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
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INGEGNERIA,
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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.
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