Impianti di Ossidazione Biologica: I Letti Biologici Sommersi

Una classificazione dei Sistemi di Ossidazione Biologica e quella dei Letti Biologici Sommersi. Le principali soluzioni impiantistiche esistenti per reattori a biomassa adesa sono:
- Biofiltri sommersi: letti filtranti riempiti con granuli di piccola pezzatura attraversati dall'acqua, con moto ascendente (upflow) o discendente (downflow).
- Reattori a letto mobile (MBBR): reattori in cui la biomassa si sviluppa sottoforma di biofilm su supporti lasciati liberi di muoversi in un reattore a forma di vasca come quelle a fanghi attivi.
- Letti fluidizzati: le particelle di supporto possono liberamente muoversi nel reattore essendo mantenute in sospensione dall'elevata velocità ascensionale dell'acqua da trattare.

I vantaggi che si possono ottenere dall'utilizzo di questa configurazione impiantistica, comparati a reattori a crescita sospesa, sono:
- Una maggiore concentrazione di biomassa.
- Una più alta attività metabolica; nella biomassa adesa si possono riscontrare maggiori ratei di rimozione ad HRT inferiori.
- Una più forte resistenza alla tossicità.
- Permettere lo sviluppo di un fango con caratteristiche migliori, in quanto la biomassa è più densa e grazie a ciò si può ridurre fenomeni quali il Bulking e la formazione di schiume; per apprfondire cosa sia il Bulking si veda questo Articolo.

Punto debole di questa tipologia di trattamento può essere che il trasferimento dal liquido alla pellicola, dei vari substrati, risulti difficoltosa e quindi un fattore limitante per la velocità di crescita batterica e per le prestazioni del reattore.
Questa criticità si manifesta soprattutto utilizzando supporti di grandi dimensioni (decine di mm), a causa della conseguente bassa superficie specifica disponibile per la crescita.
Per ovviare a questo problema e minimizzarlo si utilizzano supporti con dimensioni dell'ordine di grandezza dei decimi di mm (0,5 mm) e alte superfici specifiche (più di 1000 m2/m3).

I letti sommersi sono reattori che si differenziano dai letti percolatori, in quanto il riempimento plastico su cui si forma la massa batterica è completamente sommerso e le condizioni aerobiche vengono garantite mediante insufflazione d’aria da diffusori sottostanti.
Viene generalmente utilizzato il mezzo di supporto plastico, a flusso verticale o incrociato.
Si tratta di reattori completamente sommersi ed aerati, inizialmente dedicati ad impiego in applicazioni di tipo industriale ed ora utilizzati anche nel trattamento delle acque reflue urbane.

Il flusso liquido può essere di tipo discendente, ascendente oppure trasversale. In ogni caso è di fondamentale importanza garantire l'uniforme distribuzione del liquame in ingresso nel reattore per evitare la formazione di spazi morti e drastiche riduzioni dell'efficienza.
L'impiego di tali reattori nell'ambito della rimozione biologica della sostanza organica è proponibile purché, oltre ad una preventiva sedimentazione primaria si provveda anche ad una rimozione periodica dei solidi accumulati per mezzo di opportuni cicli di lavaggio.

Nei Letti a Flusso Discendente all'interno del mezzo di riempimento è disposto un sistema di aerazione a bolle che fornisce l'ossigeno necessario alla biomassa adesa; la zona ad esso sottostante esplica un’azione filtrante sull'effluente finale in modo da ricondurre i solidi sospesi al di sotto di 15 ÷ 20 mg /lt.
In questo modo è possibile evitare l'impiego di un sedimentatore secondario, salvo però effettuare periodiche operazioni di controlavaggio del letto del filtro (solitamente automatizzate).
Per effettuare la denitrificazione occorre dosare metanolo nella zona sottostante alla griglia di aerazione o di sospendere ciclicamente l'aerazione.

I letti a flusso ascendente sono di due tipi: un primo tipo è caratterizzato da un mezzo di riempimento più pesante dell'acqua e non richiede solette superiori di contenimento, a differenza dei letti del secondo tipo, realizzati in materiale flottante (es. polistirene espanso), per i quali la soletta deve essere dimensionata per contenere la spinta di galleggiamento del supporto e le sollecitazioni da esso trasmesse durante il controlavaggio.
Lo spessore dello strato filtrante è generalmente superiore rispetto a quello dei letti a flusso discendente. I letti a flusso ascendente consentono anche la predenitrificazione del liquame, ricircolando il liquame effluente, nitrificato, alla base del reattore, nella zona non aerata.

Le esigenze di controlavaggio impongono, per entrambe le tipologie di letti, la realizzazione di più unità in parallelo. Il carico idraulico applicato viene generalmente mantenuto tra 0,8 e 5 m/h.

L'aerazione deve essere tale da assicurare una concentrazione di ossigeno disciolto variabile tra 3 e 6 mgO2 lt, il che si traduce in forniture d’aria dell'ordine di 6 ÷ 10 m3 m3 di filtro all'ora, che sale a 15 ÷ 20 nel caso di nitrificazione, con rendimenti di ossigenazione variabili dal 4 al 20%.
I principali fattori che condizionano l'efficienza del processo di nitrificazione, nei filtri percolatori aerati sommersi, risultano essere la concentrazione di BOD5 nell'influente e la concentrazione di O2 disciolto (cd OD), nella fase liquida, all'interno del filtro.

Un incremento del rapporto BOD/TKN nell'influente, determina un aumento della porzione di superficie del riempimento che viene coperta dai batteri eterotrofi e, conseguentemente, una diminuzione del tasso di nitrificazione apparente, calcolato sulla base del volume complessivo del filtro, generalmente alto 1,2 m ÷ 1,8 m.
Per ottenere un'efficienza del processo di nitrificazione del 90%, è necessario adottare un carico inferiore a 0,08 kgBOD5/m3*d. Per valori del carico di BOD di circa 0,22 kgBOD5/m3*d, l'efficienza attesa per il processo di nitrificazione risulta pari al 50% (è stato notato che all'aumentare del tasso di ricircolo migliorano le prestazioni del processo di nitrificazione).
In luogo del carico volumetrico di BOD, l'efficienza di nitrificazione è stata correlata anche con il carico di BOD applicato giornalmente, rispetto alla superficie del riempimento (espresso in gBOD/m2*d).
Per ottenere un'efficienza del processo di ossidazione dell'azoto ammoniacale ≥ 90%, è necessario applicare un carico superficiale ≤ 2,4 gBOD/m2*d.

Quella dei filtri aerati, è una tecnologia abbastanza innovativa, che presenta alcuni vantaggi operativi rispetto ai processi a fanghi attivi, (nessun ricircolo dei fanghi né problemi patologici di rising, foaming o bulking) ma, soprattutto, il vantaggio di ammettere maggiori carichi organici volumetrici rispetto agli altri processi biologici di tipo aerobico.