"LA QUESTIONE AMBIENTALE A TARANTO: |
ACQUA
L'EUTROFIZZAZIONE DEL MAR PICCOLO
Relatore:
PROF. PETRUZZELLI
(Facoltà
Ingegneria di Taranto)
TECNOLOGIE
PER IL CONTROLLO DELLA EUTROFIZZAZIONE |
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| Introduzione | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| La produzione di biomassa nei corpi idrici chiusi e nelle acque costiere marine è controllata da fattori cinetici quali: a) velocità di riproduzione cellulare b) velocità di esportazione dal corpo idrico c) velocità di importazione d) velocità di utilizzo dei vegetali da parte di organismi consumatori e) velocità di decomposizione della biomassa vegetale. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| In condizioni di equilibrio la sostanza organica che giunge al sistema (c) e quella che si produce all’interno dello stesso (a) non deve eccedere la quantità esportata (b), utilizzata (d) o decomposta (e) in modo tale da non consumare in fase di decomposizione più ossigeno di quanto il sistema ne metta a disposizione. In caso contrario si instaurano condizioni anossiche alle quali conseguono fatti degenerativi che incidono negativamente sulla qualità delle acque e dell’ecosistema in genere [1]. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| La crescita della biomassa è, di norma, controllata dalla disponibilità di sostanze nutritive a base di carbonio, azoto e fosforo ed, in particolare, dal componente presente in concentrazione minoritaria. In condizioni di non equilibrio nutrizionale (trofico) la produzione di biomassa vegetale (alghe, piante) può assumere andamento prorompente e, in seguito a decomposizione anaerobica, può portare alla degenerazione qualitativa del corpo idrico. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Le conseguenze più immediate di tali fenomeni comportano la limitazione della destinazione d’uso della risorsa (potabili, industriali, agricoli, ricreazionali). | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| L’impatto dei citati fenomeni sulle attività di acquacoltura (mitilicoltura), sulla pesca e sulla vita acquatica in tutte le aree interna della baia di Taranto (Mar Piccolo-Mar Grande e zone limitrofe), anche in considerazione della importanza socio-economica delle citate attività, è ben nota ed ha portato sin dalla metà degli anni '80 all'avvio del Progetto Integrato per il Disinquinamento del Golfo di Taranto, promosso dalla Regione Puglia su finanziamento europeo di ca. 100 M€ [2] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Altro problema di particolare importanza è altresì il controllo dei fenomeni di eutrofizzazione nei bacini di accumulo fuori della stagione irrigua delle acque reflue municipali. E’ noto che la Regione Puglia è in grado, già oggi, di poter riciclare oltre il 30% delle acque reflue municipali trattate ai fini del rimpinguamento della risorsa irrigua [3]. Fra gli altri, anche i due impianti di trattamento terziario a servizio della Città di Taranto, in località Bellavista e Gennarini, attualmente in fase di completamento, rientrano fra le infrastrutture destinate a tal fine, cui occorrerà urgentemente trovare soluzione per le necessarie fasi di accumulo in idonei invasi. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Il controllo della concentrazione delle specie nutrienti (HPO4=, NH4+) nelle acque reflue civili e industriali è un problema di particolare interesse ambientale e le attuali normative Comunitarie impongono limiti restrittivi per lo scarico in corpi idrici sensibili ai fenomeni di eutrofizzazione ([P]£1 mgL-1 e [N]£ 10 mgL-1 per impianti a servizio di oltre 100,000 abitanti equivalenti oppure in alternativa 80% di riduzione rispetto all'influente) [4]. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Le principali tecnologie per il controllo dei nutrienti nelle acque di scarico si basano essenzialmente su [5]: | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| - precipitazione chimica dello ione
ortofosfato con sali di Al, Fe, Ca - rimozione biologica di azoto e fosforo. |
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| Ambedue i processi risultano distruttivi nei confronti delle specie nutrienti in quanto, nel primo caso, lo ione ortofosfato è trasferito in una fase solida concentrata (fango) solitamente smaltita in discarica, nel secondo caso lo ione ammonio è ossidato ad azoto elementare e disperso in atmosfera. Eventualmente il fosforo ritenuto per via biologica può essere utilizzato in agricoltura mediante applicazione diretta al suolo dei fanghi, ma la pratica diventa sempre più difficile per ragioni igienico-sanitarie e per le severe restrizioni imposte dalla normativa vigente [4]. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| In questa ottica sono attualmente in fase di sviluppo diversi processi biologici conservativi. In alcuni casi si persegue il recupero degli ioni fosfato dai fanghi sottoposti a digestione-stabilizzazione anaerobica [6] o inceneriti [7] con sensibili vantaggi in termini di conservazione delle risorse e minimizzazione dei costi di trattamento [8]. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Altri impianti in Giappone, Olanda, Italia, Australia [9-12] consentono il recupero del fosforo sotto forma di fosfato tricalcico [Ca3(PO4)2] o struvite [MgNH4(K)PO4] e il loro riciclo in agricoltura tal quali o come intermedi nella industria dei fertilizzanti. Sebbene efficienti questi processi presentano limiti applicativi per scarichi relativamente diluiti, quali quelli di origine civile. D’altro canto la tecnologia non risulta sufficientemente versatile da adattarsi agli schemi di trattamento attualmente in uso e richiede, pertanto, costosi interventi di adeguamento tecnico. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Il processo chimico-fisico RIM NUT (RIMozione NUTrienti), basato sulle operazioni di scambio ionico e precipitazione (v. Fig.1), è stato sviluppato nei primi anni ottanta [13-15] con l’obiettivo di rimuovere simultaneamente le specie nutrienti (HPO4=, NH4+) presenti nei liquami urbani ossidati biologicamente, successivamente recuperate sotto forma di struvite (MgNH4PO4 e MgKPO4), fertilizzante a lento rilascio di elevato pregio [16]. Sebbene abbia superato diverse campagne dimostrative su impianto pilota (240 m3/d) in Italia e negli Stati Uniti [17-21], il processo non ha ancora trovato applicazione in piena scala essenzialmente per i seguenti motivi: | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1. sbilanciato rapporto molare fra gli ioni ammonio e fosfato presente nei liquami urbani (NH4/HPO4 @ 5-10), con conseguente bisogno di aggiunta di fosfato oltre che di Mg, ai fini del raggiungimento del rapporto stechiometrico NH4: PO4: Mg = 1: 1: 1 per la precipitazione del fosfato ammonico magnesiaco; | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2. limiti scarsamente restrittivi allo scarico dei nutrienti applicati in molti Paesi EU (20 mg/L in Puglia); | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 3. scarsa attitudine all'innovazione della industria del trattamento acque; | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 4. relativa abbondanza di depositi naturali di fosforo. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Il volgere del millennio offre nuovi favorevoli scenari per gli ultimi tre punti suscitando rinnovato interesse verso il processo RIM NUT a condizione che venga risolto il problema legato allo sbilanciato rapporto N/P. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Il presente lavoro riporta alcuni nuovi schemi di processo RIM NUT modificati a tal fine, attualmente in fase di verifica. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Il processo RIM NUT | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| La Fig.1 riporta uno schema concettuale del processo che si basa, come accennato, sulle operazioni di: | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| · scambio ionico selettivo
per la rimozione degli ioni NH4+, K+ e HPO4= sino ai limiti più restrittivi
imposti dalla normativa vigente · precipitazione di MgNH4PO4 e MgKPO4 dagli eluati esausti di rigenerazione degli scambiatori dopo aggiunta di quantità stechiometriche di ioni HPO4= e Mg a pH controllato. |
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| La principale peculiarità del processo è pertanto costituita dalle due sezioni di scambio ionico, la cationica basata sull’uso di zeoliti naturali quali Clinoptilolite(*), Phillipsite o Chabazite e la anionica basata su una resina commerciale anionica forte(°) che agiscono secondo lo schema | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| La rigenerazione degli scambiatori di ioni è condotta con limitate quantità (2-6 BV, BV = volume di scambiatore) di NaCl 0.6M pH 7 (o acqua di mare), mediante una procedura a “ciclo chiuso” che massimizza la efficienza di rigenerazione [21]. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Gli eluati esausti di rigenerazione vengono mescolati e addizionati con quantità stechiometriche di sali di fosforo (Na3PO4, Na2HPO4) e di magnesio [MgCl2, Mg(HCO3)] a pH»9 per la precipitazione di struvite secondo la reazione: | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Mg2+ + NH4+ (K+)
+ HPO4= === MgNH4(K+)PO4 (s) + H+ (3) |
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| La Fig.2 riporta il tipico schema dei processo RIM NUT classico. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Schemi di processo modificati | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Come accennato, il motivo principale della rivisitazione dello schema di processo RIM NUT classico è da ricondurre allo sbilanciato rapporto molare fra gli ioni ammonio e fosfato nei liquami secondari urbani che mediamente oscilla nell’intervallo compreso fra 5 e 10 (Tab.1). | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| In questa ottica il processo è stato modificato con l’obiettivo di rimuovere tutto lo ione fosfato presente nell’effluente secondario e solo la corrispondente quantità equimolare di ione ammonio utile per la precipitazione del fosfato ammonico magnesiaco, lasciando la rimozione delle quantità eccedenti di ione ammonio ad altri processi di trattamento quali la bio(de)nitrificazione, la clorazione al punto di rottura, lo stripping atmosferico. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
La Fig.3 riporta il confronto
fra gli schemi semplificati del processo RIM NUT classico e quello modificato
denominato RIM NUT-P. |
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| Lo schema di Fig.3a, applicabile in caso di rapporto molare N/P@1 e liquami relativamente ricchi in specie nutrienti (es., scarichi zootecnici o agroalimentari), comporta la percolazione in serie dello scarico su ambedue le sezioni di scambio ionico per la rimozione quantitativa del carico di azoto e fosforo presente nel liquame. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Tab.1: Composizione media degli effluenti secondari urbani alla stazione di depurazione dei liquami di Bari Occidentale (mg/L): | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Lo schema modificato di Fig.3b (RIM NUT-P) è applicabile in caso più frequente di rapporto N/P sbilanciato. Assumendo un rapporto N/P@10/1 (es., scarichi urbani), solo 1/10 del volume influente percola sulla sezione cationica (cioè una frazione inversa rispetto al rapporto N/P), mentre i restanti 9/10 vengono by-passati e riuniti a valle della colonna cationica. Tutto il liquame fluisce successivamente sulla sezione anionica per la rimozione quantitativa dello ione fosfato. La rimozione dello ione ammonio presente nella frazione by-passata (9/10 del carico totale) è affidata a processi di rimozione convenzionali, tra i quali la bio(de)nitrificazione è più comunemente praticata. La combinazione del processo di bio(de)nitrificazione con il RIM NUT-P può consentire la soluzione ottimale dal momento che dal punto di vista tecnologico si preferisce accorpare le operazioni di rimozione del fosforo e dell’azoto piuttosto che disgiungerle. La Fig.4 riporta il tipico schema di processo modificato (RIM NUT-P), pilotato sulla rimozione quantitativa del fosforo e della frazione equimolare di azoto utile per la precipitazione della struvite. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| In un altro schema di processo (Fig.5), attualmente in fase di studio, l’eccesso dello ione ammonio è rimosso per adsorbimento su zeolite selettiva in forma sodio aggiunta direttamente nel reattore biologico a fanghi attivi. La miscela aerata è quindi sottoposta a sedimentazione frazionata per favorire la separazione della fase minerale (zeolite) che ha trattenuto lo ione ammonio da quella organica (fango attivo). La soluzione surnatante (N/P@1) è quindi avviata al trattamento RIM NUT classico, mentre la zeolite satura di ioni ammonio è rigenerata per di bio(de)nitrificazione e riciclata nel reattore biologico. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| La Fig.6 presenta gli incoraggianti risultati della sedimentazione frazionata rilevati su diversi scambiatori zeolitici miscelati al mixed liquor del depuratore municipale di Bari Ovest. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Accanto alle curve sperimentali sono riportate le velocità di sedimentazione calcolate secondo la legge di Stokes o secondo la procedura descritta in [5] per la zeoliti e per i fanghi biologici rispettivamente. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| In ambedue i casi si recuperano, mediante scambio ionico selettivo, quantità stechiometriche P-PO4/N-NH4 in rapporto 1/1 tale da consentire la precipitazione ottimale del fosfato ammonico magnesiaco dagli eluati di rigenerazione degli scambiatori. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Oltre la rimozione quantitativa delle specie nutrienti il processo RIM NUT, sia nella versione classica che modificata, consente la ulteriore riduzione della concentrazione del COD e degli SS residui presenti negli effluenti secondari. Il processo RIM NUT si propone, pertanto, come processo terziario di affinamento ai fini del riutilizzo delle acque per diverse destinazioni d’uso. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Confronto fra i processi di precipitazione chimica e RIM NUT-P | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| E’ stato recentemente condotto, su incarico del Comité Europeén d’Etudes des Polyphosphates, CEEP, uno studio di fattibilità sugli schemi di processo RIM NUT modificato al fine di valutarne le potenzialità applicative alla luce dei nuovi scenari internazionali della industria del fosforo, del trattamento delle acque e della industria dello scambio ionico [22]. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Lo studio ha riguardato la comparazione tecnica-economica dello schema di processo RIM NUT modificato (RIM NUT-P) rispetto alla tecnologia attualmente più applicata per la rimozione del fosforo dagli scarichi civili e zootecnici, basata sulla precipitazione diretta dello ione ortofosfato con aggiunta di FeCl3 e polielettrolita. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Lo studio ha indicato che la convenienza economica del processo RIM NUT-P è condizionata dal valore commerciale dei derivati fosfatici recuperati. Assumendo un prezzo medio di mercato per la struvite recuperata dal processo RIM NUT-P pari a 500 €/t, intermedio fra quello precedentemente assunto in occasione delle campagne dimostrative negli USA, il prezzo al dettaglio in Giappone [9] (800-1000 €/t) [21] e recenti valori di letteratura eccedenti 300 €/t [12], i ritorni economici ottenibili dallo schema RIM NUT-P coprirebbero il 40% dei costi di esercizio del processo. A parità di condizioni, tale dato si riduce drasticamente (a valori inferiori al 3%) nel caso del processo di precipitazione chimica con sali di Fe, Al o Ca. Nel caso specifico, si è assunto un valore commerciale simbolico (prossimo allo zero) per FePO4 recuperato, tale da coprire, al meglio, i soli costi di trasporto e smaltimento in discarica. La Fig. 7 riassume le considerazioni economiche illustrate. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Lo studio di fattibilità ha confermato altresì che la applicazione estensiva degli schemi RIM NUT modificati aprirebbe nuove opportunità di sviluppo economico nella industria del fosforo e dello scambio ionico. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| In questo contesto, assumendo di recuperare nei prossimi 10 anni il 25% del carico totale di fosforo presente negli scarichi civili e zootecnici in Europa, questa quantità coprirebbe circa il 15% della domanda di fosforo in ambito Comunitario. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| In riferimento alla industria dello scambio ionico il potenziale incremento della vendita di scambiatori su scala mondiale è stato quantificato in oltre il 10% del volume economico attuale. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Conclusioni | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| La maggiore pressione normativa sui livelli di rimozione dei nutrienti dalle acque di scarico riversate in aree sensibili ai fenomeni di eutrofizzazione da un lato e le spinte economiche legate alla razionalizzazione dell’uso delle risorse dall’altra inducono crescente interesse sui processi ambientali in grado di rimuovere e recuperare risorse (materie prime seconde) dai reflui liquidi e solidi di origine civile e industriale. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Fra tali processi si collocano gli schemi modificati del processo RIM NUT, che consentono di rimuovere le specie nutrienti (azoto, fosforo) dalle acque di scarico sino ai limiti più restrittivi imposti dalla normativa vigente, recuperandole sotto forma di fertilizzanti di pregio. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Su questa base sono in corso ulteriori studi atti alla validazione delle soluzioni tecniche proposte con specifico riferimento alla: | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| · affidabilità tecnica-economica
degli schemi di processo RIMNUT modificati · valore commerciale ed agronomico dei derivati fosfatici recuperati in relazione all’impatto ambientale (ed emozionale) derivante dalla sua origine fecale · pronta disponibilità dei sottoprodotti fosfatici recuperati dalle acque di scarico ai fini del soddisfacimento della domanda di mercato |
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| Bibliografia | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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