Il processo Anammox di rimozione dell’azoto

1. Il processo Anammox di rimozione dell’azoto

2. Il ciclobiogeochimicodell’azoto

3. Accumulo di azoto

4. La via autotrofa di rimozionedell’azoto N2 Batteri Azoto fissatori Azoto in atmosfera Batteri Denitrificanti NH4+ NO3- ANAMMOX Nitrati Ammonio usato dalle piante ed animali e rilasciato per decomposizione Batteri Nitritossidanti Batteri Ammoniossidanti NO2- Nitriti

5. processo ANAMMOX (ANaerbicAMMoniumOxidation) Ipotizzato negli anni ‘70 sulla base di calcoli chimici e termodinamici(1; 2) NH4+ + NO2- → N2 + 2H2O ΔG’0 = -358 kJ/mol Osservato e studiato negli anni ‘90 sulla base di bilanci di massa di reattori anaerobici e bed-filter (Delft, the Netherlands) (3; 4) • Richards, F.A. (1965) in Chemical Oceanography (Riley, J.P. and Skirrow, G., eds.), pp. 611–645, Academic Press, London • Broda E. (1977) Two kinds of lithotrophs missing from nature. Z Allg. Mikrobiol 17, 491-493. • van de Graaf AA, Mulder A, Slijkhuis H, Robertson LA, Kuenen JG. (1990) Anoxic ammonium oxidation. In: Proc 5th European Congress on Biotechnology 388-391. • Mulder A., van de Graaf A.A., Robertson L.A., Kuenen J.G. Anaerobic ammonium oxidation discovered in a denitrifying fluidized bed reactor. FEMS Microbiol Ecology 1995; 16: 177-184

6. La reazione è catalizzata da microrganismiPlanctomycetesaltamentespecializzati metabolismoautotrofico e condizionianossiche Il processoanammox è molto diffuso in ambientimarinie fluviali 35-50%dellaconversionetotaledell’Azoto è dovuta al processo

7. I Planctomicetisonocaratterizzatidacompartimenti sub-cellulariseprataidaspecifichemembrane (Anammoxosome) La membranaAnammoxosome è compostadaladderani, usati per identificareimicrorganismianammox Anammoxosome Membrana Anammoxosome PareteCellulare

8. La via autotrofa di rimozionedell’azoto Processo convenzionale di Nitrificazione - Denitrificazione 1.5 O2 COD 0.5 O2 NO3- NH4+ NO3- NO2- N2 BIOMASSA AUTOTROFA BIOMASSA ETEROTROFA Processo combinato Nitrificazione Parziale - Anammox 0.75 O2 50% NH4+ NH4+ N2 NH4+ NO2- 50% NO2- NO3- BIOMASSA AUTOTROFA BIOMASSA AUTOTROFA

9. La via autotrofa di rimozionedell’azoto • Processo autotrofo anaerobico; • Conversione di ammonio (NH4+) e nitrito (NO2-) ad azoto molecolare (N2); • “Scorciatoia” nel naturale ciclo dell’azoto; • Ideale per il trattamento di reflui con un basso rapporto COD/N; • Valida alternativa al tradizionale processo di nitrificazione e denitrificazione. Denitrificazione Fissazione N2 COD ANAMMOX NO3- NH4+ O2 O2 NO2- Nitrificazione • Reazione Anammox: • NH4+ + 1.3 NO2- + 0.066 HCO3- + 0.15 H+ 1 N2 + 0.3 NO3- + 0.066 CH2O0.5N0.15 + 2 H2O

10. Svantaggi filiera tradizionale • alta richiesta di ossigeno • alti consumi energetici • necessità di fonti esterne di carbonio organico • ridotti rendimenti a basse temperature • frequenti inefficienze nel rispetto dei limiti normativi • scarse possibilità di up-grading

11. Nitritazione parziale processo anammox ANAMMOX DENITRIFICAZIONE convenzionale batteri autotrofi batteri eterotrofi carbonio INORGANICO carbonio ORGANICO condizioni anaerobiche condizioni anossiche nitrito accettore di e- nitrato accettore di e-

12. Vantaggi processo Anammox Processo innovativo Soluzione tecnologica per il trattamento di reflui con “sbilanciamento” dei nutrienti – basso COD/N • Flussi concentrati • surnatante digestione anaerobica • percolato di discarica • reflui da allevamento ≥ 20% carico di AZOTO impianti di trattamento

13. Rateo di crescita Massimo rateo di crescita (µmax,An) @35°C Batteri denitrificanti eterotrofi µmax,H: 0.3-0.9 d-1 t2: 0.7-2.3 d

14. Fenomeni di inibizione • Nitrito (substrato) • ossigeno disciolto • fosforo • alta salinità • composti organici (metanolo, etanolo) • solfuri • antibiotici … 14

15. Diffusionedellatecnologia • SOLUZIONI OGGI DISPONIBILI IN PIENA SCALA • Fango “flocculante” - SBR (Svizzera, EAWAG) • Fiocchi e Granuli (Austria, Bernard Wett) • Biomassaadesa in sospensione (VariPaesiAnox-Kaldness; AnitaMOX, Veolia; DeAmmonPurac) • Granuli (Olanda/Cina, Paques). • CIRCA 50 APPLICAZIONI IN PIENA SCALA NEL MONDO

16. Diffusionedellatecnologia IMPIANTI PAQUES

17. Caso di studio (1): S.Colombano (Firenze) • 400,000 A.E. • basso bCOD/N ~ 3.6 nell’influente • nitrificazione/denitrificazione “convenzionale” • 50% di capacità residua del comparto anaerobico • 10-20% del carico di Azoto dovuto al surnatante anaerobico

18. San Colombano - Materiali e Metodi 1/4 Il surnatante anaerobico • 600 m3/d • campionamenti settimanali • rimozione solidi grossolani con setaccio • stoccaggio a temperatura ambiente Pre-trattamento: Rimozione fosforo con precipitazione di struvite

19. San Colombano - Materiali e Metodi 3/4 Nitrificazione Parziale MBBR Moving Bed Biological Reactor CONDIZIONI OPERATIVE • biofilm • Kaldnes KTM1 carriers • inoculato con fanghi attivi di S. Colombano • no controllo di pH • aerazione continua (2–3 mgO2/L) • Temperatura: 29°C • in funzione per 592 days • breve start up • processo stabile

20. S. Colombano - Materiali e Metodi 4/4 Processo ANAMMOX SBR Sequencing Batch Reactor CONDIZIONI OPERATIVE • in funzione per 774 giorni • 5 fasi operative • V: 25-40 L • no estrazione solidi (eccetto per prove batch) • controllo manuale pH (7.5-8.2) • Temperatura: 35°C • condizioni anaerobiche • condizioni nitrito-limitanti (0.2 mgNO2--N/L in media)

21. Proposta scala reale: il progetto CONAN CONAN: Controllo Nutrienti ArNo Rifiuti Organici BIOGAS (Cogenerazione) CODIGESTIONE ANAEROBICA Mg 90% N 2+ Percolato di discarica 2 Rimozione Fosforo Nitrificazione parziale Disidratazione ANAMMOX NH + - N 50% NH + - N 4 4 PO3- P - 50% NO - N 4 2 )) Struvite (P, NH 4 Smaltimento Fango di supero Impianto trattamento 10% NO - - N 3