Come funzionano gli impianti di trattamento delle acque reflue?
By: Tom Frankel
Post Date: Gennaio 20th 2021
Il trattamento delle acque reflue è vitale per comunità ed ecosistemi sani. Fornisce acqua pulita e salutare per uso industriale e municipale, riduce la trasmissione di malattie e aiuta a garantire un ambiente verde e prospero per le generazioni future.
Come funziona questo processo essenziale? La guida di seguito illustrerà le fasi del trattamento delle acque reflue, esaminerà un diagramma dell’impianto di trattamento delle acque reflue e discuterà in dettaglio alcuni metodi di trattamento delle acque reflue.
Sommario
Cos’è l’acqua di scarico?
Le acque reflue, o liquami, sono l’acqua che le persone hanno usato, a casa nei loro bagni, cucine, lavanderie e cortili o in operazioni industriali come l’agricoltura o la produzione. Negli Stati Uniti, gli impianti di trattamento delle acque reflue trattano circa 34 miliardi di litri di acque reflue al giorno.
Le acque reflue non trattate contengono principalmente acqua in volume. Contiene inoltre numerose impurità che rendono l’acqua non sicura per il riutilizzo o per lo scarico nell’ambiente.
Perché dobbiamo trattare le acque reflue?
Negli Stati Uniti, la maggior parte delle acque reflue viene trattata. In tutto il mondo, tuttavia, la pratica del trattamento delle acque reflue non è così comune. Secondo le Nazioni Unite, circa l’80% delle acque reflue mondiali non viene trattata quando ritorna nell’ambiente.
Il trattamento delle acque reflue è essenziale per diversi motivi.
Preservare l’ambiente
Il pompaggio di acque reflue non trattate nell’ambiente ha un effetto ecologico devastante. I contaminanti nelle acque reflue possono uccidere piante e animali o rendere gli habitat non sicuri in cui vivere e le fonti d’acqua pericolose da bere. Le acque reflue contaminate di molte industrie, compresa quella del petrolio e del gas, possono avere queste conseguenze negative.
Un altro effetto ambientale comune associato alle acque reflue è la proliferazione di fioriture algali nocive. Queste fioriture si formano spesso quando le acque reflue contenenti alte concentrazioni di nutrienti come azoto o fosforo raggiungono le riserve di acqua dolce. I nutrienti si raccolgono nell’acqua dolce in un processo noto come eutrofizzazione.
Le alghe prosperano grazie all’azoto e al fosforo, quindi mentre consumano questi nutrienti, iniziano a invadere il loro habitat. Consumano gran parte dell’ossigeno disponibile e spesso contengono tossine nocive. Alla fine tendono a soffocare la vegetazione nativa e uccidere organismi acquatici come pesci e crostacei.
Protezione della salute umana
Lo scarico di acque reflue non trattate nell’ambiente ha molti effetti negativi sulla salute umana. Ad esempio, lo scarico delle acque reflue non trattate è un fattore in molti dei circa 1,6 milioni di decessi per diarrea che si verificano ogni anno. In tutto il mondo, 1,8 miliardi di persone utilizzano fonti d’acqua contaminate da materiale fecale e i Centri statunitensi per il controllo e la prevenzione delle malattie riferiscono che l’88% dei decessi per diarrea è attribuibile ad acqua non sicura, servizi igienici insufficienti e pratiche igieniche inadeguate. I terreni agricoli irrigati con acque reflue non trattate possono anche produrre colture non sicure da consumare.
Malattie come il colera, la dissenteria, il tifo e la schistosomiasi sono comuni in molte parti del mondo dove le acque reflue sono poco trattate. Queste malattie uccidono più bambini del morbillo, della malaria e della sindrome da immunodeficienza acquisita (AIDS) messi insieme.
In paesi come gli Stati Uniti, dove molte di queste malattie sono meno comuni, malattie come la criptosporidiosi, la giardiasi e la colite infettiva associate a patogeni come E. coli rimangono preoccupazioni.
Alleviare la scarsità d’acqua
Anche la scarsità d’acqua è un grave problema in molte aree del mondo. Le Nazioni Unite riferiscono che due terzi della popolazione mondiale soffre di scarsità d’acqua per almeno un mese all’anno e un’intensa scarsità d’acqua potrebbe sfollare fino a 700 milioni di persone dalle loro case entro il 2030.
Alleviare la scarsità d’acqua dipende in parte dai processi di conservazione e riciclaggio dell’acqua. Il trattamento delle acque reflue è una parte inestimabile di questi processi. Un trattamento accurato ed efficace delle acque reflue spesso rende le acque reflue idonee al riutilizzo nei processi industriali o talvolta come acqua potabile se i protocolli di trattamento sono sufficientemente rigorosi.
Fasi di un impianto di trattamento delle acque reflue
Quali sono le tre fasi del trattamento delle acque reflue?
Le tre fasi principali del trattamento delle acque reflue sono il trattamento primario, secondario e terziario. Molti impianti aggiungono anche una fase di pretrattamento prima del processo di trattamento primario.
In un modello di impianto di trattamento delle acque reflue municipali standard, le acque reflue fluiscono in vasche di pretrattamento prima di essere sottoposte a trattamento primario e poi secondario. Non tutti gli impianti utilizzano il trattamento terziario, ma molti lo fanno quando hanno bisogno che le loro acque reflue soddisfino un certo standard.
1. Pretrattamento
Il pretrattamento utilizza principalmente processi fisici come la filtrazione e la decantazione per rimuovere le particelle solide più grandi dalle acque reflue.
Durante il pretrattamento, le acque reflue confluiscono nelle vasche e nei bacini di trattamento come affluenti. I grandi schermi a barre filtrano oggetti più grandi come rami di alberi, foglie e detriti di plastica. I serbatoi di equalizzazione (serbatoi EQ) regolano il flusso d’acqua per favorire la sedimentazione e le camere di sabbia consentono la precipitazione di piccole particelle come sporco, sabbia, ghiaia, fondi di caffè e gusci d’uovo.
Il pretrattamento spesso varia a seconda del tipo di acque reflue. Se le acque reflue contengono un volume elevato di grassi e grassi, l’impianto di trattamento può scremare tali impurità dalla superficie dell’acqua durante il pretrattamento o utilizzare soffiatori per creare una schiuma grassa facilmente rimovibile. Altre piante possono salvare questi passaggi fino al trattamento primario.
Il trattamento delle acque reflue industriali può anche utilizzare metodi di pretrattamento chimico anziché metodi fisici. Questi processi spesso modificano il pH dell’acqua o alterano le strutture delle impurità in essa contenute. Il risultato è che le particelle di rifiuti solidi si uniscono e formano composti più pesanti di rifiuti che precipitano più facilmente. Questi processi sono noti come coagulazione e flocculazione.
2. Trattamento primario
Il prossimo processo dell’impianto di trattamento delle acque reflue è il trattamento primario. Il suo obiettivo principale è utilizzare la gravità e continui processi fisici per rimuovere i solidi dalle acque reflue.
Durante il trattamento primario delle acque reflue, l’acqua pretrattata si raccoglie in depuratori primari. L’acqua di scarico rimane per un po’, quindi possono precipitare ulteriori impurità. L’attrezzatura di raschiatura meccanica può raccogliere parte della materia solida e inviarla verso l’attrezzatura per il trattamento dei fanghi per essere parte del processo a fanghi attivi, di cui parleremo un po’ più avanti.
Se l’impianto non ha rimosso olio e grasso durante il pretrattamento, lo farà durante il trattamento primario scremando questi grassi dalla superficie. Alcune piante aggiungono sostanze alcaline ai grassi scremati in un processo noto come saponificazione. Questo è il primo passo nella produzione di saponi e glicerolo.
3. Trattamento secondario
Il trattamento secondario delle acque reflue utilizza processi batterici piuttosto che fisici. Utilizza microrganismi benefici per abbattere più impurità solide nelle acque reflue.
Il trattamento secondario assume alcune forme principali.
Trattamento anossico
Il trattamento anossico avviene in assenza di ossigeno molecolare libero, sebbene una certa quantità di ossigeno possa essere presente sotto forma di nitrati, nitriti o solfati. Questo processo è spesso utilizzato per la denitrificazione di acque reflue ad alto contenuto di azoto. Utilizza microbi che non richiedono ossigeno per i loro processi metabolici.
Come funziona la denitrificazione anossica? L’azoto nelle acque reflue deve essere solitamente sotto forma di nitrato (NO3). La pianta può convertire l’azoto in nitrato utilizzando un filtro gocciolante o un sistema di crescita sospesa. Quindi espone le acque reflue a determinati microbi. Per evitare che l’ossigeno molecolare interferisca con il processo, le piante utilizzano tipicamente reattori ermeticamente sigillati per i loro trattamenti anossici. I microrganismi consumano l’azoto nel nitrato, lasciando dietro di sé solo le molecole di ossigeno.
Trattamento anaerobico
Il trattamento anaerobico avviene anche in assenza di ossigeno. A differenza del trattamento anossico, in cui l’ossigeno molecolare è assente ma l’ossigeno legato può essere presente in altri composti, il trattamento anaerobico avviene in assenza di tutte le forme di ossigeno. Il trattamento anaerobico utilizza spesso lagune di digestione coperte in cui i batteri anaerobici possono abbattere i rifiuti organici.
Il trattamento aerobico è utile per le acque reflue con una concentrazione particolarmente elevata di solidi biodegradabili, ad esempio acque reflue urbane concentrate, liquame da letame animale e acque reflue della lavorazione degli alimenti. Come il trattamento anossico, è anche meno energivoro del trattamento aerobico perché non richiede attrezzature per miscelare l’ossigeno con le acque reflue.
Un ulteriore vantaggio della digestione anaerobica è che tende a produrre metano, insieme ad altri sottoprodotti di biogas come anidride carbonica e vapore acqueo. Molti impianti di trattamento delle acque reflue possono isolare il metano per riutilizzarlo come combustibile, a volte anche per alimentare l’impianto.
Trattamento aerobico
Il trattamento aerobico avviene in presenza di ossigeno perché i microrganismi coinvolti richiedono ossigeno per i loro processi metabolici.
Affinché il trattamento aerobico abbia luogo, l’impianto di trattamento delle acque reflue deve disporre di attrezzature in grado di fornire ossigeno e incorporarlo nelle acque reflue in un processo noto come aerazione. L’impianto può avere lagune con aeratori superficiali per mescolare l’aria nell’acqua. Oppure può utilizzare serbatoi di aerazione pieni di membrana di gomma o diffusori in ceramica, spesso diffusori a forma di disco o tubo. L’aria scorre attraverso i tubi sul pavimento del serbatoio e nei diffusori, che contengono numerosi piccoli fori. Queste perforazioni emettono l’aria come minuscole bolle. Man mano che le bolle salgono attraverso la colonna d’acqua, facilitano il trasferimento di ossigeno e la digestione aerobica.
Alcune piante utilizzano filtri multimediali per la digestione aerobica. Una forma comune di sistema di filtraggio dei media è il sistema MBBR (moving bed biofilm reactor). Un sistema MBBR utilizza una bacinella riempita con migliaia di minuscoli pezzi di materiale plastico. I pezzi occupano una parte significativa del volume del bacino, spesso dal 50 al 70%.
Il design dei pezzi di supporto è ottimale per incoraggiare la crescita batterica. I pezzi assomigliano a ruote con tanti piccoli raggi. Questa forma intricata fornisce una superficie ampia e ospitale su cui i batteri possono crescere. Una volta che i batteri hanno preso piede, formano un biofilm liscio sui pezzi di supporto. I pezzi hanno anche una densità simile a quella dell’acqua, quindi possono sospendersi lungo tutta la colonna d’acqua per massimizzare lo spazio disponibile. Questa disposizione aiuta i batteri a contattare quanti più rifiuti possibile per promuovere una digestione efficiente e ridurre il tempo di ritenzione idraulica.
Gli impianti in genere utilizzano anche il trattamento a fanghi attivi, che è uno dei processi aerobici più comuni. Funziona utilizzando l’aerazione e la flocculazione insieme.
Come abbiamo visto, le acque reflue fluiscono in un serbatoio di aerazione e si mescolano con l’acqua durante l’aerazione. Successivamente, le acque reflue fluiscono in una vasca di decantazione o in un chiarificatore secondario. Lì, alcuni dei biosolidi si aggregano e si depositano sul fondo del serbatoio, formando ciò che l’industria dei rifiuti chiama fiocchi o una coltre di fango. L’impianto può quindi pompare nuovamente il manto di fanghi nel serbatoio di aerazione. I numerosi microrganismi contenuti nel fango contribuiranno alla scomposizione di più rifiuti.
Il trattamento a fanghi attivi richiede uno spazio significativo nell’impianto ed è ad alta intensità energetica. Tuttavia, è altamente affidabile e adatto a molti carichi di rifiuti diversi, quindi è uno strumento eccezionalmente efficace.
4. Trattamento terziario
Il trattamento terziario fornisce filtrazione e disinfezione extra. A differenza del trattamento primario e secondario, che hanno luogo nella maggior parte degli impianti di trattamento delle acque reflue, il trattamento terziario è solitamente facoltativo. Le piante lo usano spesso quando devono soddisfare requisiti particolarmente severi per i loro effluenti.
Il trattamento terziario può basarsi su alcuni processi diversi: prima la filtrazione e poi una qualche forma di disinfezione:
- Filtrazione: il trattamento terziario utilizza spesso filtri come filtri a sabbia o filtri ad assorbimento di carbone per rimuovere le impurità persistenti dalle acque reflue. Questi filtri possono essere a disco, a sacco, in fibra attivata granulare (GAC) oa tamburo.
- Clorazione: molti impianti di trattamento delle acque reflue aggiungono cloro all’acqua per sterilizzarla. L’uso del cloro è conveniente, quindi molti impianti municipali si affidano a questo metodo.
- Disinfezione a raggi ultravioletti (UV): il trattamento terziario può anche utilizzare la luce UV per distruggere o sterilizzare eventuali microrganismi rimasti nelle acque reflue e renderli innocui.
- Trattamento con ozono: alcuni impianti di trattamento delle acque reflue utilizzano anche il trattamento con ozono per la disinfezione. Il trattamento con ozono è più efficace del cloro, ma è costoso, richiede attrezzature speciali resistenti alla corrosione e produce gas tossici, quindi gli impianti devono soppesare attentamente costi e benefici di questo trattamento.
- Scambio ionico: il trattamento terziario può anche comportare l’uso dello scambio ionico, che scambia gli ioni innocui con quelli indesiderati, proprio come un addolcitore d’acqua domestico sostituisce gli ioni di calcio e magnesio indesiderati con ioni di sodio inoffensivi.
Cosa succede alle acque reflue dopo il trattamento?
Una volta che le acque reflue soddisfano i requisiti normativi applicabili, gli impianti di trattamento delle acque reflue possono scaricare nuovamente l’acqua trattata nell’ambiente come effluente. L’effluente si mescola con le acque superficiali o sotterranee esistenti. In quella forma, un giorno potrà essere riutilizzata per l’irrigazione o per processi industriali oppure inviata al trattamento e utilizzata come acqua potabile.
In alcuni casi, se il refluo è stato sottoposto a trattamento terziario, l’impianto può riciclare l’acqua, avviandola al riutilizzo in processi industriali o agricoli ad alta intensità idrica.
Tipi di acque reflue
Le acque reflue si presentano in alcune forme diverse. Diversi tipi di acque reflue richiedono trattamenti diversi, quindi gli impianti di trattamento delle acque reflue devono adattare i loro metodi di trattamento alla composizione e alle proprietà delle loro acque reflue.
1. Fognatura Comunale
Le acque reflue municipali sono le acque reflue che le famiglie e gli edifici commerciali producono attraverso le loro attività quotidiane. Questi liquami provengono da lavandini, docce, servizi igienici in strutture come case, appartamenti, ristoranti, ospedali ed edifici per uffici.
Le acque reflue domestiche contengono circa il 99,9% di acqua in peso. Nelle fasi sospese SSI, il restante 0,1% è costituito da solidi disciolti e sospesi che l’impianto di trattamento delle acque reflue deve rimuovere. Anche se questa cifra è molto piccola, i solidi disciolti e sospesi contengono microbi che sarebbero dannosi per la salute umana e l’ecosistema locale se scaricati nell’ambiente non trattati. I solidi generalmente contengono anche saponi, detergenti, nutrienti per le piante e altra materia organica.
2. Acque reflue industriali
Le acque reflue industriali sono le acque reflue residue dei processi industriali. Molti processi di produzione richiedono acqua e quell’acqua diventa acqua di scarico una volta completata la produzione.
Le acque reflue industriali contengono spesso un’altissima concentrazione di composti chimici facilmente identificabili. Gli impianti di trattamento delle acque reflue specializzati noti come impianti di trattamento degli effluenti (ETP) sono utili per il trattamento degli effluenti chimici che fuoriescono dai processi di produzione industriale.
Le acque reflue industriali possono assumere molte forme diverse. Di seguito sono riportati alcuni settori che producono elevati volumi di acque reflue industriali.
Produzione farmaceutica
Le acque reflue farmaceutiche provengono dalla produzione di medicinali. Queste acque reflue sono molto complesse e spesso hanno un alto contenuto chimico. Contiene composti farmaceuticamente attivi, inclusi antibiotici, ormoni, tensioattivi e composti organici volatili (COV) che potrebbero essere pericolosi per la salute umana e per l’ambiente se scaricati accidentalmente. Gli antibiotici destano particolare preoccupazione a causa del loro potenziale di dare origine a ceppi di batteri resistenti agli antibiotici.
Anche i residui di farmaci nei rifiuti farmaceutici hanno generalmente un’elevata domanda biologica di ossigeno (BOD) e domanda chimica di ossigeno (COD).
Produzione Tessile
Gli stabilimenti tessili producono grandi volumi di acque reflue chimiche attraverso processi come lo sbiancamento, la tintura, l’ignifugazione e l’impermeabilizzazione. Anche la pulizia e la finitura della lana e la produzione di filati tendono a generare acque reflue chimiche.
Le acque reflue tessili hanno spesso un BOD elevato e contengono sostanze come olio e grasso, cromo, fenoli e solfuri. Con la lavorazione della lana, i grassi animali sono spesso presenti nelle acque reflue, così come gli eventuali pesticidi con cui le pecore sono venute a contatto.
Gli impianti di tintura tessile utilizzano vari coloranti, inclusi coloranti acidi, coloranti basici, coloranti diretti, coloranti mordenti, coloranti pigmentati, coloranti solventi e coloranti al tino, che contribuiscono con un insieme completamente diverso di contaminanti alle loro acque reflue. Le acque reflue possono anche includere sostanze come tamponi di pH e acceleratori di coloranti. Le acque reflue della tintura tessile spesso contengono metalli pesanti, olio e grasso, fenoli e solfuri.
Produzione di pasta di legno e carta
L’effluente dalla produzione di cellulosa e carta ha spesso un BOD elevato e contiene alte concentrazioni di solidi sospesi. Se lo sbiancamento ha fatto parte del processo di produzione, le acque reflue hanno tipicamente un COD elevato e includono sostanze come cloroformio, diossine, furani e fenoli.
Raffinazione del petrolio e produzione di prodotti petrolchimici
La raffinazione del petrolio e la produzione di prodotti petrolchimici, come tutti i processi che trattano materie prime estratte dalla terra, tendono a produrre rifiuti con alte concentrazioni di metalli pesanti, tra cui arsenico, cadmio, cromo, piombo, mercurio e nitrati e nitriti. Queste acque reflue spesso hanno anche un BOD elevato e contengono impurità come ammoniaca, cromo, fenoli, solfuri, olio e grasso e vari solidi sospesi.
Produzione di energia
Le centrali elettriche che fanno affidamento sui combustibili fossili per generare elettricità tendono a produrre enormi volumi di acque reflue, che spesso includono alte concentrazioni di metalli pesanti. Processi come la desolforazione dei gas di scarico e il controllo del mercurio contribuiscono a questa produzione di acque reflue. Se l’impianto dispone di abbattitori a umido o simili dispositivi di controllo dell’inquinamento, i contaminanti catturati di solito finiscono anche nel flusso delle acque reflue.
Elaborazione di alimenti e bevande
Le acque reflue della lavorazione di alimenti e bevande hanno caratteristiche uniche. Ha un basso contenuto chimico ed è atossico e altamente biodegradabile, anche se tende ad avere un alto contenuto di solidi sospesi e un alto BOD.
La composizione delle acque reflue derivanti dalla lavorazione di alimenti e bevande tende a variare notevolmente a seconda del tipo di produzione. L’acqua del lavaggio e della lavorazione delle verdure tende a contenere un’alta concentrazione di materia organica e particolato. L’acqua proveniente dalla lavorazione dei latticini, invece, contiene alti livelli di grassi, zuccheri e altri solidi sospesi. E l’acqua della lavorazione della carne contiene spesso grassi, sangue, olio e grasso, nonché azoto e batteri coliformi dall’intestino.
Altre attività di trasformazione di alimenti e bevande, tra cui l’imbottigliamento, il lavaggio dei prodotti e la pulizia delle superfici, generano ulteriori acque reflue.
3. Tempesta di acque reflue
Le acque piovane sono l’acqua che scorre nelle fogne cittadine dopo le precipitazioni. Le acque reflue delle tempeste spesso includono un’alta concentrazione di detriti come sporcizia e ramoscelli. Contiene anche un’alta concentrazione di materia organica che l’acqua raccoglie mentre scorre lungo il terreno.
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Mr. Frankel co-founded SSI in 1995 with experience in design and distribution of engineered systems. He is in charge of sales, marketing and operations in the company. Mr. Frankel holds multiple US patents related to diffusers. He is a graduate of Washington University in St. Louis.