Processi unitari biologici - Lezione 1/5 1 Processi unitari biologici 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
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
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
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
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
Processi unitari biologici - Lezione Processi unitari biologici - Lezione 1/51/5
66
Oxidation ditchOxidation ditch
Influente Effluente
Rotore di aerazione
Fango di supero
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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)
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
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.
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
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
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
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.
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
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
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
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
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
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]]
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
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
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
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
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
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
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
Sμ
θ
1
V
Q
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
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
Sμ
θ
1
V
Q
d
0
k1
SSYX
1kYk
k1KS
d
ds
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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, S m
g/l
Eff
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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
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
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