6 Prove di riproducibilità e andamento temporale del tasso di nitrificazione

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Prove di riproducibilità e andamento temporale

del tasso di nitrificazione

Dopo aver valutato quale fosse il miglior rapporto di diluizione per effettuare prove di nitrificazione, si è passati a valutare quale fosse il limite temporale, a partire dal prelievo del fango attivo, entro il quale si conservasse inalterata la capacità di nitrificare. A tale scopo si è provveduto a allestire prove di nitrificazione in doppio a ripetizione, in modo da evidenziare ogni possibile cambiamento nel tempo dell’attività nitrificante del fango. Queste prove sono state utilizzate anche per confermare la riproducibilità della tecnica.

6.1 Allestimento delle prove di riproducibilità temporale

Il fango necessario per effettuare queste prove è stato prelevato nel mese di novembre 2006 presso il depuratore posto in località “Il Romito” (PI) e nel mese di dicembre presso il depuratore che si trova alla periferia di Pontedera; durante il trasferimento in laboratorio il fango è stato areato con un aeratore a pile dotato di relativo diffusore in pietra porosa. Dopo l’arrivo in laboratorio il fango è stato tenuto sotto aerazione con l’ausilio di un aeratore elettrico. Dopo un attenta calibrazione delle sonde e del sistema di titolazione si è proceduto a rilevare il contenuto in solidi sospesi totali del fango; tale valore è risultato in entrambi i casi prossimo a 8,5 g/L (tale valore viene di solito interpretato come una prima misura indicativa della biomassa contenuta nella sospensione, ed è fondamentale per mantenere una corretta diluizione del mix liquor, il cui contenuto in SST deve essere non troppo lontano dai 4 g/L).

Le prove sono state allestite diluendo ogni volta il fango attivo con l’uscita del depuratore da cui era stato prelevato in un rapporto di 1:2 e caricando il titolatore automatico con una soluzione basica di soda caustica 0,05 M e di perossido di idrogeno 0,04 M (i relativi titoli sono stati

propriamente misurati seguendo le procedure indicate nei capitoli precedenti).

Per quanto riguarda i valori di set point si è scelto di impostare gli stessi valori che erano stati usati per le prove precedenti (7 mg/L per quanto riguarda l’ossigeno disciolto, valore ritenuto non limitante, e 8,3 unità di pH, valore che sintetizza la minor inibizione possibile della biomassa senza che le misure siano afflitte da un eccessiva forza del sistema tampone dei carbonati e dei fosfati naturalmente presenti nel mix liquor, fonte “Aqualab Help®”, tutorial del programma “Aqualab®”). Dopo pochi minuti dal raggiungimento dei valori di set point si è proceduto con un inoculo di 10 mL di cloruro di ammonio 10 mg-N/L e si è lasciato che il processo di nitrificazione procedesse al massimo ritmo per un lasso di tempo sufficiente a lavorare con il software di calcolo, ovvero 15 minuti; in seguito si è inoculata alliltiourea 2 g/L per valutare la velocità di consumo di ossigeno e di produzione di acidità del metabolismo basale della flora batterica eterotrofa. Dopo la somministrazione di alliltiourea il sistema necessita di un breve lasso di tempo per stabilizzarsi, è sufficiente però aspettare 10 minuti. A partire da qui in avanti si può conteggiare il tempo di valutazione richiesto per il calcolo della velocità basale del metabolismo, che è di almeno 10 minuti. Di ogni prova si è inoltre registrato il tempo trascorso dal momento del campionamento tutti i dati sono stati registrati e salvati in fogli elettronici di calcolo.

6.2 Risultati ottenuti

Le prove effettuate sono state effettuate su campioni di fango subito appena prelevato e successivamente a intervalli di due ore, ed è stata misurata esclusivamente la velocità di ossidazione dello ione ammonio a nitrito. Questa tappa, la prima del processo completo di ossidazione dell’azoto contenuto nei reflui, è la tappa più lenta dell’intero processo ed è quindi considerata la tappa limitante; una buona prova di riproducibilità su queste analisi è una condizione fondamentale per la riproducibilità degli esperimenti successivi.

I risultati ottenuti all’impianto del Romito sono stati quelli mostrati nella tabella successiva (Tabella 6.1), dove viene indicata la data di esecuzione del campionamento, le ore trascorse dal momento del campionamento, i risultati ottenuti dalla pista 1 e 2 (espressi in mg-N/(L*h)) e il valore medio di questa grandezza. In rosso sono rappresentati i dati relativi all’intervallo di riproducibilità.

Tabella 6.1, dati relativi all’andamento temporale dell’attività nitrosante del fango attivo prelevato dal depuratore sito in località “Il Romito”.

Data Tempo Pista 1 Pista 2 Media

07-11-06 0 h 3,1 4,8 3,85 07-11-06 2 h 5,3 5,6 5,45 07-11-06 4 h 5,5 5,3 5,4 07-11-06 6 h 5,4 5,4 5,4 08-11-06 8 h 5,4 5,3 5,35 08-11-06 10 h 5,3 5,5 5,4 08-11-06 12 h 5,4 5,3 5,35 09-11-06 24 h 5,3 5,2 5,25 10-11-06 48 h 4,2 4,2 4,2 10-11-06 50 h 4 3,8 3,9 int Χ = 5,38

σ

Per quanto riguarda le prove condotte successivamente sull’impianto di Pontedera, contenute nella tabella successiva, si può notare come, al di là della differenza dei valori assoluti, vi sia una notevole somiglianza per quanto riguarda l’andamento temporale della riproducibilità del dato

sperimentale. In rosso sono rappresentati i dati relativi all’intervallo di riproducibilità.

Tabella 6.2, dati relativi all’andamento temporale dell’attività nitrosante del fango attivo prelevato dal depuratore sito a Pontedera.

Data Tempo Pista 1 Pista 2 Media

04-12-06 0 h 4,6 3,3 3,95 04-12-06 2 h 3,7 4,4 4,05 04-12-06 4 h 5,7 5,8 5,75 04-12-06 6 h 5,8 5,6 5,7 05-12-06 8 h 5,8 5,9 5,85 05-12-06 10 h 5,8 5,7 5,75 05-12-06 12 h 5,7 5,9 5,8 06-12-06 24 h 5,5 5,7 5,6 07-12-06 48 h 4,8 4,6 4,7 07-12-06 50 h 4,6 4,5 4,55 int Χ = 5,77

σ

Dai dati riportati nelle tabelle 6.1 e 6.2 si può osservare come l’attività del fango attivo mostra in entrambi i casi un periodo finestra iniziale in cui non è osservabile una sufficiente riproducibilità. Tale periodo finestra si è presentato con una lunghezza inferiore alle due ore per quanto riguarda le prove effettuate sul fango prelevato in località “Il Romito” e inferiore alle quattro ore (ma comunque superiore alle due) per quanto riguarda il fango prelevato dal depuratore situato in località Pontedera.

Tali differenze potrebbero essere attribuibili a differenze specifiche di composizione del mix liquor e delle biocenosi che costituiscono i due fanghi

attivi e che ne caratterizzano l’attività; tuttavia è da far notare come le prove effettuate all’inizio di novembre sono state effettuate su di un fango sottoposto a condizioni climatiche eccessivamente miti rispetto alle medie stagionali (temperature in vasca oscillanti intorno ai 20°C), mentre le prove condotte sul fango di Pontedera sono state effettuate in un periodo di clima molto più rigido, con temperature medie esterne intorno ai 5°C e temperature medie in vasca variabili intorno ai 10°C. Tali differenze di temperatura potrebbero plausibilmente aver indotto tempi di acclimatazione alla temperatura presente in laboratorio (stabilmente attorno ai 20°C ) anche molto diversi.

La riproducibilità del dato sperimentale si mantiene costante per tutto il resto della durata delle prove sperimentali, e l’attività della biomassa nitrificante raggiunge un plateaux tra le 4 e le 12 ore di tempo trascorso dal momento del campionamento se il fango viene mantenuto in condizioni di ossigenazione forzata e costante. Non è consigliabile condurre prove di nitrificazione oltre questo intervallo in quanto si nota un certo decadimento dell’attività della biomassa autotrofa, pur mantenendosi inalterata la riproducibilità. Si è pertanto scelto di proseguire conducendo altre prove sperimentali nell’arco del plateaux di riproducibilità.

6.3 Considerazioni sull’andamento del tasso di nitrificazione nel tempo

Osservando l’andamento temporale dei dati ottenuti sulla velocità di nitrificazione si possono fare due osservazioni principali: la stabilità del tasso di conversione dello ione ammonio a nitrito e il suo andamento calante oltre questo periodo se il fango viene mantenuto allo stato endogeno in condizioni di aerazione forzata. I grafici sottostanti (grafici 6.1 e 6.2) mostrano l’andamento di questa grandezza in relazione al tempo trascorso dal momento del prelievo, dove K indica il tasso di nitrificazione espresso in mg-N/(L*h):

Impianto situato in località "Il Romito" 0 1 2 3 4 5 6 0 h 2 h 4 h 6 h 8 h 10 h 12 h 24 h 48 h 50 h tempo K tasso di nitrificazione

Grafico 6.1, il grafico mostra l’andamento dell’attività della flora eterotrofa nel fango attivo. Si noti il vistoso calo di attività tra le 24 h e le 48 h di aerazione forzata.

Impianto situato in località Pontedera

0 1 2 3 4 5 6 7 0 h 2 h 4 h 6 h 8 h 10 h 12 h 24 h 48 h 50 h tempo K

tasso di nitrif icazione

Grafico 6.2, come il grafico precedente,questo mostra l’andamento dell’attività della flora eterotrofa nel fango attivo. Anche stavolta si osserva come dopo un giorno di

aerazione forzata la fauna autotrofa sembra accusare una certa stanchezza.

Questi primi risultati sperimentali mostrano sostanzialmente come la flora autotrofa che caratterizza un fango attivo biologico presenti delle

peculiarità molto interessanti che la contraddistinguono dalla fauna eterotrofa.

In primo luogo la biomassa responsabile dell’ossidazione dell’ammoniaca a nitrato sembra necessitare di tempi di raggiungimento della fase endogena molto più brevi della flora eterotrofa (da una a quattro ore, rispetto alle cinque – dieci ore necessarie ai batteri carbonio ossidanti, fonte E. Bulleri, “La respirometria nello studio di processi di depurazione a fanghi attivi”, tesi di laurea triennale, 2005). Un generico andamento del tasso di metabolismo batterico in relazione alla quantità di cibo presente può essere riscontrata nella seguente figura (Fig 6.1):

Fig 6.1: Correlazione generale tra il cibo residuo presente nella sospensione del fango attivo e il metabolismo batterico

Questa particolarità può essere attribuibile alla differente concentrazione media dei differenti substrati che sostengono il metabolismo di queste due famiglie o anche al differente tasso di attività dei metabolismi stessi. In secondo luogo è interessante notare come, a partire da un periodo di aerazione forzata superiore alle 24 ore circa, si inneschi un processo di

flora eterotrofa. Se questa tesi fosse ulteriormente confermata, potrebbe porre dei seri interrogativi ai gestori degli impianti di depurazione. In questo caso infatti una qualsiasi interruzione dell’afflusso di nutrienti al fango attivo (in questo caso specifico, il refluo) che si protragga per un tempo superiore al tempo critico (circa un giorno solare) potrebbe seriamente danneggiare la flora nitrificante, che potrebbe non presentare la stessa efficacia nell’abbattimento del tenore di ammoniaca nel refluo in ingresso in testa d’impianto, con gravi effetti sulla qualità ambientale del corpo idrico recettore. Si ritiene tuttavia che sia importante sottolineare come il microcosmo del bioreattore che contiene il fango attivo presenti una realtà completamente diversa da quella presente all’interno della vasca di ossidazione biologica dove potrebbero essere riscontrate risposte anche molto differenti.

In particolare possono essere prese in considerazione diverse ipotesi (ma siamo al livello di puri esercizi concettuali), che non si escludono l’una con l’altra:

• Il mantenimento per lunghi periodi di tempo ad alti livelli di ossigeno disciolto potrebbe causare fenomeni di intossicazione o comunque di alterazione del normale metabolismo autotrofo, questa ipotesi si basa sulla considerazione che difficilmente vengono raggiunti (e soprattutto mantenuti) livelli così alti di ossigeno nella vasca di ossidazione biologica.

• Una fase endogena prolungata oltre i limiti fisiologici potrebbe avere effetti distorsivi sulla normale capacità di condurre le tappe di ossidazione biologica dell’ammoniaca. • Dopo un lungo periodo in cui il metabolismo autotrofo è stato

sostenuto esclusivamente per via endogena, quando viene somministrato del substrato ammoniacale, è possibile che si possano presentare fenomeni di bioaccumulo di questo stesso substrato o di metaboliti intermedi similmente a come accade nelle vie metaboliche della flora eterotrofa e in quelle degli animali superiori.

• In una vasca di ossidazione ad un normale livello di attività sono presenti interazioni fondamentali tra il metabolismo eterotrofo e quello autotrofo che vengono meno vengano sostenuti solo i processi autotrofi.

Data la scarsità dei dati di letteratura purtroppo non è possibile nemmeno ipotizzare quale sia il vero motivo di questo comportamento, ma dato il pesante risvolto ambientale che può avere questa problematica, si ritiene tuttavia auspicabile che vengano condotti approfonditi studi che possano far luce su questi aspetti.