Trattamenti biologici

Le principali applicazioni dei processi di trattamento biologico sono: 

  • rimozione delle sostanze organiche (BOD, COD)
  • rimozione dell'azoto (N)
  • rimozione del fosforo (P) 
  • stabilizzazione dei fanghi 

Distinzione dei processi biologici in funzione di:

  • tipo di substrato rimosso (carbonio, azoto, fosforo);
  • forma in cui la biomassa è presente nel "reattore biologico" (biomassa "sospesa", biomassa "adesa")
  • tipo di metabolismo a cui la biomassa è sottoposta (processi "aerobici", "anaerobici", "anossici").

Principio generale alla base dei trattamenti biologici:

  • I fenomeni di autodepurazione naturale sono sostanzialmente di tipo biologico. 
  • I trattamenti biologici riproducono, in modo controllato e accelerato, i fenomeni di autodepurazione naturale. 

BIOMASSE 

I microrganismi coinvolti nella depurazione sono numerosissimi, appartenenti al regno animale, a quello vegetale e a quello dei protisti. 

Sono i batteri ad assumere un ruolo fondamentale nella depurazione biologica; essi sono naturalmente presenti nelle acque reflue. 

Elementi di microbiologia

BATTERI:

  • procarioti unicellulari: si riproducono per scissione binaria in un tempo (tempo di generazione), variabile tra 0,5 e 100 ore
  • dimensioni dell'ordine dei micron 
  • si alimentano solo di sostanze in forma disciolta (attraversamento della membrana cellulare); necessità della presenza dell'acqua 
  • componenti di una cellula batterica:
  • a): acqua (80% in peso)
  • b): solidi (20%): -90% organici, -10% inorganici
  • rapporti in peso:C5H7NO2  + (in tracce) fosforo, zolfo, sodio, calcio, magnesio, potassio, ferro, etc. (protoplasma cellulare)
  • distinzione dei batteri in funzione della temperatura:

           a) psicrofili (tra 2 e 20 °C)

           b) mesofili (tra 20 e 45 °C)

           c) termofili (tra 45 e 75 °C)

La temperatura ha notevole influenza sulla cinetica del metabolismo batterico; in genere, i trattamenti biologici si svolgono in campo mesofilo. 

Elementi di microbiologia 

STRUTTURA TIPO DI UN BATTERIO: 

a) flagello: organo di locomozione 

b) capsula: strato di materiale gelatinoso aderente alla parete cellulare della cellula; acqua (in gran parte) + 2% circa di solidi (polisaccaridi, proteine); in funzione di difesa meccanica;

c) parete cellulare: contenitore rigido, composto da materiale polimerico;

d) membrana citoplasmatica: proteine (50-75%) e lipidi (20-35%) rappresenta il 10% circa del peso secco della cellula; regola gli scambi con esterno, selezionando il passaggio delle sostanze nutritive, dall'esterno all'interno, e degli enzimi e tossine, in senso inverso; 

e) citoplasma: soluzione acquosa, in fase di gel, contenente prodotti organici e inorganici in forma disciolta e numerosi piccoli granuli (inclusioni cellulari); 

f) nucleo: costituito da una molecola di DNA , nella quale è depositata l'intera informazione genetica della cellula. 

 

Elementi di biochimica

Metabolismo: processo di crescita dei microrganismi, distinto in: 

  • sintesi di nuova materia cellulare, a partire da molecole semplici, con consumo di energia (anabolismo);
  • respirazione, con degradazione delle sostanze assimilate, produzione di molecole semplici e liberazione di energia (catabolismo)

Fase anabolica: distinzione dei microrganismi in funzione della fonte di nutrienti (in particolare per il carbonio, principale composto cellulare): 

  • autotrofi: microrganismi che utilizzano il carbonio inorganico 
  • eterotrofi: microrganismi che utilizzano il carbonio organico 

Fase catabolica: distinzione in funzione della fonte da energia: 

  • fotosintesi: ricorso all'energia solare
  • chemioautotrofi: energia prodotta mediante reazioni di ossido-riduzione di prodotti inorganici (ammoniaca, ferro, zolfo)
  • chemiorganotrofi: energia da reazioni di ossido-riduzione dei composti organici. 

Meccanismo con cui avviene il metabolismo: 

  • batteri aerobi: utilizzano l'ossigeno libero presente nell'acqua, come accettore di elettroni: 

            

  • batteri anaerobi: utilizzano come accettore di elettroni l'ossigeno combinato nelle molecole organiche, il carbonio, l'azoto e lo zolfo: 

           

  • batteri facoltativo: possono comportarsi indifferentemente come aerobi o come anaerobi, a seconda della disponibilità o meno di ossigeno libero. 

Tipo di metabolismo batterico (ai fini dei processi di depurazione): 

  • metabolismo aerobico: respirazione in presenza di ossigeno disciolto 
  • metabolismo anaerobico: respirazione in assenza di questo
  • metabolismo anossico: respirazione in presenza di ossigeno combinato con azoto (nitrati)

Differenza tra metabolismo aerobico e anaerobico: 

  • m.aerobico: energeticamente più conveniente, con produzione di sostanze organiche semplici.
  • m.anaerobico: energeticamente meno conveniente, più lento, con formano di altre sostanze organiche, seppure più semplici. 

Conseguenze per i trattamenti che utilizzano m. aerobici o anaerobici: 

Trattamento aerobici: 

  • processi più rapidi con un'utilizzazione del substrato più spinta (maggiori rendimenti di depurazione e minori volumi dei reattori);
  • elevata produzione di fango;
  • necessità di disporre di ossigeno libero (maggiori costi di esercizio).

Trattamenti anaerobici:

  • minore produzione di fango;
  • non richiedono disponibilità di ossigeno libero; 
  • processi più lenti con minore assimilazione dei substrati.

Uso dei trattamenti aerobici e anaerobici

Trattamento dei reflui urbani:

  • trattamenti aerobici: linea acque e linea fanghi
  • trattamenti anaerobici: linea fanghi (>50.000-100.000 AE)

Trattamento di reflui di origine produttiva:

  • trattamenti aerobici: linea acque e linea fanghi (bassi carichi)
  • trattamenti anaerobici: linea acque (alti carichi: BOD> 2000-3000mg/l,basse portate); linea fanghi.

 

 

Fase di rimozione del carbonio organico in processi aerobici:

1) Rimozione del substrato carbonioso di origine organica (BOD) ad opera di una biomassa eterotrofa, con sviluppo di:

  • fiocchi mantenuti in sospensione all'interno dei reattori biologici (caso dei processi a biomassa sospesa);

pellicole biologiche adese a supporti solidi inerti, posti all'interno dei reattori biologici (caso dei processi a biomassa adesa)

Rimozione del substrato provocato da più fenomeni contemporanei:

  • metabolismo batterico, che provoca la sintesi di nuova biomassa, con rimozione del substrato solubile e la produzione di cataboliti stabili;
  • bioflocculazione, con cui la componente sospesa del substrato viene aggregato all'interno dei fiocchi;
  • adsorbimento, di componenti in forma sospesa all'interno della pellicola biologica.

2) Successiva rimozione della biomassa così formata, per separazione dei fiocchi o delle pellicole nell'unità di sedimentazione.

 

Osservazioni: 

  • necessità di una separazione solido/liquido a valle del processo biologico (sedimentazione, filtrazione) e di garantirne il corretto funzionamento (elevato rendimento di chiarificazione);
  • necessità di stabilizzare i fanghi di supero, stante l'elevata percentuale di prodotti organici di cui questi sono costituiti.