Processi unitari biologici Lezione 1

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Processi unitari biologiciLezione 1
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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 lobiettivo 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 unoperazione essenziale
  per perseguire lo scopo
• Microrganismi substrato (sospeso disciolto) ?
  acqua gas nuove cellule

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Processi di trattamento

• Essi sono divisi in quattro gruppi
• Aerobici i microrganismi usano per il loro
  metabolismo O2 disciolto
• Anaerobici i microrganismi utilizzano lossigeno
  contenuto in sostanze organiche e/o inorganiche
• Anossici i microrganismi utilizzano lossigeno
  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

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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
A biomassa sospesa Nitrificazione a biomassa sospesa Nitrificazione
A biomassa sospesa Lagune aerate Rimozione del BOD Nitrificazione
A biomassa sospesa Digestione aerobica (con aria/ossigeno puro) Rimozione del BOD Stabilizzazione
A biomassa adesa Filtri percolatori (a bassa o alta efficienza) Rimozione del BOD Nitrificazione
A biomassa adesa Biodischi Rimozione del BOD Nitrificazione
A biomassa adesa Reattori a letto fisso Rimozione del BOD Nitrificazione
Combinati Biofiltro attivato, biofiltro a fanghi attivi, filtri percolatori in serie Rimozione del BOD Nitrificazione
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ESEMPI di processi biologici aerobici per il
trattamento di acque refluePlug - flow
convenzionale e CSTR
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Oxidation ditch
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Sequencing batch reactor e stabilizzatore per
contatto
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Processi ad ossigeno puro come mezzo di fornitura
dellossigeno
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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 Denitrificazione
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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
A biomassa sospesa Processo a contatto anaerobico Rimozione del BOD
A biomassa sospesa UASB Rimozione del BOD
A biomassa adesa Filtro anaerobico Rimozione del BOD Stabilizzazione Denitrificazione
A biomassa adesa Letto espanso Rimozione del BOD Stabilizzazione
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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
A biomassa sospesa Processi brevettati Rimozione del BOD Nitrificazione Denitrificazione Rimozione del fosforo
Combinati Processi a stadio singolo o multiplo Rimozione del BOD Nitrificazione Denitrificazione Rimozione del fosforo
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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)
Eucarioti Eucariotica (con vero nucleo) 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 Procariotica (non ha membrana nucleare) Chimica cellulare differente Metanogeni, alofili, termoacidofili
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Introduzione al metabolismo microbico

• È essenziale, nellaffrontare 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 linsieme 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 dellenergia 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

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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 Classificazione Fonte di energia Fonte di carbonio Esempi
Autotrofi Fotoautotrofi Luce CO2 Alghe verdi e piante
Autotrofi Chemoautotrofi Reazioni inorganiche di ossido-riduzione CO2 Solfo e ferro batteri, batteri metanogeni
Eterotrofi Chemoeterotrofi Reazioni organiche di ossido-riduzione Carbonio organico
Eterotrofi Fotoeterotrofi Luce Carbonio organico
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Rappresentazione schematica del metabolismo dei
microrganismi fotoautotrofi
Prodotti finali
Fotosintesi
Respirazione endogena
Energia
Nuove cellule
CO2
Sintesi cellulare
Nutrienti
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Rappresentazione schematica del metabolismo dei
microrganismi chemoautotrofi
Prodotti finali
Sostanza inorganica ridotta (es.NH4)
Sostanza inorganica ossidata (es.NO3)
Respirazione endogena
Energia
Nuove cellule
CO2
Sintesi cellulare
Nutrienti
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Rappresentazione schematica del metabolismo dei
microrganismi chemoeterotrofi
Prodotti finali
Respirazione endogena
Energia
Carbonio organico
Nuove cellule
Sintesi cellulare
Nutrienti
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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
  nellambiente 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.

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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
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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 allaltro
  i più importanti di questi ricadono nelle
  seguenti quattro classi
• Aminoacidi
• Purine
• Piridine
• Vitamine

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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 nellintervallo 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

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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 dellauto-ossidazione del
protoplasma cellulare.
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Crescita relativa di microrganismi in grado di
stabilizzare un rifiuto organico in ambiente
liquido
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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 laggiunta di sostanze lentamente
  biodegradabili al sistema che vengono idrolizzate
  e utilizzate per la crescita.
• C5H7NO2 O2 ? 5CO2 NH3 2H2O energia
  materia organica stabilizzata

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Crescita dei microrganismi

• Sia in colture batch che in continuo la velocità
  di crescita delle cellule batteriche può essere
  definita secondo lespressione
• 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
  lequazione precedente diventa

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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 dallespressione 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
• SgtgtKs µ ? µm (cinetica di ordine
  zero)
• SltltKs µ ? (cinetica di
  ordine uno)

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Effetti di un nutriente limitante sulla velocità
specifica di crescita
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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

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• 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

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Effetto del metabolismo endogeno

• Nelle comunità batteriche la distribuzione
  delletà delle cellule è tale che non tutte le
  cellule si trovano nella fase di crescita. Di
  conseguenza lespressione della velocità di
  crescita deve essere corretta per tenere in
  considerazione lenergia 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 rg massa
  volume-1tempo-1

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• 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
• Leffetto della temperatura è espresso in genere
  attraverso lequazione
• Dove rT velocità di reazione alla temperatura
  T
• r20 velocità di reazione a 20C
• ? coefficiente
• T temperatura

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Coefficienti di attività termica per alcuni
processi biologici
Processo Valore di ? Valore di ?
Processo 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
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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 leffetto della cinetica sulle rese del
  processo, la stabilità e i parametri di progetto

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Analisi del processo CSTR senza ricircolo

• Con riferimento ad un reattore CSTR senza
  ricircolo lequazione di continuità è
• Accumulo ingresso uscita crescita netta
• Il bilancio dei microrganismi può essere scritto
  come
• V (dX/dt) QX0 QX Vrg
• 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
  nellinfluente VSS volume-1
• X concentrazione di microrganismi nel reattore
  VSS volume-1

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• Inserendo la
• Otteniamo
• Se X0 0 e si è in condizioni di stato
  stazionario dX/dt0 e si ottiene
• ? V/Q tempo di residenza idraulico.
• Nel caso specifico di reattore CSTR ? è anche il
  tempo di residenza dei fanghi attivi, letà del
  fango ?c
• ?c VX/QX V/Q

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Il bilancio del substrato risulterà E, in
condizioni di stato stazionario (dS/dt
0)
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Previsione della concentrazione di X e S nello
scarico
Dalla esplicitando rispetto a S/(KsS) e
sostituendo nella Ricordando che Y µm/k
risulta Analogamente eguagliando esplicitata
per (S0-S) a anchessa esplicitata per
(S0-S) risulta
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• Noti i coefficienti cinetici del sistema da
  queste due espressioni si possono ricavare le
  concentrazioni di S e X alleffluente per un
  reattore CSTR ed un substrato solubile. La figura
  illustra landamento di S o dellefficienza di
  abbattimento in funzione del tempo di residenza
  idraulico, in questo caso uguale alletà del
  fango (? ?c).

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La crescita osservata è ricavata sostituendo
nellespressione della sua definizione Ad
rg il valore X che si ricava dalla e a rsu,
(S0-S)