Appunti di Impianti

PRINCIPI GENERALI DEI PROCESSI BIOLOGICI

Attività di microrganismi di vario tipo rivolta alla distruzione dei composti organici.

Microrganismi: eterotrofi (usano C organico per sintesi cellulare; batteri denitrificanti, cioè trasformano nitrati in N gas)

o autotrofi (usano C inorganico per sintesi cellulare; nitrificanti, cioè ossidano N nitroso in nitrico).

Processi aerobici: basati su attività di microrganismi aerobici (facoltativi) che proliferano in OD, da ossidazione

(respirazione) si produce energia per sintesi di nuove cellule e motilità nel sistema biologico. Respirazione assimilativa

connessa a ossidazione BOD, respirazione endogena relativa a respirazione del fango. Processi anaerobici o anossici: si

basano su attività di microrganismi in ambiente senza OD (anaerobici e facoltativi). Usano ossigeno legato

chimicamente a composti disciolti in acqua: NO3 in processi anossici (denitrificazione – linea acque) e SO4 in processi

anaerobici (digestione fanghi – linea fanghi).

Elementi nutritivi: oligoelementi (Na, Ca, Mg, Mn, Zn, mai fattori limitanti della crescita); Ca, N, P costituenti

fondamentali delle cellule, fattori limitanti; fabbisogno medio ponderale di BOD5/N/P=100/5/1.

PROCESSO A FANGHI ATTIVI: due effetti combinati: ossidazione biologica substrato organico biodegradabile da

biomassa e inglobamento sostanze sospese non sedimentabili in fiocchi sedimentabili di biomassa. Due fenomeni

concomitanti: rimozione substrato (BOD, caratterizzato da velocità di reazione rs, Michaelis Menten) e produzione

biomassa (velocità rx, Monod). Due comparti: reattore biologico e sedimentatore secondario. Miscelazione e contatto

nel primo comparto, nel secondo liquame depurato (surnatante) separato da fango.

Velocità produzione biomassa: rx = dX/dt = μ*S*X/(Ks+S) - bX, legge di Monod. La prima parte corrisponde alla

formazione di biomassa per metabolizzazione substrato, la seconda alla diminuzione di biomassa per scomparsa

batterica (velocità endogena).

Velocità specifica produzione biomassa: rx/X = μ*S/(Ks+S) – b da cui si ottiene: rs = K*S*X/Ks+S, Michaelis Menten.

Criteri idrodinamici: miscelatore completo (in ogni punto della vasca si hanno le stesse caratteristiche, BOD si diluisce

sull’intero volume), flusso a pistone (tutti i parametri variano con la sezione, la concentrazione di BOD è superiore

rispetto a miscelatore completo). Migliore resa depurativa per flusso a pistone, volumi più piccoli, ma maggiore stabilità

per miscelazione completa in caso di sovraccarichi improvvisi o ingresso di sostanze tossiche, quindi migliore e più

frequente.

CARICO DEL FANGO: uno dei criteri più adottati per dimensionamento di vasca OX. Se l’impianto rispetta i limiti su N,

Cf sarà basso perché così Tp=20 d e si svilupperà biomassa. Bisogna prevedere la rimozione del BOD nel decantatore.

 

Q*(Si – Se) = ∫(v) rs dV Cf = (Q*Si)/(X*V) V = (Q*Si)/(X*Cf) (equazione di progetto).

Q*Si: si prende la ppc del BOD per la potenzialità dell’impianto (diviso 1000) se non c’è sedimentazione primaria. Se

c’è si moltiplica tutto per 0,7. C*Cf: X è concentrazione di fango (4-5 kg/m^3) e Cf carico del fango (0,1 o 0,3), i valori

vanno fissati.

Scelta del valore di Cf: basso (0,1) se elevato rendimento di abbattimento, minor produzione di fango, fango ben

stabilizzato, nitrificazione, grandi volumi di ossidazione; alto (0,3) se elevata disponibilità di sostanza organica,

rendimento più ridotto, maggior produzione di fango, fango non stabilizzato, no nitrificazione biologica, minori volumi.

Man mano che Cf aumenta, diminuisce rendimento di abbattimento BOD.

Ricircolo del fango: volumi molto ridotti, se viene a mancare il processo di disattiva in poche ore (pompa di riserva è

indispensabile), si calcola un bilancio di massa attorno al sedimentatore finale. R = q/Q = X/(Xr – X). La scelta del

progettista deve tenere conto di problemi di sedimentabilità del fango dovuti a salinità, tossici, sovraccarichi.

Calcolo di W*Xr: per mantenere costante X nel reattore va estratta tanta biomassa quanta se ne forma per attività

microrganismi. Xr*W = ∫(V) rx dV. Se miscelazione completa: Xr*W = rx * V. La produzione specifica di fango

(W*Xr/Q*η*Si) è correlata al carico del fango: per Cf=0,1 è 0,6, per Cf=0,3 è 0,9.

Dimensionamento vasca OX: si decide Cf, noti Q e Si, si imposta X il più alto possibile per ridurre Vox ma va mantenuta

in condizioni aerobiche e si deve garantire la separazione della biomassa da effluente in decantatore finale.

Controllo carico del fango: se Cf cambia rispetto a progetto si riduce il rendimento e c’è carenza di ossigeno. Cf si

controlla mediante concentrazione di biomassa.

Età del fango: θc = V*X/W*Xr. V*X è fango nella vasca, W*Xr è fango estratto da sistema.

Guasto del supero: gestibile, va a migliorare per poco perché aumenta concentrazione di biomassa in vasca OX e

aumenta rendimento. Guasto ricircolo: problema molto grave, sistema si priva di biomassa o sversa fanghi con

effluente; dovuto a rottura pompa di ricircolo o diminuzione concentrazione Xr.

FABBISOGNO DI OSSIGENO: ΔO2 = K*α*BODabb+β*V*X [kg/d]. dove il primo termine indica la richiesta connessa

a funzione assimilativa dei batteri, cioè con abbattimento di BOD in vasca e il secondo la richiesta connessa all’attività

endogena di biomassa, legata a quantità di biomassa in vasca OX. (K=1,5, α=0,5 [kgO2/kgBOD], β=0,1

[kgO2/kgSST*d]). Il coefficiente di punta K tiene conto delle oscillazioni di BOD che arrivano a depuratore.

In caso di nitrificazione va aggiunto un terzo termine: γ*K*(N – NH4)nitr. (γ=4,57 [kgO2/kgNnitr], K=1,5,



(N–NH4)nitr=Nin – Nass – Nout Nin=12 [g/ab*d], Nass=5%BODabb, Nout=2 [mgN-NH4/L]).

Sistemi di fornitura dell’ossigeno: insufflazione d’aria (bolle grosse o fini), aeratori superficiali (ad asse verticale od

orizzontale; problemi di impatto ambientale), ossigeno puro (concentrazioni alte di O2, fango ben stabilizzato).

RIMOZIONE DI AZOTO E FOSFORO DAI LIQUAMI

Liquami industriali, zootecnici e domestici. Fosforo: 2 [g/ab*d], azoto: 12 [g/ab*d].

NITRIFICAZIONE BIOLOGICA: ossidazione dei composti inorganici dell’azoto in forma ridotta (NH3, nitriti) svolta da

batteri autotrofi che usano C inorganico per sintesi cellulare e O2 libero come accettore di elettroni. Due fasi:

 

ammoniaca nitrosomonas nitriti (NH3 + 3/2 O2 = NO2 + 2H + H2O)

 

nitriti nitrobacter nitrati (NO2 + ½ H2O = NO3)

La velocità di ossidazione di NH4 da parte di nitrosomonas è molto minore di quella di NO2 per nitrobacter. Velocità

limitata a ossidazione di NO4 a NO2; no accumuli di NO2.

Processo monostadio: ossidazione NH4 e rimozione substrato organico- una sola fase aerobica, popolazione batterica

mista con predominanza di eterotrofi su autotrofi (eterotrofi più resistenti e meno influenzati da processo, autotrofi più

sensibili), buon livello di nitrificazione solo per bassi valori di Cf: processo ad aerazione prolungata.

Processo bistadio: primo stadio a Cf elevato per rimozione substrato, secondo stato a basso Cf per nitrificazione;

economia volumi di ossidazione ma maggiore complessità d’impianto.

Effetti sui corpi idrici: eutrofia (N e P fattori limitanti), diminuzione di OD, tossicità per vita acquatica, problemi in

clorazione.

Processi: clorazione – break point (Cl usato come ossidante chimico di composti organici e inorganici), strippaggio con

aria (rimozione composti organici e inorganici volatili traferendoli da fase liquida a gassosa, temperature superiori ad

ambiente), scambio ionico (ioni non tossici rilasciati, tossici adsorbiti).

Parametri di influenza: concentrazione substrato, rapporto TKN/BOD, OD, pH, temperatura, inibitori e tossici.

DENITRIFICAZIONE BIOLOGICA: processo complementare alla niitrificazione. Rimozione di N nitrico e nitroso da

parte di batteri eterotrofi (presenti in biomassa eterotrofa che rimuove substrato organico) che usano C organico per

processi di sintesi cellulare e come accettore di elettroni OD (met. aerobico) o nitrati (met. anossico). Metabolismo

aerobico preferito ad anossico, quindi denitrificazione si sviluppa solo in assenza di OD.

Condizioni di sviluppo: assenza di OD, disponibilità di substrato organico biodegradabile come fonte interna (sostanza

organica presente) o esterna (substrati introdotti da esterno).

Schemi operativi: post-denit, pre-denit, nitr-denitr unico compart, nitr-denitr in simultanea.

Denitrificazione con sistema misto e fonte interna di carbonio (post denitrificazione): schema non applicabile a meno di

molto BOD; N presente in forma organica e ammoniacale, necessaria ossidazione preventiva a nitrati per renderla

attuabile, implica ossidazione sostanza organica quindi non resta C interno per batteri denitrificanti. Dosaggio di C

esterno: illogica aggiunta di sostanza organica dopo trattamento in cui la sostanza organica viene ossidata.

Pre-denitrificazione: primo stadio anossico, nitrati ridotti usando sostanza organica già presente nel liquame grezzo; in

stadio successivo ossidazione sostanza organica residua e nitrificazione N ammoniacale; nitrati formati alimentati a

predenitrificazione con ricircolo di portata da fase di nitrificazione; frazione nitrati ridotta è funzione di portata

ricircolata.

Nitrificazione/denitrificazione in unico comparto: alternanza di fasi anossiche e serate; in fasi aerate si ossida parte di

sostanza organica e nitrificazione di TKN con forte consumo di O2: in fasi anossiche si sviluppa denitrificazione con C

ancora presente; estensione fasi controllata regolando O2 trasferito da aeratori.

Nitrificazione/denitrificazione simultanea con aeratori a spazzole rotanti: successione di zone aerobiche e anossiche.

Per tutti i processi di denitrificazione con uso di C interno è da evitare sedimentazione primaria per non rischiare

carenze di substrato organico biodegradabile e perché lunghi tempi assicurano buona stabilizzazione fango, quindi

digestione separata non è necessaria.

Parametri di influenza: concentrazione di substrato (nitrati), natura substrato carbonioso, OD, pH, temperatura,

presenza inibitori e tossici.

DEFOSFATAZIONE: P presente sottoforma di anioni che si attaccano a cationi formando composti insolubili che

precipitano da matrice liquida così si può togliere P da acqua da depurare in modo chimico o biologico. Trattamenti

convenzionali hanno poca efficacia su P (sedimentazione primaria: rend=10%, sintesi batterica: rend=rend (BOD/P)

cioè 1% BOD rimosso); necessità di trattamenti specifici chimici (predefosfatazione, defosfatazione simultanea, post

defosfatazione) e biologici (alimentazione discontinua, in linea, in parallelo). Oggi quasi esclusivamente trattamenti

chimici, ma prospettive interessanti per trattamenti biologici.

Reattivi usati: composti di Al