Sistemi di Ossidazione Biologica: i Processi a Biomassa Sospesa

In tutti i Trattamenti Biologici a Biomassa Sospesa il processo si basa sulla proprietà di alcuni microrganismi, conglobati in colonie formanti i fiocchi del Fango Attivato, di nutrirsi delle sostanze inquinanti contenute nel liquame, degradandole e riducendone la concentrazione nello scarico finale depurato.

Ciò può avvenire sia in assenza di aerazione (es. denitrificazione anossica) sia in presenza di aerazione (es. ossidazione e nitrificazione).

Gli impianti a fanghi attivi sono chiamati anche processi a biomassa sospesa, poichè le popolazioni batteriche responsabili del trattamento depurativo sono presenti sotto forma di fiocchi tenuti in sospensione attraverso l'insufflazione d'aria (se reattori aerati) o mediante mixer (se reattori anossici o anaerobici).

La capacità di formare fiocchi di fango è una delle caratteristiche più importanti sulla quale si basa la tecnologia dei processi a fanghi attivi; essi sono una sospensione in acqua di biomassa attiva (batteri saprofiti, protozoi, amebe, rotiferi e altri microrganismi), solitamente sotto forma di fiocchi. Tali fanghi sono alla base dei sistemi di ossidazione biologica a fanghi attivi, che sono i più diffusi nei tradizionali impianti di depurazione delle acque reflue.

Il ruolo di questa biomassa (presente soprattutto sotto forma di fiocchi sedimentabili costituiti da materia organica e dalle colonie di batteri che di essa si nutrono) nel processo depurativo è quello di utilizzare le sostanze organiche biodegradabili presenti nel refluo, degradandole a composti più piccoli e meno pericolosi che in parte vengono utilizzati dai microrganismi stessi per il proprio nutrimento e la riproduzione.

Il refluo, proveniente dal pretrattamenti, è convogliato in vasche, aerate o per insufflazione d'aria o per agitazione da parte di turbine, dove si ha prevalentemente l'abbattimento delle sostanze carboniose. I batteri sono selezionati dalle condizioni globali, così che in ambienti a basse concentrazioni di O2 e sostanze organiche avremo Nitrosomonas e Nitrobacter.
All'interno del volume di aerazione sono previsti dispositivi di aerazione (diffusori), e dispositivi per la miscelazione per mantenere il fango in sospensione (a volte è possibile che aerazione e miscelazione siano un unico sistema).

La necessità di mantenere i due fenomeni impone un compromesso alla turbolenza interna del refluo che consenta da un lato la formazione dei flocculi e dall'altro un'adeguata ossigenazione dell'acqua per favorire il metabolismo aerobio. In pratica, bisogna cercare il più possibile di ossigenare la vasca di ossidazione cercando, però, allo stesso tempo di non distruggere i fiocchi di fango e i microorganismi presenti al loro interno.

Nei metodi ad Insufflamento d'Aria compressa, di solito migliori dei primi, l'ampliamento della superficie di contatto gas-acqua si ottiene mediante l'introduzione nella massa liquida, ad una opportuna profondità, di bollicine d'aria. Il rapporto percentuale tra il peso di O2 assorbito dall'acqua nell'unità di tempo e quello fornito si chiama efficacia di aerazione.

Il dimensionamento dell'impianto di trattamento delle acque reflue va basato su:
- carico idraulico entrante (Ci);
- carico organico entrante (Co);
- rendimento che si vuole ottenere (ƞ);
dove:
- negli impianti a fanghi attivi il carico idraulico può essere rappresentato dal carico idraulico (Ci), ovvero la portata di refluo alimentato in vasca di aerazione in un giorno;
- negli impianti a fanghi attivi il substrato può essere rappresentato dal carico organico (Co), ovvero il BOD5 alimentato in vasca di aerazione in un giorno.

Il rendimento depurativo, viene definito come il BOD5 rimosso rispetto al BOD5 in ingresso ƞ = (BODi – BODu)/BODi.

Diventa importante nel processo di depurazione il concetto di:
Carico organico volumetrico (Cov):
Il fattore di carico organico volumetrico, cioè il carico di sostanza organica biodegradabile (espresso in Kg BOD5) che viene applicata al giorno alla massa di Solidi Sospesi Totali (espressi in Kg) presente nella vasca di aerazione (i solidi sospesi sono utilizzati in via semplificativa al posto della massa di microrganismi presente nella vasca di areazione, poichè quest'ultima è di difficile valutazione).
Può essere calcolato dividendo il carico organico diviso il volume.
Per quanto detto in precedenza può essere anche messo in relazione con il carico di fango attraverso la seguente formula Cov = Cf * SSa.
Normalmente per impianti ad ossidazione totale, il carico organico volumetrico è sempre inferiore a 0,30 kg BOD5/m3 di vasca x giorno.

Carico del fango (Cf):
Il carico del fango, Cf, è il vero parametro dimensionale (KgBOD/KgSS*g) che incorpora i concetti di biodegradabilità del liquame e di efficienza di depurazione desiderata.
Esso è definito come la quantità di massa organica biodegradabile che si può alimentare giornalmente riferita all'unità di massa di fango attivo presente in vasca, senza peggiorare l'efficienza di depurazione.
Con valori di Fc tra 0,05 e 0,08 kgBOD5/kgSS x giorno, viene prodotto poco fango e si arriva ad avere rendimenti depurativi del 95%; l'effluente avrà un BOD5 solubile molto basso, ma alto contenuto di solidi sospesi e la produzione del fango è praticamente inesistente.

Concentrazione dei fanghi in vasca (SSa):
La scelta della concentrazione di solidi sospesi presenti nella vasca di aerazione (KgSS/m3) non è arbitraria, ma vincolata dalle caratteristiche di sedimentabilità del fango attivo. Se così non fosse il progettista potrebbe scegliere di operare ad altissime concentrazioni di fango, così da ottenere volumi di vasca molto piccoli.
L'esperienza mostra che migliori risultati si hanno quando la concentrazione è compresa tra 2,5 ÷ 6 kgSSa/m3, con un valore ottimale (SSa) = 4 kgSSa/m3.
In proposito, la massima concentrazione di fango nella vasca di aerazione è fissata dalla massima concentrazione di solidi nel fango di ricircolo e dalla portata di ricircolo stessa. Con i successivi ricircoli il fango tende a maturare progressivamente ovvero contiene sempre meno sostanze organiche complesse, e sempre più sostanze organiche semplici.

Il ruolo della biomassa, infatti, oltre quello di metabolizzare la sostanza organica contenuta nei liquami, è proprio anche quello di costruire fiocchi di fango capaci di separarsi per gravità dall'acqua all'interno del sedimentatore. Tuttavia possono esservi, non di rado, problemi di sedimentabilità del fango attivo. Uno di questi è causato dal bulking.