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.