Chimica industriale/Potabilizzazione delle acque

Potabilizzazione delle acque

Premessa

Le caratteristiche chimiche e fisiche delle acque variano in funzione della loro provenienza. Per i fiumi, le acque sotterranee e per i laghi la concentrazione ed il tipo di sostanze presenti dipenderanno dal tipo di terreno e dalla presenza di insediamenti abitativi, attività industriali ed agricole. L’acqua, nel suo moto di scorrimento, esercita un’azione di trascinamento sulle particelle solide; inoltre la sua azione solubilizzante, esaltata dalla presenza di CO₂ disciolta, determina la presenza in minore o maggiore misura, di ioni in soluzione come solfati, bicarbonati, silicati, cloruri, calcio, magnesio, ecc. Ben più pesanti sono, invece, gli effetti della presenza dell’uomo, che utilizza i corpi idrici sia per l’approvvigionamento delle acque grezze che per il recapito finale delle acque usate, assieme a tutte le sostanze che esse contengono, come sostanze biodegradabili, composti dell’azoto, e del fosforo, ma anche pesticidi, metalli pesanti ed altre sostanze tossiche. Le sostanze contenute nelle acque, estremamente variabili per tipo e quantità in base alla loro provenienza, possono essere classificate nei seguenti gruppi:

Solidi sospesi
Colloidi
Sospesi organici
Sospesi inorganici
Solidi disciolti
Sostanze inorganiche
Sostanze organiche
Forme viventi
Forme superiori
Microrganismi
Gas disciolti

Quando l’esame igienico di un’acqua dimostra che essa è impropria per qualsiasi motivo al suo uso diretto come acqua potabile, occorre procedere alla sua correzione o alla sua depurazione, oppure ad entrambe le operazioni. Diciamo subito che con il termine di correzione si intende l’insieme ei procedimenti aventi lo scopo di migliorare i caratteri organolettici, fisici e chimici dell’acqua, mentre la parola depurazione indica l’insieme delle operazioni atte a purificare le acque dal punto di vista batteriologico. Tali operazioni avvengono negli impianti di potabilizzazione che possono essere di due tipi: gli impianti di filtrazione, in cui le acque sono soggette a un insieme di processi depurativi, e quelli in cui avviene la sola disinfezione. Generalmente il processo di conversione delle acque grezze in acque potabili avviene attraverso una sequenza di stadi, ognuno dei quali è specializzato nella rimozione di una particolare classe di sostanze. Avremo così lo stadio di rimozione dei solidi sospesi, quello di riduzione dei sali indurenti, quello di eliminazione dei microrganismi e così via. Teoricamente è oggi possibile trattare tutti i tipi di acque: infatti le tecniche sono talmente affinate che è possibile eliminare ogni sorta di impurezza. Il problema consiste nel trovare la soluzione economicamente accettabile, tenuto conto delle caratteristiche delle fonti di approvvigionamento a disposizione e dei requisiti da raggiungere. Gli impianti di potabilizzazione sono generalmente ubicati presso le opere di presa o al termine della condotta adduttrice e il loro posizionamento deve avvenire su un terreno che topograficamente permetta di sfruttare il moto a gravità per il passaggio delle acque da un trattamento al successivo sì da ridurre quanto più possibile il consumo di energia elettrica.

Eliminazione dei solidi sospesi

Tiglio come tutti sanno scoprì la rimozione dei materiale in sospensione La rimozione dei materiali in sospensione è sempre il primo stadio qualunque sia il ciclo completo di trattamento e consiste essenzialmente in una separazione solido-liquido. Oltre ai solidi sospesi le acque contengono solidi grossolani, per cui le sostanze solide sulle quali bisogna agire sono:

Solidi grossolani sedimentabili (ghiaia, sabbia grossa, terriccio)
Solidi grossolani non sedimentabili (foglie, piccola fauna, alghe)
Solidi sospesi sedimentabili (foglie, piccola fauna, alghe)
Solidi sospesi non sedimentabili (argilla, alghe, microflora e microfauna, plancton)

La rimozione completa dei solidi sospesi viene effettuata attraverso una sequenza di operazioni che comprende la grigliatura, il dissabbiamento, la chiariflocculazione ed infine la filtrazione.

Grigliatura

La grigliatura serve per eliminare le sostanze più voluminose, ossia per l’allontanamento dei solidi grossolani sedimentabili quali ghiaia, sabbia grossa e terriccio, e può essere realizzata in due fasi successive:

Grigliatura grossolana
Grigliatura fine

La grigliatura grossolana serve per intercettare le particelle di maggiore dimensione ed è costituita da barre di acciaio distanziate 50-100 mm. La grigliatura fine, invece, ha lo scopo di fermare le particelle più piccole ed è perciò formata da barre distanziate 10-50 mm.

Stacciatura e microstacciatura

Nel caso in cui sia necessario effettuare una rimozione spinta dei solidi grossolani non sedimentabili e dei solidi sospesi non sedimentabili, si prevede accanto alla grigliatura anche una stacciatura ed una microstacciatura. La stacciatura consiste nel far passare le acque grezze attraverso reti metalliche o lamiere forate, in genere supportate da un cilindro metallico, rotante, con pulizia automatica, attuata con vari dispositivi. Le aperture di passaggio possono essere anche di pochi millimetri per cui il trattamento risulta più efficiente della grigliatura fine. Oltre alla possibilità di trattenere materiali particolarmente piccoli, la stacciatura presenta il vantaggio, rispetto alla grigliatura, di trattenere tutto il materiale al di sotto delle dimensioni dei passaggi della rete: con le griglie, invece, basta che il materiale si disponga con la maggiore dimensione parallelamente alle barre della griglia che riesce a passare. Un inconveniente della stacciatura è però la facilità con cui avvengono gli intasamenti e la necessità di frequenti operazioni di manutenzione e di pulizia. La stacciatura può essere applicata solamente nel caso di acqua con una bassa concentrazione di solidi sospesi.

Dissabbiatura

La dissabbiatura viene effettuato nei cosiddetti dissabbiatori, posti subito a valle delle griglie, e costituiti da vasche nelle quali avviene la decantazione dei materiali trasportati. Il dissabbiatore classico è quello “a canale” conformato con una sezione di forma particolare e dotato all’estremità finale di un organo di regolazione (venturimetro) allo scopo di creare in tutta la sezione liquida una velocità costante. La lunghezza di tale dissabbiatore è tale da permettere la raccolta delle sabbie, nella traiettoria di caduta, entro solchi ricavati sul fondo. Tale opera presenta lo svantaggio di avere poca rispondenza alle condizioni teoriche e la necessità di effettuare manualmente le operazioni di pulizia. Tuttavia tali strutture hanno il vantaggio di assenza di organi meccanici, di piccole perdite di carico e se ne può migliorare il funzionamento semplicemente attraverso il venturimetro. Nei grandi impianti trovano però maggiore applicazione i dissabbiatori a canale dotati di dispositivi meccanici per la raccolta delle sabbie mentre nel campo dei piccoli-medi impianti si adottano oggi dissabbiatori nei quali viene immessa energia (aria insufflata o moto generato da agitatori).

Chiariflocculazione

Si definiscono colloidi quelle particelle di dimensioni estremamente ridotte che formano sospensioni stabili, tali da non poter essere separate con una normale sedimentazione. Volendo infatti calcolare la velocità di Stokes per una particella di dimensioni, ad esempio, 0,2 10-6 m, di densità 2500 Kg/m³ in acqua avremo una velocità così bassa da non essere compatibile con i tempi di detenzione nei sedimentatori. Un altro importante aspetto delle sospensioni colloidali è la natura dell’interfaccia solido-liquido, per cui si hanno colloidi idrofili e idrofobi. I primi, di origine organica, adsorbono in superficie uno strato di molecole d’acqua, i secondi, invece, generalmente di natura inorganica, come argille, silicati, ecc., hanno una bassa affinità con l’acqua per cui presentano un’interfase più netta. Ma l’aspetto maggiormente importante dei colloidi è la repulsione elettrostatica che si esercita, tra le varie particelle, ad opera di cariche opposte sulla superficie. Tale repulsione impedisce la collisione tra le particelle e la conseguente formazione di aggregati più voluminosi e quindi più facilmente sedimentabili. In particolare, sulla superficie vengono attratti ioni di segno opposto presenti nell’acqua. Quindi, nel caso di cariche negative sulla superficie, si forma uno strato di cariche positive a diretto contatto con quelle negative. Oltre questo stato se ne distingue un secondo in cui la concentrazione di ioni positivi risulta ancora preponderante. Quindi, divenute trascurabili le forze di attrazione elettrostatica verso le cariche di segno opposto, gli ioni positivi eguagliano quelli negativi. È chiaro, allora, che questo tipo di materiale deve essere separato attraverso uno specifico trattamento chimico che sfrutta l’azione di due diversi tipi di sostanze, chiamate “coagulanti”, di natura inorganica, e “polielettroliti”, di natura organica. Queste sostanze sono largamente utilizzate in tutti i trattamenti di separazione solido-liquido in quanto la loro azione si esplica su tutti i tipi di solidi sospesi, consentendo di migliorare l’efficienza di rimozione e di ridurre i tempi di trattamento. La loro azione viene esplicata in due fasi: “coagulazione”, durante la quale vengono destabilizzati i colloidi consentendo così la formazione di agglomerati voluminosi, e “flocculazione”, in cui gli aggregati formati continuano ad ingrossarsi fino a diventare sedimentabili. I coagulanti sono costituiti da sali di ferro o di alluminio. I più usati sono FeCl₃, FeSO₄, Al₂(SO₄)₃. L’altra classe di sostanze largamente usate sono, come si è detto, i polielettroliti organici. Sebbene vi siano sostanze di origine naturale potenzialmente utilizzabili, quelle di origine sintetica sono quelle maggiormente applicate per i minori costi di produzione rispetto ai costi di estrazione di quelle naturali. I polielettroliti sono macromolecole organiche ottenute attraverso processi di polimerizzazione. I meccanismi con cui avviene la destabilizzazione sono quattro:

Compressione del doppio strato
Adsorbimento e neutralizzazione delle cariche elettriche
Inviluppo del precipitato ed adsorbimento con copolimeri
Interparticellamento provvisorio

Tutti questi meccanismi possono avvenire anche contemporaneamente, anche se quelli maggiormente determinanti l’agglomerazione delle particelle sono il terzo ed il quarto. L’aggiunta di reattivi alla corrente liquida deve essere fatta secondo criteri ben definiti, per essere certi dell’omogenea distribuzione in tutta la portata di acqua da trattare. In genere il mescolamento tra acqua e sostanze chimiche avviene nelle vasche di miscelazione e viene effettuato in piccoli volumi ed elevata turbolenza. Esistono due tipi di miscelatore: lo statico ed il rapido. Il primo è formato da ostacoli fissi all’interno della tubazione che provocano turbolenze; il secondo, invece, è un agitatore a pale ad alta velocità. Dopo la neutralizzazione delle cariche dovuta alla fase di coagulazione, avviene il processo di “flocculazione” che può essere di tipo “pericinetico” e “ortocinetico”. La flocculazione pericinetica è dovuta al movimento casuale delle particelle che si agglomerano a seguito degli urti con le altre particelle. Tale processo naturale è estremamente lento, per cui si ricorre ad un certo grado di agitazione per facilitare le collisioni e l’aggregazione tra le particelle. In queste condizioni si ha la flocculazione ortocinetica, con cui si raggiungono in tempi brevi i risultati voluti.

Chiarificazione o sedimentazione

Si definisce sedimentazione quel processo mediante il quale i corpi solidi sospesi in un liquido, aventi peso specifico superiore a quello del liquido stesso, tendono a depositarsi. Si hanno due diversi tipi di particelle sedimentabili:

Le particelle granulari, che sedimentano individualmente, senza che si verifichino interferenze ed intercettazioni fra particelle vicine;
Le particelle flocculate.

Una particella granulosa immersa in un fluido, dopo un iniziale periodo in cui il moto è accelerato, tende ad assumere una velocità di caduta costante v, velocità di sedimentazione, che viene raggiunta quando l’energia di caduta della particella viene esattamente equilibrata dall’energia dispersa dall’attrito con le molecole di fluido. Le particelle fioccose, invece, durante il soggiorno nella vasca di sedimentazione tendono ad agglomerarsi tra di loro, aumentando il loro “diametro”. Per ogni particella vale, istante per istante, la formula di Newton; tuttavia, man mano che aumenta la dimensione, col passare del tempo, lungo il percorso, aumenta anche la velocità di sedimentazione. Di conseguenza la traiettoria di una singola particella non è più rettilinea ma assume un andamento curvilineo, con velocità gradualmente maggiori. Per queste particelle non esistono, allora, formule matematiche che descrivono il fenomeno, ma il processo deve essere studiato mediante test di laboratorio.

Filtrazione

L’efficienza delle apparecchiature usate nei processi di chiariflocculazione e di sedimentazione non è mai del 100%; ciò comporta che una certa quantità di solidi sarà ancora contenuta nell’acqua. Per questo motivo si esegue la filtrazione, che elimina i solidi sospesi residui. Il processo di filtrazione consiste nel passaggio da parte dell’acqua attraverso un supporto poroso che trattiene parte dei solidi. Si hanno due diversi tipi di filtrazione: quello superficiale e quello in volume. Nell’uno e nell’altro caso il moto è regolato dalla legge di Darcy.

Filtrazione in superficie
Filtrazione su supporto di spessore rilevante
Filtrazione in profondità
Filtrazione con mezzi granulati
Filtri chiusi
Filtri aperti

Eliminazione dei solidi disciolti

Come già detto, alcuni tipi di sostanze disciolte non sono compatibili con l’uso a cui l’acqua è destinata. Per la rimozione dei solidi disciolti possiamo avere trattamenti specifici, che eliminano solo particolari ioni, o trattamenti che eliminano tutti gli ioni dello stesso segno o tutti in generale.

Addolcimento

Come è noto, si definisce durezza di un’acqua il contenuto in ioni Ca²⁺ e Mg²⁺. Il trattamento di eliminazione della durezza viene chiamato addolcimento e si può effettuare con il “metodo calce-soda”, con le “resine scambiatrici di cationi”, con la “demineralizzazione”. Per quanto riguarda il trattamento con calce, Ca(OH)₂, e soda, Na₂CO₃, è da dire che l’azione della calce si esplica sulla durezza temporanea, sul magnesio e sulla CO₂. I bicarbonati presenti reagiscono, infatti, con gli idrossidi messi a disposizione dal Ca(OH)₂ secondo la reazione:

HCO₃^- + OH^- <-> CO₃^2- + H₂O

I carbonati così formati reagiscono con il calcio presente nell’acqua ed, eventualmente, anche con quello aggiunto. In forma molecolare, la reazione è la seguente:

Ca(OH)₂ + Ca(HCO₃)₂ <-> 2 CaCO₃ + 2 H₂O

Dato che l’idrossido di magnesio è molto meno solubile del carbonato, gli ioni magnesio vengono precipitati dalla calce:

Ca(OH)₂ + Mg² <-> Mg(OH)₂ + Ca²⁺

Questa reazione non ha conseguenza sulla durezza totale ma semplicemente il Mg²⁺ viene sostituito dal Ca²⁺. La CO₂, in presenza di OH^-, si trasforma in CO^3- che precipita il calcio:

Ca(OH)₂ + CO₂ <-> CaCO₃ +H₂O

In definitiva, la calce deve essere aggiunta in misura equivalente alla durezza temporanea, alla durezza magnesiaca ed alla CO₂. La durezza permanente,a questo punto costituita sola a Ca²⁺, viene abbattuta con il Na₂CO₃, tramite la reazione:

Na₂CO₃ + Ca²⁺ <-> CaCO₃ + 2 Na⁺

La soda deve essere aggiunta in quantità equivalente alla durezza permanente. Molto usato è anche, oggi, il trattamento dello scambio ionico, che permette la rimozione selettiva di ioni. Si definiscono scambiatori di ioni quello sostanze capaci di scambiare i loro ioni con quelli presenti nell’acqua. Tali sostanze sono di forma granulare ed insolubili ed hanno nella loro struttura molecolare dei radicali acidi o basici suscettibili di cambiare, senza modificare il loro aspetto fisico e senza solubilizzarsi, gli ioni positivi o negativi fissati su questi radicali, con ioni, dello stesso segno, che si trovano in soluzione nel liquido. Sebbene in passato siano stati usati allo scopo materiali di origine naturale o da essi derivati, oggi vengono usate quasi esclusivamente le resine di origine sintetica. Esse infatti presentano diversi vantaggi tra cui maggiore resistenza meccanica, stabilità chimica ed una maggiore attività. In genere valgono le seguenti regole:

Per ioni della stessa valenza, l’affinità di una resina nei confronti di uno ione aumenta la crescere del numero atomico
Uno ione di più elevata valenza è preferito da una resina rispetto a ioni a valenza più bassa.

La reazione si ferma quando viene raggiunto l’equilibrio tra scambiatore e liquido: per ottenere un trattamento spinto è necessario, allora, lavorare con equilibri successivi attraverso strati sovrapposti di scambiatori. Durante l’esercizio, la resina perde via via la sua capacità di scambio. Quando la resina si è esaurita deve essere rigenerata mediante un lavaggio nel senso della corrente fluida o in controcorrente. Per il raggiungimento delle condizioni ottimali di funzionamento bisogna tener conto di alcune importanti variabili operative:

I solidi sospesi nell’acqua in ingresso devono essere assenti. Infatti, eventuali particelle solide potrebbero ostruire i pori riducendo la superficie di contatto tra resina ed acqua.
Il tempo di contatto tra l’acqua e la resina deve essere calcolato facendo il rapporto tra il volume di resina e la portata di acqua.
La velocità dell’acqua non deve essere troppo bassa perché potrebbero crearsi dei cammini preferenziali, lasciando porzioni di resina inattive. Alcune parti di resina si esaurirebbero presto, altre non avrebbero effettivamente lavorato. Per questo la velocità di passaggio non dovrebbe essere inferiore a 1 m/h.

Infine c’è da dire che gli scambiatori esistenti si dividono in:

Scambiatori cationici
Scambiatori anionici

I primi possono essere scambiatori fortemente acidi o scambiatori debolmente basici; i secondi possono, invece, dividersi in debolmente acidi o fortemente basici.

Deferrizzazione e demanganizzazione

La deferrizzazione e la demanganizzaizone sono i processi finalizzati all’eliminazione degli ioni Fe²⁺ e Mn²⁺. I metodi utilizzati possono essere diversi, quali l’”aerazione”, lo “scambio ionico”, l’”ossidazione”. Nel caso, ad esempio, dell’ossidazione, la reazione di eliminazione di tali sali è la seguente:

2 Fe²⁺ + ½ O₂ + 5 H₂O <-> 2 Fe(OH)₃ + 4 H⁺

2 Mn²⁺ + ½ O₂ + 3 H₂O <-> 2 MnO(OH) + 4 H⁺

data la formazione di ioni H⁺, l’ambiente alcalino favorisce la reazione che può essere eseguita in torri di aerazione, seguite da uno stadio di filtrazione con filtri a sabbia o in pressione.

Neutralizzazione

L’acqua ha una notevole capacità solvente anche nei confronti dei gas, soprattutto O₂ e CO₂, ma anche H₂S, N₂, NH₃. L’ossigeno può essere disciolto dall’aria, ma può anche essere prodotto dall’attività fotosintetica delle alghe. L’anidride carbonica viene principalmente assorbita dall’acqua piovana, ma può anche essere presente a causa dell’attività degradanti dei microrganismi in presenza di inquinanti organici. La presenza di CO₂, insieme ai bicarbonati, determina l’azione incrostante o aggressiva dell’acqua. L’acqua si definisce incrostante quando ha la tendenza a depositare incrostazioni di CaCO₃. Se, invece, l’acqua ha tendenza a ridisciogliere i depositi di CaCO₃ si definisce aggressiva. Il verificarsi dell’uno o dell’altro caso è determinato dallo spostamento a destra o sinistra dell’equilibrio:

CaCO₃ + CO₂ + H₂O <-> Ca²⁺ + 2HCO₃^-

In eccesso di CO₂ l’equilibrio si sposta a destra, determinando la dissoluzione del CaCO₃ e, in questo caso, l’acqua si dice aggressiva. Viceversa, in caso di eccesso di bicarbonato, l’acqua è incrostante. La neutralizzazione serve proprio per ridurre l’aggressività di acque con anidride carbonica in eccesso mediante il processo a “calce” o a “carbonato”, “aerazione”.

Rimozione del colore

Le sostanze che impartiscono colore alle acque possono essere sia di natura inorganica che organica. Tra le prime possiamo avere i sali di ferro in soluzione o idrossidi di ferro e manganese in sospensione colloidale. Tra le seconde, acidi umici e tannini o anche microrganismi, come alcune alghe, in grado di impartire caratteristiche colorazioni. I processi utilizzati per la rimozione del colore sono la filtrazione rapida. L’ossidazione con ozono e cloro, l’azione della luce solare, l’adsorbimento su carbone attivo. Il processo di adsorbimento, in particolare, assume sempre maggiore rilevanza per la rimozione dei microinquinanti organici quali idrocarburi, solventi clorurati, erbicidi, fenoli, detergenti, ecc.. L’efficacia del trattamento di adsorbimento su carboni attivi è diversa a seconda del tipo di sostanze da rimuovere. I carboni attivi sono materiali carboniosi a struttura porosa e ad elevata superficie specifica. Essi possono avere diversa provenienza in relazione alle materie prime con le quali vengono prodotti (legno, lignina, carbone bitumoso, ecc.). Le proprietà adsorbenti dipendono in generale sia dalla materia prima di partenza che dal processo di attivazione utilizzato. I modelli di adsorbimento fanno riferimento al raggiungimento di condizioni di equilibrio tra adsorbente e adsorbato. Quelli utilizzati per l’interpretazione del fenomeno di adsorbimento nella pratica applicativa sono quelli di Freundlich e Langmuir e Brunauer–Emmett–Teller (BET).

Eliminazione dei microrganismi

La depurazione batteriologica ha lo scopo di allontanare i microrganismi contenuti nelle acque con particolare riguardo a quelli patogeni. I mezzi utilizzati sono diversi.

Ozonizzazione Tale processo utilizza quale disinfettante l’ozono prodotto a partire dall’aria con apparecchi elettrici appositi; esso viene fatto gorgogliare nell’acqua da depurare e, successivamente, si procede all’eliminazione dell’eccesso di ozono attraverso l’aerazione. L’azione battericida dell’ozono nasce per effetto del suo potere ossidante, poiché l’ossigeno che da esso prende origine,brucia le sostanze organiche dell’acqua, compresi i microrganismi. La reazione di dissociazione è la seguente: O₃ <-> O₂ + O Tale metodo dà risultati veramente soddisfacenti ma risulta alquanto costoso.

UV Il trattamento UV (attinizzazione) utilizza i raggi ultravioletti per la loro azione battericida; la sterilizzazione viene effettuata sottoponendo l’acqua a radiazioni UV di opportuna lunghezza d’onda, in grado di distruggere molecole fondamentali per i processi metabolici dei microrganismi.

Processi oligodinamici Questi processi ricorrono all’argento quale elemento inibitore della vita batterica.

Cloro-amminiazione La cloro-ammoniazione è un processo consistente nell’immettere nell’acqua cloro e ammoniaca in opportune proporzioni. Si formano in tal modo le cosiddette cloroammine che si prestano bene alla depurazione delle acque.

Clorazione La clorazione rappresenta un metodo di disinfezione particolarmente efficace. Il cloro esercita l’azione battericida e di distruzione dei virus, attraverso la rottura della parete cellulare. Affinché il cloro possa svolgere la sua funzione, però, è necessario avere un sufficiente tempo di contatto con l’acqua da disinfettare; tale tempo è necessario al cloro per modificare la struttura chimica degli enzimi che sono alla base dei meccanismi di nutrizione dei batteri, inattivandoli, impedendo così la vita e lo sviluppo degli stessi. Tra i vari metodi di disinfezione, una maggiore attenzione merita proprio la clorazione poiché è quello più utilizzato, sia per la sua efficacia che per la sua economicità. Il cloro utilizzato può essere sottoforma di ipoclorito di calcio o di sodio, di cloro gassoso, di biossido di cloro e di cloruro di calce. Sia che si ricorra agli ipocloriti o al cloro gassoso per conseguire la disinfezione delle acque, è necessario un adeguato dosaggio dello stesso, dosaggio che può variar da caso a caso a seconda della clorazione richiesta, che è funzione della carica microbica presente e della quantità di sostanze organiche presenti. Il cloro, infatti, oltre ad esercitare una funzione disinfettante, realizza anche un’azione depurativa in termini di abbattimento della sostanza organica.

Trattamenti di depurazione