Azoto: il ciclo completo

COME TRARRE VANTAGGI DAL CICLO DELL’AZOTO

Il ciclo dell’azoto coinvolge e permea le molteplici reazioni chimiche della natura. È in grado di eliminare, trasformandoli, i prodotti di scarto degli animali.

È quindi naturale pensare che il principio possa essere sfruttato dall’uomo per molteplici funzioni:

Allevamento di pesci d’acqua dolce in laghetti ornamentali e acquariologia

Sin dai tempi antichi l’uomo ha compreso il valore alimentare del patrimonio ittico. Inizialmente, i pesci vennero allevati in cattività per ragioni pratiche, cioè come fonte di cibo.

L’acquariologia nacque quando vennero selezionati alcuni individui, per la loro colorazione o per la loro forma. I primi esempi di questo processo li ritroviamo in Cina, nel VI secolo a.C dove vennero selezionate alcune varietà dorate di carpe, dotate anche di una forma particolare.

In Cina e Giappone l’allevamento non era limitato solo allo scopo alimentare, quanto anche a quello ornamentale in vasche e laghetti da giardino.

L’allevamento acquariologico del pesce rosso (Carassius auratus) era già noto in Cina sotto la dinastia Sung tra 960 e il 1279 D.C. In Europa il suo allevamento si diffonde dopo il 1600, e, in epoca Vittoriana, diventa molto di moda.

Il primo a riconoscere l’importanza dei valori chimici dell’acqua nell’allevamento dei pesci fu Mr. Humphreys, che predisse inoltre l’invenzione del termostato e del riscaldatore. Inoltre introdusse il principio di sovraffollamento, affermando che non era possibile allevare creature viventi in un “pollice quadrato per ognuna”.

Mantenere dei pesci in un sistema di acqua di ricircolo porta alla inevitabile evidenza che gli scarti prodotti dai pesci finiscano per accumularsi diventando tossici per i pesci. Da qui la necessità di riprodurre, in un sistema chiuso, il meccanismo naturale di detossificazione da azoto noto con il nome di ciclo dell’azoto.

Per la trattazione dell’argomento specifico sui filtri rimando a questo articolo: Il variegato mondo dei filtri per laghetto. Qui basta sapere che il procedimento usato sfrutta la nitrificazione come principale via di depurazione.

Tuttavia la trasformazione da ammoniaca a nitrito e poi nitrato produce l’inevitabile conseguenza di una accumulo di quest’ultimo, per cui spesso è necessario l’ausilio di un fitodepurante che attui una denitrificazione assimilativa capace di estrarre l’azoto dall’acqua in virtù di una sua incorporazione nei tessuti della pianta.

Un particolare tipo di filtrazione per laghetto riguarda il filtro anossico. Questo filtro utilizza un substrato argilloso posto in cesti preforati usati per la piantumazione nei laghetti, al cui centro viene posto un “nocciolo” di laterite (rimando agli articoli specifici per una più dettagliata relazione: Filtro Anossico). Questa configurazione è in grado di selezionare naturalmente una specifica tipologia di batteri, quelli anaerobi facoltativi, che sono in grado di effettuare una completa dentitrificazione a partire dai substrati inorganici presenti nel laghetto, l’ammonio e il nitrato.

Questa metodica di filtrazione attua una completa estrazione della molecola dell’azoto, sotto forma di gas N₂, rendendo non necessario l’intervento delle piante quale sua fonte assimilativa.

Acquacoltura e ittiocoltura

L’acquacoltura, o più specificamente ittiocoltura, consiste nell’allevamento a scopo riproduttivo di organismi acquatici, principalmente pesci, ma anche crostacei e molluschi, e alghe, in ambienti confinati e controllati dall’uomo. Quando questi allevamenti sono posti all’interno di bacini naturali sfruttano il ciclo di depurazione naturale dell’intero bacino, mentre quando si tratta di allevamenti in vasche isolate è necessario dotarle di filtri che sfruttino le capacità detossificanti dei batteri nitrificanti.

Acquaponica

L’acquaponica è la coltivazione simbiontica di piante e animali acquatici in un ambiente di ricircolo. In pratica consiste nell’allestire una vasca nella quale verranno posti i pesci di allevamento oppure ornamentali, ed impostato un recircolo dell’acqua che passi forzatamente attraverso un’altra vasca in cui venga riposta argilla espansa fino a riempimento. Successivamente in questa vengono posti a dimora ortaggi vari.

Il principio qui sfruttato è la denitrificazione assimilativa attraverso il riassorbimento dei composti azotati dalle radici delle piante, ma anche la nitrificazione, in quanto nell’argilla finiscono per insediarsi e riprodursi i tipici batteri della nitrificazione che attuano un rapporto di mutuo scambio con le radici delle piante. Rimando ad un articolo di approfondimento su questa tematica: Acquaponica, la fitodepurazione utile

Trattamento delle acque reflue

Si definisce trattamento delle acque reflue il processo di rimozione dei contaminanti da un’acqua reflua di origine urbana o industriale, ovvero di un effluente che è stato contaminato da inquinanti organici e/o inorganici.
La depurazione biologica delle acque di scarico consiste nell’azione combinata di diverse specie microbiche che, attraverso vari stadi, degradano le sostanze contenute in esse, trasformandoli in parte in composti semplici come acqua, anidride carbonica, azoto e metano, ed in parte in nuovi organismi.

I primi ritornano in natura, gli altri vengono separati per sedimentazione ed allontanati come fango.Tutti i sistemi di rimozione biologica dell’azoto comprendono una zona aerobica nella quale avvengono le reazioni di nitrificazione. Deve inoltre essere presente una zona anossica nella quale rendere possibili le reazioni di denitrificazione. In questo modo si ottiene la completa rimozione dei composti azotati dal refluo per trasformazione ultima di questi in azoto gassoso.

Il differente posizionamento della vasca anossica distingue i diversi procedimenti biologici gli uni dagli altri.

Diversi sono gli approcci metodologici alla depurazione delle acque, e vengono qui brevemente elencati:

SBR (Sequencing Batch Reactor)

Gli impianti SBR sono dei sistemi di trattamento biologico delle acque a flusso discontinuo dove, all’interno di un unico reattore, avvengono in alternanza le varie fasi del processo comune a tutti i tipi di impianti a fanghi attivi, e non richiede perciò alcun tipo di ricircolo.

Questo tipo di depuratore orienta quindi nel tempo, piuttosto che nello spazio, la depurazione dei reflui, cioè la depurazione si svolge in sequenza temporale anzichè spaziale.

Il maggior pregio dei reattori SBR è quello di poter sfruttare al meglio quello che invece è per i reattori di tipo continuo un problema: la variabilità del carico in ingresso.

In fase di avviamento è possibile selezionare una biomassa adattata a diverse condizioni operative alternando periodi di “carestia” e “abbondanza”.

È proprio questa alternanza che che stimola la selezione di batteri capaci di eseguire in modo più efficace le fasi di nitrificazione/denitrificazione.

Le varie fasi della reazione che avvengono nel reattore sono:

MBR (membrane Biological Reactor)

I reattori biologici a membrana rappresentano un sistema ancora relativamente poco sfruttato. Si avvalgono di membrane per la separazione dell’effluente dalla biomassa.

In base alla porosità delle membrane si distinguono due differenti tipologie di filtrazione: Microfiltrazione e Ultrafiltrazione

La forza che innesca il meccanismo di filtrazione è dato dalla pressione applicata alla membrana tra il lato del liquame e quello del refluo.

Dato che le membrane si sporcano e divengono meno permeabili, è necessario aumentare la tubolenza che diminuisce il ricorso ai controlavaggi delle membrane.

Se la permeabilità diminuisce in modo sensibile allora si interviene con lavaggio con sostanze chimiche.

SISTEMI DI AERAZIONE

L’ossidazione dei fanghi attivi riproduce artificialmente quei processi che si sviluppano naturalmente in un corpo idrico ove vi sia presenza di sostanza organica.
Nei processi a fanghi attivi, pur essendo in gioco gli stessi meccanismi, si evidenzia una sostanziale diversità di ordine quantitativo ripetto ai fenomeni naturali di depurazione. La concentrazione di sostanza organica e di batteri negli impianti raggiunge infatti concentrazioni particolarmente elevate. Ne consegue che, per tenere in vita una tale mole di batteri, divenga necessario rendere disponibile una quantità di ossigeno adeguata e ciò si realizza ricorrendo a sistemi artificiali di aerazione.
L’ossigenazione agisce inoltre generando dei fiocchi prodotti dallo sviluppo della popolazione microbica che sono facilmente sedimentabili.

ANAMMOX

La denitrazione anammox viene artificialmente prodotta in appositi reattori nei quali vengono ricreate le condizioni ideali allo sviluppo e riproduzione dei batteri.

Nei processi di tipo anammox solo metà dello ione ammonio è ossidato, e non sino a nitrato, ma solo sino allo ione nitrito (metodo Sharon). Successivamente, lo ione nitrito reagisce con lo ione ammonio rimanente sino a formare azoto molecolare.

I batteri anammox furono per la prima volta osservati in un impianto di depurazione nel 1995.

Sono organismi autotrofi che vivono in ambienti a basso potenziale RedOx ed in condizioni di totale mancanza di ossigeno.

Questi batteri hanno un tasso di crescita molto lento, e sono attivi in un intervallo di pH che va da 6,4 a 8,3 ed una temperatura di 20-43°C, con valori ottimali a 37°C.

A questa temperatura i tempi di replicazione sono dell’ordine di 10-14 giorni.

Confrontato con i normali procedimenti nitro-denitro, il processo anammox presenta dei vantaggi:

alta capacità di estrazione di azoto;

riduzione del 90% delle emissioni di anidride carbonica;

 i batteri anammox non richiedono fonti di carbonio organico;

 la reazione produce un minore massa biologica da dovere successivamente smaltire;

contenuta superficie di esercizio e ridotti costi di gestione.

FITODEPURAZIONE

La fitodepurazione è un sistema di depurazione usato per le acque reflue domestiche, agricole e talvolta industriali.
Le tecniche di fitodepurazione possono essere classificate in base alla prevalente forma di vita delle piante acquatiche che vi vengono utilizzate:

sistemi a microfite (alghe unicellulari);

sistemi con macrofite galleggianti (presenza di piante acquatiche quali Eichhornia crassipes, Lemna minor, Lemna gibba, Lemna oscura, Lemna trisculca);

sistemi con macrofite radicate emergenti (presenza di macrofite quali Phragmites australis, Typha latifolia, Scirpus lacustris, Scirpus robustus, Scirpus validus).

Questi ultimi sistemi possono subire una ulteriore classificazione dipendente dal cammino idraulico delle acque reflue: sistemi a flusso superficiale o libero; sistemi a flusso sub-superficiale o sommerso a sua volta suddivisi in: sistemi a flusso sommerso orizzontale e verticale.

Nei bacini di fitodepurazione l’acqua può diffondere: a flusso orizzontale, nel quale i liquidi vengono fatti scorrere secondo un piano orizzontale che attraversa il media piantumato; a flusso verticale, nel quale il flusso dell’acqua avviene attraverso un sistema di percolazione attraverso il media piantumato.

La depurazione avviene mediante l’azione combinata tra piante e microrganismi che si insediano sia nel substrato sia nei peli degli apparati radicali. I batteri responsabili della trasformazione dell’ammonio in nitrato sono i batteri nitrificanti. Il procedimento della fitodepurazione si avvale anche dell’effetto diretto di assimilazione della pianta sia di ammonio che di nitrati al fine di inglobarli nella sua stessa struttura. I metalli pesanti vengono infine assorbiti quali sostanze necessarie alla sua crescita.

I vantaggi della fitodepurazione sono i seguenti: costi minimi di costruzione e manutenzione rispetto a quelli degli impianti di depurazione tradizionali; assenza di odori e di proliferazione di insetti nei sistemi a flusso sommerso; totale abbattimento della carica patogena; creazione di un’area verde al posto di manufatti in cemento; possibilità di riutilizzo dell’acqua depurata a scopi irrigui; riduzione dei consumi di energia elettrica rispetto ad un depuratore tradizionale; assenza o ridotta necessità di apparecchiature elettromeccaniche; funzionamento depurativo indipendente dall’assenza di energia o sovraccarico idraulico fondamentali per il funzionamento dei processi tradizionali.

Gli svantaggi sono invece rappresentati da: richiesta di maggiori superfici rispetto ai depuratori convenzionali; costi di acquisizione del suolo sul quale costruire l’impianto.

Bibliografia :  L. DE CARLI – Ciclo Biologico dell’Azoto – Metabolismo dell’Azoto Inorganico nelle Piante e nei Batteri – Ed. Piccin