L’azoto (N) è un nutriente essenziale per tutte le forme viventi. Tuttavia, un eccessivo scarico di N nelle acque superficiali può determinare una crescita anomala delle alghe e, di conseguenza, un impoverimento dell’ossigeno disciolto. Questo fenomeno, noto come eutrofizzazione, rappresenta un grave problema ambientale che colpisce la qualità dell’acqua nei fiumi, nei laghi e negli estuari di tutto il mondo. Le principali fonti di azoto sono rappresentate dal deflusso dagli scarichi di acque reflue provenienti dalle città e dalle industrie. La rimozione biologica dell’azoto (BNR) è riconosciuta come il processo più economico per rientrare nei limiti di scarico stabiliti dalle legislazioni nazionali. Il trattamento delle acque reflue in Italia utilizza una combinazione di metodi fisici (screening, sedimentazione), chimici (reagenti di precipitazione e disinfezione) e biologici (batteri per processi come la nitrificazione e la denitrificazione) per rimuovere gli inquinanti.
L’intero processo di depurazione delle acque può essere suddiviso in diverse fasi: preliminare, primaria, secondaria e terziaria (Figura 1).
Fasi del processo di depurazione delle acque reflue
Fase preliminare
Nel trattamento preliminare sono utilizzate camere di grigliatura e vasche di scrematura per rimuovere oggetti galleggianti (foglie, carte e stracci), sostanze oleose e graniglia (ghiaia, sabbia, pezzi di vetro, metalli frammentati e solidi inorganici).
Fase primaria
In questo processo, l’acqua scorre lentamente per far scendere i solidi e il fango primario grezzo che è poi a sua volta rimosso da raschiatori meccanici e pompato fuori dalle vasche. Durante questo processo, è possibile aggiungere coagulanti chimici come il solfato di alluminio, per aumentare l’efficienza di sedimentazione.
Fase secondaria
Nel trattamento secondario, la materia organica disciolta viene rimossa utilizzando un trattamento biologico.
I fanghi e i solidi sedimentati vengono separati dall’effluente in uscita dal processo biologico. I batteri, alghe e altri microrganismi presenti nelle acque reflue sono utilizzati per decomporre la materia organica complessa in composti semplici come anidride carbonica, acqua e materiali cellulari con una certa energia. Il processo biologico avviene sia in condizioni aerobiche che anaerobiche. La metodologia più comunemente utilizzata oggi è il trattamento a fanghi attivi. Nel processo aerobico le acque reflue vengono aerate con aeratori meccanici e inviate in un reattore dove viene mantenuta in sospensione una coltura batterica aerobica.
Fase terziaria
Questo processo si concentra sulla rimozione dell’azoto e del fosforo in eccesso dalle acque reflue.
I principali materiali di scarto azotati sono le proteine, gli amminoacidi e l’urea che cede ammoniaca dopo la loro degradazione. Il trattamento terziario viene utilizzato quando:
- La qualità dell’effluente non soddisfa i requisiti
- Se le acque reflue sono destinate ad essere riutilizzate
- Per rimozione del nitrogeno e del fosforo
Rimozione biologica dell’azoto del trattamento terziario
La conversione dell’azoto ammoniacale nelle acque reflue in azoto gassoso avviene grazie ai batteri prototrofi attraverso la nitrificazione e la denitrificazione.
Nitrificazione
La nitrificazione è un processo biologico in cui l’ammoniaca è convertita in nitrito (NO2–) e successivamente in nitrato (NO3–). L’ossidazione dell’NH4+ a NO3– viene effettuata dai batteri ossidanti l’ammoniaca (AOB), tra cui il Nitrosomonas sp., mentre l’NO2– viene rapidamente ossidato a NO3– dai batteri ossidanti nitriti (NOB), incluso il Nitrobacter sp., in presenza di ossigeno. La temperatura e il PH influiscono tanto sulla velocità di nitrificazione e sulla crescita di questi batteri, infatti le condizioni ottimali possono variare dai 26 ai 30°C a PH di circa 7.5-8.0.
Denitrificazione
La denitrificazione è un processo in cui gli organismi biologici (alcuni generi specifici di batteri come Thiobacillus denitrificans, Micrococcus denitrificans e Pseudomonas denitrificans) riducono il nitrato a forme gassose di azoto che possono fuoriuscire direttamente nell’atmosfera. I batteri denitrificanti sono anaerobi facoltativi perciò possono utilizzare l’ossigeno disciolto o il nitrato come fonte di ossigeno per il metabolismo e ossidare la materia organica.
Nuove biotecnologie microbiche applicate agl’impianti di depurazione delle acque reflue
Negli ultimi anni, nuovi processi biologici, ad esempio l’ossidazione dell’ammoniaca in condizioni anossiche (Anammox) e la nitrificazione-denitrificazione simultanea (SND), sono stati sempre più studiati con l’obiettivo di ridurre i costi operativi dell’impianto di depurazione, garantendo al contempo il rispetto dei limiti di scarico di azoto nei corpi idrici. I batteri Anammox (AnAOB) ossidano l’NH4+ direttamente a N2 in condizioni anossiche, ottenendo energia per la crescita dall’ossidazione di NO2– a NO3–.
La nitrificazione-denitrificazione simultanea (SND) è in grado di rimuovere completamente l’azoto in un singolo bioreattore in condizioni operative specifiche, il che differenzia questo processo dalla nitrificazione e denitrificazione sequenziale tipicamente eseguite in bioreattori separati presso gli impianti di trattamento delle acque reflue municipali. Infine vi è una terza strategia comunemente conosciuta con il nome di sistema a reattori a biomassa adesa a letto mobile (MBBR). Scoperta in Norvegia, questa nuova tecnologia prevede l’utilizzo di supporti di plastica dal design unico con biofilm batterici adesi. I reattori hanno una perdita di carico insignificante, nessuna suscettibilità all’intasamento ed un buon tasso nitrificante dato dalla cooperatività batterica.
Coltivazione dei Batteri Nitrificanti e Denitrificanti
La selezione dei batteri nitrificanti e denitrificanti è un processo che richiede molta esperienza nel settore della microbiologia ambientale. I batteri nitrificanti e denitrificanti sono chemiolitotrofi e non sono facilmente coltivabili e isolabili su terreni solidi, inoltre la loro crescita è lenta e laboriosa. Per la coltivazione di batteri nitrificanti è necessario l’utilizzo di terreni liquidi costituiti da sali come: il carbonato di calcio CaCO3, il diidrogenofosfato di potassio KH2PO4 e il solfato di ammonio (NH4)2SO4 ed, infine, come indicatore di PH il cromogeno Cresolo Rosso. Mentre, la maggior parte dei batteri denitrificanti eterotrofi richiede sostanze organiche biodegradabili disponibili come donatori di elettroni per ricavare energia.
Il carbonio organico può essere fornito alla fase di denitrificazione del trattamento biologico utilizzando fonti come metanolo, melassa, etanolo e acido acetico. Alcuni studi mostrano che il percolato di discarica, liquido che ha origine dall’infiltrazione di acqua nella massa dei rifiuti o dalla decomposizione degli stessi, è ricco di carbonio organico e può essere una fonte alternativa di crescita per i batteri che rivestono un ruolo importante nelle industrie di depurazione delle acque reflue.
Conclusioni
I composti azotati presenti nelle acque reflue creano gravi stress biotici e alterano la biodiversità quando sono scaricati negli ecosistemi acquatici. La rimozione biologica dell’azoto (BNR) attraverso i trattamenti delle acque reflue comprende tecnologie consolidate affidate a batteri nitrificanti e denitrificanti. L’obiettivo di questo articolo è fornire conoscenze elementari su alcuni processi della microbiologia ambientale ed industriale attraverso le nuove tecnologie biologiche che attualmente sono impiegate nello smaltimento dei rifiuti e nei trattamenti delle acque reflue.
Fonti
- Van Puijenbroek et al., Global nitrogen and phosphorus in urban waste water based on the Shared Socio-economic pathways Journal of Environmental Management (2019) https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2018.10.048
- Di Capua F. et al., Simultaneous nitrification–denitrification in biofilm systems for wastewater treatment: Key factors, potential routes, and engineered applications; Bioresource Technology (2022) https://doi.org/10.1016/j.biortech.2022.127702
- Peng Y. and Zhu G., Biological nitrogen removal with nitrification and denitrification via nitrite pathway Applied Microbiology and Biotechnology (2006) https://doi.org/10.1007/s00253-006-0534-z.
- Petrilli R. et al., Selection, Identification and Functional Performance of Ammonia-Degrading Microbial Communities from an Activated Sludge for Landfill Leachate Treatment; Microorganisms (2023) https://doi.org/10.3390/microorganisms11020311
Crediti immagini
- Immagine in evidenza: https://www.idratech.it/images/trattamento%20acque%20reflue/trattamento_acque_reflue_header.jpg
- Figura 1: Typical flow diagram of activated sludge process WWTP (Metcalf & Eddy, 2015) December 2022 Engineering Applications of Artificial Intelligence 118:105709 DOI:10.1016/j.engappai.2022.105709
