ACQUA - Depurazione
ACQUA (I, p. 339)
Depurazione. - La depurazione delle acque viene praticata con scopi ben distinti: 1. Per rendere potabili o atte a usi industriali acque che per le loro qualità (principalmente per il contenuto di sostanze minerali disciolte, di sostanze organiche e di microrganismi) non si potrebbero direttamente utilizzare a tal fine. 2. Per rendere innocue, o meno nocive, le acque di rifiuto che devono essere immesse in un recipiente: fiume, lago, mare, ecc., del quale provocherebbero l'inquinamento.
1. I trattamenti della prima categoria, nella quale assumono importanza preponderante quelli diretti alla potabilizzazione delle acque per l'approvvigionamento idrico degli abitati, possono essere classificati in quattro gruppi i quali ricorrono tutti o in parte nei varî casi della pratica applicazione.
A) La chiarificazione, destinata a ridurre in notevole misura la torbidità dell'acqua, si ottiene mediante la sedimentazione in bacini, nei quali l'acqua rimanga ferma un certo tempo o si muova con velocità sufficientemente bassa.
Nella maggior parte dei casi precede un trattamento chimico di coagulazione che ha lo scopo di trasformare le sostanze disperse allo stato colloidale in coaguli che si riuniscono poi in fiocchi facilmente sedimentabili.
In molti casi, prima di aggiungere il coagulante, è necessario modificare il pH dell'acqua, quasi sempre nel senso di elevarlo, cioè di deacidificare. La sostanza coagulante viene mescolata intimamente e le fasi di coagulazione e flocculazione si compiono con l'acqua in movimento. La sedimentazione viene fatta invece generalmente con acqua in riposo e parte del fango depositato può essere reintrodotto in ciclo per facilitare la flocculazione.
B) La filtrazione consiste nel far passare l'acqua attraverso una massa porosa, sulla quale si forma, dopo un periodo di maturazione, uno strato gelatinoso superficiale che è l'elemento attivo del trattamento. La massa filtrante è generalmente costituita da sabbia e si trova sommersa sotto un certo battente di acqua (rari sono i filtri a percolazione sui quali l'acqua è fatta cadere a pioggia). La sabbia deve essere quarzosa con granulazione intorno a 0,5 mm., molto uniforme. Va disposta sopra un sottostrato di ghiaia che costituisce drenaggio.
La filtrazione si dice lenta quando l'acqua attraversa il filtro con velocità di alcuni metri nelle 24 ore; presentemente è quasi abbandonata. Semirapida si dice la filtrazione effettuata con velocità dell'ordine di 50 metri nelle 24 ore, sistema anche questo poco usato. Rapida è detta la filtrazione con velocità di 100 ÷ 150 metri nelle 24 ore, oggi adottata nella maggioranza dei casi. I filtri rapidi sono sempre sommersi, a gravità negli impianti grandi e medî, a pressione nei piccoli.
Dopo un certo periodo di esercizio, quando la perdita di carico attraverso il filtro raggiunge un certo valore, stabilito come limite superiore, si procede alla lavatura del filtro con cacciata di acqua in controcorrente. L'intervallo tra due lavature dipende dal grado a cui è spinta la sedimentazione, che con questo tipo di filtri di regola precede.
I filtri lenti e semirapidi sono di più facile conduzione, ma richiedono una superficie maggiore, quindi maggiore spesa d'impianto e anche di esercizio per la rimozione e la lavatura della sabbia.
In genere un impianto di filtrazione ben progettato e ben condotto dà una riduzione del 95% del contenuto batterico dell'acqua. Occorre però personale molto esperto e un'accuratissima e quotidiana sorveglianza per accertare la continuità dell'efficienza epurativa del trattamento. Si fanno in genere, anche molte volte al giorno, le verifiche della torbidità, del pH, del contenuto batterico e della presenza del bacterium coli.
C) La correzione; con la quale si modificano alcune caratteristiche chimiche dell'acqua, comprende diversi trattamenti di cui i più comuni sono: addolcimento che ha lo scopo di ridurre la durezza temporanea dell'acqua.
Si pratica mediante varî procedimenti. Con quello alla calce e soda, si aggiunge all'acqua calce spenta che fissa l'anidride carbonica libera e precipita la calce come carbonato e il magnesio come idrossido, e successivamente, dopo sedimentazione o filtrazione, si aggiunge carbonato di sodio che elimina i solfati. Nel procedimento per scambio delle basi si usano silicati idrati di allumina e sodio, naturali o artificiali (Zeolite, Borromite, Permutite, ecc.) che, messi a contatto con l'acqua, assorbono gli ioni Ca e Mg facendo, al loro posto passare in soluzione lo ione Na. Il silicato viene poi rigenerato mediante trattamento con soluzione di cloruro di sodio. Questo processo permette di portare a zero la durezza dell'acqua, il che del resto nella maggioranza dei casi non è desiderato.
Per uso industriale si adotta anche l'addolcimento con fosfato trisodico che precipita il calcio come fosfato tricalcico.
Talora può essere necessario il trattamento inverso, cioè l'indurimento, allo scopo di rendere un'acqua assolutamente priva di calcio, meno aggressiva per le tubazioni metalliche e più igienica a scopo potabile. Spesso tale trattamento si compie unitamente alla deacidificazione cioè alla fissazione dell'anidride carbonica libera conseguendo ambedue gli scopi con una filtrazione attraverso marmo frantumato.
L'eliminazione del ferro e del manganese, quando siano contenuti in quantità superiori a quelle tollerabili (i mg. di Fe e 0,5 mg. di Mn per litro) è sempre basata sull'ossidazione dei sali manganosi e ferrosi solubili a sali manganici e ferrici insolubili, che vengono fatti precipitare ed eliminati.
Quando Fe e Mn sono presenti come bicarbonati, basta la semplice aerazione conseguita o mediante percolazione dell'acqua su materiale poroso, o mediante spruzzamento molto sottile (nebulizzazione) dell'acqua stessa.
Se invece i due metalli sono presenti sotto forma di diversi sali, si fa in genere precedere l'aerazione, con separazione del precipitato, e quindi si tratta con zeoliti che agiscono per sostituzione di basi o con pirolusite che agisce come ossidante energico.
Appartengono a questa categoria anche i trattamenti di aerazione semplice e di eliminazione dei gas; questo molte volte è conseguibile con la sola aerazione, altre invece richiede l'azione del vuoto o il riscaldamento.
L'eliminazione degli odori, dei sapori e della colorazione si ottengono in genere come conseguenza deì trattamenti di chiarificazione e di filtrazione. Quando sia necessario, si può agevolare il conseguimento di questi scopi con l'aggiunta di sostanze chimiche appropriate o di carbone attivo.
In alcuni casi estremi, quando l'acqua da cui si parte sia carica di sali molto solubili (acqua marina o salmastra), si ricorre alla distillazione, operazione sempre molto costosa per l'ingente quantità di energia calorifica che richiede, anche con apparecchi moderni con un buon ricupero del calore.
L'acqua distillata per scopi potabili va sempre aerata e convenientemente mineralizzata.
D) I trattamenti di purificazione mirano a distruggere i microrganismi patogeni contenuti nell'acqua. Per conservare all'acqua le sue qualità potabili è necessario ricorrere a sostanze chimiche facilmente eliminabili e non nocive in piccolissime quantità, o a mezzi fisici.
Tra i primi trattamenti il píù importante e usato è quello con il cloro.
Questo viene aggiunto all'acqua sia sotto forma di cloro libero (contenuto in bombole, compresso, allo stato liquido) sia sotto forma di ipocloriti di calcio o di sodio. La quantità richiesta varia da 0,05 a 1 mg. per litro di acqua e viene determinata in base allo studio dell'acqua, in modo che, alla fine del trattamento, resti sempre una piccolissima quantità di cloro libero residuo che testimonia dell'efficacia della depurazione conseguita. Quando le acque contengono sostanze organiche capaci di dare con il cloro composti di odore nauseante (clorofenoli) si usa con vantaggio di aggiungere prima della clorazione, ammoniaca all'acqua. Altre volte l'aggiunta di cloro si fa prima della filtrazione sulla quale influisce favorevolmente impedendo la formazione di alghe e di cattivi odori nei filtri.
Quando vi sia la necessità di una sterilizzazione particolarmente efficace si pratica la superclorazione, in modo che il cloro residuo sia molto abbondante. In tal caso lo si deve poi eliminare, con carbone attivo o con altri mezzi.
L'ozonizzazione si pratica emulsionando sotto pressione l'acqua con aria previamente ozonizzata con effluvî elettrici ad alta tensione e alta frequenza. La durata del contatto deve essere di 15 a 30 minuti e il consumo di ozono di 1 a 4 mg. per litro. L'ozono residuo si elimina facilmente con aerazione, o anche spontaneamente dopo breve tempo (mezz'ora); si deve pertanto tener conto che l'acqua contenente ozono è fortemente aggressiva.
Anche l'azione dei raggi ultravioletti può essere utilizzata per la purificazione dell'acqua. I raggi sono in genere prodotti da lampade di quarzo a vapore di mercurio ad alta pressione. Il sistema è adottato solo in casi speciali.
La sterilizzazione mediante l'argento (processi oligodinamici) si effettua facendo passare l'acqua come elettrolita fra elettrodi di argento o mettendola a contatto con speciali composti di argento stratificati sopra supporti ceramici. Il metodo può avere applicazione per sterilizzare quantità non molto grandi di acqua limpida, ma sospetta.
La bollitura finalmente è mezzo sicuro, benché costoso ed applicabile solo a limitate quantità di acqua. Deve essere seguita da aerazione.
Tutti gli impianti di depurazione, specie quando siano adibiti al servizio di un agglomerato urbano, usando acqua permanentemente sospetta, devono essere esercitati con la cura più oculata. Tutti i dispositivi devono essere provvisti di avvisatori automatici di guasto o di arresto, o meglio ancora di intercettazione immediata del flusso dell'acqua in tali evenienze. È necessaria quindi sempre una notevole riserva di acqua purificata, sia per sopperire alla distribuzione durante i periodi di riparazione e controllo, sia per la lavatura degli apparecchi, tubazioni, ecc.
In media si ritiene che un'acqua sia bene purificata quando, dopo il trattamento, non contenga germi patogeni, né bacterium coli, abbia un contenuto batterico non superiore a 20 germi per cmc. e abbia conservato i suoi caratteri fisici e chimici senza aver acquistato odori o sapori sgradevoli.
2. La necessità della depurazione delle acque di rifiuto delle città e delle industrie è stata dapprima sentita nei luoghi dove si avevano molti popolosi agglomerati urbani lungo uno stesso fiume, le cui acque si andavano via via inquinando in misura crescente verso valle, essendo, per la frequenza e l'importanza delle immissioni di acqua cloacale, assolutamente insufficienti i processi naturali di autoepurazione.
Così specialmente in Germania e in Inghilterra, sulla fine del secolo XIX e sul principio del secolo XX, il problema è stato oggetto di studî e di esperienze che hanno condotto a una tecnica specializzata i cui risultati sono oggi soddisfacenti e costanti.
In Italia la necessità della depurazione delle acque di rifiuto è meno sentita, essendo rari i casi di parecchie città che scaricano le proprie acque di rifiuto, a breve distanza, nello stesso recipiente idrico. Applicazioni sono state fatte in alcuni casi speciali, con ottimi risultati, e vi è la tendenza ad estenderle.
Il processo di epurazione di un'acqua lurida può essere distinto in diversi stadî.
a) Sgrossatura: eliminazione dei corpi più voluminosi per mezzo di griglie, delle sabbie inerti per mezzo di dissabbiatori, dei grassi in appositi eliminatori.
b) Epurazione meccanica: nella quale si opera la sedimentazione delle particelle organiche sedimentabili.
c) Eliminazione dei colloidi mediante trattamenti chimici o biologici che li coagulino rendendoli sedimentabili.
d) Ossidazione delle sostanze organiche disciolte.
e) Sterilizzazione completa, per distruggere tutti i microrganismi.
a) I trattamenti di sgrossatura, o preliminari, vengono fatti per mezzo di diversi dispositivi e apparecchi.
Le griglie (fig. 1) sono costituite da sbarre parallele con intervallo vario (griglie grosse, 5-6 cm.; medie, 3-4 cm.; fini, meno di 3 cm.). I corpi che si arrestano contro le griglie vengono di tempo in tempo asportati, sia a mano, sia con mezzi meccanici.
Gli stacci hanno lo scopo di trattenere i residui organici più grossolani; essi sono costituiti da reti metalliche o da piastre forate.
I materiali trattenuti dalle griglie e dagli stacci sono facilmente putrescibili e vengono allontanati immediatamente e interrati o bruciati. In alcuni impianti sono sminuzzati e reintrodotti nel ciclo epurativo.
I grassi, contenuti in varia misura nelle acque cloacali, vengono separati in vasche munite di diaframmi immersi per una limitata profondità, e sono anch'essi per lo più bruciati, talvolta diversamente utilizzati.
Specialmente importante è la funzione dei dissabbiatori, che consistono in tratti di canale a sezione allargata in modo che il liquame vi abbia una velocità di circa 30 cm./sec., non meno, per evitare la sedimentazione delle materie organiche. L'estrazione delle sabbie dal fondo è fatta, nei moderni impianti, con mezzi meccanici. Esse non sono, in generale, putrescibili e possono essere depositate all'aperto e utilizzate per rinterri.
b) L'epurazione meccanica consiste essenzialmente nella sedimentazione dei fanghi.
Il liquame attraversa delle vasche (fig. 2) normalmente con flusso continuo 0rizzontale, con velocità molto piccola, e variabile, entro certi limiti, con il contenuto di sostanze sedimentabili nel liquame. In genere questo impiega intorno a due ore per attraversare le vasche. Il fango che si deposita sul fondo opportunamente conformato, viene estratto con mezzi meccanici, prima che si possa iniziare la sua putrefazione, e viene convogliato in vasche di digestione (fig. 3), dove in esso si compie, per opera di una speciale flora anaerobica, un processo biologico, a base alcalina, per il quale le sostanze organiche complesse sono profondamente modificate, ottenendosi abbondante sviluppo di gas (principalmente metano) e come residuo un fango non putrescibile, in massima, privo di cattivo odore. Il gas in molti impianti è raccolto e utilizzato come combustibile; il fango digerito viene essiccato all'aria su letti drenati e adoperato come concime. In alcuni tipi di impianti (Imhoff) la digestione del fango avviene in uno speciale compartimento della stessa vasca di sedimentazione. In altri casi il fango deposto è bruciato invece di essere sottoposto alla digestione.
c) La coagulazione dei colloidi viene talvolta effettuata per via chimica, aggiungendo al liquame calce, solfato d'allumina o sali di ferro. In un recentissimo impianto tedesco (Niers) al liquame viene aggiunta anidride carbonica e poi lo si mette a contatto con rottami di ferro; questi vengono in parte disciolti dall'acido carbonico in soluzione, formando bicarbonato di ferro, trasformato nei successivi trattamenti in idrossido che si coagula in fiocchi, trascinando seco le sostanze colloidali. La sedimentazione avviene poi in vasche del tipo descritto. Nella maggior parte dei casi l'eliminazione dei colloidi è conseguita nel corso della depurazione mediante i processi ossidativi.
d) I processi ossidativi hanno lo scopo di trasfomiare le sostanze organiche, per l'azione di un'adatta flora aerobica, in composti non putrescibili.
I procedimenti oggi restati in uso per lo scopo sono essenzialmente la filtrazione naturale per irrigazione, i letti percolatori e i fanghi attivati.
La depurazione per irrigazione e conseguente filtrazione naturale attraverso il terreno, richiede condizioni locali favorevoli (grande superficie disponibile: un ettaro ogni 300-400 ab.); il terreno più adatto è l'argilla sabbiosa con un sottostrato assai pemeabile; deve essere convenientemente sistemato in pendii regolari con canaletti di afflusso e tubazioni di drenaggio. Le colture piu adatte sono il prato, le barbabietole e anche il frumento estivo.
I letti percolatori sono letti artificiali formati di materiale grossolano e resistente allo sgretolamento (pietrisco, scorie, coke e simili), con un adatto drenaggio del fondo per la raccolta del liquame. Lo spessore è in media di 2 ÷ 2,50 m. e il liquame viene a intervalli spruzzato sulla superficie superiore del letto (p. es., 2 minuti primi di irrorazione e 6 di riposo). L'irrorazione si fa con distributori meccanici, rotativi per i letti circolari, a va e vieni per i letti rettangolari. L'intermittenza è ottenuta con disposizioni a sifone. I solidi finissimi e le sostanze colloidali sono trattenuti e si depositano sul materiale di riempimento del letto, dove formano una pellicola gelatinosa. in seno alla quale si sviluppano i microrganismi aerobici ossidanti. L'avviamento del processo richiede quindi un certo tempo e, periodicamente, si ha pure un periodo di spoglio, cioè di eliminazione della pellicola gelatinosa in sovrabbondanza. Il sistema ha il vantaggio di un'estrema semplicità di esercizio e possiede una buona efficacia epurativa (riduzione dell'85-90% del consumo di ossigeno e del 70-80% del contenuto in germi). L'efficienza della depurazione diminuisce però col diminuire della temperatura e quando questa scende a 4 ÷ 6° cessa del tutto. Se la temperatura fredda dura a lungo è necessario un nuovo periodo di avviamento. La manutenzione consiste soltanto nella periodica pulitura del letto filtrante, eseguita con lance d'acqua, e nel conservare l'efficienza dei dispositivi d'irrorazione. La completa revisione con parziale rinnovo del materiale di riempimento non occorre, in genere, che a lunghi intervalli.
Il sistema dei fanghi attivati (fig. 4) consiste nel mescolare al liquame una certa quantità di fango gelatinoso, nel quale secondo la spiegazione data dal Buswell, e ancora generalmente accettata, si trovano in gran numero colonie di batterî unicellulari e filamentosi uniti con protozoi; questi ingeriscono e assimilano le sostanze organiche, aumentando per nutrizione il volume delle colonie che sedimentano in forma di fiocchi. Per la buona riuscita del processo è necessaria un'intima mescolanza, unita a un'energica agitazione in presenza di ossigeno. Il fango attivato si forma in principio per digestione alcalina del fango di sedimentazione delle acque luride. Per accelerarne la formazione, nei nuovi impianti è uso immetterne da impianti già attivati. Nel prosieguo della depurazione basta rintrodurre nell'influente una parte del fango derivato dalla sedimentazione finale dopo il trattamento. L'aerazione si consegue o con energica agitazione del liquame, o con insufflazione di aria compressa; questa seconda disposizione accelera alquanto la durata del trattamento (2 a 6 ore). La sedimentazione del fango risultante da questa operazione è più lunga della sedimentazione preliminare, data la leggerezza del precipitato fioccoso. Si usano di preferenza vasche a flusso verticale, in cui il liquame sbocca al centro a una media profondità ed è obbligato per mezzo di deflettori, prima a discendere, poi a risalire lungo il perimetro della vasca. I fanghi vengono in genere fatti digerire insieme con quelli della sedimentazione preliminare.
L'efficienza epurativa del trattamento a fanghi attivati è molto alta (riduzione del 90-95% della richiesta di ossigeno e del 90% del contenuto di germi). La conduzione del processo è però mcolto delicata ed esige continua sorveglianza e controllo biochimico da parte di personale esperto. Anche l'efficacia dei fanghi attivati diminuisce con la temperatura e i mescolatori sono provvisti di dispositivi di riscaldamento.
L'adozione del metodo a letti percolatori o di quello a fanghi attivati dipende da molti fattori variabili secondo i casi della pratica. In massima si può ritenere che in piccoli impianti, dove sia disponibile una sufficiente area con opportuno dislivello (perché non sia necessario il sollevamento meccanico dei liquami) sono preferibili i percolatori, mentre i fanghi attivati sono più convenienti per grandi impianti e dove si disponga di energia a basso costo.
e) La sterilizzazione completa dei liquidi, cioè l'uccisione di tutti i germi sia patogeni sia saprofiti in essi contenuti, è necessaria in pochi casi (effluenti di ospedali per malattie infettive o di centri abitati in tempo di epidemia). L'unico trattamento oggi conveniente è quello con il cloro, sia sotto forma gassosa, sia sotto forma di ipocloriti. Per limitare il consumo di cloro è bene che la disinfezione sia fatta sul liquame dopo che questo ha subito un trattamento preliminare più o meno spinto. Talvolta una limitata clorazione è introdotta anche in altri processi, p. es. nei percolatori, per eliminare i cattivi odori e la produzione di insetti molesti.
Bibl.: V. S. Fago, Potabilizzazione delle acque, Milano 1936; Reggenza nazionale del gruppo acquedotti e fognature del Sindacato nazionale ingegneri, Criteri di potabilità e norme di potabilizzazione delle acque, Roma 1936; K. Imhoff, Taschenbuch der Stältenwässerung, Berlino 1936; G. Ippolito, La stazione sperimentale di Foggia per l'epurazione e l'utilizzazione delle acque di fogna nel primo biennio di esercizio, Napoli 1934; A. Melli, Depurazione e utilizzazione delle acque di rifiuto della città, in Annali dei Lavori pubblici, LXVI (1928), pp. 621, 893; G. Avolio de Martino, Esame critico comparativo dei sistemi più in uso per la depurazione delle acque di fogna, ibid., LXXV (1937), fasc. 10, 11, con ampia bibliografia.