Quali sono gli usi del solfato di alluminio nel trattamento dell'acqua?

Come funziona il solfato di alluminio come coagulante nel trattamento dell'acqua

Comprensione della coagulazione e del ruolo del solfato di alluminio nel destabilizzare le particelle sospese

Il trattamento dell'acqua inizia con la coagulazione, un processo che riunisce piccole impurità in modo che possano essere rimosse successivamente. L'allume funziona molto bene in questo caso perché, quando si dissolve, rilascia ioni di alluminio trivalenti (Al³⁺) che neutralizzano essenzialmente le cariche negative delle sostanze sospese nell'acqua, come particelle di argilla, frammenti di materiale organico e persino alcuni microrganismi dannosi. Quando queste cariche vengono neutralizzate, le particelle smettono di respingersi a vicenda e iniziano ad aggregarsi durante la fase di miscelazione rapida, che di solito dura circa uno o due minuti. La maggior parte degli impianti di trattamento dell'acqua ottiene i migliori risultati con l'allume quando il pH dell'acqua è compreso tra 5,5 e 7,5. La quantità di allume da aggiungere varia notevolmente, tipicamente tra 50 e 300 milligrammi per litro, a seconda della torbidità dell'acqua e del tipo di contaminanti presenti.

Meccanismo chimico del solfato di alluminio nella formazione dei fiocchi e nella rimozione delle impurità

Dopo che le cariche sono bilanciate, l'alluminio inizia a decomporsi attraverso l'idrolisi, formando idrossido di alluminio (Al(OH)3). Questa sostanza si trasforma in un solido di consistenza gelatinosa particolarmente efficace nell'aggregare le sostanze che desideriamo rimuovere dall'acqua. Man mano che questi piccoli aggregati, chiamati fiocchi, si sviluppano, possono raggiungere dimensioni comprese tra mezzo millimetro e tre millimetri, favorendo così un'efficiente sedimentazione nei serbatoi di trattamento. Quando il processo funziona correttamente, questo metodo elimina circa dall'85% fino alla totalità della torbidità nei campioni d'acqua e rimuove all'incirca dai due terzi ai quattro quinti dei composti organici indesiderati. Studi dimostrano che i fiocchi di idrossido aderiscono a diverse sostanze inquinanti disciolte, come ioni fosfato e diversi tipi di metalli pesanti, formando legami sulle loro superfici. Questa azione di adesione migliora effettivamente l'efficienza complessiva dell'intero sistema di purificazione.

Confronto con coagulanti alternativi: efficienza, costo e considerazioni pratiche

Il cloruro ferrico può rimuovere quasi tutto il fosforo dall'acqua, a volte fino al 98%, il che è molto meglio dell'alimento di allume che riesce a rimuovere circa il 70-85%. L'aspetto negativo è che il cloruro ferrico consuma le tubazioni e le attrezzature molto più velocemente, il che significa che i comuni finiscono per spendere di più per riparazioni e sostituzioni. I polimeri sintetici sono un'altra opzione che dà acqua molto limpida con poco fango lasciato dopo il trattamento, ma questi materiali hanno un prezzo che li rende poco pratici per la maggior parte degli impianti di trattamento delle acque reflue. Ecco perché molte città continuano a usare l'aluno nonostante le nuove alternative. Alum esiste da decenni, funziona in modo affidabile senza complicate procedure di installazione e non rompe il budget come fanno le opzioni più sofisticate. Per i governi locali con problemi di liquidità che si occupano di infrastrutture anziane, restare con quello che sanno ha senso anche se tecnicamente non è il miglior performer.

Preoccupazioni ambientali: residui di alluminio e sicurezza a lungo termine nell'acqua trattata

L'Organizzazione mondiale della sanità ha stabilito un livello massimo ammissibile di 0,2 milligrammi per litro per gli avanzi di alluminio nell'acqua del rubinetto perché ci sono preoccupazioni circa i possibili effetti sulla funzione cerebrale nel tempo. Le impianti di trattamento dell'acqua che utilizzano nuove tecniche di filtraggio possono ridurre le tracce di alluminio di circa il 70 o forse anche il 90 percento rispetto agli approcci più vecchi. Tenere traccia dei livelli di pH durante tutto il processo e aggiungere un ulteriore passo con membrane speciali dopo il trattamento aiuta a garantire che restiamo entro i limiti di sicurezza stabiliti dalle autorità sanitarie. Questo mantiene la gente sana senza rendere l'intero processo di purificazione meno efficace.

Migliorare la limpidezza dell'acqua e eliminare la turbidità nei sistemi idrici comunali

Il solfato di alluminio rimane una scelta comune per il trattamento dell'acqua nelle città perché può ridurre l'opacità dell'acqua di circa il 90%. Ciò avviene perché annulla le cariche elettriche delle particelle minuscole, come frammenti di argilla, polvere fine e persino piccoli organismi sospesi nell'acquedotto. Queste particelle si aggregano formando fiocchi più grandi che si depositano più facilmente. Una ricerca pubblicata nel 2021 ha indicato che, se applicato correttamente, il livello di torbidità scende sotto i 0,3 NTU, rispettando così le linee guida dell'Organizzazione Mondiale della Sanità per l'acqua potabile limpida. Il fatto che questo processo funzioni così bene comporta un minore carico sui filtri successivi nel sistema. Gli impianti funzionano meglio nel complesso e permettono anche un risparmio economico, elemento particolarmente importante per i grandi sistemi idrici urbani che servono milioni di persone ogni giorno.

Rimozione di materia organica, patogeni e metalli pesanti mediante coagulazione

Il modo in cui l'allume agisce nella coagulazione permette di rimuovere contemporaneamente diversi tipi di contaminanti. Le sostanze organiche disciolte nell'acqua aderiscono ai fiocchi di idrossido di alluminio che si formano durante il trattamento. Inoltre, batteri come l'E. coli e parassiti come la Giardia vengono fisicamente trattenuti in questo processo. Quando il pH si mantiene tra 6,5 e 7,5, studi indicano tassi di rimozione compresi tra l'85% e il 92% per metalli pesanti come piombo, arsenico e cromo. Ciò che rende questo approccio così vantaggioso è la capacità di gestire più inquinanti contemporaneamente, riducendo la necessità di ulteriori trattamenti di disinfezione. Tuttavia, è fondamentale dosare correttamente l'allume, poiché un eccesso residuo di alluminio potrebbe superare il limite sicuro di 0,2 mg per litro, il che non sarebbe salutare per nessuno.

Miglioramento dell'efficienza della sedimentazione e della filtrazione dopo il trattamento con allume

Quando trattati con allume, i fiocchi tendono a sedimentare circa dal 40 al 60 percento più rapidamente nei bacini di sedimentazione rispetto alle particelle non trattate, il che rende la separazione dei solidi molto più efficace. Il maggiore velocità di sedimentazione fa sì che i filtri si intasino meno frequentemente, permettendo loro di funzionare più a lungo prima di richiedere la pulizia, riducendo così le operazioni di lavaggio inverso di circa il 30%. Ciò che è interessante è come la consistenza appiccicosa dei fiocchi di idrossido di alluminio agisca come un ulteriore strato filtrante all'interno dei letti di sabbia. Questi fiocchi catturano particelle minuscole di dimensioni inferiori al micrometro che sono riuscite a sfuggire durante la prima fase di coagulazione. Tutti questi miglioramenti insieme fanno sì che impianti di trattamento di buona qualità possano effettivamente rimuovere più del 99,9% di tutte le particelle dall'acqua finale.

Rimozione efficace del fosforo nelle acque reflue urbane e industriali

L'allume funziona piuttosto bene nell'eliminare il fosforo grazie a quelle reazioni di scambio di ligandi di cui si parla così spesso negli ambienti del trattamento delle acque. Fondamentalmente, quando gli ioni Al3+ incontrano gli ioni ortofosfato (PO4^3-), si combinano formando il fosfato di alluminio (AlPO4), che non è solubile in acqua. Questo composto poi si deposita e viene filtrato meccanicamente. Analizzando i dati di 45 diversi impianti di trattamento delle acque reflue in Europa, i ricercatori hanno osservato che l'uso dell'allume ha ridotto i livelli di fosforo totale sotto i 0,5 mg/L in circa l'88 percento di questi impianti. Ciò soddisfa effettivamente i requisiti della Direttiva Quadro dell'UE sulle acque per quanto riguarda gli standard di qualità dell'acqua. L'allume si distingue particolarmente nel trattamento degli scarichi provenienti da industrie alimentari e tessili, poiché le loro acque di scarico tendono ad avere livelli di fosforo estremamente elevati, talvolta ben superiori a 15 mg/L nei test di concentrazione.

Riduzione della torbidità e dei contaminanti nelle correnti di acque reflue ad alto carico

L'azione duale di coagulazione-flocculazione dell'allume lo rende adatto al trattamento di acque reflue complesse e ad alto carico:

• Sospensioni colloidali : Neutralizza le particelle cariche negativamente in acque con torbidità superiore a 1.000 NTU
• Metalli pesanti : Metalli pesanti: Co-precipita Pb²⁺ e Cr³⁺ mediante formazione di idrossidi a pH 9 - 9,5
• Carichi organici : Riduce la domanda chimica di ossigeno (COD) del 65-80% nei reflui delle cartiere attraverso il legame con lignina e proteine

Dati di campo provenienti da sette parchi industriali in Cina mostrano che l'allume raggiunge una rimozione del 98% dei solidi sospesi totali (TSS) in correnti con contenuto iniziale di solidi superiore a 5.000 mg/L, dimostrando prestazioni solide anche in condizioni difficili.

Caso di studio: Implementazione con successo negli impianti di trattamento delle acque reflue urbane

Un impianto municipale europeo che serve 1,2 milioni di abitanti ha ottenuto significativi miglioramenti dopo aver sostituito il coagulante con solfato di alluminio. Trattando 300.000 m³/giorno di acque reflue, l'impianto ha riportato:

Durante un periodo di prova di 18 mesi, l'impianto ha mantenuto livelli di alluminio residuo al di sotto di 0,2 mg/L raggiungendo nel contempo una rimozione del fosforo del 94% e una riduzione del COD dell'82%, confermando l'efficacia e la convenienza economica dell'allume nella gestione delle acque reflue su larga scala.

Ottimizzazione delle Prestazioni del Solfato di Alluminio: Dosaggio, pH e Condizioni dell'Acqua

Intervallo di pH ideale e strategie di dosaggio per un'efficienza massima della coagulazione

I migliori risultati per la coagulazione si ottengono quando il livello di pH rimane compreso tra circa 5,5 e 7,5. In questo intervallo, il processo diventa molto più efficiente, migliorando a volte del 40-60 percento rispetto a quanto accade al di fuori di questi valori. Per quanto riguarda la quantità di solfato di alluminio da utilizzare, la maggior parte dei trattamenti richiede un valore compreso tra 5 e 200 milligrammi per litro. Tuttavia, se l'acqua è particolarmente torbida o contiene molti contaminanti, in alcune situazioni potrebbe essere necessario arrivare fino a 500 mg/L. Per determinare con precisione ciò che funziona meglio in un determinato luogo, il test di provetta (jar test) rimane uno dei metodi più affidabili disponibili. Questo aiuta a evitare l'uso eccessivo di solfato di alluminio, che potrebbe lasciare residui di alluminio nell'acqua superiori al limite di sicurezza stabilito dall'Organizzazione Mondiale della Sanità, pari a 0,2 mg/L. Una volta che il pH supera 7,5, tuttavia, le cose cominciano a funzionare male perché l'idrossido di alluminio diventa meno solubile. Ciò rende più difficile la formazione di fiocchi adeguati e riduce in ultima analisi l'efficacia complessiva del trattamento.

Influenza della Temperatura dell'Acqua, Alcalinità e Composizione Ionica

L'acqua che rimane al di sotto dei 10 gradi Celsius rallenta notevolmente la velocità delle reazioni durante i processi di trattamento. Ciò significa che la formazione dei fiocchi avviene molto più lentamente, a volte richiedendo dal 30 al 50 percento in più rispetto al normale, e gli operatori devono effettuare mescolamenti per periodi più lunghi. Per quanto riguarda i livelli di alcalinità, essi svolgono un ruolo importante nel prevenire l'eccessiva acidificazione del sistema dopo l'aggiunta di solfato di alluminio. Se l'alcalinità scende al di sotto di 50 milligrammi per litro espressi come carbonato di calcio, la maggior parte degli impianti di trattamento deve aggiungere calce o soda caustica per mantenere il pH stabile a sufficienza per un funzionamento corretto. Un’altra difficoltà emerge quando l’acqua presenta un’elevata forza ionica, superiore a 1000 microsiemens per centimetro. Questa condizione comprime gli strati elettrici attorno alle particelle, riducendo la loro capacità di aggregarsi efficacemente. Il risultato? La coagulazione funziona circa il 40 percento peggio in queste condizioni. Tutte queste variabili spiegano perché sistemi di monitoraggio in tempo reale sono così importanti, specialmente per gli impianti che devono affrontare variazioni della qualità dell’acqua durante le diverse stagioni.

Vantaggi e Sfide dell'Utilizzo di Solfato di Alluminio nel Trattamento dell'Acqua

Principali Vantaggi: Economicità, Affidabilità e Versatilità nei Diversi Sistemi di Trattamento

L'allume, o solfato di alluminio, si distingue come un coagulante economico e affidabile utilizzato in molte strutture di trattamento delle acque, sia municipali che industriali. Rispetto ad altre opzioni come il cloruro ferrico, riduce i costi operativi di circa il 30-50 percento, mantenendo nel contempo tassi di rimozione superiori al 95% per parametri come la torbidità e i patogeni nocivi. Ciò che rende questa sostanza così versatile è la sua efficacia sia nei piccoli sistemi idrici rurali che negli impianti di grandi città. Gli operatori possono regolare i dosaggi in base alla qualità dell'acqua affrontata giorno dopo giorno. Quando i livelli di pH rimangono nell'intervallo ottimale di circa 5,5-7,5, l'allume riesce a eliminare dal 70 al 90% dei fastidiosi contaminanti organici. E ammettiamolo, quando il budget è un fattore determinante, l'allume spesso supera nettamente le soluzioni a base di PAC per gli impianti attenti ai costi.

Limitazioni comuni: produzione di fanghi, necessità di correzione del pH e considerazioni ambientali

L'allume presenta comunque alcuni svantaggi. Produce circa dal 15 al 30 percento di fanghi in più rispetto ai polimeri sintetici, il che comporta costi di smaltimento più elevati e una logistica più complessa nella gestione dei rifiuti. Quando l'allume si degrada nei processi di trattamento dell'acqua, abbassa effettivamente il livello di pH. Per contrastare questo effetto, gli impianti di trattamento devono sostenere spese per sostanze alcaline come la calce. L'acquisto di questi prodotti chimici può rappresentare quasi il 20% del loro bilancio operativo complessivo, solo per mantenere l'acqua al giusto livello di acidità. Le autorità ambientali monitorano attentamente la quantità di alluminio residuo nell'acqua trattata dopo il processo, rendendo fondamentale rispettare la raccomandazione dell'Organizzazione Mondiale della Sanità di non superare i 0,2 mg per litro. La buona notizia è che ricerche recenti mostrano come, affinando le metodologie di dosaggio e abbinandole a sistemi di filtrazione più moderni, gli operatori possano ridurre la produzione di fanghi di circa il 40%. Questo approccio aiuta anche a soddisfare gli importanti standard EPA e AWWA per l'acqua potabile sicura, senza compromettere la qualità.

Domande frequenti

Qual è il ruolo principale del solfato di alluminio nel trattamento delle acque?

Il solfato di alluminio agisce come coagulante nel trattamento dell'acqua, contribuendo a destabilizzare le particelle in sospensione in modo che possano essere efficacemente rimosse attraverso ulteriori processi di trattamento.

In che modo il solfato di alluminio influenza i livelli di pH dell'acqua trattata?

Il solfato di alluminio tende a ridurre i livelli di pH dell'acqua trattata, motivo per cui le strutture spesso devono aggiungere sostanze alcaline come la calce per mantenere l'intervallo di pH ottimale per un trattamento efficace.

L'uso di solfato di alluminio presenta problemi ambientali?

Sì, l'alluminio residuo nell'acqua trattata è un problema, in quanto può avere potenziali effetti sulla salute. Pertanto, i sistemi di trattamento mirano a mantenere i livelli residui al di sotto di 0,2 mg/l, come raccomandato dall'Organizzazione mondiale della sanità.

Perché il solfato di alluminio è preferito rispetto ad altri coagulanti nonostante i suoi limiti?

Il solfato di alluminio è conveniente, affidabile e versatile, il che lo rende una scelta preferita per molti comuni, in particolare quelli con vincoli di bilancio e infrastrutture esistenti.