Microbiologia del fango attivo

Per fango attivo si intende un ecosistema artificiale condizionato continuamente da fattori biotici e non biotici. Questo perché il fango attivo è una coltura di microrganismi dove le basse concentrazioni di substrato organico e di elementi nutrienti inorganici sono fattori limitanti. La competizione alimentare tra i microrganismi rende questo ecosistema non costante ma riflette tutti i fattori a cui esso è sottoposto. Un’altra caratteristica del fango attivo è che le singole cellule microbiche non sono separate ma crescono in aggregati denominati fiocchi. Tali aggregati esibiscono dal punto di vista tecnologico una accettabile velocità di sedimentazione, considerando la sedimentazione per gravita l’unica forma economica di separazione della biomassa negli impianti di trattamento delle acque reflue. I microrganismi che si legano in fiocchi presentano due importanti vantaggi selettivi rispetto alle cellule che crescono liberamente:

- i microrganismi nei fiocchi vengono trattenuti nel sistema fango attivo, mentre le cellule disperse ne vengono allontanate;

- la crescita in fiocchi protegge la maggior parte delle cellule dai predatori. I microrganismi presenti nel fango attivo dal punto di vista microbiologico si possono classificare in due gruppi principali:

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- i decompositori che sono responsabili della degradazione biochimica delle sostanza inquinanti nell’acqua reflua. Questo gruppo è rappresentato da batteri, funghi ed alghe;

- i consumatori che utilizzano come substrato batteri ed altre cellule microbiche: sono un gruppo che appartiene alla microfauna del fango attivo costituito da protozoi e metazoi.

Tra decompositori e consumatori si viene a creare una rete trofica che prevede il consumo di substrato biodegradabile da parte di batteri dispersi e flocculanti. A loro volta i batteri subiscono la predazione da parte di ciliati filtratori e flagellati. In cima alla catena alimentare sono presenti i ciliati carnivori che si nutrono di ciliati filtratori e flagellati (Madoni, 2003) (Fig. 3.2).

Fig. 3.2: Rete trofica nei fanghi attivi. Le frecce indicano il flusso di materia ed energia

3.2.1. Formazione dei fiocchi

La capacità di formare fiocchi di fango è una delle caratteristiche più importanti su cui si basa la tecnologia dei processi a fanghi attivi. La formazione del fiocco di fango avviene attraverso due processi:

- flocculazione delle cellule batteriche (fioccoformatori) attraverso la quale si formano piccoli aggregati che inglobano anche particelle inorganiche (microstruttura). La flocculazione è resa possibile dalla produzione da parte dei batteri di uno specifico materiale extracellulare viscoso, che funziona in modo analogo ad un polielettrolita sintetico;

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- formazione di uno scheletro filamentoso attraverso il quale i fiocchi possono aumentare di dimensione e la resistenza alle sollecitazioni meccaniche (macrostruttura). La forma del fiocco tende a seguire la forma del filamento e questo spiega la non sfericità dei fiocchi.

I batteri che formano la microstruttura dei fiocchi di fango sono detti fioccoformatori e sono rappresentati dai seguenti generi: Pseudomonas, Alcaligens, Arthrobacter, Citromonas, Flavobacterium, e Zooglea. Questi batteri sono in grado di trasformare il substrato organico in uno specifico materiale extracellulare. Questo materiale ha le stesse proprietà di un polimero organico, aumenta la viscosità dell’acqua che aiuta le singole cellule a formare un microambiente necessario all’attività degli enzimi extracellulari. Il polimero viscoso fa sì che le singole cellule si aggreghino tra loro, o si attacchino alla superficie dei solidi presenti, oppure si attacchino ad altri grossi aggregati. Il fenomeno della bioflocculazione può essere descritto come un’interazione tra polimeri extracellulari di singole cellule che formano una matrice tridimensionale. Il legame tra le cellule è basato sulla riduzione della carica elettrostatica superficiale: il meccanismo è simile alla flocculazione con polielettroliti sintetici. In questa matrice tridimensionale vengono intrappolate particelle inorganiche oltre che cellule batteriche. Questa è una caratteristica importante della bioflocculazione perché determina il peso dei fiocchi e quindi le sue caratteristiche di sedimentabilità. La concentrazione di biopolimero è minore nei fanghi ad alto carico (0,8-1 KgBOD5 KgMLSS-1) rispetto ai fanghi a basso carico, dimostrando così che il polimero extracellulare viene prodotto maggiormente durante il metabolismo endogeno. La microstruttura dei fiocchi è piccola (circa 75µm) di forma sferica e compatta capace di resistere da sola alle condizioni turbolente della vasca aerata. La macrostruttura è costituita da uno scheletro formato dai batteri filamentosi sui quali sono fermamente attaccati i fioccoformatori per mezzo dei loro biopolimeri. La presenza di uno scheletro permette la formazione di fiocchi grandi con buone caratteristiche di sedimentazione. I fiocchi hanno una forma che segue quella dello scheletro della macrostruttura per questo motivo non è sferica ma irregolare (Sanin et al., 2009).

39 3.2.2. Il Bulking filamentoso

Il fenomeno del bulking filamentoso è dovuto alla presenza di un numero eccessivo di batteri filamentosi nel fango che si protendono al di fuori dei fiocchi dando origine a ponti tra i fiocchi stessi oppure a strutture a maglia larga, leggere con ampi spazi vuoti e forma irregolare che sedimentano con difficoltà. In un certo senso il fango affetto da bulking filamentoso ha una macrostruttura sovrabbondante. Tale disfunzione porta al deterioramento delle caratteristiche di sedimentazione dei fanghi attivi al punto che essi non si separano adeguatamente nelle vasche di sedimentazione secondarie e cominciano a uscire copiosamente con l’effluente trattato. I danni sono immediati e comportano un marcato peggioramento delle caratteristiche dell’effluente sia per il notevole contributo in termini di COD e BOD5 dovuti ai solidi sospesi, sia per la concomitante perdita di efficacia del depauperamento della biomassa attiva.

Mentre un tempo si riteneva che un solo microrganismo filamentoso, Sphaerotilus natans, fosse l’unico responsabile del fenomeno, il lavoro svolto tra il finire degli anni 70’ e i primi anni 80’ ha evidenziato come il numero di batteri filamentosi all’origine del fenomeno sia decisamente maggiore. Tali batteri sono però generalmente caratterizzati da una scarsa coltivabilità e le sole tecniche microbiologiche (coltura-dipendenti) allora disponibili non hanno permesso di ottenere adeguate informazioni riguardo la loro biodiversità e le loro caratteristiche di crescita (Tandoi et al., 2006 ).