STUDIO di CEPPI BATTERICI PSBIO UTILIZZATI SU UN IMPIANTO PILOTA PER IL TRATTAMENTO di ACQUE REFLUE INQUINATE da ACQUE di VEGETAZIONE

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1 STUDIO di CEPPI BATTERICI PSBIO UTILIZZATI SU UN IMPIANTO PILOTA PER IL TRATTAMENTO di ACQUE REFLUE INQUINATE da ACQUE di VEGETAZIONE

2 UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI ROMA "TOR VERGATA" DIPARTIMENTO DI MEDICINA SPERIMENTALE E SCIENZE BIOCHIMICHE ABBATTIMENTO DEI FENOLI CON BATTERI FOTOSINTETICI PSBIO Parole chiave: batteri foto sintetici, fenoli, COD, acque di vegetazione. 1. Introduzione 1.1 Problemi ambientali derivanti dalle acque reflue La depurazione delle acque di scarico costituisce uno dei problemi ambientali più rilevanti. Gran parte dei rifiuti delle attività umane, siano esse domestiche o produttive, è infatti prodotto in forma acquosa. Questi scarichi liquidi devono essere depurati dal loro carico inquinante prima di essere riversati nell ambiente. Se il liquame è inquinato da sostanze biodegradabili e non sono presenti composti tossici o inibenti per i microrganismi, il sistema depurativo più conveniente è quello biologico. Questo consiste nel produrre, in tempi e spazi concentrati, quello che avviene normalmente in natura, dove le sostanze di rifiuto vengono degradate da opportuni microrganismi demolitori, che le trasformano in composti minerali che rientrano a far parte dei cicli naturali essendo assimilabili dagli organismi vegetali. I depuratori biologici sono quindi essenzialmente impianti in cui si realizza, in vari modi, il contatto tra liquame da depurare e una grande massa di microorganismi degradatori. A seconda che i microrganismi lo richiedano o meno, il processo può svolgersi in presenza o in assenza di ossigeno. Nel primo caso si parla di ossidazione biologica o degradazione aerobica, nel secondo di fermentazione o degradazione 1

3 anaerobica. Gli impianti di depurazione biologica possono essere costruiti per operare con uno o con l altro dei due principi, ma non con entrambi contemporaneamente. Le strutture reattive sono infatti profondamente diverse. Nel caso di impianti aerobici si forniscono grandi quantità di aria (o di ossigeno) alle masse biologiche, nel caso degli impianti anaerobici viceversa queste devono essere protette anche dal contatto con l aria atmosferica. I due tipi di impianti hanno applicazioni diverse. I processi aerobici sono più veloci nel degradare le sostanze, ma più costosi in termini di unità di inquinamento rimosso, a causa del continuo rifornimento di ossigeno che richiedono. Viceversa gli impianti anaerobici hanno una complessità maggiore che si traduce in un maggiore costo iniziale e in una gestione più difficile. L impianto di depurazione a fanghi attivi, qui di seguito descritto, fa parte della categoria degli impianti aerobici. Gli impianti ad ossidazione biologica sono costruiti in molte tipologie. Le differenze tra l una e l altra derivano dalla scelta operata per realizzare il contatto microrganismi/sostanze da degradare/aria. Le colture batteriche possono essere fisse (adese) su supporti solidi o mobili (sospese nella massa liquida). Tra le innumerevoli varianti che sono state proposte nel tempo, due sono quelle che si sono maggiormente affermate: i percolatori, con massa adesa su supporto fisso (filtri percolatori) o su supporto mobile (biodischi) e le vasche a fanghi attivi (massa sospesa). L impianto di depurazione a fanghi attivi fa parte della categoria degli impianti aerobici. Esso è quindi indicato per il trattamento degli scarichi e di tutti quelli a prevalente componente biodegradabile. Viene qui di seguito descritto la provenienza e caratteristiche generali dell acqua reflua presa in esame di un industria olearia. 2

4 1.2 Industria olearia La crescente massa di materiale organico prodotto dall attività di estrazione olearia pone pesantemente il problema del loro smaltimento. Lo smaltimento dei sottoprodotti dell industria olearia è un problema tipico dei Paesi mediterranei dove, durante la breve e spesso piovosa stagione della raccolta, vengono prodotti piu di 30 milioni di m 3 di residui oleari, sia allo stato liquido (acque di vegetazione) che solido (sanse). I reflui oleari sono caratterizzati da un alto carico inquinante per la presenza di complessi organici difficilmente biodegradabili. Se rilasciati nell ambiente senza l adozione di pratiche adeguate possono provocare effetti dannosi all ecosistema e alle stesse colture. Proprio per i possibili rischi ambientali legati alla gestione dei reflui oleari, la legislazione vigente in materia prevede il loro spandimento sui terreni solo a determinate condizioni e nel rispetto di precisi quantitativi. La normativa vigente in materia ( L. 574/96, "Nuove norme in materia di utilizzazione agronomica delle acque di vegetazione e di scarichi dei frantoi oleari") consente infatti lo spandimento controllato delle acque di vegetazione su terreni adibiti ad usi agricoli. 1.3 Depurazione delle acque di vegetazione Le acque di vegetazione (AV) rappresentano il sottoprodotto liquido proveniente dal processo di estrazione dell'olio. Le AV sono costituite essenzialmente da: _acqua di costituzione dell olive con un modesto residuo d olio; _acqua di lavaggio delle olive e degli impianti; _acque di diluizione delle paste negli impianti continui. 3

5 La depurazione delle AV mediante depuratori biologici a fanghi attivi, a causa dell alto contenuto di sostanza organica e dei valori elevati di COD e BOD 5 è possibile solo a seguito di una forte diluizione del refluo con le acque di scarico urbane e richiede, pertanto, un depuratore adeguatamente dimensionato. Gli altri sistemi di depurazione, come la concentrazione per evaporazione o per ultrafiltrazione ed osmosi inversa risultano eccessivamente costosi, sia per l investimento che per l esercizio; inoltre non risolvono il problema, poiché producono un concentrato comunque da smaltire, con costi ulteriori. 1.4 Composti fenolici Di tutte le classi di composti costituenti la frazione organica nelle acque di vegetazione i composti fenolici meritano una trattazione separata, per i numerosi processi in cui sono coinvolti conferendo con la loro presenza il colore marrone scuro ai reflui oleari. La peculiarità di alcuni di questi prodotti risiede nella loro lenta biodegradabilità e nell'azione antimicrobica. Questa ostacola sensibilmente la biodegradazione delle acque di vegetazione, specialmente per quanto riguarda i glucidi semplici e complessi, rallentando quindi la naturale riduzione del carico inquinante dei reflui. 4

6 2. Materiali e metodi L impianto per la prova è costruito secondo l impostazione classica. Il liquame viene sottoposto quindi nell ordine alle seguenti fasi depurative: grigliatura, sedimentazione primaria (equalizzazione), ossidazione biologica, sedimentazione secondaria. Il trattamento terziario non si è effettuato in quanto non necessario ai fini del nostro studio. Grigliatura: Il liquame grezzo perviene alla vasca di equalizzazione attraverso una griglia che trattiene i corpi grossolani galleggianti o sospesi con dimensioni superiori a 0,5-1 cm. Equalizzazione :La vasca di equalizzazione funge anche da sedimentatore grossolano (dissabbiatore). Queste si raccolgono in un pozzetto sul fondo della vasca, da dove vengono evacuate a mezzo di un apposita apertura Ossidazione biologica:il liquame omogeneizzato viene alimentato alla vasca fanghi attivi con portata costante. Nella vasca di ossidazione biologica il liquido viene mescolato con un alta concentrazione di fanghi biologici sotto condizioni di costante aerobiosi. In altre parole la miscela fanghi-liquido contiene sempre una concentrazione di ossigeno disciolto sufficiente per garantire lo svolgimento ottimale dei processi depurativi di degradazione operati dai microrganismi. La presenza di una certa quantità di ossigeno disciolto insieme alla alta concentrazione di microrganismi mantenuta in questa zona permette la massima velocità di rimozione delle sostanze inquinanti. 5

7 Queste vengono rimosse dal liquido attraverso vari meccanismi, una parte viene degradata fino a prodotti non inquinanti (anidride carbonica e acqua) e una parte viene trasformata in composti utili alle cellule viventi e inglobata sotto varie forme nella massa solida sedimentabile costituita dai fanghi attivi stessi. Il risultato finale è comunque quello di eliminare le sostanze inquinanti dall acqua che viene scaricata. La necessaria concentrazione di ossigeno disciolto viene garantita dall insufflazione di una grossa quantità di aria compressa dal fondo della vasca. Questa risalendo alla superficie attraversa la massa liquida creando un intimo contatto che permette a parte dell ossigeno atmosferico in essa contenuto di sciogliersi nell acqua. Contemporaneamente il movimento cerato dalle bolle di aria garantisce anche il mescolamento completo ed uniforme di tutta la miscela acqua-fanghi contenuta nella vasca, in modo che tutta la massa dei fanghi sia areata e il liquido ben omogeneizzato. Sedimentazione secondaria: Dalla fase di ossidazione biologica esce una miscela acqua-fango che deve essere inviata a un sedimentatore per separare il liquido ormai privo della maggior parte delle sostanze organiche dalla massa di fango attivo che deve essere rinviato nella vasca di ossidazione per esplicare la sua azione sul nuovo liquame inquinato. 6

8 Fig.1 Rappresentazione a blocchi dell Impianto pilota Sedimentatore Imhoff Comparto di aereazione con fanghi attivi Comparto di sedimentazione a fanghi att entrata Uscita acqua Fig.1 O 2 3. Lavoro sperimentale - Procedure operative eseguite Lo scopo del lavoro è stato quello di verificare se i ceppi contenuti nel PSBIO (Rhodopseudomonas Palustris) sono in grado di aggredire e/o biodegradare rapidamente i composti fenolici contenuti nelle acque di vegetazione. Per verificare il reale abbattimento dei composti fenolici (C 6 H 5 OH) sono state eseguite tre prove: 1) analisi diretta su acqua di vegetazione con un contenuto di batteri pari a 2 gr/mc di soluzione; 2) analisi diretta su acqua di vegetazione con un contenuto di batteri pari a 3 gr/mc di soluzione; 3) analisi diretta su acqua pura contenente 60 mg/l di fenoli. Quest ultima prova è stata eseguita aggiungendo diversi dosaggi di batteri foto sintetici (3-10 gr mc). 7

9 La prova di abbattimento dei fenoli è stata eseguita utilizzando la seguente procedura: Fase 0: ( grigliatura), il refluo stato filtrato mediante griglia metallica rimuovendo parti grossolane; Fase 1: ( equalizzazione/ sedimentazione primaria).le acque di vegetazione sono state immesse nella prima vasca lasciandole decantare per 24h ore; Fase 2 : (ossidazione biologica). Le acque di vegetazione vengono trasferite nella seconda vasca contenente il fango attivo. In questa stadio il refluo da depurare è stato alimentato con vari dosaggi di batteri fotosintetici PSBIO, la miscela viene ossigenata insufflando aria e posta sotto agitazione per 7 giorni; Fase 3 : ( sedimentazione secondaria).la miscela acqua fango viene inviata al sedimentatore secondario per separare il liquido dalla massa di fango attivo. Ulteriore decantazione per 48ore; Fase 4 : In questa fase sono state eseguite prove di laboratorio delle acque di vegetazione per quantificare l abbattimento degli inquinanti chimici. Fase 5 : In aggiunta sono state eseguite determinazioni di carica mesofilo-aerobica, sull acqua in entrata con un risultato di 10 9 UFC su 1 ml, la procedura analitica è stata eseguita sull acqua in uscita trascorsi 7 giorni con un risultato pari a 10 6 UFC su 1 ml. Lo scopo della determinazione ha voluto evidenziare la resistenza dei batteri a sostanze stressogene. I parametri ottenuti dall analisi delle acque di vegetazione delle olive mostrano caratteristiche particolari dovute alla presenza di composti ad attività biostatica (C 6 H 5 OH, NaCl). 8

10 4. Risultati ottenuti Nella tabella sottostante sono evidenziate le analisi chimiche dell acqua di vegetazione in entrata, e le analisi delle acque in uscita con i diversi dosaggi di batteri,(2gr/mc 3gr/mc) infine, si registrano le percentuali di abbattimento degli inquinanti. Parametri chimici analizzati Acqua di vegetazione in entrata mg/l Uscita acqua di vegetazione 1 prova Dosaggio (2gr/mc di batteri) mg/l Abbattimento % Uscita acqua di vegetazione 2 prova Dosaggio (3gr/mc di batteri) mg/l Abbattimento % ph 5, ,90 - Colore Verdastro Marrone scuro - Marrone - odore Rancido Olivastro - olivastro - SST 1700 COD % % BOD % % Cloruri Fenoli 68 56,6 16, % Ammoniaca % % Materiali Assenti Assenti - assenti - grossolani Floruri % % Le analisi sono state eseguite secondo le metodiche ufficiali: COD : richiesta chimica di ossigeno metodo APAT IRSA CNR 29/2003 n 5130 Fenoli: metodo APAT IRSA CNR 29/2003 n 5070 (HPLC con estrazione preliminare liquido solido SPE).La metodica completa è visibile nell allegato 1. 9

11 5. Prova ulteriore per osservare l abbattimento dei fenoli Per vedere il reale abbattimento dei batteri sui fenoli si sono quindi effettuate delle ulteriori prove utilizzando acqua di fonte a cui sono stati aggiunti fenoli fino ad una concentrazione finale di circa mg/l. La prova è stata eseguita utilizzando lo stesso impianto pilota e le stesse modalità delle prove precedenti pero utilizzando concentrazioni batteriche diverse ed esattamente 3 gr/mc di soluzione per una prova e 10 gr/mc per la l altra. Le analisi effettuate all inizio dell esperimento evidenziavano un contenuto di fenoli pari a 77,0 mg/l con un inoculo iniziale di 80 ml/mc ed un dosaggio di mantenimento di 3gr/mc; a fine trattamento il contenuto dei fenoli è pari a 62,0 mg/l con un abbattimento di circa il 20,0%. Mentre, mantenendo lo stesso inoculo iniziale di 80 ml/mc, ma con 10gr/mc di mantenimento giornaliero di batteri, il contenuto di fenoli ottenuto è pari a 60,0 mg/l con un abbattimento di circa il 22.5%. 10

12 6. Conclusioni Le prove condotte in condizioni aerobiche hanno mostrato che i microrganismi utilizzati sono capaci di degradare i Fluoruri ( circa 85%) e abbattere del 90 % il COD e il BOD migliorando l odore ed il colore delle acque. Il ceppo PSBIO, inoltre, è riuscito a degradare i composti fenolici anche se solo del 22,5%, ma ciò potrebbe essere dovuto al tipo di refluo trattato ed ai dosaggi utilizzati. Infatti queste acque, pur non contenendo sostanze tossiche, sono considerate acque reflue con un tasso inquinante fra i più elevati nell'ambito dell'industria agroalimentare. Inoltre la massiccia presenza di cloruro di sodio (NaCl) e fenoli, (C 6 H 5 OH), prodotti notoriamente antibatterici, condizionano in maniera significativa la vita dei microrganismi. Pertanto il ceppo batterico PSBIO utilizzato nello studio descritto possiede un elevata resistenza a sostanze stressogene e quindi risulta particolarmente adatto ed efficace per il trattamento di acque reflue in condizioni estreme per il metabolismo batterico. 11

13 INDICE Cap 1: Abbattimento dei fenoli mediante batteri foto sintetici PSBIO Paragrafo 1.1: Problemi ambientali derivanti dalle acque reflue Paragrafo 1.2: Industria olearia Paragrafo 1.3: depurazione delle acque di vegetazione Paragrafo 1.4: Composti fenolici Cap 2: Materiali e metodi Cap 3: Lavoro sperimentale -Procedure operative eseguite Cap 4 : Risultati ottenuti Cap 5: Prova ulteriore per osservare l abbattimento dei fenoli Cap 6 : Conclusioni 12

14 ALLEGATO 1: Metodica ufficiale utilizzata per la determinazione dei fenoli. 13

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