Impianti pilota MBR per il trattamento dei reflui
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Impianti pilota MBR per il trattamento dei reflui
DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE E AMBIENTALE UNIVERSITÀ DI CATANIA DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA IDRAULICA, AMBIENTALE, INFRASTRUTTURE VIARIE, RILEVAMENTO DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA IDRAULICA, GEOTECNICA ED AMBIENTALE UNIVERSITA’ DI NAPOLI FEDERICO II POLITECNICO DI MILANO DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA, DIPARTIMENTO AMBIENTESALUTE-SICUREZZA UNIVERSITÀ INSUBRIA DIPARTIMENTO DI SANITÀ PUBBLICA UNIVERSITÀ DI FERRARA UNIVERSITÀ DI FIRENZE DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE E AMBIENTALE, DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CHIMICA UNIVERSITÀ DI PALERMO UNIVERSITA’ DI NAPOLI FEDERICO II DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE E AMBIENTALE, UNIVERSITÀ DI FIRENZE Workshop Salvaguardia dei corpi idrici dalla contaminazione da composti xenobiotici: nuovi strumenti per l'analisi, il controllo ed il trattamento nelle acque reflue civili ed industriali Sala Abete, ECOMONDO, Rimini 4 Novembre 2010 Impianti pilota MBR per il trattamento dei reflui ospedalieri Impianti pilota MBR per il trattamento dei reflui ospedalieri Paola Verlicchi, Alessio Galletti, Mustafa Al Aukidy, Luigi Masotti Dipartimento di Ingegneria, Università di Ferrara Via G. Saragat 1, I-44122 Ferrara [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] 2 Verlicchi et al. Impianti pilota MBR per il trattamento dei reflui ospedalieri Impianti pilota MBR per il trattamento dei reflui ospedalieri P. Verlicchi, A. Galletti, M. Al Aukidy, L. Masotti Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi di Ferrara, Via Saragat 1, 44122 Ferrara, ([email protected]) Sommario. Lo studio si riferisce ad una ricerca in corso presso il Dipartimento di Ingegneria di Ferrara, in collaborazione con Ato6, USL, Azienda Ospedaliera S. Anna, CADF ed Hera Ferrara relativamente alla trattabilità e ai trattamenti più adeguati dei reflui ospedalieri. E’ stata dapprima condotta un’indagine sull’effluente di un ospedale locale di 300 posti letto che ha riguardato la caratterizzazione quali-quantitative del refluo prima dell’immissione in pubblica fognatura al fine di individuare gli inquinanti più rappresentativi (che sono risultati essere antibiotici e un antiepilettico). Contemporaneamente è stata effettuata un’approfondita indagine bibliografica per confrontare i range di concentrazione dei principali composti farmaceutici nelle acque reflue urbane e negli effluenti ospedalieri. Poi è stata condotta una sperimentazione su due impianti pilota per valutare l’efficienza di rimozione di sistemi biologici a membrane (piane e a fibra cava) e sistemi convenzionali (SBR), prevalentemente rispetto ai macrocomposti. Sulla base delle risultanze sperimentali e della più recente bibliografia al riguardo, si propongono delle indicazioni relativamente al trattamento dedicato più appropriato per il refluo ospedaliero. Tali indicazioni hanno rappresentato il punto di partenza per le scelte progettuali per la realizzazione dell’impianto di trattamento delle acque reflue del nuovo sito ospedaliero della città di Ferrara (900 posti letto). Keywords: reflui ospedalieri; caratterizzazione; inquinanti farmaceutici; MBR; SBR, trattamenti più appropriati INTRODUZIONE Gli scarichi ospedalieri rappresentano un particolare tipo di refluo per la natura degli inquinanti che in essi sono presenti: principi attivi dei Verlicchi et al. 1 Impianti pilota MBR per il trattamento dei reflui ospedalieri medicinali o loro metaboliti, reattivi chimici, metalli pesanti, disinfettanti e sterilizzanti, marker radioattivi, germi patogeni, ceppi antibioticoresistenti e virus. Antibiotici, agenti citostatici, anestetici, disinfettanti, metalli pesanti (platino e mercurio), elementi rari (gadolinio, indio e osmio) hanno concentrazioni maggiori di qualche ordine di grandezza rispetto a quelle riscontrate in un refluo civile (Kummerer, 2001), comunque sempre in un range compreso tra il ng/L e il g/L. Dal punto di vista microbiologico, i reflui ospedalieri sono simili ai civili per la contaminazione batterica di tipo fecale (Salmonelle, Shigelle, E. coli, ecc.). Si differenziano per il maggior numero di microrganismi responsabili di infezioni tipiche ospedaliere (Pseudomonas sup., Staphylococcus aureus) (Santarsiero et al., 1990) e di microrganismi con una maggiore resistenza all’azione degli antibiotici (2 - 10 volte quella riscontrata nei reflui civili) (Pauwels et al., 2006a). Anche la carica virale si differenzia quali-quantitativamente da quella dei reflui civili: un maggiore numero e una maggiore gamma di specie, soprattutto nel caso in cui ci sia un reparto di malattie infettive. Solitamente questi scarichi sono assimilati ai reflui civili (Mersi et al., 1993). Previa blanda clorazione all’interno della struttura ospedaliera, vengono immessi in pubblica fognatura e trattati congiuntamente ai reflui civili e/o industriali in impianti di depurazione realizzati, in accordo con le normative vigenti, per rimuovere principalmente composti organici del carbonio, dell’azoto e del fosforo: sostanze che arrivano regolarmente e in grande quantità (mg/L) all’impianto. I prodotti farmaceutici oltre ad essere presenti in concentrazioni inferiori rispetto ai macroinquinanti convenzionali, includono una vasta gamma di composti con caratteristiche chimico-fisiche diverse e quindi con comportamento e destino diversi all’interno dell’impianto di depurazione. Solubilità, volatilità, peso molecolare, adsorbibilità e biodegradabilità, polarità (lipofilicità o idrofilicità), stabilità, tempo di emivita e persistenza ne determinano lo specifico comportamento. La rimozione dalle acque reflue di sostanze organiche persistenti, quali i prodotti farmaceutici, per la cura e l’igiene personale (PPCPs) o gli interferenti endocrini (EDCs) sta riscuotendo sempre maggiore interesse. Pochi sono gli studi che si riferiscono a reflui esclusivamente ospedalieri (Kummerer et al. 1997; Kummerer, 2001; Emmanuel et al., 2001, Altin et al., 2003; Chiang et al., 2003; Wen et al., 2004; Pauwels et al., 2006a; Pauwels et al., 2006b;, Gautam et al., 2007). Solitamente, riguardano 2 Verlicchi et al. Impianti pilota MBR per il trattamento dei reflui ospedalieri reflui civili e indagano l’efficacia di rimozione dei diversi sistemi di trattamento nei confronti di alcuni composti farmaceutici di interesse (per citarne alcuni: Heberer 2002; Ternes, 2004; Andreozzi et al., 2005; Jones et al., 2005; Castiglioni et al., 2006;Ternes et al., 2006; Vieno et al., 2007). Si tratta di frequente di sostanze disciolte, lipofile, poco biodegradabili e scarsamente volatili. Gli scarichi ospedalieri costituiscono la principale fonte di prodotti farmaceutici o loro metaboliti per gli impianti di depurazione, nonostante per alcuni farmaci si sia trovato che il contributo civile è simile o addirittura maggiore rispetto all’ospedaliero (Clara et al., 2004; Pauwels et al., 2006a e 2006b). Le strategie da seguire per ridurre la presenza di queste sostanze sono sostanzialmente tre: (i) ottimizzare i trattamenti esistenti, (ii) realizzare interventi di upgrading degli impianti esistenti mediante nuovi processi di affinamento (end-of-pipe process); (iii) separare il refluo alla sorgente. Quest’ultimo approccio si basa sull’idea di riuscire a ottenere un refluo di composizione idonea per uno specifico trattamento e successivo smaltimento (waste design). Ciò prevede la separazione alla sorgente del refluo (source separation) e, laddove possibile, una collaborazione con l’industria produttrice (source control) al fine di ridurre (a zero) l’immissione nel ciclo delle acque (la contaminazione iniziale) (Larsen et al., 2004). Lo studio condotto si riferisce ad una ricerca in corso presso il Dipartimento di Ingegneria di Ferrara, in collaborazione con Ato6, USL, CADF ed Hera Ferrara relativamente alla trattabilità e al trattamento dei reflui ospedalieri, a supporto delle scelte progettuali per la realizzazione dell’impianto di depurazione del nuovo Polo ospedaliero della Città di Ferrara (900 posti letto). Vengono presentati e discussi i risultati relativi ad un’indagine sperimentale in corso con impianti pilota biologici a membrane e convenzionali sull’effluente di un ospedale nell’area ferrarese (ospedale del Delta di Lagosanto) e fornite delle indicazioni relativamente al trattamento dedicato più appropriato per il refluo ospedaliero alla luce delle risultanze sperimentali e della più recente bibliografia al riguardo. MATERIALI E METODI Verlicchi et al. 3 Impianti pilota MBR per il trattamento dei reflui ospedalieri L’indagine sperimentale L’indagine effettuata fra maggio 2007 e febbraio 2008 ha riguardato la caratterizzazione quali-quantitativa in termini di macro- e microinquinanti di un refluo ospedaliero e la sua trattabilità mediante sistemi biologici di tipo MBR con membrane piane (da microfiltrazione), a fibra cava (da ultrafiltrazione) e a fanghi attivi tradizionali. Il refluo testato è l’effluente finale dell’ospedale Delta di Lagosanto (FE). La struttura, in funzione dal 2001, ha una capacità ricettiva di circa 300 posti letto fra i diversi reparti di chirurgia, ortopedia-traumatologia, ostetricia e ginecologia, pediatria, gastroenterologia, cardiologia, urologia e psichiatria. Tutti gli scarichi (dei servizi igienici, della cucina, della farmacia e della lavanderia interna) vengono raccolti indistintamente dalla rete fognaria interna di tipo separato, fatti passare attraverso fosse Imhoff (ne sono presenti 47 di potenzialità media di circa 20 utenti) e, dopo una blanda disinfezione con ipoclorito di sodio, sono immessi in pubblica fognatura e conferiti al depuratore locale che riceve anche la fognatura mista del centro urbano limitrofo (circa 550 AE). Il refluo ospedaliero rappresenta il 16% della portata complessiva trattata al depuratore in tempo secco. Caratterizzazione del refluo ospedaliero Un’approfondita indagine condotta in collaborazione con il Servizio di assistenza farmaceutica ospedaliera e territoriale dell’USL di Ferrara ha permesso di individuare le tipologie di medicinali più utilizzati su base annua all’interno dell’ospedale in esame. Nell’ordine antibiotici, antinfiammatori e cortisonici sono i prodotti maggiormente somministrati. A questi si deve aggiungere l’antiepilettico carbamazepina. I consumi medi mensili mostrano delle significative variazioni, come verrà richiamato nel seguito. Per la caratterizzazione quali-quantitativa del refluo ospedaliero tal quale (a monte della clorazione) si è deciso di limitare l’indagine agli antibiotici e alla carbamazepina. L’elenco completo dei composti ricercati è quello della Tab. 1. La ricerca degli stessi microinquinanti è stata estesa anche al refluo in ingresso e in uscita dal depuratore di Lagosanto, così da confrontare l’apporto ospedaliero con quello civile e da valutare l’eventale rimozione con sistemi di trattamento convenzionale (a fanghi attivi). Le analisi sui prodotti farmaceutici sono state effettuate mediante LC4 Verlicchi et al. Impianti pilota MBR per il trattamento dei reflui ospedalieri ESI-MS/MS su campioni mediati sulle 24 ore, prelevati nei giorni (non piovosi) 9, 10 e 11 luglio 2007. In questo mese, i consumi sia degli antibiotici che della carbamazepina sono superiori alla media mensile su base annua. Tab. 1 Composti farmaceutici oggetto dello studio. Classe terapeutica Antibiotico Anti-epilettico Parametro Amoxicillina Ampicillina Cefamandole Cefoperazone Danofloxacin Dicloxacillin Enrofloxacin Flumequine Oleandomycin Penicillin G Spyramicin Sulfadiazine Sulfadimidin Sulfamerazine Sulfamethoxypiridazine Sulfathiazole Tylosin tartrate Cefazolin Carbamazepina CAS 26787-78-0 69-53-4 34444-01-4 62893-19-0 112398-08-0 3116-76-5 93106-60-6 42835-25-6 3922-90-5 61-33-6 8025-81-8 68-35-9 57-68-1 127-79-7 80-35-3 72-14-0 1405-54-5 25953-19-9 298-46-4 Impianti pilota MBR testati L’indagine sperimentale ha avuto come scopo la valutazione della trattabilità dei reflui ospedalieri tal quali mediante sistemi biologici. A tale scopo, sono stati testati due tipi di impianti MBR forniti dalla ditta SER.ECO: - nella prima fase della sperimentazione (luglio-ottobre 2007) un pilota MBR con membrane piane da microfiltrazione (Fig. 1); - nella seconda fase (ottobre 2007-febbraio 2008) un pilota MBR con membrane da ultrafiltrazione a fibra cava (Fig. 2). Le caratteristiche principali dei due impianti sono riportate nella Tab. 2. In entrambe le fasi, il refluo ospedaliero, prelevato in continuo mediante una pompa da un pozzetto a monte della vasca di clorazione, alimentava il reattore biologico dell’impianto pilota in esame. L’aerazione avveniva attraverso insufflazione di aria dal fondo del Verlicchi et al. 5 Impianti pilota MBR per il trattamento dei reflui ospedalieri comparto di nitrificazione e, nel secondo pilota, di dimensioni maggiori, la miscelazione uniforme della miscela era garantita dal movimento di un agitatore a palette. Il permeato estratto veniva scaricato in un secondo pozzetto per evitare interazioni con l’alimentazione all’impianto stesso. Nella seconda fase di sperimentazione si è confrontato il comportamento di un sistema a fanghi attivi tradizionale, con quello dell’MBR montato. Non è stato realizzato un impianto a fanghi attivi ex novo, ma si è utilizzato il pilota già installato, facendolo funzionare alternativamente come MBR e come SBR (sequencing batch reactor). Nel momento in cui si voleva che il pilota funzionasse da SBR, venivano interrotte manualmente l’ossigenazione in vasca, la miscelazione e l’aspirazione del permeato e la vasca non più aerata funzionava da sedimentatore secondario. La miscela aerata veniva lasciata sedimentare per circa 2-3 ore e al termine veniva effettuato un prelievo del chiarificato, nella parte superiore della vasca, prelevando in questo modo ciò che sarebbe sfiorato nel sedimentatore reale. Durante la fase di avviamento di ciascun pilota si è riempito il comparto biologico con un inoculo di fango attivo prelevato dall’impianto di Lagosanto. Dopo un periodo di start up e di messa a punto del pilota di circa 30 giorni si è potuta avviare la campagna analitico-sperimentale. I macroparametri convenzionali ricercati sono stati: BOD5, COD tal quale, COD filtrato (su membrana da 0.45 µm), SS, Ptot, NH4, tensioattivi anionici, cationici, non ionici, totali, Hg, E. coli, i microinquinanti farmaceutici: cefazolina e carbamazepina. Tab. 2 Caratteristiche dei due impianti pilota MBR testati Parametro MBR/MF Periodo di indagine luglio 07 - ottobre 07 Membrane Piane 0.45 Diametro dei pori, µm Flusso superficiale, L m-2 h-1 11 Portata trattata L h-1 4 Volume reattore, m3 Denitr. 0.2 – Nitr. 0.5 Pressione TMP, mbar 200-250 Superficie totale membrane m2 0.37 Tempo di ritenzione idraulica, d 6 Età del fango, d 40 Pulizia delle membrane 6 Insuffl. di aria (lavaggi chimici) MBR/UF ottobre 07 – marzo 08 a fibra cava 0.01 15-35 90 Nitrif. 1.5 400 5 0.6 40 insuffl. di aria, relaxation, controlav. con permeato, Verlicchi et al. Impianti pilota MBR per il trattamento dei reflui ospedalieri (lavaggi chimici) chiarificato 3 SBR nitro MBR/UF MBR/MF denitro perm eato perm eato nitro 2 2 Fig. 1 Impianto pilta MBR/MF Fig. 2 Impianto pilota MBR/UF e SBR I prelievi in ingresso e in uscita dal pilota e in ingresso e in uscita dal depuratore di Lagosanto venivano effettuati istantaneamente, nella stessa giornata a metà settimana. In particolare, durante la seconda fase di sperimentazione, permeato (effluente dell’MBR) e chiarificato (effluente dell’SBR) venivano prelevati rispettivamente verso le 8 della mattina e verso le 11, in modo da poter valutarne la qualità a parità di alimentazione e di condizioni ambientali. Ospedale del Delt a pilot a chiarificato SBR 3 Fosse I mhoff 1 permeato 2 MBR Clorazione 0.16 Q Centri urbani 0.84 Q limit rofi 4 Depurat ore di Lagosant o 5 Q Scarico I campioni erano subito trasportati termostatati al laboratorio e le analisi sui macroparametri convenzionali venivano effettuate entro 48 ore dal prelievo. I campioni per le analisi sui microinquinanti venivano portati ad un laboratorio specializzato e certificato. Fig. 3 Punti di campionamento Verlicchi et al. 7 Impianti pilota MBR per il trattamento dei reflui ospedalieri I punti di prelievo sono stati i seguenti: 1. Refluo ospedaliero prima della clorazione, 2. Permeato (estratto tramite le membrane), 3. Chiarificato (dopo sedimentazione di 2-3 ore per simulare un processo a fanghi attivi), 4. Ingresso depuratore Lagosanto, 5. Uscita depuratore Lagosanto e sono indicati nella Fig. 3. Metodiche analitiche Le analisi dei macroparametri sono state effettuate dal laboratorio CADF e quelle dei composti farmaceutici da un laboratorio esterno accreditato. Per i macroparametri sono state seguite le metodiche riportate in IRSACNR (1994) e gli Standard Methods, (APHA, 2001), per la carbamazepina e tutti gli antibiotici ricercati il metodo di analisi è stato LC-ESI-MS/MS. RISULTATI E DISCUSSIONE Caratteristiche chimico-fisiche del refluo ospedaliero I dati relativi alle concentrazioni di BOD5, COD tal quale, SS nel refluo dell’ospedale Delta di Lagosanto settimanalmente analizzato durante l’indagine sperimentale hanno permesso di ottenere le curve di frequenza cumulata riportate rispettivamente nelle figure 4-6 (refluo Delta). Queste sono state confrontate con quelle tracciate sulla base dei dati di letteratura relativi alle concentrazioni minime, medie e massime di BOD5, COD e SS dei reflui di ospedali di diverse dimensioni (60-900 posti letto) e di diversi Paesi (Francia, Turchia, India, Iran, Thailandia, Canada e Grecia) (Nardi et al., 1995; Kummerer et al., 1997; Wangsaatmaja et al., 1997; Laber et al., 1999; Emmanuel et al., 2001; Altin et al., 2003, Chiang et al., 2003; Emmanuel et al., 2004; Brown, 2006; Pauwels et al., 2006a; Kajitvichyanukul et al., 2006; Gautam et al., 2007; Machado et al., 2007, Sarafraz et al., 2007; Tsakona et al., 2007). Generalmente i dati si riferiscono a effluenti dell’intera struttura ospedaliera, in alcuni casi a reparti specifici, quali dialisi, pediatria, malattie infettive e tropicali. Nei grafici di figg. 4-6 ci sono anche le curve di frequenza cumulata per BOD5, COD e SS per il refluo in ingresso al depuratore, un tipico refluo civile, sulla base delle rispettive serie storiche relative al 2007. 8 Verlicchi et al. 100 100 90 90 80 80 70 60 50 refluo civile 40 refluo Delta BOD 5 medio (Lett.) 30 BOD 5 min (Lett.) BOD 5 max (Lett.) 20 10 0 refluo civile refluo Delta COD medio (Lett.) COD min (Lett.) COD max (Lett.) 70 60 50 40 30 20 10 0 10 100 1000 10000 BOD 5, mg/L Fig. 4 Frequenza cumulata per il BOD5 in un refluo ospedaliero (dati di letteratura e sperimentali) e per il refluo civile di Lagosanto (dati sperimentali) 90 refluo civile refluo Delta SS medio (Lett.) SS min (Lett.) SS max (Lett.) 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1 10 10 100 1000 COD, mg/L Fig. 5 Frequenza cumulata per il COD in un refluo ospedaliero(dati di letteratura e sperimentali) e per il refluo civile di Lagosanto (dati sperimentali) 100 SS, mg/L 1000 Fig. 6 Curve di frequenza cumulata per i SS in un refluo ospedaliero. Dati di letteratura e dati sperimentali Gli apporti riferiti a degente risultano pertanto: - 160-200 g BOD5 degente-1 d-1, - 260-300 g COD degente-1 d-1, 120-150 g SS degente-1 d-1. Le Figg. 7 e 8 mostrano le variazioni di concentrazione del COD e dei SS nel refluo ospedaliero durante la giornata e l’andamento riscontrato da (Emmanuel, 2004) nell’effluente di un reparto di malattie infettive e tropicali. Il COD presenta i valori massimi nel campione delle 1800. Il rapporto COD/BOD5 nei reflui ospedalieri si è mantenuto solitamente Verlicchi et al. 10000 Come si può notare, per ciascuno dei tre parametri, le concentrazioni nel refluo ospedaliero si mantengono in linea con i dati di letteratura e sempre al di sopra di quello civile, confermando il maggior carico inquinante dello scarico in esame per i tre macroparametri rispetto ad uno civile. 100 Frequenza cumulata, % Frequenza cumulata, % Frequenza cumulata, % Impianti pilota MBR per il trattamento dei reflui ospedalieri 9 Impianti pilota MBR per il trattamento dei reflui ospedalieri nell’intorno di 2-2.4, in accordo con quanto trovato da (Altin et al., 2003) e confermando l’applicabilità della correlazione da loro proposta, ricavata sui dati di 5 ospedali turchi di diverse dimensioni: ( ) Ln(COD) = 1.16 × Ln BOD − 0.069 5 Dati di letteratura mostrano che per particolari reparti, il rapporto può essere anche significativamente diverso: (Chiang, et al., 2003) ha trovato un valore di 6.6 per l’effluente di un reparto di dialisi. 250 230 1600 refluo Delta, 2008 190 SS, mg/L 1200 COD, mg/L 233 210 1400 1029 1000 792 800 Refluo Delta, 20/2/08 Refluo Delta, 21/2/08 1492 Emmanuel, 2004 170 201 209 201 179 150 130 132 110 101 90 600 450 400 230 290 70 9.00 63 50 300 9.00 200 12.00 15.00 12.00 15.00 Ora del prelievo 18.00 18.00 Ora del prelievo Fig. 7 Variazione di COD durante il giorno nell’effluente del Delta e nell’effluente di un reparto di malattie infettive e tropicali Fig. 8 Variazione di SS durante il giorno nell’effluente del Delta Per quanto riguarda i composti farmaceutici analizzati, si è trovato che, fra tutti i parametri indagati, solo due avevano concentrazioni al di sopra dei limiti di rilevabilità (Tab. 3): cefazolina e carbamazepina. Inoltre nel refluo in ingresso al depuratore le concentrazioni sono risultate maggiori. Tab. 3 Antibiotici e carbamazepina nel refluo ospedaliero Delta, in ingresso e in uscita dal depuratore di Lagosanto dove recapita anche l’ospedale. Parametro Cefazolin, µg L-1 Carbamazepina, µg L-1 Ospedale 0.23 0.54 Ing Dep 3.57 1.05 Usc. Dep < 0.2 0.44 Ciò può essere spiegato dal fatto che i consumi idrici per degente nell’ospedale sono 2-3 volte superiori rispetto a quelli civili e facendo una valutazione dei consumi virtuali per abitanti (Tab. 4) gli apporti giornalieri per individuo sono del tutto comparabili. 10 Verlicchi et al. Impianti pilota MBR per il trattamento dei reflui ospedalieri Tab. 4 Consumi virtuali per abitante di carbamazepina Utenza Ospedale Civile Persone 300 4000 Dotaz. idrica L ab-1 d-1 600 300 Portata m3 d-1 180 1200 CBZ (dato) µg L-1 0.54 1.05 CBZ mg d-1 97.2 1260 CBZ mg ab-1 d1 0.324 0.315 Altri parametri inquinanti ricercati durante l’indagine sperimentale sono riportati nella prima colonna della Tab. 5 e confrontati con quelli riscontrati in letteratura (seconda colonna) e con quelli tipici di un refluo civile (terza colonna). Nella stessa tabella vengono anche confrontati i range di concentrazione per alcuni prodotti farmaceutici: l’anticitostatico ifosfamide (Kummerer et al., 1997) e l’antibiotico ofloxacina (Brown et al., 2006), relativamente al refluo ospedaliero, a quello intercettato a valle del reparto in cui viene tipicamente somministrato e al refluo civile. Tab. 5 Range di variabilità di alcuni parametri nei reflui ospedalieri e nei civili Macroinquinante Ptot, mg L-1 Cloruri, mg L-1 NH4 mg L-1 Hg, µg L-1 Tensioattivi totali, mg L-1 COD/BOD5 Coli totali, MPN/100 mL Coli fecali, MPN/100 mL E. Coli, MPN/100 mL Streptococchi, MPN/100 mL Osped. Delta 4 94 33 0.5-3 4.9 2-3.5 Microinquinante Ifosfamide, µg L-1 Singolo antibiotico, µg L-1 Ofloxacina, µg L-1 Osped. medio 0.4-0.5 2-50 105-107 Osped. range 3-8 80-188 10-55 0.04-0.26 3-7.2 1.4-6.6 106-109 103-107 103-106 103-107 Refluo civile 4-10 50 12-45 <0.5 4-8 1.7-2.4 107-108 106-107 106-107 Reparti specifici 0.2 -8 Refluo civile 0.010-0.030 <l.r.-51 0.47-1 5 -40 Un’approfondita indagine bibliografica riportata in Verlicchi et al. (2010) mostra i range di concentrazioni di molti altri composti farmaceutici nelle acque ospedaliere e nelle acque urbane grezze. Le figureFig. 9Fig. 10Fig. 11Fig. 12 mostrano alcuni dei risultati trovati in quell’indagine. Verlicchi et al. 11 Impianti pilota MBR per il trattamento dei reflui ospedalieri 10 4 A Analgesics B Antibiotics Concentration [µ µ g L -1] 10 3 10 2 10 1 10 -1 trimethoprim tetracycline sulfametho xa zole penicillin G oxyte tracycli ne oflo xacin norflo xacin lincom ycin erytrom ycin doxycycline ciprofloxacin coproflo xacin chloro tetracycline cefazolin paracetamol napro xen Ib upro fen codeine 10 -3 diclofenac 10 -2 Fig. 9 Concentrazioni di analgesici e antibiotici in reflui ospedalieri grezzi Dati tratti da: Ohlsen et al., 2003; Gomez et al., 2006; Thomas et al., 2007; Foster, 2007, Duong et al., 2008; Seifrtova et al., 2008; Lin and Tsai, 2009; Suarez et al., 2009. 104 C D E F G H I J L K M N O Legend: C anticonvulsants 103 D cytostatics Concentration [µ µ g L -1] E hormones 102 F β-blockers G ICMs 10 H AOX I heavy metals 1 J antihypertensives K antihistam ines 10-1 L lipid regulators M detergents/antiseptics 10-2 N stimulants O fragrances 10-3 galaxolide tonalide caffeine triclosan ranitidine gemfibrozil diltiazem mercury platinum gadolinium AOX iopromide propanolol atenolol metroprolol estrone Ifosfamide 17β-estradiol estriol 5-fluorouracil carbamazepine 10-4 Fig. 10 Concentrazioni di altri inquinanti emergenti nei reflui ospedalieri Dati tratti da: Kummerer et al., 1997, 1998, 1999; Kummerer, 2001; Manhik et al., 2007; Thomas et al., 2007; Foster, 2007; Lenz et al., 2007a e b; Pauwels et al., 2008; Verlicchi et al., 2008, Weissbrodt et al., 2008; Suarez et al., 2009 12 Verlicchi et al. Impianti pilota MBR per il trattamento dei reflui ospedalieri 10 3 A Analgesics B Antibiotics Concentration [µ µ g L -1] 10 2 10 1 10 -1 tetracycline trimethoprim sulfamethoxazole penicillin V roxithromycin ofloxacin penicillin G norfloxacin erythromycin erythromycin H2O ciprofloxacin clarithromycin cefazolin cefotaxim cephalexin salicylic acid propyphenazone naproxen paracetamol ketoprofen mefenamic acid indomethacine dipyrone ibuprofen codeine 10 -3 diclofenac 10 -2 Fig. 11 Concentrazione di analgesici e antibiotici in reflui urbani grezzi Data from: Golet et al., 2002, 2003; D’Ascenzo et al., 2003; Carballa et al., 2004; Joss et al., 2005; Khan and Ongerth, 2005; Lindqvist et al., 2005; Xia et al., 2005; Nakada et al., 2006; Yu et al., 06; Foster, 2007; Gomez et al., 2007; Kim and Aga, 2007; Matamoros and Bajona, 2006, Matamoros et al., 2007a, b, 2008; Radjenovic et al., 2007, 2009; Ternes and Joss, 2006; Thomas et al., 2007; Santos et al., 2007; Gulkowska et al., 2008; Huerta-Fontela et al. 2008; Spongberg et al., 2008; Choi et al., 2008; Terzic et al., 2008; Gros et al., 2009; Ghosh et al., 2009; Kaspryzk-Hordern et al., 2009. Verlicchi et al. 13 Impianti pilota MBR per il trattamento dei reflui ospedalieri D E F G H I J K diltiazem C ranitidine Legend: C anticonvulsants D cytostatics E hormones F β-blockers G ICMs J antihypertensives K antihistamines L lipid regulators M detergents/antiseptics H AOX N stimulants L M I heavy metals O fragrances N O 10 3 Concentration [µ µ g L -1] 10 2 10 1 10 -1 10 -2 tonalide caffeine galaxolide triclosan gemfibrozil pravastatin bezafibrate clofibric acid atorvastatina mercury gadolinium platinum AOX iopamidol iopromide atenolol metoprolol propranolol sotalol estrone ethynilestradiol ifosfamide 17 β-estradiol estriol 10 -4 carbamazepine gabapentin valproic acid 10 -3 Fig. 12 Concentrazione di altri inquinanti emergenti nelle acque reflue urbane Data from: Kummerer et al., 1997b, 1998, 1999; Kummerer, 2001; Rule et al., 2006; Foster, 2007; da Silva Oliveira et al., 2007; Manhik et al., 2007; Thomas et al., 2007; Verlicchi et al., 2008; Weissbrodt et al., 2008; Suarez et al., 2009. Consumi idrici ospedalieri Lo studio condotto ha mostrato che i consumi idrici nell’ospedale del Delta sono di circa 670 L letto-1 d-1 e negli altri ospedali dell’area ferrarese variano fra 600 e 800 L letto-1 d-1. I dati di letteratura riferiti a ospedali di diversi Paesi (Tab. 6) indicano un range di variabilità compreso fra 340 e 1182 L letto-1 d-1. I consumi trovati si collocano a metà del range. Non è stata trovata alcuna correlazione significativa tra i consumi ospedalieri (L letto-1 d-1) e la potenzialità della struttura stessa (posti letto). Infine, dati di letteratura mostrano che la variazione nei consumi durante la giornata oscilla fra +20% (fra le 8 e le 16) e –30% (tra le 24 e le 8) (Joss et al., 2005) rispetto al valore medio. Nell’arco dell’anno, i maggiori consumi si registrano nei mesi estivi. 14 Verlicchi et al. Impianti pilota MBR per il trattamento dei reflui ospedalieri Tab. 6 Consumi di acqua nelle strutture ospedaliere Fonte Delta Altri ospedali area ferrarese Emmanuel, 2004 Emmanuel, 2004 UBC, Technical Guidelines, 08 Sarafraz, 2007 Metcalf & Eddy, 1991 Wangsaatmaja, 1997 Chawathe EPA, 2002 Altin, 2003 Consumo, L letto-1 d-1 670 700-800 750 970 680 Paese di riferimento Italia Italia Francia USA USA 362 738 1182 340 se < 100 letti 450 se > 100 letti 470-910 tipico 630 550-950 consigliato 600 Iran USA Tailandia India USA Turchia Rimozione dei diversi inquinanti con i sistemi MBR/MF, MBR/UF e sistemi a fanghi attivi Le rimozioni percentuali medie dei macroinquinanti ottenute con i sistemi MBR/MF, MBR/UF e SBR sono riportate nella Tab. 7. Le analisi relative ai microinquinanti farmaceutici sono riportate nella Tab. 8, mentre le figureFig. 13Fig. 14 mostrano la prima un confronto fra i rendimenti ottenuti in impianti MBR e a fanghi attivi convenzionali nella rimozione di macroinquinanti, la seconda nella rimozione di composti reclacitranti tra cui i farmaceutici. Tab. 7 Abbattimenti percentuali per i principali parametri di inquinamento Parametro SS, COD COD filtrato BOD5 NH4 Ptot Tensioattivi totali E. coli Verlicchi et al. Rimozioni percentuali MBR/MF MBR/UF SBR 91.8 96.9 70.4 91.5 91.1 72.7 87.4 73.9 96.9 97.1 91.9 97.8 28.2 25.6 2.9 36 14 83.7 76.6 99.8 99.993 60 15 Impianti pilota MBR per il trattamento dei reflui ospedalieri Tab. 8 Indagine sui microinquinanti farmaceutici scelti Composto, g L-1 CBZ Antibiotico CBZ Antibiotico CBZ Antibiotico CBZ Antibiotico Osped. 0.54 0.23 0.23 < 0.20 < 0.10 < 020 < 0.10 < 020 Permeato Chiarif. 0.52 < 0.20 < 0.10 < 020 0.25 0.28 < 0.10 < 020 0.26 0.30 BOD5 NH3 Ing. Dep. 1.05 3.57 0.53 < 0.20 < 0.10 < 020 < 0.10 < 020 Usc. Dep. 0.44 < 0.2 0.17 < 0.20 < 0.10 < 020 < 0.10 < 020 100 Rimozione percentuale dopo MBR 90 80 70 60 50 40 Dati lett. 30 MBR/MF MBR/UF 20 SBR 10 0 0 COD SS Fig. 13 Rimozione percentuale di alcuni macroparametri- Confronto con dati di letteratura. Dati di letteratura tratti da: Liu et al., 2010. Analizzando i dati relativi ai macroparametri, si nota che con i sistemi a membrana, si sono avuti rendimenti decisamente superiori rispetto al sistema biologico convenzionale (SBR); i migliori risultati si sono sempre avuti con le membrane da ultrafiltrazione. I pori di queste membrane, mediamente di 0.01 µm, riescono a trattenere più efficacemente rispetto ai pori di una membrana da MF la frazione sospesa dei solidi nella corrente che le attraversa. Nel permeato, la sostanza organica è praticamente solo quella disciolta (COD tal quale/COD filtrato circa 1). Dal punto di vista microbiologico, le membrane da MF hanno abbattuto mediamente 2-2.5 u.l. di E. coli, mentre le membrane da UF hanno sempre rimosso almeno 4 u.l. garantendo sempre un effluente con 16 Verlicchi et al. Impianti pilota MBR per il trattamento dei reflui ospedalieri meno di 10 E. coli/100 mL. I virus non sono stati ricercati in questa fase di studio. Un’analisi di quelli più presenti nelle acque reflue ha mostrato che sono solitamente di dimensioni 20-150 nm, pertanto ci si può aspettare che le membrane da UF testate,avendo dimensione dei pori inferiore, siano in grado di trattenerli Tab. 9. <10% 10-70% >70% 100 3 6 12 90 1 18 22 13 80 MBR elimination, % 20 24 15 70 4 8 60 25 21 50 2 30 23 5 7 40 9 16 14 19 20 10 10 17 0 11 0 10 20 30 40 50 60 CAS elimination, % 70 80 90 100 Legenda: 1-naproxen, 2-ketoprofen, 3-ibuprofen, 4-diclofenac, 5-indomethacin, 6-acetaminophen, 7-mefenamic acid, 8-propyphenazone, 9-ranitidine, 10- loratidine, 11-carbamazepine, 12- ofloxacin, 13- sulfamethoxazole, 14- erythromycin, 15- atenolol, 16- metoprolol, 17- hydrochlorothiazide, 18- glibenclamide, 19- gemfibrozil, 20- bezafibrate, 21- famotidine, 22- pravastatin, 23-sotalol, 24-propranolol, 25-trimethoprim. Fig. 14 Confronto fra le rimozioni medie di 25 composti farmaceutici ottenuti in impianti reali di tipo CAS e piloti MBR. Le rimozioni riportate per gli MBR derivano dalla media delle rimozioni di ogni composto ottenuto in MBR a fibre piane e fibre cave. Dati tratti da: Radjenovic et al., 2009 Tab. 9 Virus presenti nelle acque reflue ospedaliere e relative dimensioni Dimensioni Virus Dimensioni Virus Enterovirus 20-30 nm Norwalk 27-40 nm Adenovirus 70-80 nm Astrovirus 27-32 Rotavirus 60-80 nm Calicivirus 30-40 nm Parvovirus 20 nm Coronavirus 80-160 nm Reovirus 60-80 nm Relativamente ai composti farmaceutici, i pochi dati raccolti con questa sperimentazione e i risultati riportati in letteratura portano a ritenere gli Verlicchi et al. 17 Impianti pilota MBR per il trattamento dei reflui ospedalieri MBR con membrane da UF in grado di garantire una maggiore rimozione dei microinquinanti. Ciò è il risultato delle combinazione degli effetti della più “variegata” attività di degradazione biologica, dovuta alla maggiore età del fango, e della separazione tra fase solida e liquida, che risulta essere maggiore e più efficace attraverso la membrana. Inoltre l’indagine sui composti farmaceutici, carbamazepina e cefazolina, ha evidenziato che la presenza nel refluo ospedaliero è strettamente legata ai consumi effettivi dei prodotti che sono variabili nel corso dell’anno come mostrato nelle Fig. 15 e Fig. 16. Per esempio nei campioni prelevati a dicembre CBZ, e cefazolina sono sempre risultate al di sotto del loro limite di rilevabilità: inaspettatamente, nei mesi invernali i consumi medi mensili presso l’ospedale sono inferiori della media mensile su base annua. Nei prelievi di settembre e di gennaio, CBZ e cefazolina risultavano maggiori nel permeato e nel chiarificato rispetto al refluo ospedaliero. Questo può essere giustificato dal fatto che i prelievi sono stati istantanei e non mediati sulle 24 ore e comunque non tenevano in considerazione l’effettivo tempo di ritenzione idraulico. 50 120 100 80 Variazione % sul valore medio mensile Variazione % sul valore medio mensile 140 Utenza civile; valore medio: 18.7 kg/mese Utenza ospedaliera; valore medio: 1.45 kg/mese 60 40 20 0 -20 -40 -60 30 10 -10 -30 Utenza civile; valore me dio: 0.31 kg/mese -50 Utenza ospedaliera; valore me dio: 1.20 kg/mese -70 Gen -80 Gen Feb Mar Apr Mag Giu Lug Ago Set Ott Mese Feb Mar Apr Mag Giu Lug Ago Set Ott Nov Fig. 15 Variazioni mensili nei consumi civili e ospedalieri di carbamazepina Dic Mese Fig. 16 Variazioni mensili nei consumi civili e ospedalieri di cefazolina Considerazioni sul trattamento più appropriato per un refluo ospedaliero Nei casi in cui la componente ospedaliera rappresenti una percentuale significativa (> 25%) del refluo in ingresso al depuratore, e/o il corpo idrico ricettore sia destinato a scopi irrigui o ricreazionali, sarebbe opportuno adottare trattamenti spinti di degradazione chimica e biologica e di separazione, quali sistemi biologici a membrana, ozonazione, sistemi di ossidazione avanzata. La possibilità di biodegradare le sostanze più persistenti dipende dalla disponibilità di un numero sufficiente di 18 Nov Verlicchi et al. Impianti pilota MBR per il trattamento dei reflui ospedalieri specifici microrganismi e dal loro tempo di acclimatazione. Età del fango sufficientemente elevate (almeno 25-30 d) favoriscono il verificarsi di queste condizioni necessarie, anche se non sono sempre sufficienti a completarne la degradazione (Joss et al., 2004). Alcuni composti farmaceutici, oltre a batteri di piccole dimensioni e a virus tendono ad adsorbire/absorbire sulla superficie dei solidi all’interno del reattore biologico. Una filtrazione attraverso una membrana UF, per le piccole dimensioni dei pori che la caratterizza riesce a trattenerli efficacemente. Pertanto i sistemi MBR con membrane da UF rappresentano una tecnologia adeguata al trattamento di reflui ospedalieri per i meccanismi biologici, chimici e fisici che si attivano all’interno del reattore. Bisogna tuttavia segnalare che alcuni composti farmaceutici non sono trattenuti dai sistemi a membrana, p.es. quelli dalle molecole più complesse o contenenti particolari gruppi (Wen et al., 2004, Pauwels et al., 2006b, Bouju et al., 2008) in quanto rimangono in fase disciolta e non sono trattenuti dalla membrana. Molti studi quali (Ternes et al., 2004), (Pauwels et al., 2006), (Jones et al., 2004) e lo stesso progetto europeo Poseidon (Ternes et al., 2006) cui hanno partecipato diversi gruppi di ricerca europei, concordano nella necessità di dover prestare una maggiore attenzione alla natura chimica e microbiologica del refluo in esame (l’ospedaliero) e al suo carico inquinante più difficile da trattare per le intrinseche caratteristiche qualiquantitative nella fase di scelta dei trattamenti di depurazione più adeguati in vista anche del recapito finale e della sua destinazione d’uso. CONCLUSIONI I reflui ospedalieri rappresentano una delle principali fonti di microinquinanti per la presenza di composti farmaceutici o loro metaboliti persistenti e altri inquinanti legati alla struttura stessa. Ciononostante, sono da sempre assimilati ai reflui civili, immessi in pubblica fognatura solitamente previa disinfezione con ipoclorito di sodio e successivamente trattati presso l’impianto di depurazione locale congiuntamente coi reflui civili. Lo studio condotto ha mostrato che il refluo ospedaliero ha una maggiore contenuto dei macroinquinanti. Per quanto riguarda i microinquinanti, si è trovato che le loro concentrazioni variano durante l’anno; per alcuni composti il refluo civile può avere concentrazioni maggiori rispetto all’ospedaliero e che non sempre è possibile una efficace rimozione biologica anche con sistemi a membrane. Verlicchi et al. 19 Impianti pilota MBR per il trattamento dei reflui ospedalieri Tuttavia, in assenza di una specifica normativa che disciplini il trattamento dei reflui ospedalieri, per la vasta gamma di microinquinanti che possono essere presenti nel refluo ospedaliero, si ritiene che il trattamento più adeguato debba includere una degradazione spinta sia di tipo biologico che di tipo chimico come pure una efficace separazione fisica dei solidi sospesi dalla fase liquida trattata. I sistemi biologici a membrane favoriscono e promuovuono i processi chimici, fisici e biologici, efficaci ai fini della rimozione e degradazione di molte tipologie di microinquinanti, di batteri e di virus. Data la grande varietà dei microinquinanti presenti in un effluente ospedaliero, anche una degradazione chimica mediante ozonazione o ossidazione avanzata (O3 + UV) costituisce un completamento al trattamento al fine di ridurre l’impatto sul corpo idrico ricettore, specie in relazione alla sua destinazione d’uso. Si vuole infine segnalare che l’attenzione è stata finora prevalentemente rivolta alla qualità dell’effluente trattato. Tuttavia non bisogna dimenticare che anche i fanghi di depurazione richiedono trattamenti adeguati e in grado di rimuovere inquinanti persistenti, quali composti farmaceutici ancora potenzialmente attivi, virus e batteri i cui tempi di sopravvivenza in molti casi possono essere particolarmente lunghi. RINGRAZIAMENTI Si ringraziano per la fattiva collaborazione l’Ing. Graldi e l’Ing. Borea di ATO6 Ferrara, l’Ing. Alberani, il Dott Fersini, la Dott.ssa Campi e il geom. Sireus dell’USL di Ferrara, l’Ing. Beccati e la Dott.ssa Antonioli della Direzione tecnica del S.Anna, l’Ing. Bariani, la Dott.ssa Benvenuti, il Dott. Gnudi, il Dott. Della Muta del CADF, il Dott. Baraldi, il Dott. Mari di HERA Ferrara; per aver messo a disposizione gli impianti pilota e per l’assistenza il geom. Cattin e il p.ch. Brugiolo della ditta Ser.Eco s.r.l. BIBLIOGRAFIA PRINCIPALE 1. 2. 20 Altin A., Altin S., Degirmenci M., (2003). Characteristics and treatability of hospital (medical) wastewaters, Fresenius Environmental Bulletin, 12, 9, 1098–1108 Andreozzi R., Canterino M., Marotta R., Paxeus N., (2005). Antibiotic removal from wastewaters: the ozonation of amoxicillin, Journal of Hazardous materials, 122, 243-250. Verlicchi et al. Impianti pilota MBR per il trattamento dei reflui ospedalieri 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. Bouju H., Buttiglieri G., Malpei F., (2008). Perspectives of persistent organic pollutant (POPS) removal in an MBR pilot plant, Desalination, 224, 1-6. 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