L’areazione nel trattamento delle acque sotterranee

L’aerazione è un’unità di processo diffusa nell’ingegneria sanitaria-ambientale per diverse applicazioni, tra cui il trattamento delle acque sotterranee, la depurazione delle acque (di approvvigionamento e reflue) e il compostaggio dei rifiuti organici.
Nel caso specifico del trattamento delle acque di approvvigionamento, l’aerazione è impiegata prevalentemente nella potabilizzazione delle acque sotterranee mediante:
ossidazione chimica o biologica, tramite immissione di ossigeno atmosferico, per processi quali:
1 – rimozione di Ferro 3Fe²++O₂+10H2O->4Fe(OH)₃+8H+
2 – rimozione di Manganese Mn²⁺+¹/₂O₂+3H₂O->MnO₂+2H⁺
3 – bio-nitrificazione (ossidazione biologica dell’ammoniaca)

strippaggio, ovvero rimozione fisica di prodotti volatili, per il controllo di:
1 – idrogeno solforato H₂S+O₂->S+H₂O
2 – anidride carbonica, metano, solventi clorurati, VOC (composti organici volatili)

Tipologie di sistemi di areazione

Gli impianti di aerazione possono essere:
A. a pressione atmosferica, tra questi si trovano:
A.1. AERATORI A CADUTA, nei quali l’acqua, in goccioline o film sottili, si scontra col flusso d’aria; presentano buoni rapporti A/V (area di scambio/volume acqua) ma ridotti tempi di contatto e sono utilizzati prevalentemente per lo strippaggio. Si menzionano:

• Aeratori a cascata, sistema semplice ma poco regolabile in cui si l’acqua viene fatta saltare su strutture a gradini.

• Aeratori a spruzzo, in cui l’acqua è nebulizzata con ugelli, meglio se piccoli e numerosi ma stando attenti ad evitare le occlusioni.

• Aeratori a piatti o vassoi, ovvero torri in cui l’acqua nebulizzata dall’alto ruscella attraverso una serie di piatti forati o vassoi riempiti di materiale grossolano, incontrando l’aria ascendente insufflata da griglie sul fondo.

A.2. AERATORI A DIFFUSIONE, nei quali l’aria in bollicine è insufflata direttamente in acqua tramite candele porose; sono utilizzati principalmente nelle depurazioni biologiche.

B. in pressione, usati quando serve una grande dissoluzione di aria in acqua, poiché il sistema in pressione aumenta la concentrazione di saturazione e quindi la solubilità dell’ossigeno. Sono strutture a serbatoio riempite di materiale ad alta superficie di contatto, in cui l’aria viene pre-miscelata e insufflata di solito verso l’alto. Sono molto efficaci ma necessitano di periodici spurghi.

Oltre agli accessori impiantistici quali pompe, valvole (ritegno, non ritorno, saracinesca, sfiato, sicurezza), scarichi, compressori, miscelatori,…, a valle del trattamento di aerazione ossidativa si colloca tipicamente un filtro rapido per rimuovere i residui di reazione prodotti.

Infine, si precisa che le velocità di reazioni ossidative sono fortemente influenzate dal pH; per questo,in presenza sia di Fe e Mn (che richiedono pH elevato) che di H2S (che richiede un pH basso), è necessario abbinare il processo di aerazione con ossidazioni di tipo chimico, quindi con l’impiego di idonei reagenti valutati caso per caso.

Le leggi del sistema di areazione

Le leggi che governano il fenomeno possono essere così sintetizzate:
1. Legge di Dalton¹, che governa la distribuzione delle pressioni parziali dei gas in un miscuglio gassoso.

¹ A rigore valida solo per gas perfetti, ma per basse pressioni può applicarsi anche ai miscugli come l’aria

2. Legge di Henry, che lega la concentrazione di saturazione di un gas in acqua con la pressione parziale del gas a contatto col liquido.

3. Legge di Fick, che modella il trasferimento di massa schematizzando l’interfaccia gas-liquido come 2 strati sottili (uno liquido e uno gassoso) in moto laminare; l’aspetto preponderante del trasferimento avviene in modo diffusivo nel film liquido.

La cinetica di processo sarà quindi favorita da:

1. elevate superfici di scambio e ridotti spessori del film liquido;
2. elevati gradienti di concentrazione;
3. elevati tempi di contatto;
4. elevati rapporti area di scambio/volume acqua (A/V).

È possibile regolare la pressione parziale del gas mediante una ventilazione: aumentandola, aumento il grado di saturazione, favorendo l’immissione di gas in acqua e viceversa.