Impianti di depurazione a fanghi attivi a schema classico

Il processo biologico a fanghi attivi si riferisce ad un trattamento di tipo aerobico condotto mediante un’aerazione più o meno prolungata del refluo all’interno di un reattore biologico in presenza di una popolazione microbica (biomassa).
Negli impianti a fanghi attivi, a biomassa sospesa, le popolazioni batteriche responsabili del trattamento depurativo sono presenti sotto forma di fiocchi tenuti in sospensione attraverso l’insufflazione d’aria (se reattori aerati) o mediante mixer (se reattori anossici o anaerobici).

La biomassa attiva è costituita numerosi microrganismi (batteri, protozoi, metazoi, rotiferi, ecc..) ed è prodotta continuamente all’interno del reattore in seguito alle reazioni biochimiche di degradazione del carbonio organico e di utilizzazione dei nutrienti, con conseguente sintesi di nuovo materiale cellulare.

Schematicamente, un impianto a fanghi attivi è rappresentato da una vasca di reazione (aerobica, anossica o anaerobica) dove avviene il contatto tra la popolazione batterica e lo scarico da depurare. La miscela aerata, in uscita dalla vasca, viene inviata alla sedimentazione ove i fiocchi di fango attivo vengono separati dall'effluente depurato che può quindi essere scaricato dalla superficie del decantatore, mentre il fango viene reintrodotto parzialmente nel sistema, a mezzo di un circuito di ricircolo, e in parte viene estratto periodicamente come fango di supero da avviare allo smaltimento.

Il refluo proveniente da eventuali pretrattamenti (grigliatura, sedimentazione primaria, dissabbiatura, ecc.) è convogliato in vasca di aerazione che viene ossigenata prevalentemente per insuflazione d’aria. All’interno del reattore biologico, avviene il processo di demolizione della sostanza organica per mezzo dei batteri che la trasformano in sostanze semplici (CO2, H2O) ed energia che poi usano per accrescersi e moltiplicarsi.
La bioflocculazione è la formazione di fiocchi gelatinosi di pochi mm di materiale organico presente in sospensione. L’aggregazione di questi flocculi è probabilmente favorita dalla carica elettrica superficiale delle molecole organiche molte delle quali di natura colloidale e dalla presenza di forme batteriche filamentose che costituiscono una vera e propria armatura interna dalla quale dipende la coesione del flocculo. Le forme batteriche presenti sono varie e selezionate di volta in volta a seconda del tipo di refluo e di condizioni globali presenti nella vasca; la biomassa attiva nel flocculo varia dal 10 al 40% sul totale di materia secca. I flocculi se ben formati sedimentano e vanno a formare il cosiddetto fango attivo che si deposita sul fondo e viene posto in ricircolo consentendo una progressiva degradazione della sostanza  organica in esso presente.
All'uscita dalla vasca di ossidazione il liquame viene immesso nella vasca di sedimentazione finale, nella quale si ottiene la separazione dei fiocchi biologici dalla parte liquida depurata che viene inviata agli eventuali trattamenti terziari (prevalentemente filtrazione, disinfezione) da individuare in relazione al recapito finale.

Le più recenti soluzioni impiantistiche prevedono anche la degradazione di altri nutrienti (N e P).
L’azoto  si trova nei liquami prevalentemente sotto forma di ammoniaca: inizialmente combinato nelle molecole di varie sostanze organiche complesse, che sono componenti fondamentali delle cellule degli organismi viventi; la trasformazione avviene per ossidazione per via biologica e degradazione di queste sostanze, con conseguente solubilizzazione in ammoniaca. L’azoto ammoniacale viene successivamente ossidato, sempre per via biologica, a “nitriti” ed ulteriormente ossidato a “nitrati”, secondo il seguente schema semplificato:

C5H7O2N (sostanze organiche) +O2 --> NH3 (ammoniaca) + CO2 + H2O NH3 (ammoniaca) + O2 --> NO2 - (nitriti) + H2O NO2 (nitriti) + O2 --> NO3 - (nitrati)

Queste reazioni avvengono nel bacino di ossidazione ad opera di ceppi batterici specifici (Nitrosomonas e Nitrobacter) utilizzando l’ossigeno disciolto disponibile in vasca, introdotto mediante un idoneo sistema.
Nel processo di trasformazione aerobico dell’azoto si assiste alla conversione dello stesso dalla forma ridotta di azoto ammoniacale alla forma ossidata di azoto nitrico. Quest’ultimo può essere presente nell’effluente finale in una concentrazione limitata e quindi dovrà subire un’ulteriore trasformazione.
Allo scopo viene prevista una fase di denitrificazione in vasca anossica, nella quale numerosi ceppi batterici specializzati fissano l’ossigeno presente nella molecola dei nitrati utilizzandolo per fabbisogni endogeni inerenti la metabolizzazione delle sostanze organiche; infatti questi ceppi (eterotrofi) sono aerobi facoltativi, ossia se nell’ambiente circostante vi è presenza di ossigeno disciolto lo utilizzano direttamente, mentre in caso di anossia possono utilizzare l’ossigeno presente nei nitrati.
Questa fase, con lo scopo di accelerare le cinetiche di reazione e di conseguenza i volumi necessari, viene solitamente realizzata a monte del comparto di ossidazione-nitrificazione, e per tale motivo viene definita pre-denitrificazione.
Il controllo del fosforo scaricato dagli impianti di trattamento comunali ed industriali dell'acqua reflua è un fattore chiave nella prevenzione dell'eutrofizzazione delle acque superficiali.
Le acque reflue municipali possono contenere da 5 a 20 mg/l di fosforo totale, di cui 1-5 mg/l sono organico ed il resto è inorganico.
La rimozione dei fosfati è attualmente realizzata principalmente tramite precipitazione chimica con l'aggiunta di un coagulante, in cui i prodotti chimici sono alimentati direttamente nella vasca di aerazione o prima di essa.
Gli ioni metalli multivalenti più comunemente usati sono il ferro e l’alluminio.
La continua ricircolazione del fango, insieme ai processi di adsorbimento e di coagulazione-flocculazione dovuti al fango attivo, permettono una riduzione del consumo chimico.

In definitiva il risultato che si ottiene con un impianto a fanghi attivi è l'eliminazione della sostanza organica biodegradabile mediante trasformazione in materiale inerte e in una soluzione fangosa concentrata di sostanza organica che deve essere sottoposta ad ulteriori trattamenti prima dello smaltimento finale.
Lo schema impiantistico prevede:

  • Una sezione pretrattamenti (eventuali);
  • Una vasca di denitrificazione;
  • Una vasca di nitrificazione e biossidazione del carbonio;
  • Un circuito di ricircolo (fanghi e miscela aerata) e di allontanamento della biomassa di supero;
  • Adeguati sistemi di miscelazione ed aerazione;
  • Un comparto per la separazione dei fanghi dalle acque “depurate”

Applicazioni

  • Trattamento acque reflue domestiche ed urbane
  • Trattamento acque reflue industriali:
    • Industrie agroalimentari
    • Industrie cartarie
    • Industrie tessili
    • Industrie conciarie
    • Industrie chimiche e farmaceutiche
    • Industrie petrolifere e petrolchimiche
    • Industrie metallurgiche e minerarie
    • Agricoltura e zootecnia.