Nella depurazione aerobica delle acque di
scarico, se il processo non è adeguatamente dimensionato e il trattamento non è
ottimale, si hanno rilasci di nutrienti nell'ambiente, come azoto, fosforo e sostanze
organiche, con danni alla qualità dei corpi ricettori superficiali.
Un efficace sistema
biologico di rimozione dei nutrienti (BNR - Biological Nutrient Removal), che consiste
nell’utilizzo di un trattamento a fanghi attivi, costituiti
da una popolazione di microrganismi naturali, può migliorare la qualità degli scarichi e
salvaguardare l'ambiente.
In questo processo, l’ossigeno
è il componente fondamentale per garantire la vita e l'attività della microflora
batterica; conseguentemente, il controllo della concentrazione dell'O2
disciolto è di primaria importanza al fine di garantire l'efficacia della depurazione.
Detta concentrazione deve essere pertanto continuamente monitorata, nelle vasche in cui
avviene il trattamento e nelle varie fasi dello stesso.
E' infatti indispensabile che siano
completamente sincronizzate le fasi di ossidazione - anossiche e anaerobiche - per
assicurare l'eliminazione dell' azoto e del fosforo dalle acque di scarico, nonché la
completa digestione delle sostanze organiche.
Nel primo step del processo
biologico di riduzione dei nutrienti, più conosciuto come fase di ossidazione aerobica,
si insuffla ossigeno nel sistema di trattamento dell'aria per ossidare i componenti
organici e i composti dell' azoto (ammoniaca e nitiriti), che vengono trasformati in
nitrati. In questa fase la microflora nitrificante è in grado di assorbire i composti del
fosforo; in quella successiva (anossica), di denitrificazione, si interrompe
l'insufflaggio dell'aria e, a causa della mancanza di ossigeno libero, i batteri
utilizzano l'O2 presente nella molecola dei nitrati per la loro respirazione.
Ciò fa sì che si generi azoto gassoso, facilmente eliminato dal reattore in forma di
gas.
La fase finale, anaerobica, inizia
quando l'ossigeno dei nitrati è completamente consumato e quindi i batteri, a causa della
mancanza di ossigeno, sono sotto stress e rilasciano i fosfati che hanno incorporato
durante il trattamento.
Il controllo dell'ossigeno
disciolto
Tale monitoraggio, continuo e da
effettuare direttamente nelle vasche di trattamento è fondamentale per l'ottimizzazione
del processo di rimozione biologica dei nutrienti, in quanto il livello di concentrazione
dell'ossigeno disciolto deve essere mantenuto stabile per ottenere la massima efficienza
del trattamento stesso.
Inoltre, grazie al controllo
continuo della concentrazione, si ingenerano anche benefici indiretti, quali la riduzione
del consumo di energia elettrica dalle soffianti utilizzate per l'aerazione, se
controllate opportunamente. Ciò induce quindi risparmi economici nella gestione
dell'impianto. Normalmente si considera che circa il 70% del costo di gestione di un
trattamento aerobico delle acque di scarico dipende dal consumo di energia elettrica usata
per l'insufflazione dell'ossigeno. Nel corso degli anni, si è rilevato che il controllo
automatico del livello di aerazione, realizzato grazie al monitoraggio continuo della
concentrazione dell'O2 disciolto, consente di ottenere risparmi anche del 30 %.
Se poi si aggiunge anche il
controllo della concentrazione delle sostanze organiche, dei nitrati, dell'ammoniaca e
degli ortofosfati, l'ottimizzazione è garantita con i massimi risparmi economici
possibili.
Come effettuare l'analisi
Negli ultimi decenni l'unica
tecnologia utilizzata per la determinazione dell'ossigeno disciolto nelle acque, è stata
quella con sensori galvanici o polarografici, denominati celle di Clark, o "sensori
elettrochimici" e che consistono in un unico sensore contenente al suo interno una
cella con un anodo e un catodo, immersi in un elettrolita e isolati dall'ambiente ove
avviene la misura tramite una membrana semi-impermeabile all'O2 disciolto.
A causa della
delicatezza della membrana e della facile contaminazione dell'elettrolita causata dalle
sostanze presenti nelle acque, tali sensori necessitano di una manutenzione molto
frequente, da effettuatre con precisione e accuratezza per garantirne l'efficienza.
Questa necessità ha sempre causato
un enorme consumo di tempo per la manutenzione, stress nel personale; inoltre, l'efficacia
del sistema di trattamento dipende in generale dal tempo dedicato alla manutenzione del
sistema e specialmente alle sonde per ossigeno. Grazie alle recenti tecnologie, tali
problemi sono stati superati dall'uso di sonde che consentono un’elevata efficienza
nel trattamento, consistenti risparmi energetici, minima manutenzione e quindi minor
impiego di personale.
Una delle tecniche utilizzate nei
moderni sensori per la determinazione dell'ossigeno disciolto è la fluorescenza, che - in
realtà - non è nuova, in quanto conosciuta e applicata in campo medicale da alcuni
decenni. Tuttavia, in questi ultimi 5 anni, essa è stata sviluppata e adattata per
l'impiego nei reattori biologici, e successivamente resa idonea per la misura nelle acque
di scarico e superficiali.
Uno dei motivi principali che ha
reso possibile il concepimento di sensori dedicati al trattamento delle acque di scarico,
è stata la necessità di poter disporre, nei sistemi di depurazione delle acque, di
sensori con una lunga durata nel tempo e di poter controllare efficacemente i costi di
gestione. In aggiunta, si è apprezzata la minima o inesistente manutenzione di cui questi
dispositivi necessitano.
I sensori a fluorescenza
I sensori sviluppati dalla
statunitense INSITE e distribuiti in Italia dalla Ast Analytica sono in grado di
soddisfare le esigenze di cui sopra e, a differenza della strumentazione che utilizza le
celle di Clark (polarografiche o galvaniche), non hanno alcun materiale di consumo.
Le celle a fluorescenza del
costruttore nordamericano hanno una vita media di circa 10 anni, ipotizzata dai vari
esperimenti effettuati allo scopo di prevedere la loro durata e consumo nel tempo. In
più, non necessitano di alcuna parte di ricambio, di nessun kit da sostituire, di nessuna
membrana, film o cartucce.
I sensori a fluorescenza funzionano (figure 1 e 2)
secondo principi consolidati: emettono internamente una lunghezza d'onda energetica
specifica (475 nm) che viene trasmessa a un composto del rutenio immobilizzato su una
matrice, cosituita da un gel. Il rutenio, che è un metallo similare a quelli del gruppo
del platino viene utilizzato in lega per ottenere contatti elettrici che consentono una
resistenza elevata.
Tale metallo assorbe l'energia
prodotta dall'eccitazione degli elettroni nel complesso del rutenio stesso, che quindi
collassano al loro stato originale di energia, emettendo energia luminosa a una lunghezza
d'onda di circa 600 nm.
Questo, in buona sostanza è il
principio della fluorescenza.
Se l'intensità
della lunghezza d'onda emessa è strettamente controllata, la quantità di fluorescenza è
predeterminata esattamente e quindi facilmente prevedibile e ripetibile. Se sono presenti
molecole di ossigeno, la quantità suddetta viene ridotta, sulla base di un fenomeno
denominato "estinzione della fluorescenza". Misurando l'estinzione è possibile
conoscere la concentrazione dell'ossigeno disciolto nell'acqua che è a contatto con
l'elemento sensibile di misura. La tecnologia di misura della fluorescenza utilizzata dai
sensori Insite è molto diversa da quella chiamata chemi-luminescenza e utilizzata
a volte per la stessa determinazione analitica. La
fluorescenza, infatti, è la misura della reazione immediata di un materiale in risposta a
una eccitazione causata da un emettitore di energia, mentre la chemi-luminescenza è la
misura del tempo che il materiale sensibile necessita, dopo essere stato eccitato, a
ritornatre allo stato iniziale al termine dell'eccitazione. Questo metodo è impiegato in
alcuni sensori per ossigeno disciolto, ma è diverso dalla fluorescenza e non deve essere
confuso con esso.
I sistemi a chemiluminescenza hanno
sempre bisogno di sostituzione nel tempo della testa dell'elettrodo, in dipendenza delle
caratteristiche dell'acqua in cui sono immersi.
Benefici
Il vantaggio di non avere parti di
consumo, da sostituire o pulire, non solo elimina la necessità di effettuare interventi
di manutenzione, ma riduce notevolmente l’obbligo di effettuare calibrazioni.
Infatti i tradizionali sensori per
ossigeno con elettrodi di Clark abbisognano di una continua rieffettuazione della
calibrazione a ogni sostituzione onde compensare gli effetti dei cambiamenti nella
geometria dela membrana nei confronti del catodo e le variazioni degli effetti
elettrochimici. Queste necessità non sono presenti nei sensori del costruttore
statunitense. Inoltre, grazie all’affidabilità dell'elettronica interna del sistema,
la deriva media sperimentata dai sensori è < 1 % annuo e, pertanto, è soltanto
richiesta una semplice calibrazione annuale.
A differenza dei sensori con
membrana, quelli a fluorescenza non hanno bisogno di speciali accorgimenti per l'utilizzo,
trasporto e stoccaggio. Anche se diventano completamente asciutti, non risentono di alcuna
diminuzione nella precisione, riproducibilità, tempo di risposta o calibrazione.
Il rutenio non è soggetto a
deterioramenti a causa della luce del sole come i sensori a chemi-luminescenza che
subiscono danneggiamenti e forti riduzioni nella sensibilità di rilevazione anche dopo un
tempo di esposizione di un'ora alla luce solare diretta o indiretta.
I sensori a fluorescenza non hanno
quindi cause di deterioramento durante il normale utilizzo e le normali operazioni di
pulizia. Nel caso in cui, a causa della presenza di sostanze abrasive, la superfice ottica
di misura sia danneggiata nel tempo, può essere facilmete sostituita.
Tutti i sensori sono intercambiabili e non specifici per un determinato
strumento, il che ne facilita sensibilmente la gestione negli impianti di trattamento. La
strumentazione on line proposta può gestire una sola sonda (modello 1000) (figura 3)
oppure due sonde, (mod. 2000) (figura 4) di O2 disciolto e quindi con un solo
strumento si possono effettuare due determinazioni. Inoltre, sussiste la possibilità di
abbinare a una sonda per ossigeno un’altra per la misura dei solidi in sospensione,
con la conseguente possibilità di avere informazioni complete sulla dinamica del
trattamento per la gestione del depuratore.
(articolo pubblicato sulla rivista ACQUA&ARIA Aprile
2004)
