Oggi il trattamento delle acque riveste un'importanza basilare: le fonti per il rifornimento idrico risultano insufficienti e in parte sono rese inutilizzabili dall'inquinamento. D’altro lato, la nostra società richiede quantitativi di acqua sempre maggiori e con determinate caratteristiche di purezza. Per queste ragioni si sono intensificate negli ultimi anni le attività di ricerca per individuare tecnologie per una sempre più efficace depurazione delle acque, sia per gli usi civili che per quelli industriali. E i gas svolgono oggi, in questo contesto, un ruolo fondamentale.
I gas nel settore del trattamento delle acque trovano impiego in diverse e numerose applicazioni, dalla depurazione ai trattamenti delle acque reflue (civili e/o industriali), alle tecnologie di raffinazione finalizzate al miglioramento delle caratteristiche qualitative delle acque (riutilizzo e/o potabilizzazione). La ricerca costante di nuovi utilizzi dei gas in questo settore, è la risposta alle più recenti esigenze: la scarsità di risorse idriche potabili e direttamente utilizzabili, il continuo aggiornamento normativo che impone per le acque standard qualitativi e quantitativi sempre più restrittivi.
Nel trattamento delle acque i gas prevalentemente utilizzati sono l’ossigeno e l’anidride carbonica, alleati preziosi nella risoluzione, in particolare, delle problematiche di:
- depurazione di scarichi civili ed industriali;
- trattamenti acque di falda;
- potabilizzazione;
- trattamento dei fanghi di depurazione biologica;
- disinfezione.
Recentemente sono state utilizzate tecnologie per la dissoluzione dei gas in applicazioni innovative nei settori del riuso/potabilizzazione e dearsenificazione delle acque e nel trattamento dei fanghi biologici con ozono. Ma vediamo nel dettaglio alcune innovative applicazioni.
Ossigeno nel trattamento delle acque
L’ossigenazione con utilizzo di O2 puro in depurazione trova applicazione soprattutto per le vasche di ossidazione biologica a fanghi attivi, per le vasche di accumulo, per la prevenzione degli odori, per la pre-ossidazione, per la stabilizzazione aerobica dei fanghi. Il fabbisogno di ossigeno è un parametro fondamentale per il corretto funzionamento e dimensionamento dei bacini biologici. Alla sua carenza sono attribuibili infatti le più comuni problematiche riscontrate nei comparti aerati, che possono essere ricondotte sia a variazioni dell’acqua da trattare (variazioni del carico inquinante) sia ad una minore resa dei sistemi di aerazione (non più adeguati rispetto alle mutate esigenze di trattamento dell’impianto). La tecnologia Sapio utilizzata in tali applicazioni è il sistema Oxy-dep®. Le ragioni del suo successo sono dovute alla grande affidabilità, alla buona resa di dissoluzione dell’O2, oltre al rendimento energetico che, a parità di impegno elettrico, permette una dissoluzione di ossigeno molto maggiore rispetto ai sistemi ad aria. L’installazione dell’Oxy-dep® è possibile anche su impianti già esistenti non richiedendo lo svuotamento delle vasche ed essendo adattabile a qualsiasi configurazione preesistente. Tale sistema è disponibile in due configurazioni, quella fissa e quella mobile (skid). In entrambe è costituito da una pompa di ricircolo refluo (esterna nell’oxy-dep® fisso e sommergibile nello skid), da uno o più venturi, per l’iniezione dell’O2 e la sua miscelazione con il refluo e da una serie di ugelli ed eiettori che permettono la miscelazione liquido-liquido nel bacino.
Anidride Carbonica nel trattamento delle acque
La continua ricerca di nuove soluzioni e le numerose installazioni realizzate hanno condotto alla scelta dei diffusori a bolle fini quali migliori sistemi di dissoluzione della CO2 in acqua. I piattelli vengono installati sul fondo della vasca e la dissoluzione e diffusione del gas avviene sfruttando la normale pressione di esercizio del serbatoio di stoccaggio e il battente idraulico della colonna d’acqua sovrastante, evitando quindi l’utilizzo di pompe di ricircolo. Il tutto comporta un notevole risparmio energetico.
Le applicazioni più diffuse della CO2 sono:
- La neutralizzazione di acque alcaline
• Industriali, per esempio derivanti da produzioni tessili, in cui si hanno trattamenti che utilizzano soda (= mercerizzo);
• Potabili, per esempio nei trattamenti di acque da sottoporre a dearsenificazione;
- La ricarbonatazione delle acque
• Potabili, poiché le acque che hanno subito trattamenti aggressivi di depurazione devono spesso essere reintegrate nel contenuto di carbonati e bicarbonati.
Ozono nel trattamento delle acque
L’ozono è una molecola costituita da tre atomi di ossigeno (O3) ed è uno dei più forti ossidanti disponibili con un potenziale di ossidazione (1,36 V) inferiore soltanto al fluoro (2,07 V); gode inoltre di una notevole attività battericida, virucida e fungicida. Oltre all’azione sui composti di natura organica e microrganismi patogeni, l’ozono riesce ad incrementare lo stato di ossidazione di alcune specie metalliche, che nella loro forma ossidata risultano molto meno solubili in acqua e quindi facilmente separabili da essa per precipitazione. Questa notevole reattività nei confronti di altre sostanze costituisce il più importante interesse commerciale per tale composto. Essendo l’O3 un gas instabile e fortemente reattivo, non può essere stoccato, ma deve essere prodotto in campo grazie ad un generatore di ozono, che si basa sul principio fisico dell’effetto corona (O2 molecolare sottoposto ad una scarica elettrica genera radicali ossigeno, che ricombinandosi con altro O2 molecolare formano O3). La resa di conversione da O2 puro a O3 è < 10% (la resa di conversione da aria è di circa il 3-4%). Questo significa che a partire da 100 gO2 si ottengono al massimo 10gO3, i restanti 90gO2 fuoriescono come OFF-GAS. Le applicazioni più diffuse dell’O3 sono:
- La disinfezione di acque
• Industriali, per esempio, per il loro riutilizzo nei processi produttivi interni allo stabilimento;
• Potabili, nei trattamenti finali delle acque. Un acqua potabile per definizione deve essere inodore, insapore ed incolore. Essa però può non possedere tali caratteristiche a causa della presenza di sostanze, o di origine naturale o di origine chimica, con le quali vengono in contatto. Su tali composti l’O3 si dimostra particolarmente efficace, offrendo quindi una soluzione valida al problema;
• Per il riutilizzo di acque in agricoltura.
- L’ossidazione delle acque industriali
• Pre-ossidazione di composti potenzialmente tossici ai fanghi biologici (per esempio pesticidi);
• Post-ossidazione di sostanze non biodegradabili (per esempio abbattimento tensioattivi dopo processi di lavaggio industriale);
• Decolorazione di acque di tintoria/conceria.
Il dosaggio di ozono, il processo e la tecnologia da utilizzare sono stabiliti in funzione degli obiettivi qualitativi da raggiungere e dalle caratteristiche peculiari dell’acqua da trattare.
Ozono nel trattamento dei fanghi
Lo smaltimento dei fanghi biologici derivanti dai processi di depurazione delle acque è divenuto, per aziende e gestori, un problema sempre più importante da affrontare. Ciò sia a causa delle normative sempre più restrittive circa la destinazione finale dei fanghi sia dell’aumento del prezzo di smaltimento (circa 40% della spesa per l’intero trattamento di depurazione acque). In risposta alle nuove esigenze di mercato, il Gruppo Sapio ha implementato la ricerca in tale ambito installando impianti pilota per la riduzione della quantità dei fanghi prodotti attraverso la somministrazione controllata di ozono nei fanghi stessi. L’ozono disciolto e messo a contatto con i fanghi (ricircolati mediante una pompa, essi passano attraverso un venturi che aspira il gas e lo immette nei fanghi stessi) ha un’azione di ossidazione e di distruzione (lisi) delle cellule batteriche. I batteri, in questa condizione di stress biologico indotto da tale aggressione, riducono le loro attività di moltiplicazione, diminuendo così la produzione dei fanghi. Il gas ed i batteri, mantenuti in contatto per un tempo sufficiente, garantiscono la massima resa del processo. L’O3 attacca inoltre i microrganismi a lunga catena (filamentosi), batteri non utili biologicamente alla rimozione degli inquinanti ma addirittura responsabili del malfunzionamento dell’impianto (non sedimentabilità del fango).
Descrizione sintetica della tecnologia
La tecnologia applicata prevede l’intimo contatto tra il gas prodotto ed i fanghi biologici. Il sistema di ozonolisi richiede di trovare un punto di lavoro bilanciato tra tutte le variabili di funzionamento, che possono avere influenze più o meno importanti sul processo biologico globale. E’ fondamentale, infatti, valutare la massima percentuale ammissibile di riduzione dei fanghi in funzione del dosaggio di ozono, delle portate di refluo da trattare, dell’impatto sull’intero ciclo depurativo, dei limiti di scarico e del bilancio costi/benefici dell’applicazione. Per ottimizzare ulteriormente la resa economica di questa nuova tecnologia, Sapio ha previsto la possibilità di abbinare a quest’ultima un sistema di riutilizzo dell’ossigeno (OFF-GAS in uscita dal processo) che è >90% dell’O2 in ingresso al generatore di ozono. L’ossigeno recuperato può essere quindi riutilizzato all’interno del normale ciclo di depurazione del refluo nei comparti aerati. Le tecnologie per la dissoluzione e diffusione dell’ozono attualmente applicate da Sapio sono:
- sistemi di dissoluzione O3 attraverso venturi, che aspira il gas e lo invia, tramite una tubazione, ad un sistema di contatto (serbatoio in pressione o vasca aperta) opportunamente dimensionato;
- sistemi di dissoluzione O3 mediante diffusori a microbolle in materiale idoneo, installati in una vasca/serbatoio di contatto oppure sul fondo di una colonna a bolle (di altezza adeguata).
L’utilizzo di Ozono per ciascuna di queste applicazioni esclude la formazione di suoi sottoprodotti difficilmente controllabili durante il processo (l’O3 si trasforma nuovamente in O2 molecolare dopo la reazione in cui ossida gli altri composti). L’O3 inoltre non pone vincoli all’utilizzo contemporaneo di altre soluzioni che possono compensare e completare il suo effetto.
Vantaggi dell’ozonolisi
L’azione di lisi cellulare data dall’ozono induce sia una riduzione della quantità del fango, sia un miglioramento qualitativo dello stesso mediante l’eliminazione progressiva degli individui batterici più deboli e vecchi che essendo meno attivi biologicamente contribuiscono in misura modesta alla rimozione del carico inquinante.
I risultati che si ottengono sono quindi riassumibili in:
- riduzione della quantità di fango prodotto;
- miglioramento dell’efficienza del reattore biologico dovuta alla migliore qualità del fango;
- riduzione del bulking filamentoso con miglioramento della sedimentabilità dei fanghi.
Nel trattamento delle acque i gas prevalentemente utilizzati sono l’ossigeno e l’anidride carbonica, alleati preziosi nella risoluzione, in particolare, delle problematiche di:
- depurazione di scarichi civili ed industriali;
- trattamenti acque di falda;
- potabilizzazione;
- trattamento dei fanghi di depurazione biologica;
- disinfezione.
Recentemente sono state utilizzate tecnologie per la dissoluzione dei gas in applicazioni innovative nei settori del riuso/potabilizzazione e dearsenificazione delle acque e nel trattamento dei fanghi biologici con ozono. Ma vediamo nel dettaglio alcune innovative applicazioni.
Ossigeno nel trattamento delle acque
L’ossigenazione con utilizzo di O2 puro in depurazione trova applicazione soprattutto per le vasche di ossidazione biologica a fanghi attivi, per le vasche di accumulo, per la prevenzione degli odori, per la pre-ossidazione, per la stabilizzazione aerobica dei fanghi. Il fabbisogno di ossigeno è un parametro fondamentale per il corretto funzionamento e dimensionamento dei bacini biologici. Alla sua carenza sono attribuibili infatti le più comuni problematiche riscontrate nei comparti aerati, che possono essere ricondotte sia a variazioni dell’acqua da trattare (variazioni del carico inquinante) sia ad una minore resa dei sistemi di aerazione (non più adeguati rispetto alle mutate esigenze di trattamento dell’impianto). La tecnologia Sapio utilizzata in tali applicazioni è il sistema Oxy-dep®. Le ragioni del suo successo sono dovute alla grande affidabilità, alla buona resa di dissoluzione dell’O2, oltre al rendimento energetico che, a parità di impegno elettrico, permette una dissoluzione di ossigeno molto maggiore rispetto ai sistemi ad aria. L’installazione dell’Oxy-dep® è possibile anche su impianti già esistenti non richiedendo lo svuotamento delle vasche ed essendo adattabile a qualsiasi configurazione preesistente. Tale sistema è disponibile in due configurazioni, quella fissa e quella mobile (skid). In entrambe è costituito da una pompa di ricircolo refluo (esterna nell’oxy-dep® fisso e sommergibile nello skid), da uno o più venturi, per l’iniezione dell’O2 e la sua miscelazione con il refluo e da una serie di ugelli ed eiettori che permettono la miscelazione liquido-liquido nel bacino.
Anidride Carbonica nel trattamento delle acque
La continua ricerca di nuove soluzioni e le numerose installazioni realizzate hanno condotto alla scelta dei diffusori a bolle fini quali migliori sistemi di dissoluzione della CO2 in acqua. I piattelli vengono installati sul fondo della vasca e la dissoluzione e diffusione del gas avviene sfruttando la normale pressione di esercizio del serbatoio di stoccaggio e il battente idraulico della colonna d’acqua sovrastante, evitando quindi l’utilizzo di pompe di ricircolo. Il tutto comporta un notevole risparmio energetico.
Le applicazioni più diffuse della CO2 sono:
- La neutralizzazione di acque alcaline• Industriali, per esempio derivanti da produzioni tessili, in cui si hanno trattamenti che utilizzano soda (= mercerizzo);
• Potabili, per esempio nei trattamenti di acque da sottoporre a dearsenificazione;
- La ricarbonatazione delle acque
• Potabili, poiché le acque che hanno subito trattamenti aggressivi di depurazione devono spesso essere reintegrate nel contenuto di carbonati e bicarbonati.
Ozono nel trattamento delle acque
L’ozono è una molecola costituita da tre atomi di ossigeno (O3) ed è uno dei più forti ossidanti disponibili con un potenziale di ossidazione (1,36 V) inferiore soltanto al fluoro (2,07 V); gode inoltre di una notevole attività battericida, virucida e fungicida. Oltre all’azione sui composti di natura organica e microrganismi patogeni, l’ozono riesce ad incrementare lo stato di ossidazione di alcune specie metalliche, che nella loro forma ossidata risultano molto meno solubili in acqua e quindi facilmente separabili da essa per precipitazione. Questa notevole reattività nei confronti di altre sostanze costituisce il più importante interesse commerciale per tale composto. Essendo l’O3 un gas instabile e fortemente reattivo, non può essere stoccato, ma deve essere prodotto in campo grazie ad un generatore di ozono, che si basa sul principio fisico dell’effetto corona (O2 molecolare sottoposto ad una scarica elettrica genera radicali ossigeno, che ricombinandosi con altro O2 molecolare formano O3). La resa di conversione da O2 puro a O3 è < 10% (la resa di conversione da aria è di circa il 3-4%). Questo significa che a partire da 100 gO2 si ottengono al massimo 10gO3, i restanti 90gO2 fuoriescono come OFF-GAS. Le applicazioni più diffuse dell’O3 sono:
- La disinfezione di acque
• Industriali, per esempio, per il loro riutilizzo nei processi produttivi interni allo stabilimento;
• Potabili, nei trattamenti finali delle acque. Un acqua potabile per definizione deve essere inodore, insapore ed incolore. Essa però può non possedere tali caratteristiche a causa della presenza di sostanze, o di origine naturale o di origine chimica, con le quali vengono in contatto. Su tali composti l’O3 si dimostra particolarmente efficace, offrendo quindi una soluzione valida al problema;
• Per il riutilizzo di acque in agricoltura.
- L’ossidazione delle acque industriali
• Pre-ossidazione di composti potenzialmente tossici ai fanghi biologici (per esempio pesticidi);
• Post-ossidazione di sostanze non biodegradabili (per esempio abbattimento tensioattivi dopo processi di lavaggio industriale);
• Decolorazione di acque di tintoria/conceria.
Il dosaggio di ozono, il processo e la tecnologia da utilizzare sono stabiliti in funzione degli obiettivi qualitativi da raggiungere e dalle caratteristiche peculiari dell’acqua da trattare.
Ozono nel trattamento dei fanghi
Lo smaltimento dei fanghi biologici derivanti dai processi di depurazione delle acque è divenuto, per aziende e gestori, un problema sempre più importante da affrontare. Ciò sia a causa delle normative sempre più restrittive circa la destinazione finale dei fanghi sia dell’aumento del prezzo di smaltimento (circa 40% della spesa per l’intero trattamento di depurazione acque). In risposta alle nuove esigenze di mercato, il Gruppo Sapio ha implementato la ricerca in tale ambito installando impianti pilota per la riduzione della quantità dei fanghi prodotti attraverso la somministrazione controllata di ozono nei fanghi stessi. L’ozono disciolto e messo a contatto con i fanghi (ricircolati mediante una pompa, essi passano attraverso un venturi che aspira il gas e lo immette nei fanghi stessi) ha un’azione di ossidazione e di distruzione (lisi) delle cellule batteriche. I batteri, in questa condizione di stress biologico indotto da tale aggressione, riducono le loro attività di moltiplicazione, diminuendo così la produzione dei fanghi. Il gas ed i batteri, mantenuti in contatto per un tempo sufficiente, garantiscono la massima resa del processo. L’O3 attacca inoltre i microrganismi a lunga catena (filamentosi), batteri non utili biologicamente alla rimozione degli inquinanti ma addirittura responsabili del malfunzionamento dell’impianto (non sedimentabilità del fango).
Descrizione sintetica della tecnologia
La tecnologia applicata prevede l’intimo contatto tra il gas prodotto ed i fanghi biologici. Il sistema di ozonolisi richiede di trovare un punto di lavoro bilanciato tra tutte le variabili di funzionamento, che possono avere influenze più o meno importanti sul processo biologico globale. E’ fondamentale, infatti, valutare la massima percentuale ammissibile di riduzione dei fanghi in funzione del dosaggio di ozono, delle portate di refluo da trattare, dell’impatto sull’intero ciclo depurativo, dei limiti di scarico e del bilancio costi/benefici dell’applicazione. Per ottimizzare ulteriormente la resa economica di questa nuova tecnologia, Sapio ha previsto la possibilità di abbinare a quest’ultima un sistema di riutilizzo dell’ossigeno (OFF-GAS in uscita dal processo) che è >90% dell’O2 in ingresso al generatore di ozono. L’ossigeno recuperato può essere quindi riutilizzato all’interno del normale ciclo di depurazione del refluo nei comparti aerati. Le tecnologie per la dissoluzione e diffusione dell’ozono attualmente applicate da Sapio sono:
- sistemi di dissoluzione O3 attraverso venturi, che aspira il gas e lo invia, tramite una tubazione, ad un sistema di contatto (serbatoio in pressione o vasca aperta) opportunamente dimensionato;
- sistemi di dissoluzione O3 mediante diffusori a microbolle in materiale idoneo, installati in una vasca/serbatoio di contatto oppure sul fondo di una colonna a bolle (di altezza adeguata).
L’utilizzo di Ozono per ciascuna di queste applicazioni esclude la formazione di suoi sottoprodotti difficilmente controllabili durante il processo (l’O3 si trasforma nuovamente in O2 molecolare dopo la reazione in cui ossida gli altri composti). L’O3 inoltre non pone vincoli all’utilizzo contemporaneo di altre soluzioni che possono compensare e completare il suo effetto.
Vantaggi dell’ozonolisi
L’azione di lisi cellulare data dall’ozono induce sia una riduzione della quantità del fango, sia un miglioramento qualitativo dello stesso mediante l’eliminazione progressiva degli individui batterici più deboli e vecchi che essendo meno attivi biologicamente contribuiscono in misura modesta alla rimozione del carico inquinante.
I risultati che si ottengono sono quindi riassumibili in:
- riduzione della quantità di fango prodotto;
- miglioramento dell’efficienza del reattore biologico dovuta alla migliore qualità del fango;
- riduzione del bulking filamentoso con miglioramento della sedimentabilità dei fanghi.