I trattamenti biologici sono i metodi più usati per la depurazione delle acque, soprattutto di provenienza urbana, ma anche industriale.
Sono trattamenti basati sulla trasformazione da parte di microrganismi delle sostanze inquinanti organiche, in sostanze più semplici.
I trattamenti biologici coinvolgendo microrganismi, risultano alquanto complessi. Prima di trattare i vari tipi di trattamenti biologici è necessario accennare ai microrganismi coinvolti nella depurazione.

MICROORGANISMI COINVOLTI NELLA DEPURAZIONE
I batteri sono la classe di microrganismi che riveste la maggiore importanza nei processi di depurazione; tuttavia possono essere utilizzati nel trattamento delle acque anche alghe, virus, protozoi, rotiferi, funghi e muffe.
La presenza di tutte queste specie è strettamente dipendente dalle caratteristiche chimiche e fisiche del sistema ed è inoltre legata alle probabili interazioni fra microbi della stessa specie o di specie diversa.
Tali interazioni possono essere sia di tipo positivo (sinergismo, parassitismo) sia di tipo negativo (predazione, competitività).
I batteri sono organismi monocellulari eterotrofi, cioè devono assumere dall'esterno le sostanze organiche che non sono in grado di sintetizzare da soli.
Possono essere classificati in:

• aerobi, se per la loro sopravvivenza è necessaria la presenza di ossigeno;
  
• anaerobi, se per la loro sopravvivenza è necessaria l'assenza di ossigeno;
  
• facoltativi, quando possono vivere in entrambe le condizioni precedenti;
  
  Un'ulteriore classificazione basata sulla temperatura ambientale ottimale per la crescita di microrganismi li suddivide in:
  
  
• criofili (288,15 k)
  
• mesofili (298,15-313,15 k)
  
• termofili (323,15-333,15 k):

Il pH ottimale di crescita è compreso fra i valori di 6,5 e 7,5.
Tutti i microrganismi come ogni specie vivente, hanno bisogno di nutrimento per la crescita e la moltiplicazione.
Lo svolgimento di queste funzioni comporta un consumo di energia.
I processi depurativi per via biologica sfruttano proprio le necessità dei batteri di utilizzare sostanze organiche nutritive e sostanze organiche energetiche per soddisfare le loro esigenze.
La trasformazione delle sostanze presenti negli scarichi porta alla formazione di materia vivente (rappresentata dai batteri in crescita e moltiplicazione) e di materiali generalmente gassosi, prodotti dal metabolismo dei microrganismi.

Considerando un sistema chiuso, l'aumento del numero di microrganismi segue un andamento caratterizzato da diverse fasi.
Le prime due fasi consistono nell'attivazione degli enzimi da parte dei microrganismi; gli enzimi, definiti anche biocatalizzatori servono per l'attacco alle sostanze organiche.
La terza fase, detta di accrescimento esponenziale, è caratterizzata da un'enorme moltiplicazione di individui dovuta all'elevata concentrazione di nutrimento.
Nella quarta fase si assiste dapprima a un rallentamento e successivamente a un arresto della crescita della colonia dovuto all'esaurimento del materiale nutritizio. L'ultima fase consiste nell'autodistruzione dei microrganismi che, non avendo più a disposizione nutrimento esterno, consumano il loro stesso protoplasma autodistruggendosi.
I sistemi di depurazione biologici utilizzati, possono essere suddivisi in trattamenti aerobici e anaerobici.
Nel primo caso i microrganismi eterotrofi traggono dal carbonio contenuto nella sostanza organica la loro energia, formando anidride carbonica con l'ossigeno, e lo usano come materia prima per la sintesi cellulare.
Nel secondo caso, in assenza di ossigeno, i microrganismi eterotrofi traggono energia direttamente dalla demolizione dei composti organici.
I processi aerobici hanno la caratteristica di utilizzare l'ossigeno per creare condizioni favorevoli a mantenere una corretta attività dei microrganismi.
Il risultato è la formazione di una massa fioccosa biologica, che secondo la tipologia dell'impianto si dispone in determinate zone al suo interno.
Questa massa aggrega le particelle colloidali del liquame e adsorbe sostanze disciolte di altro genere.
Perché questa massa biologica si mantenga attiva è necessario che la concentrazione di ossigeno disciolto si mantenga sempre sopra ad una specifica concentrazione e poiché il consumo di ossigeno è molto elevato, questo deve essere prodotto artificialmente a mezzo di apposite apparecchiature.

LETTI PERCOLATORI
Il sistema a letti percolatori è stato il primo a consentire rese elevate.
I letti percolatori sono costituiti da una struttura cilindrica, di altezza variabile da un metro ad alcuni metri, riempita con pietre della grandezza di 4-8 centimetri o con manufatti in plastica che possono presentare forme diverse.
La presenza del materiale di riempimento consente di ottenere un'elevata superficie, lasciando contemporaneamente ampi spazi per la percolazione del liquido.
L'acqua da trattare, che deve essere stata sottoposta ad una sedimentazione primaria, viene immessa dall'alto e viene distribuita da un braccio munito di ugelli il cui movimento rotatorio è dovuto alla spinta impressa dall'acqua che fuoriesce e scorre sulle superfici del materiale di riempimento fino al fondo della struttura.
L'acqua scorre sulle pietre senza mai riempire completamente lo spazio a disposizione, in modo da favorire la circolazione dell'aria.
L'acqua che si raccoglie nella parte inferiore insieme alle particelle, formate dai batteri che si staccano dalle superfici del materiale di riempimento, viene inviata ad un sedimentatore che separa l'acqua dal fango.
In un letto percolatore, subito dopo l'attivazione, la superficie delle pietre e dei manufatti è pulita, ma con lo scorrere dell'acqua si comincia a formare una pellicola di batteri aerobi.
Con il trascorrere del tempo, sulle superfici del pietrisco si forma una pellicola dello spessore di 1-3 millimetri costituita da microrganismi che adsorbono i materiali organici trasportati dal liquame.
Con il trascorrere delle fasi di depurazione si forma un ispessimento della pellicola tanto che nella parte aderente al supporto si forma uno strato nel quale prevalgono i fenomeni anaerobici.
Successivamente, poiché le fermentazioni anaerobiche producono prodotti gassosi, la pellicola biologica si stacca dalla superficie lasciandola libera per poter ricominciare un altro ciclo.
Poiché la zona superiore del letto sopporta la maggiore parte organica del carico organico, sulle pietre superficiali si formano le pellicole più spesse.
Il dimensionamento di un letto percolatore dipende dalla velocità di rimozione della sostanza organica da parte dei microrganismi.
Tale velocità è influenzata non solo da fattori chimico-fisici (ph, quantità di ossigeno, presenza di sostanze tossiche, presenza di sali minerali), ma soprattutto dalla quantità di microrganismi presenti nel reattore.
Non è facile stabilire il peso della massa batterica presente, tuttavia questa risulta correlata alla superficie del materiale di supporto, per cui conoscendo il carico di BOD5 che si vuole abbattere si può risalire alla superficie necessaria utilizzando curve sperimentali.
I letti percolatori oltre ad avere un basso costo di esercizio, possono sopportare una certa oscillazione di concentrazione e composizione dell'acqua reflua.
Richiedono però un dislivello rispetto alla vasca di sedimentazione primaria, se si vuole inviare l'acqua dall'una all'altro, senza ricorrere a pompe; inoltre presentano il difetto di attirare insetti ed emettere cattivo odore.

DISCHI BIOLOGICI
E' un sistema in cui il pietrisco presente nei letti percolatori è costituito da una serie di dischi in polietilene (ruotanti lentamente attorno ad un albero alla velocità di tre giri al minuto), in numero di 150-200, spessi 10-12 mm., del diametro di tre mm., distanziati tra loro di circa 20 cm.
I dischi sono immersi per il 40 % nella vasca dove scorrono continuamente i liquami e i microrganismi si sviluppano su di essi, ricoprendoli.
Rispetto al sistema dei letti percolatori sono in movimento sia il liquame sia il pietrisco e questo presenta un doppio vantaggio: è efficace anche per depurare acque fortemente inquinate e inoltre eventuali sostanze tossiche presenti distruggono solo i microrganismi che rivestono i primi dischi investiti dall'acqua reflua.
E' un sistema adatto per depurare liquami di differente carico inquinante.

FOSSA SETTICA
La vasca settica è una vasca di sedimentazione delle acque di rifiuto destinata a trattenere le sostanze solide dalle acque di rifiuto immesse in essa tanto a lungo da consentire un'adeguata decomposizione del fango.
Perciò, questa unità svolge due processi: sedimentazione e degradazione biologica del fango.
Quando le acque di rifiuto entrano in questo tipo di vasca, la sedimentazione avviene nella parte superiore, permettendo di scaricare dalla vasca un liquido contenente una minore quantità di sostanze solide in sospensione.
Le sostanze solide sedimentate vengono sottoposte alla degradazione per opera di batteri anaerobi, e quindi i prodotti finali sono ancora più instabili, per esempio hanno un elevato BOD ed emanano odori.
L'effluente che esce dalla fossa settica è distribuito sulla superficie del suolo attraverso un campo di smaltimento.
Le fosse settiche sono il metodo più soddisfacente per smaltire le acque di rifiuto prodotte da piccole installazioni, in particolare da singole abitazioni e fabbricati rurali isolati, che non sono ,allacciati alla fognatura pubblica.
Però, non assicurano l'eliminazione dei microrganismi patogeni trasportati dalle acque di rifiuto; è quindi indispensabile impedire che l'effluente della fossa settica si infiltri nelle acque destinate agli usi alimentari e domestici.
La fossa settica è un trattamento di tipo anaerobico.

STAGNI OSSIDATIVI
Riproduce il processo di autodepurazione attuato in natura dalle acque stagnanti; si tratta di ampi bacini (dall'ampiezza di varie decine di migliaia di mq, profondi fino a 5 m.) nei quali viene immessa l'acqua da depurare addizionata con batteri aerobi e alghe.
Tra questi microrganismi si instaura una sorta di simbiosi: i primi ossidano la sostanza organica e formano sostanza inorganica che viene assimilata dalle alghe le quali effettuano la fotosintesi, sintetizzando composti organici e liberando ossigeno utile per i batteri; quindi anche la luce solare apporta il proprio contributo ai fini del funzionamento del sistema.
L'acqua permane nello stadio per lunghi periodi, e a poco a poco si depura per l'azione ossidativa dei batteri e delle alghe; nella parte più profonda dello stagno prevale, a causa della carenza di ossigeno, l'azione dei microrganismi anaerobi.
E' un processo discontinuo, valido per le aziende che scaricano periodicamente acqua inquinata che può comunque permanere anche per lunghi periodi negli stagni.

SISTEMA A EVAPOTRASPIRAZIONE
I suoli in cui l'acqua percola molto lentamente o i suoli in cui la superficie della falda freatica è molto alta non costituiscono un ambiente adatto per lo smaltimento dell'effluente di una camera di digestione quale la fossa settica.
Il sistema a evapotraspirazione fornisce un metodo per lo smaltimento dell'effluente quando non si può usare l'infiltrazione del suolo.
Il letto di evapotraspirazione è contenuto all'interno di una pellicola di plastica impermeabile perché l'effluente liquido non possa infiltrarsi nel suolo.
Lo smaltimento delle acque di rifiuto avviene attraverso l'evaporazione e attraverso la traspirazione (attraverso la vegetazione che ricopre il letto).
Il progetto del letto di evapotraspirazione, consente una vigorosa attività aerobica dei microrganismi per effetto della quale le sostanze presenti nelle acque di rifiuto vengono ossidate.
Un'altra caratteristica di questo sistema è il fatto che la vegetazione piantata sul letto di evapotraspirazione viene rifornita delle sostanze nutritizie immesse nelle acque di rifiuto o dei prodotti dell'attività microbiologica.
Il sistema descritto è un sistema aerobio.

IMPIANTO A FANGHI ATTIVI
Sono state date varie definizioni più o meno complesse dei fanghi attivi, ma per la comprensione dei fenomeni che interessano nella tecnica pratica basta la breve ed espressiva definizione: " i fanghi attivi sono la materia organica delle acque di fogna trasformata dai microrganismi in presenza dell'ossigeno dell'aria ".
Essi sono costituiti da una materia mucillaginosa nella quale vivono grandi quantità di batteri e protozoi.
Le parti essenziali di un impianto a fanghi attivi sono una vasca di aerazione e una vasca di sedimentazione finale.
Nel periodo di avviamento di una vasca di aerazione, periodo che varia a seconda della stagione (più breve d'estate che d'inverno), il liquame, in generale un effluente di sedimentazione, viene tenuto in continua agitazione e posto in contatto con un'abbondante quantità d'aria, insufflata con dispositivi diversi, la quale alimenta la vita dei microrganismi che si sviluppano in grandissimo numero, agglomerandosi in caratteristici fiocchi mucillaginosi.
Questi fiocchi esercitano una funzione analoga a quella della pellicola che ricopre gli elementi dei percolatori, trattenendo ed elaborando la materia organica contenuta nel liquame sotto forma colloidale o disciolta.
La differenza formale fra i due tipi di impianti consiste nel supporto microbico, che nei percolatori è costituito dal materiale filtrante e nelle vasche di aerazione dagli stessi fiocchi di fango.
Compiuto il periodo di avviamento, l'effluente che viene man mano introdotto nella vasca si trova subito a contatto con i fanghi attivi, i quali ne assorbono la maggior parte delle materie organiche non sedimentabili.
Una portata pari a quella dei liquami in arrivo passa contemporaneamente nella vasca di sedimentazione finale.
L'effetto immediatamente accertabile del procedimento è quello della rapida sedimentazione dei fiocchi di fango attivo, i quali si raccolgono nel fondo della vasca di sedimentazione, mentre alla superficie, da apposite bocche a stramazzo, passa nel canale di scarico un effluente più o meno limpido, a seconda dell'efficienza depurativa dipendente da vari fattori.
Questa trasformazione delle materie disciolte in materie sedimentabili, è il principale risultato pratico dal punto di vista tecnico, perché permette di rendere limpido il liquame contenente sostanze che nessun procedimento meccanico o chimico potrebbe eliminare in maniera relativamente economica.
Essa, con la produzione di fiocchi sedimentabili, permette quella separazione della sostanza organica che costituisce l'effetto più appariscente del metodo, ma naturalmente è accompagnata da altre trasformazioni, di natura chimica e biologica, che conferiscono al liquame effluente le sue speciali caratteristiche costitutive.
Infatti l'assorbimento delle materie organiche contenute nel liquame, dando luogo alla chiarificazione, dà anche luogo ad una contemporanea diminuzione di germi nel liquame stesso. Inoltre, successivamente a questo fenomeno essenzialmente fisico, del passaggio di materie organiche dalla massa del liquame a fiocchi di fango attivo, si hanno reazioni ossidanti per cui dalle sostanze carbonate o azotate derivano anidride carbonica, nitriti e nitrati.
Contemporaneamente si ha una diminuzione più o meno grande dell'azoto ammoniacale e dell'azoto organico originariamente contenuti nel liquame effluente della sedimentazione.
A regime stabilito un impianto di fanghi attivi funziona nel seguente modo:
l'effluente chiarificato dalla prima sedimentazione viene immesso nella vasca di aerazione attraverso una bocca di entrata, mentre, attraverso una bocca di uscita, situata all'estremo opposto, una uguale quantità di miscuglio (liquame e fanghi attivi) si versa nella vasca di sedimentazione finale.
Contemporaneamente una pompa riporta nella vasca di aerazione una determinata quantità di fango, aspirato dal fondo della vasca di sedimentazione finale.
A questo fango si dà il nome di fango di ritorno.
Di tanto in tanto è necessario asportare dalla vasca di sedimentazione anche una certa quantità di fango che non viene più rimesso in circolazione ma si manda nei canali uscenti dalla prima sedimentazione, in modo da fargli seguire la sorte dei fanghi freschi contenuti nel liquame.
A questo fango che non si utilizza più nel processo ossidativo si dà il nome di fango di supero. Alle due vasche che costituiscono le parti essenziali dell'impianto vanno dunque aggiunti, per completare l'impianto stesso, gli organi di estrazione del fango di ritorno e del fango di supero.
L'uso delle pompe di emulsione è preferito perché permette di mantenere il fango intensamente aerato, che è molto importante, specialmente per il fango di ritorno che ha il compito di reintegrare la massa dei fiocchi contenuta nella vasca di aerazione.
I sistemi di aerazione del miscuglio liquame e fanghi attivi differiscono sensibilmente gli uni dagli altri, e le loro caratteristiche hanno una sensibile influenza sulla progettazione dell'impianto e sull'efficienza di depurazione.
Nei metodi di aerazione meccanica la superficie di contatto tra l'aria e l'acqua viene ampliata quanto più possibile frammentando l'acqua in minutissime goccioline che vengono spruzzate nell'atmosfera, dove assorbono l'ossigeno per poi ricadere nella massa liquida.
Nei metodi di insufflamento di aria compressa invece l'ampliamento della superficie di contatto tra gas e liquido si ottiene cercando di introdurre nell'acqua, ad un'opportuna profondità, delle bollicine d'aria aventi un diametro quanto più piccolo possibile.
Si deve tuttavia osservare che, se da una parte lo sviluppo di bolle d'aria minutissime facilita la dissoluzione dell'ossigeno nell'acqua, viene tuttavia meno, in una certa misura, un altro effetto importante dell'aria compressa, ossia quello di rimescolare opportunamente il miscuglio liquame e fango attivo.
L'efficacia dell'aerazione è influenzata da vari fattori. Ad esempio, la turbolenza del liquido ha un effetto favorevole, perché fa aumentare la superficie di contatto gas-acqua.
Anche la profondità di immissione dell'aria o dell'ossigeno ha la sua importanza; infatti, aumentando la profondità, aumenta anche il tempo di contatto effettivo tra le bollicine del gas e l'acqua. Per profondità da 1 a 5 m. l'efficacia di aerazione si può ritenere circa proporzionale alla profondità.
Il tempo di ritenzione nella vasca di aerazione, negli impianti a fanghi attivi di tipo convenzionale, si aggira sulle 4-12 ore, mentre la vasca di sedimentazione finale ha una capacità di 4 ore circa.
La concentrazione del fango deve essere 2-3 g/l; tale concentrazione si può controllare regolando la quantità di fango di ritorno, ossia del fango sedimentato che si ripompa nella vasca di aerazione.
Un grave inconveniente che si verifica talvolta negli impianti a fanghi attivi è quello del cosiddetto bulking, ossia letteralmente "rigonfiamento"; questo fenomeno viene paragonato ad una malattia.
Quando il fango si ammala di bulking diventa inadatto alla sua funzione depurante perché perde le sue qualità adsorbenti ed ossidanti, e sedimenta molto difficilmente.
L'effluente diventa opalino e porta con sé numerosi fiocchi e il volume del fango nella vasca di sedimentazione finale cresce fortemente.
Il fenomeno del bulking è stato studiato da diversi ricercatori, ma le sue cause non sono state ancora chiarite del tutto.
Sembra che l'eccessiva permanenza del fango nella vasca di sedimentazione finale, l'aerazione insufficiente od eccessiva, la concentrazione del fango troppo elevata, l'esistenza di zone di scarsa aerazione, la presenza di sostanze grasse o di particolari tipi di reflui industriali, possano avere una sensibile influenza nella genesi di questo indesiderabile fenomeno.