L’uso di additivi

Risulta evidente come unire le particelle piccole in aggregati di maggior dimensione potrebbe permettere la rimozione anche di queste; tale compito è svolto da additivi che possono essere impiegati nei processi di separazione, aumentandone nettamente l’efficienza, ma anche i costi. Per comprendere il meccanismo d’azione di questi additivi, bisogna considerare che la sostanza organica del liquame abbonda di gruppi funzionali carbossilici, ossidrilici, solfidrilici, fenolici (Masse et al., 2005), i quali, nell’intervallo di pH del liquame, conferiscono alla sostanza organica sospesa e dissolta una carica negativa; ad esempio, nel liquame di origine suina è stata misurata una densità di carica nel particolato di -0,18 meq/g di solidi organici (Christensen et al., 2009); le particelle negativamente cariche tendono a

respingersi le une con le altre (Gregory, 1989). La funzione degli additivi sta nel superare questa repulsione reciproca favorendo invece il contatto e l’aggregazione. Come additivi è stata proposta una vasta gamma di materiali, come lignite, bentonite, zeolite, chitosano e microrganismi, ma sull’efficienza di questi mancano informazioni affidabili (Hjorth et al., 2010); gli unici additivi di comprovata efficacia risultano essere alcuni sali inorganici di cationi polivalenti, in genere ferro e alluminio (con azione coagulante), e alcuni polielettroliti (con azione flocculante).

I cationi polivalenti da una parte favoriscono la precipitazione del fosforo (Hjorth et al., 2008), attraverso la formazione di sali poco solubili quali, per esempio, FePO4, Fe5(PO4)2(OH)9 e Ca3(PO4)2; dall’altra, compensando le cariche elettriche negative delle particelle tramite cariche positive, ne permettono la coagulazione; è importante che la quantità aggiunta non sia eccessiva, altrimenti si assiste a un’inversione di carica (da negativa a positiva) che rende le particelle nuovamente repulsive tra loro. I sali più efficienti risultano Al2(SO4)3 e FeCl3 (Hjorth et al., 2010). Occorre considerare, quando si impiegano coagulanti, i loro effetti secondari. Tra questi c’è l’azione sul pH del liquame: entrambi i sali appena citati ne causano un abbassamento, cosa vantaggiosa per ridurre le emissioni di NH3 (Hjorth et al., 2009); CaO ne causa invece l’innalzamento, che può essere favorevole per successivi trattamenti di nitro-denitrificazione (Szögi et al., 2006). Bisogna poi sempre tenere presenti eventuali effetti ambientali delle sostanze impiegate.

L’azione dei polielettroliti si basa su due meccanismi di flocculazione. Il primo, definito patch flocculation, comporta una parziale (a chiazze, appunto) compensazione delle cariche negative sulla superficie particellare; questo fenomeno, in cui polimeri ramificati sono più attivi di quelli lineari, e quelli ad alto peso molecolare più di quelli a basso peso, non riveste però una grossa importanza nei liquami, a causa della conducibilità abbastanza elevata di questi (Hjorth et al., 2010). Il secondo, denominato polymer bridging, comporta la formazione di ponti polimerici (con carica positiva) che congiungono tra loro le particelle con carica negativa. Anche per quest’ultimo fenomeno un sovradosaggio (come anche una conducibilità particolarmente elevata) causa un decremento dell’efficacia, in quanto i polimeri tendono ad avvolgersi su sé stessi con conseguenti ingombro sterico e deflocculazione (Gregory, 1973). L’aumento della forza ionica della soluzione tende a far aumentare la massima quantità di polimeri che può essere adsorbita dalle particelle (Eriksson et al., 1993). Un ampio numero di polimeri poliacrilammidici è stato testato per applicazioni di flocculazione. Riguardo alla carica, i polimeri cationici sono risultati più efficienti rispetto agli anionici e ai neutri, fatto abbastanza ovvio considerando le cariche prevalenti nella

sostanza organica del liquame, e una densità di carica media (20-40 mol%) è risultata preferibile (Hjorth et al., 2010). Riguardo alla struttura, i polimeri lineari appaiono in generale più efficienti; forma e dimensione dei polimeri hanno riflessi sulle caratteristiche degli aggregati, in quanto polimeri lineari con elevato peso molecolare producono fiocchi ampi e poco densi, mentre polimeri ramificati a basso peso molecolare producono fiocchi piccoli e densi (Hjorth et al., 2008). Anche nel caso dei flocculanti occorre prestare attenzione a possibili effetti collaterali: i monomeri della poliacrilammide possono essere tossici, sebbene il rischio per la salute umana da essi causato sia ritenuto minimo (Schechter et al., 1995); negli Stati Uniti gli additivi poliacrilammidici sono categorizzati come GRAS (Generally Recognized As Safe), se usati al di sotto di una dose stabilita in base all’uso finale del liquame trattato. Essendo il liquame trattato generalmente destinato al riciclaggio in agricoltura, è importante tenere in considerazione anche qualsiasi eventuale impatto ambientale.

Visto che i flocculanti causano l’aggregazione sia di particelle singole che di coaguli ottenuti tramite cationi polivalenti, nelle applicazioni pratiche viene consigliato, se si utilizzano entrambi i tipi di additivi, di somministrare prima i coagulanti, far seguire alcuni minuti di lenta agitazione, quindi aggiungere i flocculanti. Il trattamento con additivi si combina in modo diverso e con diversa efficacia con i diversi sistemi di separazione: la flocculazione incide maggiormente sulla filtrazione che non sulla centrifugazione (Hjorth et al., 2008), e in particolare la filtrazione senza applicazione di pressione valorizza al meglio l’effetto dell’additivazione sulla separazione di sostanza secca e P, poiché la pressione può disintegrare i fiocchi (Hjorth et al., 2010). Le caratteristiche degli aggregati prodotti hanno pure rilevanza: per la sedimentazione e la centrifugazione, che si affidano alla densità dei solidi, aggregati piccoli e densi sono l’ideale; la filtrazione senza pressione applicata è facilitata da fiocchi larghi e leggeri, che costituiscono uno strato molto poroso sulla superficie filtrante; la filtrazione con pressione si avvantaggia di aggregati piccoli e densi, maggiormente resistenti alla compressione.

Per concludere il discorso sugli additivi, è bene ricordare che la separazione di soluti quali NH4⁺ e K⁺ non è direttamente influenzata né dai coagulanti, trattandosi di ioni a carica positiva, né dai flocculanti; i fiocchi possono però trattenere del liquido (Vesilind, 1994), in cui sono disciolti tali ioni, quindi i flocculanti possono in qualche modo aumentarne la concentrazione nella frazione solida.