Innovazione ed economia circolare negli impianti di trattamento delle acque reflue: Sfide e ostacoli.

Il sistema idrico è parte di sistemi ambientali, agricoli, industriali e municipali. Sapere come questi sistemi sono collegati tra loro è fondamentale per individuare le opportunità di economia circolare che sono presenti nel sistema idrico e anche in altri sistemi associati.

Gli impianti di trattamento delle acque reflue (WWTP) sono un elemento importante della sostenibilità circolare grazie all’integrazione della produzione di energia e del recupero delle risorse durante la produzione di acqua pulita [2, 3]. Nel futuro prossimo, i WWTP diventeranno sistemi tecnologici “ecologicamente sostenibili”. Attualmente, il fabbisogno globale di nutrienti e il recupero di acqua ed energia dalle acque reflue determinano lo sviluppo dell’industria delle acque reflue [4-6]. Questa figura di Cerahelix.com illustra il ciclo dell’acqua in un modello di economia circolare:

Fonte: https://www.cerahelix.com/news/treat-reuse-extract-create-and-repeat-the-circular-economy-explained-using-the-water-cycle-as-an-example/

Per rispondere alla sfida della riduzione dell’inquinamento delle acque reflue a fronte della crescita della popolazione, dei cambiamenti nei processi industriali e degli sviluppi tecnologici, la US Environmental Protection Agency (US EPA) ha elaborato un documento per condividere con tutti le informazioni sui recenti progressi e le tecniche innovative [7]. L’obiettivo del documento è semplice: fornire una guida per chi è alla ricerca di informazioni sulle tecnologie innovative ed emergenti di trattamento delle acque reflue. La guida riporta un elenco di nuove tecnologie, ne valuta i benefici e i costi, e fornisce fonti per ulteriori indagini tecnologiche. Questo documento dovrebbe servire come linea guida per i proprietari di impianti di acque reflue, gli operatori, i pianificatori e i consulenti.

Nelle prossime sezioni, presentiamo le risorse più importanti che possono essere ottenute dai WWTP e le possibilità per gli imprenditori, mentre mostriamo i punti di forza e di debolezza di questi processi.

3.1. Impiego sul terreno dei biosolidi

I biosolidi (fanghi di depurazione) sono costituiti da sostanze preziose per l’uso agricolo (materia organica, azoto, fosforo, potassio e micronutrienti come calcio, zolfo e magnesio), e inquinanti tra cui metalli pesanti, composti organici e agenti patogeni. Sebbene siano una risorsa preziosa, devono essere utilizzati con cautela. Spesso contengono microrganismi che possono portare malattie, agenti chimici contaminanti o altre sostanze instabili.

I biosolidi possono arricchire il suolo e integrare o sostituire i fertilizzanti commerciali. L’applicazione terrestre dei biosolidi avviene in vari siti, tra cui terreni agricoli, foreste, siti di bonifica delle miniere e altri terreni, parchi e campi da golf. La distribuzione sul terreno dei biosolidi ha effetti significativamente positivi per la fertilità del suolo, garantendo un utilizzo sostenibile. Oltre all’alto valore nutritivo, i biosolidi migliorano le caratteristiche del terreno (condizionamento del terreno) incrementando la materia organica e l’aggregazione delle particelle presenti, la struttura e la porosità del terreno e diminuendo la densità apparente.

L’applicazione a terra dei fanghi di depurazione è ampiamente diffusa in Europa e in altri paesi [8]. Il rischio associato all’applicazione al suolo dei biosolidi dipende dall’origine dei carichi inquinanti che entrano negli impianti di trattamento delle acque reflue (carichi municipali o industriali). I principali problemi associati a questo tipo di smaltimento di biosolidi sono le questioni di salute e sicurezza, l’odore, il disturbo e altre preoccupazioni di carattere pubblico. Inoltre, percentuali eccessive di deposito possono avere un impatto negativo sulla qualità delle acque sotterranee a causa della lisciviazione dei nutrienti. Per questo motivo, l’US EPA ha sviluppato una guida per gli applicatori di terra sulla base degli standard federali per lo sfruttamento o lo smaltimento dei fanghi di depurazione. L’intento di questo programma federale è di assicurare che i fanghi di depurazione siano usati o smaltiti in modo da tutelare sia la salute umana che l’ambiente. La parte 503, Standards for the Use or Disposal of Sewage Sludge, stabilisce i requisiti generali, i limiti degli inquinanti, gli standard operativi e le pratiche di gestione, così come la frequenza del monitoraggio, la registrazione e i requisiti di segnalazione, per i fanghi di depurazione che vengono applicati sul terreno, collocati in un sito di smaltimento di superficie, o bruciati in un inceneritore di fanghi di depurazione [9].

Trattamenti necessari prima di applicare sul terreno i biosolidi

Per ottemperare alle regole imposte dalla normativa, i fanghi di depurazione devono essere trattati negli impianti di depurazione (disidratati e stabilizzati) prima del loro impiego sul terreno, sia per quanto riguarda la fertilizzazione del suolo che la bonifica. I processi di trattamento dei biosolidi che precedono il loro utilizzo sul terreno sono la digestione anaerobica o aerobica, il compostaggio, l’essiccamento e il trattamento chimico (soprattutto il trattamento alcalino)

• La digestione anaerobica (in generale) è un processo biologico naturale in cui un gran numero di batteri anaerobici converte la materia organica in metano e anidride carbonica (una miscela chiamata biogas). Questo processo stabilizza la materia organica nei residui solidi delle acque reflue, riduce gli agenti patogeni e gli odori, e riduce la quantità totale di solidi/fanghi convertendo una parte della parte solida volatile (VS) in biogas.
• Digestione anaerobica. Il processo può essere diviso in tre fasi separate, ognuna delle quali è eseguita da un diverso gruppo di microrganismi:
  • Idrolisi, durante la quale le proteine, la cellulosa, i lipidi e altre sostanze organiche complesse vengono scomposte in molecole più piccole e diventano solubili utilizzando l’acqua per scindere i legami chimici delle sostanze
  • Fermentazione degli acidi volatili, durante la quale i prodotti dell’idrolisi sono convertiti in acidi organici attraverso i processi biochimici di acidogenesi (dove i monomeri sono convertiti in acidi grassi) e acetogenesi (gli acidi grassi sono convertiti in acido acetico, anidride carbonica e idrogeno)
  • Formazione di metano, durante la quale gli acidi organici prodotti durante la fermentazione sono convertiti in metano e anidride carbonica.
• Compostaggio. Il compostaggio dei residui delle acque reflue è un processo aerobico biotermico che decompone la parte organica dei residui di circa il 25%. Prima del compostaggio, è necessario disidratare il residuo. La disidratazione non solo riduce il volume dell’eccedenza, ma anche la quantità di umidità che evaporerà a causa del calore sviluppato dalla decomposizione della parte organica del residuo, la stabilizza e trasforma l’eccesso in biosolidi utilizzabili. Il problema del compostaggio dei residui grezzi è l’odore intenso dei residui con una maggiore percentuale di materiale organico. È possibile controllare l’odore utilizzando diversi metodi. In genere, l’odore viene limitato aggiungendo calce viva (CaO) per cambiare il pH dei residui. Se l’odore continua ad essere un problema, la semplice procedura di aspirare aria attraverso i cumuli di compost e scaricare l’aria in un biofiltro può ridurre ulteriormente l’odore.
• Essiccazione. Il tipo e la densità dei microrganismi variano durante il processo di compostaggio. Pertanto, è fondamentale controllare l’ambiente di compostaggio in modo che i microrganismi possano prosperare. Tra i parametri ambientali del compostaggio vi sono la temperatura del cumulo, il contenuto di umidità del compost, i livelli di ossigeno e di anidride carbonica nel cumulo e la disponibilità di sostanze nutritive, tra cui carbonio, azoto, fosforo e potassio per i microrganismi. Questi parametri devono essere monitorati perché influenzano la vivacità dei microrganismi. L’ossigeno viene somministrato al cumulo di compost tramite l’introduzione di aria. Il tasso di aria fornita dipende dal contenuto di umidità del mucchio di compost. Più alto è il contenuto di umidità, più alto è il quantitativo di aria necessario. Un livello minimo di ossigeno deve essere mantenuto mentre i livelli di anidride carbonica non devono superare un livello massimo.

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3.2 Recupero dei nutrienti

Il recupero dei nutrienti è il procedimento di recupero di nutrienti come l’azoto e il fosforo dai flussi d’acqua esausti altrimenti scartati e la loro conversione in un fertilizzante ecologico per scopi ecologici e agricoli. Questo processo aiuta a pulire l’effluente rimovendo questi nutrienti e trasformandoli infine in una materia prima efficiente e riutilizzabile. Considerando questi obiettivi, nell’industria delle acque reflue sono stati sviluppati diversi processi per recuperare in modo ottimale questi nutrienti.

Il processo di recupero delle sostanze nutritive offre ai comuni l’opportunità di generare entrate, fornendo contemporaneamente alle aziende agricole fosforo raffinato e utilizzabile – una risorsa naturale sempre più scarsa. Inoltre, permette alle aziende di trattamento delle acque reflue di non limitarsi a operare come semplici impianti di trattamento, ma di diventare agenti di recupero delle risorse, trasformando la percezione del trattamento tradizionale delle acque reflue. Così, il riciclaggio dei nutrienti dagli impianti di depurazione ha un impatto favorevole sull’ambiente, in quanto riduce la domanda di fertilizzanti convenzionali a base fossile e, di conseguenza, riduce il consumo di acqua ed energia.

Il recupero dei nutrienti dalle acque reflue può essere ottenuto da acque reflue grezze, da flussi di acque reflue semitrattate e da fanghi di depurazione (biosolidi) [10].

Attualmente, il fosforo (P) è riciclato negli impianti di trattamento delle acque reflue principalmente con metodi chimici come il processo di cristallizzazione della struvite, ad esempio le tecnologie Pearl, NuReSys e AirPrex, che sono state implementate su larga scala [11]. Attualmente, in Europa vengono recuperati tecnicamente più di 2000 Mg P/anno [12]. I principali problemi associati alla cristallizzazione della struvite sono gli alti costi chimici e la formazione involontaria di struvite che blocca le valvole, i tubi, le pompe ecc. Anche se gli alti costi operativi sono un limite alla fattibilità economica del recupero dei nutrienti, il sistema può generare una vasta gamma di altri benefici. Per esempio, il recupero dei nutrienti dalle acque reflue può ridurre sostanzialmente la produzione di fanghi e precipitati indesiderati, quindi i costi di smaltimento relativi alle sostanze inattese possono essere meglio controllati o addirittura ridotti. Inoltre, il recupero dei nutrienti dalle acque reflue potrebbe migliorare la disidratazione dei fanghi trattati e diminuire il tasso di velocità di incrostazione, entrambi con conseguente miglioramento della gestione delle acque reflue [14]. Evidentemente, il recupero dei nutrienti potrebbe anche ridurre la concentrazione di ammonio e fosfato nello scarico generato da un impianto di trattamento delle acque reflue, che previene l’eutrofizzazione degli ambienti acquatici. Tuttavia, sia i benefici ambientali che i regolamenti governativi non sono sufficienti a innescare il recupero dei nutrienti senza sufficienti incentivi economici.

Nuove tecnologie nel recupero dei nutrienti

Ye et al. 2020 hanno sottolineato che le celle a combustibile microbiche (MFC), in quanto tecnologia avanzata per il recupero dei nutrienti, possono generare elettricità e offrire una fascia di pH elevata per la precipitazione chimica [15]. La tecnologia è abbastanza promettente per il recupero dei nutrienti. Quindi, la MFC e le sue modifiche dovrebbero essere ampiamente esplorate per recuperare i nutrienti nel trattamento delle acque reflue

In questo scenario, la forward osmosis (FO), la distillazione a membrana (MD) e l’elettrodialisi (ED) sono le tre principali tecnologie a membrana utilizzate per il recupero dei nutrienti. I processi MD e ED sono compatibili con le MFC mentre si applicano le MFC per recuperare i nutrienti dalle acque reflue diluite. Una tale integrazione potrebbe senza dubbio aumentare la qualità e la quantità dei nutrienti recuperati e sarà realizzabile in futuro. Un altro aspetto importante è quello di aumentare il rilascio anaerobico di fosfato nelle vasche esistenti in quantità sufficienti [16]. Inoltre, la proprietà della soluzione di alimentazione può determinare le prestazioni del bioreattore a membrana esercitando un impatto diretto sulle proprietà del fango, il fouling della membrana e il flusso del permeato [17]. Tuttavia, il peso della soluzione di alimentazione nei sistemi OMBR non è stato analizzato a sufficienza. È necessario condurre ulteriori studi per valutare la fattibilità di diverse fonti di acque reflue con riferimento al recupero dei nutrienti e proporre il pre-trattamento appropriato per la soluzione di alimentazione, se necessario. In questo caso, la fattibilità tecnica del sistema di recupero dei nutrienti così come le sue prestazioni possono essere migliorate.

In futuro, ci si può aspettare che le nuove ricerche sviluppino ulteriormente i sistemi economici di trattamento delle acque reflue, in particolare i bioreattori a membrana osmotica (OMBR) e i sistemi ibridi basati su sistemi bioelettrochimici (BES).

Questo potrà creare nuove opportunità per imprenditori e start-up.

3.3 Acqua di recupero

Perché riutilizzare le acque reflue trattate?

Solo il 2,5% dell’acqua disponibile sul pianeta è acqua dolce. Con il rapido aumento della popolazione mondiale, l’accelerazione dell’urbanizzazione e il riscaldamento globale, questa risorsa scarseggia. L’eccessiva assunzione di acqua è una delle cause principali della scarsità d’acqua. Le principali cause del consumo d’acqua riguardano l’irrigazione e la domanda domestica, incluso il turismo. Il riutilizzo delle acque reflue trattate come fonte alternativa di approvvigionamento idrico è ora ampiamente riconosciuto dalle strategie di sostenibilità internazionali, europee e nazionali. L’obiettivo di sviluppo sostenibile delle Nazioni Unite sull’acqua (SDG 6) mira specificamente a un aumento sostanziale del riciclaggio e del riutilizzo globale sicuro entro il 2030. Il riutilizzo dell’acqua è una priorità assoluta nel piano di attuazione strategico del partenariato europeo per l’innovazione sull’acqua, e la massimizzazione del riutilizzo dell’acqua è un obiettivo specifico fissato nella comunicazione “Blueprint to safeguard Europe’s water resources”. Il riutilizzo delle acque reflue trattate può apportare significativi benefici ambientali, sociali ed economici. Secondo il Blueprint, il riutilizzo dell’acqua può migliorare lo stato dell’ambiente sia quantitativamente che qualitativamente, alleviando la pressione sostituendo il prelievo. Rispetto alle fonti alternative di approvvigionamento idrico come la desalinizzazione o il trasferimento dell’acqua, il riutilizzo dell’acqua spesso richiede costi di investimento ed energia inferiori, riducendo le emissioni di gas serra.

Il riutilizzo dell’acqua va a beneficio del più ampio settore idrico che è una componente chiave del paesaggio eco-industriale dell’UE. Il riutilizzo dell’acqua ha un potenziale significativo in termini di creazione di posti di lavoro verdi nell’industria legata all’acqua, e si stima che un aumento dell’1% del tasso di crescita nell’industria dell’acqua dell’UE potrebbe creare fino a 20.000 nuovi posti di lavoro [18]. Attualmente, la quantità di acque reflue urbane trattate riutilizzate annualmente rappresenta circa il 2,4% degli effluenti di acque reflue urbane trattate e meno dello 0,5% dei prelievi annuali di acqua dolce dell’UE. Ma il potenziale dell’UE è molto più alto, stimato in sei volte il volume attuale. Sia gli Stati membri meridionali come Spagna, Italia, Grecia, Malta e Cipro, sia gli Stati membri settentrionali come Belgio e Germania hanno già messo in atto numerose iniziative riguardanti il riutilizzo dell’acqua per l’irrigazione, gli usi industriali e la ricarica delle falde acquifere. Cipro e Malta riutilizzano già più del 90% e del 60% delle loro acque reflue rispettivamente, mentre Grecia, Italia e Spagna riutilizzano tra il 5 e il 12% dei loro effluenti, il che indica chiaramente un potenziale per un’ulteriore diffusione.

Il riutilizzo delle acque reflue trattate dagli impianti di depurazione per l’agricoltura e l’irrigazione dei terreni, per scopi industriali, per lo scarico dei servizi igienici e per reintegrare le acque sotterranee è un elemento chiave della strategia attualmente attuata, incentrata sul recupero di acqua dolce per uso domestico, sul miglioramento della qualità degli effluenti degli impianti di depurazione e, di conseguenza, su una maggiore qualità delle acque fluviali utilizzate per la produzione di acqua potabile [19]. L’uso di acque reflue trattate per l’irrigazione in agricoltura è noto da molti anni e può fornire acqua per soddisfare la domanda agricola e ridurre lo stress idrico locale. Inoltre, i nutrienti contenuti nelle acque reflue riducono la necessità di applicazione di fertilizzanti commerciali. Si raccomanda di utilizzare l’effluente dal trattamento secondario per l’irrigazione di colture non alimentari, mentre l’effluente dal trattamento terziario per l’irrigazione di colture alimentari.

Il riutilizzo delle acque reflue urbane può essere pianificato (diretto o indiretto) o non pianificato che è per lo più collegato ad usi non potabili; tuttavia, ci sono casi di riutilizzo potabile non pianificato. Il riutilizzo dell’acqua urbana riguarda principalmente l’irrigazione residenziale e l’uso commerciale per la protezione antincendio, l’autolavaggio, lo scarico dei gabinetti, ecc. I principali problemi associati al riutilizzo urbano sono: i rischi per la salute umana e l’alto costo dei sistemi doppi per la consegna dell’acqua rigenerata [20]. Nel riuso potabile indiretto l’effluente di alta qualità del WWTP viene scaricato direttamente nelle acque sotterranee o nelle fonti di acqua superficiale con l’intento di aumentare le forniture di acqua potabile. Un’altra soluzione può essere il riutilizzo potabile diretto (pipe to pipe) introducendo direttamente le acque reflue trattate in un sistema di distribuzione dell’acqua [21].

Tuttavia, il riutilizzo potabile diretto aumenta fortemente i costi operativi a causa dei requisiti molto elevati di qualità dell’effluente . La mancanza di consenso sociale è anche importante.

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Acqua di recupero per processi industriali  

A seconda dei requisiti di qualità dell’acqua, dei vincoli di spazio e delle considerazioni economiche, sono disponibili vari metodi per riciclare o riutilizzare l’acqua industriale. I benefici possono includere la riduzione dei costi dell’acqua dolce, dei flussi di acque reflue e delle dimensioni dell’impronta idrica. Anche l’efficienza operativa e la sostenibilità possono essere accresciute insieme al miglioramento della capacità produttiva derivante dall’aumento della disponibilità di acqua pulita.

Tecnologie

Dal punto di vista del trattamento delle acque reflue, la microfiltrazione (MF), l’ultrafiltrazione (UF), la nanofiltrazione (NF) e l’osmosi inversa (RO) sono le tecniche di separazione a membrana più comuni applicate nelle industrie. Anche la forward osmosis (FO) è stata recentemente introdotta come tecnica innovativa a membrana per il trattamento delle acque reflue. Una serie di altre tecnologie avanzate di purificazione dell’acqua, tra cui il carbone attivo, lo scambio ionico, la deionizzazione, l’elettro-deionizzazione, i raggi UV (ultravioletti), la disinfezione con ozono e il dosaggio chimico sono utilizzati per le applicazioni industriali.

Nel trattamento delle acque reflue, la tecnologia delle membrane è stata riconosciuta come la tecnologia chiave per la rimozione dei contaminanti dalle fonti inquinate [22]. Le membrane sono barriere selettive che separano due livelli diversi, permettendo il passaggio di alcuni componenti e la ritenzione di altri. L’agente che avvia i processi di membrana può essere un gradiente di pressione e un potenziale chimico o elettrico attraverso la membrana. I processi a membrana dipendono da una separazione fisica, di solito senza cambio di fase e aggiunta di sostanze chimiche nel flusso di alimentazione, si distinguono quindi come una tecnica di trattamento delle acque reflue alternativa ai processi convenzionali (cioè, distillazione, precipitazione, coagulazione/flocculazione, assorbimento con carbone attivo, scambio di ioni, trattamento biologico, ecc) [22, 23]. Il basso consumo di energia, la riduzione del numero di fasi di lavorazione, la maggiore efficienza di separazione e la maggiore qualità del prodotto finale sono i principali vantaggi di questi processi [22-24]. Tuttavia, la scarsa resistenza chimica, meccanica e termica delle membrane limita la loro applicazione. Grandi sforzi sono stati fatti per migliorare sia il flusso che la selettività delle membrane. Inoltre, alcuni ricercatori si sono impegnati per controllare il fouling delle membrane, che è il problema più importante nell’applicazione delle membrane nel trattamento delle acque reflue. Di conseguenza, le prestazioni sono migliorate significativamente e i settori commerciali delle membrane si sono sviluppati negli ultimi anni.

Il successo delle operazioni a membrana nel trattamento delle acque reflue è attribuito alla compatibilità tra le diverse operazioni nei sistemi integrati. Il trattamento delle acque reflue con sistemi integrati al giorno d’oggi suggerisce di ridurre gli effetti dannosi per l’ambiente, diminuire l’acqua di falda e il consumo di energia, e recuperare composti preziosi come sottoprodotto. Il bioreattore a membrana (MBR), che combina la filtrazione a membrana con il trattamento biologico, è riconosciuto come uno dei sistemi ibridi a membrana di maggior successo nel trattamento delle acque reflue.

Le operazioni a membrana guidate dalla pressione, gli MBR, così come una combinazione di operazioni a membrana in sistemi ibridi nel trattamento delle acque reflue sono utilizzati in varie industrie.

Acqua di recupero per l’irrigazione

L’agricoltura rappresenta di gran lunga il principale consumo d’acqua a livello mondiale. L’irrigazione dei terreni agricoli incide per il 70% dell’acqua utilizzata in tutto il mondo. In diversi paesi in via di sviluppo, l’irrigazione rappresenta fino al 95% di tutti gli usi dell’acqua e gioca un ruolo importante nella produzione e nella sicurezza alimentare. Le future strategie di sviluppo agricolo della maggior parte di questi paesi dipendono dalla possibilità di mantenere, migliorare ed espandere l’agricoltura irrigata.

Il riutilizzo dell’acqua è comunemente praticato con successo in diversi Stati membri dell’UE, così come avviene, per esempio, in Israele, in California, in Australia e a Singapore. Tuttavia, questa prassi è finora impiegata al di sotto del suo potenziale nell’UE. La limitata consapevolezza dei potenziali benefici per le parti interessate e per il pubblico in generale e la mancanza di un quadro di supporto coerente per il riutilizzo dell’acqua sono stati identificati come i due principali ostacoli che impediscono una più ampia diffusione di questa pratica nell’UE. Per questi motivi, la Commissione ha proposto nel 2018 un regolamento per promuovere il riutilizzo dell’acqua quando è efficiente in termini di costi e sicuro per la salute e l’ambiente.

Il nuovo Regolamento sui requisiti minimi per il riutilizzo dell’acqua per l’irrigazione agricola è entrato recentemente in vigore e ci si aspetta che stimoli e faciliti il riutilizzo dell’acqua nell’UE [25]. La Commissione ha elaborato anche diversi documenti di riferimento che possono essere trovati su ec.Europa.eu [18].

I potenziali agenti patogeni devono essere eliminati dalle acque reflue. Quando gli organismi patogeni non sono specificamente trasformati durante il trattamento, l’uso delle acque reflue trattate dovrebbe essere attentamente valutato. Diversi parametri influenzano la rimozione efficiente dei microrganismi patogeni e indicatori [26]. La valutazione delle tecnologie per la rimozione dei patogeni si basa principalmente sugli indicatori di contaminazione fecale, come i coliformi totali, i coliformi termo-tolleranti o l’Escherichia coli. Cloro, ultravioletti (UV), ozono, stagni di maturazione, CW, filtrazione a membrana, filtrazione a letto profondo e metodi elettrochimici sono tecniche utilizzate per la disinfezione [26]. Quando si tratta di utilizzare ossidanti per la disinfezione, ipoclorito di sodio (NaClO) e ozono, diversi esempi di procedure sono disponibili nella letteratura relativa ai sistemi di bonifica per l’irrigazione. Diverse linee guida consigliano il trattamento a raggi ultravioletti come la migliore tecnologia disponibile per la disinfezione dell’acqua bonificata che non sia soggetta a costi eccessivi, in particolare per applicazioni di riutilizzo ad alto e medio contatto [26].  Per quanto riguarda il trattamento biologico, gli stagni di maturazione sono considerati la migliore pratica da diverse linee guida, tra cui l’OMS [27]. Questo metodo ha alcuni vantaggi e svantaggi. Maggiori informazioni possono essere trovate su TheWaterTreatments.com [28]

Come alternativa alla filtrazione a letto e al trattamento chimico, la filtrazione a membrana è una tecnologia che è spesso considerata efficace per rimuovere gli agenti patogeni dalle acque reflue utilizzate nell’irrigazione. I risultati indicano che un’abbattimento completo dei virus è possibile con una membrana di ultrafiltrazione (UF), il che vuol dire che il processo di disinfezione chimica potrebbe essere evitato [27].

Le sostanze chimiche che alterano il sistema endocrino (EDC) sono state oggetto di maggiore attenzione negli ultimi anni a causa dei loro effetti nocivi sugli esseri umani e sugli animali. La presenza di EDC nell’acqua di irrigazione e nei terreni agricoli può causare la contaminazione dei prodotti agricoli, mettendo a rischio la salute umana. Le nuove tecnologie per rimuovere gli EDC dalle acque reflue comportano nuove opportunità per imprenditori e start-up.

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3.4 Recupero di energia

Il recupero di energia negli impianti di trattamento delle acque reflue rappresenta un’importante leva politica per la sostenibilità poiché può diminuire significativamente l’impronta di carbonio del trattamento delle acque reflue. Il trattamento delle acque reflue comporta un consumo energetico significativo. Un’analisi dell’energia chimica e termica contenuta nelle acque reflue rivela che contiene fino a 14 volte più energia di quella richiesta per il trattamento. Anche se gran parte di questa è calore di bassa qualità, dovrebbe essere ancora teoricamente possibile ottenere la positività energetica negli impianti di trattamento.

Nei WWTP, il recupero di energia può essere fatto attraverso [29-30]:

• Produzione di biogas. In un digestore tramite digestione anaerobica (AD) si crea il biogas, che è la principale fonte di energia nel WWTP. Il biogas può essere usato per il riscaldamento e/o la generazione di elettricità. Il miglioramento dell’efficienza dell’AD è una pratica comune per aumentare l’autosufficienza energetica dei WWTP.
• Pompe di calore negli effluenti dell’impianto di trattamento, e
• Recupero di energia da vari flussi ad alta temperatura tramite scambiatore di calore

L’ottimizzazione dell’AD include diversi metodi di pre-trattamento dei fanghi di depurazione che hanno come obiettivo una maggiore biodegradabilità dei fanghi. Attualmente le tecnologie più comuni disponibili sul mercato sono i pretrattamenti meccanici e termici. Le tecnologie di idrolisi termica (THP) come Cambi, Biothelys, Exelys sono le tecnologie più diffuse utilizzate per migliorare la digestione anaerobica nei WWTP. Il primo WWTP in Nord America (Washington, DC, USA) che ha usato la tecnologia Cambi ha visto un aumento del 50% nella produzione di biogas. La co-digestione dei fanghi di depurazione con altri rifiuti biodegradabili è un’altra opzione, che fornisce una serie di vantaggi economici e ambientali. La co-digestione dei rifiuti organici in combinazione con i fanghi di depurazione non solo permette agli impianti di depurazione di essere neutrali dal punto di vista energetico, ma riduce anche il costo della gestione dei rifiuti organici municipali e industriali. Per esempio, la co-digestione dei fanghi di depurazione con sei diversi co-substrati è stata implementata a Mossberg (Germania) per 10 anni. La produzione di calore ed energia al WWTP di Mossberg è significativamente più alta della domanda interna del WWTP. L’energia in eccesso viene immessa nella rete, mentre il calore in eccesso viene utilizzato per asciugare i fanghi disidratati di altri impianti di depurazione.

Le tecnologie più utilizzate dagli impianti WWTP autosufficienti esistenti sono le tecnologie “Combined Heat and Power (CHP)“, che generano contemporaneamente elettricità e calore dal biogas. Fonti affidabili ed economiche di calore da utilizzare nelle pompe di calore (HP) sono gli effluenti degli impianti WWTP municipali [31]. Il calore dalle HP può essere utilizzato per il riscaldamento e il raffreddamento degli edifici residenziali, sociali e amministrativi dell’impianto e/o delle infrastrutture vicine.

Nella città danese di Odense, un impianto di trattamento fornisce calore ed energia elettrica per una popolazione di quasi 400.000 persone e ha raggiunto il 150% di positività energetica, generando così elettricità e calore per la rete locale. La trasformazione è stata resa possibile da un’attenta analisi dei dati operativi storici che ha individuato una serie di opzioni di ottimizzazione energetica, molte delle quali sono state implementate mediante modifiche delle strategie operative anziché aggiornamenti significativi delle attrezzature. Dopo aver attuato le modifiche iniziali, sono stati realizzati alcuni miglioramenti dell’impianto che hanno permesso di raggiungere il 200% di positività energetica. Gli interventi tecnici erano basati sull’adozione di una mentalità molto chiara di “neutralità del carbonio” in tutta l’organizzazione, che a sua volta ha portato allo sviluppo e all’impegno di un obiettivo ambientale aziendale molto aggressivo [32].

Fonte: https://www.billundbiorefinery.com/