Processi biologici

PROCESSI BIOLOGICI

Dobbiamo ricordare che il cuore del nostro impianto è sempre un processo biologico. Tutto quello visto fino

ad ora è finalizzato al fatto che la cosa più difficile in un processo di trattamento acque è andare ad eliminare

il substrato disciolto. Il substrato sospeso, invece, o tramite filtrazione o tramite sedimentazione lo posso

togliere. Il problema serio è il substrato disciolto che in parte può essere anche volatile. La parte più delicata

di un trattamento acque è il trattamento secondario. Il trattamento secondario è fondamentalmente un

processo biologico. Possiamo eventualmente pensare di andare a fare una classificazione dei processi

biologici a seconda degli obiettivi che si vogliono raggiungere.

Da un punto di vista ingegneristico posso classificare i processi in:

• BIOMASSA SOSPESA: Se la biomassa vive, cresce e agisce in un messo liquido dove viene tenuto in

sospensione.

• BIOMASSA ADESA: Quando la biomassa aderisce su un supporto e su tale supporto cresce ed esplica

le proprie azioni.

Da un punto di vista biochimico invece:

• PROCESSI AEROBICI: Avvengono in presenza di ossigeno disciolto

• PROCESSI ANAEROBICI: Avvengono in totale assenza di ossigeno

• PROCESSI ANOSSICI: Avvengono in assenza di ossigeno disciolto ma eventuale presenza di ossigeno

combinato.

• PROCESSI FACOLTATIVI: Avvengono quando i microrganismi sono in grado di vivere in condizioni

diverse.

Da un punto di vista impiantistico posso avere 4 obiettivi:

• RIMOZIONE DEL SUBSTRATO CARBONIOSO (BOD)

• NITRIFICAZIONE

• DENITRIFICAZIONE

• DEFOSFATAZIONE: Rimozione del fosforo, può conseguirsi all’interno di un processo biologico o in

un trattamento terziario di tipo chimico.

COME POSSIAMO CLASSIFICARE I MICRORGANISMI?

Se volessimo separarli in base al metabolismo avremmo

Solo di eterotrofici consumano BOD in prima approssimazione perché questi sono in grado di vivere

solamente decomponente molecole organiche complesse.

Gli autotrofi chemiosintetici e quelli fotosintetici invece, cioè le alghe, crescono semplicemente t ramite la

fonte di carbonio anidride carbonica. È importante notare come per gli autotrofi fotosintetici la fonte di

energia sia la luce mentre per quelli chemiosintetici sono le reazioni inorganiche di ossido-riduzione.

Apparentemente, questi autotrofi fotosintetici, ai fini del processo biologico non sembrano essere molto utili

perché non consumano BOD e vanno avanti prendendo l’energia dalla luce. Contrariamente gli autotrofi

chemiosintetici, invece, pur non consumando BOD traggono energia da reazioni inorganiche di ossido-

riduzione e quindi sono particolarmente indicati per la rimozione di la rimozione di composti inorganici

biodegradabili come ad esempio l’ammoniaca.

In realtà servono tutte e 3.

Altra suddivisione in base alla tipologia di microrganismo:

• Batteri

• Virus

• Alghe

• Protozoi

• Rotiferi

• Funghi

Possiamo classificarli in base alla temperatura a cui operano

Se sto parlando di un processo biologico da inserire in un trattamento secondario in un impianto acque, da

momento che non c’è granché di valore aggiunto, cerchiamo di lavorare a T ambiente e quindi le nostre

reazioni saranno per lo più reazioni di tipo MESOFILO.

Analizzando i vari microrganismi perché è interessante capire la loro funzione nella rimozione del substrato

disciolto

• BATTERI: Sono le specie più piccole, le dimensioni oscillano tra 0.6-15μm. Quando abbiamo fatto

l’analisi dei solidi sospesi totali noi adottavamo una membrana per separare quello che è disciolto da

quello che è in soluzione di 0,45μm. Quello che rimaneva sopra la membrana rappresentava la

frazione di solidi sospesi mentre quelli che passavano rappresentavano il materiale disciolto. Per

quanto riguarda i batteri più piccoli questi sono esattamente al limite e quindi qualcuno può

scappare. Quindi i batteri potrebbero uscire con l’acqua perché non riescono ad essere intercettati

dai sistemi di filtrazione. La composizione dei batteri è formata da un 80% di acqua e il restante 20%

è materia secca. Questo vuol dire che quando ho una biomassa la gran parte è acqua. Oltretutto

questo 20% di materia secca è per il 90% organica e per il 10% inorganica. Questo, di fatto, comporta

il fatto che anche i batteri sono biodegradabili.

FORMULA TIPICA DI UN BATTERIO: C H NO

5 7 2

Quindi un batterio è formato per lo più da carbonio, idrogeno, ossigeno e un po’ anche da azoto. In

realtà c’è anche un po’ di fosforo perché è tra i nutrienti più importanti.

I batteri lavorano bene a un pH ottimale di 6.5-7.5 e questo è molto importante in quanto abbiamo

più volte detto che i nostri reattori biologici lavorano bene a pH ben definiti. Condizioni di pH più

estreme possono danneggiare l’attività del batterio stesso. Quindi un processo di neutralizzazione

condotto durante il bilanciamento è FONDAMENTALE prima di un processo biologico così da andare

a smussare le punte di carico ma anche andare a smussare il pH. I batteri eterotrofi mangiano BOD

+

mentre i batteri autotrofi mangiano NH . I batteri assimilano nel loro metabolismo molecole

4

organiche o azoto ammoniacale convertendoli in prodotti di reazione che sono i prodotti

dell’ossidazione chimica. +

Il BOD viene convertito in BOD e acqua mentre NH viene convertito in nitrati.

4

• FUNGHI: Bisogna porre molta attenzione al pH in quanto, in realtà, all’interno di un processo di

trattamento delle acque troviamo un po’ tutto. Ci vanno bene anche dei funghi perché in realtà sono

in grado di lavorare anche in condizioni di pH molto acido fino a 2. Qualora dovessi avere delle punte

di carico che mi abbassino drasticamente il pH è conveniente che all’interno del reattore ci siano

anche dei funghi. Altra cosa buona è che i funghi proliferano anche quando i nutrienti sono scarsi

cioè quando ho poco N e P.

In realtà bisogna introdurre un discorso interessante, riprendendo la formula minima del batterio, possiamo

dire che, per garantire la loro sopravvivenza e il loro buon metabolismo, è necessario assicurare ad un

reattore biologico un’acqua di scarico che rispetti il rapporto ottimale aerobico cioè:

BOD :N:P= 100:5:1

5

Un’acqua è bilanciata dal punto di vista dei nutrienti se rispetta questi rapporti cioè vuol dire che una cellula

per poter lavorare bene necessita, per ogni 100 mg di BOD, 5 mg di azoto e 1 mg di fosforo. Quindi quando

la cellula consuma 100 mg di BOD è in grado di consumare anche 5 mg di azoto e 1 mg di fosforo. Questa è

una cosa molto buona perché mi permette di eliminare più elementi attraverso un solo processo. Quindi la

prima cosa che devo fare con un’acqua è andare necessariamente a controllare la composizione cioè far si

che sia verificato un rapporto almeno pari a questo.

Questa la devo vedere anche come un’opportunità cioè quando consumo BOD consumo inevitabilmente

azoto e fosforo e quindi, il nostro reattore in cui viene consumato BOD, diventa anche un reattore dove

vengono rimossi azoto e fosforo. Questo avviene perché l’eliminazione di azoto e fosforo è una conseguenza

diretta è viene chiamata come “INCORPORAZIONE NELLA BIOMASSA”. E questo anche perché la

composizione della cellula è data da carbonio, azoto e fosforo.

• ALGHE: Sono autotrofi fotosintetici, la loro funzione è quella di trasformare la CO in ossigeno e

2

questo è molto utile per ossigenare l’acqua. Quindi forniscono ossigeno ai microrganismi eterotrofi

e quindi permettono il metabolismo del BOD. Un problema, però, è che sono molto avidi di nutrienti.

C’è da dire che queste alghe consumano CO ma per crescere consumano moltissimi nutrienti. Le

2

alghe sono importanti perché contribuiscono all’eliminazione di azoto e fosforo. Questo è buono se

ho una grande quantità di nutrienti in un’acqua ma qualora ci fosse una scarsità non converrebbe

assolutamente far accrescere le alghe.

• VIRUS: Si formano solo in condizioni particolari e consuma cellula e quindi sono dannosi perché

diminuisce la concentrazione di biomassa attiva.

• MICRORGANISMI SUPERIORI: Sono quelli attivi nei confronti del substrato. Pure questi distruggono i

batteri ma questi, che prendono il nome di predatori, sono indispensabili perché non assimilano

substrato ma batteri ed inglobano solidi in sospensione. Questi spazzolano l’acqua e contribuiscono

a tenere basso il valore dei microrganismi presenti nell’acqua. Quando i batteri finiscono la loro

funzione, questi vengono predati dai microrganismi superiori, attraverso un fenomeno chiamato

PREDAZIONE e grazie a questo meccanismo l’acqua risulta completamente purificata anche dai

batteri più piccoli. Cioè quelli che si trovano nell’intorno di 0,45μm. La presenza di PROTOZOI e

ROTIFERI (animaletti in grado di predare anche i protozoi), purifica ulteriormente l’acqua da eventuali

batteri liberi ma, soprattutto, questi microrganismi hanno dimensioni tali da poter essere filtrati o

sedimentati in un sedimentatore secondario. Recupero tutti i microrganismi dal basso

Ho diversi microrganismi superiori che possono suddividersi in

• CARNIVORI: dove troviamo i rotiferi che mangiando i protozoi

• BATTERIOFAGI: che invece mangiano i batteri. Ho 3 tipi di batteriofagi (protozoi)

1. NATANTI: Cioè quelli che nuotano

2. MOBILI: sono quelli in grado di muoversi su un fiocco

3. SESSILI: cioè quelli fissati stabilmente sul fiocco. Nascono in delle comunità fisse

La loro funzione è una funzione di predazione verso i batteri che prende il nome di FILTRAZIONE BATTERICA

cioè loro sono in grado di spazzolare completamente i batteri presenti sul fiocco di fango o i batteri che

nuotano liberamente nel fiocco di fango. Questa operazione è importantissima per evitare che i batteri

possano in qualche modo uscire con l’acqua. CATENA TROFICA

In un processo biologico tutti i microrganismi che abbiamo elencato devono essere contemporaneamente

presenti andando a formare quella che è una catena trofica. Partendo dalla sostanza organica, più o meno

solubile, questa viene metabolizzata dai batteri e quindi l’assimilazione è ad opera dei batteri che possono

essere dispersi o flocculanti. I batteri dispersi sono batteri liberi e quindi natanti (quelli che nuotano ma

parliamo ancora di batteri e NON di batteriofagi natanti) nel nostro liquido. I batteri flocculanti invece

formano dei fiocchi. I batteri dispersi sono i primi ad essere metabolizzati da una famiglia di protozoi cioè i

flagellati (rientrano nella classe dei batteriofagi natanti). Questi a loro volta vengono metabolizzati da ciliati

filtratori, ciliati perché hanno le ciglia per muoversi ed infine abbiamo i carnivori che molto spesso sono

rotiferi.

Se si interrompe la catena in qualsiasi stadio il processo biochimico si ferma come anche si ferma se ho un

accumulo eccessivo di batteri magari non hanno abbastanza sostanza organica da smaltire e cominciano a

morire. Se invece ho troppa sostanza organica, invece, allora i batteri non riuscirebbero a consumarla tutta

quanta. Se ho accumulo di protozoi vuol dire che appena i primi batteri si formano questi vengono

immediatamente predati. È un sistema un po’ irreversibile perché devo trovare degli accorgimenti per

assestare la catena nel modo giusto.

In figura abbiamo diverse tipologie di composti. Quello che possiamo vedere è che per tempi bassi di

residenza si sviluppano le specie più semplici mentre con il passare del tempo di residenza si cominciano a

sviluppare le forme più complesse.

Possiamo fare una differenziazione anche in base al quantitativo di cibo presente.

Quello che è importante è che non si blocchi alcun passaggio altrimenti sarebbe complicato andare avanti

nella catena.

Quando utilizziamo il reattore a biomassa sospesa il mio fango attivo è una sospensione composta da

microrganismi ma anche da materiale in sospensione, da un po’ di residui non biodegradabili come ad

esempio i fiocchi di cellulosa. Abbiamo visto che in un reattore biologico ho una biomassa che è un insieme

di microrganismi con diverse funzioni che permettono l’avvenimento del processo. Tut ti insieme

contribuiscono al processo depurativo. Chiaramente i microrganismi mangiano il materiale disciolto ma, allo

stesso tempo, prendono anche quello in sospensione come avviene nel caso dei microrganismi superiore. In

generale, la biomassa presente in un reattore biologico prende il nome di FANGO ATTIVO cioè che non è

come un fango che si ricava dal sedimentatore primario. Infatti il fango che si recupera dal sedimentatore

primario è composto da materiale inorganico e una piccola frazione di materiale organico ma non bio. Il fango

attivo che invece usiamo nel reattore a biomassa sospesa è un fango in grado di metabolizzare dei composti

organici e inorganici purché siano biodegradabili.

Possiamo eventualmente parlare di struttura del fango attivo ma è abbastanza complesso perché la struttura

del fango attivo, cioè quanti e quali protozoi ci sono, quanti e quali rotiferi ci sono e come sono incastrati tra

di loro e così via, è difficile da determinare. Possiamo dire che non esiste una sola struttura del fango ma

possiamo dire che questa dipende da alcuni componenti e fattori.

Con COMPONENTI intendiamo quello che c’è dentro e possiamo suddividerle in

• COMPONENTI ABIOTICHE: Cioè la struttura tecnologica dell’impianto. Questa può influenzare i

microrganismi che ci sono perché se ho una struttura a biomassa sospesa o a biomassa adesa avrò

sicuramente o una struttura in sospensione o una che aderisce su un supporto. Anche la velocità con

cui arriva l’acqua influisce sulla formazione del fango ed ho anche alcuni microrganismi che in

situazioni turbolente non riescono a vivere.

• COMPONENTI BIOTICHE: Cioè l’equilibrio tra le diverse specie. Questo equilibrio dipende a sua volta

da fattori molto precisi come

• FATTORI ABIOTICI:

1. Da parametri fisici come: temperatura, luce, la turbolenza.

2. Fattori chimici come ad esempio la natura del liquame oppure l’ossigeno disciolto.

3. Fattori alimentari: come la qualità e la quantità di cibo.

• FATTORI BIOTICI: tratta di relazioni intra e interspecifiche infatti se ho alta ho bassa predazione avrò

due fanghi diversi.

Sicuramente una cosa importante è che io devo avere un equilibrio tra quelli che sono i microrganismi

assimilatori (quelli che rimuovono il BOD dall’acqua) e i predatori (cioè quelli che mi permettono di

mantenere un ambiente pulito e quindi rimuovere tutti i batteri). Di fatto il processo biologico consiste nel

trasformare il BOD in CO e acqua ma parte dello stesso viene trasformata anche in cellule. Queste cellule

2

devo necessariamente toglierle perché qualora non lo facessi andrei a togliere materiale biodegradabile

morto sostituendolo con materiale biodegradabile anche eventualmente vivo che può darmi anche problemi.

La struttura del fango è variabile nello spazio e nel tempo.

• Il fatto che sia variabile nello spazio significa che all’interno della catena atrofica posso avere

situazioni diverse ma, comunque, in un punto fissato, c’è una successione nel tempo.

• Ho anche una variazione nel tempo che comporta una successione ecologica.

CINETICA DEI PROCESSI BIOLOGICI

Questo grafico riporta il numero delle cellule in funzione del tempo. In un reattore biologico succede che io

entro con un’acqua di scarico che presenta al suo interno qualche forma di microrganismo che, dopo un

determinato tempo di acclimatazione, comincia a mangiare. Quello che osservo è che, nel tempo, la

concentrazione di biomassa nel reattore cresce velocemente. Arriviamo ad un punto in cui la crescita è

logaritmica (cioè lineare) e questa fase viene definita come CRESCITA LOGARTIMICA. In questo caso ho una

crescita di biomassa che cresce molto velocemente. Ad un certo punto però le cellule cominciano a muoversi

e si entra in una fase stazionaria cioè le cellule che nascono sono uguali a quelle che muoiono. A questo punto

il substrato è stato completamente metabolizzato e quindi le cellule cominciano a mangiarsi tra di loro fino

a che non arriviamo ad un numero di cellule morte che mi danno comunque una certa concentrazione di

BOD. Questo ciclo vitale può essere di chiunque, che sia protozoo, rotifero o semplicemente batterio.

Bisogna però capire che il ciclo vitale di ogni elemento deve interfacciarsi con quello delle singole altre specie

all’interno di un reattore biologico. Riportandolo in un grafico possiamo riportare sull’asse delle y il numero

relativo di microrganismi in funzione del tempo. Per ogni famiglia di microrganismo si tratta della stessa

forma. Quello che cambia è dove si colloca il massimo e a che altezza si trova il massimo.

La prima specie che si forma sono i batteri: i batteri proliferano molto velocemente, raggiungono

concentrazioni molto alte e poi cominciano a decrescere. I batteri decrescono quando, visto che ci sono tanti

batteri, cominciano a nascere le specie superiori che, nutrendosi a loro volta di batteri, hanno una crescita

massima quando è massimo il numero dei batteri. Quando i batteri decrescono anche questi cominciano a

diminuire di numero. Gli ultimi sono i rotiferi in quanto sono quelli che mangiano tutti gli altri. Ogni specie

avrà la velocità massima quando ci sarà il massimo del cibo.

In figura è rappresentata una sequenza temporale, in un reattore batch, invece, al tempo t=0 non ho nessuno

e dopo un po’ di minuti è pieno di batteri, dopo qualche ora cominciano a crescere i protoz