Elementi della tavola periodica: Azoto, N.

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Mauro Icardi

Azoto: simbolo chimico N, numero atomico 7, peso atomico 14,007.  Un gas senza colore, né odore. Appartenente alla serie dei non metalli. Tra tutti gli elementi del quinto gruppo, l’unico che si trova libero (allo stato biatomico) in natura. Capace di formare legami doppi e tripli. L’80% del volume totale dell’atmosfera è occupato da questo elemento. L’aria quindi è la principale fonte di azoto della terra.

In natura esso si presenta in forme diverse, più o meno disponibili per gli organismi viventi.  E’ sempre stato al centro degli approfondimenti nel lavoro che svolgo. Si può ritenere il propagatore degli eterni dilemmi della chimica. Se da tempo ci si interroga sulla chimica, se essa sia portatrice di benefici, oppure la responsabile di ogni nefandezza, a partire dall’ottimo libro di Luciano Caglioti “I due volti della chimica: Benefici o rischi?”, allo stesso modo ci si può porre la domanda per l’azoto: amico o nemico?

Ovviamente le attività dell’uomo hanno prodotto, in particolare negli ultimi tre secoli, un certo cambiamento nella composizione dell’aria sia in termini di concentrazione delle specie già presenti, sia in termini di rilascio di “nuovi” composti. Nel caso dei composti dell’azoto è necessario aggiungere al N2 e NO anche il biossido di azoto (NO2), l’ammoniaca (NH3), gli acidi nitrico (HNO3) e nitroso (HNO2).

L’azoto venne scoperto nel 1772 da Daniel Rutherford, e contemporaneamente anche da Henry Cavendish in Inghilterra e da Carl W. Scheele in Svezia. Fu Lavoisier a dimostrare che si trattava di un elemento chimico. La presenza di ben tre legami covalenti impartisce alla molecola biatomica dell’azoto un’elevata stabilità. Per questa ragione, viene ampiamente utilizzato come gas inerte a livello industriale. L’azoto liquido è usato come refrigerante per il congelamento tramite immersione, per il trasporto dei prodotti alimentari, per l’immagazzinamento stabile dei campioni biologici.

L’azoto è anche componente delle proteine e degli acidi nucleici.
La proverbiale inerzia chimica dell’azoto molecolare, però, complica notevolmente la sua fissazione e quindi il suo impiego da parte degli organismi viventi come fonte di azoto indispensabile nella sintesi degli amminoacidi e delle proteine.

A questo punto vediamo di focalizzare l’attenzione sul ciclo dell’azoto.

Osservando questa immagine si nota una fitta trama di interconnessioni. Diversi sono anche i compartimenti dove le reazioni che rimettono in circolo l’azoto, tramutandolo da una forma all’altra, avvengono: il suolo, le piante, ma anche le stesse proteine e gli amminoacidi, costituenti degli organismi.

E’ possibile raggruppare l’insieme dei processi che determinano il ciclo dell’azoto in 3 gruppi di reazioni:

  1. Le reazioni di azotofissazione
  2. Le reazioni di ammonificazione
  3. Le reazioni di nitrificazione/denitrificazione

L’azotofissazione consiste in una serie di reazioni, che possono avvenire sia per via biologica che chimica, attraverso le quali viene attivata la conversione dell’azoto molecolare ad azoto organico in modo da renderlo disponibile per il metabolismo delle piante. Le leguminose sono piante che possiedono nelle proprie radici batteri azoto fissatori, in grado di arricchire il suolo di sostanze nutritive azotate. La fissazione biologica è mediata da microrganismi come l’Azobacter e il Rhizobium, ed è resa possibile da un enzima, la nitrogenasi, che catalizza la reazione che produce la rottura del triplo legame covalente stabile presente nella molecola di azoto. Una stima quantitativa è riportata nella figura seguente dal lavoro di Fowler e coll. citato in fondo:

Nelle reazioni di ammonificazione si parte da composti organici complessi contenenti azoto. Le sostanze azotate, già derivate da processi di decomposizione della sostanza organica, vengono ulteriormente demolite in sostanze più semplici grazie all’azione di organismi presenti nei suoli, come funghi e batteri, che le utilizzano per fabbricare le proprie molecole essenziali (proteine e amminoacidi). La restante parte di azoto in eccesso viene liberata sotto forma di ioni ammonio  o di ammoniaca.

Nelle reazioni di nitrificazione si ha l’ossidazione dello ione ammonio. Questo processo è a carico di alcune specie di batteri che ne traggono energia per le loro attività metaboliche.

Questo processo particolarmente attivo nei suoli caldi e umidi caratterizzati da valori di pH vicino a 7, si svolge attraverso due reazioni ossidative: la nitrosazione e la nitrificazione. La prima consiste nell’ossidazione dell’ammonio a nitrito ed è mediata da microrganismi come i Nitrosomonas:

NH4+ + 3/2 O2 → 2H+ + NO2 + H2O

La seconda reazione di ossidazione porta alla formazione dei nitrati mediata dai Nitrobacter:

NO2 + 1/2 O2 → NO3

In questo modo l’azoto rientra in circolo nella rete alimentare, considerato che il nitrato è la specie chimica attraverso la quale la maggior parte dell’azoto viene assimilata dalle piante attraverso le radici.

In ultimo con la denitrificazione i nitrati vengono scissi in seguito alle attività di alcuni batteri che vivono nel terreno (es Pseudomonas). Questi batteri scindono i nitrati liberando l’azoto che torna all’atmosfera. La denitrificazione avviene soprattutto in terreni saturi d’acqua con poca disponibilità di ossigeno e in presenza di materia organica decomponibile.

Da notare come le reazioni di nitrosazione, nitrificazione e denitrificazione siano quelle usate anche nei processi di trattamento biologico delle acque reflue.

Dopo la scoperta e l’industrializzazione del processo Haber-Bosch per la sintesi dell’ammoniaca, utilizzando come fonte di azoto l’aria atmosferica, il ciclo stesso nel tempo è risultato alterato.

La produzione mondiale di fertilizzanti azotati è cresciuta ,e si è verificato l’accumulo di forme reattive di azoto nella biosfera. Gli inconvenienti principali sono stati quelli dell’eutrofizzazione, del rilascio di tossine algali, e la perdita di biodiversità. I processi produttivi umani convertono all’incirca 120 milioni di tonnellate/anno di azoto in forme più reattive. E’ intuitivo capire che il problema dello sbilanciamento del ciclo dell’azoto non è di facile soluzione. Nell’articolo “A safe operating space for humanity” uscito nel Settembre 2009 su “Nature”, Johan Rockstrom ed i suoi collaboratori hanno proposto la riduzione di questo prelievo di azoto riducendolo a 35 milioni di tonnellate/anno.

Per lavorare in questa direzione occorrono più fondi per la ricerca , e come sempre un’informazione precisa, per rendere l’opinione pubblica più informata e attenta. E allo stesso tempo dobbiamo ricordarci che stime risalenti al 2008 ci ricordano che il 48% dell’umanità e stata sfamata grazie ai concimi prodotti dall’ammoniaca di sintesi. E che nel frattempo la produzione mondiale di fertilizzanti ha raggiunto attualmente i 190 milioni di tonnellate, di cui poco più di 110 milioni di azoto, 45 di fosforo e 35 di potassio. Sono le sfide che ci attendono nel futuro.

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3682748/

Fowler D et al. 2013 The global nitrogen cycle in the twenty-first century. Phil Trans R Soc B 368: 20130164. http://dx.doi.org/10.1098/rstb.2013.0164

Un contributo a Discussion Meeting Issue ‘The global nitrogen cycle in the twenty-first century’.

Gli elementi della tavola periodica: Arsenico, As.

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Mauro Icardi

L’arsenico è un semimetallo. La parola Arsenico deriva dal termine persiano “Zarnik” ossia “ornamento giallo”. In seguito in greco antico il termine venne mutato in “Arsenicon”. Elemento n° 33 della tavola periodica; esiste in tre forme allotropiche: giallo, nero e grigio; la forma stabile è un solido cristallino grigio-argento, fragile, che si appanna velocemente in aria e ad alte temperature brucia per formare una nube bianca di triossido di arsenico. La forma cristallina gialla e una forma amorfa nera sono inoltre conosciute. Si può trovare in minerali quali l’arsenopirite (FeAsS), il solfuro giallo AS3S,l’ossido di arsenico o arsenolite (As2O3).

(Arsenopirite)

Non è estratto come tale perché deriva dalla raffinazione dei minerali di altri metalli, come rame e piombo. La produzione mondiale di arsenico, sotto forma del relativo ossido, è intorno a 50.000 tonnellate all’anno. La Cina è il paese esportatore principale, seguito da Cile e Messico.
E’ un elemento conosciuto ed usato fin dai tempi degli antichi romani. Gli assassini a quel tempo erano soliti utilizzarlo spalmato sui fichi, per compiere i loro delitti, in quanto i suoi composti sono praticamente insapori. E probabilmente a quel momento si può far risalire la cattiva reputazione di cui gode ancora oggi. In realtà l’uso come veleno, che ebbe il suo massimo favore nel Medio Evo, perse di importanza con l’evoluzione delle tecniche analitiche atte a determinarlo anche in tracce. Ma nonostante tutto è ricordato nella commedia, e poi nel successivo film di Frank Capra “Arsenico e vecchi merletti”, come sinonimo stesso di veleno.Credo che nella memoria di molti sia rimasto anche il capitolo de “Il sistema periodico” di Primo Levi, dove si racconta di come un giovane arrogante e sleale, non trovi di meglio che contaminare, proprio con l’arsenico, mezzo chilo di zucchero che regala ad un suo diretto concorrente. Il concorrente in questione è un altro ciabattino, onesto e signorile. Costui, insospettito dall’inaspettato regalo visto la rivalità che li divide, si recherà al laboratorio da poco aperto da Levi in società con l’amico Alberto Salmoni per farlo analizzare. Le suggestioni letterarie e storiche dell’Arsenico non sono finite, e lo stesso Levi lo ricorda, appena ha lo ha identificato come il contaminante dello zucchero: “ Ecco il precipitato giallo di solfuro, e l’anidride arseniosa, l’arsenico insomma, il Mascolino, quello di Mitridate e di Madame Bovary”.

Emma Bovary, protagonista del romanzo di Gustave Flaubert si suiciderà proprio ingoiando arsenico.

Mascolino invece ci rimanda all’etimologia derivante dal greco dove “Arsen” cioè maschio si riferirebbe alle proprietà ed alla potenza farmacologica di questo elemento. L’arsenico ed i suoi composti nel passato hanno avuto grande importanza in campo medico come farmaci. Composti organici dell’arsenico venivano impiegati per curare la sifilide e la tripanosomiasi, ma l’interesse delle terapie arsenicali è considerevolmente diminuito con l’avvento degli antibiotici. Anche in Italia si è utilizzata come curativa l’acqua arsenicale della valle anzasca.

https://ilblogdellasci.wordpress.com/2015/01/09/la-sorgente-miracolosa-della-valle-anzasca/

L’arsenico è stato molto usato in passato come erbicida, insetticida, conservante del legno, rodenticida e antiparassitario zootecnico. L’arseniuro di gallio viene usato come alternativa al silicio nella realizzazione di circuiti integrati.

Oggi l’arsenico è stato classificato dalla IARC (Agenzia Internazionale per la ricerca sul Cancro) come elemento cancerogeno certo per l’uomo. Il comitato di esperti di Fao ed OMS ha proposto una dose di riferimento per l’assunzione di Arsenico fissando un valore pari a 3 microgrammi/kg per chilo di peso corporeo che può provocare un rischio supplementare rispetto al rischio standard dello 0,5% in più di contrarre tumore al polmone. Ne abbiamo parlato in questo articolo del nostro blog dedicato anche la caso Bangladesh e alle riduzioni dei limiti accettabli nelle acque potabili.Per quanto riguarda il settore idrico l’OMS (Organizzazione Mondiale della Sanità) consiglia una concentrazione massima di 10 microgrammi litro nell’acqua destinata al consumo umano. Sebbene l’arsenico si possa trovare nelle acque superficiali, le acque sotterranee sono la principale fonte di arsenico nell’acqua. È quindi normale riscontrarne la presenza in acque provenienti da fonti collocate in particolare nelle zone di maggiore concentrazione, come Lombardia, Alto Adige, Campania, Toscana e Lazio. Anche vulcani e microrganismi liberano nell’atmosfera grandi quantità di arsenico. Ciò su cui non sembra esserci un accordo è l’incidenza che l’attività umana esercita su questi valori (si veda la nota in fondo). Alcuni ritengono che essa sia irrilevante, soprattutto per quanto riguarda la contaminazione delle falde acquifere. Altri, considerando anche la già citata capacità dell’arsenico di muoversi attraverso gli elementi (aria, acqua, terra), ritengono che l’alterazione di alcuni sistemi naturali abbia ampliato il ciclo dell’arsenico, provocandone la dispersione anche laddove questo elemento non è mai stato presente.

Il ciclo globale dell’Arsenico è mostrato qui sotto :

Referenze o file da consultare:

https://www.inail.it/cs/internet/docs/quaderno-arsenico.pdf?section=attivita

https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=12&ved=2ahUKEwiuubWO_5ngAhXNyqQKHYIQDrkQFjALegQIBBAC&url=https%3A%2F%2Fwww.springer.com%2Fcda%2Fcontent%2Fdocument%2Fcda_downloaddocument%2F9783319543543-c1.pdf%3FSGWID%3D0-0-45-1608645-p180676916&usg=AOvVaw15riYwKo3RG5tskXfiKi73

In questo recentissimo articolo di H. Masuda Progress in Earth and Planetary Science (2018) 5:68 https://doi.org/10.1186/s40645-018-0224-3 scaricabile liberamente qui appresso

https://progearthplanetsci.springeropen.com/track/pdf/10.1186/s40645-018-0224-3

trovate una rappresentazione quantitativa del ciclo dell’arsenico che riporto qui sotto (tratta da Matschullat J (2000) Arsenic in geosphere – a review. Sci Total Environ 249:297–312 ) con analisi molto dettagliate:Come si vede, nonostante alcune incertezze,  anche in questo caso le cifre della produzione umana sono enormi anche se inferiori a quelle totali del ciclo naturale.

https://efsa.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.2903/j.efsa.2009.1351  (segnalato da Rosangela Marchelli)

Raccontino di Natale.

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Mauro Icardi

Questo breve articolo, vuole rendere conto di un episodio di pochi giorni fa. Io e la mia collega Valentina lavoriamo insieme da ormai quasi vent’anni. E nelle ore di lavoro parliamo di molte cose. E tra queste l’educazione e la crescita dei figli, le loro fatiche e i loro progressi scolastici sono tra gli argomenti principali. Martina, la sua primogenita, era tra il pubblico durante la mia conferenza di Ottobre a Milano. Il suo secondo figlio, Emanuele, o il piccolo tecnico come a me piace chiamarlo, è un simpatico bambino di otto anni, ma con una dote che apprezzo ed ho sempre ritenuto fondamentale. E’ spinto da una genuina voglia di conoscere, di capire le cose che avvengono intorno a lui. E da sempre è incuriosito e affascinato dal trattamento delle acque, e in particolare dai fanghi. E pone tante domande. Oltre a questo, io e lui condividiamo la passione per la bicicletta. E quest’anno Babbo Natale lo ha reso davvero felice.

In attesa di fare una bella sgambata insieme, io e lui abbiamo approfondito la conoscenza reciproca. Emanuele frequenta la terza elementare, e quando ho saputo che doveva nel compito di scienze fare esperimenti di base di chimica, qualcosa immediatamente mi ha risvegliato ricordi, sensazioni, ed una passione mai sopita, e mi sono offerto di dargli una mano. Doveva spiegare cosa fosse un gas, e doveva eseguire due semplici esperimenti per comprendere che cosa fosse una soluzione. Mescolare acqua e aceto, capire se dopo il mescolamento l’aceto si distinguesse ancora dall’acqua o no. Poi ancora un altro passo: sciogliere una bustina di zucchero in acqua. Pesare l’acqua sottraendo il valore della tara di una piccola beuta che avevo portato con me, poi sciogliere una bustina di zucchero che avevamo pesato precedentemente, e dopo averla sciolta completamente, pesare la soluzione di acqua e zucchero.

Le basi della chimica e della stechiometria. Confesso che la cosa mi ha molto divertito. L’osservavo con attenzione, e in più di una occasione mi sono trattenuto dall’usare termini non adatti per un bambino di quella età (mi venivano in mente ricordi degli anni di studio, volevo spiegargli cosa fosse il “corpo di fondo), poi mi sono frenato. Ma mi è piaciuto vedere il suo sorriso, quando gli ho fatto vedere come doveva impugnare correttamente la beuta, per sciogliere i granelli di zucchero, e mi sono complimentato per la sua ottima manualità. Infatti non ha rovesciato una sola goccia di soluzione, ed impugnava la beuta con una naturale abilità. Abbiamo osservato insieme alla luce, se lo zucchero si stava sciogliendo, chiacchierato delle differenze tra il mescolamento di due liquidi, e quello di un solido in un liquido, sotto l’occhio vigile di mamma Valentina.

Sono tornato bambino insieme a lui, ma il giorno dopo riparlandone con Valentina, non ho potuto fare a meno di esprimere il mio apprezzamento alla maestra di Emanuele, per queste iniziative. Sono decisamente stimolanti e formative. E a mio parere qualunque sarà il percorso scolastico del piccolo tecnico, ma da oggi potrò chiamarlo il piccolo chimico, credo che non le dimenticherà. Un futuro collega, visto l’interesse che ha per il risparmio idrico, e per il depuratore.

Piccola lezione sui fanghi di depurazione.4. I controlli (parte terza).

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Mauro Icardi

(I precedenti post di questa serie sono qui, qui e qui)

Terminata l’esposizione di controlli sul comparto di ossidazione, passiamo ai controlli del fango estratto come fango di supero (o di spurgo) dalla vasca di ossidazione. Normalmente il fango estratto viene inviato ad una sezione di ispessimento Dal punto di vista analitico si effettuano i medesimi controlli già visti per il fango della vasca di ossidazione (determinazione dei solidi sospesi totali e della sostanza volatile).

Prima di passare alla fase di disidratazione il fango deve subire un trattamento di stabilizzazione, per ridurne il contenuto di sostanza organica putrescibile, ridurne la carica batterica potenzialmente patogena, ed essere più facilmente sottoposto ai trattamenti di disidratazione. Sui piccoli impianti, generalmente con potenzialità inferiori ai 5000 A.E (abitanti equivalenti) gli impianti sono progettati con una sezione di digestione aerobica. Si tratta sostanzialmente di una vasca di ossidazione, dove il fango viene fortemente areato per tempi prestabiliti, senza ricevere apporto di acqua reflua. In questo caso il parametro fondamentale da controllare è la riduzione percentuale della sostanza organica volatile, che analogamente a quanto ritenuto soddisfacente per la digestione anaerobica non deve essere inferiore al 40%.

Lo svantaggio di questo tipo di tecnica è che non consente alcun recupero energetico, ed ha costi abbastanza elevati. Dati del 2002 indicavano un costo per abitante equivalent pari a 11,2 euro.

Il trattamento normalmente più usato per la gestione del fango è quello della digestione anaerobica. Nei sistemi anaerobici si sfrutta l’azione di microrganismi in grado di sopravvivere in assenza di ossigeno disciolto. Il processo di digestione anaerobica procede attraverso queste fasi:

Suddivisione delle molecole più grandi, come ad esempio:

carboidrati →zuccheri semplici

proteine →amminoacidi

grassi →glicerolo

Fermentazione acida, condotta da acido produttori, in cui i prodotti formatisi nella fase precedente sono trasformati in acidi grassi volatili (butirrico, propionico, acetico) ed in NH3, H2S, CO2(nel corso di tale fase il pH si porta fino a 5).

Tali acidi sono soggetti a degradazione da parte di batteri metanigeni, che utilizzano quale accettore di idrogeno unicamente il carbonio delle molecole organiche con formazione prevalente di CH4 e CO2.

Nella gestione degli impianti reali è necessario controllare che si stabilisca un equilibrio tra la fase acida e quella metanigena. È necessario, cioè, che la quantità di acidi volatili che si produce non superi la capacità di degradazione della massa batterica metanigena, che, essendo caratterizzata da una più ridotta velocità di degradazione, regola la velocità dell’intero processo.

La temperatura del processo anerobico è un fattore fondamentale (come per tutti i processi biologici).

Le temperature di esercizio di un processo di digestione anaerobica possono essere principalmente:

processo psicrofilo(4-25 °C; valori ottimali 15-20 °C);

processo mesofilo(10-40 °C; valori ottimali 30-35 °C);

processo termofilo(45-70 °C; valori ottimali 55-60 °C).

La possibilità effettiva di poter regolare la temperatura di esercizio è legata, nel caso specifico, alla disponibilità del biogas prodotto.

I controlli che si devono dunque effettuare su questa fase del processo sono diversi, e devono essere confrontati. Sul fango in digestione si deve verificare il valore della temperatura di processo, determinare ad intervalli di tempo prestabiliti il valore degli acidi volatili e dell’alcalinità, verificare la riduzione di sostanza organica percentuale. Tutti questi dati permettono di identificare le disfunzioni del processo, pianificare la necessità di interventi di manutenzione per esempio allo scambiatore di calore, che col tempo può diminuire l’efficienza a causa dei fenomeni di biofouling.

Vengono utilizzati poi per il controllo direttamente sull’impianto dei misuratori portatili di gas, che consentono di verificare la quantità percentuale di CH4 e di CO2 che sono i parametri principali che definiscono la qualità del biogas prodotto. Il terzo parametro importante da determinare è quello del valore di H2S per due principali ragioni: la prima è la tossicità del composto, la seconda è che, se il valore di questo parametro è elevato, occorre prevedere un processo di desolforazione del biogas, per impedire fenomeni di malfunzionamento e di corrosione e quindi di usura prematura delle parti metalliche. Un tipico esempio può essere quello della corrosione della caldaia di combustione del biogas prodotto, soprattutto negli impianti di costruzione più remota.

Dopo questa fase di trattamento, il fango viene inviato al trattamento di disidratazione.

(continua)

Nota: Per abitante equivalente si intende la quantità di sostanze organiche biodegradabili, derivate da un’utenza civile o assimilabile a questa, convogliate in fognatura nell’arco temporale di un giorno (24 ore) cui corrisponde una richiesta biochimica di ossigeno a 5 giorni (120 ore) pari a 60 grammi di O2 al giorno (D.Lgs. 152/06 art. 74-Definizioni)

Piccola lezione sui fanghi di depurazione.3: i controlli (parte seconda)

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Mauro Icardi

(I precedenti post di questa serie qui e qui.)

Per terminare la rassegna dei controlli che si effettuano sui fanghi della vasca di ossidazione, occorre parlare della verifica della concentrazione di ossigeno disciolto. Questo perché nei processi a fanghi attivi di tipo aerobico è estremamente importante il buon funzionamento del sistema di areazione. L’apporto di aria (o in casi particolari di ossigeno liquido, che viene vaporizzato tramite appositi impianti) serve a mantenere una concentrazione non limitante per i processi di depurazione biologica, ma anche una buona miscelazione della sospensione areata acqua/fango. Normalmente il valore di ossigeno disciolto ritenuto ottimale si aggira intorno a valori di 2 mg/lt. Valori inferiori rallentano il processo di nitrificazione dell’ammonio, e valori superiori potrebbero rallentare la velocità di assorbimento dell’ossigeno da parte della biomassa aerobica.

Normalmente sulle vasche di ossidazione sono installate delle sonde di misura dell’ossigeno funzionanti in continuo, che permettono la verifica e la registrazione dei valori. La variazione marcata e repentina di questo parametro, può essere correlata per esempio a variazioni di carico entrante nell’impianto. Le moderne sonde attualmente utilizzate utilizzano il principio ottico della fluorescenza, è un principio ottico di misura dell’ossigeno nei liquidi. La tecnologia del sensore ottico di ossigeno si basa su un metodo di determinazione di tipo ottico chiamato “quenching di fluorescenza”. A differenza di un’elettrodo amperometrico , che misura una reazione di redox dell’ossigeno all’elettrodo, il metodo ottico è basato su un trasferimento di energia tra un cromoforo fluorescente (fluoroforo) e l’ossigeno.

Un fluoroforo integrato nella punta del sensore viene illuminato con una luce verde-blu proveniente da una sorgente LED. Il fluoroforo assorbe energia e ne trasferisce una parte in forma di luce rossa fluorescente emessa. Un rilevatore posto nel sensore legge la luce fluorescente emessa e ne misura intensità e durata.

In presenza di ossigeno, il fluoroforo trasferisce parte dell’energia assorbita alle molecole di ossigeno. L’ossigeno assorbe l’energia e la trasferisce sotto forma di calore all’area circostante, causando una variazione di intensità della fluorescenza. Questa variazione è direttamente correlate alla pressione parziale di ossigeno nel mezzo e costituisce il principio di base della misura.

Secondo la legge di Henry, la quantità di un dato gas disciolto in un dato tipo e volume di liquido è direttamente proporzionale alla pressione parziale (p) di tale gas in equilibrio con tale liquido. Si tratta di un fattore molto importante per tutte le misure dell’ossigeno.

Le sonde normalmente rilevano anche il valore della temperatura, altro parametro di grande importanza. In sostanza una vasca di ossidazione è un reattore biologico. La temperatura di questo reattore non è però regolabile a piacere, ma subisce della variazioni stagionali, anche se non scende mai, di solito, a valori inferiori a 10-12°C, perlomeno in Italia.

(continua)

Piccola lezione sui fanghi di depurazione. 2. I controlli. Parte prima

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Mauro Icardi

(la prima parte di questo post è qui)

Nella normativa relativa alla depurazione delle acque di scarico non è previsto l’obbligo di verificare le caratteristiche dei fanghi di depurazione, così come è invece previsto per la linea di trattamento delle acque reflue. Ma considerato che i fanghi sono prodotti proprio dal trattamento depurativo delle acque, terminati i processi di trattamento, quali ad esempio l’ispessimento, la digestione anaerobica, e la disidratazione, i fanghi che devono essere smaltiti diventano rifiuti speciali, identificati dai codici CER 190804 o 190805. In questo caso sono soggetti a controlli e adempimenti relativi alla gestione dei rifiuti, e quindi vengono verificate le concentrazioni limite degli inquinanti presenti che sono stati eliminati dall’acqua reflua depurata, prima di identificare la destinazione di smaltimento o di recupero. Le principali destinazioni dei fanghi possono essere per lo smaltimento la discarica o l’incenerimento, e nel caso del recupero principalmente il riutilizzo agricolo, che nell’ultimo periodo è stato molto criticato, sollevando dubbi nella pubblica opinione, ma anche problemi di gestione degli stessi fanghi. Vediamo quali sono i principali controlli che si possono effettuare sui fanghi, nelle varie fasi di trattamento.

Per effettuare una corretta gestione del processo depurativo si stabiliscono normalmente dei work planning aziendali, per determinare diversi parametri utili al controllo di processo in vasca di ossidazione. I principali controlli possono richiedere la verifica di parametri di tipo chimico, biologico, e tecnologico. Non è poi da trascurare l’osservazione diretta del comparto di ossidazione biologica. A volte, soprattutto dopo molti anni di lavoro, si riescono a identificare con il semplice colpo d’occhio eventuali disfunzioni del processo depurativo.

Una delle operazione più semplici da effettuarsi è quella della registrazione del valore della sedimentazione dei fanghi in cono Imhoff.

Il cono di Imhoff è un recipiente di vetro o materiale plastico a forma di cono, sorretto da un apposito sostegno. Il volume del cono di Imhoff è 1 litro, e la graduazione parte, e quindi ha lo zero, in corrispondenza del vertice del cono, e poi, procede verso l’alto. Con questa apparecchiatura molto semplice, si può verificare la tendenza alla sedimentazione di un fango prelevato nella fase di ossidazione, oppure di ricircolo di un impianto di depurazione biologica.

Nell’immagine si può vedere a sinistra un fango con buona tendenza alla sedimentazione, e con una divisione marcata dell’interfaccia fango/acqua chiarificata. Mentre a destra si vede un fango con caratteristiche piuttosto problematiche, e con una scarsa tendenza alla sedimentazione.

Praticamente il cono di Imhoff riproduce le condizioni di sedimentazione che si verificheranno poi nel sedimentatore dell’impianto di depurazione.

Associata a queste verifiche visuali, vi è la determinazione dell’indice di volume del fango sludge volume index, abbreviato in SVI. Per determinare questo parametro, si rileva semplicemente il volume di fango letto sulla scala graduata del cono Imhoff dopo 30 minuti di sedimentazione, e lo si divide per la concentrazione di fango espressa in g/lt ottenuta dopo filtrazione su carta da filtro e successiva evaporazione dell’acqua in stufa alla temperatura di 105° C. (SVI=volume del fango sedimentato [ml/l] / quantità di solidi sospesi [mg/l]).

Si ritiene che un fango abbia buone caratteristiche di sedimentabilità se ha uno SVI non superiore a 250 ml/lt.

Viene determinata poi anche la percentuale di sostanza organica volatile indicata come tenore delle materie secche volatili ; rappresenta la porzione di sostanza secca che viene eliminata per calcinazione alla temperatura di 550 °C e viene normalmente espressa come percentuale di materiale volatile sulla totalità del contenuto di sostanza secca.

La determinazione si effettua ponendo il filtro in un crogiolo di porcellana, e poi in forno elettrico a muffola.

Il valore del contenuto di sostanza secca del fango varia con il tipo di fango considerato: fango derivante dalla sedimentazione primaria, fango contenuto nella vasca di aerazione, fango del sedimentatore secondario, fango misto, fango parzialmente o totalmente mineralizzato, fango parzialmente ispessito ecc. In ogni caso tuttavia questo valore risulta molto basso, inferiore al 5% e in molti casi inferiore al 3%.

Altro controllo che si esegue è quello dell’analisi microscopica del fango attivo. Il processo a fanghi attivi ha lo scopo di raggiungere la massima riduzione di BOD e di nutrienti dai liquami trattati, con la minima produzione di fanghi biologici. I protisti sono importanti costituenti delle comunità implicate nella rimozione di sostanza organica biodegradabile e di batteri dispersi nella miscela aerata in questo tipo di processo di trattamento dei liquami. I trattamenti biologici, infatti, si basano sul processo di autodepurazione tipico dei corsi d’acqua quale risultato dell’attività delle comunità microbiche.

L’osservazione microscopica del fango di depurazione può dare importanti informazioni sull’equilibrio tra decompositori (batteri, funghi) che ricavano l’energia per il loro sviluppo dalla sostanza organica disciolta nel liquame, e consumatori (flagellati eterotrofici, ciliati, rizopodi, e piccoli metazoi) che predano i batteri dispersi e altri organismi.

I protozoi ciliati sono molto numerosi in tutti i tipi di processi di trattamento aerobico dei liquami, e la loro presenza diffusa è indice di un buon funzionamento della fase ossidazione biologica.

Piccola lezione sui fanghi di depurazione.1.

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Mauro Icardi

La polemica sul decreto Genova, relativamente al fango di depurazione non si è ancora esaurita. In questo post vorrei fare una specie di breve lezione. Che serva per spiegare come si originano e perché.

I fanghi di depurazione si originano come principale residuo dei processi depurativi. Sono sostanzialmente una sospensione di solidi di varia natura, organici ed inorganici e con una percentuale di sostanze secche (che nel gergo degli addetti viene definita normalmente “secco”), variabile in funzione del tipo di processo di trattamento che il liquame ha subito. I fanghi di depurazione sono originati nei processi di sedimentazione, e si distinguono in fanghi originati dalla sedimentazione primaria, e da quella secondaria o finale. Il miscuglio di questi due tipi di fanghi origina il cosiddetto fango misto, che è quello che deve subire il trattamento di stabilizzazione e di disidratazione finale.

I fanghi estratti dalla sedimentazione secondaria possono essere stati prodotti da sistemi di trattamento a colture sospese (vasca di ossidazione biologica), da sistemi a biomassa adesa (letti percolatori o biodischi) e dai più recenti sistemi a membrana. Altri tipi di fanghi possono invece derivare da processi di chiariflocculazione per esempio la defosfatazione chimica, che si adotta per rispettare il limite di legge per il fosforo, che normalmente riesce ad essere abbattuto solo in percentuali pari al 50% se si effettua il solo trattamento di tipo biologico.Nel 2015 i fanghi dal trattamento delle acque reflue urbane prodotti sul territorio nazionale (codice 190805) sono pari a oltre 3 milioni di tonnellate. La Lombardia e l’Emilia Romagna con, rispettivamente, 448 mila tonnellate e 409 mila tonnellate sono le regioni con il maggiore quantitativo prodotto, seguite dal Veneto (361 mila tonnellate) e dal Lazio (312 mila tonnellate) (Figura 4.3). Il quantitativo di fanghi gestito, nel 2015, è pari a circa 2,9 milioni di tonnellate.

I fanghi rappresentano il cuore del trattamento depurativo, e sono la fase del trattamento su cui in futuro maggiormente si dovranno concentrare gli sforzi dei gestori, dei ricercatori, degli enti di controllo. Per minimizzarne la produzione, e per trovare il modo ecologicamente sicuro, economicamente sostenibile e socialmente accettato di essere smaltiti o recuperati.

I trattamenti dei fanghi devono essere differenziati in funzione della loro provenienza, ma due trattamenti sono solitamente comuni a tutti i tipi di fango: l’ispessimento e la disidratazione finale.

L’ispessimento serve a concentrare il fango e a ridurre al minimo il contenuto di acqua nello stesso.

Il tenore di acqua di un fango ( o umidità del fango) è il rapporto percentuale tra il peso dell’acqua contenuto nel fango, e il peso totale del fango, compresa tutta la fase acquosa. Si esprime con questa formula:  Uf (%) = 100*PH2O/Ptot.

(continua)

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