Il successo della rimozione del carico organico inquinante (riduzione del BOD) in un processo a fanghi attivi dipende dallo studio e dal controllo di alcuni elementi fondamentali, prima di tutto dalle caratteristiche delle acque reflue da depurare.
In un depuratore ad ossidazione totale, l’aerazione viene utilizzata per attivare il processo dei fanghi attivi ed è forse la metodologia utilizzata più frequentemente per abbattere la domanda biochimica di ossigeno (BOD – biochemical oxygen demand) dalle acque reflue. Il successo nella riduzione del BOD in un processo a fanghi attivi dipende dalla analisi e dal controllo di alcuni elementi fondamentali, come le fonti e i volumi delle acque reflue, le caratteristiche delle acque e l’applicazione di trattamenti preliminari se necessari (es. rimozione di grassi o schiume, con impianti degrassatori o separatori di schiume). Dopo aver eseguito questi trattamenti, le acque reflue provenienti dai trattamenti primari che entrano in un depuratore biologico a fanghi attivi, raggiungono la riduzione del BOD in secondo i parametri che andremo ad analizzate di seguito.

Il processo a fanghi attivi è un’operazione di trattamento biologico delle acque reflue. Ciò significa che il trattamento avviene grazie all’azione di diversi microrganismi che utilizzando gli inquinanti organici presenti nelle acque come fonte di cibo. All’interno della massa delle acque di scarico avviene un processo di crescita in sospensione, poiché gli organismi tendono ad aggregarsi in masse sospese fluttuanti (fiocchi sospesi).
Come dicevamo, si tratta di un processo biologico, è utile quindi comprendere alcuni elementi di base della biologia.

Alcuni termini e definizioni sui microorganismi coinvolti nei processi che è utile conoscere sono:

• Anaerobi: non necessitano di ossigeno disciolto (OD)
• Aerobi: necessitano di OD
• Anaerobi facoltativi: possono vivere con o senza OD
• Eterotrofi: consumano sostanze organiche nelle acque reflue
• Autotrofi: in grado di utilizzare composti inorganici come fonte di cibo

Il processo a fanghi attivi si basa sulla raccolta di una popolazione di milioni di microrganismi con caratteristiche diverse – per lo più batteri aerobi, facoltativi ed eterotrofi sospesi nelle acque reflue – mentre le acque reflue passano attraverso un reattore noto come vasca di aerazione. Questa sospensione, di acque chiarificate miste a solidi sospesi, viene alimentata e mantenuta miscelata mediante mediante l’insuflaggio di bolle d’aria che attraversano l’intera vasca di aerazione.

Gli organismi coinvolti in questo processo sono presenti in natura e non è necessario fornirli esternamente. Man mano che gli organismi si nutrono degli inquinanti organici presenti nelle acque reflue, gli inquinanti vengono convertiti negli stessi organismi che si moltiplicano e vanno a formate una biomassa.

La quantità di biomassa prodotta è di circa 0,65 kg per ogni kg di BOD rimosso in questo processo di trattamento secondario. Sebbene ogni singolo batterio non sia visibile, i batteri si aggregano l’uno all’altro per formare una massa biologica filamentosa di colore marrone che può essere facilmente visibile.

L’interno di una cellula dei microorganismi tipici coinvolti nel processo contiene le caratteristiche riproduttive e meccanismi che consentono di accumulare le sostanze nutritive, raccolte all’interno di una membrana cellulare ricoperta da uno strato melmoso che viene utilizzato per intrappolare le particelle.

Le cellule batteriche sospese nelle acque reflue contengono inquinanti organici sia in forma solubile che di particolato. Gli inquinanti organici solubili passano attraverso la membrana cellulare, per assorbimento, e vengono utilizzati come fonte di cibo diretta. Le particelle organiche che non possono passare attraverso la membrana cellulare invece aderiscono allo strato melmoso, con un processo denominato di adsorbimento.

L’organismo inizia a creare enzimi che vengono rilasciati attraverso la membrana per trasformare il particolato in composti solubili, consentendo al materiale convertito di passare attraverso la membrana dove viene anch’esso anche come alimento. In questo modo, i microorganismi sono in grado di rimuovere sia le sostanze organiche solubili che il particolato presente nell’effluente.

Per consentire ai microorganismi di metabolizzare le sostanze organiche, deve essere fornito ossigeno, in questo modo il carico organico viene digerito e i microorganismi si moltiplicano e crescono come massa. I sottoprodotti di questo metabolismo sono principalmente ammoniaca, anidride carbonica e acqua.

Il trattamento biologico delle acque reflue può essere riassunto in tre fasi.

In primo luogo, le acque reflue devono essere trasferite all’interno della camera di aerazione dove si trovano i microorganismi e deve essere miscelato con l’aria e trattenuto al suo interno per un tempo sufficiente a garantire che i microorganismi entrino in contatto con la fonte di nutrienti.

La conversione avviene quando gli organismi metabolizzano le sostanze nutritive convertendole in altri batteri. Perché ciò avvenga, l’approvvigionamento dei nutrienti organici deve essere di tipo utilizzabile e in una forma utilizzabile. Alcuni composti vengono facilmente degradati dai batteri, mentre altri vengono metabolizzati più lentamente. Alcuni inquinanti potrebbero non essere metabolizzati fino a quando gli organismi non si sono adattati agli inquinanti producendo gli enzimi appropriati. Nell’ambiente deve essere presente un contenuto di Ossigeno Disciolto adeguato. Gli organismi aerobi non sono in grado di rimuovere in maniera efficacemente gli inquinanti in un ambiente anaerobico. Anche i nutrienti devono essere adeguatamente bilanciati affinché avvenga la conversione.
Come altre forme di vita, l’organismo ha bisogno di azoto e fosforo, e altri nutrienti minori, per metabolizzare i nutrienti e far crescere nuove cellule.

La proporzione tra carbonio, azoto e fosforo è generalmente considerata efficiente quando è in un rapporto di 100: 5: 1

Durante questa fase, i microrganismi si uniscono per formare particelle più grandi che tendono a precipitare dalle acque reflue trattate nella vasca di chiarificazione secondaria. La flocculazione si verifica quando la miscelazione consente agli organismi di entrare in contatto tra loro ma non causa condizioni così turbolente da separare il materiale flocculato. La sedimentazione e la compattazione delle particelle flocculate dipendono dalla loro densità, dimensione e conformazione, nonché dall’efficienza del chiarificatore.

La sedimentazione è influenzata dall’abbondanza di batteri filamentosi, quelli che tendono a formare stringhe allungate anziché unirsi in forma di fiocchi. Un tasso di crescita eccessivo di questi batteri può causare la crescita di una massa voluminosa in cui il liquame fatica a compattarsi, provocando una persistenza maggiore delle sostanze all’interno del chiarificatore. Questa circostanza può essere causata da molti fattori, tra cui un livello inadeguato di Ossigeno Disciolto o uno squilibrio delle altre condizioni ambientali e dei nutrienti secondari, e può provocare la perdita di solidi nell’effluente chiarificato.
Dopo un adeguato tempo di ritenzione, il liquame miscelato fluisce dalla vasca di aerazione alla vasca di chiarificazione secondaria dove la massa di fanghi attivi tende a precipitare per gravità e l’effluente prosegue verso lo smaltimento o eventuali successivi trattamenti.

La biomassa di fanghi attivi depositata nella vasca di chiarificazione viene reimmessa nella vasca di aerazione in modo da fornire con continuità microorganismi in grado di rimuovere gli inquinanti. Questa biomassa viene denominata: “fanghi attivi di ritorno”.

Poiché si tratta di un processo vivo e di maturazione, la biomassa dei fanghi attivi raggiungerà uno stadio in cui il volume comincia ad essere eccessivo e si rende necessaria la rimozione periodica di una parte di essa, questa parte di fanghi rimossa viene chiamata “fanghi attivi di scarto”.