Fanghi: loro caratteristiche chimico-fisiche

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1 Difca-03 pag. 1 di 16 USO E RICICLO DELLE BIOMASSE: a.a Fanghi: loro caratteristiche chimico-fisiche Dr. Marco Negri 1 ORIGINE DEI FANGHI BIOLOGICI A seguito dell entrata in vigore della legge n. 319/76 (Merli), finalizzata alla tutela delle acque dall inquinamento, si è dato l avvio alla costruzione di impianti, sia pubblici sia privati, per la depurazione dei reflui. Le acque della rete fognaria od utilizzate nei processi produttivi, cariche di S.O. e convogliate all impianto di depurazione biologica, costituiscono la fonte di nutrimento per microrganismi (principalmente colonie miste di batteri saprofiti) che crescendo e riproducendosi vanno a formare i fanghi. Successivamente questi vengono separati dall acqua così depurata. Nel corso del processo di depurazione viene sfruttato un fenomeno naturale come il metabolismo microbico per rimuovere dall acqua le S.O. biodegradabili. I fanghi sono quindi il prodotto di risulta degli impianti di depurazione ed appaiono sostanzialmente costituiti da una sospensione acquosa con % variabile di R.S. di matrice prevalentemente organica, costituita in gran parte da colonie batteriche (biomasse) ed in parte minoritaria da sostanze inorganiche (sali). Individuare uno schema standard di processo depurativo è impossibile, data l ampia varietà di soluzioni impiantistiche adottabili, tuttavia i principali passaggi che costituiscono il processo, almeno nel caso di impianti medio-piccoli, sono:

2 Difca-03 pag. 2 di 16 REFLUO LIQUIDO TRATTAMENTO FISICO/ MECCANICO GRIGLIE DISSABBIATORI DISOLEATORI fango da pretrattamento SEDIMENTAZIONE PRIMARIA fango primario VASCA DI AERAZIONE OSSIDAZIONE DENITRIFICAZIONE LINEA TRATTAMENTO FANGHI: STABILIZZAZIONE IGIENIZZAZIONE DISIDRATAZIONE SEDIMENTAZIONE SECONDARIA fango secondario (biologico) ACQUA DEPURATA

3 Difca-03 pag. 3 di 16 STABILIZZAZIONE Condotta all interno dell impianto di depurazione, ha lo scopo fondamentale di ridurre il potere fermentescibile dei fanghi. AEROBICA. La stabilizzazione aerobica prolungata viene ottenuta immettendo i fanghi di supero in vasche in cui viene garantito un elevato tenore di Ossigeno disciolto. In questo modo si ottiene una mineralizzazione spinta del f.b. e conseguentemente una proporzionale riduzione della carica batterica totale. Questa procedura non offre di contro alcuna garanzia di igienizzazione in quanto la flora batterica rimane nelle medesime condizioni ( Temperatura, O 2 disciolto, ph, ecc.) che si ritrovano all interno del depuratore e pertanto non è soggetta a quello shock in grado di incidere significativamente sulla sua composizione. Mineralizzazione e igienizzazione non sono quindi sinonimi, potendo un fango mineralizzato non essere igienizzato e viceversa. ANAEROBICA (DIGESTIONE) E ad oggi la tecnica di mineralizzazione/igienizzazione più diffusa, in particolare per gli impianti di medie-grandi dimensioni. I parametri che caratterizzano questo processo sono fondamentalmente il potenziale redox (compreso tra 450 e 550 mv, contro i 100 della vasca di ossidazione) e la temperatura che può essere variata tra i 18 C ed i 55 C. Il potenziale redox fortemente negativo interrompe il ciclo di Krebs di tutti quei batteri che hanno nell Ossigeno il recettore finale di elettroni (non possono quindi produrre l energia necessaria alla sopravvivenza). La gestione del digestore in fase psicrofila (15 25 C), oltre ad imporre volumi maggiori con conseguenti costi, non permette una igienizzazione spinta, in quanto la bassa Temperatura consente lo sviluppo di un ampia gamma di ceppi batterici, non potendosi escludere che vi possano essere anche patogeni. Risultati migliori sono conseguibili attuando la digestione in fase termofila dove la Temperatura di esercizio (50 55 C) non consente la riproduzione della maggior parte dei patogeni per l uomo. La necessità però di mantenere elevate Temperature può rendere necessario il ricorso a fonti energetiche esterne al depuratore, anche perché le stesse Temperature non favoriscono la crescita dei batteri metanigeni.

4 Difca-03 pag. 4 di 16 Il processo di digestione più comunemente utilizzato è quello della gestione in fase mesofila (34 37 C) in quanto si ottiene un buon compromesso sia sul piano economico sia sul piano dei risultati di produzione biogas ed igienizzazione. Di contro, la conduzione del processo a Temperature analoghe a quelle corporee non garantisce la distruzione di quei microrganismi non strettamente aerobi (es. Salmonella, Coli fecali). IGIENIZZAZIONE Condotta sia all interno dell impianto di depurazione sia all esterno, ha lo scopo di ridurre la carica microbica residua. TRATTAMENTI FISICI Provocano la denaturazione delle proteine e/o degli acidi nucleici delle cellule batteriche. PASTORIZZAZIONE. E un condizionamento termico condotto o a pressione ambiente o sotto pressione. Tempi di contatto di minuti alla Temperatura di 70 C consentono in genere di sterilizzare i fanghi. Il medesimo risultato si consegue a 120 C in soli 6 minuti. Nei processi sotto pressione, il fango viene preriscaldato e nel reattore viene immesso vapore o si utilizza acqua surriscaldata in tubi a circuito chiuso. ESSICCAMENTO TERMICO. Consente di ridurre il contenuto di acqua del fango evaporandola, fino ad ottenere un secco del %. Vengono a tal fine utilizzati essiccatori (diretti ad aria, indiretti con superficie calda, misti). Ai vantaggi notevoli di tale processo (notevole diminuzione di volume e di peso, igienizzazione e stabilizzazione totali, mantenimento del contenuto di Carbonio organico) si associano di contro il notevole input energetico (necessarie da 750 a 1100 kcal per kg di acqua evaporata) e la necessità di trattamento delle emissioni gassose. ALTRI. Si basano soprattutto sull utilizzo di radiazioni (UV, raggi á-â-ã, radiazioni X, ultrasuoni). Sono ancora in fase sperimentale.

5 Difca-03 pag. 5 di 16 CONDIZIONAMENTO CHIMICO Si basa sull effetto battericida di alcuni composti chimici quali il Cloro e suoi derivati, l Ozono, ioni metallici (Cu, Ag), Ammonio quaternario. I sistemi di igienizzazione chimica adottati in previsione dell utilizzo agricolo dei fanghi attualmente prevedono l impiego di calce e di ammoniaca. AGGIUNTA di CALCE. L effetto battericida è dato dalla permanenza del fango in condizioni di ph elevato per un tempo sufficiente. L aggiunta di calce tale da elevare il ph del fango tra 11 e 12 mantenendolo in tali condizioni per ca. 15 gg garantisce l eliminazione dei microrganismi patogeni. AGGIUNTA di AMMONIACA. L ammoniaca esplica effetto battericida già a ph compresi tra 9,5 e 10. Oltre all effetto lisciviante degli ioni OH- sulla membrana cellulare, l ammoniaca libera svolge azione tossica a livelli citoplasmatico, in quanto è in grado di superare le membrane cellulari anche se integre. L impiego di Ammoniaca incrementa inoltre il contenuto di Azoto nel fango e, di conseguenza, il potere fertilizzante. TRATTAMENTI BIOLOGICI COMPOSTAGGIO. In miscela con materiale organico ricco di lignina (es. verde) viene sottoposto ad un processo di fermentazione aerobica in modo da ottenere un prodotto umificato. DISIDRATAZIONE Condotta all interno dell impianto di depurazione, ha lo scopo di ridurre la quantità di acqua presente ancora nei fanghi ( 95 %). Normalmente viene ottenuta con mezzi meccanici quali centrifughe, presse, filtri, avvalendosi dell ausilio di addensanti (es. polielettroliti, calce).

6 Difca-03 pag. 6 di 16 2 CARATTERISTICHE DEI FANGHI BIOLOGICI La composizione dei fanghi biologici, in particolare di quelli di origine urbana, può presentare notevoli oscillazioni (in funzione di fattori climatici, abitudini alimentari, igieniche, scarichi abusivi, ecc.), anche se in genere si ritrova una sufficiente costanza delle caratteristiche chimico-fisiche MICROBIOLOGICHE I fanghi prodotti dagli impianti di depurazione biologica delle acque reflue fognarie sono caratterizzati dalla presenza sia di Colibatteri sia di microrganismi patogeni quali Salmonella, Streptococchi, ecc. Esempi di patogeni e parassiti presenti nei fanghi GRUPPO GENERE MALATTIA / SINTOMI Salmonella Tifo, paratifo, enterite Shigella Dissenteria batterica BATTERI Escherichia Enterite (solo alcuni ceppi) Clostridium Gangrena, tetano botulismo Mycobacterium Tubercolosi, granuloma della pelle Entamoeba Dissenteria america PROTOZOI Giardia Amebiasi Toxoplasma Toxoplasmosi Ascaris Ascaridosi NEMATODI Toxocara Miasi rampante Al fine di minimizzare l impatto ambientale dovuto alla presenza a livelli elevati di tali organismi, l attuale normativa regionale in materia di riutilizzo in agricoltura dei fanghi prevede che il fango possa essere utilizzato in tal senso solo nel caso in cui : Organismo indicatore D.L.vo 99/92 Regione Lombardia Salmonelle < MPN/g ss < 100 MPN/g ss Coliformi fecali n.p. < MPN/g ss Uova vitali di Elminti n.p. 0

7 Difca-03 pag. 7 di CHIMICHE Parametro U.M. D.L.vo 99/92 Regione Lombardia Cadmio mg/kg ss Mercurio mg/kg ss Nichel mg/kg ss Piombo mg/kg ss Rame mg/kg ss Zinco mg/kg ss Cromo esavalente mg/kg ss n.p. 10 Cromo totale mg/kg ss n.p. 750 Arsenico mg/kg ss n.p. 10 Grassi/oli animali e vegetali mg/kg tq n.p. Solo determinazione Oli minerali mg/l n.p. 10 Tensioattivi mg/l n.p. 4 Solventi clorurati mg/l n.p. 2 Solventi aromatici mg/l n.p. 0,4 Solventi azotati mg/l n.p. 0,2 Pesticidi clorurati mg/l n.p. 0,05 Pesticidi fosforati mg/l n.p. 0, AGRONOMICHE Parametro U.M. D.L.vo 99/92 Regione Lombardia Carbonio Organico % ss > 20 > 20 Fosforo tot. % ss > 0,4 > 0,4 Azoto tot. % ss > 1,5 > 1,5 Potassio tot. % ss Solo determinazione Solo determinazione Grado Umificazione % ss Solo determinazione Solo determinazione

8 Difca-03 pag. 8 di 16 3 USO AGRICOLO DEI FANGHI BIOLOGICI DEFINIZIONI EX ART. 2. D. L.vo 99/92 Fanghi = i residui derivanti dai processi di depurazione: delle acque reflue provenienti esclusivamente da insediamenti civili. delle acque reflue provenienti da insediamenti civili e produttivi. delle acque reflue provenienti esclusivamente da insediamenti produttivi... Fanghi trattati = i fanghi sottoposti a trattamento biologico, chimico o termico, a deposito a lungo termine ovvero ad altro opportuno procedimento, in modo da ridurre in maniera rilevante il loro potere fermentescibile e gli inconvenienti sanitari della loro utilizzazione. Agricoltura = qualsiasi tipo di coltivazione a scopo commerciale e alimentare, nonché zootecnico. Utilizzazione : il recupero dei fanghi mediante il loro spandimento sul suolo o qualsiasi altra applicazione sul suolo e nel suolo DATI La produzione annua di fanghi da depurazione è in aumento. Si stima (anno 1998) che in Italia la depurazione delle acque reflue civili porti alla produzione di circa 1,2 milioni di tonnellate, in sostanza secca, di fanghi biologici, il cui smaltimento risulta così ripartito:

9 Difca-03 pag. 9 di 16 recupero agricolo 56% 11% 33% incenerimento o altri usi Sezione 3 discarica Ipotizzando il recupero in agricoltura di tutti i fanghi biologici teoricamente producibili in Italia, si potrebbe ipotizzare un recupero di elementi nutritivi e di S.O. pari a : Azoto t Equivalenti a t Urea (47%) P 2 O 5 t Equivalenti a t Triplo (46%) C Org. t Equivalenti a t letame 3.3. CONDIZIONI Prodotto ( vedi punto 2) Fisico-geografiche-colturali Es. distanze da centri abitati, pozzi, corsi d acqua, ecc destinazione d uso e tipo di coltivazioni.

10 Difca-03 pag. 10 di Terreni Parametro U.M. Valore riferimento ph 5 C.S.C. meq/100 g 8 Cadmio mg/kg ss < 1,5 Mercurio mg/kg ss < 1 Nichel mg/kg ss < 75 Piombo mg/kg ss < 100 Rame mg/kg ss < 100 Zinco mg/kg ss < 300 Potere ox per Cr ìm Cr VI < 1 Riferimenti legislativi per quanto le Metodiche di Campionamento e di Analisi: Decreto del Ministero delle Politiche Agricole e Forestali 13 settembre 1999: Approvazione dei metodi ufficiali di analisi chimica del suolo, modificato con D.M. 25 marzo Alcuni dati relativi ai terreni agricoli in Lombardia

11 Difca-03 pag. 11 di 16 Sono rappresentativi di una superficie complessiva di circa ettari (1) di Pianura Padana, localizzati nelle Province di : Milano (in particolare ad Est lungo le direttrici Paullese e Rivoltana); Pavia (zona Pavese ed Est Pavia, lungo la direttrice verso Cremona); Lodi; Cremona (in particolare area Occidentale e Cremasco). Ogni campione può rappresentare una superficie max di 5 ettari, corrispondente a max di 25 sottocampioni (carote). Per quanto riguarda le concentrazioni di Metalli Pesanti, i dati si riferiscono a terreni aventi ph e C.S.C. conformi alla normative, ossia rispettivamente maggiore di 5 e maggiore di 8 meq/100 g. La scomposizione delle concentrazioni dei singoli Metalli Pesanti secondo classi di ph è stata determinata dalla necessità di verificare l attuale situazione con quanto potrà avvenire con l introduzione della Direttiva in preparazione. Nei grafici relativi alle concentrazioni dei singoli Metalli Pesanti, in ascissa è indicato come valore massimo di scala l attuale limite previsto dal D. L.vo n. 99/92. (1) Essendo il campionamento eseguito con cadenza biennale, i dati del 2002 si riferiscono per la gran parte a terreni già contemplati nei campionamenti nel distribuzione ph nel triennio (3.721 letture) 22% (816) 3% (109) 36% (1.342) ph < 5 ph 5-6 ph 6-7 ph > 7 39% (1.454) ph : il 39% dei terreni analizzati presenta un ph inferiore o uguale a 6; il 78% presenta un ph inferiore o uguale a 7; il 22% presenta un ph superiore a 7 (con maggiore frequenza nelle aree del Cremonese)

12 Difca-03 pag. 12 di 16 Frequenze ph n. letture (1572) 2001 (1248) 2002 (901) 0 5>pH<6 6>pH<7 ph >7 Dati origine. ph < 5 ph 5-6 ph 6-7 ph > 7 totale ANNO Freq. ha Freq. ha Freq. ha Freq. ha Freq. ha , , , , , , , , , , ,3 Tot , , , , ,3 concentrazione Media Cadmio mg/kg 1 0, ,21 0,2 0,22 0,24 0,25 0,26 0,34 0,26 0 5>pH<6 6>pH<7 ph >7 Cadmio - i valori medi: - mostrano una leggera crescita in funzione del ph, anche se non proporzionale - rientrano ampiamente nel limite di legge (1,5 mg/kg)

13 Difca-03 pag. 13 di 16 1 concentrazione Media Mercurio mg/kg 0,5 0,33 0,15 0,14 0,32 0,2 0,12 0,42 0,17 0, >pH<6 6>pH<7 ph >7 Mercurio - i valori medi: - mostrano una leggera crescita in funzione del ph, anche se non proporzionale - rientrano ampiamente nel limite di legge (1 mg/kg) 75 concentrazione Media Nichel mg/kg 25 24,58 23,88 24,8 23,21 23,07 26,78 26,83 25,6 24, >pH<6 6>pH<7 ph >7 Nichel- i valori medi: - Non mostrano variazioni in funzione della crescita del ph - rientrano ampiamente nel limite di legge (75 mg/kg)

14 Difca-03 pag. 14 di concentrazione Media Piombo mg/kg 50 26,03 27,85 26,7 23,62 28,38 23,64 23,13 27,8 19, >pH<6 6>pH<7 ph >7 Piombo - i valori medi: - Non mostrano variazioni in funzione della crescita del ph - rientrano ampiamente nel limite di legge (100 mg/kg) 100 concentrazione Media Rame mg/kg 50 28,06 26,84 25,79 28,8 31, ,22 34,75 31, >pH<6 6>pH<7 ph >7 Rame - i valori medi: - mostrano una leggera crescita in funzione del ph, anche se non proporzionale - rientrano ampiamente nel limite di legge (100 mg/kg)

15 Difca-03 pag. 15 di concentrazione Media Zinco mg/kg ,2 59,02 57,83 64,12 66,48 66,26 77,01 70,11 64, >pH<6 6>pH<7 ph >7 Zinco - i valori medi: - mostrano una leggera crescita in funzione del ph, anche se non proporzionale rientrano ampiamente nel limite di legge (300 mg/kg) I terreni della Pianura Padana indagati: - presentano nella gran parte (78%) reazione acida-subacida; - rispondono alle attuali normative vigenti Metalli Pesanti: - Non si apprezzano aumenti di concentrazione dopo l utilizzo dei rifiuti (confronto ); - Non appare una relazione diretta tra concentrazione del Metallo e ph; - La nuova proposta di Direttiva, al contrario, vincola in modo severo tale concentrazione alla classe di ph (parametro del resto variabile nel corso stesso dell anno), riducendo anche più della metà i limiti di concentrazione max dei Metalli Pesanti per i terreni con ph <6.

16 Difca-03 pag. 16 di Procedurali Autorizzazione, documentazioni, notifiche, ecc. Sistemi distribuzioni e condizioni (meteo, colturali) 3.4 QUANTITA D.L.vo 99/92 Regione Lombardia ph C.S.C. meq/100 g t/ha ss * t/ha ss ** < 5 < ,5 2,5 5-6 > ,7 6 7,5 < ,7 6 7,5 > > 7,5 > 15 22,5 7,5 * quantità riferita al triennio ** quantità riferita all anno solare