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Denitrificazione

Descrizione

Denitrificazione o rimozione dell'azoto in impianti di depurazione

Categoria/tipologia: trattamento acque reflue industriali o affinamento.
Ambiti d’uso: piccoli, medi e grandi impianti di trattamento reflui civili e industriali.
Volumi: da 3 mc a 40 mc;
Riferimenti normativi e garanzie: D.Lvo 152/06, normative regionali.
Materiali: calcestruzzo, polietilene, polipropilene, vetroresina.


La denitrificazione è un sistema di rimozione dell’azoto, presente sotto forma di sostanza organica e ammoniacale nei reflui civili domestici e in molti scarichi industriali.
La popolazione batterica denitrificante di tipo facoltativo, in presenza di ossigeno combinato e non di quello disciolto, utilizza il primo permettendo la denitrificazione del refluo (condizione anossiche).
Affinché tali condizioni si verifichino, all’interno del volume deve essere ridotto il tasso di ossigeno disciolto; la velocità della reazione di denitrificazione è infatti fortemente condizionata dalla presenza di ossigeno libero (le condizioni ideali sono al disotto di 0,5 mg/l ), mentre il tasso di denitrificazione scende a zero quando il livello di ossigeno disciolto raggiunge 2,0 mg/l. In presenza di ossigeno disciolto i batteri prediligono questa fonte in alternativa a quello legato, energicamente più dispendioso da ottenere.
Il processo, oltre alla respirazione, richiede anche sostanze nutrienti (carbonio) contenute nel refluo (grezzo, pre-trattato o opportunamente ricircolato) o appositamente dosate con additivi.
Il comparto può essere associato ad altri processi biologici (fanghi attivi, biomassa sospesa o adesa, MBR, ecc.).
La denitrificazione biologica fa parte dei processi definiti con l’acronimo BNR (biological nutrient removal).

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Principi di progettazione

La progettazione del comparto di denitrificazione è riassumibile in una sequenza di passi di seguito riportati.
Dalla concentrazione di azoto all’ingresso dell’impianto, attraverso dati di letteratura o con una caratterizzazione del refluo e individuata la concentrazione in uscita si calcola la quantità complessiva da rimuovere.
In parte, anche se in ridotte percentuali, può essere rimossa dalla sintesi cellulare dei comparti biologici attraverso il fango di supero.
Stimato un rendimento di nitrificazione si ottiene la quantità di azoto trasformata in nitrati e di conseguenza la portata da ricircolare in testa alla fase di denitrificazione (lfango e miscela aerata).
Attraverso la quantità di nitrati da denitrificare e assumendo una velocità di denitrificazione si calcola il volume di fanghi del comparto di denitrificazione.
In base alla concentrazione dei solidi assunta si ottiene così il volume del comparto di denitrificazione.
Esistono poi criteri di verifica semplificati, che definiscono parametri da confrontare: è importante confrontare il rapporto tra la quantità complessiva di azoto denitrificato e la quantità di BOD5 entrante nell’impianto con il rapporto tra il volume del comparto anossico e quello complessivo del reattore biologico.
Con un impianto a fanghi attivi il volume del comparto di denitrificazione varia grossomodo tra il 25% e il 40% del volume complessivo e diventa sconveniente che superi il 50% del totale.
La velocità di denitrificazione è fortemente influenzata dal pH del liquame: il campo ideale è tra 6,5 e 7,5.
Il tasso di denitrificazione dipende ovviamente dalla presenza di azoto (TKN) per i quali si utilizza nel calcolo la cinetica alla Monod: la velocità in condizioni ideali (20°C) e le costanti di semisaturazione si possono ricavare sperimentalmente o utilizzare quelle reperibili in letteratura tecnica.
Ancora più importante è l’influenza della temperatura attraverso una forma esponenziale rispetto alla temperatura ideale di 20°C con una base theta sperimentale i cui valori sono anch’essi reperibili in letteratura.
A seconda delle necessità si rendono necessari comparti di pre-denitrificazione, post-denitrificazione, comparti di nitrificazione (se l’azoto non è già ossidato) e i relativi sistemi di ricircolo che sono parte fondamentale della progettazione.

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Gestione e manutenzione

La produzione di fanghi di supero legati alla nitrificazione è molto modesta, specialmente se comparata all’incertezza legata alla produzione di fanghi dei comparti biologici per la rimozione dell’inquinante organico (BOD) ai quali spesso la denitrificazione è associata: pertanto, in questi casi, è abbondantemente trascurabile.
Per quanto riguarda la denitrificazione si fa riferimento alle metodologie utilizzate per i fanghi attivi per la rimozione della sostanza organica.
Particolare attenzione va posta però a garantire ridotte concentrazioni di ossigeno libero all’interno del refluo per mantenere le condizioni di anossia; in caso contrario la popolazione batterica predilige questo ultimo per la respirazione per la sua migliore disponibilità dal punto di vista energetico, inficiando però la resa del trattamento.
Si può considerare che ogni grammo di ossigeno equivalga a circa 0,35 grammi di N-NO3 da denitrificare.
Le fonti involontarie di ossigeno possono sono le turbolenze dovute agli stramazzi, alcuni tipi di pompe (specie se lo scarico non è sotto battente), o addirittura le acque parassite. Tali fenomeni devono essere, per quanto possibile, evitati.

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Inquadramento normativo

Il comparto di denitrificazione è necessario dove i limiti allo scarico richiedono la limitazione dell’azoto in uscita. Specificamente impiegato per alcuni reflui industriali, agroalimentari e dell’industria conserviera, ma anche per reflui civili quando la legislazione pone particolare attenzione all’eutrofizzazione dei corpi recettori. L’azoto ed anche il fosforo rappresentano un elemento fondamentale per le reazioni biologiche tanto da essere detti nutrienti. Le concentrazioni troppo elevate in uscita però possono creare notevoli problemi alla qualità delle acque dei corpi idrici e delle falde.

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Applicabilità

La denitrificazione è richiesta per la riduzione dell’azoto negli scarichi, normalmente presente nei reflui civili domestici (come ammoniaca e sostanze organiche azotate) e nei reflui industriali.
Tale processo è fortemente legato a quello di nitrificazione che produce nitriti e nitrati ossidano l’ammoniaca (due fasi successive di due diversi ceppi di batteri di tipo autotrofo e strettamente aerobi).
La fase di nitrificazione richiede analisi accurate, sia in relazione alla velocità che al controllo del pH (che può totalmente inibire le reazioni) e l’influenza della temperatura.
Il processo di nitrificazione è spesso incluso nel comparto biologico (in particolare per impianti ad aerazione prolungata) e richiede una abbondante fornitura di ossigeno disciolto, mente più frequente è la realizzazione di un comparto specifico per la denitrificazione con agitatori meccanici, anche se esistono soluzioni integrate operate nello stesso volume detta denitrificazione intermittente applicata in impianti ad aerazione prolungata per piccole comunità.
Più diffuso è il processo di pre-denitrificazione, un comparto posto a monte del reattore a fanghi dove viene introdotto il refluo (grezzo o pre-trattato) e ricircolata parte dei fanghi di supero e miscela areata in diverse quantità.
In alcuni casi, qualora la prima vasca non fosse sufficiente, è possibile utilizzare un comparto di post-denitrificazione con utilizzo di fonte di carbonio esterna (metanolo, acido acetico, ecc.) per spingere ulteriormente i rendimenti del processo di rimozione dell’azoto, che richiede un’ulteriore fase di aerazione e sedimentazione.

Vantaggi

  • elevata qualità del refluo in uscita;
  • compensazione del pH per le fasi di nitrificazione.

Svantaggi

  • complessità del trattamento;
  • monitoraggio parametri richiesto.

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