processi unitari biologici - lezione 1/5 1 processi unitari biologici lezione 1

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Processi unitari biologici - Processi unitari biologici - Lezione 1/5 Lezione 1/5 1 Processi unitari Processi unitari biologici biologici Lezione 1 Lezione 1

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Processi unitari biologici - Lezione 1/5Processi unitari biologici - Lezione 1/5 11

Processi unitari biologiciProcessi unitari biologici

Lezione 1Lezione 1

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Processi unitari biologici - Lezione 1/5Processi unitari biologici - Lezione 1/5 22

Obiettivi dei trattamenti biologiciObiettivi dei trattamenti biologici• Coagulare e rimuovere i materiali solidi non sedimentabili e Coagulare e rimuovere i materiali solidi non sedimentabili e

colloidalicolloidali• Rimuovere le sostanze organiche in soluzione Rimuovere le sostanze organiche in soluzione • Stabilizzare la materia organicaStabilizzare la materia organica

Nel caso di reflui civili l’obiettivo principale consiste nel rimuovere Nel caso di reflui civili l’obiettivo principale consiste nel rimuovere il carico organico in essi contenuto e talvolta quello dei nutrienti il carico organico in essi contenuto e talvolta quello dei nutrienti (N, P)(N, P)

Ruolo dei microrganismiRuolo dei microrganismi• I microrganismi convertono i materiali colloidali e disciolti in gas ed altro I microrganismi convertono i materiali colloidali e disciolti in gas ed altro

materiale cellularemateriale cellulare

• La rimozione delle nuove cellule dal flusso liquido diventa quindi La rimozione delle nuove cellule dal flusso liquido diventa quindi un’operazione essenziale per perseguire lo scopoun’operazione essenziale per perseguire lo scopo

Microrganismi + substrato (sospeso + disciolto) Microrganismi + substrato (sospeso + disciolto) → acqua + gas + nuove cellule→ acqua + gas + nuove cellule

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Processi unitari biologici - Lezione 1/5Processi unitari biologici - Lezione 1/5 33

Processi di trattamentoProcessi di trattamento Essi sono divisi in quattro gruppi:Essi sono divisi in quattro gruppi:

• AerobiciAerobici: i microrganismi usano per il loro metabolismo O: i microrganismi usano per il loro metabolismo O22 disciolto;disciolto;

• AnaerobiciAnaerobici: i microrganismi utilizzano l’ossigeno contenuto in : i microrganismi utilizzano l’ossigeno contenuto in sostanze organiche e/o inorganiche;sostanze organiche e/o inorganiche;

• AnossiciAnossici: i microrganismi utilizzano l’ossigeno contenuto in : i microrganismi utilizzano l’ossigeno contenuto in sostanze inorganiche (es. nitrati);sostanze inorganiche (es. nitrati);

• Combinazioni di questiCombinazioni di questi

A loro volta essi si possono classificare, in relazione alle A loro volta essi si possono classificare, in relazione alle condizioni di aerazione ed al meccanismo secondo cui ha luogo condizioni di aerazione ed al meccanismo secondo cui ha luogo la demolizione biochimica delle sostanze, in:la demolizione biochimica delle sostanze, in:

• Sistemi a biomassa sospesaSistemi a biomassa sospesa (“suspended-growth”): fanghi (“suspended-growth”): fanghi attiviattivi

• Sistemi a biomassa adesaSistemi a biomassa adesa (“attached growth”): letti (“attached growth”): letti percolatori, biofiltri, biodischipercolatori, biofiltri, biodischi

• Combinazioni dei precedentiCombinazioni dei precedenti

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Processi unitari biologici - Lezione 1/5Processi unitari biologici - Lezione 1/5 44

Principali processi biologici Principali processi biologici aerobiciaerobici per il per il trattamento di acque refluetrattamento di acque reflue

TipoTipo Nome comuneNome comune ScopoScopo

A A biomassa biomassa sospesasospesa

Processo a fanghi attivi (convenzionale, a miscelazione Processo a fanghi attivi (convenzionale, a miscelazione completa, aerazione a stadi, con ossigeno puro, reattore completa, aerazione a stadi, con ossigeno puro, reattore batch sequenziale, stabilizzazione per contatto, aerazione batch sequenziale, stabilizzazione per contatto, aerazione estesa, oxidation ditch, vasche profonde (30 m))estesa, oxidation ditch, vasche profonde (30 m))

Rimozione del Rimozione del CODCOD

NitrificazioneNitrificazione

Nitrificazione a biomassa sospesaNitrificazione a biomassa sospesa NitrificazioneNitrificazione

Lagune aerateLagune aerateRimozione del Rimozione del BODBOD

NitrificazioneNitrificazione

Digestione aerobica (con aria/ossigeno puro)Digestione aerobica (con aria/ossigeno puro)Rimozione del Rimozione del BOD BOD StabilizzazioneStabilizzazione

A A biomassa biomassa adesaadesa

Filtri percolatori (a bassa o alta efficienza)Filtri percolatori (a bassa o alta efficienza)

Rimozione del Rimozione del BODBOD

NitrificazioneNitrificazione

BiodischiBiodischi

Reattori a letto fissoReattori a letto fisso

CombinatiCombinatiBiofiltro attivato, biofiltro a fanghi attivi, filtri percolatori in Biofiltro attivato, biofiltro a fanghi attivi, filtri percolatori in serieserie

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Processi unitari biologici - Lezione Processi unitari biologici - Lezione 1/51/5

55

ESEMPI di processi biologici aerobici per il ESEMPI di processi biologici aerobici per il trattamento di acque refluetrattamento di acque reflue

Plug - flow convenzionale e CSTRPlug - flow convenzionale e CSTR

Sed. IISed. I

Influente

Fango Fango di supero

Vasca di aerazione

Fango di ricircolo

Effluente

Fango di superoFango di ricircolo

Sed. II

Sed. II

Vasca di aerazione

Influente

Aeratore meccanico

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Processi unitari biologici - Lezione Processi unitari biologici - Lezione 1/51/5

66

Oxidation ditchOxidation ditch

Influente Effluente

Rotore di aerazione

Fango di supero

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Processi unitari biologici - Lezione Processi unitari biologici - Lezione 1/51/5

77

Sequencing batch reactor e stabilizzatore per Sequencing batch reactor e stabilizzatore per contattocontatto

Influente

TEMPO

Riempimento Reazione Sedimentazione Scarico

Effluente

Attesa

Fango di ricircolo

effluente

Vasca di aerazione del fango

Sedimentatore II

Fango di supero

Sedimentatore I

Vasca di contatto

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Processi unitari biologici - Lezione Processi unitari biologici - Lezione 1/51/5

88

Processi ad ossigeno puro come mezzo Processi ad ossigeno puro come mezzo di fornitura dell’ossigeno di fornitura dell’ossigeno

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Processi unitari biologici - Lezione 1/5Processi unitari biologici - Lezione 1/5 99

Principali processi biologici Principali processi biologici anossicianossici per per il trattamento delle acque reflueil trattamento delle acque reflue

TipoTipo Nome comuneNome comune ScopoScopo

A biomassa A biomassa sospesasospesa

Denitrificazione a Denitrificazione a biomassa sospesabiomassa sospesa DenitrificazionDenitrificazion

eeA biomassa adesaA biomassa adesa

Denitrificazione su Denitrificazione su biofilmbiofilm

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Processi unitari biologici - Lezione 1/5Processi unitari biologici - Lezione 1/5 1010

Principali processi biologici Principali processi biologici anaerobicianaerobici per il trattamento delle acque reflueper il trattamento delle acque reflueTipoTipo Nome comuneNome comune ScopoScopo

A biomassa A biomassa sospesasospesa

Digestione anaerobica Digestione anaerobica (standard/high rate, a (standard/high rate, a singolo/doppi stadio)singolo/doppi stadio)

Rimozione del Rimozione del BOD BOD StabilizzazioneStabilizzazione

Processo a contatto anaerobicoProcesso a contatto anaerobico Rimozione del Rimozione del BODBODUASBUASB

A biomassa adesaA biomassa adesa

Filtro anaerobicoFiltro anaerobico

Rimozione del Rimozione del BODBOD

StabilizzazioneStabilizzazione

DenitrificazioneDenitrificazione

Letto espansoLetto espansoRimozione del Rimozione del BODBOD

StabilizzazioneStabilizzazione

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Processi unitari biologici - Lezione 1/5Processi unitari biologici - Lezione 1/5 1111

Principali processi biologici Principali processi biologici combinaticombinati per il trattamento delle acque reflueper il trattamento delle acque reflue

TipoTipo Nome comuneNome comune ScopoScopo

A biomassa A biomassa sospesasospesa

Processi a stadio Processi a stadio singolo o multiplosingolo o multiplo

Rimozione del BODRimozione del BOD

NitrificazioneNitrificazione

DenitrificazioneDenitrificazione

Rimozione del Rimozione del fosforofosforo

Processi brevettatiProcessi brevettati

CombinatiCombinatiProcessi a stadio Processi a stadio singolo o multiplosingolo o multiplo

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Processi unitari biologici - Lezione 1/5Processi unitari biologici - Lezione 1/5 1212

Classificazione dei microrganismiClassificazione dei microrganismi

GruppoGruppoStruttura Struttura

della celluladella cellulaCaratteristicheCaratteristiche Membri rappresentativiMembri rappresentativi

EucariotiEucariotiEucariotica Eucariotica (con vero (con vero nucleo)nucleo)

Pluricellulari con Pluricellulari con differenziazione estensiva di differenziazione estensiva di cellule e tessuticellule e tessuti

Piante, animali (vertebrati, Piante, animali (vertebrati, invertebrati)invertebrati)

Unicellulare o cenocitica o Unicellulare o cenocitica o miceliale; differenziazione miceliale; differenziazione dei tessuti scarsa o assentedei tessuti scarsa o assente

Protisti (alghe, funghi, Protisti (alghe, funghi, protozoi)protozoi)

EubatteriEubatteri Procariotica Procariotica (non ha (non ha membrana membrana nucleare)nucleare)

Chimica cellulare simile a Chimica cellulare simile a quella degli eucariotiquella degli eucarioti

Maggior parte dei batteriMaggior parte dei batteri

ArchebatterArchebatterii

Chimica cellulare differenteChimica cellulare differenteMetanogeni, alofili, Metanogeni, alofili, termoacidofilitermoacidofili

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Processi unitari biologici - Lezione 1/5Processi unitari biologici - Lezione 1/5 1313

Introduzione al metabolismo microbicoIntroduzione al metabolismo microbico È essenziale, nell’affrontare lo studio di processi biologici, È essenziale, nell’affrontare lo studio di processi biologici,

conoscere le esigenze nutrizionali dei microrganismi che conoscere le esigenze nutrizionali dei microrganismi che comunemente si incontrano in questi trattamenti ed il tipo comunemente si incontrano in questi trattamenti ed il tipo di metabolismo microbicodi metabolismo microbico

Il metabolismo è l’insieme dei processi biochimici e dei Il metabolismo è l’insieme dei processi biochimici e dei processi energetici che portano alla produzione di processi energetici che portano alla produzione di protoplasma cellulare e quindi alla crescita di microrganismiprotoplasma cellulare e quindi alla crescita di microrganismi

Il metabolismo si articola in due fasi:Il metabolismo si articola in due fasi:• Anabolismo o processo di sintesi in cui si ha la produzione di Anabolismo o processo di sintesi in cui si ha la produzione di

tessuto cellularetessuto cellulare• Catabolismo o processo di ossidazione in cui si ha la produzione Catabolismo o processo di ossidazione in cui si ha la produzione

dell’energia necessaria per la sintesi cellularedell’energia necessaria per la sintesi cellulare Ogni organismo vivente necessita di sorgenti di energia e Ogni organismo vivente necessita di sorgenti di energia e

carbonio per sintetizzare nuove cellule oltre, naturalmente, carbonio per sintetizzare nuove cellule oltre, naturalmente, agli elementi inorganiciagli elementi inorganici

Substrato + microrganismi + energia Substrato + microrganismi + energia → nuovi microrganismi → nuovi microrganismi + prodotti+ prodotti

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Processi unitari biologici - Lezione 1/5Processi unitari biologici - Lezione 1/5 1414

Classificazione generale dei Classificazione generale dei microrganismi in relazione alle fonti di microrganismi in relazione alle fonti di

energia e carbonioenergia e carbonio

ClassificazioneClassificazione Fonte di energiaFonte di energiaFonte diFonte di

carboniocarbonioEsempiEsempi

AutotrofiAutotrofiFotoautotrofiFotoautotrofi LuceLuce COCO22 Alghe verdi e pianteAlghe verdi e piante

ChemoautotrofiChemoautotrofiReazioni inorganiche Reazioni inorganiche di ossido-riduzionedi ossido-riduzione

COCO22Solfo e ferro batteri, Solfo e ferro batteri, batteri metanogenibatteri metanogeni

EterotrofiEterotrofiChemoeterotrofiChemoeterotrofi

Reazioni organiche di Reazioni organiche di ossido-riduzioneossido-riduzione

Carbonio Carbonio organicoorganico

FotoeterotrofiFotoeterotrofi LuceLuceCarbonio Carbonio organicoorganico

Considerando la fonte di carbonio come caratteristica distintiva, gli organismi possono essere così classificati:

Autotrofi: fonte di carbonio di natura inorganicaEterotrofi: fonte di carbonio di natura organica

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Processi unitari biologici - Lezione 1/5Processi unitari biologici - Lezione 1/5 1515

Rappresentazione schematica del Rappresentazione schematica del metabolismo dei microrganismi metabolismo dei microrganismi

fotoautotrofifotoautotrofi

CO2

Nuove cellule

Prodotti finali

Nutrienti

Sintesi cellulare

EnergiaRespirazione

endogena

Fotosintesi

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Processi unitari biologici - Lezione 1/5Processi unitari biologici - Lezione 1/5 1616

Rappresentazione schematica del Rappresentazione schematica del metabolismo dei microrganismi metabolismo dei microrganismi

chemoautotrofichemoautotrofi

CO2

Nuove cellule

Prodotti finali

Nutrienti

Sintesi cellulare

EnergiaRespirazione

endogena

Sostanza inorganica

ridotta (es.NH4)

Sostanza inorganica

ossidata (es.NO3)

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Processi unitari biologici - Lezione 1/5Processi unitari biologici - Lezione 1/5 1717

Rappresentazione schematica del Rappresentazione schematica del metabolismo dei microrganismi metabolismo dei microrganismi

chemoeterotrofichemoeterotrofi

Carbonio organico

Nuove cellule

Prodotti finali

Nutrienti

Sintesi cellulare

EnergiaRespirazione

endogena

Page 18: Processi unitari biologici - Lezione 1/5 1 Processi unitari biologici Lezione 1

Processi unitari biologici - Lezione 1/5Processi unitari biologici - Lezione 1/5 1818

I chemoeterotrofiI chemoeterotrofiSono di primaria importanza per la rimozione del BOD nel Sono di primaria importanza per la rimozione del BOD nel trattamento biologico convenzionale. Possono essere trattamento biologico convenzionale. Possono essere ulteriormente raggruppati a seconda del tipo di metabolismo:ulteriormente raggruppati a seconda del tipo di metabolismo:

• Organismi con Organismi con metabolismo respiratoriometabolismo respiratorio: generano energia via : generano energia via trasporto enzimatico di elettroni da un donatore di elettroni ad un trasporto enzimatico di elettroni da un donatore di elettroni ad un accettore esternoaccettore esterno

• Organismi con Organismi con metabolismo fermentativometabolismo fermentativo: non utilizzano un : non utilizzano un accettore di elettroni esternoaccettore di elettroni esterno

Oppure a seconda della richiesta di ossigeno molecolare:Oppure a seconda della richiesta di ossigeno molecolare:

• Anaerobi obbligatiAnaerobi obbligati: generano energia per fermentazione e possono esistere : generano energia per fermentazione e possono esistere solo in ambienti senza ossigenosolo in ambienti senza ossigeno

• Anaerobi facoltativiAnaerobi facoltativi: sono in grado di crescere sia in assenza che in presenza di : sono in grado di crescere sia in assenza che in presenza di ossigeno molecolare. Questi sono suddivisibili in:ossigeno molecolare. Questi sono suddivisibili in:

Veri facoltativi anaerobiVeri facoltativi anaerobi: possono passare dal metabolismo fermentativo a quello : possono passare dal metabolismo fermentativo a quello aerobico a seconda della presenza o assenza di ossigeno nell’ambiente di crescitaaerobico a seconda della presenza o assenza di ossigeno nell’ambiente di crescita

• Aerobi obbligatiAerobi obbligati: è usato ossigeno molecolare come accettore di elettroni nel : è usato ossigeno molecolare come accettore di elettroni nel metabolismo respiratoriometabolismo respiratorio

Anaerobi aerotollerantiAnaerobi aerotolleranti: hanno un metabolismo strettamente fermentativo, ma possono : hanno un metabolismo strettamente fermentativo, ma possono tollerare la presenza di ossigeno molecolare.tollerare la presenza di ossigeno molecolare.

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Processi unitari biologici - Lezione 1/5Processi unitari biologici - Lezione 1/5 1919

Tipici accettori di elettroni nelle reazioni Tipici accettori di elettroni nelle reazioni batteriche normalmente utilizzate nel batteriche normalmente utilizzate nel

trattamento delle acque refluetrattamento delle acque reflue

AmbienteAmbienteAccettore di Accettore di

elettronielettroniProcessoProcesso

AerobicoAerobico Ossigeno, OOssigeno, O22Metabolismo Metabolismo aerobicoaerobico

AnaerobicAnaerobicoo

Nitrato, NONitrato, NO33--

Solfato, SOSolfato, SO442-2-

Anidride carbonica, Anidride carbonica, COCO22

DenitrificazioneDenitrificazione

Solfato-riduzioneSolfato-riduzione

MetanogenesiMetanogenesi

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Processi unitari biologici - Lezione 1/5Processi unitari biologici - Lezione 1/5 2020

Nutrienti Nutrienti I nutrienti I nutrienti inorganiciinorganici essenziali alla crescita della cellula sono: essenziali alla crescita della cellula sono:

• N, S, P, K, Mg, Ca, Fe, Na, ClN, S, P, K, Mg, Ca, Fe, Na, Cl

Quelli meno importanti:Quelli meno importanti:

• Zn, Mn, Mo, Se, Co, Ni, V, WZn, Mn, Mo, Se, Co, Ni, V, W

I nutrienti I nutrienti organiciorganici, anche definiti , anche definiti fattori di crescitafattori di crescita, differiscono , differiscono da un organismo all’altro; i più importanti di questi ricadono da un organismo all’altro; i più importanti di questi ricadono nelle seguenti quattro classi:nelle seguenti quattro classi:

• AminoacidiAminoacidi• PurinePurine• PiridinePiridine• VitamineVitamine

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Processi unitari biologici - Lezione 1/5Processi unitari biologici - Lezione 1/5 2121

Crescita batterica ed ossidazione Crescita batterica ed ossidazione biologicabiologica

La crescita dei microrganismi è un fenomeno complesso che dipende da:La crescita dei microrganismi è un fenomeno complesso che dipende da:

• Stato di ossidazione del substratoStato di ossidazione del substrato• Grado di polimerizzazione del substratoGrado di polimerizzazione del substrato• Meccanismi di utilizzo di SMeccanismi di utilizzo di S• Velocità di crescita cellulareVelocità di crescita cellulare• Ambiente di crescita cellulareAmbiente di crescita cellulare

Sebbene i batteri possano riprodursi per via sessuale o gemmazione la forma Sebbene i batteri possano riprodursi per via sessuale o gemmazione la forma più frequentemente osservata è la fissione cellulare. Tempi tipici di fissione più frequentemente osservata è la fissione cellulare. Tempi tipici di fissione sono nell’intervallo 20 minuti – qualche giornosono nell’intervallo 20 minuti – qualche giornoPertanto, ad esempio, in un ambiente di crescita ottimale, senza limitazioni, 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 2un batterio che si riproduca in 30’ è in grado, in 12 h, di dar luogo a 22424 = = 16.777.216 nuovi batteri ovvero segue la legge generale:16.777.216 nuovi batteri ovvero segue la legge generale:

N = a 2N = a 2t/tgt/tg

ttgg == tempo di generazionetempo di generazionett == tempo di osservazionetempo di osservazionet/tgt/tg == n = numero di generazionin = numero di generazioniaa == numero di cellule inizialmente presentinumero di cellule inizialmente presentiNN == numero di cellule totali al tempo tnumero di cellule totali al tempo t

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Processi unitari biologici - Lezione 1/5Processi unitari biologici - Lezione 1/5 2222

Fasi della curva di crescita battericaFasi della curva di crescita battericaFase “lag”Fase “lag”: rappresenta il tempo necessario : rappresenta il tempo necessario affinché gli organismi si acclimatino al nuovo affinché gli organismi si acclimatino al nuovo ambiente ed inizino a dividersi. È ambiente ed inizino a dividersi. È caratterizzata da crescita praticamente nulla. caratterizzata da crescita praticamente nulla. La durata di questa fase dipende dal tipo di La durata di questa fase dipende dal tipo di substrato e dal tipo di biomassa.substrato e dal tipo di biomassa.Fase di crescita logaritmicaFase di crescita logaritmica: le cellule si : le cellule si dividono ad una velocità determinata dal loro dividono ad una velocità determinata dal loro tempo di generazione a dalla loro abilità a tempo di generazione a dalla loro abilità a trattare il substrato. La velocità di crescita è trattare il substrato. La velocità di crescita è indipendente dalla concentrazione di indipendente dalla concentrazione di substrato, che è ancora in eccesso rispetto al substrato, che è ancora in eccesso rispetto al fabbisogno della biomassa.fabbisogno della biomassa.

tempo

num

ero

di c

ellu

le

1

2

3

4

con

cen

tra

zio

ne s

ub

srat

o

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 vecchieFase 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 dell’auto-ossidazione del protoplasma cellulare.

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Processi unitari biologici - Lezione 1/5Processi unitari biologici - Lezione 1/5 2323

Crescita relativa di microrganismi in grado Crescita relativa di microrganismi in grado di stabilizzare un rifiuto organico in di stabilizzare un rifiuto organico in

ambiente liquidoambiente liquido

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Processi unitari biologici - Lezione 1/5Processi unitari biologici - Lezione 1/5 2424

Cinetica della crescita biologicaCinetica della crescita biologica Processo Processo dissimilativodissimilativo del substrato: processo di ossidazione in cui le grandi del substrato: processo di ossidazione in cui le grandi

molecole sono convertite a molecole direttamente degradabili. In genere il molecole sono convertite a molecole direttamente degradabili. In genere il processo di idrolisi processo di idrolisi èè lento rispetto al processo di crescita biologica per cui la lento rispetto al processo di crescita biologica per cui la velocitvelocitàà di idrolisi di idrolisi èè lo stadio limitante del trattamento biologico lo stadio limitante del trattamento biologico

Materia organica (COHNS) + OMateria organica (COHNS) + O22 + batteri + batteri → CO→ CO22 + NH + NH33 + prodotti + energia + prodotti + energia

Processo Processo assimilativoassimilativo o di sintesi: il processo di crescita avviene grazie a o di sintesi: il processo di crescita avviene grazie a batteri che utilizzano molecole molto piccole e semplici per la propria crescita batteri che utilizzano molecole molto piccole e semplici per la propria crescita (es. acido acetico, metanolo, etanolo, glucosio, ammonio, nitriti, ecc.)(es. acido acetico, metanolo, etanolo, glucosio, ammonio, nitriti, ecc.)

Materia organica (COHNS) + OMateria organica (COHNS) + O22 + batteri + energia + batteri + energia → nuove cellule → nuove cellule (C(C55HH77NONO22))

Respirazione endogenaRespirazione endogena o auto-ossidazione: i batteri viventi hanno una o auto-ossidazione: i batteri viventi hanno una specifica velocitspecifica velocitàà di decadimento che di decadimento che èè essenziale per la conversione delle essenziale per la conversione delle sostanze in un processo di trattamento biologico. Il fatto che gli organismi sostanze in un processo di trattamento biologico. Il fatto che gli organismi muoiano comporta lmuoiano comporta l’’aggiunta di sostanze lentamente biodegradabili al aggiunta di sostanze lentamente biodegradabili al sistema che vengono idrolizzate e utilizzate per la crescita.sistema che vengono idrolizzate e utilizzate per la crescita.

CC55HH77NONO22 + O + O22 → 5CO→ 5CO22 + NH + NH33 + 2H + 2H22O + energiaO + energia + materia organica stabilizzata+ materia organica stabilizzata

Page 25: Processi unitari biologici - Lezione 1/5 1 Processi unitari biologici Lezione 1

Processi unitari biologici - Lezione 1/5Processi unitari biologici - Lezione 1/5 2525

Crescita dei microrganismiCrescita dei microrganismiSia in colture batch che in continuo la velocitSia in colture batch che in continuo la velocitàà di crescita delle di crescita delle cellule batteriche può essere definita secondo lcellule batteriche può essere definita secondo l’’espressione:espressione:

rrgg = = µµXX

Dove:Dove: rrgg == velocitvelocitàà di crescita [massa volume di crescita [massa volume-1-1 tempo tempo-1-1]]µµ == velocitvelocitàà di crescita specifica [tempo di crescita specifica [tempo-1-1]]XX == concentrazione dei microrganismi [massa concentrazione dei microrganismi [massa

volumevolume-1-1]]

Essendo Essendo rrgg = dX/dt per colture batch e continue l = dX/dt per colture batch e continue l’’equazione equazione precedente diventa:precedente diventa:

Xdt

dX

Page 26: Processi unitari biologici - Lezione 1/5 1 Processi unitari biologici Lezione 1

Processi unitari biologici - Lezione 1/5Processi unitari biologici - Lezione 1/5 2626

Crescita in condizioni di substrato Crescita in condizioni di substrato limitantelimitante

In una coltura batch se uno dei fattori necessari per la crescita (substrato o 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 nutrienti) è presente in quantità limitata, esso si esaurirà completamente e la crescita cesserà. In una coltura in continuo, la crescita è limitata. La la crescita cesserà. In una coltura in continuo, la crescita è limitata. La situazione di substrato o nutrienti limitanti può essere adeguatamente situazione di substrato o nutrienti limitanti può essere adeguatamente descritta in un sistema continuo dall’espressione di Monod:descritta in un sistema continuo dall’espressione di Monod:

Dove:Dove: µµ == velocità di crescita specifica [tempovelocità di crescita specifica [tempo-1-1]]

µµmm == velocità di crescita massima [tempovelocità di crescita massima [tempo-1-1]]

KKss == costante di semisaturazione [massa volumecostante di semisaturazione [massa volume-1-1]]SS == concentrazione substrato limitante in soluzione [massa concentrazione substrato limitante in soluzione [massa

volumevolume-1-1]]

Da cui, sostituendo nella relazione precedente:Da cui, sostituendo nella relazione precedente:

S>>KS>>Kss µ → µ µ → µmm (cinetica di ordine zero) (cinetica di ordine zero)

S<<KS<<Kss µ → (cinetica di ordine uno) µ → (cinetica di ordine uno)

SK

S

sm

SK

SXr

smg

SK

μ

s

m

Page 27: Processi unitari biologici - Lezione 1/5 1 Processi unitari biologici Lezione 1

Processi unitari biologici - Lezione 1/5Processi unitari biologici - Lezione 1/5 2727

Effetti di un nutriente limitante sulla Effetti di un nutriente limitante sulla velocità specifica di crescitavelocità specifica di crescita

Concentrazione del nutriente limitante, S

Ve

loci

tà d

i cre

scita

sp

eci

fica

,

m

2m

2

mVelocità massima

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Processi unitari biologici - Lezione 1/5Processi unitari biologici - Lezione 1/5 2828

Crescita cellulare e utilizzo del substratoCrescita cellulare e utilizzo del substrato

Sia nelle colture batch che in continuo una frazione del Sia nelle colture batch che in continuo una frazione del substrato è convertita a nuove cellule ed una parte è substrato è convertita a nuove cellule ed una parte è ossidata a prodotti finali organici e inorganici. La ossidata a prodotti finali organici e inorganici. La relazione che esiste tra utilizzo del substrato e crescita relazione che esiste tra utilizzo del substrato e crescita cellulare può essere espressa dalla relazione:cellulare può essere espressa dalla relazione:

rrgg = -Yr = -Yrsusu

Dove:Dove: rrsusu == velocità di utilizzo di S [massa velocità di utilizzo di S [massa volumevolume-1-1 tempo tempo-1-1]]

Y Y == coefficiente di massima crescitacoefficiente di massima crescita

rrgg = = velocità di crescita cellulare [massa velocità di crescita cellulare [massa volumevolume-1-1 tempotempo-1-1]]

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Processi unitari biologici - Lezione 1/5Processi unitari biologici - Lezione 1/5 2929

Considerando le equazioni:Considerando le equazioni:

risulta che:risulta che:

Essendo Essendo µµmm e Y costanti e definendo il loro rapporto k, e Y costanti e definendo il loro rapporto k, ovvero la velocità massima di utilizzazione del substrato:ovvero la velocità massima di utilizzazione del substrato:

risulta:risulta:

SKY

XSr

smsu

SK

SXr

smg

sug Yrr

Yk m

SK

kXSr

ssu

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Processi unitari biologici - Lezione 1/5Processi unitari biologici - Lezione 1/5 3030

Effetto del metabolismo endogenoEffetto del metabolismo endogeno

Nelle comunità batteriche la distribuzione dell’età delle cellule è tale che Nelle comunità batteriche la distribuzione dell’età delle cellule è tale che non tutte le cellule si trovano nella fase di crescita. Di conseguenza non tutte le cellule si trovano nella fase di crescita. Di conseguenza l’espressione della velocità di crescita deve essere corretta per tenere in l’espressione della velocità di crescita deve essere corretta per tenere in considerazione l’energia richiesta per il mantenimento e del fenomeno considerazione l’energia richiesta per il mantenimento e del fenomeno di morte. Di norma i fattori sono tutti inglobati in uno unico e si assume 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 che la diminuzione della massa di cellule dovuta ad essi sia proporzionale alla concentrazione degli organismi presenti. Questa proporzionale alla concentrazione degli organismi presenti. Questa diminuzione è indicata come diminuzione è indicata come decadimento endogenodecadimento endogeno che può essere che può essere formulato come:formulato come:

rrdd = -k = -kddXX

Dove:Dove: rrdd = velocità di decadimento endogeno [massa volume = velocità di decadimento endogeno [massa volume-1-1 tempo tempo-1-1]]

kkdd = coefficiente di decadimento endogeno [tempo = coefficiente di decadimento endogeno [tempo-1-1]]X = concentrazione di microrganismi [massa volumeX = concentrazione di microrganismi [massa volume-1-1]]

Combinando questa equazione con quelle precedenti risulta la Combinando questa equazione con quelle precedenti risulta la velocità velocità netta di crescitanetta di crescita r r’’

gg [massa volume [massa volume-1-1tempotempo-1-1]:]:

XkSK

XSrYrr d

s

mdsu

'g

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Processi unitari biologici - Lezione 1/5Processi unitari biologici - Lezione 1/5 3131

E la E la velocità specifica di crescita netta velocità specifica di crescita netta µ’:µ’:

Gli effetti della respirazione endogena sulla crescita netta dei Gli effetti della respirazione endogena sulla crescita netta dei batteri sono considerati definendo un batteri sono considerati definendo un coefficiente di crescita coefficiente di crescita osservataosservata Y Yobsobs::

L’effetto della temperatura è espresso in genere attraverso L’effetto della temperatura è espresso in genere attraverso l’equazione:l’equazione:

Dove:Dove: rrTT = velocità di reazione alla temperatura T = velocità di reazione alla temperatura Trr2020 = velocità di reazione a 20°C = velocità di reazione a 20°Cθθ = coefficiente = coefficienteT = temperaturaT = temperatura

su

'g

obs r

rY

20T

20

T

r

r

ds

m' kSK

S

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Processi unitari biologici - Lezione 1/5Processi unitari biologici - Lezione 1/5 3232

Coefficienti di attività termica per alcuni Coefficienti di attività termica per alcuni processi biologiciprocessi biologici

ProcessoProcessoValore di Valore di θθ

IntervalloIntervallo Valore tipicoValore tipico

Fanghi attiviFanghi attivi 1.00 – 1.081.00 – 1.08 1.041.04

Lagune aerateLagune aerate 1.04 – 1.101.04 – 1.10 1.081.08

Filtri percolatoriFiltri percolatori 1.02 – 1.081.02 – 1.08 1.0351.035

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Processi unitari biologici - Lezione 1/5Processi unitari biologici - Lezione 1/5 3333

Applicazione delle cinetiche di crescita e Applicazione delle cinetiche di crescita e di utilizzazione di substrato ai processi di utilizzazione di substrato ai processi

biologicibiologici Lo scopo è di:Lo scopo è di:

• Effettuare bilanci di substrato e microrganismiEffettuare bilanci di substrato e microrganismi• Predire la concentrazione di substrato e Predire la concentrazione di substrato e

microrganismi allo scaricomicrorganismi allo scarico• Sviluppare fattori di progettoSviluppare fattori di progetto• Valutare l’effetto della cinetica sulle rese del Valutare l’effetto della cinetica sulle rese del

processo, la stabilità e i parametri di progettoprocesso, la stabilità e i parametri di progetto

Page 34: Processi unitari biologici - Lezione 1/5 1 Processi unitari biologici Lezione 1

Processi unitari biologici - Lezione 1/5Processi unitari biologici - Lezione 1/5 3434

Analisi del processo: CSTR senza Analisi del processo: CSTR senza ricircoloricircolo

Con riferimento ad un reattore CSTR senza ricircolo l’equazione di continuità è:Con riferimento ad un reattore CSTR senza ricircolo l’equazione di continuità è:

Accumulo = ingresso – uscita + crescita nettaAccumulo = ingresso – uscita + crescita netta

Il bilancio dei microrganismi può essere scritto come:Il bilancio dei microrganismi può essere scritto come:

V (dX/dt) = QXV (dX/dt) = QX00 – QX + Vr’ – QX + Vr’gg

Dove:Dove: dX/dtdX/dt == velocità di crescita dei microrganismi [VSS volumevelocità di crescita dei microrganismi [VSS volume-1-1 tempotempo-1-1]]

VV == volume di reazione [volume]volume di reazione [volume]QQ == portata [volume tempoportata [volume tempo-1-1]]XX00 == concentrazione di microrganismi nell’influente [VSS concentrazione di microrganismi nell’influente [VSS

volumevolume-1-1]]XX == concentrazione di microrganismi nel reattore [VSS concentrazione di microrganismi nel reattore [VSS

volumevolume-1-1]]

Q, S0, X0

X, V, S

Q, S, X

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Processi unitari biologici - Lezione 1/5Processi unitari biologici - Lezione 1/5 3535

Inserendo la:Inserendo la:

Otteniamo:Otteniamo:

Se XSe X00 = 0 e si è in condizioni di stato stazionario dX/dt=0 e = 0 e si è in condizioni di stato stazionario dX/dt=0 e si ottiene:si ottiene:

θθ = V/Q = = V/Q = tempo di residenza idraulicotempo di residenza idraulico..

Nel caso specifico di reattore CSTR Nel caso specifico di reattore CSTR θθ è anche il tempo di è anche il tempo di residenza dei fanghi attivi, residenza dei fanghi attivi, l’età del fango l’età del fango θθcc::

θθcc = VX/QX = V/Q = VX/QX = V/Q

XkSK

XSVQXQX

dt

dXd

s

m0

XkSK

XSrYrr d

s

mdsu

'g

d

s

m kSK

θ

1

V

Q

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Processi unitari biologici - Lezione 1/5Processi unitari biologici - Lezione 1/5 3636

Il bilancio del substrato risulterà:Il bilancio del substrato risulterà:

E, in condizioni di stato stazionario (dS/dt = 0):E, in condizioni di stato stazionario (dS/dt = 0):

SK

kXSVQSQSV

dt

dS

s0

0SK

kXSSS

s0

Page 37: Processi unitari biologici - Lezione 1/5 1 Processi unitari biologici Lezione 1

Processi unitari biologici - Lezione 1/5Processi unitari biologici - Lezione 1/5 3737

Previsione della concentrazione di X e S nello Previsione della concentrazione di X e S nello scaricoscarico

d

0

d

0m

k1

SSY

k1k

SSX

0SK

kXSSS

s0

0SK

kXSSS

s0

Dalla:Dalla: esplicitando rispetto a S/(Kesplicitando rispetto a S/(Kss+S) e +S) e

sostituendo nella:sostituendo nella:

Ricordando che Y = Ricordando che Y = µµmm/k risulta:/k risulta:

Analogamente eguagliando:Analogamente eguagliando: esplicitata per (Sesplicitata per (S00-S) -S) a:a:

anch’essa esplicitata per (Sanch’essa esplicitata per (S00-S) risulta:-S) risulta:

d

s

m kSK

θ

1

V

Q

d

0

k1

SSYX

1kYk

k1KS

d

ds

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Processi unitari biologici - Lezione 1/5Processi unitari biologici - Lezione 1/5 3838

Noti i coefficienti cinetici del sistema da queste due espressioni si possono ricavare le Noti i coefficienti cinetici del sistema da queste due espressioni si possono ricavare le concentrazioni di S e X all’effluente per un reattore CSTR ed un substrato solubile. La concentrazioni di S e X all’effluente per un reattore CSTR ed un substrato solubile. La figura illustra l’andamento di S o dell’efficienza di abbattimento in funzione del tempo figura illustra l’andamento di S o dell’efficienza di abbattimento in funzione del tempo di residenza idraulico, in questo caso uguale all’età del fango (di residenza idraulico, in questo caso uguale all’età del fango (θθ = = θθcc).).

1000

800

600

400

200

0 1 2 3 4 5

100

80

60

40

20

Con

cen

tra

zio

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fflu

ente

, S m

g/l

Eff

icie

nza

di a

bba

ttim

ento

, E %

Tempo medio di residenza dei microrganismi, SRT d

K=5 mg/mg d

Ks = 100 mg/l

Y = 0.5

Kd = 0.05 d-1

S0=1000 mg/l

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Processi unitari biologici - Lezione 1/5Processi unitari biologici - Lezione 1/5 3939

La crescita osservata è ricavata sostituendo nell’espressione della sua definizione:La crescita osservata è ricavata sostituendo nell’espressione della sua definizione:

Ad rAd r’’gg il valore X che si ricava dalla: il valore X che si ricava dalla: e a re a rsusu, (S, (S00-S):-S):

su

'g

obs r

rY

d

0

k1

SSYX

dobs k1

YY