabilizzazione e la riduzione degli agenti patogeni e che sono di qualità sufficientemente elevata per essere applicati al terreno. Il termine ha lo scopo di 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” aiuta inoltre a distinguere i fanghi di depurazione dai fanghi industriali sottolineando che i primi sono prodotti mediante un processo biologico. Il termine è stato criticato da alcuni come un tentativo di mascherare la reale natura dei fanghi di depurazione, rendendo così l'applicazione sul 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 usato correttamente per fare la distinzione sopra descritta. In questo documento, il termine "fanghi di depurazione" verrà utilizzato per riferirsi ai solidi del trattamento delle acque reflue in generale, mentre i "biosolidi" verranno utilizzati per riferirsi specificamente al materiale adatto all'applicazione sul terreno.

immagine 6Fanghi di depurazione

Produzione di fanghi di depurazione municipali XJY

Le acque reflue municipali, o liquami, si riferiscono all'acqua che è stata utilizzata nelle case o nelle aziende delle aree urbane e suburbane per lavare, fare il bagno e sciacquare i servizi igienici. Le acque reflue municipali possono includere anche acqua proveniente da fonti industriali. Per rimuovere sostanze chimiche o inquinanti derivanti dai processi industriali, i contributori industriali ai sistemi di acque reflue municipali devono pretrattare le acque reflue prima che vengano scaricate nel sistema fognario. Le acque reflue vengono convogliate attraverso il sistema fognario sanitario a un impianto centralizzato di trattamento delle acque reflue (a volte chiamato opere di trattamento di proprietà pubblica o POTW). Nel POTW, le acque reflue passano attraverso una serie di fasi di trattamento che utilizzano processi fisici, biologici e chimici per rimuovere nutrienti e solidi, scomporre i materiali organici e distruggere gli agenti patogeni (organismi patogeni) nell'acqua. L'acqua ringiovanita viene rilasciata in corsi d'acqua e fiumi o può essere spruzzata su vaste aree di terreno.

figura 7 Fanghi di depurazione municipali

Il trattamento preliminare dei liquami grezzi prevede la vagliatura per rimuovere oggetti di grandi dimensioni come bastoncini, bottiglie, carta e stracci, e una fase di rimozione della sabbia durante la quale i solidi inorganici (sabbia, sabbia, ceneri) si depositano rapidamente fuori dall'acqua. I grigliati e la sabbia rimossi in questa fase del trattamento vengono generalmente smaltiti in discarica e non diventano 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 sedimenta durante questa fase di trattamento viene prelevato dal fondo e costituisce il fango primario. Nella maggior parte dei POTW, il materiale galleggiante (olio, grasso, legno e sostanze vegetali) che viene separato dalla superficie dell'acqua durante il trattamento primario viene smaltito separatamente e non diventa parte dei fanghi primari.

Il trattamento secondario è un processo biologico attentamente controllato e accelerato in cui i microrganismi presenti in natura vengono utilizzati per degradare (abbattere o digerire) il materiale organico sospeso e disciolto nelle acque reflue. Questo materiale viene convertito in anidride carbonica che viene rilasciata nell'atmosfera e nella 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 di ossigeno biologico 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 ringiovanita viene quindi rilasciata in un ruscello o fiume o può essere spruzzata su vaste aree di terreno.

XJY Metodi di trattamento dei 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 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, ora vengono utilizzati diversi processi di trattamento per stabilizzare i fanghi di depurazione, ridurne il contenuto di agenti patogeni e aumentare 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.

Cosa c'è nei fanghi di depurazione?

I fanghi di depurazione sono composti sia da materiali inorganici che organici, grandi concentrazioni di alcuni nutrienti vegetali, concentrazioni molto minori di numerosi oligoelementi¹ e sostanze chimiche organiche e alcuni agenti patogeni. La composizione dei fanghi di depurazione varia notevolmente a seconda della composizione delle acque reflue e dei processi di trattamento utilizzati. La tabella 2 fornisce le concentrazioni mediane e al 95° percentile di nutrienti vegetali e alcuni degli oligoelementi presenti nei fanghi di depurazione. Questi dati provengono da un'indagine approfondita sui fanghi di depurazione prodotti in Pennsylvania nel corso del 1996 e del 1997.

Opzioni per la gestione dei fanghi di depurazione

I fanghi di depurazione possono essere visti come una risorsa organica e nutritiva da utilizzare in modo vantaggioso o come un materiale di scarto da smaltire. Prima del 1991, grandi quantità di fanghi di depurazione, compresi alcuni provenienti dalla Pennsylvania, venivano smaltiti mediante discarica negli oceani. Le preoccupazioni per l’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 tramite discarica o incenerimento, mentre i biosolidi rimanenti vengono riciclati nel suolo mediante l’utilizzo in agricoltura, bonifica mineraria, paesaggistica o orticoltura. Ognuna di queste opzioni comporta vantaggi, problemi e rischi economici e ambientali ad essa associati.

Smaltimento in discarica

Dal punto di vista della gestione e della movimentazione dei materiali, la messa in discarica è forse la soluzione più semplice. Da un punto di vista economico, il conferimento in discarica attualmente regge favorevolmente il confronto con altre opzioni. Tuttavia, ciò cambierà senza dubbio, poiché lo spazio delle discariche diventerà più limitato e le tariffe per il deposito dei rifiuti (costi per lo smaltimento dei rifiuti) aumenteranno. Da un punto di vista ambientale, lo smaltimento in discarica previene il rilascio di agenti inquinanti o patogeni contenuti nei fanghi concentrando i fanghi 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 sostanze nutritive 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 acque sotterranee e superficiali locali. Anche i fanghi di depurazione depositati in discarica occupano spazio prezioso e perdono i potenziali benefici della materia organica e dei nutrienti vegetali presenti nei fanghi.

immagine 8Smaltimento in discarica

Smaltimento per 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 la piccola quantità di potere calorifico contenuto nei fanghi di depurazione. Le ceneri residue sono un materiale inorganico stabile, relativamente inerte, che costituisce solo il 10-20% del volume dei fanghi originali. La maggior parte dei metalli in traccia presenti nei fanghi di depurazione si concentrano nelle ceneri (un aumento della concentrazione da cinque a dieci volte). Questo materiale viene comunemente smaltito in discarica, anche se potenzialmente potrebbe essere utilizzato nei materiali da costruzione.

L'incenerimento rilascia anche anidride carbonica (un altro gas serra) ed eventualmente 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. Ciò rende l’incenerimento una delle opzioni più costose per lo smaltimento dei fanghi di depurazione. Come nel caso dello smaltimento in discarica, i potenziali benefici derivanti dalla materia organica e dai nutrienti vegetali contenuti nei fanghi di depurazione vengono persi.

figura 9 Smaltimento per incenerimento