Svolgimento temi prima e seconda prova esame di stato ingegneria civile e ambientale su approccio probabilistico e depurazione acque reflue

IL CANDIDATO DESCRIVA I SISTEMI DI DEPURAZIONE PER LA RIMOZIONE DEI

COMPOSTI DELL'AZOTO DALLE ACQUE REFLUE, SOFFERMANDOSI IN

PARTICOLARE SULLE DIFFERENZE TRA I SISTEMI TRADIZIONALI E QUELLI

INNOVATIVI E SUI CRITERI DI DIMENSIONAMENTO ADOTTABILI.

in continuo è oggi una delle tecnologie più collaudate per rimuovere l’azoto dai liquami; sistemi più

innovativi e di crescente interesse, quali gli impianti SBR (Sequencing Batch Reactors) permettono.

invece, tramite un processo di tipo discontinuo, un'ottimizzazione delle varie fasi che si traducono

in reattori di dimensioni minori ( e quindi minori costi di costruzione dell'impianto). Altri processi

di recente sperimentazione per la rimozione dell’azoto, quali il processo ANNAMMOX® e

SHARON® (senza recupero di azoto) e lo strippaggio, la precipitazione come sale ammonico e la

concentrazione mediante osmosi inversa (che consentono invece il recupero di azoto come concime

minerale) sono invece, nella maggior parte dei casi, ancora in una fase di messa a punto, in quanto

non si può ancora considerare raggiunta l’affidabilità tecnica necessaria per poterli introdurre su

scala reale.

Rimuovere i composti azotati dalle acque reflue è molto importante per la salvaguardia

dell’ambiente e della salute umana. I composti dell’azoto infatti sono, infatti, spesso responsabili di

fenomeni di eutrofizzazione per le aree sensibili (laghi, baie chiuse, corpi idrici con scarso ricambio

idrico nei quali confluisce il corpo idrico che riceve le acque reflue depurate).

è un processo che si sviluppa in diverse momenti: si ha una prima fase di aumento della

disponibilità di nutrienti; quindi segue un incremento della biomassa vegetale; forte consumo

dell’ossigeno disciolto per la decomposizione aerobica delle alghe morte e conseguente insorgenza

di anossia (assenza di ossigeno disciolto). In tali cambiano i prodotti del metabolismo batterico: i

batteri utilizzano composti quali nitrati e solfati, liberando, tra gli altri prodotti, anche composti

tossici quali ammoniaca, idrogeno solforato e metano. I principali effetti negativi

dell’eutrofizzazione sono quindi aumento della torbidità, difficoltà nei trattamenti di

potabilizzazione, generazione di cattivi odori, compromissione degli usi ricreativi, perdita di

biodiversità e deterioramento dell’ecosistema lacustre.

I due principali nutrienti sono, in realtà, azoto e fosforo; ma dal momento che la mancanza di uno

solo dei due limita l’eutrofizzazione, la normativa permette che le acque vengano depurate da uno

solo dei due. Negli impianti di depurazione, sostanzialmente, si fa avvenire ciò che vogliamo non

accada nel corpo idrico recettore: si trasformano le forme ridotte dell’azoto in forma ossidata (per

risolvere la deossigenazione) e si convertono poi i nitrati risultanti in azoto molecolare (per

risolvere il problema generale dei nutrienti).

I sistemi di depurazione per la rimozione dell’azoto sfruttano processi biologici, grazie al fatto che

i batteri necessitano di substrati (carbonio, azoto, fosforo,etc.) per crescere e sostenere le proprie

funzioni vitali. È possibile rimuovere biologicamente l’azoto attraverso diverse tecnologie che

hanno in comune la modalità di riduzione dell’azoto, che consiste nel portarlo alla forma

molecolare, non inquinante, che si libera poi in atmosfera. Questo risultato si ottiene mediante due

fasi:

1. Ossidazione dell’ammoniaca in ambiente aerobico (nitrificazione); in questa fase si assiste alla

degradazione della sostanza organica per via biologica ed al passaggio dell’azoto dalla forma

NH3 (ammoniaca) a NO2 (nitrosa) e poi NO3 (nitrica). Per garantire la concentrazione di O2

necessaria ai batteri aerobi si insuffla aria mediante sistemi di aerazione e diffusori. I batteri

nitrificanti sono autotrofi, utilizzano cioè fonte di carbonio inorganico (es. anidride carbonica),

motivo per cui anche in condizioni di scarsità di BOD saprebbero lavorare;

2. Successiva denitrificazione in ambiente anossico (assenza di ossigeno disciolto); in questa fase

avviene la trasformazione, grazie alla presenza di microrganismi eterotrofi (che utilizzano come

fonte di carbonio la sostanza organica, come quella normalmente contenuta nei reflui), dei nitriti

e nitrati in azoto molecolare (N2) e, in minor quantità, protossido di azoto (N2O) che si

liberano in atmosfera come gas. Per questa fase è importante l'abbondanza di sostanza organica,

proprio perchè i batteri che si sviluppano qui sono eterotrofi.

Nel trattamento delle acque interessano molto i batteri Nitrosanti (per l’ossidazione dell’ammoniaca

NH4 a nitriti NO2) e i Nitratanti (per l’ossidazione dei nitriti a nitrati NO3). Diversi fattori

influenzano l’efficienza di nitrificazione, molti dei quali in realtà sono comuni un po' a tutti i

processi biologici. Per esempio assumono grande importanza la natura delle acque reflue (ciò è

dovuto alla possibile azione inibente operata da sostanze contenute nel refluo stesso), la

temperatura, il pH (ambienti troppo acidi i troppo basici rallentano il processo), la presenza di zone

non aerate (i batteri nitrificanti possono crescere solo nelle zone aerobiche del reattore, poiché sono

organismi strettamente aerobi, per cui bisogna garantire, per quanto possibile, l’assenza di zone non

aerate, magari anche tramite la scelta di un’opportuna geometria per la vasca oltre che con

opportuni sistemi di aerazione), la concentrazione di ossigeno disciolto (analogamente le basse

concentrazioni di ossigeno riducono fortemente l’efficienza di nitrificazione) e la variabilità della

portata e del carico inquinante (in condizioni di portata e carico organico non stazionari l’efficienza

di nitrificazione risulta minore).

La denitrificazione permette la rimozione di NO3− (e in parte di NO2−) ad opera di batteri che

convertono queste sostanze in azoto gassoso che si libera nell'atmosfera. La rimozione di nitriti e

nitrati dai liquami di scarico è un essenziale, in quanto con la sola nitrificazione si risolve il

problema dell’ammoniaca (che può risultare tossica per la fauna acquatica e che consuma ossigeno)

ma non quello dei nitrati (eutrofizzazione, inquinamento da nitrati). I batteri denitrificanti sono

eterotrofi facoltativi, ciò vuol dire che se posti in condizioni di anossia (cioè in assenza di ossigeno

disciolto) sono in grado di ossidare il substrato carbonioso organico utilizzando l’ossigeno

contenuto nei nitrati (si parla per tale motivo di anossia e non di anaerobiosi) producendo azoto

gassoso come residuo. Tali batteri sono in grado di usare, in pratica, sia O2 e NO3−, tuttavia la

preferenza è comunque a favore dell'ossigeno, poiché esso garantisce una maggiore resa energetica,

e questo è il motivo per il quale il processo di denitrificazione si deve svolgere in condizioni

rigorosamente anossiche, altrimenti non si verificherà la reazione desiderata. La reazione di

denitrificazione, se condotta in condizioni chimico fisiche ottimali (di pH, temperatura, assenza

ossigeno disciolto, assenza di composti tossici o inibenti), è limitata solo dalla concentrazione di

nitrati presenti e dalla disponibilità di substrato carbonioso biodegradabile,

gradabile, avendo a che fare con

eterotrofi. Quest’ultimo può essere fornito dal liquame

liq uame stesso o, se non sufficiente, da una fonte di

carbonio esterna (es. metanolo, acetato).

La crescita batterica dà origine a una biomassa che può essere separata per sedimentazione

sed e

parzialmente ricircolata per garantire una adeguata concentrazione batterica nelle due fasi del

trattamento

Gli esempi di impianti realizzati secondo lo schema classico di pre-denitrificazione

denitrificazione sono i più

p

numerosi. In questo caso è prevista prima la denitrificazione

denitr ificazione e poi la nitrificazione/ossidazione della

dell

sostanza organica. Nel processo di pre-denitrificazione

pre denitrificazione i nitrati vengono ridotti in un primo

pr stadio

anossico utilizzando la sostanza organica del liquame

li quame grezzo come fonte di carbonio organico

(indispensabile per i batteri denitrificanti, che sono

s ono eterotrofi). Nel secondo stadio aerato si svolge

svolg

l'ossidazione della sostanza organica rimanente e l'ossidazione

l 'ossidazione dell'ammoniaca a nitrati. I nitrati

necessari

ri alla denitrificazione dello stadio anossico, essendo

ess endo l'azoto presenta nel liquame grezzo

sotto forma ammoniacale e di azoto organico, sono contenuti

c ontenuti nella portata di ricircolo (biomassa +

liquame ossidato).

Diversamente, uno schema che prevede prima la nitrificazione

nitri ficazione e poi la denitrificazione (ciclo di

post-denitrificazione)

denitrificazione) presenterebbe diversi problemi; i denitrificanti sono infatti eterotrofi e

necessitano, quindi, di sostanza organica che però a valle del

el processo di ossidazione/nitrificazione

scarseggia; inoltre i nitrificanti che operano nella

nell a prima vasca e che sono autotrofi (prendono

carbonio da fonte organica) iniziano a svilupparsi quando la sostanza organica scarseggia: ma

ponendo la nitrificazione

e come prima fase, la sostanza organica è invece abbondante.

ab bondante.

Introducendo un by-pass

pass che porti parte del liquame in arrivo alla nitrificazione

nit rificazione direttamente alla

denitrificazione, si risolverebbe il problema degli eterotrofi denitrificanti, ma si introdurrebbe

introdurr un

nuovo problema: insieme alla sostanza organica si by-passa

b passa anche ammoniaca che, venendosi a

trovare in uno stadio anossico, non potrà essere più

pi ù ossidata (impianti di questo tipo, spesso, non

rispettano il limite allo scarico sull’ammoniaca). In alternativa

ternativa si potrebbe fornire sostanza organica

rapidamente biodegrdabile dall’esterno (metanolo, etanolo),

e

tanolo), ma ciò aumenterebbe i costi di gestione

di impianto. Per tali motivi il sistema di gran lunga

lun ga più usato è quello della pre-denitrificazione

pre con

ricircolo

rcolo della miscela aerata; esso garantisce molta sostanza

s ostanza organica ai denitrificanti e poca ai

nitrificanti, non by-passa

passa ammoniaca e non prevede ulteriori spese per fonti

f onti di carbonio esterno.

Per il dimensionamento delle fasi biologiche di un ciclo di trattamento di pre-denitrificazione

vengono comunemente utilizzati parametri empirici oppure modelli semplificati. Il modello messo a

punto da Esposito et al., (2001) risulta più elaborato; esso prevede di applicare ad entrambi i

comparti biologici (di denitrificazione e di nitrificazione), le equazioni di bilancio dei quattro

subs