• carbonizzazione idrotermale
• hydrochar
• impianti di depurazione di acque reflue
• life cycle assessment
• life cycle costing
• smaltimento fanghi di depurazione

Nell’ambito del progetto SLUDGE 4.0 il seguente lavoro di tesi si concentra sul processo di depurazione di acque reflue urbane distinguendo due possibili alternative riguardo il trattamento dei fanghi di supero: l’applicazione diretta dei tradizionali trattamenti presenti nell’impianto San Colombano (FI) (ispessimento, stabilizzazione, condizionamento e disidratazione) oppure la carbonizzazione idrotermale (Hydro Thermal Carbonization o HTC) seguita poi dal trattamento della frazione liquida nella linea fanghi. Inoltre, un parametro importante è l’età del fango (tempo di stazionamento nei digestori): si propone un confronto in termini di impatto ambientale tra vari scenari con età del fango diverse, tramite le metodologie integrate Life Cycle Assessment e Life Cycle Costing.
I problemi ambientali relativi al trattamento delle acque reflue sono numerosi e la legislazione sta continuamente perfezionando i requisiti per il livello di rimozione di vari inquinanti: questo porta di conseguenza ad una maggiore produzione di fanghi. La gestione dei fanghi di depurazione prodotti dagli impianti di trattamento delle acque reflue è sempre stata una sfida, perché rappresentano il sottoprodotto principale di questi impianti. Le opzioni di gestione maggiormente diffuse sono l’applicazione al suolo e l'incenerimento. Nel caso studio analizzato i fanghi vengono destinati per l’80% alla produzione di gessi di defecazione (rientranti nella categoria dei correttivi calcici-magnesiaci), per il 10% al compostaggio e per il restante 10% all’incenerimento con recupero energetico.
La metodologia Life Cycle Assessment (LCA) è strutturata e internazionalmente standardizzata e viene utilizzata in questo studio per di individuare quantitativamente i carichi energetici e ambientali associati a tutti i processi coinvolti in un impianto di trattamento acque. Questa analisi ha evidenziato che i maggiori contribuenti agli impatti ambientali sono: il consumo di energia elettrica e lo smaltimento dei fanghi.
L’impianto di San Colombano è costituito attualmente da due sezioni, la linea acque e la sezione per il trattamento fanghi (con reattore anaerobico per la produzione di metano). Entrambe le sezioni sono state modellate tramite la piattaforma WEST e analizzate tramite modellazione DoE. Tra le due sezioni potrebbe essere implementata una sezione di carbonizzazione idrotermale (HTC) con l’obiettivo di minimizzare i costi di smaltimento e ottenere un prodotto di maggior valore aggiunto rispetto al fango essiccato tal quale: l’hydrochar. Implementando la sezione di carbonizzazione idrotermale, idealmente l’impianto potrebbe essere suddiviso in tre sezioni: linea acque, HTC e linea fanghi. In particolare, nei modelli analizzati il trattamento idrotermale avviene a 220°C, con un tempo di permanenza nel reattore di 4 ore e con un rapporto solido/liquido in ingresso pari a 1/15. I prodotti sono: hydrochar, acqua di processo (contenente zuccheri, acido acetico e altri acidi organici) ed una corrente gassosa (principalmente CO2). L’HTC migliora il potere calorifico superiore (HHV) e la disidratabilità della materia prima.
Gli scenari analizzati sono i seguenti:
1. Scenario depuratore San Colombano operante con fanghi di quaranta giorni di età:
“Scenario SC-40”
2. Scenario depuratore San Colombano operante con fanghi di quaranta giorni di età con integrato il processo di carbonizzazione idrotermale dei fanghi di supero:
“Scenario SC-40+HTC”
3. Scenario depuratore San Colombano operante con fanghi di venti giorni di età:
“Scenario SC-20”
4. Scenario depuratore San Colombano operante con fanghi di venti giorni di età integrato il processo di carbonizzazione idrotermale dei fanghi di supero:
“Scenario SC-20+HTC”
5. Scenario depuratore San Colombano operante con fanghi di dieci giorni di età:
“Scenario SC-10”
6. Scenario depuratore San Colombano operante con fanghi di dieci giorni di età con integrato il processo di carbonizzazione idrotermale dei fanghi di supero:
“Scenario SC-10+HTC”
I trattamenti contenuti negli scenari SC sono: linea acque (grigliatura fine e finissima, dissabbiatura e disoleatura, trattamenti biologici di tipo Modified Ludzak-Ettinger (MLE), sedimentazione secondaria), linea fanghi (ispessimento meccanico per centrifugazione, digestione anaerobica, pompaggio tramite fangodotto a Case Passerini, disidratazione meccanica per centrifugazione fanghi presso Case Passerini).
I trattamenti contenuti negli scenari SC+HTC sono: linea acque (grigliatura fine e finissima, dissabbiatura e disoleatura, trattamenti biologici di tipo Modified Ludzak-Ettinger (MLE), sedimentazione secondaria), trattamento idrotermale (ispessimento meccanico per centrifugazione, HTC, disidratazione meccanica tramite filtropressa, essiccamento), linea fanghi (ispessimento meccanico per centrifugazione, digestione anaerobica, pompaggio tramite fangodotto a Case Passerini, disidratazione meccanica per centrifugazione fanghi presso Case Passerini).
In termini di impatto ambientale risulta meno impattante operare con età del fango di quaranta giorni, soprattutto per il ridotto consumo energetico. Il confronto tra i due migliori scenari SC-40 e SC-40+HTC mostra un maggiore impatto ambientale del trattamento di depurazione contenente la carbonizzazione idrotermale soltanto nelle seguenti categorie d'impatto: ecotossicità marina, ecotossicità in acque dolci e tossicità umana non cancerogena, a causa dell’incenerimento dell’hydrochar prodotto. Dunque, sebbene i trattamenti tradizionali siano in generale meno inquinanti del trattamento idrotermale, il loro svantaggio deriva dagli impatti legati allo smaltimento di una quantità di fanghi molto superiore di quella ottenuta dal processo SC-40+HTC.
In termini economici, per ogni m3 di acqua trattata, con il processo SC-40+HTC si ha un risparmio di circa il 15%.