Tipologia delle acque di scarico e parametri caratteristici

1. Tipologia delle acque di scarico e parametri caratteristici I principali tipi di acque di scarico conferite agli impianti di depurazione sono: domestiche industriali di infiltrazione meteoriche Le caratteristiche di queste acque possono essere suddivise in: fisiche chimiche biologiche L’insieme di queste caratteristiche definisce il tipo di acqua da trattare e di conseguenza l’accettabilità o meno da parte dell’impianto di trattamento o del corpo idrico di destino.

2. Principali inquinanti dell’acqua di scarico

3. Composizione tipica di un refluo urbano

4. Caratteristiche fisiche Solidi • I solidi si suddividono in: • solidi totali (TS): somma dei solidi sospesi e filtrabili. Rappresentano la totalità delle sostanze presenti nell’acqua. • solidi totali volatili (TVS): frazione volatile dei solidi totali ossidabile a 550°C. • solidi sospesi totali (TSS): frazione solida contenuta in un’acqua recuperabile tramite filtrazione a 0.45 micron. • solidi sospesi totali volatili (TVSS): frazione dei solidi sospesi ossidabile a 550°C che rappresenta approssimativamente la frazione organica dei solidi sospesi. • solidi filtrabili (disciolti): solidi colloidali e disciolti presenti nell’acqua e non trattenuti dalla filtrazione a 0.45 micron.Solidi • Solidi sospesi sedimentabili: frazione di solidi sospesi che sedimentano entro un tempo fissato in un contenitore (detto anche volume del fango).

5. Campione Cono Imhoff Solidi sedimentabili TS =solidi totali TSS = solidi sospesi totali TVSS = solidi volatili sospesi TVS = solidi volatili totali Evaporazione TS Muffola TVS Filtro Evaporazione TSS Muffola TVSS Figura 1 – Relazioni esistenti tra le forme di solidi nelle acque reflue e non. Nella maggior parte della letteratura, i solidi che passano attraverso il filtro vengono denominati solidi disciolti.

6. Odori • Le emissioni maleodoranti provenienti dai processi depurativi sono essenzialmente legate ai composti gassosi prodotti nella decomposizione delle sostanze organiche e solforate, ad esempio ad opera dei batteri solfatoriduttori. • Gli effetti legati alle emissioni maleodoranti sulle persone sono essenzialmente psicologici: essi tuttavia possono indurre disturbi fisici quali inappetenza, riduzione del consumo idrico, nausea e vomito. • Un efficiente controllo, sia in fase di progettazione sia di gestione è quindi indispensabile. • La determinazione degli odori è ancor oggi affidata a metodi semi-empirici a causa delle ridottissime concentrazioni in gioco ed alla variabilità dei fattori che rendono estremamente soggettiva e scarsamente riproducibile la determinazione stessa. Sono stati sviluppati alcuni strumenti atti alla determinazione di queste sostanze, dette olfattometri, che si basano su determinazioni statistiche e diluizioni standardizzate dell’aria da analizzare. Nelle tabelle seguenti sono elencati alcuni composti responsabili dell’emissione di odori da acque non trattate e le relative soglie di percezione.

7. Tabella 1 – Composti odorosi associati all’acqua reflua non trattata.

8. Tabella 2 – Soglie di odore per i composti odorosi associati alle acque reflue non trattate.

9. Temperatura • La temperatura dell’acqua di scarico è normalmente maggiore rispetto a quella di corpi idrici in equilibrio con l’ambiente circostante a causa degli scarichi domestici ed industriali. L’intervallo di variazione annuale è compreso tra 10 e 21°C dipendendo in maniera sostanziale dalla dislocazione geografica e dalla stagione. • L’importanza della temperatura dell’acqua di scarico è fondamentale sia per quanto riguarda il processo (la solubilità dell’ossigeno è funzione della temperatura, quindi i processi aerobici sono direttamente influenzati[1] sia per ragioni di impatto ambientale (lo scarico di acque a temperature diverse rispetto a quella di equilibrio può sconvolgere completamente la fauna e la flora del corpo idrico recettore). • [1] Da ciò dipendono anche i parametri cinetici e quindi anche il dimensionamento della sezione dell’impianto.

10. Tipiche variazioni delle temperature mensili delle acque reflue

11. Densità • E’ definita come massa per unità di volume. E’ un parametro importante nel dimensionamento delle vasche di sedimentazione a causa della possibile formazione delle “correnti di densità”. Nel caso dell’acqua proveniente in massima parte da scarichi domestici, la densità è uguale a quella dell’acqua pura alla stessa temperatura. Colore • Il colore dell’acqua di scarico è in stretta relazione con la sua maggiore o minore setticità. Acque di colore grigio-marrone possono essere definite “fresche” ossia non si sono ancora instaurati fenomeni biologici anaerobici. Un’acqua di colore nero è definita “settica”: si tratta in questo caso di un’acqua in cui la sostanza organica contenuta ha subito o sta subendo trasformazioni ad opera di microrganismi anaerobici. Torbidità • La torbidità è una misura della proprietà dell’acqua di trasmettere la luce. E’ considerato un indice della qualità dell’acqua scaricata rispetto ai composti colloidali e in sospensione.

12. Caratteristiche chimiche Le caratteristiche chimiche di un’acqua possono essere discusse facendo riferimento a tre classi fondamentali: • materiale organico • materiale inorganico • gas disciolti

13. Materiale organico I principali costituenti del materiale organico contenuto in un’acqua sono: • proteine • carboidrati • grassi e oli • tensioattivi • composti a basso peso molecolare • pesticidi

14. Il contenuto organico in un’acqua viene normalmente quantificato, nel caso di analisi di routine utilizzando tecniche analitiche che determinino complessivamente o diano comunque informazioni sul contenuto globale di queste sostanze nell’acqua. • Le determinazioni più utilizzate sono il BOD, il COD ed il TOC. Le unità di misura caratteristiche per i parametri di monitoraggio chimici sono generalmente i mg/l o i g/m3. nel caso di elementi in tracce possono essere utilizzati anche i microgrammi/l. • nel caso di sistemi diluiti, come le acque naturali e la maggior parte delle acque di scarico, i mg/l possono anche essere scambiati con le parti per milione (ppm), unità di misura massa/massa. Anche i gas disciolti, come ad esempio l’ossigeno, vengono normalmente misurati in mg/l o g/m3. La tabella seguente elenca le unità di misura normalmente utilizzate nelle determinazioni fisiche e chimiche di un’acqua.

15. Il carico organico, cioè la quantità di sostanze organiche che devono essere trattate costituisce un parametro indispensabile per la scelta ed il successivo dimensionamento di qualsiasi sistema di trattamento e smaltimento delle acque reflue. • La grandezza più facilmente misurabile collegata alla determinazione del carico organico si indica con COD, che rappresenta la quantità di ossigeno richiesta per ossidare chimicamente tutte le sostanze ossidabili presenti nel campione. • Questo parametro individua non solo le sostanze ossidabili biologicamente ma anche le sostanze organiche non biodegradabili ossidate solo chimicamente. Tra i vari componenti che costituiscono l’insieme dell’unico parametro chiamato COD, riveste particolare interesse quella frazione detta RBCOD (“Readily biodegradabile COD”, COD prontamente biodegradabile). • La presenza di queste sostanze accelera notevolmente il processo di denitrificazione (riduzione biologica dei nitrati ad azoto molecolare) ed è fondamentale nel processo di abbattimento del fosforo.

16. COD • E’ una tecnica relativamente veloce (circa 3 ore) e riproducibile, basata sull’ossidazione chimica di tutti i composti carboniosi presenti nell’acqua. • Questo tipo di ossidazione è poco efficace nel caso di composti volatili a causa del fatto che ad alta temperatura questi composti sono presenti in fase gas e quindi solo parzialmente in contatto con l’ossidante. • La presenza di alogeni può interferire con il catalizzatore per dare precipitati. L’ossidazione viene condotta ad alta temperatura a riflusso utilizzando bicromato in ambiente acido per H2SO4 come ossidante in presenza di catalizzatori quali il solfato d’argento. BOD e COD sono due misure in stretta connessione. Il rapporto medio tra BOD5 e COD in un’acqua di scarico domestica va da 0.4 a 0.8.

17. 10 Inerti solubile Prontamente biodegradabile 60 Rapidamente idrolizzabile 100 Lentamente idrolizzabile sospeso 110 20 Eterotrofi non denitrificanti Eterotrofi denitrificanti 59 40 Inerti COD Frazioni della sostanza organica in un refluo grezzo espressi come COD nell’ipotesi di un COD totale pari a 400 mg/l

18. RBCOD • Il COD totale può essere suddiviso fondamentalmente in una frazione solubile ed in una frazione particolata (cioè insolubile), ciascuna delle quali è a sua volta suddivisibile in due frazioni, una biodegradabile e l’altra non biodegradabile. La frazione solubile biodegradabile è rappresentata dal substrato rapidamente biodegradabile (RBCOD, “Readily biodegradable COD”) e da parte del substrato rapidamente idrolizzabile[1]. • L’RBCOD è costituito da molecole di piccole dimensioni che possono essere direttamente metabolizzate: sono acidi grassi volatili, alcoli (etanolo, metanolo), peptoni ed amminoacidi. Rappresenta in genere circa il 10-20% del COD totale di un’acqua reflue civile non sedimentata. • Gli acidi grassi volatili e specialmente l’acido acetico, rappresentano la maggior parte dell’RBCOD con una percentuale generalmente pari al 50-70%. La determinazione di tale frazione può essere effettuata per via respirometrica mediante uno specifico test per la determinazione diretta dell’RBCOD. Semplificando, essa può essere quantificata tramite il metodo di Mamais e Jenkins (1991) nel quale viene determinata la frazione solubile del COD (SCOD) tramite pre-trattamento del campione con solfato di zinco a pH = 10.5 e filtrazione dello stesso su filtro da 0.45 micron. Sottraendo il valore dell’SCOD dell’effluente da quello dell’influente è possibile risalire al valore di COD solubile prontamente biodegradabile (RBCOD). • [1] Un substrato è rapidamente biodegradabile o rapidamente idrolizzabile se viene rimosso in un tempo pari a qualche ora o alla frazione di ora. E’ lentamente biodegradabile se per la sua degradazione è necessario un tempo da diverse ore fino ad uno o più giorni. Questa distinzione basata sul tempo necessario per la biodegradazione si rapporta al tempo effettivamente disponibile in un impianto di depurazione convenzionale a fanghi attivi per l’ossidazione dei substrati (HRT, SRT).

19. Un altro parametro fondamentale nella caratterizzazione delle sostanze organiche presenti nel refluo è il BOD, con il quale si intende la quantità di ossigeno richiesta dai microrganismi aerobi per poter procedere all’assimilazione ed alla degradazione del substrato organico. • A differenza del COD in questo caso si determina solamente la frazione del carbonio organico biodegradabile. Nei liquami domestici, in genere, il COD è pari a 1.2 – 1.4 il BOD finale a 20 giorni e pari a 1.7 – 2 volte il BOD a 5 giorni (sola frazione carboniosa); • valori più elevati di questo rapporto (anche 4 – 6 volte) sono caratteristici dei liquami con presenza di scarichi industriali comprendenti sostanze organiche non o difficilmente biodegradabili e quindi il rapporto è anche un indice della trattabilità degli scarichi industriali per via biologica. • Dato un liquame con caratteristiche sufficientemente omogenee nel tempo, una volta che si sia individuata una correlazione tra il BOD5 ed il COD ci si può limitare alla sola misura del COD, molto più semplice e riproducibile in quanto sono sufficienti solo due – tre ore per eseguirla contro i 5 giorni necessari per la determinazione del BOD5. • Quando in un liquame sono presenti sostanze tossiche per la vita dei microrganismi risultanti ad esempio da scarichi industriali esse sono facilmente rilevabili con una prova del BOD5, in quanto i valori numerici di tale parametro risultano assai più bassi rispetto a quelli di liquami di pari caratteristiche privi di sostanze tossiche o, addirittura nulli; essendo il COD una prova chimica esso fornisce invece indicazioni praticamente uguali anche con la presenza di sostanze tossiche.

20. BOD5 • E’ una tecnica che ha molte limitazioni in quanto: necessita di utilizzare batteri attivi ben acclimatati, necessita di pre-trattamenti ad hoc nel caso di reflui tossici, esiste la possibilità di interferenza da parte dei batteri nitrificanti, solo l’organico biodegradabile può essere misurato, non è possibile ipotizzare una stechiometria precisa dopo che la parte organica solubile è stata consumata, il tempo di analisi è arbitrario e normalmente più lungo rispetto alle altre analisi chimiche utilizzate. Tutte queste limitazioni influenzano la riproducibilità, perciò la procedura viene standardizzata al massimo. La misura si basa sulla differenza di ossigeno disciolto nella soluzione prima e dopo la digestione a temperatura controllata della durata di 5 giorni. Il valore è normalmente espresso in mg/l. Per convenzione la cinetica del BOD viene formulata in base all’equazione relativa alle cinetiche di primo ordine: dove Lt è il BOD rimasto nell’acqua dopo il tempo t, k è la costante cinetica. Integrata questa equazione diventa: dove L è il BOD a t = 0. per acque di scarico civili, k è normalmente pari a 0.23 d-1.

21. TOC • La misura del carbonio totale in un’acqua può essere considerata l’analisi più accurata tra quelle presentate. Tuttavia, il fatto che la tecnica è quasi esclusivamente strumentale e relativamente recente, BOD e COD rimangono i metodi più largamente utilizzati per la determinazione del contenuto organico. La validità dell’approccio ne fa prevedere comunque un sempre maggiore uso. La tecnica si basa sull’ossidazione chimica o ad alta temperatura in corrente di ossigeno di una quantità nota di campione e successiva determinazione tramite cella ad infrarossi dell’anidride carbonica prodotta. Le interferenze maggiori sono date dalla presenza di carbonati, i quali vengono decomposti a temperature intorno ai 550°C e quindi generano un errore per eccesso nella determinazione del carbonio organico. Ciò può essere evitato tramite opportuni pre-trattamenti del campione, ad esempio l’acidificazione a pH 2 prima dell’analisi, in modo da convertire queste sostanze a CO2 prima dell’analisi.

22. Materiale inorganico • Oltre alla parte organica, l’acqua di scarico contiene una quantità non trascurabile di inquinanti di origine inorganica. Questo aspetto deve essere tenuto in debito conto sia nella classificazione dell’acqua a monte e a valle dell’impianto sia in sede di gestione durante le varie fasi del processo depurativo. Una serie di parametri di monitoraggio è quindi dedicata a questo scopo. pH • La concentrazione di ioni idrogeno è uno dei parametri fondamentali di controllo nei processi biologici. Normalmente il parametro viene misurato potenziometricamente utilizzando un elettrodo a vetro. Altri metodi di misura sono le cartine tornasole e gli indicatori, ossia sostanze che assumono colorazioni differenti a determinati valori di pH. Cloruri • Il contenuto in cloruri di un’acqua è determinato sia da origini naturali (erosione delle rocce e del suolo) che antropiche (dagli scarichi domestici). I processi depurativi tradizionali non abbattono in maniera significativa questo inquinante, tanto che la presenza di cloruri è un indice per determinare se un corso d’acqua è interessato da scarichi di acque di rifiuto.

23. Alcalinità • Per alcalinità si intende la determinazione globale di tutte le basi deboli presenti nell’acqua, ossia idrossidi, carbonati e bicarbonato di elementi come calcio, magnesio, sodio, potassio. Tra questi, i composti del calcio e magnesio sono indubbiamente i più comuni, ma anche borati, silicati, fosfati ed altri possono contribuire all’alcalinità totale di un’acqua. Normalmente l’acqua di scarico è alcalina a causa delle sostanze riversate negli scarichi domestici. Questa caratteristica è importante ai fini della neutralizzazione di eventuali acidi scaricati. La determinazione viene condotta per via pH-metrica utilizzando una soluzione di acido preventivamente standardizzato. L’unità di misura sono i g CaCO3/l.

24. Azoto • L’azoto è presente nelle acque di scarico in diverse forme: azoto organico (25% del totale), ammoniacale, nitriti e nitrati. Le fonti relative ed i percorsi metabolici connessi sono riportati nello schema seguente.

25. Lo schema seguente riporta la ripartizione dell’azoto mediamente riscontrabile nei liquami domestici.

26. Le determinazioni dell’azoto organico e totale si basano sul metodo di Kjeldahl, ossia la digestione del campione (dopo bollitura per l’eliminazione dell’azoto ammoniacale) con conseguente trasformazione dell’azoto organico in ammonio e successiva titolazione. • L’azoto totale viene determinato in maniera simile eccetto il fatto che l’azoto ammoniacale non viene eliminato all’inizio ma titolato unitamente all’ammonio proveniente dalla digestione. • L’azoto presente come nitriti è relativamente instabile in quanto facilmente ossidabile a nitrati. La determinazione è colorimetrica, utilizzando la formazione di un complesso rosso misurabile a 543 nm. L’azoto presente come nitrati è determinabile spettrofotometricamente direttamente nel campione a 220 nm, tuttavia la tecnica non è applicabile in maniera estesa ad acque con notevoli quantità di sostanze organiche disciolte. Più opportuna è la determinazione via cromatografia ionica.

27. P particellato FOSFORO INORGANICO P-PO4 solubile P complesso P particellato P solubile FOSFORO ORGANICO P refrattario Fosforo • Analogamente all’azoto, il fosforo è un elemento fondamentale nella crescita di alghe ed altri organismi biologici. • E’ presente nelle acque di scarico sia in forma solubile che particellata ed in forma organica ed inorganica. Il fosforo organico è presente in quantità non superiore in genere al 10% del totale. • Il fosforo inorganico è essenzialmente presente come polifosfati ed ortofosfati, con ripartizione nelle due forme anche molto variabile durante il giorno. • Il fosforo è presente nelle acque in forma organica ed inorganica, solubile e particellata, in proporzioni variabili al mutare delle condizioni chimico-fisiche che regolano i complessi equilibri riportati nella figura seguente.

28. O O O Ortofosfato OH P OH Pirofosfato OH P O P OH OH OH OH O O O Tripolifosfato OH P O P O P OH OH OH OH O OH P O O Trimetafosfato O O P P OH O OH

29. Il fosforo inorganico solubile risulta dall’azione disgregante e solubilizzante delle acque sui minerali fosfatici; al mutare delle condizioni, il fosforo solubilizzato può riprecipitare (P-particellato). • I fosfati complessi derivano principalmente dall’uso dei detergenti sintetici, dai processi industriali di addolcimento delle acque e dal metabolismo di tutti gli organismi viventi; sono instabili e lentamente si idrolizzano ad ortofosfati (P-PO4). • Nei liquami urbani orientativamente il 50% di fosforo è presente come ortofosfati, il 40% come polifosfato (la figura 7 riporta i principali composti inorganici del fosforo) e il 10% come fosforo organico. • Tali percentuali sono orientative in quanto elevati tempi di residenza idraulici nelle fognature comportano l’idrolisi del polifosfato ad ortofosfato. Nelle acque naturali il fosforo è presente come fosfato organico in una percentuale che varia dal 30 al 60%. La determinazione del fosforo nelle acque di scarico è normalmente condotta per via spettrofotometrica, utilizzando la formazione di un complesso blu con molibdato d’ammonio.

30. Zolfo • Lo zolfo è presente normalmente nelle acque di scarico sotto forma inorganica come solfati. E’ un elemento base per la sintesi di proteine. In condizioni anaerobiche, i solfati vengono ridotti a zolfo grazie a microrganismi solfato-riduttori, liberando acido solfidrico, uno dei composti maggiormente connessi al problema degli odori molesti negli impianti di depurazione.

31. Composti inorganici tossici e metalli pesanti • Si tratta di anioni o cationi normalmente legati a scarichi industriali. Tipico esempio sono i cianuri ed i cromati, questi ultimi provenienti in massima parte da industrie galvaniche. La presenza di metalli pesanti in determinate concentrazioni si può rivelare tossica per i batteri coinvolti nei processi depurativi. Ad esempio, il rame in concentrazioni maggiori di 100 mg/l, il cromo ed il nichel di 500 mg/l. nella seguente tabella è esposta una lista di sostanze (metalli pesanti, non metalli ed altre sostanze organiche) che provocano un effetto inibitore del processo biologico, causando una perdita di efficienza dell’atto depurativo. • I metodi di determinazione di questi composti possono essere anche molto vari, tuttavia la tendenza odierna è di utilizzare la cromatografia ionica per i composti inorganici tossici in genere e l’assorbimento atomico e/o l’emissione al plasma per i metalli pesanti.

33. Gas disciolti • I gas comunemente presenti in un’acqua sono azoto, ossigeno, anidride carbonica, acido solfidrico, ammoniaca e metano. Di questi i primi tre sono gas comunemente presenti nell’atmosfera e quindi normalmente riscontrabili in acque esposte all’aria. Tra questi, molto importante riguardo ai processi depurativi è l’ossigeno disciolto, fondamentale per la respirazione dei microrganismi aerobici. I fattori che governano la quantità di gas disciolti in acqua sono essenzialmente quattro: • la solubilità del gas; • la pressione parziale del gas nell’atmosfera; • la temperatura; • la purezza dell’acqua. • A causa della dipendenza dalla temperatura delle reazioni biologiche che consumano ossigeno, durante i mesi estivi si può assistere ad un consumo maggiore di questo gas, con conseguente generazione di possibili zone atossiche nel liquame. I rimanenti tre gas sono invece legati a fenomeni biologici presenti nell’acqua di scarico. Essenzialmente anaerobici. L’ammoniaca proviene dalla decomposizione di materiale organico, l’acido solfidrico e il metano (e l’anidride carbonica) sono i prodotti tipici della digestione anaerobica di materiale organico.

34. Caratteristiche biologiche • Nel campo dell’ingegneria ambientale è necessaria la conoscenza dei principali gruppi di microrganismi presenti nelle acque di superficie e nelle acque reflue e quelli responsabili del trattamento biologico, degli organismi patogeni presenti nelle acque reflue, degli organismi usati come bioindicatori di inquinamento, dei metodi usati per la numerazione degli organismi bioindicatori, dei metodi usati per la valutazione della tossicità delle acque trattate. • I batteri sono organismi unicellulari e si suddividono in quattro categorie a seconda che siano sferoidi (suffisso –cocco; diametro 1 – 3 micron), a bastoncino (bacilli; larghezza 0.3 – 1.5 micron; lunghezza 1 – 10 micron), a spirale (larghezza 0.6 – 1 micron; lunghezza 2 – 6 micron e fino a 50 micron) o filamentosi (lunghezza fino a 100 micron e oltre). • I funghi sono organismi aerobi, pluricellulari, non fotosintetici, eterotrofi. Sono, con i batteri, i principali responsabili della decomposizione del carbonio nella biosfera. • Le alghe in condizioni favorevoli, si riproducono molto rapidamente nell’acqua e possono creare notevoli disagi: infatti, sono caratteristiche di ciò che viene usualmente chiamato fenomeno di eutrofizzazione dove cioè le sostanze nutrienti (N e P) sono presenti in notevoli concentrazioni.

35. I protozoi sono microrganismi unicellulari la maggior parte dei quali è aerobia o facoltativa anaerobia eterotrofa. Tra di essi, i più importanti per gli scopi depurativi sono le amebe, i flagellati ed i ciliati. Essi svolgono un ruolo fondamentale nella catena trofica dei consortia batterici, mantenendo il naturale equilibrio tra i differenti gruppi di microrganismi. • Nelle seguenti tabelle sono presentate le caratteristiche di alcuni microrganismi usati come indicatori di inquinamento e le specie ed il numero di microrganismi presenti mediamente nelle acque reflue urbane.

38. Il carico specifico • Quando non è possibile condurre la caratterizzazione del refluo e comunque non sono disponibili dati sperimentali vengono usati dati di carico specifico (per abitante equivalente) per stimare il carico totale (idraulico ed organico) da trattare. Nella seguente tabella è esposta la produzione tipica pro-capite (carico specifico) di alcuni costituenti tipici di un refluo[1]. • [1] Nel caso in cui siano previsti trituratori domestici sottolavello il carico specifico in BOD5 sale a 100 g/AE d mentre quello dei solidi sospesi (SS) a 118 g/AE d.