Rapporti ottimali dei nutrienti per il trattamento delle acque

REPORT APPLICATIVO
ANALISI DI LABORATORIO & ANALISI DA PROCESSO
TRATTAMENTO DELLE ACQUE REFLUE
NUTRIENTI
Rapporti ottimali dei nutrienti per il
trattamento delle acque reflue
Per poter rispettare i requisiti di legge sulle acque reflue trattate, il gestore
degli impianti di depurazione deve controllare accuratamente il processo
di depurazione per contrastare tempestivamente gli eventuali superi dei
¾ valori limite. Accanto al procedimento fisico e chimico, il trattamento
delle acque reflue si identifica sostanzialmente nel ¾ trattamento biologico
attraverso i ¾ microrganismi del fango attivo. Pertanto, per un trattamento
ottimale è di fondamentale importanza conoscere le ¾ concentrazioni dei
nutrienti e la composizione del fango attivo. Nella presente relazione
verranno illustrate cause, conseguenze e contromisure relative ai ¾ rapporti
non bilanciati dei nutrienti.
Autore:
Dipl.-Ing. Michael Winkler
- Direttore progetto Sviluppo prodotti e servizio clienti
- BIOSERVE GmbH, Mainz
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NUTRIENTI FANGO ATTIVO
Nutrienti nel fango attivo
Un rapporto equilibrato dei nutrienti è il
presupposto affinchè i microrganismi
lavorino al massimo dell’efficienza. In
questo caso, i nutrienti più importanti
sono il carbonio, l’azoto e il fosforo.
L’analisi di laboratorio e la
tecnologia analitica da processo
garantiscono il mantenimento
dei valori limite.
Carbonio
Il carbonio è il componente principale
delle sostanze organiche contenute nelle
acque reflue. Esso viene biodegradato
dai microrganismi nel fango attivo in condizioni anaerobiche (Bio-P), nell’ambiente
anossico (zona di denitrificazione) e nella
parte aerata dello stadio biologico (zona
di nitrificazione). I composti C vengono
utilizzati dai microrganismi per la costruzione delle strutture cellulari specifiche e
per la produzione di energia.
¾ I composti del carbonio vengono
determinati tramite COD, BOD5 o TOC
La postazione da lavoro per
l’analisi di laboratorio è costituita
da fotometro, reagenti e, in base
al parametro, un termostato.
Azoto
All’ingresso dell’impianto di depurazione
è presente l’azoto legato in forme organiche (N organico) e sotto forma di azoto
ammoniacale (NH4-N). Durante la
depurazione biologica delle acque reflue,
l’azoto organico (N) si trasforma in NH4-N
tramite i batteri del fango attivo e, assieme all’NH4-N proveniente dall’ingresso,
viene trasformato da nitrito a nitrato
(nitrificazione).
La parte dei composti di azoto che
non viene biodegradata nel fango attivo
viene trasformata in condizioni anossiche
(assenza di O2 disciolto) in azoto elementare (denitrificazione). L’azoto passa
all’atmosfera sotto forma di N2.
¾ I composti dell’ azoto vengono determinati come NH4-N, NO2-N, NO3-N e
TN (azoto totale, importante per bilanciamenti e controllo degli scarichi).
Fosforo
Il carico P nell’ingresso di un impianto di
depurazione è composto da fosforo
ortofosfato (PO4-P), polifosfati e composti organici del fosforo. Tutti insieme
producono il parametro cumulativo
fosforo totale (Ptot).
Composti organici + O2 + nutrienti
Microrganismi
Nuova biomassa + CO2‹ + H2O
Tabella 1: Importanti parametri cumulativi nella depurazione delle acque reflue
COD (richiesta chimica di ossigeno); determina la quantità di ossigeno per la completa ossidazione dei composti di carbonio; sono inclusi anche i composti inorganici ridotti.
BOD5 (richiesta biologica di ossigeno); fornisce informazioni su quanto ossigeno elementare viene
consumato biodegradazione in condizioni standardizzate dopo cinque giorni.
TOC (Carbonio Organico Totale) determina il carbonio combinato in modo organico; al contrario
del BOD5, con il TOC vengono rilevati anche i composti difficilmente biodegradabili.
TKN (azoto Kjeldahl) misura l’Azoto organico combinato (N org.) e l’azoto ammoniacale (NH4-N).
Azoto totale TN (LATON) rileva Azoto organico (N org.), azoto ammoniacale (NH4-N) come anche
il nitrito (NO2-N) e il nitrato (NO3-N).
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Nitrificazione
Denitrificazione
Composti N organici
(urea, albumina, ecc.)
Idrolisi e
ammoniaca
Azoto ammoniacale NH4-N
Azoto nitrico NO3-N
Nitrato-riduttasi ossigeno
Azoto nitroso NO2-N
Nitrosomonas
+ ossigeno
Azoto nitroso NO2-N
Nitrito-riduttasi ossigeno
Azoto nitrico NO3-N
Ossigeno
Biossido di carbonio CO2‹
NO, N2O
Nitrobacter
+ ossigeno
Composti C organici
NO, N2O riduttasi
- ossigeno
Azoto elementare N2‹
Fig. 1: Procedura di abbattimento per nitrificazione e denitrificazione
Durante la depurazione biologica delle
acque reflue, i polifosfati e il fosforo
combinato in modo organico vengono
trasformati in ortofosfato.
Il fabbisogno di fosforo P da parte
dei micro organismi è dovuto al particolare ruolo che il fosforo gioca nel loro
metabolismo energetico. P è necessario
per la struttura della membrana cellulare
e del DNA.
Una parte del fosforo nelle acque
reflue viene eliminato biologicamente
(Bio-P). Il residuo può essere eliminato
tramite una precipitazione chimico-fisica
del fosfato.
¾ I composti del fosforo vengono determinati come orto- PO4-P (controllo
della precipitazione) e Ptot (bilanciamento, controllo degli scarichi).
Microelementi
Altri microelementi necessari per la struttura
cellulare, quali calcio, magnesio, manganese, ferro, rame, zinco, nichel nonché le
vitamine sono quasi sempre presenti nelle
acque reflue civili oppure vengono messi
a disposizione anche dal fango attivo.
Zolfo
Acque di scarico civili, reflue o anche
diverse acque di scarico industriali contengono composti di azoto ridotti (acido
solfidrico, solfuro e tiosolfato). Lo zolfo
è un componente indispensabile delle
proteine. Negli impianti di depurazione,
i composti dello zolfo non solo vengono
ossidati a solfati, ma alcuni batteri li
ossidano a solfuri e siccome questo processo genera energia,questi vengono
conservati a livello cellulare come riserva.
Tuttavia elevate concentrazioni di
composti di zolfo ridotti nelle acque
reflue possono causare diversi problemi
(Tabella 2).
Rapporto C:N:P (BOD5:TN:Ptot)
Il contenuto dei singoli nutrienti nelle
acque reflue dovrà soddisfare le necessità dei batteri dei fanghi attivi e presentare
un rapporto equilibrato di C, N e P. Ciò
è determinante per l’efficacia delle procedure di abbattimento biologiche. Nella
depurazione aerobica delle acque reflue,
il rapporto C:N:P dovrà essere compreso
tra 100:10:1 e 100:5:1.
Per un controllo costante vengono
impiegate delle sonde che non
necessitano di reattivi
Analizzatori moderni vengono
installati direttamente a bordo
vasca senza sistemi di protezione.
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NUTRIENTI_MISURA
Rapporti vantaggiosi e svantaggiosi
dei nutrienti
Controller SC 1000 utilizzabile fino
ad un massimo di otto sensori, disponibile anche per collegamento in
rete es. Profibus
Attività industriali di ogni tipo, differen
ze regionali nelle abitudini alimentari
(smaltimento di diversi rifiuti domestici
tramite fognature), condizioni del terreno
e dell’acqua potabile sono responsabili
solfati, ma diversa composizione delle
acque reflue. Nelle acque reflue comunali,
il rapporto C:N:P, secondo l’esperienza,
è di circa 100:20:5.
Grazie ai metodi odierni, è possibile eliminare dalle acque reflue i composti N
e P in eccedenza per lo più senza grosse
difficoltà.
Se nelle acque reflue all’ingresso dello
stadio biologico manca uno dei nutrienti
principali, possono presentarsi svariati
problemi (Tabella 3).
Per una denitrificazione efficace è
assolutamente necessario che sia presente una parte specifica di composti C
facilmente degradabili. Nelle acque reflue
comunali precedentemente sedimentate
il rapporto BOD5:N è di 100:25 (=4). Se
non si supera un valore di 100:40 (=2,5),
il processo di denitrificazione ha luogo
solo in modo limitato e i valori di scarico
dei nitrati risultano elevati. Se l’esclusione
dei pre trattamenti e l’incremento del
volume di denitrificazione non porta ad
Tabella 2: Cause ed effetto di elevate concentrazioni dello zolfo
Sonda NITRATAX sc , una sonda
per la determinazione on line
del Nitrato (vista parzialmente
immersa)
Cause/Provenienza acque reflue
• Elevate concentrazioni di
composti dello zolfo provenienti dall’industria chimica
e di trasformazione delle
proteine (lavorazione delle
carni e del pollame)
• Processi anaerobici nella rete
fognaria con riduzione dei
composti dello zolfo in acido
solfidrico
Conseguenze possibili
Contromisure
• Evitare ristagno di acque di
• Corrosione delle fognature
scarico nella rete fognaria
e delle pareti delle vasche
negli impianti di depurazione • Dosaggio di sali di ferro nella
rete fognaria (es. negli
• Odori sgradevoli per
impianti di pompaggio)
i residenti
• Incremento dello sviluppo
dei batteri solfo ossidanti
filamentosi (Tipo 021N)
Tabella 3: Cause ed effetto della mancanza di nutrienti nello stadio biologico della depurazione delle acque reflue
Mancanza di
Carbonio
Azoto
Fosforo
Cause/Provenienza acque reflue
• Lunga permanenza nella rete
fognaria,
• Trattamenti primari completi delle
acque reflue,
• Acque reflue industriali con elevato
contenuto di azoto, ad es.
lavorazione del latte e della carne
Acque reflue povere di azoto
provenienti da:
• Industria cartaria
• Lavorazione frutta e verdura
• Acque di lavaggio terreni acqua
di scarico da lavorazione frutta
e verdura
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Conseguenze possibili
• Forte sviluppo di batteri filamentosi
(Bulking e foaming)
• Denitrificazione insufficiente,
Contromisure
• By pass dei trattamenti primari
• Incremento del volume di nitrificazione per
garantire un volume sufficiente ( minima età del
fango di 9 giorni).
• Elevati valori COD/TOC all’impianto di Compensazione del rapporto dei nutrienti:
depurazione
• Dosaggio di composti N
• Batteri filamentosi
(prodotti tecnici economici, ad es. urea)
• Aggiunta di acque reflue civili, acqua torbida dal
digestore
• Valori COB/TOC elevati all’uscita
Compensazione del rapporto di nutrienti tramite:
• Batteri filamentosi
• Dosaggio di composti P (prodotti tecnici
economici, come acido fosforico o fertilizzanti
fosfatici per l’agricoltura)
• Aggiunta di acque reflue civili
5
un miglioramento, si dovrà pensare ad
un dosaggio di un substrato facilmente
degradabile (sorgente C esterna).
Le fonti di carbonio per la compensazione dei nutrienti sono:
- C interno = Fango primario idrolizzato
o acidificato
- C esterno = materiali residui dall’industria (fabbriche di birra,
caseifici, zuccherifici) e prodotti
tecnici (metanolo, etanolo, acido
acetico).
Esempio
Un impianto di depurazione comunale
con una notevole quantità di acque
reflue industriali presenta all’ingresso del
trattamento biologico i seguenti parametri dei nutrienti (Tabella 5).
Rapporto COD:BOD5
Questi due parametri cumulativi messi
in relazione rappresentano un valore di
riferimento per la biodegradabilità del
carico inquinante delle acque reflue. Un
rapporto COD:BOD5 di 2:1, rappresenta
un buon livello di degradabilità. Valori più
elevati indicano la presenza di sostanze
difficilmente biodegrabili.
1. Quantità dell’azoto da non sottoporre a denitrificazione (ΣNda non denit.):
¾ vedere tabella 6
Il rapporto BOD5:N di 2,45 è troppo basso per una denitrificazione sufficiente.
Ciò significa che è necessario fornire dei
composti di carbonio esterni. Pertanto
sono necessari i seguenti calcoli:
I pratici Test in Cuvetta
HACH LANGE sono disponibili per
tutti i parametri fondamentali
2. Calcolo dell’azoto che può
essere denitrificato con le acque
reflue:
Con una denitrificazione a monte e un
rapporto VD:VAT pari a 0.5, la capacità di
denitrificazione (vedere la tabella 7) è
CDeni = 0,15 kg NO3-ND/kg BOD5.
SNO3-N, D = CDeni × BOD5 Ingr.fango att
= 0,15 × 110 mg/L = 16,5 mg/L
In combinazione con la garanzia di
qualità analitica (AQA), i risultati
di misurazione sono ufficialmente
approvati
Ovvero 16,5 mg/L NO3-N possono
essere denitrificati con il trattamento
biologico esistente.
Tabella 4: Cause ed effetto di rapporti di COD:BOD5 sfavorevoli
Cause/Provenienza acque reflue
• Acque reflue di discarica,
acque reflue provenienti da
compostaggio trattamento
di rifiuti residui e industria
chimica
• Forte abbattimento di BOD5
nella lunga rete fognaria in
estate
• Trattamenti primari intensivi
delle acque reflue
Conseguenze possibili
Contromisure
• Denitrificazione insufficiente • Aggiunta di fonti di C per
migliorare la denitrificazione
(elevati valori del nitrato allo
• In caso di materiali non bioscarico)
degradabili o difficilmente
• Elevato COD in uscita
biodegradabili, applicazione
all’impianto di depurazione
di procedimenti chimico/fisici
• Peggioramento del Bio-P
(trattamento di ozono, filtri
a carboni attivi, tecnologia
a membrana)
In caso di elevati volumi di campioni, l’automazione da laboratorio
rappresenta un valido supporto.
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NUTRIENTI_DOSAGGIO
Determinazione del dosaggio del substrato tramite misurazione NO3-N
Tabella 5: Valori medi giornalieri di un impianto di depurazione civile
Valori medi giornalieri
Portata in ingresso [m3/d]
BOD5 Ingr. fango att [mg/L]
TNinfl aer LATON [mg/L]
Ptot. Ingr. fango att [mg/L]
BOD5 Ingr. fango att. : TNIngr. fango att = 110:45 =
10.000
110
45
3,5
2,45
3. Calcolo del fabbisogno di un
substrato esterno
Il contenuto N ancora da nitrificare si
ottiene dalla differenza dell’apporto di
azoto totale meno la quantità di N da
non denitrificare meno la quantità di N
denitrificabile con l’impianto:
SNO3-N, D, Ext = TNingresso - UNda non denitr. - SNO3-N, D
= 45 mg/L - 15,5 mg/L - 16,5 mg/L
= 13 mg/L
Tabella 6: Esempio di calcolo per l’azoto da non sottoporre a denitrificazione (ΣNda non denit.)
N incorporato nella biomassa (5 % di BOD5 ingr. fango att.)
Norg.e (e = valori target accettati all’uscita)
NH4-Ne (e = valori target all’uscita)
NO3-Ne (e = valori target all’uscita)
Somma
5,5 mg/L
2 mg/L
0 mg/L
8 mg/L
15,5 mg/L
Tabella 7: Capacità di denitrificazione ai sensi delle norme ATV-A131
(valori indicativi per periodo secco e temperature comprese tra 10 e 12 °C)
VD/VBB
Volume denitr./Volume
ossidazione
CDenitr. (capacità di denitrificazione in kg NO3-Nd/kg BOD5)
Predenitro
Denitrificazione simultanea e
intermittente
0,2
0,11
0,3
0,13
0,4
0,14
0,5
0,15
VD: volume utilizzato per la denitrificazione del bacino a fanghi attivi
VBB: volume del bacino a fanghi attivi
0,06
0,09
0,12
0,15
Tabella 8: Fonti di carbonio esterne per il calcolo del dosaggio necessario
Acido acetico
COD
TOC
BOD5
Densità
In questo
Metanolo
kg/kg
1,07
1,50
kg/kg
0,40
0,38
kg/kg
0,70
0,96
kg/m3
1.060
790
esempio 1 kg di acido acetico corrisponde a 1,07 kg di COD.
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Etanolo
2,09
0,52
1,35
780
Per la denitrificazione dei 13 mg/L di
azoto rimanente è necessario fornire agli
organismi del fango attivo un’ulteriore
sorgente di carbonio. Con una quantità
giornaliera di acque reflue di 10.000 m3
risulta un carico di azoto di 130 kg. Il
fabbisogno di carbonio esterno, ai sensi
delle specifiche DWA A131 è di 5 kg
COD/1 kg NO3-N. Ovvero, sono necessari 650 kg di COD al giorno per una
completa denitrificazione. Secondo la
tabella 8, per l’acido acetico sarebbero
necessari 607 kg al giorno. Il dosaggio
mirato è in funzione dei valori NO3-N.
Conclusioni
Rapporti sfavorevoli dei nutrienti ed elevate concentrazioni di singole sostanze
compromettono l’efficenza dei processi
di biologici di depurazione delle acque
reflue. Pertanto, il riconoscimento precoce e il controllo completo dei parametri
critici è un presupposto necessario per
poter adottare tempestivamente le contromisure. Solo in questo modo è possibile garantire il mantenimento sicuro dei
valori di scarico di legge. I test in Cuvetta
HACH LANGE ed i misuratori di processo costantemente attivi hanno dimostrato di essere degli strumenti di supporto
irrinunciabili per il raggiungimento di una
maggiore trasparenza e sicurezza nella
gestione di un impianto di depurazione.
7
I parametri nutrienti da analizzare (in funzione dei protocolli analitici interni) sono:
Punti di misurazione tipici per
il controllo dei nutrienti negli
impianti di depurazione
¾ COD (evtl. TOC)
¾ BOD5
¾ orto PO4-P
¾ Ptot
¾ NH4-N
¾ TKN (azoto Kjeldahl: somma di
NH4-N e N. organ.)
¾ Ntot. inorganico.(N inorganico: somma di
NH4-N, NO3-N e NO2-N)
¾ TN (azoto totale: somma di N organ.
e inorgan.)
¬ Uscita trattamenti primari: concentrazione e controllo del carico impianto
® Ingresso fango attivo: ottimizzazione
dell’approvvigionamento di nutrienti
Uscita fango attivo: controllo e
ottimizzazione dell’abbattimento C,
nitrificazione/denitrificazione ed
eliminazione P
Uscita KA: controllo valore limite,
controllo del KA
Filtro
Sedimentazione finale
Ispessitore
Areazione
Sedimentazione primaria
®
Grigliatura/Dissabbiatura
Digestore
¬
Canale
Vasca acque piovane
Disidratazione fanghi
Laboratorio/Centro di controllo
Fig. 2: Rappresentazione schematica di un impianto di depurazione con punti di misurazione per il controllo dei nutrienti
NUTRIENTI_SOLUZIONI DI MISURA
Rapporti ottimali dei nutrienti con
tecniche innovative d’analisi
Postazione di misurazione per l’analitica di laboratorio
DR 3900
LT 200
In alternativa
HT 200S
Test in Cuvetta
Spettrofotometro compatto e potente (320–1100 nm) con tecnologia
RFID che garantisce misurazioni affidabili e tracciabili per le analisi di
routine e le applicazioni specifiche; lettore di codici a barre (IBR) per il
riconoscimento automatico di Test in Cuvetta LANGE; display grafico
touchscreen retroilluminato
Termostato a secco per digestioni standard e speciali; preprogrammato
per la digestione di COB, N totale, P totale, TOC, Org. acidi, metalli
Termostato ad alta temperatura per la rapida digestione di COD, N totale, P totale, metalli in soli 35 minuti; digestioni standard di TOC
Reagenti pronti per l’uso ad alta sicurezza per l’operatore; procedimento
particolarmente preciso ed approvato; più di 50 parametri e range di
misura
Sistemi per l’analisi on line
PHOSPHAX sc
AISE sc
AN-ISE sc
NISE sc
NITRATAX sc
SC 1000 Controller
In alternativa
SC 200 Controller
Analizzatore da processo per la determinazione in continuo
dell’ammoniaca in acque reflue. La misurazione viene eseguita
con elettrodo gas-sensibile.
Analizzatore da processo per la determinazione del fosforo nelle
acque reflue. La misurazione viene eseguita secondo il metodo
Vanadato-Molibdato.
Sonda ISE per la determinazione continua dell’ammoniaca (AISE sc,
AN-ISE sc) e dei nitrati (NISE sc, AN-ISE sc) direttamente nelle vasche.
La misurazione viene eseguita con un elettrodo ionoselettivo (ISE) con
compensazione automatica di potassio e cloruro. Estrema facilità di
utilizzo grazie alla cartuccia sensore CARTRICAL plus.
Sonda da processo per determinare il contenuto di nitrato, senza
prelievo del campione, direttamente nell’acqua, nelle acque reflue
o nel fango attivo; autopulente, procedimento privo di reagenti,
diversi range di misura
Un sistema con Controller SC 1000 è costituito da un singolo modulo
display e uno o più moduli sonda. Viene configurato in modo modulare
secondo le indicazioni specifiche del cliente e può essere ampliato in
qualunque momento con ulteriori punti di misura, sensori, ingressi e
uscite ed interfacce bus. Ogni modulo controlla fino a otto sensori.
Controlla fino a due sensori (non adatto per AMTAX sc e PHOSPHAX sc).
Postazione di misurazione per l’analitica di
laboratorio con fotometro DR 3900, termostato
LT 200 e Test in Cuvetta HACH LANGE
Bibliografia
1. ATV-Handbuch: Biologische und weitergehende Abwasserreinigung, Ernst & SohnVerlag 1997
2. K. Hänel: Biologische Abwasserreinigung mit
Belebtschlamm, VEB Gustav Fischer Verlag,
1986
3. K. Mudrack, S. Kunst: Biologie der Abwasserreinigung, Gustav Fischer Verlag, 1994
4. Specifiche DWA A 131
5. S. Kunst, C. Helmer, S. Knoop: Betriebsprobleme auf Kläranlagen durch Blähschlamm,
Schwimmschlamm, Schaum, Springer-Verlag
2000
6. D. Jenkins, M. G. Richard, G. T. Daigger:
Manual on the causes and control of activated sludge bulking, foaming, and other solids
separation problems, Lewis Publishers 2004
7. Poster „Strumentazione HACH LANGE: massima affidabilitŕ e minimi costi di esercizio“,
DOC140.57.00449
DOC040.57.10005.Oct12
AMTAX sc