Il controllo del fosforo scaricato dagli impianti di trattamento comunali ed industriali dell'acqua reflua è un fattore chiave nella prevenzione dell'eutrofizzazione delle acque superficiali. Il fosforo è una delle sostanze nutrienti principali che contribuiscono all'eutrofizzazione dei laghi e delle acque naturali. La sua presenza causa molti problemi di qualità dell'acqua compreso l'aumento dei costi di depurazione, le diminuzione del valore di svago e di conservazione di un corpo idrico, la perdita di bestiame ed un possibile effetto mortale delle tossine delle alghe sull' acqua potabile.

La rimozione dei fosfati è attualmente realizzata principalmente tramite precipitazione chimica, che è costosa e causa un aumento del volume del fango da fino al 40%. Un'alternativa è la rimozione biologica (Biological Phosphorous Removal BPR).

Il fosforo nell'acqua reflua

Le acque reflue municipali possono contenere da 5 a 20 mg/l di fosforo totale, di cui 1-5 mg/l sono organico ed il resto e' inorganico. Il contributo individuale tende ad aumentare, in quanto il fosforo e' uno dei maggiori costituenti dei detergenti sintetici. Il contributo pro capite di fosforo varia tra 0.65 e 4.80 g/abitante al giorno con una media di circa 2.18 g. Il fosforo e' normalmente trovato nelle soluzioni acquose nelle seguenti forme:

• Ortofosfati: disponibili per in metabolismo biologico senza ulteriori scissioni

• Polifosfati: molecole con due o piu' atomi di fosforo, atomi di ossigeno e qualche volta idrogeno combinati in una molecola complessa. Solitamente i fosfati vanno incontro ad idrolisi e si trasformano in ortofosfati. Tale processo e' solitamente piuttosto lento.

Normalmente il trattamento secondario puo' rimuovere soltanto 1-2 mg/l, quindi un vasto eccesso di fosforo e' scaricato nell'effluente finale, causando l'eutrofizzazione delle acque superficiali. Nuove leggi richiedono una concentrazione massima di P scaricato in acque sensibili pari a 2 mg/l.

Processi di rimozione del fosforo

La rimozione del fosforo dall'acqua reflua implica l'incorporazione di fosfati in TSS e la successiva rimozione da tali solidi. Il fosforo puo' essere incorporato sia in solidi biologici (per es. microorganismi) che in precipitati chimici.

Precipitazione dei fosfati

La precipitazione chimica e' usata per rimuovere le forme inorganiche di fosfati tramite l'aggiunta di un coagulante e la miscelazione di acqua reflua e coagulante. Gli ioni metalli multivalenti più comunemente usati sono calcio, alluminio e ferro.

Calcio:

E' solitamente aggiunto in forma di calce Ca(OH)₂. Reagisce con la naturale alcalinità dell'acqua reflua per produrre carbonato di calcio, che il principale responsabile del miglioramento della rimozione sei SS.  

Ca(HCO₃)₂  + Ca(OH)₂ à 2CaCO₃ ↓+ 2H₂O

Come il valore di pH dell'acqua reflua aumenta oltre circa 10, gli ioni calcio in eccesso reagiscono con i fosfati, per precipitare in idrossilapatite:

10 Ca²⁺ + 6 PO₄^3- + 2 OH^- ↔ Ca₁₀(PO₄)*6(OH)₂ ↓

Dal momento che la reazione avviene tra la calce e l'alcalinità dell'acqua reflua, la quantità richiesta sarà, generalmente, indipendente dalla quantità di fosfato presente, ma dipenderà soprattutto dall'alcalinità dell'acqua di scarico. La quantità di calce richiesta può essere approssimata a 1.5 volte l'alcalinità come CaCO₃. Per ridurre il pH prima del successivo trattamento o della deposizione puo' essere necessaria una neutralizzatione. La recarbonatazione con anidride carbonica (CO₂) è usata per abbassare il grado di pH.

Alluminio e ferro:

L'allume o il solfato di alluminio idrato e' ampiamente usato per la precipitazione di fosfati e fosfati di alluminio (AlPO₄). La reazione di base e':

Al³⁺ + H_nPO₄^3-n ↔ AlPO₄ + nH⁺

Questa reazione è ingannevolmente semplice e deve essere considerata alla luce delle molte reazioni concorrenti, le loro costanti di equilibrio associate e gli effetti di alcalinità, pH, ed elementi in tracce trovati nell'acqua reflua. Il tasso di dosaggio richiesto è una funzione della rimozione di fosfati richiesta. L'efficienza di coagulazione diminuisce come diminuisce la concentrazione di fosforo. In pratica, un tasso di rimozione dell'80-90% è raggiunto con un tasso di dosaggio del coagulante compreso fra 50 e 200 mg/l. I dosaggi sono generalmente stabiliti  in base a prove su piccola scala ed occasionalmente a prove su grande scala, in particolare se i sono usati polimeri. I coagulanti di alluminio possono interessare negativamente la popolazione microbica nel fango attivo, soprattutto protozoi e rotiferi, a tassi di dosaggio superiori a 150 mg/l. Comunque cio' non riguarda la rimozione dei SST o del BOD, in quanto la chiarificazione dei protozoi e dei rotiferi e' in gran parte compensata dal miglioramento nela rimozione dei SS tramite precipitazione chimica.

Cloruro o solfato ferrico e solfato ferroso sono ampiamente usati per la rimozione del fosforo, sebbene le reazioni reali non sono ancora completamente comprese. La reazione di base e':

Fe³⁺ + H_nPO₄^3-n ↔ FePO₄ + nH⁺

Gli ioni di ferro si combinano per formare fosfato ferrico. Reagiscono lentamente con l'alcalinità naturale e quindi un coagulante, come la calce, viene normalmente aggiunto per aumentare il pH e favorire la coagulazione.

Strategie

I principali processi di rimozione dei fosfati sono (si veda foto sotto):

1. Trattamento di acqua grezza/primaria

2. Trattamento di effluente finale o impianti biologici (postprecipitazione)

3. Trattamento contemporaneo alla reazione biologica secondaria (coprecipitazione)

Il primo processo è incluso nella categoria generale di processi chimici di precipitazione. Il fosforo è rimosso con un'efficacia del 90% e la concentrazione finale di fosforo è più bassa di 0.5 mg/l. Il dosaggio chimico per la rimozione di fosforo è lo stesso del dosaggio necessario per rimozione dei SS e del BOD, che sfrutta la parte principale di questi prodotti chimici. Come accennato sopra il consumo di calce dipende dall'alcalinità dell'acqua di scarico: soltanto il 10% della calce alimentata è usata nella reazione di rimozione del fosforo. Al quantita' rimanente reagisce con l'alcalinità dell'acqua, con addolcimento. Per determinare la quantità di calce necessaria è possibile da usare dei diagrammi: per es, la calce necessaria per raggiungere pH 11 è pari a 2-2.5 volte l'alcalinità dell'acqua.

La postprecipitazione è il trattamento standard di un effluente secondario, usando solitamente soltanto reagenti metallici. È il processo che ha la piu' alte efficienza nella rimozione del fosforo. L'efficienza può raggiungere il 95% e la concentrazione di P nell'effluente può essere più inferiore a 0.5 mg/l. La postprecipitazione da' inoltre una buona rimozione dei SS che evitaono la sedimentazione finale del processo secondario. Il suo vantaggio è inoltre quello di garantire un certo grado di depurazione anche se il processo biologico non è per qualche motivo efficiente. L'azione chimica è più forte, poiché il trattamento biologico precedente trasforma una parte dei fosfati organici in ortofosfati. Gli svantaggi sono alti costi per l'impianto di trattamento (grandi vasche e dispositivi di miscelazione) ed a volte un effluente troppo diluito. Usando i sali ferrici c'è inoltre il rischio di avere del ferro nell'effluente, con di conseguenza una colorazione residua. Il dosaggio di ioni metallici è di circa 1.5-2.5 ioni per ogni ione fosforo (in media circa 10-30 g/mc di acqua).

Il processo di coprecipitazione è particolarmente adatto a impianti a fanghi attivi, in cui i prodotti chimici sono alimentati direttamente nel serbatoio di aerazione o prima di esso. La continua ricircolazione del fango, insieme ai processi di adsorbimento e di coagulazione-flocculazione dovuti al fango attivo, permettono una riduzione del consumo chimico. Inoltre i costi per l'impianto sono più bassi, dal momento che non esiste il bisogno di grandi vasche di postprecipitazione. In questo processo le sostanze chimiche aggiunte sono soltanto ferro ed alluminio, la calce è aggiunta soltanto per la correzione del pH. Minori costi e maggiore semplicità si contrappongono ad una minore efficienza nella rimozione di fosforo con la postprecipitation (inferiore all'85%). La concentrazione di fosforo nell'effluente finale è pari a circa 1 mg/l. Un altro svantaggio è che i fanghi biologici e chimici sono mescolati, quindi non possono essere usati separatamente nelle fasi seguenti. I fanghi miscelati hanno bisogno di serbatoi di sedimentazione più grandi rispetto al fango attivo.

Processi biologici

Nel corso degli ultimi 20 anni, sono state usate numerose configurazioni nei processi biologici di crescita sospesa. I principali sono riportati nella figura seguente.

I principali vantaggi derivanti dalla rimozione biologica del fosforo sono ridotti costi chimici e minore produzione di fango rispetto alla precipitazione chimica.

Nella rimozione biologica di fosforoso, il fosforoso nell'acqua reflue affluente è incorporato nella biomassa delle cellule, che e' successivamente rimossa dal processo in conseguenza della deposizione del fango. La configurazione del reattore fornisce agli organismi che accumulano P (PAO) un vantaggio competitivo rispetto ad altri batteri. Così i PAO sono favoriti nella crescita e nel consumo di fosforo. La configurazione del reattore e' formata da un serbatoio anaerobico e da serbatoio per il fango attivo. Il tempo ritenzione nel serbatoio anaerobico è di circa 0.50 - 1.00 ore ed il suo contenuto è mescolato per offrire contatto tra il fango attivo di ritorno e l'acqua di scarico in ingresso.

Nella zona anaerobica: in circostanze anaerobiche, PAO assimilano i prodotti di fermentazione (cioè acidi grassi volatili) in prodotti di immagazzinamento all'interno delle cellule con il rilascio concomitante di fosforo dai polifosfati immagazzinati. L'acetato è prodotto tramite fermentazione di bsCOD, materiale organico degradabile dissolto che può essere assimilato facilmente dalla biomassa. Usando l'energia disponibile dai polifosfati immagazzinati, i PAO assimilano l'acetato e producono prodotti intracellulari di immagazzinamento polidrossibuturati (PHB). Concorrente con l'assorbimento dell'acetato è il rilascio degli ortofosfati, così come di magnesio, potassio, e cationi di calcio. Il contenuto di PHB nel PAO aumenta mentre il polifosfato diminuisce.

Nella zona aerobica: l'energia è prodotta dall'ossidazione dei prodotti di immagazzinamento e l'immagazzinamento dei polifosfati all'interno della cellula aumenta. Il PHB immagazzinato e' metabolizzato, fornendo energia dall'ossidazione e carbonio per lo sviluppo di nuove cellule. Del glicogeno è prodotto dal metabolismo di PHB. L'energia liberata dall'ossidazione di PHB è usata per formare legami polifosfato nelle cellule di immagazzinamento. L'ortofosfato solubile è eliminato dalla soluzione ed incorporato nei polifosfati all'interno delle cellule batteriche. L'utilizzazione di PHB inoltre favorisce lo sviluppo delle cellule e questa nuova biomassa con elevato immagazzinamento del polifosfato giustifica la rimozione fosforosa. Mentre una parte della biomassa è sprecata, il fosforoso immagazzinato è rimosso dal reattore di biotrattamento per la deposizione finale con il fango di scarico.

La quantità di fosforoso rimossa tramite immagazzinamento biologico può essere valutata dalla quantità di bsCOD che è disponibile nell'affluente dell'acqua di scarico. Le migliori prestazioni per i sistemi di BPR sono realizzate quando l'acetato del bsCOD è disponibile ad un tasso costante.

Fonti:

§         ‘Wastewater Engineering’, Metcalf & Eddy, International Edition, 2003

§         ‘Water technology’, N.F. Gray, Elsevier, 2005

§         ‘Depurazione acque’, Luigi Masotti, Calderini, 2005