Rimozione biologica del fosforo in reattore discontinuo del tipo sequencing batch reactor

Lo scopo della ricerca è stato lo studio delle dinamiche del processo di rimozione biologica del fosforo (EBPR) in un impianto in discontinuo del tipo Sequecing Batch Reactor (SBR) per la rimozione dei nutrienti e in particolare di indagare i maggiori fattori coinvolti nell'instabilità del processo. La rimozione biologica del fosforo è un processo promettente ma non ancora del tutto compreso. Infatti sebbene i diversi modelli proposti ne spieghino molti aspetti biochimici, attualmente le condizioni che garantiscono la completa e sicura rimozione del fosforo non sono ancora del tutto note. Gli standards europei (italiani compresi) impongono limiti stringenti per i valori degli scarichi delle acque reflue. La stabilità del processo è perciò un fattore chiave per l'applicazione in scala reale. La ricerca è stata condotta in un impianto pilota SBR da 3 m3 alimentato con refluo urbano (prelevato da un impianto urbano di depurazione) addizionato con carbonio facilmente biodegradabile (acetato di sodio) e nutrienti (P e N) o con refluo sintetico al fine di verificare le risposte del sistema in differenti condizioni operative. Sono state utilizzate alte concentrazioni di fosforo in ingresso al fine di verificare l'applicabilità del processo biologico di rimozione del fosforo anche ai reflui industriali. La ricerca condotta sull'impianto pilota SBR è stata integrata con il monitoraggio di due piccoli impianti in scala da laboratorio (1.5 L) alimentati con refluo sintetico per verificare le particolari condizioni che possono presentarsi in impianti in scala di laboratorio alimentati con soluzioni ricche di acetato in grado di indurre la precipitazione del fosforo. Lo studio è stato condotto attraverso l'analisi di routine dei maggiori parametri chimici, il monitoraggio di numerosi cicli e l'effettuazione di numerosi test batch. Una particolare attenzione è stata rivolta al ruolo dei cationi correlati con il fosforo nel processo EBPR(K,Mg e Ca). I primi risultati hanno dimostrato che basse concentrazioni di K nel refluo influente possono essere un fattore che influenza negativamente la resa del processo e che l'aggiunta di una sufficiente quantità di tale catione permette il ristabilirsi delle capacità di rimozione, ma che tale fattore è comunque una condizione necessaria ma non sufficiente per assicurare la stabilità. Successivamente, con un prolungato monitoraggio del fosforo e dei cationi ad esso associati, è stata verificata una stretta correlazione tra il comportamento del fosforo, del potassio e del magnesio sia in fase solida che in fase liquida. Sfruttando poi la caratteristica del potassio di non formare composti poco solubili con gli anioni normalmente presenti nelle acque di scarico, è stato possibile utilizzare tale catione come "tracciante" dell'attività EBPR, anche in presenza di eventi di rimozione chimico-fisica del fosforo. Per quanto riguarda il calcio, il suo comportamento sembra da potersi mettere in relazione con i fattori pH e temperatura, che possono indurre la precipitazione di composti P-Ca. E' stata formulata inoltre un'ipotesi sul ruolo dello strippaggio della CO2 e della ossidazione respiratoria degli acidi organici come fattori che condizionano l'andamento del pH in reattori SBR. Infine lo studio dei parametri di processo (HRT, SRT, lunghezza delle fasi aerobica e anaerobica, OD), dei parametri cinetici e biologici (concentrazione di P nel fango e velocità di rilascio e Up- Take del fosforo) e l'utilizzo di un semplice modello di simulazione ha reso possibile l'interpretazione del comportamento dell'impianto SBR durante il lungo periodo di sperimentazione e di suggerire alcuni accorgimenti gestionali per mantenere più stabile possibile il processo stesso. Le variabili coinvolte nei meccanismi di rimozione biologica del fosforo sembrano talmente numerose che appare prudente, per una applicazione del processo biologico su scala reale, che ad esso sia abbinato un processo chimico di rimozione che attualmente offre maggiori garanzie di affidabilità e sicurezza. The aim of the doctorate research was to study the dynamics of the enhanced phosphate removal process (EBPR) in Sequencing Batch Reactor (SBR) nutrient removal plants, with particular care to investigate possible factors involved in the unsteadiness of process. EBPR is a promising but not yet completely well understood process. In fact, although proposed models can explain several biochemical aspects, at present time the conditions that warrant a completely and sure BPR are not completely known. European standards (and Italian ones) impose narrowest limits for wastewater treatment effluent values. Process stability is a key factor for a full scale BPR application. The research was carried out in a 3 m3 SBR pilot plant fed with domestic waste waters (incoming from a municipal plant) added with ready biodegradable COD (sodium acetate) and nutrients (ammonium phosphate and urea) or with synthetic waste water to verify the system response in different influents operative conditions and simulate high P influent concentrations to valuate the applicability of EBPR to industrial waste water too. For a period the research in 3 m3 SBR was integrated with two 1.5 L bench scale plants fed with synthetic waste water to investigate if the particular conditions if particular conditions which can occur in bench scale plant when fed with rich acetate solution to promote enhanced biological phosphorus are able to induce a chemical precipitation of phosphate. The study was carry out with routine analysis of main chemical parameters, monitoring of several cycles and performing various batch tests. Special care was set on the role of P-PO4 related cations in EBPR process (K, Mg, and Ca). First results revealed that a low K influent concentrations can be a factor that influenced negatively the P removal performances in a BPR sequencing batch reactor plant while an addition of sufficient amount of this cation allows the P removal capacity to restore, but this is a necessary but not sufficient condition to assure process stability. Successively with an extensive monitoring activity on P and related cations it was able verified a lose correlation between P and Mg and between P and K behaviour in soluble and solid phase too. Moreover potassium (due its property of to not form insoluble compound with the anions usually present in wastewater) can be used as "tracer" of EBPR activity also in presence of physical/chemical P removal events. What concerning Ca its behavior seems related to pH and temperature factors and it can be involved in chemical precipitation also of P-Ca compounds. It was formulated some hypothesis on the role of CO2 stripping and respiratory oxidation of organic acid as governing the pH trend in SBR Finally with the study of process parameters (as HRT, SRT, length of anaerobic and aerobic phases D.O.) and biological kinetics parameters (as P sludge, release and P up-take rate) integrated with a simple simulation model it was possible to value the performance of SBR pilot plant for the long run periods and to suggest some operative proposal to achieve a more stable EBPR process. Moreover the lots of variables involved in EBPR process suggest that in occurrence of an high P concentration influent, an full scale biological P removal process application has to be coupled with chemical process to achieve more guaranties of respect of effluent limits concentrations.