Fondamenti di ingegneria ambientale

BOD

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Rappresenta la misura dell’ossigeno necessario per l’ossidazione biochimica delle sostanze

presenti in un campione liquido tenuto in incubazione per 5 giorni al buio a 20°C. Questa

determinazione riproduce in laboratorio le condizioni verificabili nei corpi idrici e negli impianti

di depurazione biologici. Così si stima il massimo valore di BOD ottenibile nelle migliori

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condizioni di reazione. Da ricordare che nelle acque reflue non c'è sufficiente ossigeno perciò

bisogna aggiungerlo prima dei test. Il periodo di 5 giorni è un intervallo di tempo tale da

consentire di eliminare le interferenze provocate da una cattiva acclimatazione dei batteri e le

interferenze dovute alla nitrificazione dell’ammoniaca.

=−

L = concentrazione di sost. organica biodegradabile

● k = cost. di biodegradabilità (varia a seconda del refluo). Valori maggiori spostano la

● curva del BOD verso l’alto che è indice di maggiore biodegradabilità.

dt = velocità a cui viene degradato il composto, condizionata dalla popolazione

● batterica (con il passare del tempo la velocità diminuisce perché i batteri si

“stancano”)

Misura del BOD

Diluizione: il campione viene diluito con acqua satura di ossigeno e contenente nutrienti

● per i batteri. Dopo aver misurato il DO il campione viene posto in un contenitore chiuso

ermeticamente, privo d’aria, a 20° per 5 giorni. Una volta trascorso il tempo si rimisura il

DO e la differenza con il valore iniziale sarà il consumo da parte dei batteri e dal rapporto

di diluizione si ricaverà il BOD del campione originario.

Strumenti: bottiglia Winkler, sistemi manometrici che si basano sull’idea che il

○ consumo di O è uguale alla produzione di Co e che quest’ultima venga

2 2

intrappolata da altre sostanze chimiche abbassando così la pressione.

Metodo respirometrico: il campione è introdotto in una cella chiusa con aria a 20° e

● costantemente agitato. Avvenendo le reazioni biologiche viene consumato il DO, si

solubilizzerà l’O presente nella cella creando una depressione. Un sistema elettrolitico

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produce O per mantenere stabile il livello di pressione parziale dell’O . Il calcolo del BOD

2 2

si baserà su quanto O è stato prodotto da questo sistema e in quanto tempo.

2

Limiti di misura BOD

Condizioni da soddisfare:

Niente reazioni prima dell’inizio del test

- Condizioni ambientali favorevoli ai microrganismi (assenza di sostanze tossiche,

- presenza nutrienti e O )

2

Garantire presenza di ceppi batterici oppure si dovrà fare un inoculo

-

Nei liquami urbani sono garantite queste ultime due condizioni, in quelli industriali no.

COD: Chemical Oxygen Demand

Rappresenta la misura dell’ossigeno necessario ad ossidare chimicamente un campione liquido

per mezzo di un forte ossidante in ambiente acido a caldo (digestione). Durante la digestione parte

dell'ossidante si consuma. Cioè si misura il consumo di ossigeno per reazioni chimiche.

Questo parametro è utilizzato come stima della sostanza organica presente nel campione.

Solamente come stima, poiché l’ossidante degrada tutto ciò che è presente, sostanze organiche

ma anche, inorganiche che, se presenti, comportano una sovrastima del carico organico presente.

(in laboratorio al posto dell’ossigeno come ossidante si usa il bicromato di potassio K Cr O )

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Misura del COD

Durante la digestione parte dell’ossidante si consuma e alla fine si titola solo il bicromato aggiunto

in eccesso con una soluzione di sale di Mohr a titolo noto. Per una stima corretta del COD sarà

necessario titolare anche un bianco, ossia un volume di soluzione di ossidante uguale a quello che

si aggiunge al campione in sola acqua distillata. Al volume di sale di Mohr utilizzato per titolare il

bianco andrà sottratto quello utilizzato per titolare il campione.

Rapporto BOD/COD

Rappresenta una stima della frazione della sostanza organica (che è biodegradabile) rispetto

alla totalità. Dà un’idea di quant’è biodegradabile una sostanza, più è elevato, più la sostanza è

biodegradabile. Teoricamente il rapporto è < 1, perchè il COD > BOD in quanto contiene

sostanze organiche e non.

TOC: Total Organic Carbon

È un’analisi che permette di determinare sia il carbonio organico che quello inorganico in campioni

3= 3-

sia solidi che liquidi (per convenzione CO , HCO e CO ) .

2

Il metodo consiste nella reazione tra il campione e l’aria cioè viene sottoposto ad ossidazione

completa mediante riscaldamento ad alta temperatura in presenza di un catalizzatore. La CO

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prodotta viene quantificata con un rivelatore infrarossi.

Non si misura direttamente il TOC, ma altri due parametri:

TC (Carbonio Totale)

● l’IC (Carbonio Inorganico)

●

Il TOC si ottiene per differenza: TOC = TC - IC. L’ IC si ottiene quantificando la CO prodotta dal

2

campione dopo il trattamento con un acido, che trasforma carbonati e bicarbonati in CO .

2

Il test TOC su campioni

liquidi: non ha bisogno di nessun trattamento prima dell’analisi se non l’eventuale

● filtrazione grossolana in presenza di solidi sospesi

solidi: vengono seccati in stufa a 105°C e poi pesati

●

Il DOC è il test TOC eseguito su un campione filtrato (filtro 0.45μm).

Il rapporto TOC/COD fornisce un’indicazione del grado di ossidazione della sostanza organica

presente nel campione, più è elevato più la sostanza è ossidata (ha più O ).

2

TKN: Total Kjeldahl Nitrogen

Permette di determinare l’azoto organico (principalmente quello presente in amminoacidi e

proteine) e quello ammoniacale presente in campioni sia solidi che liquidi. Con questo metodo

- -

non si determinano le forme dell'azoto ossidate (NO , NO ).

3 2

Il metodo consiste in una digestione a caldo con acido solforico in presenza di un catalizzatore; qui

4+

si forma ione ammonio (NH ) che viene successivamente distillato, come ammoniaca, in

ambiente basico (pH>9,5). Il distillato viene raccolto in una soluzione di un acido debole (H BO ) e

3 3

successivamente titolato con un acido forte (in genere H SO ).

2 4

Durante la digestione avviene la rottura dei legami C-N e formazione di ione ammonio, a fine

digestione ottengo NH HSO . Durante la distillazione lo ione ammonio si trasforma in ammoniaca.

4 4

L’azoto totale è dato da: TKN (azoto organico + azoto ammoniacale) + nitrati + nitriti.

NH – N: Azoto ammoniacale

3

Permette di determinare solo l’azoto presente come ione ammonio o come ammoniaca libera.

Ossia l’azoto presente nell’ammoniaca. Il metodo è quello del TKN a partire dalla distillazione.

IR: Indice Respirometrico

È un parametro utilizzato per testare la stabilità, ossia la possibilità di degradazione in ambiente

aerobico, di campioni liquidi e solidi. Più un campione è stabile meno "respira", cioè consuma

meno ossigeno. Le condizioni in cui avviene il test sono quelle del BOD (buio, 20°) per una

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durata dai 4 fino a 7 giorni o più. Anche la misurazione è come quella del BOD: manometro,

generatore elettrolitico di O per mantenere p = cost. , base forte che assorbe CO e misura O

2 2 2

finale.

Microbiologia e ing. ambientale

Processi biochimici

Condensazione: due molecole si legano tra loro, liberando H O

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Idrolisi: due molecole si separano con l’aggiunta di una molecola di H O

2

Catabolismo: reazioni che decompongono le sostanze organiche complesse in prodotti più

semplici (cataboliti). La rottura dei legami chimici delle reazioni cataboliche rilascia energia, in

parte utilizzata dalle reazioni anaboliche ed in parte emessa dalla cellula come calore. Idrolisi

delle proteine ad amminoacidi, dei carboidrati a zuccheri semplici, i lipidi a glicerine ed acidi

grassi.

Anabolismo: reazioni che, partendo da composti semplici, producono molecole organiche, più o

meno complesse, indispensabili per la funzionalità della cellula. Formazione delle proteine a

partire dagli amminoacidi, degli acidi nucleici a partire dai nucleotidi, dei polisaccaridi a partire

dagli zuccheri semplici.

L' ATP (adenosintrifosfato) è la molecola che svolge l'importante funzione energetica di:

Fosforilazione dell’ADP (adenosindifosfato) cioè accumulare l'energia fornita dal

● catabolismo

Defosforilazione dell’ATP cioè fornire l’energia immagazzinata alle reazioni

● anaboliche

Crescita batterica

I batteri si moltiplicano per scissione binaria dove la cellula iniziale si divide in due cellule figlie.

L’attività metabolica (es. crescita batterica) è inversamente proporzionale alla grandezza

dell’organismo. Le piccole dimensioni di un batterio sono essenziali per una crescita rapida. La

crescita batterica è un processo autolimitante e sequenziale (esaurimento substrato, accumulo

di metaboliti tossici).

Azoto, fosforo, calcio, ferro, magnesio, potassio, zinco sono tutti nutrienti fondamentali per la

vita dei batteri. Il fosforo deve essere sempre presente per garantire lo svolgimento delle

reazioni metaboliche. In sua assenza il metabolismo si blocca. Negli impianti di depurazione

biologici delle acque di rifiuto, quando queste non ne contengono (percolati in discariche

controllate dei rifiuti solidi urbani) deve venire aggiunto. La crescita delle alghe nei corpi idrici

caratterizzati fenomeni eutrofici, viene minimizzata limitando la concentrazione di di fosforo.

Reazioni enzimatiche

I processi biochimici del metabolismo sono influenzati da molteplici fattori fisici che ne

diminuiscono l’efficienza: avvengono dunque in presenza di catalizzatori organici definiti enzimi

le reazioni biochimiche sono definite reazioni enzimatiche. Gli enzimi sono sostanze di

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natura proteica che abbassano l'energia di attivazione di determinate reazioni.

I fattori limitanti:

Temperatura

● pH: forti cambiamenti possono portare alla denaturazione (modifica della struttura

● della molecola e quindi della sua caratteristica di catalizzatore) dell'enzima

Sostanze inibenti che limitano la funzionalità dello stato attivo dell'enzima

●

La velocità di reazione aumenta

proporzionalmente alla concentrazione di

substrato S sino al raggiungimento di una fase

stazionaria, in cui la concentrazione di

substrato è così elevata da mantenere sempre

saturo l'enzima (cinetica di reazione di

Michaelis Menten).

Processi in discarica

I fase: Degradazione aerobica [durata: pochi giorni]<