(a cura di Simone Cavallaro, Responsabile sede Bologna – Referente tecnico Sludge)

La sfida attuale e la nuova Direttiva Europea

Gli impianti di trattamento delle acque reflue rappresentano un punto cruciale per la salvaguardia ambientale, ma hanno anche un impatto significativo in termini di consumi energetici. Fortunatamente, al loro interno si cela una risorsa preziosa spesso sottovalutata: i fanghi di depurazione. Questi fanghi contengono infatti una notevole quantità di sostanza organica biodegradabile che li rende la fonte più importante per il recupero energetico all’interno dell’impianto stesso.

Nonostante questo potenziale, la situazione attuale in Italia mostra ampi margini di miglioramento. Molti impianti, soprattutto di taglia medio-piccola (< 50.000 AE), trattano i fanghi mediante processi energivori di stabilizzazione aerobica che non consentono alcun recupero energetico. Anche negli impianti più grandi (> 100.000 AE), dove ci si aspetterebbe una maggiore efficienza, la digestione anaerobica è spesso assente, non attiva o non gestita in modo ottimale compromettendo la produzione di biogas. Le cause di queste inefficienze sono molteplici e complesse:

• carichi organici ridotti: nei depuratori di piccola taglia i quantitativi di fanghi trattati non giustificano l’implementazione di un processo di digestione anaerobica e, anche negli impianti che ne sono provvisti, la quantità di sostanza organica alimentata ai digestori è spesso minore di quella attesa;
• elevata diluizione dei reflui: le ridotte concentrazioni inquinanti nei reflui in ingresso al depuratore portano a disattivare la sedimentazione primaria in linea acque, riducendo la disponibilità di fanghi primari ricchi di potenziale energetico;
• criticità tecniche e gestionali: problematiche nell’avvio e nella gestione dei digestori;
• mancanza di formazione specifica: diffusa carenza di competenze nella gestione avanzata della linea fanghi;
• assenza di monitoraggio in tempo reale: le linee fanghi sono spesso sprovviste di adeguata strumentazione di controllo, limitando la comprensione del processo e la conseguente capacità di intervento tempestivo;
• costi elevati e complessità normativa: ostacolano ammodernamenti e miglioramenti.

In questo scenario, la nuova direttiva (UE) 2024/3019 sul trattamento delle acque reflue urbane introduce un obiettivo ambizioso e vincolante: entro il 2045, tutti gli impianti con carico ≥ 10.000 AE dovranno raggiungere la neutralità energetica, utilizzando al 100% energia da fonti rinnovabili generata al loro interno. Questo rende l’ottimizzazione del recupero energetico dai fanghi non più solo una scelta virtuosa, ma un imperativo normativo urgente.

 

La strada verso la neutralità energetica

Il conseguimento nel medio-lungo termine dell’obiettivo di energy neutrality richiesto dalla nuova direttiva è figlio di scelte strategiche di natura tecnica e gestionale volte a ottimizzare il bilancio energetico dell’impianto di depurazione:

• minimizzare i consumi energetici complessivi degli impianti, eseguendo audit energetici per identificare i comparti più energivori e intervenendo in maniera mirata per conseguire la massima efficienza in ogni fase del processo;
• favorire filiere di trattamento con sedimentazione primaria, per valorizzare il potenziale di biometanazione dei fanghi misti (primari + secondari);
• prevedere digestione anaerobica in linea fanghi, correttamente dimensionata, attrezzata e gestita al fine di garantire la massima produzione di biogas;
• applicare opportuni pretrattamenti alla digestione anaerobica al fine di incrementare la biodegradabilità anaerobica intrinseca dei fanghi trattati e ridurre le limitazioni alle cinetiche di processo;
• gestire il biogas prodotto in maniera ottimale per valorizzarne al massimo il contenuto energetico;
• valutare caso per caso l’implementazione di processi di trattamento del fango successivi alla disidratazione meccanica per migliorare i bilanci energetici complessivi e introdurre opportunità di recupero di materia riducendo i quantitativi di residui solidi da avviare a smaltimento;
• gestione territoriale ed integrata del trattamento e della valorizzazione dei fanghi di depurazione: se nei singoli depuratori di taglia ridotta l’implementazione di processi completi finalizzati al recupero energetico può risultare poco sostenibile, la situazione cambia se si prendono in considerazione soluzioni di centralizzazione in uno o più hub di trattamento.

 

Ottimizzazione della digestione anaerobica

La digestione anaerobica è un processo biologico ampiamente consolidato e ideale per rimuovere in modo efficiente sostanza organica biodegradabile da biomasse di scarto (come in fanghi di depurazione). La sua rilevanza ai fini della neutralità energetica risiede nel fatto che essa è alla base della principale fonte di autoproduzione energetica all’interno degli impianti di depurazione: il biogas prodotto, costituito perlopiù da metano (CH₄) e anidride carbonica (CO₂), può essere infatti valorizzato in sistemi di cogenerazione ottenendo la contestuale produzione di energia termica ed elettrica rinnovabile riutilizzabile all’interno dell’impianto.

Il processo necessita di condizioni ambientali adeguate e costanti in termini di temperatura, assenza di ossigeno, alcalinità, pH e nutrienti, oltre che di condizioni operative idonee in particolare termini di tempo di ritenzione idraulica (HRT) e di carico organico volumetrico (OLR). Nella progettazione di un comparto di digestione anaerobica, pertanto, va posta la massima attenzione ai seguenti aspetti determinati per l’efficienza complessiva del processo:

• Scelta del HRT ottimale in funzione della tipologia di fango alimentato

La scelta del HRT è un fattore cruciale per ottimizzare la produzione di biogas attesa e il corretto funzionamento del processo. Valori inferiori ai 15 – 20 d limitano in maniera significativa la produzione di biogas rispetto al potenziale. Valori troppo elevati (oltre i 30 d) conducono invece a inefficienze dovute allo scarso utilizzo del volume di digestione (incremento trascurabile della produzione di biogas all’aumentare del HRT) oltre che a possibili altre problematiche quali instabilità microbiologica, stratificazione e produzione di schiume. Inoltre, se l’impianto dispone di sedimentazione primaria possono essere alimentati fanghi “misti” costituiti da una miscela di fanghi primari e secondari. In tal caso il potenziale di produzione di biogas aumenta considerevolmente rispetto al caso di sola alimentazione di fanghi secondari.

 

• Incremento della concentrazione dei fanghi alimentati a digestione:

La concentrazione di SST nel flusso di fanghi alimentato ai reattori anaerobici è un parametro di fondamentale importanza che condiziona le volumetrie in gioco e l’OLR applicato. È prassi consolidata prevedere, a monte della digestione anaerobica, una sezione di ispessimento dinamico dei fanghi che porta il fango a tenori di sostanza secca di circa il 4%. Sebbene tale trattamento riduca in maniera significativa le portate idrauliche di fango alimentate a valle, spesso viene trascurata la possibilità di concentrare maggiormente il fango fino a valori pari a circa il 7% di sostanza secca. Tali concentrazioni, conseguibili con le tecnologie di ispessimento dinamico offerte dal mercato, determinano una riduzione di circa il 40% del volume di digestione anaerobica necessario per garantire un determinato HRT. Ciò equivale a incrementare l’OLR per lavorare in regime di “alto carico” (1,6 – 5,0 kgSSV/m³d) e massimizzare l’utilizzo del volume di processo disponibile.

Andamento della volumetria di digestione anaerobica a parità di HRT al variare della concentrazione del fango alimentato

 

• Scelta di un sistema di miscelazione funzionale ed efficace

Assicurare standard elevati di miscelazione è di cruciale importanza per il corretto funzionamento di un comparto di digestione anaerobica, tanto più in caso di alimentazione di fanghi caratterizzati da elevate concentrazioni di SST. L’obiettivo è infatti quello di garantire l’omogeneizzazione dei composti solubili nel digestore, la dispersione dei gas prodotti dalla fermentazione, il mantenimento in sospensione delle cellule batteriche presenti nel digestore e l’uniformità della distribuzione della temperatura nel digestore anaerobico. Esistono tre approcci principali per la movimentazione di fango e substrato all’interno del digestore: la miscelazione meccanica (agitatori meccanici installati all’interno del digestore), la miscelazione idraulica (ricircolo del fluido mediante pompaggio esterno e sistemi di ugelli interni al digestore) e la miscelazione pneumatica (immissione di biogas per movimentare la fase liquida nel digestore attraverso estrazione, compressione e reimmissione con lance o sistemi di insufflazione sequenziale dal fondo del reattore). Se correttamente dimensionati tutti questi sistemi, anche in combinazione tra loro, sono in grado di garantire un’adeguata miscelazione all’interno del digestore.

 

• Implementazione di pretrattamenti della digestione anaerobica

I fattori che limitano il completo recupero dell’energia chimica contenuta nei fanghi di depurazione possono essere associati alla biodegradabilità intrinseca del fango o alle cinetiche di processo. L’introduzione di pretrattamenti alla digestione anaerobica ha lo scopo di agire positivamente su questi fattori limitanti, andando a:

• incrementare il potenziale di biometanazione del fango, con maggiore produzione specifica di biogas “a regime” ovvero per HRT elevati (> 25 -30 d);
• velocizzare il processo di conversione della sostanza organica in biogas, con riduzione dell’HRT necessario per ottenere una determinata produzione specifica di biogas.

La combinazione di questi due effetti determina una maggiore efficienza di trattamento del fango con importanti benefici in termini di produzione attesa di biogas e/o di riduzione delle volumetrie di processo richieste.

Il mercato offre molteplici tipologie di pretrattamenti alla digestione anaerobica, di tipo fisico, termico, chimico e biologico. Una tecnologia semplice e talvolta sottovalutata è la triturazione, applicabile sia sui fanghi secondari per rompere la struttura dei fiocchi attivi aumentando il COD solubile e quindi la resa di produzione biogas, sia sui fanghi primari per ridurre gli elementi grossolani e omogeneizzare il flusso, proteggendo i sistemi a valle (ad esempio pompe e scambiatori). Ulteriore tipologia di pretrattamento molto efficace è l’idrolisi (ad esempio idrolisi termica, termo-chimica, a ultrasuoni, ecc), in grado di rompere le membrane cellulari dei microrganismi migliorando la solubilizzazione della sostanza organica e l’efficienza del successivo processo di digestione con incremento della produzione di biogas fino al 40%. L’applicazione di quest’ultima è molto più efficace sui fanghi secondari rispetto ai fanghi primari, nei quali la sostanza organica è già presente in forma facilmente disponibile.

Schema di esempio di linea fanghi con pretrattamenti della digestione anaerobica

 

• Gestione ottimale del biogas prodotto

Una volta massimizzata la produzione di biogas, la sua gestione ottimale dal punto di vista energetico è cruciale per aumentare l’efficienza e ridurre i costi operativi in un impianto di depurazione. In linea generale la linea biogas di un impianto ha diversi scopi:

• Stoccaggio: la produzione di biogas è continua, ma il consumo di energia può variare. Un gasometro correttamente dimensionato può compensare la variabilità tra produzione e consumo, evitando lo sfioro del biogas (torcia) e garantendo la continuità operativa;
• Trattamento: rimozione H₂S e umidità per evitare fenomeni corrosivi nell’impianto e migliorare la resa energetica;
• Valorizzazione: impiego in impianti CHP (cogeneratori) e/o caldaie ad alta efficienza per la produzione di energia elettrica e/o termica. In alternativa è possibile effettuare ulteriori trattamenti di upgrading finalizzati alla produzione di biometano utilizzabile in loco o immettibile in rete.

Ai fini del recupero energetico all’interno dell’impianto di depurazione in cui il biogas viene prodotto, la soluzione più congeniale allo scopo risulta essere la cogenerazione (CHP), grazie alla quale è infatti possibile produrre sia energia elettrica (riutilizzabile in impianto per ridurre i prelievi da rete) e di energia termica (valorizzabile per usi interni come, ad esempio, la copertura dei fabbisogni termici della digestione anaerobico e di eventuali ulteriori trattamenti termici).

 

Bilanci energetici e implementazione di processi innovativi

L’adozione di soluzioni tecniche e gestionali volte alla minimizzazione dei consumi energetici di un impianto di depurazione e la massimizzazione della sua produzione di biogas da digestione anaerobica sono solo il primo passo verso l’energy neutrality. È dunque lecito chiedersi: quanto è possibile spingere i bilanci di energia (elettrica e termica) mediante l’implementazione di tecnologie e processi consolidati?

Prendendo come riferimento un depuratore di taglia medio-grande (100.000 AE) dotato di sedimentazione primaria (produzione di fanghi misti) e linea fanghi con idrolisi termica e digestione anaerobica, si stima che l’autoproduzione di energia elettrica derivante da cogenerazione del biogas prodotto sia in grado di coprire fino al 70% dei consumi elettrici complessivi del depuratore. Diversa è la situazione dal punto di vista del bilancio di energia termica: sempre a partire dalla valorizzazione del biogas in cogenerazione, si osserva infatti una sovraproduzione del 45% rispetto ai fabbisogni interni, nel caso di riferimento costituiti dal riscaldamento del fango per l’idrolisi termica e dalla compensazione delle dispersioni termiche in digestione.

Risulta quindi evidente come, a fronte di un gap da colmare dal punto di vista dell’energia elettrica, il surplus di energia termica costituisce un potenziale spreco se non opportunamente sfruttato all’interno dello stesso depuratore. È anche per questo motivo che sempre in più impianti si prevedono trattamenti dei fanghi successivi alla disidratazione meccanica, come ad esempio l’essiccamento termico. Lo scopo di tale sezione è quello di ridurre i quantitativi di fanghi prodotti dall’impianto mediante evaporazione di buona parte dell’acqua in essi contenuta, ottenendo in uscita fanghi con tenori di secco dell’ordine del 90%.

Schema di esempio di linea di trattamento fanghi comprensiva di essiccamento termico

Se da un lato l’introduzione di una fase di essiccamento conduce ad una considerevole riduzione dei quantitativi di residui solidi da avviare a smaltimento / recupero finale, la stessa introduce ulteriori consumi di energia termica ed elettrica che vanno a peggiorare i bilanci energetici complessivi dell’impianto. Sempre con riferimento al caso di esempio introdotto in precedenza, l’implementazione di un essiccamento termico a bassa temperatura conduce a un peggioramento dell’8% del bilancio di energia elettrica e una totale inversione del bilancio termico, determinando la necessità di ricorrere ad altre fonti energetiche per il 48% del fabbisogno termico complessivo.

Al fine di contenere i consumi di energia termica derivanti dal ricorso a fonti energetiche fossili (ad esempio metano da rete), è dunque necessario ricorrere ad ulteriori processi di trattamento termici e termochimici che, nel campo di applicazione specifico sui fanghi di depurazione, possono essere definiti “innovativi” ma che, ai fini della neutralità energetica richiesta dalla nuova direttiva, entreranno sempre più nella scena anche in virtù del loro potenziale dal punto di vista del recupero di materia e della chiusura completa del ciclo di trattamento dei fanghi di depurazione (EoW – End of Waste):

• Pirolisi: processo termochimico in assenza di ossigeno o in presenza di una quantità molto ridotta, che decompone la materia organica ad alte temperature (300-700°C). Produce syngas, valorizzabile per la produzione di energia termica, e biochar, residuo solido con molteplici potenziali utilizzi in ambito agricolo e industriale.
• Gassificazione: processo termochimico che avviene in presenza di una quantità controllata di ossigeno, a temperature più elevate (800–1000°C). Produce syngas, valorizzabile per la produzione di energia termica, e ceneri da avviare a smaltimento con possibile recupero di fosforo.
• Carbonizzazione idrotermica (HTC): processo termochimico in assenza di ossigeno o in presenza di una quantità molto ridotta, che decompone la materia organica a temperature più basse (180–250°C). Produce un liquido HTC ricco di sostanza organica rapidamente biodegradabile che, previo trattamento dell’azoto ammoniacale, può essere ricircolato in digestione anaerobica per aumentare la produzione di biogas e hydrochar, residuo solido ad alto tenore di sostanza secca avviabile a recupero energetico o a riutilizzo in ambito agricolo o industriale.
• Incenerimento fanghi: processo termico di combustione completa dei fanghi essiccati (mono-incenerimento), o utilizzo dei fanghi essiccati come combustibile secondario in forni industriali (es. cementifici) o termovalorizzatori (co-incenerimento). Produce fumi di combustione, da cui è possibile recuperare energia elettrica e/o termica, e ceneri, da avviare a smaltimento con possibile recupero di fosforo.

L’implementazione di tali processi determina un netto miglioramento del bilancio di energia termica dell’impianto, potenzialmente fino alla copertura del 100% dei consumi termici complessivi. Ciò a discapito di un leggero peggioramento del bilancio di energia elettrica complessivo. È in ogni caso opportuno sottolineare ancora una volta come la principale finalità di questi processi di trattamento resta quella di ridurre in maniera drastica i quantitativi di residui solidi in uscita introducendo interessanti possibilità di recupero di materia e di chiusura del ciclo di trattamento dei fanghi (EoW).

Per ottimizzare ulteriormente i bilanci e traguardare la neutralità energetica sia dal punto di vista termico che elettrico, è pertanto necessario studiare soluzioni di integrazione e sinergia con altre fonti di energia rinnovabile come fotovoltaico, idroelettrico o recupero di energia termica da refluo o effluente dell’impianto.

 

Conclusioni

La neutralità energetica degli impianti di depurazione è un obiettivo sfidante ma necessario, reso obbligatorio dai principi introdotti dalla nuova direttiva UE. Raggiungerlo richiede investimenti e una strategia chiara basata su passi concreti:

• Scelta strategica della filiera impiantistica, favorendo l’estrazione di fanghi misti dalla linea acque e la presenza di digestione anaerobica in linea fanghi;
• Massimizzazione della produzione di biogas, ottimizzando i parametri operativi della digestione anaerobica (HRT e OLR), adottando sistemi di miscelazione efficaci e implementando pretrattamenti alla digestione idonei allo scopo;
• Ottimizzazione del bilancio energetico complessivo tramite cogenerazione del biogas per produrre energia elettrica rinnovabile e implementando processi successivi alla disidratazione per valorizzare il surplus di energia termica e minimizzare i residui solidi in uscita, aprendo la strada al recupero di materia (EoW/economia circolare);
• Integrazione con altre fonti rinnovabili per ambire alla neutralità energetica complessiva;
• Perseguire la sostenibilità ambientale ed economica degli interventi mediante una gestione territoriale integrata dei fanghi di depurazione, basata su soluzioni di centralizzazione del trattamento in uno o più impianti.

Affrontare queste sfide con visione strategica e spirito di innovazione permetterà di trasformare gli impianti di depurazione da grandi consumatori di energia in protagonisti della produzione di energia pulita, contribuendo in modo decisivo alla sostenibilità ambientale ed economica dell’intero ciclo idrico integrato.