Ottimizzazione della rimozione dell’azoto dalle acque reflue

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Particella di fango contenente i tipici batteri rossi Anammox nell’impiant
Particella di fango contenente i tipici batteri rossi Anammox nell’impianto di depurazione di Mohnheim am Rhein (DE)

In molti fiumi gli apporti di azoto sono ancora troppo elevati e hanno un impatto negativo sugli ecosistemi e sulla salute umana. Il processo Anammox, co-sviluppato da Eawag, può contribuire a ridurre le immissioni dagli impianti di trattamento delle acque reflue e a risparmiare energia e risorse. Recentemente è stato ottimizzato dai ricercatori dell’Eawag.

Molti fiumi svizzeri rimangono sovraconcimati. Quantità eccessive di azoto non solo sono dannose per la qualità dell’acqua potabile, e quindi per la salute umana, ma hanno anche un impatto negativo sulla biodiversità. La maggior parte dell’azoto immesso nei corsi d’acqua proviene dall’agricoltura, ma una parte proviene anche dagli impianti di trattamento delle acque reflue. Secondo i requisiti dell’ordinanza svizzera sulla protezione delle acque, gli impianti di trattamento delle acque reflue attualmente rimuovono la metà dell’azoto dalle acque reflue. Questi requisiti saranno inaspriti nei prossimi anni per ridurre l’immissione di azoto nei corsi d’acqua. La rimozione dell’azoto dalle acque putride mediante il processo Anammox, co-sviluppato da Eawag, potrebbe contribuire a soddisfare questi requisiti più severi.

L’acqua putrida viene prodotta durante il trattamento dei fanghi che si depositano nelle vasche di decantazione durante il trattamento delle acque reflue (vedi grafico sotto). Mentre i fanghi disidratati vengono bruciati, l’acqua putrida, che contiene molto azoto sotto forma di ammonio, viene restituita all’impianto di trattamento. Quando l’ammonio viene rimosso dall’acqua putrida, si riduce anche il carico di azoto nelle acque reflue trattate.

Batteri scoperti di recente

Negli ultimi anni diversi impianti di trattamento delle acque reflue svizzeri hanno introdotto il processo Anammox per il trattamento delle acque putride. Anammox significa "ossidazione anaerobica dell’ammonio", ovvero la conversione dell’ammonio senza ossigeno in azoto elementare. I batteri in grado di farlo sono stati scoperti solo negli anni Novanta.

In precedenza erano noti solo i batteri che richiedono ossigeno per questo processo di trasformazione. Questi batteri aerobici costituiscono la base per la rimozione dell’azoto nella fase di trattamento biologico degli impianti di trattamento delle acque reflue, convertendo l’ammonio e il nitrato presenti nelle acque reflue in azoto elementare gassoso, che non crea problemi e fuoriesce nell’aria (vedi grafico in basso a sinistra). Se si vuole migliorare la rimozione dell’azoto in un impianto di trattamento delle acque reflue con questo processo, di solito è necessario ampliare le vasche per il trattamento biologico. Ma non tutti hanno spazio sufficiente. L’alternativa è intervenire sulle acque reflue e trattarle con il processo Anammox per ridurre il carico di azoto. Anche questo processo, sviluppato utilizzando batteri di recente scoperta, converte l’ammonio in azoto elementare, ma nella seconda fase senza ossigeno (vedi grafico in basso a destra).

Minor consumo di energia e risorse

Il processo Anammox offre diversi vantaggi rispetto al processo convenzionale di rimozione dell’azoto. È necessario immettere meno ossigeno, il che riduce drasticamente il dispendio energetico. Inoltre, i batteri Anammox non hanno bisogno di carbonio organico per crescere. Il carbonio presente nelle acque reflue può essere invece utilizzato per la produzione di biogas, con effetti positivi anche sul bilancio energetico dell’impianto di trattamento.

Per questo motivo, negli ultimi 15 anni diversi impianti di trattamento delle acque reflue svizzeri sono stati dotati del processo Anammox per la rimozione dell’azoto dalle acque putride. Tuttavia, dopo qualche tempo, è emerso chiaramente che il processo non funzionava ancora in modo stabile e affidabile in circa un terzo degli impianti e non raggiungeva le prestazioni desiderate. Un team di ingegneri guidati da Adriano Joss, Group Leader del Dipartimento di Tecnologia di Processo di Eawag, ha studiato in dettaglio le ragioni di questo problema e ha ottimizzato il processo su questa base. I risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Aqua & Gas.

Ottimizzare il processo dividendolo in due reattori

"Abbiamo scoperto che i problemi sono legati alle dimensioni dell’impianto", spiega Adriano Joss. Sebbene il primo stadio di reazione avvenga con ossigeno e il secondo senza ossigeno, gli impianti esistenti sono stati progettati come un unico reattore in cui avvengono entrambi gli stadi. "Questo funziona perché i batteri anaerobici Anammox crescono in fiocchi più grandi", dice A. Joss. "Pertanto, anche quando c’è ossigeno nel reattore, possono esserci condizioni anaerobiche all’interno dei fiocchi e quindi batteri Anammox al lavoro". Più grande è il reattore, meno è facile mantenere una concentrazione di ossigeno costante al livello desiderato. Se in alcuni punti del sistema c’è troppo ossigeno, i batteri crescono e ossidano il prodotto della reazione dei nitriti in nitrato, bloccando così il processo Anammox. Questi concorrenti possono essere evitati dividendo le due fasi di reazione del processo Anammox in due reattori. Nel primo reattore, le condizioni possono essere ottimizzate in modo da impedire lo sviluppo di concorrenti produttori di nitrati. "Ad esempio, i fanghi batterici che si formano vengono rinnovati di frequente", spiega A. Joss. Il motivo è che i batteri indesiderati crescono più lentamente di quelli desiderati e possono quindi essere tenuti sotto controllo. Le condizioni per la seconda fase di reazione possono quindi essere ottimizzate: poco ossigeno e - grazie alla lenta crescita dei batteri Anammox - il minor risciacquo possibile del fango batterico.

Meno azoto nelle acque reflue trattate

I reattori anammox con il processo ottimizzato saranno presto integrati in tre impianti di trattamento delle acque reflue. Questo ridurrà la produzione di azoto dell’impianto di trattamento del 10%.

Adriano Joss e il suo team stanno anche lavorando al passo successivo e stanno studiando in laboratorio e in impianti pilota se il processo Anammox possa essere utilizzato al posto dell’attuale trattamento biologico con ossigeno delle acque reflue. Se la rimozione dell’azoto è sufficientemente stabile a questo livello, gli impianti di trattamento delle acque reflue potrebbero raggiungere l’autosufficienza energetica, sia attraverso una minore spesa energetica che una maggiore produzione di biogas.

Joss, A.; Kipf, M.; Morgenroth, E.; Baggenstos, M.; Salzgeber, D. (2023) Modifiziertes Anammox-Verfahren. Faulwasserbehandlungen mit stabiler Prozessführung, Aqua & Gas, 103(1), 24-29 , Repository istituzionale