Processi unitari biologici Lezione 1

Obiettivi dei trattamenti biologici Coagulare e rimuovere i materiali solidi non sedimentabili e colloidali Rimuovere le sostanze organiche in soluzione Stabilizzare la materia organica Nel caso di reflui civili l’obiettivo principale consiste nel rimuovere il carico organico in essi contenuto e talvolta quello dei nutrienti (N, P) Ruolo dei microrganismi I microrganismi convertono i materiali colloidali e disciolti in gas ed altro materiale cellulare La rimozione delle nuove cellule dal flusso liquido diventa quindi un’operazione essenziale per perseguire lo scopo Microrganismi + substrato (sospeso + disciolto) → acqua + gas + nuove cellule Processi unitari biologici - Lezione 1/5

Processi di trattamento Essi sono divisi in quattro gruppi: Aerobici: i microrganismi usano per il loro metabolismo O2 disciolto; Anaerobici: i microrganismi utilizzano l’ossigeno contenuto in sostanze organiche e/o inorganiche; Anossici: i microrganismi utilizzano l’ossigeno contenuto in sostanze inorganiche (es. nitrati); Combinazioni di questi A loro volta essi si possono classificare, in relazione alle condizioni di aerazione ed al meccanismo secondo cui ha luogo la demolizione biochimica delle sostanze, in: Sistemi a biomassa sospesa (“suspended-growth”): fanghi attivi Sistemi a biomassa adesa (“attached growth”): letti percolatori, biofiltri, biodischi Combinazioni dei precedenti Processi unitari biologici - Lezione 1/5

Processi unitari biologici - Lezione 1/5 Principali processi biologici aerobici per il trattamento di acque reflue Tipo Nome comune Scopo A biomassa sospesa Processo a fanghi attivi (convenzionale, a miscelazione completa, aerazione a stadi, con ossigeno puro, reattore batch sequenziale, stabilizzazione per contatto, aerazione estesa, oxidation ditch, vasche profonde (30 m)) Rimozione del COD Nitrificazione Nitrificazione a biomassa sospesa Lagune aerate Rimozione del BOD Digestione aerobica (con aria/ossigeno puro) Rimozione del BOD Stabilizzazione A biomassa adesa Filtri percolatori (a bassa o alta efficienza) Biodischi Reattori a letto fisso Combinati Biofiltro attivato, biofiltro a fanghi attivi, filtri percolatori in serie Processi unitari biologici - Lezione 1/5

Processi unitari biologici - Lezione 1/5 ESEMPI di processi biologici aerobici per il trattamento di acque reflue Plug - flow convenzionale e CSTR Processi unitari biologici - Lezione 1/5

Processi unitari biologici - Lezione 1/5 Oxidation ditch Processi unitari biologici - Lezione 1/5

Sequencing batch reactor e stabilizzatore per contatto Processi unitari biologici - Lezione 1/5

Processi ad ossigeno puro come mezzo di fornitura dell’ossigeno Processi unitari biologici - Lezione 1/5

Processi unitari biologici - Lezione 1/5 Principali processi biologici anossici per il trattamento delle acque reflue Tipo Nome comune Scopo A biomassa sospesa Denitrificazione a biomassa sospesa Denitrificazione A biomassa adesa Denitrificazione su biofilm Processi unitari biologici - Lezione 1/5

Processi unitari biologici - Lezione 1/5 Principali processi biologici anaerobici per il trattamento delle acque reflue Tipo Nome comune Scopo A biomassa sospesa Digestione anaerobica (standard/high rate, a singolo/doppi stadio) Rimozione del BOD Stabilizzazione Processo a contatto anaerobico Rimozione del BOD UASB A biomassa adesa Filtro anaerobico Stabilizzazione Denitrificazione Letto espanso Processi unitari biologici - Lezione 1/5

Processi unitari biologici - Lezione 1/5 Principali processi biologici combinati per il trattamento delle acque reflue Tipo Nome comune Scopo A biomassa sospesa Processi a stadio singolo o multiplo Rimozione del BOD Nitrificazione Denitrificazione Rimozione del fosforo Processi brevettati Combinati Processi unitari biologici - Lezione 1/5

Classificazione dei microrganismi Gruppo Struttura della cellula Caratteristiche Membri rappresentativi Eucarioti Eucariotica (con vero nucleo) Pluricellulari con differenziazione estensiva di cellule e tessuti Piante, animali (vertebrati, invertebrati) Unicellulare o cenocitica o miceliale; differenziazione dei tessuti scarsa o assente Protisti (alghe, funghi, protozoi) Eubatteri Procariotica (non ha membrana nucleare) Chimica cellulare simile a quella degli eucarioti Maggior parte dei batteri Archebatteri Chimica cellulare differente Metanogeni, alofili, termoacidofili Processi unitari biologici - Lezione 1/5

Introduzione al metabolismo microbico È essenziale, nell’affrontare lo studio di processi biologici, conoscere le esigenze nutrizionali dei microrganismi che comunemente si incontrano in questi trattamenti ed il tipo di metabolismo microbico Il metabolismo è l’insieme dei processi biochimici e dei processi energetici che portano alla produzione di protoplasma cellulare e quindi alla crescita di microrganismi Il metabolismo si articola in due fasi: Anabolismo o processo di sintesi in cui si ha la produzione di tessuto cellulare Catabolismo o processo di ossidazione in cui si ha la produzione dell’energia necessaria per la sintesi cellulare Ogni organismo vivente necessita di sorgenti di energia e carbonio per sintetizzare nuove cellule oltre, naturalmente, agli elementi inorganici Substrato + microrganismi + energia → nuovi microrganismi + prodotti Processi unitari biologici - Lezione 1/5

Processi unitari biologici - Lezione 1/5 Classificazione generale dei microrganismi in relazione alle fonti di energia e carbonio Considerando la fonte di carbonio come caratteristica distintiva, gli organismi possono essere così classificati: Autotrofi: fonte di carbonio di natura inorganica Eterotrofi: fonte di carbonio di natura organica Classificazione Fonte di energia Fonte di carbonio Esempi Autotrofi Fotoautotrofi Luce CO2 Alghe verdi e piante Chemoautotrofi Reazioni inorganiche di ossido-riduzione Solfo e ferro batteri, batteri metanogeni Eterotrofi Chemoeterotrofi Reazioni organiche di ossido-riduzione Carbonio organico Fotoeterotrofi Processi unitari biologici - Lezione 1/5

Respirazione endogena Rappresentazione schematica del metabolismo dei microrganismi fotoautotrofi Fotosintesi Prodotti finali Respirazione endogena Energia Nuove cellule CO2 Sintesi cellulare Nutrienti Processi unitari biologici - Lezione 1/5

Rappresentazione schematica del metabolismo dei microrganismi chemoautotrofi Sostanza inorganica ridotta (es.NH4) Sostanza inorganica ossidata (es.NO3) Prodotti finali Respirazione endogena Energia Nuove cellule CO2 Sintesi cellulare Nutrienti Processi unitari biologici - Lezione 1/5

Respirazione endogena Rappresentazione schematica del metabolismo dei microrganismi chemoeterotrofi Prodotti finali Respirazione endogena Energia Carbonio organico Sintesi cellulare Nuove cellule Nutrienti Processi unitari biologici - Lezione 1/5

Processi unitari biologici - Lezione 1/5 I chemoeterotrofi Sono di primaria importanza per la rimozione del BOD nel trattamento biologico convenzionale. Possono essere ulteriormente raggruppati a seconda del tipo di metabolismo: Organismi con metabolismo respiratorio: generano energia via trasporto enzimatico di elettroni da un donatore di elettroni ad un accettore esterno Organismi con metabolismo fermentativo: non utilizzano un accettore di elettroni esterno Oppure a seconda della richiesta di ossigeno molecolare: Anaerobi obbligati: generano energia per fermentazione e possono esistere solo in ambienti senza ossigeno Anaerobi facoltativi: sono in grado di crescere sia in assenza che in presenza di ossigeno molecolare. Questi sono suddivisibili in: Veri facoltativi anaerobi: possono passare dal metabolismo fermentativo a quello aerobico a seconda della presenza o assenza di ossigeno nell’ambiente di crescita Aerobi obbligati: è usato ossigeno molecolare come accettore di elettroni nel metabolismo respiratorio Anaerobi aerotolleranti: hanno un metabolismo strettamente fermentativo, ma possono tollerare la presenza di ossigeno molecolare. Processi unitari biologici - Lezione 1/5

Accettore di elettroni Tipici accettori di elettroni nelle reazioni batteriche normalmente utilizzate nel trattamento delle acque reflue Ambiente Accettore di elettroni Processo Aerobico Ossigeno, O2 Metabolismo aerobico Anaerobico Nitrato, NO3- Solfato, SO42- Anidride carbonica, CO2 Denitrificazione Solfato-riduzione Metanogenesi Processi unitari biologici - Lezione 1/5

Processi unitari biologici - Lezione 1/5 Nutrienti I nutrienti inorganici essenziali alla crescita della cellula sono: N, S, P, K, Mg, Ca, Fe, Na, Cl Quelli meno importanti: Zn, Mn, Mo, Se, Co, Ni, V, W I nutrienti organici, anche definiti fattori di crescita, differiscono da un organismo all’altro; i più importanti di questi ricadono nelle seguenti quattro classi: Aminoacidi Purine Piridine Vitamine Processi unitari biologici - Lezione 1/5

Crescita batterica ed ossidazione biologica La crescita dei microrganismi è un fenomeno complesso che dipende da: Stato di ossidazione del substrato Grado di polimerizzazione del substrato Meccanismi di utilizzo di S Velocità di crescita cellulare Ambiente di crescita cellulare Sebbene i batteri possano riprodursi per via sessuale o gemmazione la forma più frequentemente osservata è la fissione cellulare. Tempi tipici di fissione sono nell’intervallo 20 minuti – qualche giorno Pertanto, ad esempio, in un ambiente di crescita ottimale, senza limitazioni, un batterio che si riproduca in 30’ è in grado, in 12 h, di dar luogo a 224 = 16.777.216 nuovi batteri ovvero segue la legge generale: N = a 2t/tg tg = tempo di generazione t = tempo di osservazione t/tg = n = numero di generazioni a = numero di cellule inizialmente presenti N = numero di cellule totali al tempo t Processi unitari biologici - Lezione 1/5

Fasi della curva di crescita batterica Fase “lag”: rappresenta il tempo necessario affinché gli organismi si acclimatino al nuovo ambiente ed inizino a dividersi. È caratterizzata da crescita praticamente nulla. La durata di questa fase dipende dal tipo di substrato e dal tipo di biomassa. Fase di crescita logaritmica: le cellule si dividono ad una velocità determinata dal loro tempo di generazione a dalla loro abilità a trattare il substrato. La velocità di crescita è indipendente dalla concentrazione di substrato, che è ancora in eccesso rispetto al fabbisogno della biomassa. Fase stazionaria: in questa fase la popolazione rimane stazionaria in quanto le cellule hanno esaurito il substrato o i nutrienti necessari alla crescita e la crescita di nuove cellule è controbilanciata dalla morte di cellule vecchie Fase di morte: in questa fase la velocità di morte supera la velocità di produzione di nuove cellule. La velocità di morte è solitamente funzione della popolazione vitale e delle caratteristiche ambientali. Il numero di microrganismi si riduce a causa della carenza di cibo e quindi dell’auto-ossidazione del protoplasma cellulare. Processi unitari biologici - Lezione 1/5

Processi unitari biologici - Lezione 1/5 Crescita relativa di microrganismi in grado di stabilizzare un rifiuto organico in ambiente liquido Processi unitari biologici - Lezione 1/5

Cinetica della crescita biologica Processo dissimilativo del substrato: processo di ossidazione in cui le grandi molecole sono convertite a molecole direttamente degradabili. In genere il processo di idrolisi è lento rispetto al processo di crescita biologica per cui la velocità di idrolisi è lo stadio limitante del trattamento biologico Materia organica (COHNS) + O2 + batteri → CO2 + NH3 + prodotti + energia Processo assimilativo o di sintesi: il processo di crescita avviene grazie a batteri che utilizzano molecole molto piccole e semplici per la propria crescita (es. acido acetico, metanolo, etanolo, glucosio, ammonio, nitriti, ecc.) Materia organica (COHNS) + O2 + batteri + energia → nuove cellule (C5H7NO2) Respirazione endogena o auto-ossidazione: i batteri viventi hanno una specifica velocità di decadimento che è essenziale per la conversione delle sostanze in un processo di trattamento biologico. Il fatto che gli organismi muoiano comporta l’aggiunta di sostanze lentamente biodegradabili al sistema che vengono idrolizzate e utilizzate per la crescita. C5H7NO2 + O2 → 5CO2 + NH3 + 2H2O + energia + materia organica stabilizzata Processi unitari biologici - Lezione 1/5

Crescita dei microrganismi Sia in colture batch che in continuo la velocità di crescita delle cellule batteriche può essere definita secondo l’espressione: rg = µX Dove: rg = velocità di crescita [massa volume-1 tempo-1] µ = velocità di crescita specifica [tempo-1] X = concentrazione dei microrganismi [massa volume-1] Essendo rg = dX/dt per colture batch e continue l’equazione precedente diventa: Processi unitari biologici - Lezione 1/5

Crescita in condizioni di substrato limitante In una coltura batch se uno dei fattori necessari per la crescita (substrato o nutrienti) è presente in quantità limitata, esso si esaurirà completamente e la crescita cesserà. In una coltura in continuo, la crescita è limitata. La situazione di substrato o nutrienti limitanti può essere adeguatamente descritta in un sistema continuo dall’espressione di Monod: Dove: µ = velocità di crescita specifica [tempo-1] µm = velocità di crescita massima [tempo-1] Ks = costante di semisaturazione [massa volume-1] S = concentrazione substrato limitante in soluzione [massa volume-1] Da cui, sostituendo nella relazione precedente: S>>Ks µ → µm (cinetica di ordine zero) S<<Ks µ → (cinetica di ordine uno) Processi unitari biologici - Lezione 1/5

Effetti di un nutriente limitante sulla velocità specifica di crescita Concentrazione del nutriente limitante, S Velocità di crescita specifica, m 2 Velocità massima Processi unitari biologici - Lezione 1/5

Crescita cellulare e utilizzo del substrato Sia nelle colture batch che in continuo una frazione del substrato è convertita a nuove cellule ed una parte è ossidata a prodotti finali organici e inorganici. La relazione che esiste tra utilizzo del substrato e crescita cellulare può essere espressa dalla relazione: rg = -Yrsu Dove: rsu = velocità di utilizzo di S [massa volume-1 tempo-1] Y = coefficiente di massima crescita rg = velocità di crescita cellulare [massa volume-1 tempo-1] Processi unitari biologici - Lezione 1/5

Processi unitari biologici - Lezione 1/5 Considerando le equazioni: risulta che: Essendo µm e Y costanti e definendo il loro rapporto k, ovvero la velocità massima di utilizzazione del substrato: risulta: Processi unitari biologici - Lezione 1/5

Effetto del metabolismo endogeno Nelle comunità batteriche la distribuzione dell’età delle cellule è tale che non tutte le cellule si trovano nella fase di crescita. Di conseguenza l’espressione della velocità di crescita deve essere corretta per tenere in considerazione l’energia richiesta per il mantenimento e del fenomeno di morte. Di norma i fattori sono tutti inglobati in uno unico e si assume che la diminuzione della massa di cellule dovuta ad essi sia proporzionale alla concentrazione degli organismi presenti. Questa diminuzione è indicata come decadimento endogeno che può essere formulato come: rd = -kdX Dove: rd = velocità di decadimento endogeno [massa volume-1 tempo-1] kd = coefficiente di decadimento endogeno [tempo-1] X = concentrazione di microrganismi [massa volume-1] Combinando questa equazione con quelle precedenti risulta la velocità netta di crescita r’g [massa volume-1tempo-1]: Processi unitari biologici - Lezione 1/5

Processi unitari biologici - Lezione 1/5 E la velocità specifica di crescita netta µ’: Gli effetti della respirazione endogena sulla crescita netta dei batteri sono considerati definendo un coefficiente di crescita osservata Yobs: L’effetto della temperatura è espresso in genere attraverso l’equazione: Dove: rT = velocità di reazione alla temperatura T r20 = velocità di reazione a 20°C θ = coefficiente T = temperatura Processi unitari biologici - Lezione 1/5

Coefficienti di attività termica per alcuni processi biologici Processo Valore di θ Intervallo Valore tipico Fanghi attivi 1.00 – 1.08 1.04 Lagune aerate 1.04 – 1.10 1.08 Filtri percolatori 1.02 – 1.08 1.035 Processi unitari biologici - Lezione 1/5

Processi unitari biologici - Lezione 1/5 Applicazione delle cinetiche di crescita e di utilizzazione di substrato ai processi biologici Lo scopo è di: Effettuare bilanci di substrato e microrganismi Predire la concentrazione di substrato e microrganismi allo scarico Sviluppare fattori di progetto Valutare l’effetto della cinetica sulle rese del processo, la stabilità e i parametri di progetto Processi unitari biologici - Lezione 1/5

Analisi del processo: CSTR senza ricircolo Q, S0, X0 X, V, S Q, S, X Con riferimento ad un reattore CSTR senza ricircolo l’equazione di continuità è: Accumulo = ingresso – uscita + crescita netta Il bilancio dei microrganismi può essere scritto come: V (dX/dt) = QX0 – QX + Vr’g Dove: dX/dt = velocità di crescita dei microrganismi [VSS volume-1 tempo-1] V = volume di reazione [volume] Q = portata [volume tempo-1] X0 = concentrazione di microrganismi nell’influente [VSS volume-1] X = concentrazione di microrganismi nel reattore [VSS volume-1] Processi unitari biologici - Lezione 1/5

Processi unitari biologici - Lezione 1/5 Inserendo la: Otteniamo: Se X0 = 0 e si è in condizioni di stato stazionario dX/dt=0 e si ottiene: θ = V/Q = tempo di residenza idraulico. Nel caso specifico di reattore CSTR θ è anche il tempo di residenza dei fanghi attivi, l’età del fango θc: θc = VX/QX = V/Q Processi unitari biologici - Lezione 1/5

Processi unitari biologici - Lezione 1/5 Il bilancio del substrato risulterà: E, in condizioni di stato stazionario (dS/dt = 0): Processi unitari biologici - Lezione 1/5

Previsione della concentrazione di X e S nello scarico Dalla: esplicitando rispetto a S/(Ks+S) e sostituendo nella: Ricordando che Y = µm/k risulta: Analogamente eguagliando: esplicitata per (S0-S) a: anch’essa esplicitata per (S0-S) risulta: Processi unitari biologici - Lezione 1/5

Processi unitari biologici - Lezione 1/5 Noti i coefficienti cinetici del sistema da queste due espressioni si possono ricavare le concentrazioni di S e X all’effluente per un reattore CSTR ed un substrato solubile. La figura illustra l’andamento di S o dell’efficienza di abbattimento in funzione del tempo di residenza idraulico, in questo caso uguale all’età del fango (θ = θc). Processi unitari biologici - Lezione 1/5

Processi unitari biologici - Lezione 1/5 La crescita osservata è ricavata sostituendo nell’espressione della sua definizione: Ad r’g il valore X che si ricava dalla: e a rsu, (S0-S): Processi unitari biologici - Lezione 1/5