ITMI951686A1

ITMI951686A1 - Metodo per il controllo della concentrazione in liquidi di sostanze che vengono degradate da microorganismi acidificanti o

Info

Publication number: ITMI951686A1
Application number: IT95MI001686A
Authority: IT
Inventors: Alberto Rozzi; Alessandro Massone; Willy Verstraete
Original assignee: Alberto Rozzi; Willy Verstraete; Alessandro Massone
Priority date: 1995-08-01
Filing date: 1995-08-01
Publication date: 1997-02-01
Also published as: EP0757017B1; DE69604743T2; CA2182433A1; ITMI951686A0; AU6080596A; EP0757017A2; ZA966499B; IT1277404B1; DE69604743D1; ATE185777T1; EP0757017A3

Abstract

Viene descritto un metodo per il controllo della concentrazione in liquidi di sostanze che vengono degradate da microrganismi acidificanti o alcalinizzanti. Tale metodo utilizza un'apparecchiatura descritta in dettaglio in seguito.

Description

Descrizione dell ' invenzione industriale avente per titolo : "METODO PER IL CONTROLLO DELLA CONCENTRAZIONE IN LIQUIDI DI SOSTANZE CHE VENGONO DEGRADATE DA MICRORGANISMI ACIDIFICAN-TI O ALCALINIZZANTI E RELATIVA STRUMENTAZIONE"

La presente invenzione si riferisce a un metodo per il controllo di sostanze inquinanti in fluidi, quali acque potabili, acque di scarico civili e industriali. In particolare, la presente invenzione fornisce un metodo per il controllo di sostanze inquinanti, soprattutto che vengono degradate da microrganismi acidificanti o alcalinizzanti. Più in particolare, la presente invenzione si riferisce al controllo della concentrazione di azoto, sotto forma di ammonio e nitrato, e di glucidi, sotto forma di acidi organici.

Sfondo dell' invenzione

Le normative nazionali e internazionali sulla qualità delle acque di scarico civili e industriali e delle acque potabili sono sempre più severe. In particolare, i limiti di accettabilità dei nutrienti (azoto e fosforo) nelle acque di scarico sono sempre più stringenti e il problema del controllo dell'azoto, sia ammoniacale, sia nitrico interessa un elevatissimo numero di impianti di depurazione.

Diversi processi di depurazione si avvalgono della capacità di alcuni microrganismi di degradare sostanze complesse a sostanze più semplici la cui presenza nelle acque depurate è considerata accettabile.

Un sistema correntemente utilizzato nel controllo della qualità delle acque in uscita da un impianto di depurazione è quello di determinare una specie chimica significativa dell'andamento del processo di depurazione.

La conduzione di un impianto di depurazione richiede il controllo di diversi parametri, di una strumentazione complessa e sofisticata e di personale particolarmente addestrato.

Nella presente invenzione vengono utilizzati microrganismi in grado di degradare o trasformare sostanze, soprattutto inquinanti, con contemporanea produzione di protoni o di ioni ossidrili.

Gli strumenti attualmente a disposizione sul mercato per il controllo in linea di ammonio e nitrato a basse concentrazioni (fino a 1 ng/ml) non soddisfano la richiesta di precisione, sono costosi e di funzionamento complesso, e pertanto richiedono personale qualificato.

E' perciò attuale la necessità di disporre di un metodo accurato, semplice e poco costoso.

Sommario dell'invenzione

E' stato trovato, ed è l'oggetto della presente invenzione, un metodo semplice ed innovativo per il controllo della concentrazione in liquidi di sostanze o substrati che vengono degradati da microrganismi acidificanti o alcalinizzanti, come di seguito descritto in dettaglio anche per mezzo di esempi e figure in cui:

Figura la mostra uno schema essenziale della apparecchiatura utilizzata nel metodo secondo la presente invenzione;

Figura 1b mostra la versione automatizzata di detta apparecchiatura ;

Figura 2 mostra un diagramma dell'andamento della determinazione di una specie chimica di interesse in una realizzazione dell'invenzione.

Secondo la presente invenzione, il metodo è adatto per qualsiasi tipo di microrganismo acidificante e alcalinizzante, di seguito definito come "biomassa".

Il metodo fornito dalla presente invenzione ha il vantaggio di utilizzare una apparecchiatura semplice, di costo contenuto e può essere attuato anche da operatori non specializzati.

Descrizione dettagliata dell'invenzione

Secondo la presente invenzione il metodo comprende gli stadi di: a) prelievo di un volume noto di fluido contenente sia il substrato di cui si vuole misurare la concentrazione, sia la biomassa;

b) introduzione del detto fluido in un reattore a un pH diverso dal pH di equilibrio della reazione di degradazione (inferiore per reazioni acidificanti e superiore per quelle alcalinizzanti) in corrente di un gas scelto fra ossigeno, azoto, aria e diluito con CO2;

c) aggiunta di un titolante per la regolazione del pH a detto valore di equilibrio;

d) aggiunta di un titolante per la neutralizzazione della specie chimica prodotta da detta reazione di degradazione;

e) determinazione dell'esaurimento di detto substrato.

La biomassa può essere già presente nel liquido da analizzare, oppure può essere aggiunta al campione nel reattore, sia sotto forma di solidi sospesi (fanghi) sia come biofilm aderente a un opportuno mezzo di riempimento.

Il pH iniziale di equilibrio può venire facilmente regolato variando opportunamente la pressione parziale della CO2.

Il metodo secondo la presente invenzione viene ora illustrato in una sua prima realizzazione nel caso di microrganismi acidificanti, ricorrendo alla Figura 2 per ulteriore dettaglio.

Si preleva un campione a volume noto di soluzione, contenente sia il composto (substrato) di cui si vuole misurare la concentrazione sia i microrganismi (la biomassa attiva) che lo degradano. Come detto sopra la biomassa può essere già presente nel campione oppure venire aggiunta sia come solidi sospesi (fanghi) che come biofilm aderente ad un opportuno mezzo di supporto.

Il sistema, costituito dalla soluzione contenente il substrato e la biomassa, viene immesso nel reattore ad un pH inferiore a quello di equilibrio della reazione (pH di set-point), definito dalla pressione parziale della CO2 nel gas gorgogliato nel sistema.

All'inizio della rilevazione il sistema deve quindi raggiungere il pH di equilibrio, preferibilmente nel minimo tempo possibile, ed in questa fase il titolatore aggiunge la soluzione titolante al massimo della portata come indicato in Figura 2 (tratto della curva 0 - Pi a massima pendenza), e la base aggiunta serve soprattutto per aumentare il pH.

Successivamente il titolante viene consumato essenzialmente per neutralizzare l'acidità prodotta dai microrganismi che degradano il substrato con produzione di protoni. Infatti il pH della soluzione tende ad abbassarsi, questa diminuzione viene rilevata dalla sonda di pH che comanda il titolatore con immissione di una quantità di alcalinità (espressa come equivalenti) uguale a quella dei protoni prodotti (tratto della curva PI - P2).

Allorché il substrato è completamente esaurito, e ciò si rileva facilmente in quanto la richiesta di alcalinità si annulla, la rilevazione è conclusa.

Per ricavare la concentrazione iniziale del substrato si considera la velocità di consumo del titolante alcalino nella zona della curva P1 - P2 e si estrapola la retta ottenuta fino all'intercetta dell'ordinata (punto Bo in Figura 2), che dà il valore di titolante aggiunto solo per raggiungere il pH di set-point. Si misura anche il valore della concentrazione finale di base aggiunta che corrisponde al punto P2, cioè B2 e si ottiene infine la differenza di concentrazione di titolante basico B2 - Bo che è stata consumata dai microrganismi per produrre i protoni corrispondenti alla scomparsa del substrato.

Tenendo conto della stechiometria della reazione di degradazione (cioè: 1 equivalente alcalinità = a moli di substrato) e del volume V del campione si ottiene infine la concentrazione del substrato da determinare:

Nel caso in cui lo strumento venga utilizzato per la determinazione della concentrazione di un substrato che si degrada con la produzione di un composto alcalinizzante allora come soluzione titolante viene utilizzato un acido, ma il principio di funzionamento rimane lo stesso.

Nel metodo secondo la presente invenzione viene utilizzato un apparecchio di misura costituito da un reattore termostatato a volume costante (dell'ordine di 1 litro), un titolatore automatico controllato da una sonda di pH, mezzi di agitazione, ad esempio meccanica, mezzi di immissione di gas, ad esempio da una o più bombole e/o opportuni dispositivi miscelatori/dosatori. Preferibilmente il gas viene fatto gorgogliare nella miscela di reazione. La sonda può essere direttamente immersa nel reattore oppure montata in un portaelettrodo esterno collegato con un circuito nel quale la sospensione o soluzione viene riciclata mediante una opportuna pompa (soluzione costruttiva non indicata in fig. 1). Il contenuto nel reattore viene miscelato da un agitatore meccanico, ad elica oppure a trascinamento magnetico o a riciclo esterno mediante una pompa. L'immissione del gas può essere effettuata nel circuito di riciclo della pompa sopra menzionata.

In una diversa realizzazione, 1'apparecchio è automatizzato, provvedendo una opportuna interfaccia input/output e un elaboratore elettronico, quale ad esempio un personal computer, che controlla i flussi immessi nel e scaricati dal reattore, comanda il titolatore e controlla l'acquisizione e l'elaborazione dei dati.

In Figura la e lb sono mostrate in forma schematica due diverse realizzazioni dello strumento.

Un apparecchio più semplice (pHostato) è noto ed è stato utilizzato per determinare l'attività dei microrganismi acidificanti (nitrificanti) mediante rilevazione dell'andamento (pendenza) del consumo del titolante nel tempo.

L'apparecchio oggetto della presente invenzione permette di determinare l'attività della suddetta biomassa a concentrazione di substrato costante (condizioni di stato stazionario) mediante aggiunta di una soluzione titolante che contenga sia la specie neutralizzante (acido per una alcalinizzazione e base per una acidificazione) sia il substrato consumato che viene così reintegrato alla concentrazione iniziale.

Nel caso, molto frequente, in cui le reazioni acidificanti o alcalinizzanti comportino anche la produzione od il consumo di anidride carbonica, che agisce sul pH secondo gli equilibri del carbonio inorganico, è necessario gorgogliare nella soluzione in esame un opportuno gas che contenga una frazione fissata di CO2. In questo modo si stabilizza la concentrazione della CO2 nel liquido, indipendentemente dall'attività biologica e si ottiene una misura molto più precisa della specie analizzata.

L'apparecchio può operare in condizioni aerobiche, anossiche ed anaerobiche, a seconda del composto da determinare.

Tra i composti che si possono analizzare con il metodo secondo la presente invenzione si possono citare l'ammonio, il nitrato, i polisaccaridi e monosaccaridi convertiti ad acidi volatili.

Le caratteristiche dei pHmetri attualmente sul mercato, e che possono essere montati sull'apparecchio, gli permettono di misurare ammoniaca e nitrato a concentrazioni piuttosto basse, dell'ordine di 1 mg/1, con una soddisfacente precisione. La determinazione delle suddette specie a quella concentrazione non risulta agevole con gli strumenti da utilizzare in linea attualmente sul mercato, strumenti il cui costo è notevolmente superiore a quello previsto per il misuratore proposto ed il cui funzionamento richiede personale molto qualificato.

L'analizzatore qui utilizzato è invece dì facile uso anche per operatori non specializzati.

Secondo la presente invenzione, adoperando l'apparecchio sopra descritto, il metodo rivendicato è utilizzabile per:

il trattamento di acque reflue urbane ed industriali per l'abbattimento dell'azoto (rimozione di ammonio e dei nitrati); il trattamento di acque per uso potabile (rimozione nitrati);

il controllo di processi biotecnologici dell'industria agroalimentare e chimica.

Nitrificazione di acque reflue civili ed industriali

Il processo di nitrificazione e un processo aerobico che richiede notevoli quantità di ossigeno per l'ossidazione dell'ammonio. Gli eventuali sovraccarichi di azoto possono essere controllati da un aumento della concentrazione dell'ossigeno disciolto nelle vasche di aerazione, che aumenta la velocità di reazione della nitrificazione. La rilevazione in linea dell'azoto ammoniacale nell'influente di un impianto permette un più efficiente dosaggio dell'ossigeno rispetto alle procedure di controllo attualmente esistenti. Un ulteriore vantaggio, molto importante, di un siffatto sistema di misura consiste nella possibilità di rilevare in linea le presenza di eventuali tossici nell'influente dell'impianto. Il metodo secondo la presente invenzione, quando applicato all'analisi dell'ammoniaca, permette infatti di determinare contemporaneamente anche l'attività dei nitriiicanti e di potere quindi predisporre le azioni più opportune per proteggere la biomassa presente nelle vasche di nitrificazione.

Denitrificazione di acque reflue civili ed industriali

La nitrificazione dell'azoto ammoniacale richiede la successiva denitrificazione biologica. In molti reflui, sia civili che industriali, il rapporto carbonio organico/azoto è sbilanciato ai fini della denitrificazione ed è quindi necessario aggiungere una fonte di carbonio esterna.

Il dosaggio di questa fonte di carbonio dipende ovviamente dalla concentrazione dei nitrati. La misura in linea di questo parametro permette quindi un dosaggio calibrato della fonte di carbonio con notevoli economie di gestione e la certezza di scaricare un effluente finale conforme alla normativa vigente.

Per avere un controllo assolutamente completo del processo si deve inoltre misurare all'ingresso dell'impianto anche la concentrazione di ammonio, che risulta proporzionale alla concentrazione di azoto totale (TKN), e permette quindi di prevedere la concentrazione dei nitrati prodotti.

Controllo della concentrazione del BOP nei reflui industriali

La concentrazione del substrato in reflui contenenti soprattutto COD e BOD facilmente biodegradabile e di composizione relativamente costante, anche se a portata ed a concentrazione altamente variabili, come si verifica in molte industrie agro-alimentari, può essere rilevata in via indiretta tramite l'applicazione dello strumento nella versione che utilizza microrganismi alcalinizzanti e più precisamente denitrificanti . Infatti, immettendo nell'analizzatore oltre al reflusso anche un eccesso nitrato e poi titolando con una soluzione di acido nitrico che mantiene costante la concentrazione di nitrato è possibile misurare il consumo di nitrati che corrisponde al COD facilmente biodegradabile contenuto nello scarico in esame. In base alla concentrazione di nitrati ridotti è quindi possibile risalire alla concentrazione di COD presente nello scarico ed effettuare quindi le opportune azioni di controllo sul processo di depurazione utilizzato. Rimozione dei nitrati dalle acque per uso potabile

L'approvigionamento di acque per uso potabile, che in Italia sono tradizionalmente acque sotterranee, sta diventando sempre più difficile per la presenza in falda di numerosi inquinanti organici ed inorganici. Tra i secondi, i nitrati derivanti da una eccessiva utilizzazione di concimi azotati in agricoltura, sono i più importanti e i più diffusi.

Per la rimozione dei nitrati sono disponibili diversi processi. La denitrificazione biologica è sicuramente quello che minimizza le correnti inquinanti secondarie derivanti dalla depurazione stessa. Il dosaggio della fonte di carbonio esterno presenta problemi di regolazione che sono completamente risolti con il metodo qui proposto. L'analizzatore, nella versione per microrganismi alcalinizzanti, permette di controllare la concentrazione di nitrati nell'effluente dell'impianto di denitrificazione dosando accuratamente la portata della fonte di carbonio, con notevoli economie di reagenti.

Controllo di processi biotecnologici dell'industria agro-alimentare e chimica.

Nei processi acidificanti dove si ha consumo di glucidi (per esempio la fermentazione lattica a partire dal glucosio), la conoscenza della concentrazione del substrato può essere utile al fine del controllo della reazione. Nel caso considerato, la concentrazione di glucosio può essere ricavata sulla base dall'acido lattico determinato secondo il metodo della presente invenzione.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Metodo per il controllo della concentrazione in liquidi di substrati che vengono degradati da microrganismi acidificanti o alcalinizzanti, detto metodo comprende gli stadi di: a) prelievo di un volume noto di fluido contenente sia il substrato di cui si vuole misurare la concentrazione, sia la biomassa; b) introduzione del detto fluido in un reattore a un pH diverso dal pH di equilibrio della reazione di degradazione alla presenza di anidride carbonica diluita in un gas scelto fra ossigeno, azoto, aria; c) aggiunta di un titolante per la regolazione del pH a detto valore di equilibrio; d) aggiunta di un titolante della specie chimica prodotta da detta reazione di degradazione; e) determinazione dell'esaurimento di detto substrato.
2. Metodo secondo la rivendicazione 1, nel quale detta biomassa è già presente nel fluido da analizzare.
3. Metodo secondo la rivendicazione 1, nel quale detta biomassa viene aggiunta a detto fluido nel reattore.
4. Metodo secondo la rivendicazione 1, nel quale il pH nello stadio b) viene regolato variando la pressione parziale della anidride carbonica.
5. Metodo secondo la rivendicazione 1, nel quale detti microrganismi sono acidificanti.
6. Metodo secondo la rivendicazione 1, nel quale detti microrganismi sono alcalinizzanti.
7. Metodo secondo la rivendicazione 1, nel quale il pH di equilibrio nello stadio c) viene raggiunto nel minimo tempo possibile.
8. Metodo secondo le rivendicazioni 1-7, nel quale la specie chimica la cui concentrazione è determinata nello stadio d) è scelta fra ammonio, nitrato, acidi organici quali acetico, citrico, lattico.
9. Uso nel metodo delle rivendicazioni 1-7 di un apparecchio costituito da un reattore termostatato a volume costante, un titolatore automatico controllato da una sonda di pH, mezzi di agitazione, mezzi di immissione di gas.
10. Uso secondo la rivendicazione 9, nel quale detto apparecchio comprende anche una opportuna interfaccia di input/output e un elaboratore elettronico.
11. Procedimento per la nitrificazione di acque reflue civili e industriali, nel quale il controllo della specie ammonio è attuato con il metodo delle rivendicazioni 1-5 e 7-8.
12. Procedimento per la denitrificazione di acque reflue civili e industriali, nel quale il controllo della specie nitrato è attuato con il metodo delle rivendicazioni 1-4 e 6-8.
13. Procedimento per la rimozione dei nitrati dalle acque per uso potabile, nel quale il controllo della specie nitrato è attuato con il metodo delle rivendicazioni 1-4 e 6-8.
14. Metodo per il controllo di un procedimento di fermentazione avente come prodotto un acido organico nel quale il controllo della concentrazione dell'acido è attuato con il metodo delle rivendicazioni 1-5 e 7-8.