Questo tipo di trattamento richiede il controllo di vari parametri ambientali fondamentali per la crescita della microflora. I microrganismi convertono le sostanze organiche presenti prevalentemente in gas (CO2 e per i processi anaerobici CH4), acqua e biomassa. Gli obiettivi
principali dei trattamenti biologici sono:
Riduzione del carico organico
Nitrificazione/Denitrificazione dell’azoto ammoniacale
In linea generale i trattamenti biologici risultano meno costosi di quelli chimico-fisici, per cui quando possibile è preferibile ricorrere a tali interventi. È necessario che il trattamento permetta di ottenere un refluo che risponda agli standard di legge, pertanto, nei casi in cui questo trattamento non consenta l’ottenimento di tale requisito occorre integrare il processo con ulteriori operazioni preliminari o successive. L’efficienza del metodo dipende dal rapporto BOD5/COD e dalla
presenza più o meno significativa di sostanze che possono inibire l’attività batterica (metalli, solfuri, cloruri, fenoli, cianuri). Il trattamento presenta efficienze ottime nel caso di percolati con rapporto BOD5/COD> 0,5 caratteristici di discariche giovani (<5 anni), mentre per percolati
provenienti da discariche mature (>10 anni e BOD5/COD< 0,1) l’efficienza è piuttosto scarsa. I
processi biologici atti a trattare il percolato possono essere di natura aerobica o anaerobica.
Trattamenti aerobici
Come già detto, questa tipologia di trattamenti è indicata nel caso di percolati giovani, contenenti elevate quantità di acidi grassi volatili, che possono essere rapidamente biodegradati. La presenza di ossigeno consente di velocizzare le reazioni biochimiche, ma allo stesso tempo, la necessità di mantenere una specifica concentrazione di ossigeno disciolto, comporta costi aggiuntivi. I batteri aerobici coinvolti nelle reazioni, permettono di ottenere efficienze di rimozione di BOD e COD, pari al 98-99%, e trasformazione dell’azoto ammoniacale in nitrati fino al 90%. Tuttavia le reazioni di nitrificazione, possono essere inibite dalla presenza di elevate concentrazioni di metalli pesanti, dalle basse temperature, dall’eccessiva acidità del refluo e dai possibili accumuli di nitriti (Welander, et al., 1997). Tra i principali metodi di trattamento vi sono:
Metodi a biomassa sospesa
Lagunaggi aerobici
Sistemi a fanghi attivi Metodi a biomassa adesa
Biodischi
Letti percolatori
Lagunaggi aerobici
Si tratta di un sistema semplice, economico e affidabile. Consiste in vasche o bacini di profondità 2-6 m, aerate attraverso pompe e turbine che mantengono il flusso in agitazione. Il sistema non prevede ricircolo di biomassa, pertanto è opportuno dimensionare i bacini in funzione di un adeguato tempo di ritenzione che consenta una crescita batterica tale da compensare le perdite di biomassa. Tale processo può portare a rendimenti del 98-99% per BOD5 e COD e > 90% per NH3.
L’efficienza di rimozione dipende dalla temperatura, dal carico volumetrico e dal tempo di ritenzione. Infatti carichi eccessivi possono ridurre il rendimento di rimozione del BOD e del COD, mentre basse temperature o ridotti tempi di residenza non permettono di ottenere il completamento delle reazioni di nitrificazione. Ad esempio lunghi tempi di ritenzione (dai 15 ai 30 giorni) garantiscono uno sviluppo batterico anche a basse temperature e la rimozione anche di sostanze difficilmente biodegradabili.
In questi impianti, si favorisce lo sviluppo di una biomassa, all’interno del reattore, in grado di biodegradare in condizioni aerobiche il refluo in ingresso che viene ad essa miscelato dando luogo alla cosiddetta miscela aerata. L’ambiente aerobico viene assicurato da opportuni sistemi di aerazione, che devono anche garantire la miscelazione in vasca. All’uscita dal reattore aerato la miscela viene inviata allo stadio di sedimentazione dove il fango viene separato dal refluo trattato; una porzione di fango sedimentato viene ricircolata nel reattore per mantenere la desiderata concentrazione di microrganismi, mentre la rimanente parte viene inviata alla linea trattamento fanghi, ove si provvede alla sua stabilizzazione.
Il tempo di ritenzione è minore che nei lagunaggi aerati, in quanto il ricircolo permette il mantenimento della biomassa in concentrazioni maggiori di 3-5 volte rispetto a quelle di un lagunaggio. Anche in questo caso il metabolismo batterico risente delle condizioni di temperatura e del tempo di residenza. Tuttavia in condizioni ottimali è possibile ottenere rendimenti di rimozione compresi tra il 96 ed il 99%.
Biodischi
Il sistema consiste in una serie di dischi di materiale plastico di grande diametro (circa 3 m) montati a distanza di 2-3 cm uno dall’altro, per evitare il contatto tra le biomasse, su un asse orizzontale. I dischi ruotano lentamente (da 0,5 a 10 rpm) e sono immersi per il 30-40% in una vasca orizzontale aperta, nella quale scorre il percolato. I biodischi funzionano grazie a microrganismi che aderiscono e crescono sulla superficie dei dischi, assimilando i nutrienti presenti nel refluo in ingresso. La crescita della biomassa dei microrganismi è responsabile della diminuzione del carico inquinante all’interno dello scarico. I dischi ruotando e fuoriuscendo dalla vasca entrano in contatto con l’aria permettendo al sistema di rimanere in condizioni di aerobiosi.
Letti percolatori
Si tratta di vasche profonde diversi metri, contenenti materiale drenante sulla cui superficie aderiscono le colonie batteriche. Il fluido contaminato viene irrorato sul materiale particellare, e per effetti della gravità percola dall’alto verso il basso. Durante tale filtrazione, mediante il contatto con la biomassa adesa al materiale granulare, hanno luogo le reazioni biochimiche che consentono la decontaminazione del percolato. Questo sistema è particolarmente indicato per la nitrificazione dei vecchi percolati, in quanto il trattamento di percolati giovani, potrebbe provocare l’intasamento del drenaggio per effetto della precipitazione dei metalli e dei carbonati contenuti. Il rendimento di rimozione dell’azoto ammoniacale in condizioni ottimali può raggiungere il 95%.
Trattamenti anaerobici
Questi trattamenti solitamente sono utilizzati per percolati giovani e come pretrattamento prima dei successivi processi aerobici. Consentono di ridurre smorzare il carico di contaminanti sia qualitativamente che quantitativamente. Dal punto di vista energetico il processo è vantaggioso sia grazie alla produzione di metano, utilizzabile per scopi cogenerativi, sia per l’assenza di aerazione. Inoltre la ridotta quantità di biomassa comporta minore produzione di fanghi da smaltire. Per quanto riguarda gli svantaggi, i processi anaerobici, sono molto sensibili alle variazioni di pH e possono essere inibiti dalla presenza di elevate concentrazioni di metalli, fenoli e solventi. Al termine del trattamento solitamente, il refluo presenta ancora elevate concentrazioni di BOD, COD e azoto ammoniacale, rendendo necessari ulteriori trattamenti aerobici o chimico- fisici. Le principali metodologie sono:
lagunaggi digestori
sistemi UASB (upflow anaerobic sludge blande)
Lagunaggi anaerobici
Consistono in bacini di contenimento che garantiscono una buona rimozione del COD (80-90%), ma sono completamente inefficaci nella rimozione dell’azoto ammoniacale. Il processo di depurazione è favorito da reazioni chimico–fisiche, quali flocculazione, sedimentazione e precipitazione, che si innescano in assenza di aerazione. Tale metodologia è caratterizzata da emissioni odorigene, dovute alla formazione di solfuri, ammoniaca e altri composti derivanti dai processi anaerobici, e dalla presenza di una crosta superficiale causata dalla risalita di biogas.
Digestori anaerobici
Si tratta di reattori chiusi in cui viene garantita una continua agitazione e nei quali la temperatura deve essere mantenuta a valori non inferiori a 20 °C. Tali sistemi permettono rendimenti di abbattimento del COD intorno al 90% con percolati giovani in ingresso aventi 10000-20000 mg COD/l. Il vantaggio principale di un trattamento anaerobico è la bassa richiesta di energia. L’effluente di questi processi ha comunque residui ancora troppo elevati di BOD5/COD (> 0,3) e
COD (1000-4000 mg/l) che spesso richiedono un successivo trattamento.
Sistemi UASB (upflow anaerobic sludge blande)
Il sistema consiste in un reattore, realizzato in maniera tale da ottenere elevate concentrazione di biomassa, disaccoppiando il tempo di ritenzione dei solidi dal tempo di residenza idraulico, senza la necessità di un sedimentatore esterno. All’interno del reattore, alimentato continuamente, lo sviluppo di fanghi granulari, favorisce la ritenzione della biomassa, senza l’utilizzo di materiali di supporto inerti per intrappolare o far aderire la biomassa. Il fenomeno della granulazione è un processo in cui la biomassa flocculante forma dei granuli ben definiti garantendo elevate concentrazioni di fango nel reattore.
Il liquame viene alimentato dalla parte bassa del reattore e attraversa, in senso ascendente, un letto di fango biologico. Durante questo moto avviene la degradazione anaerobica della frazione biodegradabile, con conseguente produzione di biogas; la sua risalita attraverso il letto determina il trascinamento delle particelle di fango che quindi si ritrovano nell’effluente superficiale e rendono necessaria una fase di separazione a valle. Qui i granuli di fango, liberati dalle bolle di gas che ne hanno favorito la risalita, sedimentano, il biogas invece giunge in superficie e viene raccolto in un’apposita zona di accumulo posta superiormente, mentre l’effluente, relativamente chiarificato, viene scaricato.
L’UASB ha dimostrato buone prestazioni ed elevata affidabilità in diversi impianti in piena scala (Lettinga, et al., 1980), ma anche notevoli problemi legati ad una eccessiva espansione del letto o ad una scarsa granulazione della biomassa, con il risultato di provocare un eccessivo dilavamento di solidi.