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La frazione organica dei rifiuti urbani, costituita da scarti biodegradabili di cucine, congiuntamente ai rifiuti biodegradabili di giardini e parchi, rappresenta circa il 35% della produzione. Questi scarti, congiuntamente con i fanghi prodotti a seguito della depurazione delle acque reflue, sono considerati substrati ideali per i trattamenti biologici come la digestione anaerobica, in quanto ricchi di sostanza organica e di acqua. Lo sfruttamento energetico della frazione organica per produrre biogas tramite digestione anaerobica è considerato tra le opzioni più virtuose dal punto di vista ambientale, in particolare in ambito di economica circolare. Tuttavia la produttività netta (al netto cioè degli autoconsumi) in termini di biogas dai processi di digestione anaerobica di biomasse e fanghi è molto variabile e, nei casi reali, spesso inferiore alla resa teorica. L'IRSA studia e sperimenta da anni trattamenti avanzati di digestione anaerobica tramite tecnologie innovative per massimizzare la conversione in metano da biomasse (scarti di cucine, fanghi, scarti agro-industriali). Sono stati sperimentati sia pretrattamenti ad ultrasuoni, in particolare per i fanghi di depurazione, che pretrattamenti termici per scarti alimentari e/o agroindustriali, al fine di aumentare la disponibilità di zuccheri facilmente degradabili, cosi come condizioni operative più "intensive", come il regime termofilo, ed un doppio stadio innovativo mesofilo-termofilo per migliorare le caratteristiche del digestato finale. Grazie alla modellizzazione con ADM1 (Anaerobic Digestion Model n.1 dell'IWA) è possibile inoltre conoscere approfonditamente i parametri che regolano i processi biochimici dei trattamenti anaerobici, prevedendo lo stato di avanzamento delle reazioni di idrolisi e metanogenesi delle biomasse in ingresso. L'utilizzo del modello, abbinato all'attività sperimentale, permette quindi di arrivare al dimensionamento degli impianti di digestione e alle relative considerazioni economiche.

In Italia si producono ogni anno circa 5 milioni di tonnellate di fanghi di depurazione urbani che vanno destinati a recupero o smaltimento. Risulta quindi necessario e urgente mettere a punto processi e metodologie innovative che consentano sia di minimizzare la produzione, sia di favorire una gestione corretta e sostenibile che privilegi l'utilizzo in agricoltura.

Sono descritti i processi innovativi di trattamento termico, a bassa, media e alta temperatura, e le prospettive della ricerca di settore con riferimento al progetto Routes finanziato recentemente sul VII PQ, coordinato dall'Istituto di Ricerca sulle Acque del Cnr.

Nel presente lavoro sono presentati alcuni risultati relativi alle ricerche condotte dall'Istituto di Ricerca Sulle Acque (IRSA) del CNR sulla digestione di fanghi biologici sottoposti preventivamente ad un trattamento di disintegrazione meccanica o chimica con l'obiettivo di incrementare le prestazioni della digestione e di ridurre la produzione dei fanghi. Un secondo approccio riguarda la stabilizzazione dei fanghi in due stadi, di cui il primo anaerobico ed il secondo aerobico. Anche questa soluzione può consentire di ridurre in modo significativo la produzione di fanghi secondari e migliorarne le caratteristiche di disidratabilità. Sono infine riportate alcune informazioni sui processi di biolisi messi a punto dalla Soc. Degremont e sul processo Cannibal messo a punto dalla Soc. U.S. Filter

Sono riportati i risultati di quattro test di digestione anaerobica di fanghi secondari condotti variando il carico organico. Ogni test è consistito in due prove in parallelo, alimentando a due digestori da laboratorio fango secondario tal quale o previo trattamento di sonicazione. Il trattamento di sonicazione è risultato incrementare le prestazioni in modo più marcato per i test condotti a medio e basso carico (< 1,5 g SV L-1 d-1). L'incremento massimo di produzione specifica di biogas si è avuto per il test #1 (+ 28 %) mentre l'incremento massimo di abbattimento di SV si è avuto per il test #3 (+ 23 %). Il trattamento di sonicazione non è apparso conveniente per il test #4 condotto ad elevato carico organico (3 g SV L-1 d-1) alimentando al reattore fango ispessito per centrifugazione al 5 % di solidi totali (ST) e con tempo di residenza di 10 d.

Sono illustrate le principali attività di ricerca condotte dall'Irsa nel settore dei trattamenti delle acque di scarico con diretta attinenza alla riduzione dell'impatto sul clima. Tali attività di ricerca sono state indirizzate alla messa a punto di processi e schemi di trattamento per minimizzare i consumi energetici di un impianto di depurazione e contemporaneamente per incrementare il recupero energetico dal biogas prodotto nella digestione anaerobica dei fanghi. Per quanto riguarda la linea "acque" è stato messo a punto un processo di sedimentazione primaria assistita con calce che consente di incrementare l'abbattimento di COD, consentendo la riduzione dei consumi energetici nella fase di ossidazione biologica di circa il 25% e contemporaneamente l'incremento della produzione di energia nella digestione dei fanghi di oltre il 200%. Per quanto riguarda la linea fanghi sono stati studiati i processi d'incenerimento al fine di verificarne la compatibilità ambientale. I risultati hanno dimostrato che il processo d'incenerimento dei fanghi presenta un impatto del tutto trascurabile, e che il processo può facilmente essere condotto senza richiesta di combustibile ausiliario cosicché le emissioni di gas ad effetto serra sono nulle. Infine, è stato studiato un nuovo processo di digestione anaerobica dei fanghi biologici con il quale è stato ottenuto un incremento della produzione di biogas di circa il 35%.

Nel presente lavoro è presentato un processo integrato d'essiccamento ed incenerimento di fanghi urbani. Per l'essiccamento è utilizzato vapore saturo a pressione media (1,22 MPa e 188 °C) prodotto da una caldaia posta a valle del forno di incenerimento. Lo studio ha dimostrato che le dimensioni delle unità operatrici (essiccatore, forno a letto fluido, caldaia ed unità di trattamento dei fumi) si riducono significativamente recuperando il calore dei fumi in quantità tale da produrre il vapore necessario per essiccare i fanghi fino alla concentrazione minima che consente la combustione autogena. Quando il calore recuperato in caldaia non è sufficiente ad essiccare i fanghi fino alla combustione autogena è necessario utilizzare combustibile ausiliario nel forno a letto fluido: in questo caso la concentrazione di fango alimentato al forno si riduce.

Sono presentati i bilanci di un impianto di depurazione avente la potenzialità di 100.000 abitanti equivalenti con riferimento a quattro schemi tipici da adottare per la rimozione del solo carbonio organico (casi I e II) e per la rimozione di carbonio organico ed azoto (casi III e IV). I casi I e IV prevedono uno schema con sedimentazione primaria convenzionale e trattamento biologico (nel caso IV un sistema integrato con denitrificazione e nitrificazione in sequenza). Nel caso II la sedimentazione primaria è sostituita con sedimentazione primaria assistita con calce e nel caso III la sedimentazione primaria è stata soppressa ed il trattamento biologico condotto analogamente al caso IV. Il dimensionamento ed i bilanci delle diverse unità operatrici sono stati effettuati facendo riferimento a dati di letteratura consolidati e, per quanto riguarda il trattamento biologico, è stato utilizzato il modello ASCAM (Activated Sludge Computer Aided Modelling). L'analisi dei dati relativamente ai bilanci di materia dei componenti nonché a quelli energetici ha evidenziato che è conveniente massimizzare l'abbattimento di COD nella sedimentazione primaria, eventualmente ricorrendo all'aggiunta di calce, quando la concentrazione di COD nell'effluente non sia limitante ai fini della denitrificazione. Quest'impostazione consente di migliorare la resa energetica (differenza fra energia derivante dalla conversione del biogas prodotto nella digestione anaerobica dei fanghi, al netto del biogas utilizzato per il riscaldamento del digestore, e quella richiesta per l'ossidazione biologica), di ridurre i volumi totali delle apparecchiature della linea liquami e di quella fanghi, e di ridurre la produzione volumetrica di fanghi a valle della digestione. La produzione di sostanza secca nei fanghi digeriti aumenta del 48,9 % nel caso II rispetto al I (sedimentazione primaria assistita invece di quella convenzionale) e del 17,6 % nel caso IV (sedimentazione primaria convenzionale) rispetto al III (assenza del trattamento primario).

In questo lavoro sono illustrati gli aspetti principali riguardanti la gestione dei fanghi di depurazione, la cui produzione può essere stimata attualmente in circa 1,1 milioni di tonnellate di sostanza secca l'anno. Tale produzione è destinata ad aumentare per effetto dell'attuazione del D. lgs. 152/99 e successive modificazioni, che ha recepito la Direttiva 91/271. La riduzione attesa dello smaltimento dei fanghi in discarica, che copre oggi circa il 70 % della domanda di smaltimento, e la prossima emanazione di norme europee più restrittive sull'utilizzazione su suolo agricolo richiedono che la gestione dei fanghi sia affrontata con una seria programmazione di ambito territoriale. Molti impianti dovranno essere adeguati affinché il trattamento dei fanghi consenta di giungere alle caratteristiche idonee all'esito finale. I criteri generali, da seguire nell'adeguamento, sono: -massimizzare l'utilizzazione agricola, anche mediante la separazione del trattamento dei fanghi primari e di quelli secondari; - provvedere al recupero energetico ottimizzando le prestazioni della digestione anaerobica; -programmare la realizzazione d'alcuni impianti d'incenerimento dedicati per lo smaltimento di fanghi non conformi, e in ogni caso non adatti all'utilizzazione agricola, con l'obiettivo di rendere questi impianti autosufficienti dal punto di vista energetico, intrinsecamente sicuri per quanto concerne le emissioni di diossine e furani ed il più possibile compatti con costi d'impianto e di esercizio sostenibili.