IMPOSTAZIONE DI FILIERE DI TRATTAMENTO PER ACQUE DESTINATE AL CONSUMO UMANO E ACQUE REFLUE

Sia gli impianti di potabilizzazione che gli impianti di depurazione sono costituiti da sequenze, più o meno complesse, di processi finalizzati alla rimozione di specifici contaminanti. I criteri con cui tale sequenza viene definita sono molteplici, ma in estrema sintesi e semplificazione, si può affermare che la scelta dei processi e l’ordine con cui sono disposti dipendono da:

Tab. 2.2 - Livello di trattamento in impianti di depurazione con potenzialità ≥ 2000 AE in Lombardia (dati rielaborati, fonte: Uffici d’Ambito).

Livello di trattamento Numero di depuratori

Solo processo biologico 80

Processo biologico e trattamenti terziari (nitrificazione, post-denitri-

ficazione, defosfatazione, filtrazione, disinfezione, fitodepurazione) 327

Tab. 2.3 - Esiti del questionario conoscitivo del monitoraggio dei MIE negli impianti di depurazione in Lombardia.

Gestore Depuratore Potenzialità autorizzata Potenzialità di progetto _Sostanze monitorate Altre sostanze monitorate Livello di trattamento

kAE kAE ! " # $ % & ' ( ) !* !! !" !# !$ !% !& !'

Cogeide Mozzanica 145.6 145.6 _perfluoratiComposti

Como Acqua Carimate 86.4 98 Composti perfluorati e detergenti “Parametri linee guida ZDHC” X X X X X Merone 120 125 X X X X X X Bulgarograsso - Alto Lura 87 96,. X X X X X Mariano comense 60 60 X X X X Comodepur Como 197.0 208.2 X X X X X X

Lariana Depur Fino Mornasco _{- Alto Seveso} 75.3 140 X X X X

Tea Acque - AqA Castiglione delle _Stiviere 70 70 _perfluoratiComposti X X X X X X

1 Pre-denitrificazione 7 Defosfatazione e decolorazione in simultanea 13 Disinfezione con ipoclorito di sodio (eventuale) 2 Nitrificazione 8 Chiariflocculazione 14 Disinfezione con acido peracetico 3 Post-denitrificazione 9 Filtrazione a dischi 15 Disinfezione con acido peracetico e con UV 4 Post-denitrificazione MBBR 10 Filtrazione su tela a disco 16 Disinfezione con radiazione UV 5 SBR su ritorni linea fanghi 11 Filtrazione su sabbia 17 Ozonizzazione

2. Contaminazione e rimozione di microinquinanti emergenti nelle acque reflue e nelle

acque destinate al consumo umano

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Inquinanti Emergenti

• caratteristiche chimiche e fisiche del contaminante da rimuovere; • principio di rimozione tipico di ciascun processo;

• molteplicità di contaminanti presenti e loro concentrazione relativa, che possono portare a interazioni che riducono l’efficienza dei processi stessi.

Considerata la profonda diversità di contaminanti che contraddistinguono le acque naturali (superficiali e sotterranee), da cui ci si approvvigiona per la produzione di acqua destinata al consumo umano, e le acque reflue collettate tramite fognatura, le filiere di trattamento in potabilizzatori e depuratori sono profondamente diverse. A loro volta, in riferimento alla potabilizzazione, gli schemi di trattamento sono assai diversificati, in funzione della fonte di approvvigionamento (fiume, lago, falda), per la sostanziale diversità di caratteristiche intrinseche e di contaminazione indotta che caratterizza queste fonti.

In genere, in potabilizzazione si sfruttano processi chimici e fisici di rimozione, mentre in depurazione si fa ricorso a processi biologici, cioè mediati dall’attività di biomasse batteriche. Va comunque sottolineato che nessuno degli impianti, sia di potabilizzazione che di depurazione ad oggi operante, è stato progettato specificatamente per la rimozione dei MIE: gli impianti, infatti, sono stati progettati e sono gestiti per la rimozione dei macrocontaminanti e dei microinquinanti convenzionali, tipici di ciascuna matrice da trattare (acqua primaria approvvigionata, acqua reflua).

Di conseguenza, al di là delle loro caratteristiche chimico-fisiche e delle loro concentrazioni, il fattore che maggiormente influenza l’effettiva rimozione dei MIE in un impianto di potabilizzazione o di depurazione è la presenza di trattamenti appropriati. Pertanto, è fondamentale analizzare i processi di rimozione convenzionalmente presenti negli schemi di trattamento, per verificare l’eventuale presenza di processi noti, da letteratura, per essere efficaci nella rimozione dei MIE.

Tab. 2.4 - Dati sull’effluente ai depuratori, per il depuratore di Como e di Castiglione delle Stiviere, forniti con la risposta al questionario ”Monitoraggio dei MIE negli impianti di depurazione in Lombardia”.

MIE _monitoraggioPeriodo di _{di campioni}Tipo

Concentrazione Minima Massima ng L-1 PFHpA ott-18 “Refluo (medio 24 h)” 10 2 TCPP ott-18 84 PFPeA ott-17 3 4

Arancio disperso dic-17 7 16

PFBA

Ogni 2

settimane (medio 24h)Refluo < 5

475 PFPeA 118 PFHxA 249 PFHpA 84 PFNA 5 PFDeA 6 PFDoA < 5 PFUnA < 5 PFBS 2546 PFHxS 77

Somma altri PFAS * 3435

PFOA 511

PFOA – isomeri ramificati 9

PFOA - somma isomeri lineari e ramificati 55

PFOS 5

PFOS – isomeri ramificati < 5

PFOS - somma isomeri lineari e ramificati 5

Somma PFOA e PFOS (compresi isomeri lineari e ramificati) 57

HFPO-DA < 5

* PFBA, PFBS, PFPeA, PFHxA, PFHxS, PFHpA, PFNA, PFDeA, PFUnA, PFDoA

Depur

at

or

e

Cas

tiglione delle Stivier

e

2. Contaminazione e rimozione di microinquinanti emergenti nelle acque reflue e nelle

acque destinate al consumo umano

Di seguito, vengono brevemente richiamate le strutture tipiche degli impianti di potabilizzazione e depurazione, per una più facile comprensione dei paragrafi che seguono, dedicati ai processi disponibili per la rimozione dei MIE. Sempre per una migliore comprensione, nel Paragrafo 2.5 vengono richiamati i principi di rimozione dei processi in grado di assicurare un’efficace rimozione dei MIE, che sono applicabili sia alla potabilizzazione sia alla depurazione.

2.3.1 Impianti di potabilizzazione

Come detto, le filiere di trattamento per la produzione di acqua destinata al consumo umano sono differenti in funzione della fonte di approvvigionamento:

• gli impianti destinati a trattare acque superficiali sono complessivamente abbastanza standardizzati, essendo rivolti soprattutto alla rimozione di: solidi sospesi e colloidali, sostanza organica di origine naturale (NOM, Natural Organic Matter), carica microbiologica ed eventuali microinquinanti organici e sottoprodotti di disinfezione. Ne consegue che la filiera convenzionale per il trattamento delle acque superficiali è composta da: chiariflocculazione e filtrazione rapida e disinfezione, quasi sempre integrate da trattamenti specifici come l’ossidazione con ozono e l’adsorbimento su carbone attivo, per la rimozione più efficiente della NOM, dei microinquinanti organici e dei sottoprodotti di disinfezione e ossidazione;

• gli impianti per il trattamento di acque di falda sono invece più diversificati, essendo molto più varie le tipologie di contaminanti potenzialmente presenti e da rimuovere, che dipendono dalla natura dei terreni entro cui si trova l’acquifero, dalla profondità dell’acquifero, che ne determina la vulnerabilità, e dall’eventuale contaminazione da microinquinanti organici. Le necessità di trattamento sono spesso rivolte alla modifica di pochi parametri caratterizzanti la matrice; di conseguenza, nella maggior parte dei casi si fa ricorso a impianti mono-processo. In funzione dei contaminanti da rimuovere, si possono avere: adsorbimento su carbone attivo granulare, strippaggio, separazione con membrane di nanofiltrazione o osmosi inversa.

Come già accennato, non tutti i processi sopra citati consentono la rimozione dei MIE. Chiariflocculazione e filtrazione sono processi dedicati alla rimozione di materiale in sospensione. I MIE si trovano sempre in forma disciolta, ragion per cui tali processi non hanno effetti diretti significativi. Alcuni studi di laboratorio, in cui sono stati riprodotti su piccola scala tali processi mediante jar-test, hanno evidenziato efficienze di rimozione di diverse classi di MIE variabili tra il 30% e il 90%, per concentrazioni iniziali dei MIE nella matrice liquida dell’ordine dei µg L-1 _{e mg L}-1_{, assai più elevate di quanto di norma}

si riscontra nelle acque naturali. Tali risultati non sono invece stati confermati da studi su impianti a piena scala, verosimilmente per le concentrazioni iniziali di MIE di molto inferiori, dell’ordine dei ng L-1_{: le efficienze di rimozione massime rilevate sono state del 20%.}

Per quanto riguarda lo strippaggio, questo processo permette la rimozione dei contaminanti per trasferimento dalla fase liquida alla fase gas (aria) ed è applicabile quindi ai soli contaminanti volatili, cioè quei composti le cui caratteristiche chimiche consentono questo trasferimento di fase a temperatura e pressione ambiente, come i solventi. Nessun MIE ha queste caratteristiche.

2.3.2 Impianti di depurazione

Gli impianti di depurazione hanno uno schema abbastanza standardizzato, che comprende una sedimentazione primaria, un processo biologico per la rimozione del carbonio organico (la frazione residua nell’effluente trattato è detta EfOM, Effluent

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Inquinanti Emergenti

Organic Matter) e delle forme azotate, un’eventuale filtrazione terziaria per la riduzione

del contenuto di solidi sospesi e una disinfezione finale, generalmente con radiazione ultravioletta (UV) o acido peracetico.

La sedimentazione primaria e la filtrazione comportano rimozioni dei MIE molto variabili, non trovandosi questi ultimi in forma sospesa. Infatti, le interazioni con i solidi, siano essi fanghi primari o fanghi biologici, sono influenzate dal carattere idrofilo/lipofilo del contaminante, dalla sua tendenza a essere idrolizzato, nonché dalle caratteristiche fisico-chimiche del fango, in particolare l’entità e le caratteristiche della frazione organica e la dimensione delle particelle. Nel caso dei fanghi biologici, i principali meccanismi alla base delle interazioni di superficie sono riconducibili alle interazioni idrofobe tra catene alifatiche e anelli aromatici di un composto con la parete cellulare lipofila dei microrganismi e, soprattutto, con le guaine mucopolisaccaridiche da essi secrete e le frazioni grasse dei fanghi, alle interazioni elettrostatiche tra gruppi funzionali a carica positiva (es.: ammine, azoto quaternario) degli inquinanti con le superfici a carica negativa dei microrganismi che costituiscono la biomassa. In generale, la tendenza di un composto ad essere interessato da questi fenomeni viene correlata al valore del coefficiente di ripartizione n-ottanolo/acqua, solitamente espresso in forma logaritmica (log Kow), meglio ancora se calcolato tenendo conto del pH (log Dow). Il coefficiente Kow

può quindi essere considerato un indice dell’idrofobicità di un composto. Si può così prevedere un’elevata efficienza di ritenzione sul fango attivo per composti idrofobi con log Kow > 3.2 (a pH = 8.0).

Effetti trascurabili si possono attribuire alla disinfezione, in quanto in genere non sufficiente a causare la fotolisi diretta da parte della radiazione UV, o l’ossidazione chimica da parte dell’acido peracetico, che rappresentano i due disinfettanti più utilizzati negli impianti di depurazione.

Per quanto riguarda il processo biologico, la sua efficacia dipende dalle caratteristiche specifiche del singolo composto appartenente alla classe dei MIE, ma va sottolineato che i meccanismi di rimozione dei contaminanti in un processo biologico sono di tre tipi (Alvarino et al., 2018):

• biodegradazione, per trasformazione biochimica, che porta alla mineralizzazione completa o parziale del composto per metabolismo batterico;

• rimozione per via fisica o chimico-fisica, per adsorbimento e/o inglobamento del contaminante nei fiocchi di fango attivo (nei processi a biomassa sospesa) o nella pellicola biologica (nei processi a biomassa adesa), che sono periodicamente allontanate dal sistema, in base al tasso di crescita della biomassa batterica;

• strippaggio o emissione in atmosfera in forma di aerosol, favorito dalla presenza di sistemi di aerazione.

Nel caso dei MIE, come già detto, il terzo meccanismo è trascurabile, mentre assumono rilevanza i primi due meccanismi: il primo perché consente un’effettiva rimozione del contaminante (Paragrafo 2.4), il secondo perché si configura come un trasferimento dalla fase liquida alla fase solida (fanghi), che vanno quindi opportunamente gestiti (Paragrafo 2.8).