Ozono: realtà e prospettive

Le prospettive dell’impiego dell’ozono sono legate principalmente al suo utilizzo nei processi di ossidazione avanzata (AOP) e come inibitore della crescita dei fanghi biologici negli impianti di trattamento dei reflui con sistema a fanghi attivati.

Realtà: le applicazioni consolidate

Oggi l’ozono trova principalmente impiego nella preozonazione di acque a uso potabile, nella rimozione del colore, dei tensioattivi e del COD residuo di reflui industriale, nella disinfezione di acque per uso farmaceutico, elettronico e alimentare e nel riutilizzo industriale o agricolo delle acque depurate. I principali vantaggi che derivano dall’uso di questo gas sono dovute al suo forte potere ossidante; alla mancata produzione di fanghi o concentrati; alla capacità di degradare inquinanti; all’assenza di inquinamenti secondari; alla capacità di migliorare le caratteristiche generali delle acque, aumentandone la biodegradabilità; all’annullamento della salinità dell’acqua trattata; alla possibilità di ottenere anche un refluo disinfettato (nei trattamenti che hanno come obiettivo l’ossidazione di sostanze organiche); alla capacità di evitare fenomeni corrosivi e fermentativi grazie alla forte azione disinfettante e ossigenante; alla flessibilità di dosaggio e alla semplicità impiantistica, che minimizzano i costi di gestione e il controllo operativo.
Le prospettive future dell’impiego dell’ozono sono legate principalmente al suo utilizzo nei processi di ossidazione avanzata ( AOP) e come inibitore della crescita dei fanghi biologici negli impianti di trattamento dei reflui con sistema a fanghi attivati.

AOP, sistemi di ossidazione avanzata

Come processi di ossidazione avanzata si intendono quei processi che, per combinazione della luce ultravioletta con particolari ossidanti quali l’O3 e l’H2O2 in presenza o meno di catalizzatori, danno luogo alla generazione di radicali idrossilici. Il potenziale di ossidazione del radicale idrossilico, che è 2,8 V, è più elevato dei singoli potenziali dei diversi ossidanti che hanno partecipato alla sua formazione. Questo composto ossidante ha una vita estremamente breve ed è in grado di ossidare composti organici per estrazione idrogenionica.
HO.  +  RH    >>>    R.  +  H2O
dando così luogo a radicali organici che per reazione con l’ossigeno molecolare presente portano alla formazione di radicali perossidici.
R.  +  O2    >>>  RO.2
Questi intermedi di reazione iniziano una propagazione radicalica ossidativa organica che ha come prodotti di reazione finali anidride carbonica e sali inorganici.
HO.  +  RX >>>  RX.+  OH-
Gli AOP che utilizzano l’accoppiamento O3/UV e O3/H2O2 sono processi di ossidazione avanzata più frequentemente utilizzati per l’effettiva distruzione di sostanze tossiche e refrattarie, batteri e virus nell’acqua, la sbianca e la decolorazione nell’industria cartaria che ottengono. La loro efficienza di reazione è superiore a quella dei singoli processi costituenti, purché nella progettazione dei reattori si tenga conto del fatto che l’ozono è un gas scarsamente solubile e che è quindi estremamente importante il suo contatto con gli altri ossidanti. Questi processi si applicano alla rimozione di: fenoli, clorofenoli, acidi umici e fulvici, alogenocomposti, aldeidi e ossiacidi, composti aromatici ed eterociclici complessi, BTX, VOC, ecc. Questi ultimi mediante sistemi di ossidazione in fase catalitica a secco.

Distruzione dei fanghi biologici

Negli ultimi 20 anni, sono stati fatti numerosi progressi nell’ambito della depurazione delle acque reflue e, in particolare, nella gestione dei fanghi biologici. Tuttavia, attualmente i costi per il trattamento dei fanghi rappresentano ancora una voce economica particolarmente rilevante nell’ambito della gestione delle acque reflue, raggiungendo in taluni casi il 50%, e talvolta anche il 60%, dei costi totali di trattamento delle acque. Relativamente allo smaltimento finale dei fanghi, le soluzioni attualmente praticate (principalmente il confinamento in discarica controllata, ma anche incenerimento in impianti di termodistruzione per rifiuti o cementifici o ancora l’impiego in agricoltura) devono rispettare limiti restrittivi imposti dalla normativa vigente in materia, richiedendo costi elevati. Pertanto, la gestione dei fanghi di depurazione può essere considerata a ragione un problema tutt’altro che risolto. Un utile contributo alla risoluzione di tale problema è dato sicuramente dallo studio di tecnologie di trattamento alternative che risultino più efficienti e meno costose, ma al contempo anche dall’applicazione di quelle strategie che consentano la riduzione della produzione di fango e in particolare di quello biologico, alcune delle quali già utilizzate con successo in applicazioni impiantistiche reali. Tali strategie possono essere raggruppate in due classi principali: quelle che operano per disintegrazione e quelle finalizzate alla diminuzione del rendimento di crescita batterico. Nell’ambito della prima classe, diverse esperienze sono state effettuate, principalmente in scala pilota o di laboratorio, sull’impiego dell’ozono per la parziale ossidazione del fango biologico prelevato dalla corrente di ricircolo dal sedimentatore secondario o direttamente dalla vasca di ossidazione della linea acque o anche della linea fanghi. L’applicazione di tale tecnologia ha consentito di ridurre la produzione di fango biologico in percentuali significative (dal 30 al 70% in media), variabili in relazione alla condizioni operative dell’impianto ed al dosaggio di ozono. Al contempo, sono stati riscontrati apprezzabili miglioramenti nelle caratteristiche di sedimentabilità del fango, con particolare riferimento alla riduzione del problema del bulking filamentoso e delle schiume biologiche. L’effetto dell’ozono sulla biomassa è, in primo luogo, uno stress chimico a livello cellulare che porta alla lisi dei batteri più deboli o già parzialmente danneggiati a formare substrato organico per gli organismi più forti o di classe superiore. Inoltre, i batteri danneggiati hanno la necessità di rigenerare le proprie strutture cellulari funzionali (per esempio RNA e DNA); l’energia necessaria per tale ricostruzione è attinta dall'ossidazione delle materie organiche con conseguente diminuzione di quella disponibile per la duplicazione. Tale stress chimico si esplica più intensamente nei riguardi di alcune popolazioni batteriche a struttura maggiormente ramificata (filamentosi). Questo genera una conseguente riduzione dei fenomeni di bulking e un miglioramento della qualità dei fanghi residui. La selezione di colonie batteriche a struttura più compatta (fiocco), migliora lo SVI (Sludge Volume Index), quindi la sedimentabilità, e la disidratabilità dei fanghi residui prodotti. Una parte dei fanghi di supero o di ricircolo viene sottoposta ad un breve ma intenso trattamento ad ozono. L’alto potenziale ossidativo dell’ozono porta alla rottura del materiale cellulare, che viene quindi metabolizzato dalla biomassa più forte. L’attività depurativa biologica non viene intaccata nel suo complesso, da questo processo, poiché esso ha il preciso scopo di rimuovere la frazione più debole dei fanghi biologici e rendere quindi più efficiente la frazione realmente attiva nella rimozione degli inquinanti. Dato che il materiale cellulare proveniente dalla lisi dei batteri ossidati viene reso disponibile come substrato organico, bisogna comunque tenere in conto un leggero aumento del carico organico in ingresso alla fase biologica, normalmente compensato dalle migliori performance dell’impianto. L’uso dell’ozono permette quindi di: danneggiare le strutture cellulari degli organismi più forti in modo che l’energia derivata dal consumo dei nutrienti venga utilizzata per il ripristino della cellula e non per la riproduzione; provocare una lisi negli organismi più deboli; favorire la sopravvivenza dei “predatori” (protozoi - metazoi) che metabolizzino le   cellule lise o danneggiate. Pertanto, l’uso mirato della tecnologia a Ozono per la degradazione chimico-biologica del fango secondario comporta i seguenti benefici: riduzione delle quantità di fango da smaltire; migliore caratteristiche drenanti; riduzione dei costi dei chemicals; eliminazione dei batteri filamentosi; migliore sedimentabilità.