La depurazione dell'acqua è un insieme di tecnologie che servono a purificare l'acqua per riutilizzare o riciclare le acque reflue nell'ambiente naturale , o per trasformare le acque naturali in acqua potabile .
La fine del XIX ° segni secolo la nascita di reti di fognature e scarichi in Francia ( igienista corrente , ristrutturazione di Parigi del barone Haussmann . E 'lontano di depurazione provenienti da abitazioni e spazi di vita. Molto rapidamente il problema del futuro di questa acque reflue si pone . " Le crescenti quantità (già 2.000 m 3 al giorno nel 1875) di svuotamenti da stoccare o da spargere incontrano nelle periferie il rifiuto degli abitanti " . Con l'opera di Pasteur si sviluppano le conoscenze in microbiologia e il ruolo di microrganismi nella degradazione della materia organica.
“ Nel 1914, due inglesi, Edward Ardern e William Lockett, svilupparono il primo processo di depurazione intensiva, un sistema a bacini dove vengono aerati i fanghi derivanti dalla biodegradazione degli effluenti ”. L'ossigeno permette sia di attivare il lavoro dei batteri sia di favorirne la moltiplicazione. Nasce il principio dei fanghi attivi. I brevetti sono depositati e implementati negli Stati Uniti e in Gran Bretagna. In Francia, l'ascesa degli impianti di trattamento dei fanghi attivi nelle aree urbane è iniziata intorno al 1960 nelle città, poi nelle aree rurali. Per quanto riguarda i processi fisico-chimici, il loro utilizzo in Francia coincide con lo sviluppo delle stazioni di sport invernali all'inizio degli anni '60 . “ Processi di coagulazione mediante trattamento chimico sono stati utilizzati anche in alcune località balneari francesi e in Norvegia per proteggere i fiordi dall'eutrofizzazione dovuta in particolare agli scarichi di fosforo ” .
Il trattamento delle acque reflue oggi porta a prodotti finali ( fanghi di depurazione ) che non possono essere ridotti o eliminati modificando il processo alla fonte. Lo smaltimento dei fanghi nel terreno può permettersi di sfruttare il contenuto concimazione i problemi di smaltimento delle acque reflue e di matériau.Les fanghi sono stati esacerbati dal momento che il XIX ° secolo, deviando rifiuti industriali acquosa agli impianti di trattamento utilizzato per acque reflue domestiche , che, pur consentendo un trattamento efficiente dei suoi componenti degradabili, aumenta la contaminazione delle acque reflue con materiali persistenti e/o tossici.
Esistono tre principali tecniche di depurazione dell'acqua, applicabili sia al trattamento delle acque reflue che alla produzione di acqua potabile :
Tra il 1997 e il 2016 sono stati necessari molti progressi nella ricerca e nello sviluppo per far fronte alla crescente complessità dell'inquinamento, qualunque ne fosse la fonte. I nuovi fertilizzanti immessi sul mercato, così come la consapevolezza e l'identificazione di nuove fonti di inquinamento industriale o farmaceutico, come i residui di farmaci attivi rifiutati dagli individui, pongono nuove sfide tecnologiche alla depurazione.
I processi biologici sono utilizzati per il trattamento secondario delle acque reflue urbane e industriali. Nella loro configurazione base, sono principalmente utilizzati per l'eliminazione di composti carboniosi presenti in forma solubile come zuccheri , grassi , proteine , per i quali le soluzioni fisico-chimiche sono spesso inefficienti, costose o di difficile realizzazione. Questi sono dannosi per l'ambiente poiché la loro degradazione comporta il consumo di ossigeno disciolto nell'acqua necessario alla sopravvivenza degli animali acquatici. Lo scopo dei trattamenti biologici è eliminare l'inquinamento organico solubile mediante microrganismi, principalmente batteri . I microrganismi eterotrofi , che utilizzano la materia organica come fonte di carbonio ed energia, hanno una duplice azione:
Se necessario, la trasformazione degli ioni ammonio ( NH 4+ ) al nitrato ( NO 3- ) o la nitrificazione possono essere eseguite contemporaneamente.
Tali metodi possono anche consentire l'eliminazione di azoto e fosforo per via biologica attraverso l'attuazione di ulteriori passaggi nel processo di trattamento: introduzione di una vasca anossica , un bacino anaerobico .
I diversi processi utilizzati possono essere classificati in base alle condizioni di aerazione e di utilizzo dei microrganismi. Pertanto, ci sono diversi processi:
Il carico di inquinanti organici è comunemente misurato dalla domanda biochimica di ossigeno di cinque giorni (BOD5) o dalla domanda chimica di ossigeno (COD).
Trattamento aerobicoI settori biologici aerobici utilizzano i microrganismi presenti nell'ambiente naturale per degradare l' inquinamento . Si ispirano alle proprietà depurative dei terreni (filtri piantumati a canneto - fitodepurazione , filtri a sabbia) o dei fiumi ( lagunaggio , fanghi attivi). L' apporto di ossigeno può essere naturale (impianto eolico oa cascata) in piccoli impianti lagunari , oppure artificiale (turbina o diffusione di microbolle) in impianti di trattamento del tipo a “fanghi attivi”.
I batteri possono essere liberi ( fanghi attivi , lagunaggio ) o fissi ( letto batterico , filtri piantati, filtri a sabbia, biofiltro ) o anche biodischi.
Trattamento anaerobicoQuesta zona consente l'autoossidazione. Questo costringe i microrganismi ad attingere energia dalle loro riserve per la loro attività e riproduzione: questa è chiamata "respirazione endogena". Si ottiene così la trasformazione dei prodotti azotati (in azoto ammoniacale) e dei prodotti carboniosi.
Rimozione dell'azotoSe i reattori biologici consentono un tempo di contatto sufficiente tra effluenti e batteri, è possibile ottenere un secondo grado di trattamento: la nitrificazione . Questa è l'ossidazione dell'azoto ammoniacale a nitrito, quindi a nitrato da batteri nitrificanti. L'ammoniaca è tossica per la fauna ittica e genera un elevato consumo di ossigeno nell'ambiente ricevente. I batteri nitrificanti sono autotrofi (essi stessi fissano il carbonio necessario per la loro crescita in CO 2sciolto in acqua). Crescono quindi molto più lentamente degli eterotrofi . Un impianto di trattamento delle acque reflue municipali deve prima rimuovere i composti organici prima che possa nitrificare.
Una terza fase consiste nella denitrificazione dei nitrati risultanti dalla nitrificazione. Per questo esistono diverse tecniche: o la denitrificazione viene effettuata nella vasca di aerazione durante la fase di spegnimento delle turbine, oppure una parte dell'acqua caricata di nitrati al termine del trattamento biologico viene pompata e miscelata con l'acqua. acqua, a capo del trattamento. La denitrificazione avviene poi in un reattore anossico, in presenza di composti organici e nitrati. Il nitrato viene ridotto ad azoto molecolare (N 2) che fuoriesce nell'aria sotto forma di bolle, che vengono eliminate nel degasatore in caso di denitrificazione nella vasca di aerazione. I nitrati in eccesso sono inquinanti che sono all'origine dell'invasione delle alghe in alcuni mari, in particolare il Mare del Nord .
I settori fisico-chimici utilizzano mezzi fisici ( sedimentazione , flottazione , filtri e membrane ) e/o chimici, in particolare coagulanti ( cloruro ferrico , solfato di alluminio , ecc.) e flocculanti . Vengono utilizzati per alcuni scarichi industriali (tossici) o quando si devono gestire rapide variazioni dei flussi da trattare (caso di depuratori in località turistiche, oppure quando, con una rete unitaria, si vuole far fronte alle acque piovane in arrivo ).
Allo stato attuale della tecnologia , le membrane di microfiltrazione , ultrafiltrazione e nanofiltrazione sono principalmente utilizzate per la purificazione dell'acqua.
In installazioni complesse che devono elaborare più parametri, i due canali possono essere incontrati contemporaneamente.
Convenzionalmente, un impianto di trattamento a fanghi attivi urbani comprende le seguenti fasi:
Il trattamento secondario può comprendere fasi di anossia (o una parte separata in anossia) che consente la degradazione dei nitrati .
Questi passaggi sono suddivisi in tre menu che sono:
I canali di trattamento delle acque possono comprendere una fase finale, denominata “trattamento terziario”, che comprende uno o più dei seguenti processi:
Ma ogni passaggio genera sottoprodotti che devono anche essere eliminati: rifiuti grossolani, sabbia e soprattutto fanghi costituiti, tra l'altro, da batteri morti.
Parallelamente al circuito di trattamento delle acque, gli impianti di controllo dell'inquinamento comprendono anche una linea di trattamento dei fanghi.
Lo scopo del trattamento dei fanghi è quello di stabilizzare questi fanghi (renderli inerti) con un mezzo che può essere fisico-chimico con ad esempio la calce , o biologico facendo stare i fanghi nei digestori (reattore riscaldato e agitato per consentire una digestione anaerobica ).
Il trattamento comprende poi opere di decantazione (questo si chiama ispessimento), stoccaggio e disidratazione (pressa, filtropressa , centrifuga ), o anche essiccamento, passaggio a biogas , o addirittura incenerimento . I metalli in soluzione in acqua possono essere neutralizzati: variando il pH dell'acqua in determinati intervalli, questi inquinanti vengono decantati.
La digestione dei fanghi produce metano (CH 4), che, se prodotta in quantità sufficienti, viene utilizzata come energia: produzione di energia elettrica, caldaia o immissione in rete di gas naturale e acido solfidrico (H 2 S), che può causare soffocamento in un ambiente confinato.
Quando i fanghi di depurazione sono esenti da qualsiasi prodotto tossico, possono essere riciclati come fertilizzante in agricoltura con un adeguato condizionamento per facilitare la movimentazione e lo stoccaggio in loco (trattamento della calce ). Quando sono inquinate, è necessario metterle in discarica . Una soluzione elegante per le comunità locali è compostarle con residui verdi o effettuare una digestione anaerobica per produrre biogas . A seconda del paese, i percorsi di smaltimento possono variare. In Svizzera, ad esempio, è vietata la discarica di fanghi e il recupero agricolo è terminato il ended1 ° ottobre 2008(con proroga in alcuni casi di due anni) per i rischi per la salute e per il suolo e per il principio di precauzione. L'unico canale autorizzato è lo smaltimento termico (inceneritori di rifiuti domestici, cementifici).
Infine, un terzo circuito (optional) si occupa del trattamento dell'aria inquinata. Può anche essere biologico o chimico.
Distinzione stabilita dall'articolo L.2224-8 del codice generale degli enti locali, in materia di depurazione delle acque reflue domestiche.
Sanificazione collettiva Ciò che è pienamente sostenuto dalla comunità (il comune, o l'istituto pubblico di cooperazione intercomunale - EPCI - a cui ha delegato tale competenza): raccolta, trasporto, trattamento, scarico nell'ambiente naturale delle acque trattate e smaltimento sottoprodotti. Sanificazione non collettiva Chi non beneficia di questo supporto. Il comune ha tuttavia l'obbligo di esercitare il controllo (controllo della progettazione, esecuzione, buon funzionamento, buona manutenzione) e può, se lo desidera, farsi carico della manutenzione.Le tecniche di risanamento collettivo sono descritte sopra.
A rigor di termini, non esiste una tecnica di sanificazione non collettiva, trattandosi di un concetto normativo, e non tecnico .
Tuttavia, per la depurazione delle acque reflue di una singola abitazione (pochi abitanti), esistono tecniche specifiche, che verranno qualificate come sanificazioni individuali o autonome. Queste tecniche utilizzano esclusivamente canali organici.
Quattro elementi sono necessari per un impianto di sanificazione in loco:
Molti impianti di trattamento hanno fatto dei veri progressi nella qualità dell'acqua, ma generalmente non sono in grado di trattare adeguatamente nitrati e fosfati, o alcuni tipi di virus o batteri, e nessuno degli impianti convenzionali è in grado di degradare i numerosi microinquinanti (farmaci, cosmetici, detergenti , ecc.) presenti nelle acque reflue. Così, secondo Roberto Andreozzi, dell'Università degli Studi “ Napoli Federico II”, “l'attenzione sinora prestata da governi e scienziati all'impatto dei farmaci sull'ambiente può essere qualificata come bassa o trascurabile” e “negli effluenti analizzati, abbiamo notato la presenza di 26 agenti farmaceutici appartenenti a sei classi terapeutiche: antibiotici , beta-bloccanti , antisettici, antiepilettici , antinfiammatori e regolatori dei lipidi" . Le lagune terziarie o il trattamento terziario con un bosco ceduo di salice a rotazione breve sono stati effettivamente testati, ma si stanno sviluppando solo molto lentamente (meno dell'1% degli impianti di trattamento delle acque reflue in Francia). Possono essere utilizzati altri sistemi di trattamento terziario, come la disinfezione UV o l'ozonizzazione. Alcuni impianti di trattamento sono obsoleti, o travolti in determinati momenti o da flussi di acqua piovana in caso di alluvioni. Infine, dopo il trattamento delle acque, si pone il problema di cosa succede ai fanghi di depurazione (talvolta significativamente contaminati da inquinanti non degradabili, che, se questi fanghi sono mal gestiti, possono successivamente raggiungere acque superficiali o sotterranee. ). Migliore è la depurazione dell'acqua, maggiore è la tossicità dei fanghi se, a monte, non sono stati eliminati dai canali prodotti non biodegradabili che rischiano di inquinare l'acqua. Gli impianti di depurazione dei comuni che vivono di sport invernali o di località balneari devono fare i conti con improvvisi picchi di frequentazione.
Paradossalmente, alcune stazioni inquinano. Così, più di un anno dopo che la Thames Water (la compagnia idrica britannica) aveva insettembre 2007ha gravemente inquinato con cloro il fiume Wandle durante la pulizia di uno dei suoi impianti di depurazione, senza allertare immediatamente le autorità, la British Environment Agency ha annunciato che “Nel 2007 le società dell' acqua erano (nel Regno Unito) responsabili di un quinto di grave inquinamento causato da cattiva manutenzione, uso eccessivo o obsolescenza degli impianti di trattamento delle acque reflue' . A valle di Parigi , negli Yvelines , l' impianto di trattamento delle acque reflue Seine-Aval d' Achères tratta le acque reflue di sei milioni di abitanti dell'Ile -de-France . Nel 2007, questa stazione non ha rispettato una direttiva adottata nel 1991 sul trattamento delle acque reflue urbane. A seguito dei lavori “DERU”, la stazione di Achères - ora denominata Seine-aval - è conforme alle disposizioni della direttiva europea del 1991.
Sebbene vietati dalla legge (in particolare la legge costiera del 1986), esistono eccezionalmente pochi impianti di trattamento delle acque reflue in siti sensibili (sito classificato, sito Natura 2000 , zona costiera, ecc. ) come Anfitria situata a Cap Sicié o la località di Saint-Jean-de-Luz , Ciboure e Urrugne . Amphitria è comunque uno degli stabilimenti del bacino del Mediterraneo a conformarsi alle normative europee, così come le stazioni di Nizza (Haliotis), Montpellier, La Ciotat, ecc.
Nel 2013, sei anni dopo un 1 ° avvertimento ( luglio 2004 , a 140 centri in non conformità), la Corte di giustizia dell'Unione europea (CGUE) ha confermato il mancato raggiungimento degli obiettivi, il mancato rispetto da parte della Francia della sua obblighi relativi alla direttiva 91/271/CEE trattamento delle acque reflue urbane denominata "Deru" per l'agglomerato di Basse-Terre e per gli agglomerati di Ajaccio-Sanguinaires, Bastia-Nord, Cayenne-Leblond e St Denis.
Una migliore e più rapida conoscenza della fisicochimica dei fanghi, del loro BmP e delle sue variazioni qualitative stagionali o accidentali è necessaria per un sicuro recupero dei fanghi (metanizzazione, spargimento di digestati).
In 2014 , un cosiddetto programma di ricerca Mocopée ( "Modeling, controllo e ottimizzazione dei processi Purificazione dell'acqua" ) è stato lanciato con SIAAP (produttore di 230.000 tonnellate di DM fanghi all'anno ), IRSTEA e ' University of Technology di Compiègne , riunendo quasi 15 team scientifici e industriali per caratterizzare meglio i fanghi urbani. Ci auguriamo, ad esempio, di poter valutare l'attività biologica di un fango mediante misura diretta della fluorescenza (collaborazione ENVOLURE-Siaap)
Il trattamento convenzionale negli impianti di trattamento delle acque reflue non distrugge la maggior parte dei microinquinanti (residui di pesticidi, detergenti, farmaci, ormoni, ecc.) presenti nelle acque reflue. Tuttavia, queste molecole, anche a dosi molto basse, sono tossiche per la vita acquatica. Sono necessari trattamenti aggiuntivi per eliminarli e soddisfare i requisiti sempre più stringenti della Direttiva Quadro Europea sulle Acque . Nell'ambito del progetto Micropolis-Processes, dal 2014 al 2016 è stata effettuata una valutazione iniziale del trattamento dei microinquinanti mediante ozonizzazione in condizioni operative reali di un impianto di trattamento delle acque reflue. Lo studio effettuato nello stabilimento di Sophia -Antipolis ha confermato degradazione di tutte le molecole (76 microinquinanti organici e metallici) mediante applicazione di dosi variabili di ozono secondo le classi di microinquinanti. Secondo gli scienziati di Irstea, pilota del progetto, “ il consumo elettrico del trattamento di ozonizzazione ha rappresentato fino al 25% del consumo elettrico complessivo della stazione. È principalmente dovuto al funzionamento del sistema di produzione dell'aria, del generatore di ozono e del distruttore termico, i cui consumi potrebbero essere ridotti ”. Liberare l'acqua dai suoi ultimi inquinanti comporta una spesa aggiuntiva da 10 a 18 centesimi di euro (tasse escluse) per m 3 di acqua trattata, cioè circa dieci euro annue tasse incluse (stima del consumo annuo di circa 50 m 3 per abitante ) .
Uno studio ha modellato il consumo energetico dei 5 principali settori di trattamento delle acque più utilizzati in Francia, sulla base di parametri di consumo energetico stabiliti per settore e per ogni fase di trattamento: per stazione (trattamento delle acque, fanghi di trattamento, ecc.) e per sottostazione (aerazione dei bacini, digestione dei fanghi, ecc.). Osservazione: in Francia si consuma così più energia che in altri paesi comparabili; ciò sarebbe dovuto a un successivo sforzo di risparmio energetico in Francia in quest'area e a un dimensionamento delle stazioni basato sulla settimana che porta più acque reflue nell'anno (senza bacino tampone) che rende il dispendio energetico non ottimale il resto del tempo. Il processo a “ fanghi attivi ” (preferito in Francia; 80% degli impianti di trattamento delle acque reflue con più di 2.000 Habt eq.) è il meno energivoro ma non purifica completamente l'acqua. I bioreattori a membrana (in forte sviluppo) producono acqua più pulita ma consumano molta energia (e potrebbero essere ottimizzati).
Irstea ha sviluppato un software pluripremiato (noto come ACV4E ) che viene utilizzato per valutare l'impatto ambientale delle reti igienico-sanitarie e/o degli impianti di trattamento delle acque reflue municipali. Fornisce inoltre informazioni sulle aree di miglioramento, in particolare per quanto riguarda l'utilizzo di strumenti di monitoraggio e allerta, sistemi di regolazione e ottimizzazione della ventilazione (prima fonte di consumo energetico). Irstea ha pubblicato raccomandazioni per costruttori, comunità e operatori, che possono consentire un risparmio energetico dal 5 al 20% a seconda delle stazioni.
La transizione energetica tenderebbe a rendere gli impianti di trattamento delle acque reflue più autonomi dal punto di vista energetico, anche energetico positivo, e anche meno emissivi di gas serra (cfr. N2O e CH4 ) recuperando meglio i rifiuti di stazione (fanghi di depurazione in particolare, con la produzione di biogas che può alimentare la stazione stessa). Ma nonostante i miglioramenti, siamo lontani: il trattamento delle acque reflue consuma ancora energia e contribuisce all'effetto serra.
Il protossido di azoto (o N 2 O) è un gas serra di impatto 300 volte maggiore della CO 2 ; le sue emissioni dai sistemi di depurazione sono fortemente sottostimate. Una valutazione dell'IPCC ha fornito il 3,5% delle emissioni antropogeniche di N 2 O intorno al 2010, ma fortemente distorta perché basata su un fattore di emissione calcolato su un impianto di trattamento delle acque reflue americano destinato a trattare principalmente il carbonio e non l'azoto. Tuttavia, in Francia, “gli impianti di trattamento delle acque reflue trattano sia il carbonio che l'azoto”, “Inoltre, anche basse emissioni di N 2 O possono avere un impatto considerevole sull'impatto climatico e sull'impronta di carbonio degli impianti. , fino all'80% secondo i nostri risultati”.
Una modellizzazione secondo il fattore di emissione IPCC dà 0,035% N per un impianto di trattamento delle acque reflue parigino mentre la cifra reale è 2,5-5% N, ovvero le emissioni di GHG equivalenti al 5% dell'emissione. di CO 2di trasporto, 4 miliardi di km percorsi in auto/anno, Viaggi annui di 400.000 abitanti o 1,5 milioni AR aereo Tolosa-Parigi/abitante.
Dal 2012, Irstea e ONEMA (ora AFB ), in particolare tramite i progetti Mocopee e N2O TRACK (2015-2018), hanno cercato di quantificare meglio l'N 2 Oemesse rispettivamente dai fanghi attivi, dai filtri a lamelle, dai biofiltri, dimostrando che determinati parametri di gestione e funzionamento delle stazioni favoriscono tali emissioni, che variano anche molto a seconda del processo utilizzato (dallo 0 al 5% del carico di azoto in ingresso) e - per lo stesso processo - a seconda del periodo dell'anno. Ciò mostra che gli approcci e i modelli basati su fattori di emissione fissi di N 2 O sono irrilevanti.
Secondo il principio "chi inquina paga", gli impianti di trattamento delle acque reflue sono spesso finanziati dalle tasse, tramite le agenzie idriche dei paesi in cui esistono. Nei paesi in via di sviluppo, a volte esistono programmi di incentivazione speciali, come PRODES in Brasile, dal 2001.
In termini di lungimiranza , e in una dinamica rifkiniana e nel quadro della “Città sostenibile e intelligente” (anche domotica ), sta emergendo un trend che, come la Smart Grid che rende “intelligenti” le reti energetiche, offre soluzioni tecniche per rendere più “intelligenti” ed efficienti le reti di distribuzione dell'acqua (si parla di Smart Water). Un ambito comune tra questi due approcci potrebbe essere il recupero di calorie dalle acque reflue in fognatura oa monte, oppure l'utilizzo della rete idrica per il trasporto del freddo. Il progetto europeo Powerstep, lanciato nel luglio 2015 sotto gli auspici europei, coordina gli studi volti a far produrre elettricità agli impianti di trattamento delle acque reflue .
Un altro punto importante che condiziona il futuro degli impianti di trattamento delle acque reflue riguarda il riutilizzo delle acque reflue trattate (REUT) per l'irrigazione agricola che rende possibile fornire sia acqua che nutrienti alle colture. A livello mondiale, il riutilizzo controllato delle acque reflue riguarda circa il 5% delle acque reflue trattate (Israele, Stati Uniti, Australia, Spagna, Tunisia, Paesi del Golfo, ecc.). In Francia, il REUT è molto vincolato dalla normativa che, tenendo conto dei rischi di dispersione o deposito di germi patogeni sulle colture, applica il principio di precauzione. I casi applicativi sono quindi limitati a pochi progetti (Clermont-Ferrand, Île de Noirmoutier, Golf de Royan, ecc.). Dal 2017, il governo francese ha una forte ambizione per il REUT, soprattutto nelle regioni con deficit idrico ricorrente. È in questo contesto che l'agenzia per l'acqua Rhône Méditerranée Corse ha lanciato i bandi di progetto. I progetti in corso nel 2018 mirano a sviluppare conoscenze che consentano le migliori pratiche di riuso, e oltre a proporre raccomandazioni per la modifica della normativa.