Impianti a fanghi attivi: come lavora la tecnologia al centro della depurazione biologica

Gli impianti di depurazione a fanghi attivi affidano a una comunità di microrganismi il compito di ripulire le acque di scarico.

Batteri e protozoi, tenuti in sospensione dentro una vasca in cui viene immessa aria, si nutrono della sostanza organica biodegradabile presente nel refluo e la trasformano in composti più semplici, in anidride carbonica e in nuova biomassa. Il principio riproduce in forma accelerata ciò che avviene in un corso d’acqua capace di auto-depurarsi, con una differenza sostanziale: nell’impianto ossigeno, tempi di contatto e concentrazioni vengono regolati in modo da restituire all’ambiente un’acqua conforme ai limiti di legge.

La tecnica ha alle spalle più di un secolo di applicazioni. Nel 1914 due ricercatori inglesi, Edward Ardern e William Lockett, osservarono a Manchester che il fango formatosi durante l’aerazione dei liquami, se trattenuto e rimesso in circolo, rendeva la depurazione molto più rapida. Da quell’intuizione, basata sul ricircolo della biomassa, discendono gli schemi impiantistici in uso ancora oggi, che nel tempo si sono arricchiti della rimozione dell’azoto, di sistemi di aerazione più efficienti e di configurazioni pensate per le comunità di piccole dimensioni.

Il trattamento biologico si estende ai piccoli centri

Il peso della depurazione biologica cresce con le regole europee più recenti, che ampliano la platea di comunità tenute a dotarsene. La direttiva UE 2024/3019 sul trattamento delle acque reflue urbane, in vigore dal 1° gennaio 2025, va recepita dagli Stati membri entro il 31 luglio 2027 e dal 1° agosto dello stesso anno prende il posto della storica direttiva del 1991. Il testo stabilisce che entro il 2035 il trattamento secondario sia garantito in tutti gli agglomerati a partire da mille abitanti equivalenti, contro la soglia di 2.000 prevista dalla norma precedente. Per trattamento secondario si intende la fase in cui la sostanza organica disciolta viene rimossa per via biologica, cioè proprio il lavoro svolto dai microrganismi dei fanghi attivi.

L’abitante equivalente è l’unità con cui si misura il carico inquinante di uno scarico. Il Testo unico ambientale (D.Lgs. 152/2006) lo definisce come il carico organico biodegradabile che richiede 60 grammi di ossigeno al giorno per essere degradato, un valore espresso attraverso il BOD5, la domanda biochimica di ossigeno misurata in un arco di cinque giorni. Mille abitanti equivalenti possono provenire da un piccolo centro abitato, ma anche da un albergo con ristorante o da un’area commerciale, perché il calcolo considera tutte le attività che scaricano in quella rete.

Con l’abbassamento della soglia entrano nell’obbligo frazioni, borghi e località turistiche che finora potevano affidarsi a trattamenti più semplici. Per queste realtà la soluzione più coerente con le dimensioni del carico è un impianto biologico compatto, in grado di assicurare rendimenti depurativi elevati con una gestione alla portata di piccoli gestori e amministrazioni comunali.

Dalla grigliatura alla sedimentazione: il percorso del refluo

Il modo in cui un impianto a fanghi attivi raggiunge questi risultati si comprende seguendo il refluo dall’ingresso allo scarico. In testa all’impianto i pretrattamenti trattengono le parti grossolane: nelle taglie minori il compito spetta a una vasca di tipo Imhoff, in cui i solidi si depositano sul fondo e vengono degradati in assenza di ossigeno, mentre negli impianti più grandi si ricorre a griglie automatiche e dissabbiatori. A valle, una vasca di accumulo ed equalizzazione dotata di pompe sommerse smorza le punte di portata e di carico che si concentrano in alcune ore del giorno, così che il comparto biologico riceva un’alimentazione il più possibile costante.

Il cuore del processo è la vasca di ossidazione, dove diffusori a bolle fini distribuiscono l’aria compressa prodotta da soffianti. L’ossigeno serve ai batteri per demolire la sostanza organica e, in parallelo, per la nitrificazione, la reazione che converte l’azoto ammoniacale, tossico per la fauna acquatica, in nitrati. I nitrati sono a loro volta un nutriente che favorisce la proliferazione di alghe nei corpi idrici, e per questo molti impianti prevedono a monte dell’ossidazione una vasca di denitrificazione, priva di aerazione e rimescolata da un miscelatore sommerso. In questa vasca viene rimandata una parte della miscela aerata: i batteri, senza ossigeno disciolto a disposizione, lo ricavano dai nitrati e liberano azoto gassoso in atmosfera, usando come nutrimento la sostanza organica del refluo appena entrato.

Dall’ossidazione la miscela passa alla sedimentazione finale, una vasca in cui l’acqua scorre lentamente: i fiocchi di fango, più pesanti, si depositano sul fondo, mentre l’acqua chiarificata sfiora dall’alto verso lo scarico. Il fango raccolto viene in gran parte ricircolato alla vasca di aerazione per mantenere stabile la popolazione di microrganismi, mentre la quota eccedente, detta fango di supero, viene estratta periodicamente e inviata a una vasca di accumulo e ispessimento. Quando i limiti allo scarico lo richiedono, una vasca di disinfezione con ipoclorito di sodio, acido peracetico o lampade a raggi ultravioletti abbatte la carica batterica residua.

Aerazione estesa: il fango si stabilizza nella stessa vasca

Accanto allo schema convenzionale, pensato per i grandi depuratori urbani, si è affermata una variante che semplifica la gestione dei fanghi: l’aerazione estesa, chiamata anche ossidazione totale. Il parametro che distingue le due configurazioni è il carico del fango, cioè il rapporto tra la sostanza organica che entra ogni giorno nell’impianto e la massa di microrganismi presenti in vasca. Negli impianti convenzionali il carico è elevato, i batteri trovano nutrimento in abbondanza e producono molta biomassa nuova, che viene poi stabilizzata in un digestore dedicato.

Nell’aerazione estesa il carico è volutamente basso e il fango resta in vasca per tempi lunghi. I microrganismi, con poco nutrimento a disposizione, arrivano a consumare anche le proprie riserve e le cellule morte, in una fase chiamata respirazione endogena. La stabilizzazione aerobica del fango avviene così nella stessa vasca in cui si depura il liquame: il fango di supero risulta più mineralizzato, meno putrescibile e prodotto in quantità minori, e l’impianto non ha bisogno di un comparto separato per la digestione. La grande massa di fango presente in vasca assorbe inoltre le oscillazioni di carico tipiche delle piccole comunità, dove gli scarichi variano molto tra giorno e notte e tra una stagione e l’altra.

Per questi motivi l’aerazione estesa è la configurazione tipica delle taglie piccole e medie, dalle poche decine di abitanti equivalenti di una residenza isolata alle migliaia di un centro abitato o di un polo commerciale. La taglia incide anche sull’articolazione dell’impianto, come mostra la gamma di Gazebo S.p.A., società che progetta e produce impianti di depurazione in vasche prefabbricate: fino a 350 abitanti equivalenti ossidazione e sedimentazione finale convivono in un’unica vasca monoblocco a bacino combinato, mentre tra 400 e 3.000 le fasi si distribuiscono su più vasche collegate. La prefabbricazione riduce i tempi di cantiere, assicura la tenuta idraulica dei manufatti e consente installazioni interrate o completamente fuori terra, a seconda delle quote disponibili e delle caratteristiche del terreno.

Dai reflui civili agli scarichi produttivi biodegradabili

Il campo d’impiego dei fanghi attivi segue la natura del refluo più che la sua provenienza. Gli impianti trattano abitualmente i reflui civili, prodotti da abitazioni, uffici, scuole, alberghi, campeggi e centri commerciali, e gli scarichi assimilati, cioè quelli di attività produttive con caratteristiche equivalenti. Si tratta di acque dalla composizione piuttosto regolare, in cui sostanza organica, azoto e fosforo sono presenti in proporzioni adatte alla crescita dei batteri, e per questo rappresentano il campo d’impiego naturale del processo.

Gli stessi impianti si prestano anche ai reflui industriali con un carico organico biodegradabile, come quelli di caseifici, cantine, macelli e aziende di trasformazione ortofrutticola. Rispetto agli scarichi domestici, queste acque presentano spesso concentrazioni organiche molto più elevate e portate che seguono i cicli produttivi, con picchi concentrati in alcune ore o in periodi dell’anno come la vendemmia. In questi casi la vasca di equalizzazione viene dimensionata con volumi più ampi e affiancata da pretrattamenti dedicati a oli, grassi e sostanze che i microrganismi non riescono a degradare. Quando il refluo è povero di azoto o di fosforo, elementi necessari ai batteri, gli impianti possono prevedere il dosaggio di nutrienti per mantenere attiva la biomassa.

In entrambi i casi il punto di partenza è la caratterizzazione del refluo, cioè l’analisi di portate, carico organico e composizione chimica dello scarico. Su questi dati si dimensionano le vasche, si stabilisce la quantità d’aria da fornire alla biomassa e si definiscono i trattamenti da affiancare al processo biologico, in modo che l’acqua in uscita rispetti i limiti fissati nell’autorizzazione allo scarico.