La rimozione biologica del fosforo costituisce il principale processo atto a coadiuvare o sostituire la rimozione tramite dosaggio chimico. Il crescente costo dei prodotti defosfatanti (Cloruro Ferrico, Solfato di alluminio ecc…) spinge sempre più a tentare l’implementazione di schemi di processo e di condizioni operative atte alla massimizzazione del succitato processo al fine di ottenere una riduzione dei costi operativi.
IL MECCANISMO DI ACCUMULO
Il processo di rimozione biologica si basa sulla crescita delle biomasse fosforo-accumulanti (PAOs), ossia di comunità batteriche in grado di immagazzinare il fosforo all’interno della cellula. Tale accumulo avviene selezionando i microorganismi eterotrofi e sottoponendoli ad un’alternanza di condizioni aerobiche e anaerobiche. In sostanza è necessario prevedere una sezione anaerobica al principio della filiera di trattamento biologica a cui perverrà solamente il ricircolo del fango secondario e in cui si realizzeranno concentrazioni nulle di ossigeno disciolto e ossidi di azoto (nitriti e nitrati). In questa maniera dopo il processo di ossidazione (in condizioni aerobiche) i PAOs risulteranno ricircolati nel comparto anaerobico tramite il ricircolo del fango e verranno sottoposti alla succitata alternanza di fasi aerobiche e anossiche. Durante la fase aerobica la presenza di ossigeno e ossidi azoto da utilizzare come accettori di elettroni permette ai PAOs di sfruttare il carbonio biodegradabile disponibile nell’ambiente per il proprio metabolismo energetico immagazzinando al contempo polifosfati nonché carbonio (sotto forma di poliidrossialcanoati-PHA) all’interno della cellula, e sottraendo quindi ulteriore fosforo al refluo da depurare (oltre a quello necessario per la sintesi). Durante la fase anaerobica, l’assenza di accettori non permette l’utilizzo del carbonio biodegradabile presente nell’ambiente, ragione per cui la crescita dei batteri eterotrofi ordinari risulta fortemente inibita. In tali condizioni i PAOs sono invece in grado di proliferare utilizzando come substrato energetico i polifosfati e il PHA immagazzinati all’interno della cellula e liberando al contempo ioni fosfato nell’ambiente. L’alternanza di condizioni aerobiche e anaerobiche spinge i PAOs a massimizzare l’accumulo di polifosfati e PHA (e quindi di fosforo) per far fronte alla ripetuta mancanza di accettori di elettroni.
La crescita dei PAOs e quindi l’efficienza della rimozione del fosforo per via biologica è quindi fortemente influenzata dai seguenti fattori:
- numero di cicli aerobici-anaerobici a cui risultano sottoposte le biomasse in funzione della portata di ricircolo del fango e dell’SRT del sistema;
- disponibilità di carbonio prontamente biodegradabile nell’ambiente in condizioni aerobiche;
- volume del comparto anaerobico;
- presenza di eventuali zone anaerobiche al termine della filiera biologica che potrebbero comportare la liberazione di ioni fosfato da parte dei PAOs. Questo è ad esempio il caso di grandi bacini di sedimentazione finale nel cui letto di fango si instaurano condizioni anaerobiche o anche di vasche di denitrificazione in cui la concentrazione di ossidi di azoto (NOx) risulta particolarmente ridotta.
Figura 4: schematizzazione del processo metabolico di accumulo biologico del fosforo (Bunce et al., 2018)
PERCHE’ L’APPLICAZIONE DI UN MODELLO DI CRESCITA TRAMITE SOFTWARE RISULTA FONDAMENTALE PER UNA CORRETTA STIMA DEL PROCESSO DI ACCUMULAZIONE BIOLOGICA DEL FOSFORO?
Le metodologie di calcolo convenzionali non permettono di fatto una vera e propria stima della capacità di crescita delle biomasse fosforo accumulanti, limitandosi a suggerire la realizzazione di un comparto anaerobico pari al 10% del volume biologico totale. In termini di predizione del fosforo rimosso per via biologica, è possibile incrementare il parametro di sintesi cellulare inerente alla richiesta di fosforo per la crescita cellulare ad un valore compreso in uno dei range suggeriti in letteratura, che risultano comunque piuttosto ampi.
Esistono invece modelli a fanghi attivi che presentano equazioni di processo specifiche per la crescita delle biomasse fosforo accumulanti e quindi i relativi parametri calibrati su dati sperimentali, come costanti di semisaturazione dedicate ad ogni substrato (COD prontamente biodegradabile, polifosfati, calcio, magnesio ecc..), fattori di riduzione della velocità di crescita in condizioni anossiche e anaerobiche, tassi di morte cellulare in condizioni aerobiche/anossiche e anaerobiche ecc…. L’applicazione di tali modelli tramite software permette di specificare precisamente la configurazione impiantistica ottenendo una stima delle condizioni in ogni parte dell’impianto (concentrazione di COD prontamente biodegradabile, di ossigeno, di ossidi di azoto, SRT, HRT ecc) e, sulla base di queste, ottenere una stima della concentrazione di PAOs in ogni reattore e della relativa concentrazione di polifosfati accumulati all’interno delle cellule.
In sostanza il calcolo tramite software permette di effettuare il calcolo in funzione di tutti i fattori menzionati in precedenza.
CONTESTI DI UTILIZZO DI UN SOFTWARE DI MODELLAZIONE
A livello progettuale l’utilizzo di un software di modellazione permette quindi:
- Per un impianto esistente:
- previa opportuna calibrazione dei parametri, sarà possibile simulare l’impianto allo stato di fatto riproducendone il comportamento in condizioni medie e ottenendo una stima delle condizioni di processo in ogni sua parte;
- a partire dallo stato di fatto sarà possibile verificare ad esempio se la conversione di una parte del volume biologico in comparto anaerobico potrebbe comportare una riduzione sostanziale del consumo di defosfatante, ottenendo quindi una stima di tale riduzione;
- una volta introdotto il comparto anaerobico, sarà anche possibile modificare le condizioni operative (estrazione del fango dai sedimentatori secondari, ricircolo del fango, portata di estrazione del fango di supero ecc…) al fine di massimizzare l’accumulazione del fosforo;
- verificare che non vi si instaurino condizioni anaerobiche al termine della filiera biologica che potrebbero comportare il rilascio di fosfati;
- se sono presenti ritorni di acque dalla disidratazione di fanghi di digestione anaerobica, si potrà ottenere una stima del loro impatto sulle concentrazioni allo scarico. Infatti sottoponendo il fango secondario a condizioni anaerobiche, si ottiene sovente la liberazione di fosfati da parte dei PAOs che risultano poi nuovamente immessi in linea acque con le già citate acque di risulta. Tale effetto risulta spesso trascurato andando a volte a ridurre drasticamente il beneficio dell’accumulazione biologica (tanto più fosforo è accumulato dai PAOs tanto più ne viene liberato in digestione anaerobica e ritorna in linea acque creando un circolo vizioso);
- disponendo di una respirometria, è anche possibile ottenere una stima dell’effetto del frazionamento del COD in ingresso e quindi della disponibilità di substrato carbonioso prontamente biodegradabile anche in relazione all’SRT e ai processi di idrolisi.
- Tutto quanto menzionato riguardo l’applicazione su impianti di depurazione esistenti è altresì possibile in fase di progetto di sistemi depurativi di nuova realizzazione, riducendo consistentemente l’aleatorietà delle valutazioni inerenti al processo in oggetto.
