Trattamento fanghi - Flocculanti

IL TRATTAMENTO FANGHI

I fanghi di depurazione sono uno scarto prodotto durante la depurazione delle acque reflue, questi vengono in seguito trattati per ridurne il volume e poterli o rivalorizzare, tramite produzione di energia, o smaltire. Dal 2005, in Svizzera, è vietato l’utilizzo di fanghi di depurazione come concime nell’agricoltura.

Il fango si forma e viene poi estratto durante la sedimentazione primaria, nelle vasche biologiche di fanghi attivi e durante la sedimentazione finale o la filtrazione.

Dalla sedimentazione primaria derivano i fanghi primari, composti da sostanza organica fresca e separati per semplice decantazione senza aver subito nessun processo di trasformazione. Contengono circa il 96 % di umidità.
I fanghi attivi di supero, detti fanghi secondari, derivano dalla vasca dei fanghi attivi, sono composti dal 99% d’umidità. Sono fanghi fioccosi ricchi in azoto e fosforo. Spesso vengono rinviati a monte della fase di sedimentazione primaria in modo tale da essere raccolti dopo la decantazione insieme al fango primario (fanghi di ricircolo). Lo scopo di questo accorgimento è quello di indurre, grazie alle proprietà adsorbenti dei fiocchi di fango attivo, un effetto di flocculazione per migliorare il rendimento della fase di sedimentazione primaria.
Durante le fasi di filtrazione, chiaroflocculazione o precipitazione dopo il trattamento biologico si estraggono i fanghi chimici o fanghi terziari.

Fig. 1: Schema delle fasi di trattamento di un depuratore, con una linea acque e una fanghi.

Le caratteristiche del fango incidono sul suo trattamento e sull’efficacia di quest’ultimo. Infatti, ogni fango prodotto in un impianto avrà caratteristiche differenti, soprattutto in termini chimici (pH, alcalinità, umidità, sostanza organica, presenza di nutrienti e di micro-inquinanti), fisici (peso specifico, granulometria, potere calorifico, caratteristiche reologiche) e biologici. Comprendere queste caratteristiche è indispensabile per trattarlo nel modo migliore.

I parametri che caratterizzano maggiormente un fango sono:

La granulometria: si riferisce alle dimensioni delle particelle contenute nei fanghi, queste ultime influenzando molto la disidratabilità. Durante le varie fasi di trattamento cambiano le loro dimensioni, la consistenza e la forma. Ad esempio, gli sforzi da taglio durante il pompaggio portano alla formazione di fiocchi di dimensioni minori con una maggior quantità di particelle fini.
Gli EPS (Extracellular polymeric substances): sono le sostanze polimeriche extracellulari. Sono polimeri organici prodotti naturalmente dai microorganismi che permettono la formazione del fiocco fungendo da matrice e unendo le colonie. Questa pellicola prodotta è idratata e provvista di carica elettrica negativa, che si lega ai cationi bivalenti o trivalenti permettendo al fiocco una buona struttura e stabilità. L’integrità dei fiocchi tramite EPS è data anche dall’età del fango. Con elevati tempi di permanenza, gli EPS proteggono le cellule all’interno da fenomeni disgregativi. Quando l’età del fango invece è bassa, gli EPS non riescono a creare una matrice di EPS abbastanza resistente e si hanno dei fiocchi fragili. Gli EPS sono il terzo componente maggiormente presente nel fango.
L’umidità di un fango: è l’acqua (in percentuale o frazione) contenuta al suo interno. Il peso e il volume dei fanghi sono legati alla sua umidità. Un fango per poter essere bruciato deve raggiungere valori di almeno il 70% di umidità. L’acqua presente nel fango può essere in forma libera, oppure legata, ovvero influenzata dalla presenza di particelle solide. L’acqua può essere dunque suddivisa in quattro categorie:
- Acqua libera: scorre liberamente e non è influenzata da nessuna particella o forza. È facilmente separabile dal fango.
- Acqua interstiziale: è l’acqua che si trova negli spazi interstiziali. Si muove per capillarità e quando gli spazi vengono riarrangiati (cambiamento della struttura del fiocco, rimozione dei solidi sospesi). Per eliminare l’acqua interstiziale bisogna rompere i legami che tengono uniti fango, solidi sospesi e microorganismi, di solito tramite compressione.
- Acqua superficiale: è l’acqua attaccata alla superfice esterna delle particelle, tramite forze elettrostatiche e legami idrogeno. Essendo trattenuta da legami forti, non risulta libera di muoversi anche se non “intrappolata”. Quest’acqua è rimossa coi trattamenti meccanici.
- Acqua di idratazione: è l’acqua delle molecole che formano il fango. Può essere liberata solo mediante metodi termici.

Per poter separare l’acqua dal fango, quest’ultimo viene sottoposto a diversi processi.

Le tappe cui possono essere normalmente sottoposti i fanghi sono quattro:

Ispessimento
Condizionamento
Digestione: in cui si ha la produzione di gas metano.
Disidratazione
Il fango disidratato può essere ora smaltito in un inceneritore.

1) Ispessimento (o addensamento)

I fanghi non ancora trattati sono costituiti principalmente d’acqua, in percentuali maggiori del 95%. Questo trattamento aiuta a togliere una parte dell’umidità, portando i fanghi, ancora ricchi di acqua, al 90% di umidità.

Il trattamento può essere effettuato in tre modi:

Ispessimenti per gravità: in una vasca di sedimentazione si sfrutta la naturale forza di gravità che permette un addensamento dei fanghi. I tempi di permanenza sono superiori a una classica vasca di sedimentazione. L’acqua separata, il surnatante, viene estratta dalla superficie e riciclata. La vasca è continuamente ossigenata per evitare l’instaurarsi di un ambiente anaerobico.
Ispessimento per flottazione: in questo caso si sfrutta un flusso d’aria che permette di far “flottare” le particelle sospese e poco sedimentabili, ed essere in seguito rimosse in superficie. I tempi risultano accorciati in confronto ad una sedimentazione classica.
Centrifugazione: utilizzando la forza centrifuga, il fango introdotto nella macchina viene concentrato verso l’esterno mentre l’acqua, più leggera, fuoriesce attraverso sfiorature all’altra estremità. Questo tipo di ispessimento risulta molto più veloce di uno a gravità, ma necessità un pre-condizionamento con dei polielettroliti.

2) Condizionamento

Per migliorare la disidratabilità del fango e la velocità di separazione dall’acqua, il fango viene condizionato. Queste permette anche di ottenere un migliore surnatante in termini di solidi sospesi.

Il condizionamento può essere di tipo:

Chimico: con additivi inorganici o organici. Per permettere una coagulazione e la rimozione della fase fine. È normalmente la più utilizzata, per la sua semplicità e basso costo.
Fisico (termico, sonoro o elettrico): questo metodo è meno diffuso, perché più costoso e complesso.

Il condizionamento chimico punta a diminuire le forze repulsive presenti sulle particelle per poter così formare fiocchi più grandi e resistenti. Questo viene ottenuto tramite 4 processi:

Compressione del doppio strato: provocando un aumento della forza ionica, si riduce la zona di influenza delle cariche delle particelle, permettendo così la compressione del doppio strato.
Neutralizzazione della carica: gli agenti chimici (ad.es. sali di alluminio e ferro trivalente) caratterizzati da una carica di segno opposto rispetto a quella delle particelle, vengono adsorbiti sulla loro superficie, neutralizzando le cariche. Si ha così una destabilizzazione della sospensione, che favorisce il prevalere delle forze attrattive su quelle repulsive, promuovendo quindi l’aggregazione tra le particelle.
Inglobamento in precipitati: i colloidi agiscono da nuclei di condensazione. La precipitazione degli idrossidi è legata alla loro solubilità e quindi dal pH, a cui bisogna prestare attenzione. Per questo processo vengono utilizzati sali di alluminio e ferro trivalenti, Al2(SO4)3, FeCl3, MgCO3 e Ca(OH)2; che precipitano sotto forma dei corrispondenti idrossidi (o sali nel caso della calce): Al(OH)3, Fe(OH)3, Mg(OH)2 e CaCO3.
Bridging: è la formazione di ponti interparticellari. I polielettroliti, polimeri di sintesi, chiamati così per la presenza sulla loro catena di carbonio di cariche multiple, hanno generalmente dimensioni molecolari elevate e sono pertanto efficaci agenti coagulanti. Sia i polimeri cationici sia quelli anionici rimuovono le particelle caricate negativamente, creando dei ponti chimici con le particelle colloidali, formando così i fiocchi. Se il polimero e le particelle colloidali presentano cariche dello stesso segno, l’adesione tra questi avviene per azione delle forze di Van der Waals e sviluppo di legami idrogeno. Se sono dotati di carica di segno opposto, l’adesione ha luogo anche grazie all’azione di forze coloumbiane.

Per garantire una distribuzione uniforme dei condizionanti in tutta la massa di fango si utilizzando agitatori ad elica o pale con velocità di 300÷600 giri al minuto e tempi di contatto di qualche minuto. Bisogna però prestare attenzione che la miscelazione non sia né troppo forte né troppo lunga, onde evitare la rottura dei fiocchi e quindi un maggior dosaggio di condizionanti.

A) Condizionamento chimico con additivi inorganici

Il condizionamento con additivi inorganici agisce soprattutto per neutralizzazione della carica e inglobamento dei colloidi in precipitati. I più utilizzati sono sali di cationi ad elevata valenza, come i sali di ferro o di alluminio (cloruro ferrico, solfato ferroso e solfato d’alluminio), ma anche la calce. Quest’ultima viene usata sia come pre-condizionante per ridurre il consumo di reattivi, sia come coadiuvante.

Esempio di condizionamento con il cloruro ferrico: 2FeCl + 6HCO− ↔ 2Fe(OH) + 6Cl− + 6CO

Il cloruro ferrico reagisce con l’alcalinità bicarbonatica producendo l’idrossido ferrico. Ha la sua massima efficienza con un pH di 8, mentre la presenza di fosforo e la carica superficiale possono interferire nel processo di precipitazione.

L’utilizzo della calce permette di stabilizzare il fango, mantenendo un pH più alto, favorendo la formazione di idrossidi metallici e la precipitazione di carbonato di calcio (CaCO3), meno idrofilo di quest’ultimi, e dunque in grado di formare fiocchi che trattengono minori quantità di acqua. Infatti frequentemente il condizionamento solo con sali di ferro ed alluminio non porta ad un sufficiente disidratabilità del fango, perchè ricco d’acqua e che si deforma notevolmente sotto sforzo.

L’utilizzo della calce prima della centrifugazione è però da evitare a causa dell’abrasività del carbonato di calcio.

I reattivi inorganici, vengono generalmente utilizzati per i processi di filtropressatura e di filtrazione sottovuoto.

B) Condizionamento chimico con additivi organici

I polimeri organici sono anche chiamati polielettroliti organici, poiché in acqua si dissociano e rilasciano un elevato numero di ioni negativi (polielettroliti cationici) o positivi (polielettroliti anionici), che aumentano la conducibilità della soluzione. Sono composti da lunghe catene, che lineari o ramificate, e con differenti gruppi funzionali. Il gruppo funzionale può possedere carica negativa (polielettroliti anionici), positiva (polielettroliti cationici) o una carica globalmente neutra (polielettroliti non ionici).

Il condizionamento avviene in tre tappe:

Adsorbimento del polimero sulla fase solida
Neutralizzazione delle cariche del fango
Formazione dei ponti elettrostatici e creazione del fiocco

Generalmente per il trattamento dei fanghi di depurazione sono maggiormente utilizzati i polimeri cationici e ramificati. Questi agiscono comprimendo il doppio strato della matrice polimerica costituita dagli EPS (caricati negativamente), riducendo la forza repulsiva e migliorando così la flocculazione.

Fig. 2: Schema del doppio strato elettrico.

I monomeri più diffusi sono l’acrilammide e l’acido acrilico, che per polimerizzazione formano la poliacrilammide, che è un composto non ionico.

La struttura ramificata richiede normalmente un dosaggio maggiore per raggiungere le prestazioni ottimali rispetto alle catene lineari, ma i fiocchi prodotti sono più grandi e caratterizzati da una maggiore resistenza meccanica. Questi flocculanti vengono soprattutto utilizzati per la disidratazione con centrifuga e filtropresse a camera, dove l’utilizzo di altre tipologie di polimeri non risulta ideale.

L’efficacia dei differenti polimeri è conferita anche dal peso molecolare e dalla densità di carica, assegnata dall’alternanza di monomeri neutri con monomeri dotati di carica elettrica.

I polielettroliti ad alto peso molecolare, presentano una lunga catena, che agisce principalmente per bridging, i fiocchi sono così composti da molte particelle colloidali intrappolate all’interno di lunghe e poche catene polimeriche. Questo meccanismo ingloba però grandi quantità di acqua e difficilmente comporta una completa neutralizzazione delle cariche. Più il peso molecolare è elevato più i fiocchi formati sono elastici. Inoltre, i polielettroliti ad alto peso molecolare risultano efficaci anche con una grande variabilità del fango.

Quelli con un peso molecolare medio-basso invece agiscono principalmente per neutralizzazione della carica. Il processo di bridging è limitato, per questo sono necessarie dosi maggiori di polimero.

Complessivamente però questi polielettroliti permettono di avere meno acqua legata al fango.

Per quanto riguarda la densità di carica, più è alta, più il polimero neutralizza le cariche dei colloidi. Si ha dunque una buona disidratabilità, ma poca resistenza agli sforzi di taglio. Quando la densità è bassa prevarica invece il bridging, poiché possedendo pochi siti attivi, è più rara una neutralizzazione. Con questi polimeri i fiocchi sono più flessibili e resistenti, ma contengono più acqua.

I dosaggi dei condizionanti organici sono sempre molto inferiori rispetto agli additivi inorganici.

Un dosaggio eccessivo del polimero organico comporta la formazione di fiocchi di grosse dimensioni, che separano il solido-liquido in modo molto rapido, formado però fiocchi che contengono elevate quantità d’acqua, che è molto difficile in seguito separare.

Esiste la possibilità di effettuare un pretrattamento con enzimi, che può portare a un minor dosaggio del polielettrolita, tenori di secco maggiori e un aumento della resa in metano durante la digestione.

C) Condizionamento fisico

La disidratabilità del fango può essere migliorata anche con un condizionamento fisico, che può essere di tipo termico, elettrico o sonoro. Il più utilizzato è quello che prevede dell’energia termica, anche perché gli altri metodi sopportano poco le variazioni nelle caratteristiche del fango e sono più dispendiosi in termini economici.

Il processo avviene surriscaldano il refluo fino a 160-250 °C, per un tempo di 30-90 min, mantenendo la pressione tra i 17 e 27 bar per evitare una vaporizzazione dell’acqua e quindi in seguito un suo necessario trattamento. Temperatura e pressione portano a un cambiamento nella struttura del fango, migliorandone la sua filtrabilità.

Esiste anche un condizionamento per congelamento, con temperature di -20/-10 °C per un tempo di 1-4 ore, dove si ha un dilatamento dell’acqua nel fango, producendo dei cambiamenti nella sua struttura. Questo metodo genera un fango ben disidratabile, ma con un alto dispendio di energia. Viene infatti utilizzato sono se è fattibile un congelamento in maniera naturale.

Il processo termico, oltre ad essere meccanicamente complesso, a differenza di altri condizionamenti, tramuta i solidi sospesi in solidi disciolti, producendo così un fango con meno solidi sospesi, ma un centrato più inquinato.

3) Digestione

La digestione dei fanghi di depurazione avviene in un reattore chiuso chiamato digestore anaerobico. Il processo avviene in assenza di ossigeno, in cui i microrganismi degradano la sostanza organica contenuta nei fanghi producendo fango stabilizzato (meno odoroso e più sicuro) e biogas (principalmente metano).

Le tappe principali della digestione anaerobica sono le seguenti:

1. Idrolisi: in cui le molecole complesse (proteine, grassi, carboidrati) vengono scomposte in molecole più semplici. È spesso la fase limitante del processo.

2. Acidogenesi: Le molecole semplici vengono trasformate in acidi grassi volatili, alcol, CO₂ e H₂.

3. Acetogenesi: I prodotti precedenti vengono convertiti in acido acetico, idrogeno e anidride carbonica.

4. Metanogenesi I batteri metanigeni trasformano l’acido acetico e H₂ + CO₂
in metano (CH₄) e CO₂ → biogas

Affinché il processo avvenga con efficienza le condizioni ottimali in un digestore devono essere:

Temperatura: mesofila: ~35–38 °C (la più comune), termofila: ~50–55 °C
Miscelazione ottimale sia per garantire l’uniformità del riscaldamento che per assicurare rapidamente un intimo contatto fra i fanghi freschi e quelli in corso di digestione (ad elevato contenuto di batteri anaerobici).
Carico dei fanghi freschi/scarico dei digeriti in modo tale da mantenere un’elevata concentrazione all’interno del reattore.
pH controllato (circa 6,8–7,5)
Tempo di ritenzione: 15–30 giorni

Il biogas prodotto ha una composizione tipica del 55–65% in metano (CH₄), 35–45% di CO₂ e tracce di H₂S, NH₃ e vapore acqueo.

Con la digestione anaerobica si ha dunque:

una stabilizzazione dei fanghi mediante riduzione del contenuto di sostanze organiche volatili
una riduzione del loro volume
una riduzione della carica batterica
produzione di biogas

Rimane però un processo conveniente solo per impianti medio grandi ( > 50.000 a.e.) a causa dei costi di gestione (energetici).

4) Disidratazione

Il processo di disidratazione comporta la diminuzione di volume e peso dei fanghi, diminuendo la sua umidità e aumentandone il potere calorifico. Dopo questa fase il fango non si presenta più allo stato liquido, ma acquista una consistenza tipo terriccio, potendo essere così mosso con mezzi meccanici.

La disidratazione avviene generalmente per via meccanica, ad esempio con filtrazione o centrifugazione, e più raramente con processi naturali come i letti di drenaggio.

• Filtropresse a nastro (o nastropresse): si compone di due nastri ruotanti, in cui quello superiore esercita una pressione sul fango, mentre quello inferiore è filtrante, causando così la separazione acqua-solido. È formato dalla zona di drenaggio, dalla zona a bassa pressione e da quella ad altra pressione. La disidratazione avviene in continuo.

Fig. 3: Schema di un digestore anaerobico.

Fig. 4: Esempio di una nastropresa.

• Filtropresse a piastre (anche dette a camere): questa filtropressa è basta su un meccanismo a piastre, una vicina all’altra e rivestite di tele filtranti. Il fango viene immesso ad alta pressione tra le piastre, queste ultime vengono pressate, forzando così l’uscita della parte acquosa dalla tela filtrante. Finito un ciclo (riempimento, pressurizzazione e distacco dei pannelli) si deve procedere alla pulizia delle piastre. Generalmente l’eliminazione del fango rimasto sulla piastra viene fatto in modo automatico, ma a volte è necessario un operatore per rimuovere le parti che non si sono completamente distaccate. Si tratta dunque di un meccanismo non continuo, ma a cicli di che possono variare dalle 1.5 ore alle 6 ore.

Questo metodo permette di ottenere elevati tenori di secco, maggiori del 30%. Esiste un’ulteriore opzione con un pacco piastre misto a membrana, questa viene gonfiata, permettendo di avere un’ulteriore tappa di disidratazione.

Fig. 5: Filtropressa a piastre.

• Centrifuga: con questo metodo viene sfruttata la forza centrifuga. Il fango viene immesso in un cestello, che ruotando spinge i solidi verso l’esterno ed il centrato verso l’asse di rotazione, da dove fuoriesce. Le centrifughe lavorano in continuo e al contrario di altri metodi, sono chiuse, evitando problemi di odori. Sono però più rumorose e il centrifugato contiene molte particelle di piccole dimensioni.

Questo tipo di ispessimento risulta molto più veloce di uno a gravità, ma necessità un condizionamento con dei polielettroliti.

Fig. 6: Schema centrifuga.

In conclusione, i parametri che influenzano una buona disidratabilità del fango e quindi i processi di condizionamento e disidratazione sono:

il pH, che influenza la ionizzazione dei gruppi funzionali sulle particelle e quindi la loro carica
il contenuto di acqua legata
il contenuto di sostanza organica e EPS (necessari per la stabilizzazione del fiocco, se eccessivi però peggiorano il processo di disidratazione e portano a una diminuzione del tenore di secco)
la concentrazione e la granulometria dei solidi in sospensione. Più sono fini, meno efficace è la disidratazione.
il tipo di fango
la tipologia di condizionanti utilizzati
la resistenza meccanica dei fiocchi
il grado di miscelazione

5) Smaltimento

I fanghi residui possono ora essere smaltiti via inceneritore per la loro termovalorizzazione o in discariche specializzate.

In Svizzera il divieto di usare i fanghi di depurazione per concimare suoli agricoli è stato introdotto nel 2006.