Nuovo Metodo Termochimico Allevia le Sfide Energetiche dei Fanghi di Depurazione

Immagina uno scenario in cui il fango prodotto dagli impianti di trattamento delle acque reflue, dopo la digestione, potrebbe diventare una potenziale fonte di energia. Eppure la realtà spesso non raggiunge questo ideale. La lavorazione termochimica, un metodo per convertire il fango digerito in energia, affronta sfide significative nel raggiungimento dell'autosufficienza energetica.

La ricerca indica che i trattamenti termochimici come l'incenerimento e la pirolisi lottano con il bilancio energetico. Per l'incenerimento, il valore energetico annuale del digestato solido è di 6.391 MWh. Tuttavia, l'essiccazione del fango dal 73% al 35% di umidità consuma 3.120 MWh, quasi la metà del contenuto energetico. Il recupero dell'azoto come solfato di ammonio richiede ulteriori 3.363 MWh. Anche con il recupero di calore (5.936 MWh), la domanda energetica totale (6.483 MWh) supera i guadagni.

La pirolisi affronta ostacoli simili. Il fango deve prima essere essiccato al 10% di umidità. In uno scenario, il vapore prodotto dalla pirolisi viene condensato, mentre il syngas e il biochar vengono bruciati per il recupero di energia. Eppure il bilancio termico totale rimane negativo (-4.553 MWh), con l'essiccazione (3.440 MWh) e la pirolisi (496 MWh) che superano il calore recuperato (2.746 MWh). Anche bruciando tutti i prodotti della pirolisi si ottengono solo 5.600 MWh, ancora 1.699 MWh al di sotto dei requisiti.

Anche la gassificazione incontra difficoltà. L'essiccazione del fango al 10% di umidità prima della gassificazione richiede un rapporto di equivalenza di 0,3 per l'autosufficienza. Eppure anche bruciando il syngas risultante rimane un bilancio energetico negativo.

Le lagune di fango, spesso abbinate alla digestione anaerobica, offrono una soluzione a bassa tecnologia, in particolare per i piccoli impianti di trattamento. Combinando digestione a freddo, essiccazione all'aria e ispessimento per gravità, queste lagune sono tipicamente dimensionate a 0,2-0,5 m³ per persona e progettate per 7-15 anni di utilizzo prima della rimozione del fango. Le profondità variano da 3 a 5 metri, con almeno 1 metro di franco.

La corretta costruzione include pendenze laterali di 3:1 e rivestimenti impermeabili che si estendono 1 metro sopra e sotto il livello massimo dell'acqua. La distribuzione dell'afflusso garantisce una diffusione uniforme del fango, mentre i troppo pieni di scarico restituiscono l'acqua spostata all'impianto di trattamento. Le lagune doppie consentono a una di riempirsi mentre l'altra si svuota. Il fango rimosso dalle lagune varia dal 20% di solidi negli strati compattati a solo pochi percento negli strati superficiali, richiedendo lo smaltimento finale.

Le tecnologie attuali recuperano tipicamente la struvite dal surnatante del digestore anaerobico, in particolare nei sistemi di rimozione biologica avanzata del fosforo. Tuttavia, alte concentrazioni di ioni concorrenti (Ca²⁺, NH₄⁺, Na⁺) rendono difficile la precipitazione della K-struvite nell'acqua di digestione del fango. I calcoli termodinamici mostrano che mentre la struvite e l'idrossiapatite possono formarsi a livelli di pH più elevati, la K-struvite non precipita nei digestori a causa della predominanza della cristallizzazione della struvite.

Il fango digerito mostra una maggiore fluidità e una ridotta elasticità in condizioni stazionarie, attribuita a forze colloidali più deboli o a strutture meno rigide. Composte da acqua, materia organica, cellule microbiche e sostanze polimeriche extracellulari (EPS), le proprietà dei flocculi di fango, tra cui il trasferimento di massa, le caratteristiche superficiali e la stabilità, sono fortemente influenzate dalla composizione dell'EPS.

Il pretrattamento con microonde/perossido di idrogeno (MW/H₂O₂) altera visibilmente il colore e la struttura del fango. Mentre il solo riscaldamento a microonde causa una minima interruzione dei flocculi, il trattamento MW/H₂O₂ rompe completamente le membrane cellulari, rilasciando i contenuti cellulari. Tuttavia, meno del 40% degli organici viene trasferito nel surnatante, suggerendo una parziale degradazione a temperature inferiori a 100°C.

La stabilizzazione con calce innalza il pH del fango a ≥12 per almeno due ore utilizzando Ca(OH)₂ o CaO, inattivando efficacemente batteri e virus (sebbene meno efficace contro i parassiti) e riducendo gli odori. Il trattamento termico prevede la pressurizzazione del fango a 260°C per 30 minuti, uccidendo i patogeni e migliorando la disidratabilità.

I parametri critici di monitoraggio includono:

• pH : Tipicamente neutro (7,0) nel fango grezzo, leggermente più alto nel fango digerito e più basso nel fango in fase acida.
• Alcalinità Totale (TA) : Espressa come mg-CaCO₃/L, cruciale per mantenere condizioni debolmente alcaline nella fermentazione metanica.
• Acidi Grassi Volatili (VFA) : Prodotti intermedi della digestione dove alte concentrazioni di propionato possono indicare instabilità del processo.

Il rapporto VFA/TA (FOS/TAC) funge da parametro operativo, sebbene non debba essere l'unica metrica di controllo.

Studi hanno valutato materiali di immobilizzazione come agar, alginato di calcio, poliacrilammide (PA) e alcool polivinilico (PVA), insieme a carbone attivo in polvere (PAC) e resina DEAE. Mentre la PA ha dimostrato una forte capacità di proliferazione microbica, la resina DEAE ha mostrato proprietà di sedimentazione superiori. La cavitazione ultrasonica migliora la disidratazione interrompendo la struttura del fango, in particolare se combinata con trattamenti chimici come polielettroliti o alcali.