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<strong>PROCESSI</strong> <strong>DEPURATIVI</strong><br />
DEPURAZIONE BIOLOGICA DI ACQUE REFLUE (liquami domestici)<br />
Il contenuto di sostanza organica di un liquame viene caratterizzato<br />
mediante il BOD (Biochemical Oxygen Demand) ed il COD (Chemical<br />
Oxygen Demand).<br />
Il BOD esprime la quantità di ossigeno (mg) consumata da una flora<br />
batterica per metabolizzare la sostanza organica (carbonio organico)<br />
biodegradabile contenuta in un litro di liquame.<br />
Il COD esprime la quantità di ossigeno (espressa in mg) necessaria<br />
per ossidare chimicamente (con K 2Cr 2O 7 e H 2SO 4 a caldo per 2 ore)<br />
la sostanza organica presente nel liquame.<br />
1
Il BOD, rappresenta quindi una misura indiretta del contenuto di<br />
materia organica biodegradabile presente in un campione d'acqua.<br />
Può essere usato per stimare le qualità generali dell'acqua e il suo<br />
grado di inquinamento ed è un parametro usato nella gestione della<br />
qualità dell'acqua e nella depurazione.<br />
Alcune sostanze possono essere ossidate chimicamente, ma non<br />
biologicamente, e quindi, in genere, il COD è maggiore del BOD.<br />
Anche se meno facilmente correlabile con il contenuto di materia<br />
organica, il COD ha il vantaggio di essere misurabile in tempi molto<br />
brevi.<br />
BOD e COD sono indicatori “grossolani” della composizione del<br />
liquame, ma forniscono un dato facile da ottenere e direttamente<br />
correlabile con il grado di inquinamento di un’acqua di scarico.<br />
2
Il BOD misura un consumo di ossigeno da parte di<br />
microrganismi a una temperatura fissata e in un periodo di<br />
tempo determinato.<br />
Per assicurare che le condizioni siano ripetibili, in ogni<br />
campione d'acqua da analizzare viene inoculata una quantità<br />
molto piccola di microrganismi.<br />
L'inoculo consiste solitamente in fanghi attivi diluiti<br />
opportunamente con acqua deionizzata. Il test può avere<br />
differenti durate, comunemente il periodo d'analisi è di<br />
cinque giorni (al buio per impedire che si sviluppino reazioni<br />
di fotosintesi che generino ossigeno) a 20°C, BOD 5 20 , ma in<br />
alcuni casi vengono svolti test con periodi diversi.<br />
3
BOD - Metodo per diluizione<br />
Il test del BOD viene effettuato diluendo un campione dell'acqua da<br />
analizzare con acqua deionizzata satura di ossigeno, inoculando una<br />
quantità fissata di microrganismi, sigillando il campione (per<br />
impedire che altro ossigeno passi in soluzione) e quindi<br />
conservandolo al buio, alla temperatura di 20 °C per tutta la durata<br />
del test (solitamente 5 giorni) e al termine di questo periodo viene<br />
misurato l'ossigeno disciolto residuo (A = O inizio - O fine).<br />
Parallelamente si effettua la misura su un campione “bianco”, ovvero<br />
non contenente i liquami ed anche di questo si misura l’ossigeno<br />
disciolto residuo (B).<br />
BOD n (mg/l) = (A) x FD - (B)<br />
dove:<br />
FD = Fattore di diluizione del campione<br />
4
BOD - Metodo respirometrico<br />
Il campione viene inserito in un contenitore dotato di manometro<br />
differenziale e sigillato ermeticamente per evitare scambi di<br />
ossigeno.<br />
Nel corso della degradazione biologica del contenuto organico si<br />
ha consumo di ossigeno, e ciò genera una depressione nel gas,<br />
misurata dal manometro.<br />
Se preventivamente tarato, il manometro restituisce<br />
immediatamente il valore di BOD del campione. In questo test è<br />
presente un'interferenza legata alla produzione di anidride<br />
carbonica; viene quindi aggiunta alla fase gassosa della potassa<br />
caustica che sottrae chimicamente la CO 2.<br />
5
La totale ossidazione della sostanza organica ha luogo in un<br />
periodo di tempo di circa 20 giorni.<br />
6
Di norma, si assume che il valore BOD 5 rappresenti il 70% della<br />
richiesta complessiva di ossigeno, che si può pertanto ricavare<br />
estrapolando il BOD 5.<br />
L’andamento delle reazioni di consumo dell’ossigeno operate dai<br />
microrganismi, in realtà, non è costante.<br />
Per conoscere in modo più preciso come esse decorrano, si<br />
possono effettuare misurazioni della quantità di ossigeno dopo<br />
sole 24, 48 ore dal momento iniziale della prova.<br />
L’ossidazione completa dei composti organici spesso richiede<br />
molti giorni (si ritiene che il BOD a 20 giorni possa esprimere<br />
con buona approssimazione l’ossigeno totale richiesto).<br />
7
La misurazione del BOD effettuata con il metodo diretto risulta<br />
adatta all’esame di acque che si suppongono poco inquinate,<br />
dotate di una certa popolazione batterica e il cui carico di<br />
inquinanti sia sostanzialmente di natura organica.<br />
Nel caso le acque considerate risultino contaminate da sostanze<br />
che potrebbero inibire l’azione batterica (come il cloro, il piombo,<br />
sostanze battericide), o nel caso le sostanze siano poco<br />
biodegradabili, o, ancora, nel caso di acque molto inquinate che<br />
risultino sterili (cioè prive di flora batterica), la misurazione del<br />
BOD è più complessa e può richiedere, ad esempio, operazioni<br />
preliminari di diluizione dei campioni d’acqua, o di inoculazione di<br />
colonie batteriche.<br />
"BOD," Microsoft® Encarta® Enciclopedia Online 2008<br />
8
Valori tipici:<br />
Un fiume incontaminato ha solitamente valori di BOD 5 minori di 1<br />
mg/l.<br />
Un fiume moderatamente inquinato avrà valori di BOD 5 fra i 2 e gli<br />
8 mg/l.<br />
L'acqua di scarico trattata efficacemente da un impianto di<br />
depurazione acque reflue avrà valori di BOD di circa 20 mg/l.<br />
L'acqua di scarico non trattata ha valori variabili, mediamente<br />
attorno ai 600 mg/l, ma spesso anche maggiori come nel caso<br />
degli scarichi di industrie casearie (2000 mg/l) o delle acque di<br />
vegetazione degli oleifici (>5000 mg/l).<br />
Il valore di BOD 5 medio degli scarichi influenti in un impianto di<br />
depurazione per liquami urbani è all'incirca di 200 mg/l.<br />
9
COD<br />
E’ un indice che individua non solo la sostanza organica<br />
ossidabile biologicamente (biodegradabile), ma anche quella<br />
ossidabile solo per via chimica.<br />
Reazione di ossidazione da parte del bicromato:<br />
Cr 2-<br />
2O7 + 8H + ↔ 2Cr3+ 2O7 + 8H ↔ 2Cr + 4 H2O + 1.5O 2<br />
Reazione di ossidazione del carbonio organico:<br />
C xH yO z + (x+1/2y-z) O 2 ↔ x CO 2 + ½y H 2O<br />
10
Valori tipici per liquami domestici:<br />
BOD 5=100-300 mg/L<br />
COD=250-1000 mg/L<br />
Valori limite per scarico in acque superficiali:<br />
BOD5=40 mg/L<br />
COD=160 mg/L<br />
11
PROCESSO A FANGHI ATTIVI<br />
(depurazione di reflui da sostanze organiche)<br />
Il sistema a fanghi attivi è costituito essenzialmente da un reattore<br />
biologico aerato artificialmente seguito da un separatore di particelle<br />
sedimentabili.<br />
Nella vasca di aerazione (VA) il liquame grezzo (LG), generalmente<br />
dopo aver subito una sedimentazione primaria nel sedimentatore S1<br />
(LS), si mescola con una massa di solidi fioccosi (FR) allo stato di fango<br />
molto diluito (3-6 Kg di solidi/mc) all’interno del quale vive un gran<br />
numero di microorganismi, soprattutto batteri, che si nutrono e<br />
riproducono a spese della sostanza organica apportata dal liquame<br />
(disciolta, colloidale o in sospensione).<br />
12
La miscela liquido depurato (LD) + fango attivo (FA) dalla vasca di<br />
aerazione viene inviata ad un sedimentatore secondario (S2) che<br />
separa il liquame depurato, che sfiora superiormente, dal fango<br />
attivo che si ispessisce sul fondo (6-12 Kg/mc). Questo è in gran<br />
parte riciclato (FR) alla vasca di aerazione e in piccola parte,<br />
quello che continuamente si produce, allontanato dal sistema<br />
(fango di supero (FS).<br />
13
I FIOCCHI DI FANGO ATTIVO<br />
TIPI DI MICROORGANISMI PRESENTI<br />
I microorganismi responsabili della depurazione sono una massa<br />
eterogenea di origine fecale, che abita e costituisce il fiocco di fango<br />
attivo.<br />
Il fiocco di fango attivo è un agglomerato gelatinoso dell’ordine di<br />
qualche millimetro, costituito da un insieme di sostanze sospese,<br />
(prevalentemente organiche, frequentemente allo stato colloidale) e<br />
da una numerosa popolazione di organismi viventi, principalmente<br />
batteri.<br />
Tra essi predominano i batteri saprofiti, molto minore è la presenza di<br />
alghe, funghi, protozoi.<br />
14
I batteri sono i diretti responsabili della rimozione della sostanza<br />
organica, della formazione e della stabilizzazione dei fiocchi.<br />
Le caratteristiche chimiche dei composti presenti nel liquame sono<br />
la causa che determina la predominanza di alcune specie<br />
batteriche piuttosto che altre.<br />
Una relativamente alta concentrazione di proteine favorisce la<br />
predominanza di Alcalingenens, Flavobacterium e Bacillus.<br />
Un elevato tenore di carboidrati favorisce la crescita di<br />
Pseudomonas).<br />
15
I protozoi saprofiti (che si nutrono di sostanza organica<br />
morta), appartenenti soprattutto alla classe dei flagellati,<br />
sono in competizione alimentare con i batteri.<br />
I protozoi predatori, appartenenti soprattutto alla classe dei<br />
ciliati, si nutrono principalmente a spese dei batteri dispersi<br />
presenti nel liquame (fagotrofi).<br />
La presenza di protozoi ciliati porta a notevoli miglioramenti<br />
nella depurazione.<br />
16
Il tenore di biomassa attiva nel fango dipende dal carico del fango (Cf).<br />
Indicando con:<br />
• F (mc/d) la portata del liquame in ingresso<br />
• BOD 0 (Kg/mc) la concentrazione del substrato in ingresso<br />
• V (mc) il volume della vasca di aerazione<br />
• SSa (Kg/mc) la concentrazione dei solidi sospesi nella vasca<br />
il carico del fango è definito come:<br />
Cf=(F* BOD 0 )/(V*SSa) (Kg BOD applicato/Kg SS*giorno)<br />
17
Il tenore di biomassa attiva si aggira sul 10% del peso secco totale<br />
per sistemi a basso carico (Cf0.5). Con solidi volatili (SV) si indica la componente<br />
organica del fango.<br />
18
Il fiocco si forma per bioflocculazione, un fenomeno che si<br />
manifesta spontaneamente aerando un liquame organico<br />
contenente batteri.<br />
Un alto carico organico provoca una crescita microbica dispersa non<br />
flocculenta con scarsa capacità di sedimentazione.<br />
Un fango a basso carico, mentre da un lato è meno attivo perché<br />
contiene una minor percentuale di batteri, da un altro lato produce<br />
fiocchi più grossi e più compatti, di migliore sedimentabilità.<br />
Tramite la bioflocculazione il fiocco è in grado di aggregare su di se<br />
le sostanze sospese nel liquame (la massa batterica produce<br />
esopolimeri, soprattutto polisaccaridi, in grado di assorbire molti<br />
colloidi presenti nel liquame, agendo come un flocculante).<br />
19
La sedimentabilità del fango è espressa dall’indice del fango<br />
SVI (Sludge Volume Index), che rappresenta il volume (cc)<br />
occupato da un grammo di fango lasciato sedimentare per 30<br />
minuti in un cono Imhoff.<br />
20
La bioflocculazione è ostacolata dalla turbolenza dell’ambiente.<br />
Un fango attivo di buona sedimentabilità è costituito da una<br />
calibrata miscela di organismi zoogleali e filamentosi, entrambi<br />
essenziali alla integrità della microstruttura del fiocco.<br />
I filamenti interni costituiscono una struttura “armata” attorno alla<br />
quale attecchiscono le forme zoogleali cosicché il fiocco riesce a<br />
resistere alla turbolenza esterna senza rompersi:<br />
21
Se le condizioni ambientali spostano l’equilibrio batterico verso<br />
una predominanza delle forme filamentose e queste si diramano<br />
oltre il fiocco stesso, fino ad interagire con altri fiocchi<br />
circostanti, si ha il fenomeno del bulking, una lenta<br />
sedimentazione ed una scarsa compattezza del fango.<br />
22
Inversamente, la scarsità di forme filamentose all’interno del<br />
fiocco indebolisce la sua struttura cosicché è facile che la<br />
turbolenza del mezzo spezzi i fiocchi producendo un effluente<br />
torbido e ricco di particelle sospese (pin-point).<br />
23
METABOLISMO<br />
La rimozione di sostanza organica per mezzo dei fanghi attivi<br />
avviene attraverso i seguenti stadi:<br />
1. Per contatto del fango attivo col substrato si verificano i<br />
fenomeni di bioadsorbimento e bioflocculazione sul fiocco:<br />
24
2. Demolizione catalitica extracellulare condotta ad opera di<br />
enzimi idrolitici estromessi dai batteri nell’ambiente circostante.<br />
Gli enzimi spezzano le grosse molecole (proteine, polisaccaridi,<br />
lipidi, ecc.) in molecole più piccole tali da poter essere facilmente<br />
bioadsorbite e metabolizzate all’interno delle cellule batteriche.<br />
25
3.<br />
26
VASCA DI AERAZIONE E SEDIMENTATORE<br />
La vasca viene aerata sostanzialmente mediante due sistemi:<br />
- Attraverso insufflazione di aria nel liquame.<br />
- Attraverso una turbolenta agitazione meccanica del liquame<br />
mediante turbine verticali o rotori orizzontali.<br />
28
Vasca di sedimentazione a flusso ascensionale tipo Dortmund,<br />
di tipo cilindrico<br />
29
CONDIZIONI OPERATIVE DELL’IMPIANTO<br />
F = portata giornaliera dei liquami (mc/d)<br />
Va = volume vasca di aerazione (mc)<br />
BOD 0, BOD 1 = concentrazione del substrato nel liquame in ingresso e<br />
nel liquido depurato in uscita dalla vasca di aerazione<br />
Ssa, SSr = concentrazione dei solidi sospesi nella vasca di aerazione e<br />
nel fango ispessito<br />
R = rapporto di ricircolo 33
Dal bilancio dei solidi sospesi nella vasca di aerazione (la<br />
quantità di fango generata nella vasca è trascurabile rispetto a<br />
quella ricircolata):<br />
La concentrazione dei solidi nel fango di ricircolo dipende<br />
dall’ispessimento che ha subito nel sedimentatore e in genere è<br />
compresa tra 6-12 Kg/mc.<br />
Poiché la portata di ricircolo, per ragioni idrauliche vincolate alla<br />
sedimentazione, non è mai superiore al 100-150% della portata<br />
di alimentazione, ne deriva che la concentrazione dei solidi<br />
sospesi nella vasca di aerazione è compresa tra 3-7 Kg/mc.<br />
34
RENDIMENTO DI RIMOZIONE DEL BOD<br />
35
Comunque, oltre all’obiettivo primario della depurazione del<br />
liquame, bisogna tener conto anche del problema del<br />
trattamento e smaltimento del fango di supero: la quantità e la<br />
putrescebilità del fango di supero sono infatti caratteristiche<br />
legate all’età ed al carico del fango (più basso è il carico del fango<br />
e minore è la produzione di fango di supero, il quale per valori di<br />
Cf molto bassi (inferiori a 0.1) risulta pressoché stabilizzato).<br />
Altro obiettivo può essere la nitrificazione dell’azoto<br />
ammoniacale, realizzabile solo a carico del fango molto basso<br />
(
PRODUZIONE DI FANGO (fango di supero)<br />
La produzione di fango deriva dalla crescita microbica e dalla<br />
bioflocculazione, meno la degradazione della massa<br />
biodegradabile. Pertanto la produzione giornaliera di fanghi (ΔSS<br />
in Kg/d) è esprimibile come:<br />
ΔSS = c ΔBOD + f ΔBOD – Kd Va SSa<br />
Dove:<br />
c = coefficiente di crescita batterica lorda<br />
f = coefficiente di bioflocculazione<br />
Kd = coefficiente di degradazione della biomassa biodegradabile<br />
Per i liquami domestici:<br />
c ≅ 0.5<br />
f ≅ 0.5<br />
Kd = 0.05*1.08 T-20 (d -1 )<br />
38
La produzione di fango per unità di BOD rimosso è data da:<br />
39
ETA’ DEL FANGO<br />
L’età media del fango (Θ) è data dal rapporto tra la quantità di<br />
fango presente nella vasca di aerazione ed il fango prodotto<br />
nell’unità di tempo:<br />
Quindi l’età del fango dipende dalla temperatura (attraverso la<br />
Kd) e dal carico del fango (attraverso il termine η(Cf)*Cf).<br />
41
I fanghi prodotti a Cf molto bassi (
CONSUMO DI OSSIGENO METABOLICO<br />
La quantità di ossigeno richiesta dal processo metabolico deriva<br />
dal catabolismo di respirazione attiva e di respirazione<br />
endogena. Pertanto il consumo giornaliero di O 2 (ΔO 2 in Kg/d) è<br />
esprimibile come:<br />
Indicativa della<br />
densità della<br />
popolazione<br />
microbica<br />
Attività<br />
ossidativa della<br />
biomassa<br />
43
Quindi il consumo di ossigeno dipende dalla temperatura<br />
(attraverso la Ke) e dal carico del fango (attraverso il termine<br />
η(Cf)*Cf).<br />
44
Il consumo di ossigeno diminuisce all’aumentare del carico del<br />
fango (a parità di temperatura) e aumenta all’aumentare della<br />
temperatura (a parità di carico del fango). 45
INFLUENZA DEI FATTORI AMBIENTALI<br />
La temperatura del liquame non influenza sensibilmente il<br />
processo finché si resta al di sopra di 10°C, ma lo rallenta a valori<br />
minori.<br />
La temperatura influisce non solo sui fattori biologici, ma anche<br />
sul trasporto di O2 dall’aria all’acqua. Siccome il tenore di<br />
saturazione di O 2 disciolto nell’acqua diminuisce all’aumentare<br />
della temperatura, si verifica che all’aumentare di T, se da un lato<br />
corrispondono alte velocità di utilizzazione biologica dell’O2, dall’altro lato si ha una bassa velocità di ossigenazione<br />
dell’acqua, col risultato che la penetrazione dell’ O2 nella massa<br />
biologica resta un fenomeno superficiale che si esaurisce<br />
rapidamente negli strati più esterni, lasciando all’interno una<br />
zona anaerobica.<br />
46
Gli effetti del pH sui processi biologici sono normalmente dovuti<br />
alla dipendenza della velocità delle reazioni enzimatiche dal pH<br />
(ogni enzima ha un optimum di attività ad un determinato pH). Il<br />
campo di pH entro il quale possono operare i sistemi a fanghi<br />
attivi va da pH=5 a pH=9.<br />
In tali condizioni, la CO2 sviluppata nel metabolismo aerobico è<br />
presente nel mezzo acquoso prevalentemente sotto forma di<br />
ione bicarbonato:<br />
C O 2 + H 2 O ↔ H + + HCO 3 -<br />
Oltre all’effetto del pH a livello biochimico, si ha anche un effetto<br />
selettivo nei confronti dei tipi di microorganismi (al di sotto di pH<br />
=6 i fanghi cominciano a competere con i batteri e predominano<br />
nettamente su di essi a pH=4.5).<br />
47
La presenza di metalli (Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Zn) nel liquame<br />
comporta spesso un’azione tossica, in relazione soprattutto alla<br />
loro concentrazione, ma se questi sono presenti in concentrazioni<br />
abbastanza basse, l’azione bioflocculatoria dei fanghi attivi svolge<br />
anche nei loro confronti un’azione di rimozione dalla fase liquida:<br />
Metalli Conc media Rimozione Conc nei<br />
nel liquame (%) fanghi<br />
(mg/L) (mg/Kg)<br />
Cd 0.02 20-45 31<br />
Cr 0.05 40-80 1100<br />
Cu 0.10 0-70 1230<br />
Hg 0.0013 20-75 6.6<br />
Ni 0.1 15-40 410<br />
Pb 0.2 50-90 830<br />
n 0.18 35-80 2780<br />
48
NITRIFICAZIONE - DENITRIFICAZIONE<br />
Scopo della nitrificazione è la trasformazione, per ossidazione<br />
biologica, dell’NH 3 in nitrati.<br />
La nitrificazione, integrata con la denitrificazione, permette la<br />
rimozione dell’azoto: la denitrificazione, cioè la trasformazione<br />
dell’azoto in N2 e quindi la sua rimozione, è possibile solo se si<br />
parte da azoto in forma nitrica, per cui i due sistemi<br />
nitrificazione-denitrificazione sono sempre accoppiati.<br />
Valori limite per scarico in acque superficiali:<br />
Azoto ammoniacale (come NH 4 + ) 15 mg/L<br />
Azoto nitroso (come N) 0.5 mg/L<br />
Azoto nitrico (come N) 20 mg/L<br />
49
NITRIFICAZIONE<br />
Nei liquami urbani e zootecnici, l’azoto è prevalentemente<br />
presente sotto forma organica (proteine) e come urea CO(NH 2) 2<br />
generata dalle urine.<br />
In ambiente idrico entrambe le forme subiscono rapidamente un<br />
processo di fermentazione e trasformazione in azoto<br />
ammoniacale (non si fa in genere distinzione fra azoto organico e<br />
azoto ammoniacale, entrambi compresi nella determinazione<br />
analitica del TKN (Total Kjeldhal Nitrogen), in quanto l’azoto<br />
organico è destinato a diventare azoto ammoniacale).<br />
50
La nitrificazione dell’azoto ammoniacale avviene ad opera di<br />
batteri autotrofi, che traggono l’energia necessaria (ATP) alle<br />
loro funzioni vitali dall’ossidazione di NH 3 (catabolismo). Essi<br />
inoltre utilizzano la CO 2 (formatasi dalla fermentazione<br />
aerobica) come fonte di carbonio (anabolismo).<br />
La trasformazione di NH3 in nitrati avviene in due stadi di cui il<br />
primo, la nitrosazione, cioè il passaggio di NH 3 a nitriti, avviene<br />
ad opera dei batteri Nitrosomonas, mentre il secondo, la<br />
nitrazione, cioè il passaggio dei nitriti a nitrati, avviene ad<br />
opera dei batteri Nitrobacter:<br />
NH 4 + + 1.5O2 → 2H + +H 2O+ NO 2 -<br />
NO 2 - + ½O2 → NO 3 -<br />
51
La nitrificazione viene realizzata simultaneamente all’ossidazione<br />
del BOD in sistemi ad aerazione prolungata in cui l’età del fango<br />
è di circa 10 giorni, cui corrisponde un carico del fango di 0.1-<br />
0.15.<br />
I batteri nitrificanti rappresentano circa il 4% dei batteri totali,<br />
circa il 2% dei solidi sospesi totali.<br />
52
I Nitrosomonas e i Nitrobacter sono caratterizzati da una velocità<br />
di crescita notevolmente inferiore a quella dei batteri<br />
chemioeterotrofi che operano l’ossidazione del BOD.<br />
Pertanto, se l’età del fango non è sufficientemente alta, si ha<br />
dilavamento completo dei batteri nitrificanti con il fango di<br />
supero.<br />
Cioè la loro velocità di crescita è inferiore a quella con cui<br />
vengono allontanati e il processo di nitrificazione non può<br />
avvenire.<br />
53
Il processo di nitrificazione è un fenomeno praticamente del tipo<br />
“tutto o niente”, cioè al di sotto di Θcrit l’ossidazione del TKN<br />
non avviene, al di sopra di Θcrit la concentrazione del TKN<br />
decresce rapidamente con Θ.<br />
55
DENITRIFICAZIONE<br />
La denitrificazione è operata da batteri chemioeterotrofi<br />
facoltativi (Pseudomonas, Microcossus, ecc.), in genere<br />
abbondantemente presenti nelle normali fasi biologiche<br />
ossidative, che posti però in condizioni di anossia (cioè assenza<br />
di ossigeno disciolto) possono utilizzare i nitrati invece dell’O 2<br />
per attivare la catena metabolica.<br />
Una fonte di carbonio organico è comunque sempre necessaria<br />
per la sintesi cellulare.<br />
56
NO 3 - + sostanza organica ↔ cellule + NO2 - + CO2<br />
NO 2 - + sostanza organica ↔ cellule + N2↑ + CO 2<br />
Mentre un trattamento biologico classico volto alla riduzione del<br />
BOD dà una riduzione del TKN dell’ordine del 10-40% per<br />
fenomeni di bioflocculazione e sintesi batterica, la nitrificazione<br />
accoppiata alla denitrificazione è in grado di dare un’efficienza di<br />
rimozione dell’azoto totale del 90% ed oltre.<br />
57
IMPIANTO DI DENITRIFICAZIONE<br />
(predenitrificazione, ossidazione a basso carico e nitrificazione)<br />
La frazione ricircolata è data dalla componente di fango<br />
ricircolato a valle del sedimentatore (generalmente di entità<br />
equivalente alla portata di alimentazione) unita ad una<br />
componente ricircolata direttamente a valle della nitrificazione,<br />
per evitare sovradimensionamento del sedimentatore.<br />
L’azoto residuo, in uscita dall’impianto è relativo alla frazione di<br />
N-NO 3 che non è stato avviato alla denitrificazione tramite il<br />
ricircolo. 58
N 0<br />
N 1<br />
Bilancio dell’azoto fra le sezioni A e B (si suppone un’efficienza di<br />
nitrificazione del 100%) con:<br />
N 0 = concentrazione di N-TKN entrante con il liquame grezzo<br />
N 1 = concentrazione di N-NO 3 in uscita dalla denitrificazione<br />
N 1<br />
N 1<br />
59
Il rendimento totale di rimozione<br />
dell’azoto (η tot) è dato<br />
60
Il rendimento di rimozione totale dell’azoto dipende dal prodotto<br />
tra rapporto di ricircolo e rendimento di denitrificazione.<br />
Presupponendo quest’ultimo intorno al 100%, ne deriva un R ≅<br />
2-3.5 per un rendimento di rimozione totale dell’azoto pari<br />
all’80% circa, ma aumentando anche il costo di pompaggio e la<br />
complessità dell’impianto. 61
Consumo di ossigeno:<br />
Per l’ossidazione di NH 3 a nitrato:<br />
NH 3 + CO 2 + O 2 ↔ cellule + NO 3 -<br />
Sono richiesti circa 4.6 Kg di ossigeno per Kg di N-NH 3.<br />
Pertanto, indicando con ΔN-NH 3 i Kg/giorno di N-NH 3 ossidato a<br />
N-NO3, l’eq<br />
Diventa:<br />
ΔO 2 = a ΔBOD + KeVa*SSa + 4.6 ΔN-NH 3<br />
62
RIMOZIONE BIOLOGICA DEL FOSFORO<br />
Un fango biologico di un impianto a fanghi tradizionale presenta<br />
una concentrazione media di fosforo nel fango pari al 1.5% (sul<br />
secco); si ottiene così, con i fanghi di spurgo, una rimozione del<br />
fosforo del 20-30%.<br />
Nei processi anaerobici-aerobici, i fanghi prodotti contengono<br />
una percentuale di P più elevata (fino al 3-6%), con conseguente<br />
aumento dell’efficienza di abbattimento.<br />
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Questo risultato si ottiene grazie ad un gruppo di microorganismi in<br />
grado di accumulare nella cellula una quantità di P più elevata<br />
rispetto a quanto si verifica in un processo a fanghi attivi<br />
completamente aerobico.<br />
In particolare, i batteri del genere Acinetobacter prediligono come<br />
fonte di C degli intermedi metabolici a basso peso molecolare quali<br />
acido acetico, etanolo, ecc.<br />
Tali composti vengono comunemente prodotti in condizioni<br />
anaerobiche da un gran numero di batteri eterotrofi facoltativi<br />
metabolizzando le sostanze più biodegradabili.<br />
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Gli acinetobacter risultano così sfavoriti in ambiente aerobico; in<br />
queste condizioni, tali batteri potranno essere attivi solo se<br />
avranno accumulato sufficienti quantità di substrato<br />
metabolizzante.<br />
Per accumulare il substrato nella fase anaerobica, gli<br />
acinetobacter necessitano di energia sotto forma di ATP. La fonte<br />
energetica è costituita da polifosfati (poli-Pn) accumulati dalle<br />
cellule batteriche nella fase aerobica, attraverso l’assunzione di<br />
fosforo inorganico superiore alle normali esigenze metaboliche.<br />
Il substrato carbonioso a basso peso molecolare (tipicamente<br />
acidi organici a corta catena, quali acido acetico, prodotti nella<br />
fermentazione anaerobica dei batteri eterotrofi facoltativi) viene<br />
utilizzato per la sintesi di materiale di riserva quale il poli-Βidrossibutirrato<br />
(PHB) o poli-idrossivalerianato (PHV).<br />
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Nella fase aerobica, gli Acinetobacter metabolizzano il substrato<br />
carbonioso accumulato precedentemente e quindi, attraverso il loro<br />
normale metabolismo aerobico, producono energia (sotto forma di<br />
ATP) e nuove cellule.<br />
L’energia prodotta dall’ossidazione del substrato viene in parte<br />
utilizzata per la sintesi dei polifosfati.<br />
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