5_Nitrificazione

5/11/2018 5_Nitrificazione - slidepdf.com

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NITRIFICAZIONE E

DENITRIFICAZIONE



Introduzione

L’azoto presente nelle acque sotto varie forme può

provocare fenomeni di eutrofizzazione e di anossia dei

corpi idrici recettori e tossicità alla vita acquatica.

Per l’abbattimento dell’azoto dalle acque di scarico sono

disponibili sistemi:

- biologici;

- chimico-fisici.



____________________________________________________________________________________________________________________________________

Legge n. 319/76 P.R.R.A. D.lgs

n. 319/76 Regione Basilicata n. 99/152 __________________________________________________________________________________________________________________

BOD 40 60 25

COD 160 160 125

SS 80 80 35

azoto totale(*)

10-45,6(**)

10-45,6(**)

10 - 15(***) (x)

fosforo totale 0,5-10 (**) 0,5-15(**) 1 - 2(***) (x)

____________________________________________________________________________________________________________________________________

NOTE : (*) per azoto totale si intende la somma del azoto di Kjeldhal (TKN = azoto organico +

NH3), nitrico e nitroso; (**)il valore inferiore è da applicarsi per gli scarichi in laghi, diretti oindiretti compresi entro una fascia di 10 km dalla costa; (***) il valore inferiore si riferisce a

impianti di potenzialità superiore a 100000 abitanti equivalenti; (x) i limiti sono da applicarsi inaree sensibili soggette ad eutrofizzazione.

Normativa



N2, CO

2, H

2O

NO2

-,

NO3

-

Composti

organici

Composti

organici

Denitrifi

cazione

anossica

Eterotrofi

facoltativi

SO4

2-O2

H2S, S°, S

2O

32-CO

2

Ossidazi

one dei

solfuri

Fe(III)O2

Fe (II)CO2

Ossidazione del

ferro

NO2

-, NO3

-O2

NH3-, NO

2-CO

2

Nitrifica

zioneAutotrofi aerobici

CO2, H

2OO

2

Compostiorganici

Compostiorganici

Ossidazione

aerobica

Eterotrofi aerobici

Prodotti

Accett

ore di

e-

Donatore di

elettroni

Fonte di

Carbonio

Nome

reazioneTipo di batteri

Accettore di elettroni



Nitrificazione

Le due specie batteriche più importanti nella nitrificazione

biologica delle sostanze azotate sono i "Nitrosomonas" ed i

"Nitrobacter".

I Nitrosomonas possono ossidare l'ammoniaca a nitrito, ma

non possono completare l'ossidazione a nitrato. D'altra

parte i Nitrobacter si limitano ad ossidare i nitriti a nitrati.

La nitrificazione completa è una reazione sequenziale e

quindi il processo di trattamento deve essere progettato per

assicurare le condizioni ottimali di crescita ad entrambi imicrorganismi.



Nitrificazione dell ’N organico ed ammoniacale

L'ossidazione dell'azoto ammoniacale a nitrito ad opera dei

Nitrosomonas può essere rappresentata da:

55 NH4 + 5 CO2 + 76 O2⎯→ C5H7NO2 + 54 NO2 + 52 H2O + 109 H

mentre l'ossidazione del nitrito a nitrato ad opera dei Nitrobacter :

400 NO2 + 5 CO2 + NH4 + 195 O2 + 2 H2⎯→ C5H7NO2 + 400 NO3 + H

In base alle reazioni scritte, sono richiesti 3,22 g di O2 per l'ossidazione

di 1 g di NH4 a NO2 e 1,11 g di O2 per l'ossidazione da nitrito a nitrato:

L' O2 totale richiesto è pertanto pari a 4,33 g per g di NH4 ossidato.

Nelle progettazioni tale valore viene elevato a 4,6 e va aggiunto a

quello precedentemente calcolato per l'ossidazione del substrato

carbonioso e la respirazione dei microrganismi, quando si vuol ottenere

la contemporanea nitrificazione.




La cinetica del processo di nitrificazione può essere espressa

dall’equazione di Monod:

( ) ( )( )

X NH N K

NH N

Y dt

NH N d

S 4

4max4

−+−−=− μ

0,05-0,22mgVSS/mgN-NH4Y

0,06-5,6mgN-NH4 /lKS

0,26-0,77d-1μm

ValoriUnitàParametri




Poichè il tasso massimo di crescita dei Nitrobacter è sensibilmente

maggiore di quello dei Nitrosomonas, i nitriti non si accumulano mai

negli impianti di trattamento in condizioni stazionarie ed il fattore

controllante sarà il processo di conversione dell'ammoniaca a nitrito

(che a sua volta dipende dal pH, dalla temperatura e dalla presenza di

sostanze inibitrici).

Il pH ha un effetto significativo sulla velocità di crescita sia deiNitrosomonas (pH ottimale 7,6 ÷ 8) che dei Nitrobacter (pH ottimale

7,8); in generale la nitrificazione può avvenire in un campo di pH

variabile tra 6 e 9.

La velocità di nitrificazione diventa dipendente dall'ossigeno discioltoper concentrazioni di questo parametro inferiori a 2 mg/l . Basse

velocità di nitrificazione causate da bassi valori dell'ossigeno disciolto

possono anche essere sufficienti per una completa nitrificazione se l'età

del fango sarà sufficientemente elevata.




La nitrificazione avviene in un campo di temperature

comprese tra 5 e 45 °C, con valori ottimali compresi tra 25

e 32 °C.L'influenza della temperatura sulla costante di

semisaturazione Kn ed il tasso massimo di crescita µn' dei

Nitrosomonas sono:

( )K n

T = −10 0 051 1 158. .

( )μ n

T e' ..= −0 47 0 098 15




La concentrazione della sostanza organica è tale da favorire la crescita

dei batteri eterotrofi rispetto agli autotrofi nitrificanti. Si corre pertanto il

rischio che la velocità di crescita degli eterotrofi ecceda la massimavelocità di crescita dei microrganismi nitrificanti con spurgo di questi

ultimi al di fuori del sistema. Perché ciò non avvenga, occorre che:

Oppure che

μ μ n e' ≥

ϑ ϑ cd

cm≥



Nitrificazione: fattore di sicurezza

Valori bassi dell'ossigeno disciolto o del pH deprimono il tasso

massimo di crescita dei nitrificanti creando le condizioni per il loro

dilavamento.

Lawrence e McCarty hanno introdotto il concetto del fattore di sicurezza

(FS), quale rapporto :

tra l'età del fango di progetto e quella minima derivante da

considerazioni cinetiche. Un fattore di sicurezza conservativo, parialmeno a 2,5, per minimizzare la variazioni di processo per il pH,

l'ossigeno disciolto e le variazioni di concentrazione giornaliere

dell'azoto ammoniacale, deve essere assunto.

FS c

d

c

m= ϑ ϑ



Nitrificazione: frazione dei nitrificanti

In un processo a fanghi attivi per l'ossidazione congiunta del substrato

carbonioso e delle sostanze azotate la velocità di nitrificazione può

essere riferita ai solidi volatili della miscela aerata (MLVSS) se si tiene

conto che i batteri nitrificanti costituiscono una frazione (f) degli stessi.Tale frazione può essere stimata dalla conoscenza dei rendimenti netti

di crescita dei microrganismi autotrofi ed eterotrofi e dipenderà dal

rapporto BOD5 /TKN del refluo da trattare (trascurando i quantitativi

presenti nell'effluente), secondo la relazione :

f

S N

Y Y

O

O

e

n

=

⎛ ⎝ ⎜ ⎞ ⎠⎟⎛ ⎝ ⎜ ⎞ ⎠⎟ +⎡⎣⎢ ⎤

⎦⎥

1

1

'




dove:

So = carbonio (BOD5) nell'influente, mg/l

No = TKN nell'influente, mg/l

Ye' = rendimento netto di VSS dei microrganismi eterotrofi (assunto paria 0,55)

Yn = rendimento di crescita dei nitrificanti (assunto pari a 0,15)

f S

N

Y

Y

O

O

e

n

=⎛

⎝ ⎜

⎞

⎠⎟

⎛

⎝ ⎜

⎞

⎠⎟ +

⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥

1

1

'




La variazione di f con il rapporto BOD5 /TKN è la seguente:

0.0338

0.0644

0.122

0.211

0.350.5BOD5/TKNf




Anche nei processi di nitrificazione a stadi separati, dove il rapporto

BOD5 /TKN si aggira sul valore 0,2, la frazione dei batteri nitrificanti è

relativamente bassa.

La frazione dei nitrificanti ha un effetto marcato sulla velocità di

nitrificazione come mostrato dalla figura seguente, che riporta anche

l'influenza della temperatura. Un mezzo per aumentare la velocità di

nitrificazione è quello di ridurre il rapporto BOD5 /TKN aumentando larimozione del carbonio organico prima della nitrificazione, ad esempio

coagulando la frazione colloidale a monte della sedimentazione

primaria.

La velocità di nitrificazione è invece poco influenzata dalla

concentrazione dell'ammoniaca, per valori superiori a 2,5 mg/l.



F b a t t = 0 , 2 5

0 , 2

0, 1 5

0, 1

0, 0 5

10 20 30Temperatura °C

V e l o c i t à

d i n i t r i f i c a z i o n e

( g N - N

H 4

o s s i d a t o / g S V

V

g i o r n o )

0

1,2

Velocità di Nitrif icazione



Denitrificazione

Il processo biologico di denitrificazione causa la conversione dei nitrati

ad azoto gas, con l'ausilio di numerosi batteri quali i Pseudomonas,

Micrococcus, Achromobacter e Bacillus che utilizzano l'ossigeno dei

nitriti o nitrati per la respirazione in condizioni anossiche. Tali organismisono di tipo facoltativo potendo utilizzare anche l'ossigeno, se presente.

L'uso di ossigeno, quale accettore finale di elettroni, permette un

maggior rilascio di energia libera e pertanto il processo di

denitrificazione deve essere condotto in condizioni di ambientefortemente anossico. Quale donatore di elettroni può essere usato

carbonio organico presente nel refluo da trattare o metanolo aggiunto in

uno stadio finale separato.



Denitrificazione

Le reazioni di ossido-riduzione coinvolte possono essere così

rappresentate:

NO H e N H O3 2 2

6 5 05 3− + −+ + → +.

−+ ++→+ e H COO H OH CH 55833.0833.0833.0 223

Le velocità di denitrificazione, utilizzando le sostanze organichepresenti nei reflui come donatori di elettroni, sono all'incirca 1/3 di

quelle ottenibili utilizzando metanolo, con conseguente aumento del

volume dei reattori e modifica del processo. Sono stati utilizzati anche

substrati carboniosi prelevati da altri reflui, come scarichi di birrerie o

miscele di acidi volatili con incremento della velocità di denitrificazione

rispetto al metanolo (0,22 e 0,36 kg NO3-N/kg MLVSS giorno

rispettivamente contro il valore di 0,18 per il metanolo).



Denitrificazione

0,02-0,04Residuo respirazioneendogena

0,05-0,10Scarico urbano(lentamentebiodegradabile)

0,24-0,48

Scarico urbano

(prontamentebiodegradabile)

0,32 (T=25°C)Metanolo

Costante didenitrificazione

Sostanza organica



Denitrificazione

A causa dell'elevato costo delle fonti esterne di carbonio organico si

stanno sviluppando numerosi processi capaci di combinare in un

unico reattore le fasi di ossidazione del substrato carbonioso e delle

sostanze azotate con quella di denitrificazione.

I vantaggi ottenibili sono:

(1) riduzione del consumo di ossigeno per i processi di nitrificazione e

rimozione del BOD5;

(2)eliminazione delle fonti esterne di carbonio organico per la

denitrificazione;

(3)eliminazione dei sedimentatori intermedi richiesti nei processi a piùstadi.



Nitrificazione denitrificazione: Schemi ditrattamento

Vantaggi dei sistemi integrati:

-Minor consumo di ossigeno (in quanto una parte delle sostanze

organiche viene ossidata a spese del nitrato);

-Eliminazione del consumo di metanolo;

-Minor consumo di alcalinità (in quanto si recupera parzialmente

l’alcalinità prodotta nel processo di denitrificazione);

-Risparmio nel volume destinato alla sedimentazione.

Schemi integrati:

-Processo Wuhrmann

-Processo Ludzack-Ettinger modificato

-Processo Bardenhpho

-Processo RDN (Riareazione-Denitrificazione-Nitrificazione)-Processo ALPHA (ALternative PHAse step feed)



Schemi di trattamento: Processo Wuhrmann

R

AxAe

E

I

W

E’ il primo esempio di realizzazione di un sistema integrato.

Impiega due reattori in serie:

- il primo reattore funziona in condizioni aerobiche e in esso avvengonosia l’ossidazione delle sostanze organiche che la nitrificazione;

- il secondo reattore è mantenuto in condizioni anossiche e funziona in

regine di respirazione endogena.



R

Ax

E

W

Ae

R’

I

Processo Ludzack-Ettinger

• L’influente è immesso nel primo reattore, che è mantenuto in condizioni

anossiche e dove avviene la denitrificazione utilizzando come fonte di energia il

carbonio interno.

• Il secondo reattore è aerato e in esso avviene la nitrificazione e l’ossidazione

della sostanza organica non rimossa nel reattore anossico; una corrente di riciclo

proveniente dal reattore aerobico provvede ad inviare i nitrati nel reattore di

denitrificazione.

• L’impiego del carbonio interno al posto del carbonio endogeno consente una

velocità di denitrificazione molto più elevata; il processo però non consente una

completa rimozione dei nitrati in quanto una parte del flusso totale di nitrati

proveniente dal reattore aerobico non viene ricircolato nel reattore anossico e siritrova nell’effluente finale.



Schemi di trattamento: Processo Bardenpho

R

Ax

E

W

Ae

R’

IAx Ae

Combina il processo Ludzack-Ettinger con il processo Wuhrmann al

fine di ottenere, quando richiesto, un maggiore grado di denitrificazione.

Prevede l’impiego di un secondo reattore anossico dove viene utilizzato

il carbonio endogeno per la rimozione dei nitrati residui; talvolta si

rende necessaria, in questo reattore, un’aggiunta di metanolo di limitataentità; lo stadio di aerazione, di volume assai modesto, che precede il

sedimentatore, consente la nitrificazione dell’ammoniaca rilasciata dalla

lisi cellulare nel secondo reattore anossico.

P ocesso R D N (Ria ea ione Denit ifica ione



Processo R-D-N (Riareazione-Denitrificazione-Nitrificazione)

R

Ax

E

W

Ae

R’

I

Ae

Prevede l’inserimento di un reattore aerato (reattore di riareazione) fra il

sedimentatore e il reattore anossico; in tal modo, in relazione alla

maggiore concentrazione della biomassa dentro al reattore di

riareazione, è possibile ottenere una nitrificazione più stabile

(soprattutto alle basse temperature) contenendo l’aumento di volume

complessivo dell’impianto.

Un ulteriore vantaggio del reattore di riareazione è legato al controllo

del bulking; tale reattore limita la proliferazione dei microrganismi

filamentosi caratterizzati da scarsa resistenza alle condizioni dimetabolismo endogeno.



Processo ALPHA (ALternat ive PHAse step feed)

R

E

W

IAx Ae Ax Ae Ax Ae

I I

Il processo ALPHA riesce ad aumentare la concentrazione di biomassa

dentro ai reattori adottando uno schema di processo in cui l’influente si

ripartisce fra più reattori anossici seguiti ciascuno da un reattore

aerobico.

Tale configurazione consente inoltre di risparmiare l’energia richiestaper il riciclo interno e di annullare l’effetto di diluizione della biomassa

che tale ricircolo comporta con conseguenti benefici anche sul controllo

del bulking.

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