Smaltimento dei liquami Insieme dei processi impiegati per raccogliere, trattare e depurare le acque di scarico civili e industriali. Il problema della depurazione delle acque è emerso in maniera evidente a partire dagli inizi degli anni Settanta, con la presa di coscienza dei problemi legati all'inquinamento ambientale e alla contaminazione dei fiumi, dei laghi, degli oceani e delle falde acquifere con rifiuti domestici, urbani, agricoli e industriali.

2 CENNI STORICI

Soluzioni per lo smaltimento dei liquami domestici vengono elaborate dall'uomo fin dall'antichità. Tra le rovine dell'antica civiltà cretese e delle città assire sono stati rinvenuti piccoli fossi entro cui venivano convogliate le acque nere, mentre i canali di scolo delle acque piovane costruiti dagli antichi romani funzionano ancora oggi come condotti di drenaggio. Verso la fine del Medioevo, in Europa, alcuni privati cominciarono a farsi costruire vasche di raccolta per i liquami domestici. Una volta piene, queste vasche, che erano una sorta di prototipo dei futuri pozzi neri, venivano fatte svuotare a spese del committente e i liquami prelevati venivano utilizzati per concimare i campi o scaricati nei fiumi o su terreni abbandonati.

Qualche secolo più tardi si tornò a costruire, ai bordi delle strade, piccoli canali di scolo per le acque piovane, nei quali, in un primo tempo, fu tassativamente proibito riversare qualsiasi tipo di liquame domestico. Agli inizi del XIX secolo si comprese, tuttavia, che dal punto di vista sanitario e della difesa della salute pubblica lo scarico di escrementi umani in canali dilavati dalle acque meteoriche sarebbe stata una misura più efficace di altre. Fu così che tra il 1859 e il 1875 a Londra venne realizzato un sistema di canali artificiali per convogliare i liquami e le acque piovane verso il tratto inferiore del Tamigi. Più tardi, lo sviluppo di sistemi avanzati di erogazione delle acque, ovvero di acquedotti e di impianti idraulici domestici, consentì la progettazione e la realizzazione dei moderni gabinetti dotati di sciacquone e dei complessi sistemi fognari che ancora oggi caratterizzano gran parte dei centri urbani occidentali.

Agli inizi del XX secolo alcune amministrazioni comunali e alcuni imprenditori riconobbero che scaricare le acque di scolo direttamente nei corpi idrici poteva causare danni alla salute dell'uomo, e fu così che vennero realizzati i primi impianti di depurazione, basati su un sistema prima a filtri e poi, a partire dagli anni Venti, a fanghi attivi. Gli impianti a fanghi attivi, inizialmente sviluppati in Gran Bretagna, costituiscono ancora oggi uno dei sistemi di depurazione più diffusi. A partire dagli anni Settanta in molti paesi, e soprattutto in quelli industrializzati, a essi sono stati affiancati processi di trattamento chimico delle acque, come la clorazione. Nelle aree rurali e suburbane si usano, invece, ancora i pozzi neri.

3 RACCOLTA DELLE ACQUE DI SCARICO

Le acque reflue vengono raccolte e convogliate ai depuratori mediante una rete di tubazioni e canalizzazioni classificate in base al tipo di liquame che trasportano. In alcuni casi le acque di scarico urbane (acque nere) e l'acqua piovana (acque bianche) vengono fatte scorrere dentro uno stesso sistema di condotti, detti a canalizzazione unica, particolarmente diffusi nei centri storici urbani. In altri casi i due tipi di acque vengono raccolti in sistemi di canalizzazione separati, in modo da consentire uno smaltimento più efficiente dei liquami, in quanto, così facendo, è possibile ridurre il carico di liquidi introdotto negli impianti di depurazione ed evitare che i canali di trasporto, non riuscendo a contenere i volumi di acque nere e bianche che vi si riversano, tracimino inquinando le aree limitrofe. In alcune città questo inconveniente è stato risolto, in modo più economico, dotando il centro urbano di grandi bacini di raccolta, perlopiù sotterranei, in cui sia le acque nere sia quelle bianche vengono raccolte per essere poi gradualmente ripompate nel comune sistema fognario.

La rete fognaria è solitamente costituita da un complesso sistema di canalizzazioni (fogne, collettori ed emissari). Le tubature che collegano le abitazioni domestiche alla rete sono generalmente in ghisa o in materiale plastico (PVC) e misurano in genere 8-10 cm di diametro. Queste tubature convogliano i liquami verso condotti più larghi, installati sotto la linea mediana delle sedi stradali a una profondità media di circa 2 m. A seconda delle dimensioni, queste condutture possono essere costruite in laterizi, cemento o cemento armato. All'interno dei canali i liquami scorrono per effetto della forza di gravità e non spinti dalla pressione indotta da pompe, come invece avviene nei sistemi di erogazione dell'acqua potabile. Per questo motivo le tubazioni devono essere alloggiate con un'inclinazione tale da consentire ai liquami di scorrere a una velocità di almeno 0,5 m/sec, indispensabile a evitare che i materiali solidi si sedimentino e finiscano con l'ostruire le condutture. I condotti che trasportano le acque bianche hanno in genere un diametro molto maggiore rispetto a quello dei condotti che trasportano le acque nere. In alcuni casi i liquami vengono ripescati da stazioni di pompaggio, o sifoni rovesciati, e fatti scorrere, per effetto della pressione prodotta da speciali pompe, in sistemi di tubazioni dette "di mandata". Attraverso una serie di sifoni e condotti principali, generalmente in mattoni o cemento armato e del diametro di 6 m o poco meno, i liquami giungono, infine, nei collettori degli impianti di depurazione.

4 NATURA DELLE ACQUE DI SCARICO

Le acque di scarico urbane e industriali contengono materiali inquinanti in percentuali variabili a seconda della loro origine. Le origini, la composizione e i volumi dei diversi tipi di liquami sono strettamente legati allo stile di vita delle comunità che li producono.

4.1 Origini e quantità

Insediamenti urbani, impianti industriali, precipitazioni e falde acquifere producono acque di scarico definite in vari modi in base alla loro origine.

Le acque di scarico urbane sono quelle contenenti detersivi, detergenti, escrementi e resti di cibo, prodotte dai cittadini all'interno delle proprie abitazioni o degli impianti civili pubblici e ricreativi. In Italia ogni cittadino produce in media ogni giorno circa 200 l di scarichi (negli Stati Uniti il volume giornalmente prodotto pro capite è di circa 950 l). Le acque di scarico industriali presentano, in genere, caratteristiche molto differenti a seconda del tipo di processo industriale da cui provengono e del tipo di trattamento, ossia di parziale depurazione, a cui sono state sottoposte prima di venire scaricate nella sede fognaria. Un'acciaieria, ad esempio, può rilasciare da 6000 a 150.000 l di acque reflue per ogni tonnellata di acciaio prodotto. Gli impianti in cui le acque di scarico vengono riciclate e reintrodotte nei processi di trasformazione producono volumi di acque reflue notevolmente inferiori rispetto ai convenzionali impianti a ciclo aperto.

Quando le fognature sono situate al di sotto delle falde acquifere, o quando l'acqua piovana riesce a percolare attraverso il terreno fino ai canali di trasporto, nelle tubazioni si infiltrano a volte volumi di acqua che contribuiscono ad accrescere il carico in entrata dei sistemi di canalizzazione e di depurazione. La capacità dell'ambiente e dei sistemi di scolo di drenare le acque meteoriche dipende dal regime delle precipitazioni e dalla capacità di raccolta dei bacini idrici.

Giornalmente, in un'area urbana viene prodotto in media un volume di acque di scarico pari all'80-90% del volume totale dell'acqua erogata, ovvero consumata, nella stessa area (dotazione idrica); il restante 10-20% viene assorbito da attività e processi di vario tipo (lavaggio delle automobili, irrigazione dei giardini e processi produttivi vari, come l'inscatolamento di prodotti agroalimentari e l'imbottigliamento di bevande o detergenti).

5 COMPOSIZIONE DELLE ACQUE DI SCARICO

Il grado di inquinamento delle acque di scarico viene misurato in base a diversi parametri fisici, chimici e biologici. Tra quelli più ampiamente utilizzati vi sono quelli relativi al tipo di materiali solidi presenti nell'acqua e alla loro relativa concentrazione, il consumo di ossigeno microbiologico (BOD), il consumo di ossigeno per ossidazione chimica (COD) e il pH.

Tutte le acque di scarico contengono materiali solidi disciolti o in sospensione. I materiali disciolti sono in pratica quelli che non possono essere filtrati neppure con una carta filtrante, che è, invece, in grado di trattenere i materiali in sospensione. I materiali in sospensione vengono definiti decantabili o non decantabili in base al numero di milligrammi di materia secca depositatasi in un'ora sul fondo di un recipiente contenente un litro di liquame. Tutti i materiali solidi possono essere, inoltre, suddivisi in materiali volatili e materiali non volatili; quelli volatili sono in genere composti da elementi organici, mentre quelli non volatili sono perlopiù formati da elementi inorganici o minerali.

La concentrazione di materia organica viene determinata in base al BOD e al COD. Il BOD5 equivale alla quantità di ossigeno consumata dai batteri decompositori di sostanze organiche contenuti in un campione di liquame incubato per 5 giorni a 20 °C; il BOD è espresso in milligrammi di ossigeno per litro d'acqua. Il COD equivale alla quantità di ossigeno consumato per ossidare chimicamente la materia organica in soluzione acida di dicromato e per trasformarla in acqua e anidride carbonica. I valori del COD risultano sempre più alti di quelli del BOD5, dato che molte sostanze organiche possono essere ossidate chimicamente, ma non biologicamente. Il BOD5 è il parametro più comunemente utilizzato per determinare il grado di inquinamento da materia organica biodegradabile, mentre il COD viene in genere impiegato per valutare il grado di inquinamento da materia organica non biodegradabile o da composti in grado di inibire l'attività di degradazione dei microrganismi. Il pH è il parametro che indica il grado di acidità dei liquami. La materia organica presente nei liquami domestici è costituita, nella maggior parte dei casi, per il 50% da carboidrati, per il 40% da proteine e per il 10% da grassi; il pH dei liquami domestici è in genere pari a 6,5-8,0.

La natura e la composizione estremamente eterogenea delle acque di scarico provenienti dagli impianti industriali non consentono di definirne il grado di inquinamento semplicemente in base a una scala di valori comune, ma spesso richiedono parametri di tipo comparativo. Di norma si cerca di stabilire quanti individui sommati (popolazione equivalente, o PE) potrebbero arrivare a produrre la stessa quantità di materiale inquinante; il PE viene solitamente espresso in termini di BOD5. Come parametro di confronto per la valutazione dei valori di PE viene utilizzato un valore medio di BOD pari a 0,077 kg/5 giorni a 20 °C per persona al giorno. In questo caso il valore PE di un mattatoio si aggirerebbe, ad esempio, intorno a 5-25 per animale.

La composizione delle infiltrazioni percolanti nelle fognature è legata a quella delle acque di falda da cui derivano. Le acque meteoriche presentano in genere elevate concentrazioni di batteri, sostanze grasse e sostanze chimiche organiche.

6 TRATTAMENTO DELLE ACQUE DI SCARICO

Gli impianti di depurazione delle acque sono composti da una serie più o meno complessa di unità di processo, riunite in tre fasi dette trattamento primario, secondario e terziario; ogni singolo processo rimuove uno o alcuni tipi di inquinanti.

6.1 Trattamento primario

I liquami immessi nell'impianto di depurazione contengono residui grossolani (detriti e frammenti di materiali inerti) che, se non rimossi, potrebbero intasarne le tubature e danneggiarne le pompe o altre apparecchiature. Per evitare ciò, questi materiali vengono rimossi mediante una serie di griglie e barre e, quindi, prelevati meccanicamente o manualmente e inceneriti o stoccati in discarica. I liquami filtrati vengono, invece, immessi in un trituratore, che sminuzza le foglie e le altre scorie organiche per agevolare la rimozione degli inquinanti organici nelle fasi successive del trattamento.

6.1.1 Dissabbiatura

Alla fase di grigliatura segue quella di dissabbiatura in cui sabbie, polveri, scorie, ghiaia e ceneri vengono rimosse mediante sedimentazione in appositi canali o per effetto della forza centrifuga in appositi vasconi circolari. In queste speciali vasche le particelle inorganiche di diametro superiore a 0,2 mm vengono fatte sedimentare sul fondo, mentre quelle più piccole e gran parte della materia organica rimangono in sospensione nel liquame. Gli impianti più moderni sono dotati di unità dissabbiatrici a gravità, di centrifughe o di chiarificatori provvisti di raschiatori meccanici. Nelle vasche a gravità l'aria finemente dispersa, immessa attraverso speciali ugelli, imprime all'acqua un moto a spirale che provoca la separazione dei solidi pesanti e una più netta separazione dei materiali organici. Le unità centrifughe sono, in pratica, dei cicloni e l'acqua viene immessa tangenzialmente in un contenitore cilindrico-conico in cui, per effetto della forza centrifuga, i materiali pesanti sono sospinti verso la parete esterna e cadono verso il basso, mentre l'acqua fuoriesce da un collettore disposto al centro. Le sabbie depositatesi vengono quindi rimosse dall'impianto e stoccate in discarica. Da ogni 4 milioni di litri di liquami vengono estratti, in media, da 0,1 a 0,25 m3 di sabbie.

6.1.2 Disoleatura

Questa operazione consente di rimuovere gli oli, i grassi e le altre sostanze più leggere dell'acqua (saponi, sughero, frammenti vegetali) mediante decantazione e successiva schiumatura delle fasi galleggianti.

6.1.3 Sedimentazione

Dopo la disoleatura i liquami passano in una vasca di quiete idraulica, o sedimentatore, in cui la materia organica e inorganica più minuta viene lasciata sedimentare sul fondo. I fanghi biologici depositati vengono, quindi, rimossi mediante raschiatori meccanici o tubi aspiranti. Grazie al processo di sedimentazione è possibile rimuovere circa il 20-40% del BOD e circa il 40-60% dei materiali solidi in sospensione.

Per accelerare il processo di sedimentazione e per consentire la sedimentazione dei materiali colloidali, in alcuni casi vengono aggiunte ai liquami particolari sostanze chimiche (come il solfato di alluminio e il cloruro di ferro) o poli-elettroliti in grado di destabilizzare le cariche superficiali delle molecole delle particelle inquinanti e di favorirne, così, l'aggregazione e la precipitazione. I due processi coinvolti, detti di coagulazione e di flocculazione (ovvero di aggregazione delle particelle solide in sospensione) consentono di rimuovere dai liquami più dell'80% dei materiali solidi in sospensione.

6.1.4 Flottazione

La flottazione è l'inverso della sedimentazione e consiste nel portare in superficie, all'interno di apposite vasche, i materiali in sospensione con un peso specifico prossimo a quello dell'acqua. I liquami vengono saturati d'aria sotto una pressione di 1,75-3,5 kg per cm2 e quindi convogliati in una vasca a cielo aperto, dove le bollicine di aria attaccatesi alle particelle degli inquinanti ne provocano la risalita in superficie. Uno sfioratore provvede a rimuovere il materiale galleggiante. Il processo di flottazione consente di rimuovere oltre il 75% dei materiali solidi in sospensione.

La prima fase del trattamento di depurazione può comprendere anche altri passaggi di separazione fisica (o meccanica) dei materiali inquinanti, come il processo di filtrazione e di centrifugazione.

6.1.5 Essiccamento

In ogni fase del processo di depurazione vengono prodotti materiali di scarto (fanghi), che prima di essere smaltiti in discarica vengono sottoposti a un particolare trattamento, finalizzato soprattutto a ridurne il volume. I fanghi vengono ispessiti, omogeneizzati e quindi disidratati, esponendoli su letti di sabbia installati all'aperto (nelle aree secche e relativamente calde) o in speciali camere riscaldate artificialmente, simili a serre. L'essiccamento avviene per effetto della percolazione dei liquidi nella sabbia e della loro evaporazione. In alcuni casi i fanghi essiccati vengono utilizzati come ammendanti o fertilizzanti, in virtù del loro contenuto di azoto (2%) e di fosforo (1%).

6.2 Trattamento secondario

In questa fase del trattamento le sostanze organiche biodegradabili sospese e disciolte nelle acque di scarico vengono eliminate mediante processi di ossidazione biologica, operati da batteri. In alcuni casi questi batteri agiscono in presenza di ossigeno (processi aerobici), in altri in assenza di ossigeno (processi anaerobici). Nella fase di trattamento secondario vengono in pratica riprodotti i naturali processi di autodepurazione dell'acqua, il cui svolgimento viene tuttavia accelerato con svariati espedienti. In presenza di ossigeno i batteri aerobici convertono la materia organica in prodotti stabili, ad esempio anidride carbonica, acqua, nitrati, fosfati, e in fanghi biologici che vengono rimossi dai liquami prima che questi siano immessi nel corpo idrico recettore.

6.2.1 Digestione

È il processo biologico mediante il quale le sostanze organiche vengono trasformate in metano, anidride carbonica e fanghi biologici, attraverso una serie di reazioni che hanno luogo in vasche chiuse (digestori) in assenza di ossigeno o in vasche aperte in presenza di ossigeno. I materiali solidi vengono solubilizzati da speciali enzimi e quindi fermentati da particolari ceppi batterici che li riducono in acidi organici semplici, ad esempio in acido acetico, a loro volta trasformati in prodotti gassosi (metano e anidride carbonica) da altri batteri. I fanghi ispessiti vengono riscaldati e introdotti a più riprese nel digestore, dove nel giro di 10-30 giorni vengono definitivamente decomposti. Con il processo di digestione è possibile ridurre la concentrazione di materia organica nei liquami del 45-60%.

Per accelerare i processi biologici di depurazione delle acque di scarico vengono utilizzate svariate soluzioni tecniche. Tra le più diffuse si annoverano quella a filtri percolatori, quella a fanghi attivi e quella a lagune.

6.2.2 Filtri percolatori

Sono costituiti da un letto poroso o da torri di riempimento, formati da materiali in pezzatura grossolana (sassi, carbone fossile o materie plastiche) rivestiti da un film di batteri attivi. I liquami spruzzati sul letto, percolando verso la base, consentono alla popolazione batterica che compone il film biologico di venire a contatto con la materia organica inquinante e, quindi, di decomporla, trasformandola in anidride carbonica e acqua. Unita al processo di sedimentazione, la degradazione mediante filtri percolatori consente di eliminare circa l'85% del BOD5 immesso nell'impianto.

6.2.3 Fanghi attivi o attivati

L'ossidazione a fanghi attivi avviene all'interno di una vasca di aerazione nella quale l'ossigeno viene fornito mediante aeratori meccanici o insufflazione d'aria. Ai liquami vengono aggiunti fanghi batterici attivi, detti fiocchi, formati da milioni di batteri degradatori tenuti insieme da una sostanza gelatinosa. Sono per l'appunto questi batteri ad assorbire la materia organica e a trasformarla in svariati sottoprodotti. Il processo di depurazione a fanghi attivi consente di eliminare circa il 60-85% del BOD5.

I sistemi a filtri percolatori o a fanghi attivi sono spesso integrati da chiarificatori secondari, nei quali i fanghi batterici vengono separati dai liquidi depurati, prima che questi vengano scaricati nel bacino idrico recettore.

6.2.4 Lagune o vasche di stabilizzazione

Le lagune sono vasche di grandi dimensioni e, dato il notevole ingombro, sono utilizzate soprattutto nelle aree rurali. Spesso superano 1,5 m di profondità e la loro superficie misura parecchi acri. Nei modelli più diffusi la materia organica viene decomposta sia in condizioni aerobiche (prevalenti negli strati più superficiali), sia in condizioni anaerobiche (prevalenti negli strati più profondi, che normalmente non vengono aerati). I materiali solidi, ovvero i fanghi, vengono decomposti in condizioni anaerobiche, mentre le sostanze organiche disciolte o colloidali vengono decomposte negli strati superiori da batteri aerobi. Con questo processo è possibile eliminare il 75-85% del BOD5.

6.3 Trattamento terziario

Questa fase del trattamento di depurazione viene effettuata a valle dei trattamenti primari e secondari quando, in considerazione della composizione del corpo idrico recettore o dell'eventuale riuso dell'effluente finale, si deve procedere alla rimozione dei nutrienti. Il trattamento terziario può essere seguito da un'ulteriore fase di depurazione finalizzata a eliminare le sostanze inquinanti refrattarie. Certi processi chimico-fisici consentono di ridurre anche del 90% la presenza di materiali solidi in sospensione e il BOD5 delle acque di scarico. I materiali solidi vengono eliminati perlopiù attraverso processi di osmosi inversa e di elettrodialisi. Nell'osmosi inversa i liquidi vengono filtrati ad alta pressione su membrane di micropori, che lasciano defluire acqua a elevata purezza trattenendo i soluti. Nell'elettrodialisi, molto usata per la desalinizzazione, anioni e cationi vengono separati selettivamente mediante una serie di membrane e un campo elettrico. I nutrienti vengono rimossi attraverso vari processi, tra cui lo strippaggio dell'ammoniaca e la denitrificazione e la precipitazione del fosforo. Per ottenere un grado di purezza ancora più elevato, gli effluenti vengono a volte sottoposti a disinfezione mediante ozonizzazione, un processo ritenuto più sicuro della comune clorazione. L'applicazione di sistemi di depurazione sempre più avanzati e sofisticati sta gradualmente prendendo piede, anche in virtù della sempre più diffusa tendenza a recuperare le risorse idriche per ridurne il consumo.

6.4 Evacuazione dell'effluente finale

L'acqua depurata viene in genere scaricata in un corpo idrico recettore, un lago o un fiume; nelle regioni caratterizzate da una crescente penuria di risorse idriche, ma non solo in quelle, viene spesso utilizzata per rialimentare le falde acquifere, irrigare coltivazioni di prodotti agricoli non commestibili, alimentare infrastrutture civili ricreative o processi industriali. Nell'impianto pilota di Denver, in Colorado, i liquami, dopo essere stati sottoposti ai normali trattamenti di tipo primario e secondario, subiscono un'ulteriore chiarificazione (eseguita in ambiente alcalino) che serve alla rimozione dei composti organici in sospensione. Successivamente i liquami vengono "ricarbonati" per ristabilirne i normali valori di pH e, quindi, filtrati facendoli passare attraverso vari strati di sabbia e carbone di legna. L'ammoniaca viene poi eliminata per ionizzazione, mentre i pesticidi e gli altri materiali organici disciolti vengono assorbiti da un filtro granulare a carbone attivo. Virus e batteri vengono quindi uccisi mediante ozonizzazione e gli effluenti, già relativamente puri, per maggiore sicurezza vengono nuovamente sottoposti a un trattamento di adsorbimento con carbonio e di osmosi inversa e quindi addizionati con biossido di cloro.

6.5 Fossa settica

La fossa settica è uno dei sistemi più usati nelle aree rurali per trattare i liquami domestici. Le fosse settiche sono, in pratica, grandi cisterne in cemento, calcestruzzo o metallo, in cui i liquami vengono scaricati e lasciati parzialmente sedimentare. I materiali solidi contenuti nelle acque di scarico si depositano sul fondo del pozzo, mentre quelli galleggianti salgono in superficie. Passando attraverso un sifone i liquidi parzialmente chiarificati si riversano in fosse sotterranee piene di pietrisco e percolano, così, nel suolo, dove vengono ossidate aerobicamente. I materiali galleggianti e quelli sedimentati rimangono invece per periodi più o meno lunghi (da sei mesi a parecchi anni) nella fossa, dove vengono decomposti anaerobicamente. Vedi anche Smaltimento dei rifiuti solidi.

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