LA BIOFILTRAZIONE: TECNICA DI CONTROLLO DEGLI ODORI NEGLI IMPIANTI DI DEPURAZIONE DELLE ACQUE REFLUE 1. Formazione degli odori Le sostanze che causano diffusione di odori molesti, nell atmosfera circostante gli impianti di depurazione, sono generalmente costituite da prodotti gassosi di natura inorganica o da composti organici ad alta volatilità. I primi sono per la maggior parte il risultato di un attività biologica in seno al liquame, i secondi sono spesso determinati dalla presenza in fognatura di scarichi di origine industriale. Composti quali mercaptani, scatoli, indoli, acidi organici, aldeidi, chetoni e in genere i composti organici contenenti atomi di azoto o zolfo (tutti originati dalla decomposizione anaerobica di composti a maggior peso molecolare, specie le proteine), sono riconosciuti tra le cause di odori molesti, sia dallo sbocco dei condotti fognanti che dagli impianti di depurazione. I composti inorganici che più diffusamente si rendono causa di odore sono l ammoniaca e l acido solfidrico. Quest ultimo, in particolare, è considerato il principale responsabile quando i liquami sono di origine prevalentemente domestica, tanto che gran parte degli interventi di controllo o di prevenzione sono per lo più indirizzati verso questo composto. 2. Produzione di odori La produzione di odori molesti nei sistemi di trattamento può essere dovuta a sorgenti esterne e a sorgenti interne all impianto. Le prime sono riconducibili alla presenza di composti maleodoranti già nel liquame in ingresso all impianto; le seconde si sviluppano in alcuni punti delle linee di trattamento. Da un'indagine condotta in Germania il contributo alla problematica complessiva degli odori delle sorgenti esterne è risultato il 34%, mentre il restante 66% è risultato imputabile all impianto stesso (Fig. 1). Sorgenti esterne : 34% Sorgenti interne : 66% Fig. 1 - Principali fonti di odori negli impianti di depurazione Nei liquami in ingresso, oltre all'h 2 S, che è il composto preponderante, sono presenti altre sostanze maleodoranti che si riducono, in genere, a concentrazioni di scarso rilievo come il metilmercaptano e alcuni composti organici azotati (indolo, scatolo, ammine).
Il particolare interesse verso la stima dell'h 2 S prodotto in fognatura è dovuto, oltre che alla sua natura di sostanza maleodorante e tossica, al fatto che esso è una fonte di notevoli problemi nella gestione della rete fognaria a causa della sua corrosività. Sul rilascio di H 2 S dal liquame all'atmosfera giocano un ruolo importante la temperatura ed il ph del liquame. Lo sviluppo delle sostanze maleodoranti all interno di impianti di trattamento è da imputarsi all instaurarsi di condizioni di anaerobiosi nelle fasi di trattamento: tale eventualità può essere una caratteristica intrinseca del processo o derivare da problemi di progettazione e/o conduzione dell impianto. Generalmente le emissioni più rilevanti si verificano nei punti di raccolta e stoccaggio di materiali a forte carico organico (grigliatura, pozzetti di estrazione dei fanghi), nelle fasi caratterizzate da tempi di permanenza prolungati (ispessitori, digestori) e nelle unità di processo nelle quali sono facilitati i fenomeni di volatilizzazione (disidratazione). Quindi i problemi più seri risultano in gran parte localizzati nella linea trattamento dei fanghi. 3. Tecniche di controllo In linea di principio il controllo degli odori può essere affrontato secondo tre distinte tipologie d intervento: metodi palliativi (quali mascheramento attraverso dosaggi di sostanze dotate di odore gradevole, copertura delle opere o utilizzo di sfere plastiche); metodi preventivi (riduzione preventiva delle emissioni alla fonte, tramite l eliminazione delle sostanze maleodoranti o la limitazione delle condizioni che ne favoriscono la formazione ed il rilascio in atmosfera); metodi curativi (captazione e successivo trattamento di depurazione delle emissioni). Le prime due categorie comprendono alcuni accorgimenti di carattere progettuale e gestionale talvolta relativamente semplici ma che possono non dimostrarsi sufficienti né economici per la soluzione del problema. La terza prevede l utilizzo di opportune tecnologie di trattamento che, rimuovendo l inquinante dall aria captata, operano quando l emissione si è già formata. 4. Interventi sull aria L applicazione dei trattamenti di depurazione dell aria richiede sempre il confinamento delle fonti di odore in ambienti chiusi dai quali l aria inquinata possa essere captata e quindi convogliata alle opere di trattamento per la rimozione delle sostanze maleodoranti. La scelta del tipo di trattamento dipende da vari parametri quali la portata d aria da deodorizzare, il rendimento di rimozione necessario, le concentrazioni ed il tipo di inquinanti presenti, e deve essere effettuata caso per caso in modo da minimizzare sia il costo d investimento che di esercizio. 4.1 Adsorbimento L adsorbimento è un processo chimico-fisico che realizza l accumulo di una sostanza dispersa in fase gassosa (sostanza adsorbita) su una superficie solida (adsorbente). L adsorbimento è la capacità da parte di un solido di trattenere sulla sua superficie molecole o gruppi ionici di solidi, liquidi, vapori e gas. L adsorbimento applicato alle emissioni atmosferiche trova largo impiego nei processi di industrie chimiche e manifatturiere per il trattamento dei solventi (industrie che impiegano vernici, industrie grafiche, lavanderie a secco, industria delle fibre, cuoio e gomma artificiali) e nei processi di movimentazione di carbonati con componenti volatili (benzene). Altro tipico
campo di applicazione è il controllo degli odori nelle industrie alimentari e chimiche (petrolchimica, farmaceutica, di fertilizzanti e di vernici), cartiere e concerie. 4.2 Assorbimento L assorbimento o lavaggio chimico dei gas comporta la rimozione dei componenti maleodoranti tramite il loro trasferimento in fase liquida. Nel caso della deodorizzazione raramente le miscele gassose maleodoranti consentono l utilizzo di un unico liquido di lavaggio: le sostanze che presentano apprezzabili solubilità in acqua sono, in genere, assai limitate (ammoniaca e acidi organici a basso peso molecolare), per cui è pratica comune utilizzare più stadi di assorbimento alimentati con solventi che hanno finalità di neutralizzazione o di ossidazione. 4.3 Ossidazione termica e catalitica Attraverso una combustione (se la temperatura è compresa tra 650 e 800 C ed è garantito un tempo di permanenza in camera di combustione di qualche secondo), è possibile trasformare molti composti in acqua, gas carbonico, ossidi di zolfo e azoto. Questa combustione può anche essere ottenuta con temperature più basse (da 250 a 450 C), con l impiego di catalizzatori (platino, palladio e rodio) i quali hanno la caratteristica di fornire l energia di attivazione necessaria per l ossidazione dei composti (energia che nell ossidazione termica viene completamente fornita dalla temperatura). Si tratta di soluzioni raramente adottate per l entità dei costi. 4.4 Ossidazione biologica Analogamente a quanto avviene nel trattamento delle acque di scarico, anche per la rimozione degli odori, da un flusso aeriforme, possono essere applicate con successo tecnologie depurative basate su processi biologici. Si tratta di tecnologie basate sullo sviluppo di particolari microrganismi che utilizzano l inquinamento organico come substrato alimentare in ambienti artificialmente creati. Per la rimozione degli odori, possono essere prospettate diverse soluzioni fra cui l immissione del flusso aeriforme in bacini a fanghi attivi, in letti percolatori e in sistemi di filtrazione biologica. Filtrazione biologica Il processo depurativo per via biologica si basa sul trasferimento del composto indesiderato dalla fase gassosa ad un solido, mantenuto umido, ove viene degradato dai microrganismi supportati. Il meccanismo di depurazione si basa sulla teoria del biofilm: infatti negli ambienti umidi i microrganismi tendono a colonizzare formando biocenosi dette appunto biofilm. L umidità è fondamentale poiché i microrganismi sono in grado di assorbire gli alimenti solo dalla fase acquosa; infatti la membrana esterna permette il passaggio dell acqua e delle sostanze in essa disciolte, ma non delle sostanze complesse che vengono prima digerite all esterno della cellula ad opera di enzimi extracellulari. Il processo avviene in fase aerobica e l'azione dei microrganismi dà luogo alla conversione dell'inquinante in anidride carbonica, acqua, composti inorganici e biomassa. Le sostanze necessarie all'attività biologica (ossigeno e nutrienti), sono contenute e fornite sia dal fluido inquinato da depurare che dal materiale utilizzato come filtro. L'azione degradativa si sviluppa simultaneamente al trasporto diffusivo degli inquinanti e dell'ossigeno, attraverso lo strato limite gas-biofilm, all'interno della pellicola biologica, dalla quale vengono rilasciati, con un percorso inverso, i prodotti delle reazioni di biodegradazione.
La biofiltrazione risulta efficace per la rimozione di solfuri, composti azotati, aldeidi, chetoni, alcoli, eteri e della maggior parte dei solventi organici. Importanti risultano i fenomeni di inibizione da substrato; molto tossici sono gli alcoli, i fenoli, gli idrocarburi alifatici clorurati che quindi, specie in fase di avvio, vanno accuratamente dosati. Una riduzione di attività si può manifestare anche a seguito dell accumulo di sali. Soluzioni impiantistiche Occorre che la miscela aeriforme da deodorizzare attraversi uno strato di materiale che può essere, nel caso più semplice, terreno naturale oppure compost o torba. In realtà, nonostante questa tecnologia venga comunemente definita come biologica, la rimozione degli odori all interno del letto avviene grazie allo sviluppo di processi sia chimici che biologici. E stato rilevato che si verifica dapprima molto rapidamente un ossidazione biologica dei solfuri a solfati, accompagnata da un aumento di conduttività e da una diminuzione di ph. In queste condizioni, il filtro, pur conservando la propria efficacia di rimozione nei confronti dell idrogeno solforato, perde efficienza nei confronti delle altre sostanze fonte di odori. E quindi necessario, specialmente nel caso in cui il tenore in idrogeno solforato dell aria risulti elevato, correggere tale stato; normalmente ciò avviene mediante un sistema di innaffiamento del letto che, mantenendo una sufficiente umidità nello stesso, crea le condizioni ottimali per la vita dei microrganismi e, contemporaneamente, facilita l utilizzazione dei solfuri disciolti. L efficienza del filtro dipende dal carico applicato, dalla natura e dall umidità del letto filtrante, dalla temperatura e dalla concentrazione di sostanze inquinanti nel flusso aeriforme. Il dimensionamento viene effettuato sulla base della velocità e del tempo di contatto del flusso d aria. Le principali soluzioni impiantistiche possono essere di due tipi: torri di lavaggio biologiche; biofiltri. Torri di lavaggio biologiche Le torri di lavaggio o bioscrubber, sono adatte al trattamento di portate gassose relativamente contenute e costanti, le cui concentrazioni possono essere medio-alte e devono contenere solo contaminanti che presentino una buona solubilità in acqua. Un bioscrubber per la rimozione degli odori, dal punto di vista impiantistico può possedere un trattamento biologico separato o uno simultaneo. Nel primo caso, l'inquinante presente nella corrente di gas in alimentazione viene assorbito dal liquido nella torre di lavaggio e, attraverso lo spurgo di quest'ultima, trasferito nel reattore biologico dove viene degradato dall'azione dei microrganismi. Il secondo tipo di configurazione è adottabile quando i tempi di assorbimento sono confrontabili con quelli di degradazione; infatti, in un impianto di trattamento biologico simultaneo, i due processi avvengono contemporaneamente nella colonna, che si configura come un percolatore utilizzato nel trattamento delle acque reflue. Poiché i bioscrubber non possiedono le stesse capacità tamponanti dei biofiltri, è necessario, per garantire un funzionamento controllato in continuo, provvedere attraverso un'alimentazione di nutrienti e di substrato alternativo all'inquinante, nel caso in cui, per interruzioni o variazioni di processo, il flusso di gas diminuisca eccessivamente.
Biofiltro Questa seconda soluzione impiantistica è costituita da un letto di materiale filtrante di altezza limitata, di norma formato da compost, torba, sabbia o cortecce, mantenuto ad un adeguato grado di umidità attraverso preumidificazione dell'aria da trattare o attraverso bagnatura diretta tramite un apposito sistema a pioggia. Il gas è aspirato dalle aree di formazione e convogliato nella parte inferiore del letto, ove viene distribuito da un sistema di ugelli o canalette che ne garantiscono l'uniformità di ripartizione, oppure può passare attraverso un letto filtrante, applicato direttamente come copertura delle fonti di cattivi odori (per esempio su vasche di aerazione, serbatoi di accumulo o ispessitori). Lo sviluppo della tecnologia della biofiltrazione consiste nell'aggiunta al letto filtrante di sostanze adsorbenti, quali il carbone attivo, in grado di garantire un miglior controllo delle fluttuazioni di funzionamento, assicurando al biofiltro concentrazioni d'inquinante più costanti e, di conseguenza, una maggiore efficienza. 1 - Arrivo aria inquinata 2 - Ventilatore 3 - Circuito di pre-bagnatura 4 - Camera di lavaggio 5 - Elettrovalvola 6 - Scarico aria depurata 7 - Circuito di spruzzatura 8 - Letto filtrante 9 - Acqua di lavaggio in ricircolo 10 - Pompa 11 - Grigliato di supporto 12 - Involucro biofiltro Fig. 2 Schema funzionale di un biofiltro (Air Clean, Rho). Criteri di gestione La crescita e l attività metabolica dei microrganismi in un biofiltro dipendono dalla presenza di ossigeno disciolto nel biofilm, dall assenza di composti tossici per i microrganismi, dalla disponibilità di nutrienti, dall umidità, dalla temperatura e dal ph. I microrganismi presenti nel biofilm sono mesofili per cui la temperatura ottimale di reazione è compresa tra 20 e 40 C; raggiungere temperature attorno ai 10 C comporta una forte diminuzione della resa di abbattimento. L umidità riveste un particolare ruolo nella corretta gestione di biofiltrazione in quanto un insufficiente contenuto di acqua determinerebbe l essicamento del letto e la perdita di attività biologica, al contrario un eccesso di acqua promuoverebbe lo sviluppo di condizioni di anaerobiosi del letto a causa dell occlusione dei vuoti e la formazione di prodotti metabolici volatili maleodoranti. L umidità ottimale di processo è compresa tra 60 e 80% in peso del substrato. Il ph ottimale del biofiltro è compreso tra 7 e 8. In alcuni casi la degradazione delle sostanze presenti nel gas inquinato può produrre acidità nel letto che può essere corretta con sostanze neutralizzanti.
Vantaggi e svantaggi rispetto alle altre tecniche di controllo E fondamentale sottolineare che non esiste la migliore tecnologia in assoluto per il controllo degli odori, ma esiste la migliore tecnologia che, caso per caso, si propone come tale quando rispetta contemporaneamente i limiti alle emissioni e la convenienza tecnica ed economica. Sono di seguito elencati i vantaggi e gli svantaggi relativi al sistema di filtrazione biologica. Tab. 1 Vantaggi e svantaggi del sistema di biofiltrazione VANTAGGI Semplicità di controllo del processo, grazie allo studio dei parametri di T, ph e umidità. Alto trasferimento di massa, grazie all elevata superficie specifica. Alta efficienza di distruzione per elevata disponibilità di ossigeno e concentrazioni medio-basse d inquinante nel flusso d aria da trattare. Facilità nella diffusione dei nutrienti. Possibilità di trattare una miscela di composti odorigeni. Sistema semplice ed economico con uso di un processo e di materiali naturali. SVANTAGGI Il gas da trattare non deve essere tossico per i microrganismi. La presenza di particolato nel flusso entrante può inibire l azione batterica. Il gas da trattare deve essere mantenuto ad appropriati livelli di temperatura (comprese tra 20 e 40 C) e umidità (60-80% in peso del substrato). Possibilità di intasamento a causa di eventuali polveri contenute nell effluente da trattare. Per alcuni sistemi è richiesta una grande disponibilità di spazio.