Stripping all'aria (air stripping)

Principio di funzionamento

Lo stripping all'aria sfrutta la legge di Henry: per un dato composto a temperatura fissa, all'equilibrio il rapporto fra concentrazione in fase gas e concentrazione in fase liquida è costante (costante di Henry H, espressa in [atm·m³/mol] o adimensionale). Composti con H elevata (alta volatilità relativa, es. benzene, TCE, PCE) si trasferiscono facilmente in aria; composti con H bassa (es. MTBE, acetone) richiedono colonne più grandi o temperature elevate.

La configurazione standard è una colonna verticale in cui l'acqua entra in alto e viene distribuita su un riempimento (anelli di Raschig, Pall, riempimenti strutturati in polipropilene o acciaio inox); contemporaneamente dal basso entra aria ambiente (aspirata da un ventilatore o spinta da un soffiante) in flusso controcorrente. Il contatto intimo aria-acqua nel riempimento, con tempo di contatto di 30–120 secondi, trasferisce i volatili dalla fase liquida alla fase gas. L'acqua bonificata esce dal fondo della colonna, l'aria carica esce dall'alto e viene scaricata in atmosfera (se concentrazioni e normative lo consentono) o trattata con GAC, ossidazione termica o biofiltrazione.

Cosa rimuove e cosa NON rimuove

Lo stripping è una tecnologia altamente selettiva: efficace ed economica per composti volatili, sostanzialmente inutile per il resto. La selezione del trattamento richiede sempre una caratterizzazione analitica accreditata dei composti presenti e della loro costante di Henry.

• Rimuove molto bene (H > 100 atm·m³/mol): tetracloroetilene (PCE), tricloroetilene (TCE), dicloroetilene, benzene, toluene, xilene, etilbenzene, cloruro di vinile, radon, H₂S, CO₂.
• Rimuove bene (H tra 1 e 100): cloroformio, MTBE in colonne ben dimensionate, esano, acetone (parzialmente), ammoniaca a pH >10–11.
• Rimuove con difficoltà (H < 1): alcoli a basso peso molecolare, acidi organici, urea, ammoniaca a pH neutro (presente come NH₄⁺ non volatile).
• NON rimuove: sali, metalli pesanti, nitrati, PFAS, pesticidi a bassa volatilità (atrazina, clorpirifos), composti organici non volatili (carbamazepina, sucralosio), microorganismi.

Specifiche progettuali

I parametri chiave sono il rapporto aria/acqua (Air/Water ratio, A/W), tipicamente 20:1 fino a 100:1 in volume a seconda della costante di Henry del contaminante e dell'efficienza target; l'altezza del riempimento (Height of Transfer Unit, HTU, 0,3–1,5 m per le strutture moderne); il numero di unità di trasferimento (Number of Transfer Units, NTU, 2–6 per rimozioni dell'80–99%). Per VOC molto volatili (TCE) con target di rimozione 99% bastano colonne da 3–4 m con A/W 30:1; per MTBE con stesso target servono colonne da 6–8 m con A/W 100:1.

L'iniezione di aria può essere a flusso controcorrente (configurazione classica, massima efficienza), equicorrente (più semplice ma meno efficiente) o cross-current (per grandi portate). I riempimenti più diffusi sono strutturati (Mellapak, Flexipac) per impianti civili e random (anelli plastici da 25–50 mm) per impianti più piccoli. La velocità superficiale dell'aria si mantiene sotto la velocità di flooding (tipicamente 1,5–3 m/s) per evitare instabilità idrauliche.

Pre-trattamento e trattamento aria

In acque con ferro >0,3 mg/L o calcio elevato è opportuno un pre-trattamento per evitare scaling del riempimento e perdita di superficie attiva. Per stripping di ammoniaca è obbligatorio alcalinizzare l'acqua a pH 10–11 con dosaggio di NaOH per convertire NH₄⁺ in NH₃ molecolare volatile; questo richiede successivamente neutralizzazione con HCl o CO₂ in acqua di acquedotto.

L'aria di scarico ricca di VOC va trattata se le concentrazioni superano i limiti di emissione del D.Lgs. 152/2006 (Allegato 1 alla Parte Quinta). Le tecnologie di trattamento aria più diffuse sono il GAC (filtro a carbone attivo, semplice ma con costi di sostituzione/rigenerazione del carbone), l'ossidazione termica catalitica (efficiente ma costosa in CAPEX), la biofiltrazione (per VOC biodegradabili a basse concentrazioni). Per H₂S si preferisce lavaggio chimico con NaOH+NaClO. Per radon, generalmente, la diluizione atmosferica è sufficiente data la bassa concentrazione.

Manutenzione e vita utile dei componenti

Il riempimento ha vita utile di 15–25 anni in plastica PP/PVDF e 20–30 anni in acciaio inox. Il ventilatore/aspiratore richiede manutenzione di cuscinetti e tenute ogni 2–3 anni, sostituzione del motore ogni 10–15 anni. La pulizia del riempimento si fa con lavaggi a controcorrente con acqua o leggermente acidificata (acido citrico) ogni 1–2 anni per rimuovere scaling e biofouling. Le sonde di monitoraggio della qualità in uscita (VOC online, H₂S) vanno calibrate trimestralmente.

Il GAC sull'aria di scarico (se presente) ha vita utile di 6–24 mesi a seconda della concentrazione di contaminante in ingresso al GAC. Va monitorato analiticamente per verificare il breakthrough e schedulare la sostituzione o la rigenerazione termica.

Economia del trattamento

Per uso domestico/pozzo (1–3 m³/h) con problema di H₂S o radon, il CAPEX è 3.000–9.000 € installato. L'OPEX è dominato dall'energia del ventilatore (50–150 W in funzionamento continuo): circa 50–120 €/anno di energia + 100–200 €/anno di manutenzione. Costo totale a 5 anni: 4.000–11.000 €, competitivo rispetto a ozono o ferro/manganese su pirolusite per il problema specifico H₂S.

Per impianti civili (5–20 m³/h) con problema VOC, il CAPEX di 25.000–80.000 € si confronta favorevolmente con GAC (più semplice ma con costi di sostituzione del carbone elevati per VOC ad alta concentrazione) e con ossidazione avanzata (CAPEX e OPEX più alti). Il costo di trattamento si attesta su 0,10–0,40 €/m³ se non è richiesto il trattamento aria, sale a 0,30–0,80 €/m³ con GAC sull'emissione.

Applicazioni e casi italiani

In Italia lo stripping all'aria è impiegato in diversi acquedotti del Nord Italia per la rimozione di solventi clorurati (TCE, PCE) di origine industriale legacy: aree di Sesto San Giovanni, Cinisello Balsamo (Milano), zone del Veronese e del Padovano. È utilizzato anche per la rimozione di H₂S in pozzi profondi della pianura padana e dell'Appennino tosco-emiliano. Per il radon ha applicazione in alcune aree del Lazio meridionale e dell'Alto Adige dove i terreni vulcanici/granitici determinano concentrazioni significative.

In ambito industriale è la tecnologia base per il trattamento di acque di falda inquinate da solventi nei siti di bonifica (interventi di pump and treat con stripping in colonna), in particolare nei siti SIN (Siti di Interesse Nazionale) come Porto Marghera, Brindisi, Mantova. Per uso domestico è meno diffuso perché richiede installazione esterna e altezza significativa, ma cresce nel segmento agriturismi e B&B in zone collinari con problemi di idrogeno solforato.

Limiti tecnologici

I limiti principali sono: efficacia esclusivamente sui composti volatili (selezione del trattamento condizionata alla caratterizzazione analitica), necessità di gestire l'aria di scarico se contiene VOC sopra i limiti di emissione (costo aggiuntivo), sensibilità a fouling biologico in colonne con riempimento random e con sostanza organica nell'acqua, formazione di scaling in acque dure, impossibilità di rimuovere contaminanti non volatili o ionizzati (ammonio a pH neutro, PFAS, metalli).

Il rumore del ventilatore (60–75 dB a 1 m senza insonorizzazione) può essere problematico per installazioni domestiche in spazi abitati. La temperatura dell'aria ambiente influenza l'efficienza: con aria fredda (inverno) la costante di Henry aumenta e l'efficienza migliora, mentre con aria calda e umida (estate) l'efficienza può diminuire del 10–20% per i composti più volatili.

Confronto con alternative

Rispetto al GAC per rimozione VOC, lo stripping è economicamente vantaggioso a parità di efficienza quando le concentrazioni in ingresso sono elevate (>50–100 µg/L) e la portata è significativa (>2 m³/h): il GAC ha CAPEX inferiore ma OPEX più alto per sostituzione del carbone, mentre lo stripping ha CAPEX più alto ma OPEX dominato solo dall'energia. Il punto di break-even tipico è 0,5–1 €/m³ per OPEX GAC, oltre il quale lo stripping diventa più economico.

Rispetto all'ossidazione avanzata (AOP) per VOC: l'AOP distrugge il contaminante (no problema di trattamento aria) ma ha costi energetici molto più alti e richiede tecnologie complesse. Lo stripping trasferisce il problema in fase aria, che però è più facile e meno costoso da trattare con GAC rispetto alla fase acquosa. Per VOC ad alta concentrazione e portate elevate lo stripping resta la tecnologia di riferimento.

Conformità normativa

Per acque destinate al consumo umano i limiti rilevanti sono D.Lgs. 18/2023: somma di tetracloroetilene + tricloroetilene 10 µg/L, benzene 1 µg/L, cloruro di vinile 0,5 µg/L, idrogeno solforato non specificato come parametro chimico ma deve essere assente come soglia organolettica. Per il radon il limite di riferimento (Direttiva 2013/51/Euratom e D.Lgs. 28/2016) è 100 Bq/L con valore parametrico 1.000 Bq/L per acqua di rete pubblica.

Per le emissioni in atmosfera dell'aria di scarico si applica il D.Lgs. 152/2006 Parte Quinta. I limiti dipendono dalle classi di pericolosità dei contaminanti emessi (Classi I, II, III, IV per le sostanze organiche secondo Allegato I): per la maggior parte dei VOC clorurati si è in Classe III con limite 100 mg/Nm³ e flusso di massa significativo (>0,1 kg/h) che richiede autorizzazione. Le apparecchiature devono essere conformi al D.M. 25/2012 e marcate CE. Per i siti di bonifica si applica il D.Lgs. 152/2006 Parte Quarta Titolo V.