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6. Analisi di un caso reale:
RCBR applicato al trattamento
delle acque di un birrificio
artigianale
6.1 L’impianto di depurazione
Le applicazioni migliori per le macchine RCBR sono piccoli centri abitati, agriturismi, campeggi ma anche piccoli impianti di produzione agroalimentare. Nel caso in esame è stato realizzato un impianto di trattamento biologico per il birrificio artigianale Hordeum, ubicato a Novara (Figura 6.1)
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L’intero impianto di trattamento biologico è collocato all’esterno, soggetto quindi alle temperature esterne. In Tabella 4 si riportano le temperature massime e minime dei mesi in esame.
Mese T max [°C] T min [°C]
maggio-14 27,0 9,0 giugno-14 34,1 14,3 settembre-14 28,4 10,9 ottobre-14 24,3 4,4 novembre-14 18,8 4,0 gennaio-15 17,6 - 2,9 aprile-15 28,3 3,7
Tabella 4 – Temperature massime e minime registrate a Novara nei mesi da maggio 2014 ad aprile 2015
La tecnologia di depurazione qui applicata è costituita da un pozzetto equalizzatore, dove vengono raccolte le acque reflue: questo perché il birrificio alterna momenti di produzione, in cui non viene scaricata acqua, a momenti di scarico elevato e continuo; da qui il refluo viene pompato con portata costatante a due macchine RCBR 300 in serie (Figura 6.2): la prima sommersa al 40%, ha funzione di abbattere la carica inquinante a matrice carboniosa (Figura 6.3), raggiungendo i valori ideali per la nitrificazione (rapporto COD:N:P compreso tra 100:10:1 e 100:5:1) che viene effettuata nella seconda, anch’essa sommersa al 40%, ha funzione nitrificante. In uscita dalla seconda macchina, il refluo passa a un sedimentatore dove l’acqua depurata viene recuperata in alto da un toroide forato in più punti e scaricata in fogna. Il fango sedimentato viene inviato ad un pozzetto separato e smaltito tramite autobotti.
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Figura 6.2 – Insieme impianto di depurazione
Le dimensioni dell'intero impianto stand-alone, incluse le macchine RCBR300, consistono in: lunghezza 4,50 m; altezza 1,60 m; larghezza 1,60 m.
La capacità teorica del sistema RCBR installato è di 5,5 m3/giorno con un carico di 3500 mg/l COD, ma nella maggior parte dei casi le condizioni riportate durante il campionamento sono state significativamente più elevate, il che indica che c’è stato un generale sovraccarico del sistema.
Il tempo di residenza del refluo in entrambe le macchine è di circa 4 ore.
Le prove su campo nel birrificio hanno mostrato una grande efficacia di depurazione delle acque in condizioni operative difficili: clima freddo, il flusso discontinuo, alta concentrazione di inquinanti. Infatti, le analisi chimico-fisiche del primo anno di applicazione, hanno rivelato che le due unità di RCBR300 applicate sono state in grado di effettuare un processo di nitrificazione-denitrificazione, con una riduzione elevata dei componenti carboniosi e di quelli azotati.
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6.2 Campionamento e misura dei parametri
chimico-fisici
I campioni sono stati raccolti a partire da maggio 2014. Il refluo in ingresso all’impianto e l’acqua depurata in uscita sono stati raccolti in bottiglie sterili di plastica al fine di determinare i parametri fisico-chimici. Il fango sedimentato è stato campionato con bottiglie sterili in plastica per caratterizzare la composizione del residuo e per testare la presenza di indicatori microbiologici (E. coli e Coliformi totali). Entrambi sono stati analizzati presso il laboratorio chimico Teralab s.r.l. di Rovereto.
I parametri fisico-chimici sono stati analizzati in situ utilizzando diverse sonde del multimetro portatile HQD, Hach®: conduttività (mS/cm2), pH, ossigeno disciolto (mg/l e % di saturazione) e temperatura (°C).
Due coni graduati Imhoff DURAN® da 1000 ml sono stati usati per testare la quantità di materia sedimentabile per ottenere una stima empirica del tipo e dell'entità del trattamento richiesto e la qualità generale delle acque scaricate.
Per analizzare il biofilm sono stati raccolti sei carriers due volte in tre posizioni differenti (indicate come 1, 2 e 3), tre all'esterno e tre nella parte interna (E1 , E2 , E3 , I1 , I2 , I3 e loro repliche R) (Figura 6.4). Sono stati selezionati diversi tipi di carriers per ogni posizione: latte, succo di frutta e tappi dell’acqua, per controllare differenze di adesione del biofilm in base alle proprietà delle plastiche.
Il biofilm era di colore marrone chiaro e abbondante in tutta la superficie disponibile, sia sul serbatoio che sui carriers.
Essi sono stati immediatamente conservati in contenitori sterili ed inviati al Dipartimento di Biologia dell’Università di Girona per le analisi del DNA del biofilm.
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Figura 6.4 – Posizioni dei carriers raccolti per l’analisi del biofilm
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6.3 Analisi dei risultati
6.3.1 Analisi delle concentrazioni degli inquinanti
In questo paragrafo vengono riportate le concentrazioni degli inquinanti in ingresso e in uscita dall’impianto di depurazione.
Solidi sospesi totali (SST)
Nella Tabella 5 sono riportate le concentrazioni di Solidi Sospesi Totali in entrata e in uscita dall’impianto e il relativo rendimento di rimozione. Il limite di legge per l’emissione in fogna (Dlgs 152/2006) dei SST è pari a 200 mg/l. In Figura 6.5 si riporta l’andamento dei SST in ingresso e in uscita dall’impianto.
Mese SST in [mg/l] SST out [mg/l] Rendimento [%]
maggio-14 10500 100 99,05% giugno-14 183 5 97,27% settembre-14 4680 210 95,51% ottobre-14 2920 250 91,44% novembre-14 565 53 90,62% gennaio-15 1370 210 84,67% aprile-15 9920 450 95,46%
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Figura 6.5 - Variazione della concentrazione di SST in ingresso e in uscita nel tempo
Si può notare che a giugno 2014 e a novembre 2015 i valori in ingresso sono particolarmente bassi: questo perché durante questi mesi l’impianto era in produzione e non scaricava refluo se non quello dei servizi.
Figura 6.6 - Variazione della concentrazione di SST in uscita nel tempo e limite di legge per l’emissione in fogna
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 SS T [ mg /l ] SST Ingresso SST Uscita 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 SS T [ mg /l ] SST Uscita Limite di legge
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In Figura 6.6 è riportata la concentrazione di solidi sospesi totali in uscita dall’impianto di depurazione e il limite di legge per lo scarico in fogna: in alcuni casi il limite allo scarico viene superato. Questo è dovuto al fatto che i campioni sono stati raccolti a valle del sedimentatore, dove l’elevata presenza di lieviti rende difficile la sedimentazione. Nonostante ciò i rendimenti di abbattimento dei solidi sospesi totali sono molto elevati, come si evince dalla Figura 6.7, nonostante le variazioni di temperatura (Figura 6.8)
Figura 6.7 – Percentuale di abbattimento dei SST nel tempo
Figura 6.8 – Variazione del rendimento di abbattimento dei SST con la temperatura
99,05% 97,27% 95,51% 91,44% 90,62% 84,67% 95,46% 75,00% 80,00% 85,00% 90,00% 95,00% 100,00% 105,00% Rendimenti 0,00% 20,00% 40,00% 60,00% 80,00% 100,00% 120,00% 0 5 10 15 20 25 Rend im ento [% ] T [°C] SST Lineare (SST)
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COD
Nella Tabella 6 sono riportate le concentrazioni di COD in entrata e in uscita dall’impianto e il relativo rendimento di rimozione. Il limite di legge per l’emissione in fogna del COD è pari a 500 mg/l. In Figura 6.9 si riporta l’andamento del COD in ingresso e in uscita dall’impianto e il limite di legge.
Mese COD in [mg/l] COD out [mg/l] Rendimento [%]
maggio-14 10800 132 98,78% giugno-14 260 20 92,31% settembre-14 4400 360 91,82% ottobre-14 3480 540 84,48% novembre-14 340 34 90,00% gennaio-15 7000 660 90,57% aprile-15 10200 180 98,24%
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Figura 6.9 – Variazione della concentrazione di COD in ingresso e in uscita nel tempo e limite di legge per l’emissione in fogna
Anche in questo caso si notano i valori molto bassi in ingresso a giugno 2014 e novembre 2014.
In alcuni casi il limite allo scarico viene superato, ma di una quantità modesta.
Il rendimento di abbattimento risulta essere comunque molto elevato.
In particolare se si relaziona con il carico di COD applicato [gCOD/m²d] si ottiene il risultato mostrato in Figura 6.10
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 COD [mg /l ] COD Uscita COD Ingresso Limite di legge
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Figura 6.10 – Rendimento di abbattimento del COD al variare del carico applicato
Il rendimento rimane circa costante al variare del carico applicato, si assesta ad un valore medio di 92%.
Allo stesso modo il rendimento rimane costante al variare della temperatura (Figura 6.11)
Figura 6.11 – Rendimento di abbattimento del COD al variare della temperatura
0,00% 20,00% 40,00% 60,00% 80,00% 100,00% 120,00% 0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 Rend im ento [% ]
COD applicato [gCOD/m2*d]
COD out 0,00% 20,00% 40,00% 60,00% 80,00% 100,00% 120,00% 0 5 10 15 20 25 Rend im ento [% ] T [°C] COD
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Azoto ammoniacale (NH4+)
Nella Tabella 7 sono riportate le concentrazioni di azoto ammoniacale in entrata e in uscita dall’impianto e il relativo rendimento di rimozione. Il limite di legge per l’emissione in fogna dell’azoto ammoniacale è pari a 30 mg/l. In Figura 6.12 si riporta l’andamento dell’azoto ammoniacale in ingresso e in uscita dall’impianto e il limite di legge.
Mese NH4+ in [mg/l] NH4+ out [mg/l] Rendimenti [%]
maggio-14 216 1,4 99,35% giugno-14 23,8 0,7 97,06% settembre-14 82,8 28,2 65,94% ottobre-14 120,2 12,2 89,85% novembre-14 10,1 6,5 35,64% gennaio-15 26,6 16,6 37,59% aprile-15 147,6 28,8 80,49%
Tabella 7 - Concentrazioni di azoto ammoniacale in ingresso e in uscita e relativi rendimenti
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Figura 6.12 – Variazione della concentrazione di azoto ammoniacale in ingresso e in uscita nel tempo e limite di legge per l’emissione in fogna
Il carico di azoto è molto variabile e non costante; nonostante ciò il limite allo scarico non viene mai superato.
I rendimenti sono generalmente elevati, eccetto in due casi dove comunque il carico applicato era inferiore ai limiti di legge (Figura 6.13).
Dalla Figura 6.14 si nota che il rendimento di rimozione del’azoto ammoniacale cresce in modo esponenziale con la temperatura.
0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 NH 4 + [mg/ l] NH4+ Ingresso NH4+ Uscita Limite di legge
81
Figura 6.13 – Percentuale di abbattimento di azoto ammoniacale nel tempo
Figura 6.14 – Variazione del rendimento con la temperatura
99,35% 97,06% 65,94% 89,85% 35,64% 37,59% 80,49% 0,00% 20,00% 40,00% 60,00% 80,00% 100,00% 120,00% Rend im ento [% ] Rendimenti 0,00% 20,00% 40,00% 60,00% 80,00% 100,00% 120,00% 0 5 10 15 20 25 Rend im ento [% ] T [°C] NH4+ Espo. (NH4+)
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Azoto nitroso (NO2-)
Nella Tabella 8 sono riportate le concentrazioni di azoto nitroso in entrata e in uscita dall’impianto e il relativo rendimento di rimozione. Il limite di legge per l’emissione in fogna dell’azoto nitroso è pari a 0,6 mg/l. In Figura 6.15 si riporta l’andamento dell’azoto nitroso in ingresso e in uscita dall’impianto e il limite di legge.
Mese NO2- in NO2- out Rendimenti
maggio-14 1,5 < 0,1 99,93% giugno-14 0,4 0,8 n.a. settembre-14 < 0,1 < 0,1 ~100,00% ottobre-14 0,2 < 0,1 99,50% novembre-14 0,1 1,6 n.a. gennaio-15 0,4 < 0,1 99,75% aprile-15 < 0,1 < 0,1 ~100,00%
Tabella 8 – Concentrazioni di azoto nitroso in ingresso e in uscita e relativi rendimenti
I rendimenti sono molto elevati, prossimi al 100% (Figura 6.16) e i valori in uscita risultano inferiori al limite di legge, se si escludono i casi di giugno 2014 e novembre 2014 i cui valori sono anomali: queste circostanze probabilmente sono causate da un non corretto funzionamento della sezione di denitrificazione.
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Figura 6.15 – Variazione della concentrazione di azoto nitroso in ingresso e in uscita nel tempo e limite di legge per l’emissione in fogna
Figura 6.16 – Percentuale di abbattimento di azoto nitroso nel tempo
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 NO - 2 [mg/ l] Ingresso Uscita Limite di legge 90,00% 92,00% 94,00% 96,00% 98,00% 100,00% 102,00% Rend im ento [% ] Rendimenti
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Azoto nitrico (NO3- )
Nella Tabella 9 sono riportate le concentrazioni di azoto nitrico in entrata e in uscita dall’impianto e il relativo rendimento di rimozione. Il limite di legge per l’emissione in fogna dell’azoto nitrico è pari a 30 mg/l. In Figura 6.17 si riporta l’andamento dell’azoto nitrico in ingresso e in uscita dall’impianto e il limite di legge.
Mese NO3- in [mg/l] NO3- out [mg/l] Rendimenti [%]
maggio-14 1,2 0,001 99,92% giugno-14 0,9 0,291 67,67% settembre-14 0,1 0,001 99,00% ottobre-14 0,2 0,001 99,50% novembre-14 1,2 0,4 66,67% gennaio-15 0,4 0,1 75,00% aprile-15 0,001 0,001 ~100,00%
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Figura 6.17 – Variazione della concentrazione di azoto nitrico in ingresso e in uscita nel tempo e limite di legge per l’emissione in fogna
L’abbattimento è costante e i rendimenti sono molto elevati (Figura 6.18). Gli inquinanti in uscita sono sempre sotto i limiti di legge.
Figura 6.18 – Percentuale di abbattimento di azoto nitrico nel tempo
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 NO 3 - [mg/ l] NO3 Ingresso NO3 Uscita 99,92% 67,67% 99,00% 99,50% 66,67% 75,00% 100,00% 0,00% 20,00% 40,00% 60,00% 80,00% 100,00% 120,00% Rend im ento [% ] Rendimento → Limite di legge: 30 mg/l
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Da questi dati si nota che le due macchine, operanti in presenza di ossigeno, in realtà svolgono anche funzione denitrificante, perché la concentrazione di NO3- in
uscita è minore di quella in ingresso.
La spiegazione per questo particolare fenomeno potrebbe essere che l’ossigeno non riesca a raggiungere il centro del cestello, creando zone anossiche, dove l’assenza di ossigeno fa sì che si sviluppino specie di batteri denitrificanti; la curva di penetrazione dell’ossigeno all’interno del cestello potrebbe seguire l’andamento mostrato in Figura 6.19.
Figura 6.19 – Possibile curva di penetrazione dell’ossigeno all’interno del cestello
Un’altra spiegazione poteva essere lo sviluppo di batteri Annamox: per questo motivo è stato eseguito l’esame del DNA della biomassa raccolta dai carriers posti all’interno del cestello: l’analisi ha smentito questa ipotesi.
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Fosforo
Nella Tabella 10 sono riportate le concentrazioni di fosforo in entrata e in uscita dall’impianto e il relativo rendimento di rimozione. Il limite di legge per l’emissione
in fogna del fosforo è pari a 10 mg/l. In Figura 6.20 si riporta l’andamento del fosforo in ingresso e in uscita dall’impianto e il limite di legge.
Mese P in [mg/l] P out [mg/l] Rendimenti [%]
maggio-14 5,6 0,9 83,93% giugno-14 5,3 1,3 75,47% settembre-14 7,9 5,9 25,32% ottobre-14 5,2 4,3 17,31% novembre-14 2,3 1,6 30,43% gennaio-15 4,6 3,7 19,57% aprile-15 9,7 5,5 43,30%
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Figura 6.20 – Variazione della concentrazione di fosforo in ingresso e in uscita nel tempo e limite di legge per l’emissione in fogna
L’abbattimento del fosforo non è elevato ma è coerente con i valori tipici di un impianto biologico e le concentrazioni in uscita restano sotto i limiti di legge. L’andamento del rendimento è mostrato in Figura 6.21.
Figura 6.21 – Percentuale di abbattimento di fosforo nel tempo
0 2 4 6 8 10 12 P [mg/ l] P Ingresso P Uscita Limite di legge 83,93% 75,47% 25,32% 17,31% 30,43% 19,57% 43,30% 0,00% 20,00% 40,00% 60,00% 80,00% 100,00% Rend im ento [% ] Rendimento
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6.3.2 Calcolo della capacità depurativa
dell’impianto
In questo paragrafo viene riportato il calcolo della capacità di ossidazione, nitrificazione e denitrificazione dell’impianto di depurazione sulla base dei dati raccolti.
Capacità di ossidazione
La capacità di ossidazione è un parametro che dà indicazione sulla quantità massima giornaliera di BOD che può essere ossidata [kgBOD/d] e si calcola dalla relazione [9]:
Dove:
FC è il carico del fango [kgBOD/kgSSVd]
SSV sono i solidi sospesi volatili e il parametro identifica la concentrazione media di microrganismi di biomassa attiva che procede all’ossidazione [kgSSV/m3] VOX è il volume della vasca di ossidazione [m3]
In questo caso stiamo trattando un processo a biomassa adesa quindi possiamo considerare Fc come i kg di BOD sui kg di biomassa adesa ai carriers al giorno e sostituire alla concentrazione di SSV quella di biomassa per metro cubo di riempimento; entrambe le macchine hanno la funzione di abbattere gli inquinanti a matrice carboniosa, pertanto si ritiene corretto sostituire al volume della vasca di ossidazione quello dei due cestelli.
Dalle analisi sul biofilm risulta che per ogni carrier crescono in media 3,5 g di biomassa per ogni tappo. Considerando che all’interno della macchina ci sono 910 kg di tappi e che ogni tappo pesa circa 3 g si ottiene un peso totale della biomassa di 1000 kg per ogni macchina, cioè una concentrazione di 400 kg di biomassa/m³
90
Per valutare la capacità di ossidazione dell’impianto si è proceduto facendo una media dei valori calcolati durante l’anno di osservazione; si ottiene:
Da cui si calcola la capacità di ossidazione:
Confrontando tale valore col carico di BOD medio in ingresso pari a 13,2 kgBOD/d si ha che l’impianto è perfettamente dimensionato.
91
Capacità di nitrificazione
La capacità di nitrificazione è indice della quantità massima di azoto ammoniacale giornaliero che può essere convertito ad azoto nitrico e si definisce tramite l’equazione [9]:
Dove:
vN = velocità di nitrificazione espressa in [kgN/kgSSVd];
fbatt = frazione batterica nitrificante, pari al 4,5% dei SSV;
VN = volume della vasca di nitrificazione, in questo caso il cestello.
Anche in questo caso si ritiene corretto sostituire alla concentrazione di SSV quella della biomassa adesa, mentre si considera che solo la seconda macchina abbia funzione nitrificante e pertanto il volume è dato da quello di un solo cestello.
La velocità di nitrificazione, calcolata con la formula di Monod, varia con la temperatura, con il pH e con le concentrazioni di azoto ammoniacale e di ossigeno disciolto:
Per poter valutare le velocità reali di nitrificazione si è proceduto a ritroso, calcolando il carico di azoto convertito quotidianamente (CNITR), che si ricava
dall’equazione [9]:
dove:
Nin = azoto totale in ingresso [kgN/d];
92
Nassimilato = azoto totale assimilato dai microrganismi, corrisponde al 5% del BOD
rimosso [kgN/d].
Si ottengono i risultati in Tabella 11:
Mese CNITR [kgN/d] vN [kgN/kgBiomassa*d]
maggio-14 1,391 0,0292 giugno-14 0,149 0,0031 settembre-14 0,322 0,0067 ottobre-14 0,734 0,0154 novembre-14 0,010 0,0002 gennaio-15 0,092 0,0019 aprile-15 0,708 0,0148
Tabella 11 – Capacità e velocità di nitrificazione
Considerando la costante di semisaturazione dell’ossigeno disciolto Ko pari a 1 mg/l e i valori in Tabella 12, si ricava la velocità massima di nitrificazione a:
93 Mese T [°C] [NH4 + ] (mg/l) [O2] (mg/l) pH maggio-14 18,1 216 1,35 6,45 giugno-14 22,6 23,8 1,29 6,78 settembre-14 19,8 82,8 1,31 6,46 ottobre-14 15,9 120,2 1,34 6,33 novembre-14 11 10,1 1,41 6,14 gennaio-15 4,9 26,6 1,52 6,03 aprile-15 15,3 147,6 1,37 6,24
Tabella 12 - Temperature, concentrazioni di NH4+ e O2, pH
Riportando in grafico le velocità reali con quelle calcolate con il valore di vnitr,max
trovato in funzione del carico di azoto rimosso (Figura 6.22) si nota che queste combaciano quasi perfettamente e pertanto si può ritenere tale valore della velocità massima corretto.
0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0 0,5 1 1,5 2 2,5 Velo ci tà di nitri fica zio ne [k gN/kg Bi om assa *d]
Carico di azoto rimosso [kg/d]
v_reale v_calcolata
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Capacità di denitrificazione
La capacità denitrificante è indice della quantità massima giornaliera di azoto nitroso e nitrico che può essere convertita ad azoto molecolare. Si esegue il calcolo della capacità di denitrificazione mediante l’equazione [9]:
Dove:
vDN è velocità di nitrificazione espressa in [kgN/kgSSVd];
VDN = volume della vasca di denitrificazione.
In questo caso la denitrificazione è dovuta a circostanze particolari, non previste, che si realizzano nella macchina. Dai dati raccolti è possibile calcolare la quantità di azoto nitrificato, ma non è possibile ricavare la velocità di denitrificazione in quando non è noto in volume in cui questa avviene.
Il valore di azoto denitrificato è pari a:
Dove:
Nnitrificato = portata di azoto nitrificato;
ΔNOX = differenza di portata tra nitriti e nitrati tra ingresso e uscita
Facendo una media dei valori calcolati durante l’anno di osservazione, si ottiene che l’azoto denitrificato e quindi la capacità di denitrificazione, vale 0,485 kgN/d.
