8 Esperimenti di nitrificazione biologica effettuati su di refluo misto civile-industriale

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Esperimenti di nitrificazione biologica effettuati

su di refluo misto civile-industriale

Dopo aver condotto prove di nitrificazione a tenore di ossigeno disciolto decrescente somministrando alla biomassa esclusivamente ammonio cloruro, si è proceduto ripetendo tali prove somministrando un’aliquota nota di refluo misto sintetico, ottenuto miscelando in parti uguali il refluo industriale e il refluo civile in ingresso al depuratore di Pontedera (PI).

8.1 Caratterizzazione del refluo utilizzato

Il refluo misto da utilizzare è stato ottenuto mescolando aliquote uguali di refluo civile e di refluo industriale, sapendo che tali proporzioni rispecchiano quelle proprie degli effettivi reflui in ingresso nell’impianto. Successivamente il refluo è stato diviso in aliquote da 100 mL ciascuna; di cui due sono servite per le analisi di caratterizzazione del refluo stesso e le altre sono state congelate per il successivo impiego.

Un refluo misto così ottenuto è in grado di innescare i processi respiratori sia della flora eterotrofa (carbonio ossidante), che di quella autotrofa (ammonio ossidante). Poiché per quanto riguarda il consumo di ossigeno e la produzione di acidità la presenza di un metabolismo eterotrofo attivo non può essere considerata trascurabile e poiché il programma Aqualab® calcola il tasso di nitrificazione confrontando la produzione di acidità che si ha dopo la somministrazione del nutriente con il tasso riscontrato dopo la somministrazione dell’inibitore selettivo della flora autotrofa, per avere risultati significativi dagli esperimenti respirometrici pH-DO-stat è necessario che il contributo netto del metabolismo eterotrofo all’acidificazione del sistema resti costante per tutto il tempo della durata dell’esperimento.

Studi precedenti (Bulleri, 2005) hanno tuttavia dimostrato come, quando viene aggiunta una certa quantità di substrato rapidamente

biodegradabile (come può essere una soluzione di acetato di sodio), la velocità di consumo dell’ossigeno aumenta e si mantiene costante fino a quando tale substrato non viene esaurito. Si è così scelto di aggiungere al refluo acetato di sodio fino a rendere la concentrazione di questa sostanza nel refluo sintetico pari a 1,5 g/L, in maniera da poter avere, dopo la somministrazione del refluo, un lasso di tempo in cui l’attività eterotrofa risulti costante sufficientemente ampio da poter condurre comodamente la prova di nitrificazione.

I campioni di refluo utilizzati hanno le seguenti caratteristiche chimiche medie riportate in tabella 8.1.

Tabella 8.1: caratterizzazione del refluo

Grandezza Valore misurato Grandezza Valore misurato pH 8,3 TNI 1,7 SST105 (mg/l) 150 MBAS 7 COD 1800 SO42- 73 BOD5 820 Cr <0,05 Cloruri 670 Cu <0,05 Ntot 70 Fe 0,43 Ntot-in 56 Ni 0,13 NH4+ 71 Cd <0,02 NO2- 0,06 Pb 0,14 NO3- <0,1 Zn 0,18 Ptot 4,9

Per verificare che l’aggiunta di acetato di sodio fosse sufficiente a garantire un certo intervallo di tempo in cui l’attività eterotrofa fosse costante, è stata allestita una prova di respirometrica classica tesa a valutare la velocità di consumo dell’ossigeno disciolto (oxigen utilization rate, OUR) di un fango attivo a cui si fosse somministrata un’aliquota di tale refluo.

L’esperimento è stato allestito inserendo in un bioreattore 370 mL di fango attivo prelevato presso il depuratore di Pontedera diluito in rapporto

1:2 con l’acqua in uscita dal depuratore stesso prelevata contestualmente. Il bioreattore è stato posto sotto agitazione nel frigotermostato a 20°C, mentre l’ossigeno necessario a sostenere i processi metabolici è stato fornito tramite aeratore azionato sotto comando automatico dal titolatore automatico MARTINA® già citato in precedenza. L’OUR del fango è stato invece automaticamente ricavato dal programma Aqualab®.

In figura 8.1 si può trovare il respirogramma ottenuto dalla prova sopra descritta. La curva ottenuta mostra come mediante l’aggiunta al refluo misto di acetato di sodio, l’attività eterotrofa si mantenga costante per circa 40 minuti, più che sufficienti per misurare la velocità di nitrificazione e il metabolismo eterotrofo stimolato dal refluo misto.

0 10 20 30 40 50 60 70 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Tem po (h)

Fig. 8.1: Il respirogramma ottenuto somministrando a 700 mL di fango diluito in rapporto 1:2, 50 mL di refluo sintetico descritto precedentemente. In ordinata i mg/L di DO

consumato per ora.

8.2 Prove di nitrificazione condotte con il refluo misto

Le prove di nitrificazione condotte con il refluo misto sono state eseguite nelle stesse condizioni sperimentali utilizzate per le prove condotte con la soluzione di ammonio cloruro. In particolare, sono stati impostati gli stessi valori di set-point per il pH (8,3 unità) e per l’ossigeno disciolto (valore di riferimento per il bianco a 7 mg/L). Così come nell’esperienza

precedente le prove sono state effettuate inserendo nel bioreattore due aliquote di 700 mL di fango attivo prelevato dal depuratore di Pontedera e successivamente diluito in rapporto 1:2 con l’uscita del depuratore stesso prelevata contestualmente. Il sistema di titolazione automatica è stato caricato con una soluzione di idrossido di sodio 0,1 M e una soluzione di perossido di idrogeno 0,15 M. Una volta raggiunto il valore di pH e DO impostato si è proceduto con la somministrazione di 50 mL di refluo e si sono attesi 15 minuti. In questa fase è stato misurato il tasso di nitrificazione al lordo del metabolismo della fauna eterotrofa. Trascorso tale intervallo di tempo si é somministrata l’aliquota di alliltiourea e si è misurato per 15 minuti il metabolismo dei batteri eterotrofi. Dall’elaborazione delle curve ottenute al variare della quantità di ossigeno impostata al set point, si ottengono i dati riportati in tabella. sono stati ottenuti i risultati riportati in tabella 8.2. Ciascuna prova è stata ripetuta cinque volte, i dati medi sono dunque frutto di cinque misurazioni.

La prima colonna della tabella indica la concentrazione di ossigeno disciolto a cui sono state condotte le prove, la seconda colonna indica invece la differenza tra i valori medi delle prove in esame e delle prove di controllo. In terza colonna troviamo la deviazione standard relativa alle differenze e in quarta colonna troviamo la variazione percentuale del tasso medio di nitrificazione misurata.

Tabella 8.2, Risultati delle prove ottenute con il refluo

DO (mg/L) D Χ

σ

Disponendo su di un grafico i dati ottenuti conducendo esperimenti con il refluo, si nota come, per quello che riguarda le concentrazioni di ossigeno disciolto più alte, la curva ottenuta sia sovrapponibile a quella ottenuta con il cloruro d’ammonio. Tuttavia, man a mano che la concentrazione di ossigeno disciolto scende, si assiste ad una più ampia risalita del tasso di attività.

Correlazione tasso di nitrificazione - DO, Fango di Pontedera, Refluo

0 50 100 150 200 250 0 1 2 3 4 5 6 7 8 mg DO v a r % variazione media

Grafico 8.1: Il grafico mostra la variazione percentuale del tasso di nitrificazione rispetto al bianco misurato a 7 mg-DO/L. I tratti rossi indicano l’intervallo di confidenza di

ciascun dato. Viene inoltre abbozzata la linea di tendenza.

Il grafico 8.2 mostra il confronto tra le prove condotte nutrendo il fango con il cloruro d’ammonio e quelle condotte somministrando un’aliquota nota di refluo. Il primo tratto delle curve, relativo alle prove condotte a 7 e a 6 mg-DO/L mostra una perfetta corrispondenza con le

prove condotte alimentando la flora del fango con il solo ammonio cloruro. Successivamente le curve prendono un andamento diverso, tuttavia anche in questo caso si mostra una risalita del tasso di nitrificazione con il calare del tasso di ossigeno disciolto. Si nota anche come in questo caso la ripresa del processo nitrificante in presenza di refluo si abbia anche a condizioni di ossigeno disciolto non necessariamente limitanti e in proporzioni significativamente maggiori.

Confronto delle curve del refluo e dell'ammonio cloruro

0 50 100 150 200 250 0 1 2 3 4 5 6 7 8 mg/L DO v a r %

refluo ammonio cloruro

Grafico 8.2: Il grafico confronta i risultati delle prove effettuate con il cloruro d’ammonio con quelle effettuate con il refluo misto sintetico.

Anche in questo caso l’evidenza sperimentale non è giustificabile con la teoria precedentemente descritta, che indurrebbe a pensare che in condizioni di ossigeno limitante, il processo di nitrificazione risulti fortemente inibito.

Si possono formulare due ipotesi: la prima ipotesi è che il modello utilizzato dal programma per l’elaborazione dei dati non tiene conto di tutti i processi che sono in atto nel sistema reale. La seconda ipotesi è quella che l’algoritmo matematico amplifichi il rumore associato alla misura, ovvero che secondo il modo di operare dell’algoritmo utilizzato dal programma

piccole differenze misurate nelle pendenze delle curve possono risultare determinanti nel valore finale ottenuto.

La prima ipotesi potrebbe giustificare una lieve deformità della curva di titolazione (cerchio rosso in figura 8.2) sempre osservata nelle prove condotte a ossigeno disciolto pari o inferiore ai 4 mg/L.

Fig. 8.2: Esempio di curva di titolazione in condizioni di ossigeno ritenute limitanti. L’ovale rosso evidenza un’anomalia nella curva ricorrentemente osservata come descritto

nel testo.

Tale anomalia, che segnala in qualche misura un rallentamento nella produzione di acidità all’interno del bioreattore, non è giustificabile con la perturbazione del sistema dovuta alla somministrazione del refluo, in quanto il refluo stesso ha un pH (8,3 unità) corrispondente al valore di set point impostato. Inoltre, per quanto riguarda le prove condotte a più basso tenore di ossigeno disciolto, il sistema di titolazione ha mostrato sensibili difficoltà nel mantenere costante il valore di pH. Nella fattispecie, si è assistito spesso a un modesto aumento del valore di pH all’interno del bioreattore, sufficiente tuttavia a superare il valore di set point e a causare il conseguente arresto del sistema di titolazione. Questo fenomeno è risultato

particolarmente evidente nelle prove condotte a 1 mg-DO/L e a 0,5 mg-DO/L. In tali prove si è spesso constatato un aumento del pH nel mix liquor fino a 8,4-8,42 unità.

Da lavori riportati in letteratura (Vismara R., 1998) è possibile ipotizzare che tale fenomeno possa essere imputabile a un massiccio processo di denitrificazione all’interno del fango. Attraverso tale processo alcuni ceppi di batteri eterotrofi, in condizioni di ossigeno limitante e di abbondanza di sostanza organica biodisponibile, utilizzano nitrati e nitriti presenti in soluzione come sorgente di ossigeno, riducendo queste due specie chimiche a azoto gassoso con produzione di ioni ossidrile.

Questo processo metabolico, che si pone in qualche maniera a cavallo tra il metabolismo eterotrofo e quello autotrofo, risulta particolarmente evidente quando l’ossigeno disciolto scende sotto la soglia degli 0,5 mg-DO/L, causando fra l’altro il fenomeno chiamato “rising”. Vismara, inoltre, parla di un’estensione di questo fenomeno, da lui chiamata “denitrificazione aerobica”. La denitrificazione, infatti, essendo energeticamente molto dispendiosa, viene effettuata solo quando l’ossigeno in soluzione non è una risorsa utilizzabile efficacemente. Tuttavia, anche quando la concentrazione di questo gas è sufficiente a sostenere i processi vitali della biomassa, è ipotizzabile che data la forma irregolare del fiocco di fango fenomeni di denitrificazione possano avvenire in quelle zone del fiocco dove possano svilupparsi temporaneamente sacche di anaerobiosi. Tali sacche saranno inoltre un fenomeno sempre più importante al calare dell’ossigeno disciolto nel mix liquor.

A questo punto, al fine di valutare se fosse presente un eventuale se fossero presenti cause di variazione del pH diverse da quelle in studio dovute ai processi metabolici della nitrificazione o ai processi metabolici endogeni della fauna eterotrofa sono stati effettuati controlli più approfonditi sulle curve di titolazione, eseguendo un’ulteriore prova con il cloruro d’ammonio ed analizzando le pendenze utilizzate dal programma Aqualab® per il calcolo del tasso di nitrificazione al netto del metabolismo eterotrofo. I risultati sono mostrati nella seguente tabella le pendenze sono espresse in equivalenti/h, mentre la velocità misurata è espressa in mg-N/(L*h).

Tab. 8.1: Risultati della prova condotta per l’analisi delle pendenze. Prova Pendenza della fase di nitrificazione Pendenza della fase endogena Velocità misurata 7 mg/L 0,01866 0,00545 7,7 2 mg/L 0,01613 0,00231 8,3 2 mg/L

(stimata a endogeno costante)

0,01613 0,00545 6,4

In questo caso l’attività nitrificante misurata nel bioreattore stabilizzato a 2 mg/L è risultata addirittura superiore a quella misurata nel bioreattore di controllo. Questo nonostante che la pendenza misurata in fase di nitrificazione sia più bassa nella pista dove l’ossigeno disciolto risulta essere in fattore limitante. In questo caso tuttavia, la pendenza della curva che misura l’attività endogena eterotrofa risulta quasi dimezzata, risultato che esula dalle normali oscillazione del livello di metabolismo cellulare e che fa presupporre una situazione di criticità nel metabolismo endogeno eterotrofo. Ripentendo manualmente il calcolo eseguito dal programma di gestione secondo l’equazione (4.3)

(4.3) A(AOB) = fango T NaOH pHend pHtot V h f r r * min/ 60 * * ) ( ) 20 ( − − θ

ci si rende conto di come, essendo le pendenze calcolate numeri dell’ordine di 10-2, 10-3 che poi vengono moltiplicati per un fattore di 103 (dipendente dal volume di esercizio e dai fattori stechiometrici di conversione fissi), una piccola perturbazione interna o esterna al sistema possa fornire dati non rappresentativi, specialmente se le prove sono condotte con volumi di fango ridotti (inferiori al litro). Questo è evidente nell’ultima riga della tabella 8.3, dove si stima la velocità di nitrificazione

supponendo che il valore del metabolismo endogeno eterotrofo resti costante rispetto a quello misurato nella prova a 7 mg/L di ossigeno disciolto. Il valore così calcolato, 6,4 mg-N/(L*h), risulta non confrontabile con il valore ottenuto nella realtà sperimentale che invece è significativamente più elevato, 8,3 mg-N/(L*h). In questo caso si verrebbe ad ipotizzare una sovrastima del dato sperimentale di circa il 30%.

Questo errore é tuttavia spiegabile con un collasso della attività della fauna eterotrofa. In letteratura infatti (Andreattola G., Foladori P., Gelmini A., Ziglio G., 2001) si riscontra come al di sotto dei 2 mg-DO/L il metabolismo eterotrofo risulti gravemente compromesso (si sconsiglia, ad esempio, di condurre esperimenti di respirometria al di sotto di tale soglia). Poiché, per ottenere un buon grado di riproducibilità è necessario che anche la misura del metabolismo eterotrofo avvenga in condizioni ottimali, si può ipotizzare che in condizioni di criticità per la fauna carbonio ossidante l’accuratezza delle misure della velocità di nitrificazione possa risultare in qualche maniera alterata.

E’ possibile pertanto che metodo di lavoro del programma Aqualab® possa non essere utilizzabile per il confronto dei processi di nitrificazione condotti in condizioni ambientali drasticamente differenti, impiego che esula tuttavia dagli specifici usi per il quale il programma stesso è stato concepito.

In aggiunta a quanto detto sopra il fenomeno della denitrificazione può aggiungere ulteriori elementi di variabilità, causando sia un calo nella pendenza della curva di titolazione dopo la somministrazione dell’alliltiourea sia l’anomalia iniziale della curva di titolazione della soluzione basica. Si può infatti affermare che, in una sospensione di fango a condizioni di metabolismo endogeno non siano presenti nitrati e nitriti a sufficienza da sostenere un’efficace processo denitrificatorio. Dopo l’aggiunta di un’aliquota di refluo ricco in ammoniaca il processo di nitrificazione innalza rapidamente la concentrazione di nitriti e nitrati nel mix liquor. E’ a questo punto che, sostenuto dall’abbondanza di materia organica facilmente assimilabile, il processo di denitrificazione si innesca arrivando così a tamponare una parte dell’acidità prodotta dai batteri ammonio ossidanti. Il valore della pendenza della curva di titolazione cala

progressivamente fino a quando il sistema non raggiunge un suo equilibrio tra il processo di nitrificazione e quello di denitrificazione. La curva che ne verrà generata risulterà di pendenza minore in quanto l’acidità prodotta dai processi ammonio ossidanti verrà tamponata dall’interno.

Senza arrivare a casi limite in cui di fatto l’effetto della denitrificazione è così destabilizzante da far saltare il controllo del pH, il consumo di acidità dall’interno del bioreattore può tuttavia ridurre sensibilmente il tasso di aggiunta della soluzione basica soprattutto nella fase di metabolismo endogeno finale (e quindi la pendenza della curva di titolazione) e portare ad una sovrastima anche notevole del tasso di nitrificazione.

In aggiunta a questo, bisogna considerare che il processo di denitrificazione ha necessariamente un andamento variabile, in quanto una volta bloccata l’attività dei batteri autotrofi, non vengono più sintetizzati i nitrati e i nitriti necessari a sostenere questo processo. La concentrazione di queste specie chimiche nel mix liquor è quindi destinata a giungere a valori limitanti in un tempo più o meno rapido dopo la somministrazione dell’inibitore selettivo della flora autotrofa. Dal conseguente blocco dell’attività denitrificatoria risulterà quindi una ripresa virtuale del tasso di metabolismo eterotrofo la cui produzione di acidità non verrà ulteriormente tamponata. Questo inconveniente può comunque essere minimizzato arricchendo artificialmente il refluo utilizzato di nitrati e nitriti, in maniera che questi non risultino mai limitativi del processo di denitrificazione. Non si può però escludere che tale espediente possa causare significative alterazioni dei processi biologici.

Anche in assenza di altri fenomeni di disturbo, un massiccio processo di denitrificazione può in definitiva arrivare da solo a rendere sostanzialmente inelaborabile una curva di titolazione prodotta da un esperimento pH-stat.

Alterazioni dovute ai processi denitrificatori potrebbero essere imputabili anche dell’andamento delle prove condotte somministrando alla biomassa unicamente ammonio cloruro.

Sempre Vismara, in “Depurazione biologica, teoria e processi”, descrive infatti come il processo di denitrificazione proceda a livelli diversi

in base al substrato carbonioso respirato, ma può tuttavia essere efficacemente sostenuto a livello endogeno anche dal carbonio prodotto dalla lisi cellulare.

In base a queste considerazioni risulta plausibile che l’andamento della curva di tendenza relativa alle prove condotte con ammonio cloruro presenti una forma simile a quella della curva di tendenza prodotta dalle prove eseguite somministrando alla sospensione di fango attivo del refluo misto (Grafico 8.2), semplicemente nel primo caso il rumore di fondo dovuto ai processi di denitrificazione si presenta in misura minore e in ritardo rispetto al secondo caso.

Sempre a causa di queste interferenze non è stato possibile in questo caso discriminare un diverso comportamento della flora autotrofa in presenza di un substrato misto (quale il refluo) e in presenza di un substrato puro (la soluzione di ammonio cloruro), soprattutto nelle prove in cui il contributo della denitrificazione si è fatto consistente. Tuttavia è possibile affermare che, laddove questi rumori di fondo siano presumibilmente meno significativi (le prove condotte in condizioni di ossigeno non limitante, ovvero a 6, ma anche a 5, mg-DO/L) sembrerebbe che non esista un “effetto refluo”, in quanto si può osservare una sostanziale sovrapposizione della variazione percentuale del tasso di nitrificazione. Questo primo indizio lascerebbe supporre una sostanziale indipendenza del metabolismo autotrofo da quello eterotrofo (espresso a livello endogeno in assenza di substrati carboniosi ossidabili) ma tuttavia, data l’esiguità delle prove, non si può tuttavia confermare questa ipotesi, che dovrebbe essere oggetto di studi più approfonditi.