Rimozione Azoto - ANAMMOX

Un sistema innovativo ed efficace per la rimozione dell’azoto dalle acque reflue

Anammox è l’acronimo di ANaerobic AMMonium OXidation ed è un processo mediato da un particolare gruppo di microrganismi scoperto già negli anni ’80, ma che hanno conosciuto il loro utilizzo nelle bioteconologie ambientali solo a partire dagli anni ’90. La conversione Anammox introduce una via più breve e alternativa nel ciclo dell’azoto, tanto che è stato riconosciuto il ruolo importante di questi microrganismi nella produzione dell’azoto gassoso nei sedimenti oceanici (Trimmer et al., 2009). In condizioni anaerobiche strette, l’ammonio è convertito ad azoto gassoso N2 sfruttando il nitrito come accettore di elettroni. Dal momento che i microrganismi responsabili della conversione sono autotrofi, il processo avviene utilizzando la CO2 come principale fonte di carbonio, senza bisogno di substrati organici.

La crescita dei batteri Anammox è molto lenta, con tempo di duplicazione prossimo agli 11 giorni: per questo sono necessari lunghi tempi per l’avviamento del processo e soluzioni impiantistiche che consentano un’elevata ritenzione dei fanghi (reattori sequenziali, bioreattori a membrane, biofilm).

I potenziali vantaggi dell’applicazione di questa biotecnologia emergono se si prendono in considerazione le differenze rispetto ai processi convenzionali. L’approccio tradizionale alla rimozione dell’azoto presenta numerose varianti, ma tutte si basano sulla conversione dell’ammonio (numero di ossidazione, -3) a nitrato (numero di ossidazione, +5) che deve poi essere convertito per denitrificazione a N2 (numero di ossidazione, 0). Dal punto di vista energetico, dunque, il processo non è ottimale in quanto si raggiunge il massimo grado di ossidazione (NO3) dell’azoto a partire da quello minimo (NH4+) con consumo di ossigeno e si torna indietro ad azoto molecolare con consumo di carbonio (COD). Sia la nitrificazione che la denitrificazione sono in effetti processi a due step. Il primo dei due step che conducono all’ossidazione dell’ammonio a nitrato è l’ossidazione a nitrito (nitrosazione) e il secondo è l’ossidazione del nitrito a nitrato (nitratazione); viceversa il primo step della denitrificazione è la riduzione del nitrato sempre a nitrito, ed il secondo è la riduzione del nitrito a N2. Se ne deduce quindi che un processo energeticamente più sostenibile è quello di accoppiare la nitrosazione alla denitrificazione da nitrito (Anammox).

Condizione necessaria per l’utilizzo di una biomassa Anammox nella rimozione dell’azoto dalle acque reflue è quindi uno step di pretrattamento che consenta la nitrificazione parziale del refluo (nitrosazione o nitritazione). La combinazione di un processo aerobico per la conversione dell’ammoniaca a nitrito e di un processo anerobico, Anammox, per la conversione del nitrito e del restante ammonio ad N2 consente di ottenere una completa rimozione dell’azoto con un processo completamente autotrofo.

Tale soluzione, rispetto al convenzionale processo di nitrificazione-denitrificazione, presenta una serie di vantaggi, in particolare:

  • riduzione della spesa energetica: 57% dell’ossigeno in meno da fornire al sistema;
  • riduzione del 100% della richiesta di COD rapidamente biodegradabile da aggiungere in fase di denitrificazione;
  • riduzione del 85% dei fanghi prodotti (da circa 1.4 kgCOD/kgN a 0.2 kgCOD/kgN).

Tale processo, proprio perché in grado di rimuovere l’azoto per via autotrofa, costituisce l’opzione ideale per il post trattamento degli effluenti di tutti i processi anaerobici applicati a rifiuti liquidi e solidi.

I contesti in cui è potenzialmente interessante l’applicazione del processo Anammox, appaiono idonei anche per la rimozione per precipitazione del fosforo. Il trattamento di soluzioni che hanno una concentrazione di fosforo solubile molto elevata, come il caso del surnatante dei digestori anaerobici, permette di ottenere in opportune condizioni, la precipitazione del fosforo ad esempio in cristalli di struvite, prodotto con ottime caratteristiche fertilizzanti (Heinzmann e Engel, 2006; De-Bashan e Bashan, 2004; Shu et al., 2006). 

Modalità realizzative
L’accoppiamento dello step di nitritazione parziale e del processo Anammox può avvenire tramite due reattori in serie (es. Sharon-Anammox) oppure in un unico reattore (es. CANON).

L’efficienza di questo processo può essere sperimentata a scala pilota in un unico reattore o in due reattori posti in serie presso il laboratorio in modo da valutarne l’applicabilità nella filiera di trattamento dei grandi impianti considerati. L’installazione sperimentale sarà progettata e realizzata in modo da rendere possibile la valutazione di un sistema di monitoraggio e controllo adeguato. Le condizioni ambientali saranno oggetto di studio e di sperimentazione così come i materiali e la geometria dei supporti adatti alla crescita della biomassa Anammox in forma adesa.

I reflui (essenzialmente surnatanti di digestori anaerobici) utilizzati per la sperimentazione del processo Anammox verranno sottoposti anche a test relativi a processi di precipitazione chimica del fosforo che avvengono nella maggior parte dei casi utilizzando come reagenti sali di ferro, solfato di alluminio oppure calce (Takács et al., 2006). La tecnica che verrà principalmente investigata è quella che permette di ottenere al contempo la rimozione di fosforo dalle acque reflue ed il recupero e la formazione di cristalli di struvite () e presenta grandi potenzialità di recupero e riutilizzo del fosforo. Durante le indagini sperimentali verranno valutati gli effetti dei principali parametri che influenzano la cristallizzazione di struvite e che sono rappresentati da: pH, grado di saturazione, temperatura e presenza di altri ioni in soluzione, in particolare ioni calcio.