Annalisa Prassone
Dottorato in “Scienze, tecnologie e processi
chimici” XX Ciclo
Fotobioreattori a microalghe per la
depurazione di acque di scarico civili
1
12 dicembre 2007 - Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP
FITODEPURAZIONE
Tecnologie ecocompatibili per il trattamento dei reflui
SISTEMI DI DEPURAZIONE NATURALI
FITODEPURAZIONE
Tecnica di trattamento dei reflui
con l’impiego di alghe e piante superiori
Ricostruzione habitat naturale
in ambiente controllato
MAGGIORE EFFICACIA RIMOZIONE INQUINANTI
2
12 dicembre 2007 - Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP
Sistemi esistenti in commercio
INDOOR
•Grandi sacche in polietilene
•Impianti con elementi piani
o tubolari
•Utilizzo luce artificiale
Visione dei tubi trasparenti
illuminati artificialmente
(BioFence- Cellpharm)
3
12 dicembre 2007 - Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP
OUTDOOR
• Vasche all’aria aperta
• Sottili pannelli o tubi
disposti orizzontalmente
• Utilizzo luce solare
Vasche all’aria aperta. Yaeyama Giappone
Sottili pannelli. Scandicci, Firenze Italia
4
Fotobioreattore tubolare. Almeria - Spagna
12 dicembre 2007 - Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP
Obiettivo è stato
Progettazione e realizzazione di fotobioreattori
in grado di ottimizzare
 la crescita della biomassa
 l’abbattimento dei nutrienti
Per raggiungere tale obiettivo
Sono stati costruiti in laboratorio due impianti
che sviluppano lo stesso processo
con differenti caratteristiche, soprattutto per
quanto riguarda il sistema di illuminamento
Sono stati installati due impianti presso il
depuratore di Assago
5
12 dicembre 2007 - Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP
Gli impianti realizzati presso i laboratori del DICHEP
sono previsti per utilizzazioni di tipo INDOOR.
Sono possibili due alternative per la ricircolazione del liquido:
 pompe
 air-lift
Le pompe, di qualsiasi tipo, possono provocare danni
alla biomassa algale in circolazione, pertanto si è preferito
utilizzare l’air-lift.
Parametri fondamentali di progetto sono stati:
• velocità dell’aria in ingresso
• turbolenza
• dimensione dei microvortici
• cicli luce/ buio
6
12 dicembre 2007 - Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP
I parametri fluidodinamici nella letteratura
Velocità dell’aria in ingresso UG
La formazione di bolle da un singolo orifizio è stato oggetto di numerosi studi, sia
sperimentali che teorici (Kumar et al., 1999) e (Clift et al., 1978).
La produzione di bolle si può dividere in tre differenti tipologie:
regime di singole bolle Bubble flow regime
regime intermedio Churn turbulent flow
regime “jet”.
Secondo Chisti (1989), il passaggio da una tipologia all’altra è funzione della
velocità di ingresso dell’aria nel riser UG, in particolare si verifica:
Bubble flow regime per una velocità del gas UG  0,05 [m/s]
Churn turbulent flow per UG  0,05 [m/s]
Regime “jet” per UG  0,05 [m/s].
Le condizioni di processo ottimali si sviluppano in Churn turbulent flow.
7
12 dicembre 2007 - Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP
Turbolenza
Secondo Chisti (1999) e Acién Fernandez et al. (2001), la velocità del flusso nei
reattori tubolari deve essere sufficientemente alta da assicurare un flusso
turbolento, ovvero un numero di Reynolds > 2500, idonea ad evitare la
stagnazione delle cellule algali.
Un’eccessiva turbolenza può tuttavia danneggiare le cellule, ciò pone un limite
superiore alla velocità. In generale l’input di energia che consente lo scorrimento del
liquido nell’impianto deve essere tale da determinare microvortici di dimensioni maggiori
di quelle delle cellule algali.
Il parametro è rappresentato semplicemente dal valore del numero di Reynolds
che si verifica nel Riser, la cui formula è:
Re 
U L d r
L

4 RU L
L
ove:
R = raggio idraulico = Ω/p [m]
Ω = superficie bagnata [m2]
p = perimetro bagnato [m]
ρ = densità del fluido [kg m-3]
µL= viscosità dinamica della coltura algale [kg m-1 s-1];
νL= viscosità cinematica assunta pari a 9,6 · 10-7 [m2/s].
8
12 dicembre 2007 - Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP
La determinazione del numero di Reynolds e degli altri parametri
richiede la conoscenza della velocità di risalita del liquido nel Riser UL.
Chisti (1989-2000) ha individuato la seguente relazione, basata sul principio di
conservazione dell’energia, valida per determinare UL nel caso di un fluido
contenente una coltura algale, in condizioni simili, anche se non del tutto identiche
a quelle degli impianti in esame
2 g ( r   d )hr
UL 
kT
1   r 2
g = accelerazione di gravità [m/s2]
r = hold up nel Riser
d = hold up nel Downcomer
hr = altezza di lavoro del Riser [m]
 Ar
 k B 
 Ad
2

1

2
 1   d 
Kr = coefficiente d’attrito nel Riser
Kt = coefficiente d’attrito nel Downcomer
Ar = sezione retta del Riser [m2]
Ad = sezione retta nel Downcomer [m2]
9
12 dicembre 2007 - Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP
Dimensione dei microvortici
La grandezza dei microvortici  è stimata applicando la teoria isotropica locale di
Kolmogoroff (Kawase et Moo-Young, 1990):
 L 3 4 1 4
 ( ) 

ove:
λ = lunghezza dei microvortici [μm];
µL = viscosità dinamica del fluido [kg m-1s-1];
ξ = dissipazione di energia per unità di massa [ Js-1kg-1];
ρ = densità fluido [kgm-3].
La dissipazione di energia dentro al tubo dipende dalla caduta di pressione, cioè dalle
perdite di carico :

2C f U L3
4R
ove:
R = raggio idraulico
UL = velocità del liquido nel Riser [m/s];
Cf = coefficiente d’attrito di Fanning.
Il fattore di attrito deve essere stimato usando l’equazione di Blasius:
Cf = 0,0791 Re - 0,25
10
12 dicembre 2007 - Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP
Cicli di luce/buio
Degen et al. (2001) hanno studiato l’utilizzo della luce nei fotobioreattori,
affermando che la conversione di energia radiante in energia chimica e
conseguentemente in biomassa, può essere incrementata se le alghe compiono
ripetutamente un ciclo fra fase luminosa e fase buia (o comunque meno
luminosa), con un rapporto temporale luce/buio considerato ottimale di 1/10.
Questo aumento di produttività dovuto a cicli luce/buio di determinata frequenza è
conosciuto come effetto “flashing-light” (Kok, 1956 e Terry, 1986).
In funzione dei parametri desunti dalla letteratura sono
stati realizzati gli impianti
denominati D1 e D2
che presentano le seguenti caratteristiche.
11
12 dicembre 2007 - Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP
Insufflazione
CO2
Impianto D1
Idrociclone
Downcomer
Sistema
illuminante
Spurgo
Fotobioreattore
Riser
Insufflazione
Aria 60 Nl/h
Airlift
Caratteristiche sistema illuminante
Caratteristiche del Riser
Posizionamento delle lampade
Assiale esterno
Numero di lampade
4 disposte in due gruppi
Altezza totale colonna
220,00
cm
Tipo
Osram L58W/20
Altezza di lavoro
152,50
cm
Watt
Diametro interno
6,00
cm
µEinstein/m2s
Sezione retta
28,27
cm2
17
cm
Volume totale
6220,35
cm3
152,5
cm
Volume di lavoro
4311,83
cm312
Potenza
Intensità luminosa alla sup. della lampada*
Distanza dal fotobioreattore
Lunghezza illuminata del fotobioreattore
58
500
12 dicembre 2007 - Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP
I parametri calcolati sono:
IMPIANTO D1
Velocità dell’aria in ingresso
UG
0,073
m/s
Velocità del liquido
UL
0,073
m/s
Numero di Reynolds
Re
4563
Dimensione dei microvortici

290
Rapporto luce/buio
m
4,48
13
12 dicembre 2007 - Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP
Insufflazione
CO2
Impianto D2
Raffreddatore
interno
Fotobioreattore
con
sistema illuminante
incorporato
Riser
Downcomer
Insufflazione
aria 30 Nl/h
Caratteristiche sistema illuminante
Posizionamento delle lampade
Airlift
Assiale interno
Numero di lampade
1
Tipo
Spurgo
SylvaniaGroLuxF30W/GRO
Caratteristiche del Riser
Altezza totale utile colonna
87,00
cm
Altezza di lavoro
80,00
cm
Lunghezza effettiva delle lampade
87
cm
Diametro interno
3,50
cm
Potenza
30
Watt
Diametro lampada
2,60
cm
µEinstein/m2s
Sezione retta 
4,31
cm2
Volume totale
375,13
cm3
Volume di lavoro
344,95
cm3
Intensità
lampada
luminosa
alla
sup.
della
Lunghezza illuminata del fotobioreattore
200
80
cm
14
12 dicembre 2007 - Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP
I parametri calcolati sono:
IMPIANTO D2
Velocità dell’aria in ingresso
UG
0,054
m/s
Velocità del liquido
UL
0,036
m/s
Numero di Reynolds
Re
3375
Dimensione dei microvortici

300
Rapporto luce/buio
m
15,7
15
12 dicembre 2007 - Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP
Parametri illuminotecnici
Le misure illuminotecniche sono state eseguite ad intervalli regolari lungo lo sviluppo
assiale del fotobioreattore sia dal lato illuminato, che da quello diametralmente opposto,
definito come buio.
Andamento dell'intensità luminosa in funzione della
posizione assiale
160,00
Intensità luminosa [uE/m2 s]
Si è constatata la costanza delle
condizioni di illuminamento lungo
l’intera lunghezza del fotobioreattore,
fatta eccezione per le zone terminali,
che risultano lievemente meno
illuminate.
La scarsa rilevanza di questi fenomeni
permette tuttavia di ritenere costanti i
parametri illuminotecnici lungo l’intero
fotobioreattore.
140,00
120,00
100,00
Io
I
80,00
60,00
40,00
20,00
0,00
0
20
40
60
80
100
120
140
160
posizione a partire dall'alto della colonna [cm]
Per le misure illuminotecniche, si è utilizzato un radiometro collegando ad esso una
sonda radiometrica per la misura delle radiazioni nella banda PAR (Photosyntetically
Active Radiation).
In tale intervallo gli organismi, quali le alghe, utilizzano l’energia raggiante disponibile, in
funzione dei tipi di pigmenti che corredano il loro apparato fotosintetico.
16
12 dicembre 2007 - Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP
Calcolo dei coefficienti di assorbimento delle cellule algali
L’attenuazione luminosa provocata dalla biomassa all’interno del fotobioreattore genera
un profilo di illuminazione eterogeneo; perciò è di fondamentale importanza stabilire
una legge matematica che permetta la valutazione dell’intensità luminosa media da cui
dipende la crescita delle alghe.
L’ attenuazione è abitualmente espressa dalla legge di Lambert-Beer:
I = Io· e –L·Ka·SS
ove:
Io = intensità di luce incidente [ μE m-2s-1 ]
I = intensità di luce attenuata dalla biomassa [ μE m-2s-1 ]
SS = concentrazione della biomassa [ cell/l ] o [ g/l ]
L = lunghezza del cammino percorso dalla luce [ cm ]
Ka = coefficiente di assorbimento delle cellule [ cm·OD ]
-1
o [ m2g-117]
12 dicembre 2007 - Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP
I grafici seguenti mostrano l’attenuazione della luce, rispettivamente dell’impianto D1 e D2,
per diverse concentrazioni della biomassa.
Attenuazione luce D1
0
1
2
3
4
5
6
7
0,00
-0,20
-0,40
ln (I/Io)
La distanza percorsa dalla luce è
pari al diametro del fotobioreattore
(6 cm) nell’impianto D1,
mentre è pari alla distanza tra il
neon e la superficie esterna del
reattore tubolare (0,45 cm)
nell’impianto D2.
-0,60
SS = 0,184
-0,80
SS = 0,209
SS = 0,242
-1,00
SS = 0,340
-1,20
SS = 0,489
-1,40
-1,60
-1,80
distanza [cm]
Attenuazione luce D2
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
0,00
-0,10
SS = 0,079
ln (I/Io)
-0,20
SS = 0,122
SS = 0,126
-0,30
SS = 0,158
-0,40
SS = 0,223
SS = 0,248
-0,50
SS = 0,270
-0,60
-0,70
distanza [cm]
All’aumentare della concentrazione
algale, in entrambi gli impianti,
aumenta l’attenuazione della luce e
quindi il coeff. di assorbimento Ka.
Per ogni concentrazione di cellule è
stato quindi determinato il coeff. Di
assorbimento.
18
12 dicembre 2007 - Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP
Coeff. di assorbimento D1
0,35
Ka [cm-1]
0,30
In base alla legge di
Lambert - Beer per gli
impianti D1 e D2 sono
stati calcolati
rispettivamente:
Ka1 = 0,0874 [m2/g]
Ka2 = 0,4447 [m2/g]
y = 0,8740x
R2 = 0,9300
0,25
0,20
Ka
Lineare (Ka)
0,15
0,10
0,05
0,00
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
SS [g/l]
Coeff. di assorbimento D2
1,20
Per cui risulta:
Ka2 >> Ka1.
Ka [cm-1]
1,00
y = 4,4469x
R2 = 0,8868
0,80
0,60
Ka
Lineare (Ka)
0,40
0,20
0,00
0,00
0,05
0,10
0,15
SS [g/l]
0,20
0,25
0,30
19
12 dicembre 2007 - Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP
Crescita della biomassa in funzione della luce emessa
Normalizzando la crescita di biomassa in funzione della luce emessa, si
evidenziano le migliori prestazioni dell’impianto D2 rispetto all’impianto D1.
Crescita normalizzata della biomassa in funzione della
luce emessa negli impianti base
SS norm / I0 [m2 sec/ E]
0,025
0,020
0,015
D1
D2
0,010
0,005
0,000
0
1
2
3
Tempo [giorni]
20
12 dicembre 2007 - Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP
Entrambi gli impianti hanno dimostrato la loro validità in termini di:
 produzione di biomassa
 abbattimento dei nutrienti
Tale validità è stata conseguita grazie all’ottimizzazione di:
 parametri fluidodinamici
 parametri illuminotecnici
 tecnica di gestione
Al momento del trasferimento di questi impianti in una realtà industriale, la scelta
definitiva dovrà prendere in considerazione aspetti specifici quali:
 finalità cui l’impianto dovrà assolvere: prevalente produzione di biomassa
o abbattimento dei nutrienti
 disponibilità di spazio per l’installazione: gli impianti tipo D2 sono più compatti
Gli impianti tipo D2 presentano consumi energetici più contenuti.
E’ tuttavia da tenere presente la maggior complessità dal punto di vista realizzativo e
manutentivo del fotobioreattore di tipo D2, dovuta all’inserimento del sistema
illuminante all’interno del fotobioreattore.
Perfettamente analoghe ed ugualmente semplici sono invece le tecniche gestionali
di processo.
21
12 dicembre 2007 - Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP
IMPIANTO DI ASSAGO
POPOLAZIONE
Data
SERVITA pH
N-NO3
[mg/l]
N-NO2
[mg/l]
140000
N-NH4 AEP-PO4
[mg/l]
PORTATA ORARIA DI
25/09/07
7.18
CALCOLO QC
TOC
[mg/l]
5.275
1.081
3744
[m3/ora]0.589
10.975
7.664
7.29
BOD02/10/07
TOT IN INGRESSO
6.664
0.691 11760
3.414
1.152
[kg/giorno]
9.457
09/10/07 DI SOLIDI
7.09
APPORTO
SOSPESI TOTALI
9.122
0.497
8.374
0.836
17/10/07
7.12
APPORTO DI AZOTO
13/11/07
7.16
APPORTO DI FOFORO
[mg/l]
3.171
1.526
15.885
9.146
1.848
35.540
10220 [kg/giorno]
1540 [kg/giorno]
1.428
0.041
21.584
0
14.502
238 [kg/giorno]
22
12 dicembre 2007 - Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP
L’alga impiegata
Specie: Scenedesmus
Classe: Chlorophyceae
pirenoide
nucleo
citoplasma
parete
cloroplasto
INTERVALLI OTTIMALI DI CRESCITA:
 T = 15 - 30 °C
 pH = 5 - 9
23
12 dicembre 2007 - Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP
Impianto tubolare a sviluppo orizzontale
Diametro interno singolo tubo
41 mm
Lunghezza singolo tubo
2 mm
Numero tubi
6
Volume totale tubi
15.06 l
Volume vasca downcomer
18.13 l
Volume totale lavoro
34 l
Modalità illuminazione
luce naturale
Messa in ricircolo della
biomassa
mediante pompa esterna
24
12 dicembre 2007 - Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP
Dati di partenza
pH
6.90
Concentrazione biomassa
0.11 g/l
Concentrazione di N-NO3
27.22 mg/l
Concentrazione di N-NH4
19.02 mg/l
Concentrazione di P-PO4
5.92 mg/l
La prima fase della durata di circa 7 giorni è stata caratterizzata
dall’adattamento della specie algale alle nuove condizioni
sperimentali e da una successiva crescita della biomassa.
Indice del corretto funzionamento del sistema è stato l’andamento
crescente del pH, da un valore iniziale di 6.5 a un valore di 8.06;
poiché il sistema non viene aerato, all’aumentare della biomassa
viene meno la fonte di carbonio sottoforma di CO2.
25
12 dicembre 2007 - Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP
La seconda fase, della durata di circa 2 mesi, ha riguardato
l’abbattimento dei nutrienti presenti nel refluo di alimentazione.
Abbattimento
campagna completa
completa N-NH34 [mg/l]
[mg/l]
Abbattimento
Abbattimentocampagna
campagna completaN-NO
P-PO4 [mg/l]
8-ott
1515-o ott
tt
1-ott
8-8-o
ot t t
t
24-set
1-1-o
ot t t
t
17-set
2424
-s-se
et t
10-set
1717
-s-se
et t
3-set
1010
-s-se
et t
2727
-a-a
gogo
5,000
20,000
15,000
4,000
15,000
3,000
10,000
10,000
2,000
5,000
1,000
5,000
0,000
0,000
0,000
27-ago
3-3-s
se e
tt
conc
4 [mg/l]
concN-NH
[mg/l]
N-NO
conc P-PO4 3[mg/l]
25,000
30,000
7,000
25,000
6,000
20,000
15-ott
data
data
data
La campagna è stata suddivisa in cicli della durata di circa 7 giorni. Tale
suddivisione è avvenuta in corrispondenza di spurghi e successive
alimentazioni effettuati per garantire l’equilibrio del sistema.
26
12 dicembre 2007 - Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP
Dall’analisi dei dati raccolti durante l’intera campagna di sperimentazione
si è verificato che sono state raggiunte efficienze di abbattimento
dell’ordine di:
• 100% N-NH4
• 90% N-NO3
• 100% P-PO168
4
tempo
h

Abb di nitrati
Abb dei fosfati
Abb % N-NH4
Abb % N-NO3
conc. nutrienti [mg/l]
Abb. di
ammonio
Cinetiche di abbattimento [mg/l]
3,93 P-PO4
g N-NH4 / Kg biom d

8,54
g N-NO3 / Kg biom d

0,90
g P-PO4 / Kg biom d
giornaliero
100,00
%
giornaliero
2-ott-07
90,70
8,00
7,00
6,00
5,00
4,00
3,00
2,00
1,00
0,00
N-NH4
N-NO3
9-ott-07
%
data
Abb % P-PO4
giornaliero
100,00
%
Durante la sperimentazione non si è riscontrata crescita eccessiva di
biomassa in quanto il sistema biologico è stato tenuto in carenza di
nutrienti, la concentrazione massima raggiunta è stata di 0.27 g/l.
27
12 dicembre 2007 - Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP
Impianto air-lift a sviluppo verticale
Diametro interno downcomer
80 mm
Diametro interno riser
35 mm
Altezza reattore (esclusa la zona
di separazione)
1640 mm
Altezza riser
1350 mm
Volume di lavoro
9.5 l
Modalità illuminazione
luce naturale
Messa in ricircolo della
biomassa
mediante air-lift con immissione
aria a bolle
28
12 dicembre 2007 - Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP
Dati di partenza
pH
7.33
Concentrazione biomassa
0.017 g/l
Concentrazione di N-NO3
5.49 mg/l
Concentrazione di N-NH4
9.15 mg/l
Concentrazione di P-PO4
0.19 mg/l
Per quanto riguarda la gestione dell’impianto a sviluppo verticale si sono
adoperate le stesse modalità operative dell’impianto precedentemente
descritto. Anche in questo caso la fase di adattamento della biomassa è
stata della durata di circa 7 giorni. L’andamento crescente del pH
conferma il buon funzionamento del sistema.
29
12 dicembre 2007 - Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP
La seconda fase, della durata di circa 2 mesi, ha riguardato
l’abbattimento dei nutrienti presenti nel refluo di alimentazione.
1-o1
tt-o
tt
13
1-o3
tt-o
tt
15
1-o5
tt-o
tt
17
1-o7
tt-o
tt
tt
9- 9
otto
9-ott
11
tt
t
5- 5
ot-o
t t
2-ott
7- 7
ot-o
t
t
252
-s5-s
et e
t
272
-s7-s
et e
t
0,000
25-set
3- 3
ot-o
t t
0,000
1- 1
ot-o
t tt
10,000
0,400
7,000
0,350
6,000
8,000
0,300
5,000
0,250
4,000
6,000
0,200
3,000
0,150
4,000
2,000
0,100
1,000
2,000
0,050
0,000
292
-s9-s
et e
t
conc
4 [mg/l]
[mg/l]
conc
N-NO
concN-NH
P-PO
4 3 [mg/l]
Abbattimento
completaN-NO
N-NH
[mg/l]
4
[mg/l]
P-PO
completa
campagna
Abbattimento
campagna completa
Abbattimentocampagna
34[mg/l]
16-ott
data
data
data
La campagna è stata suddivisa in cicli della durata di circa 7 giorni. Tale
suddivisione è avvenuta in corrispondenza di spurghi e successive
alimentazioni effettuati per garantire l’equilibrio del sistema.
30
12 dicembre 2007 - Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP
In questa tipologia impiantistica si sono raggiunte
efficienze di abbattimento di circa:
• 93 % N-NH4
• 2 % N-NO3
• 100% P-PO4
Cinetiche di abbattimento [mg/l]
tempo
168
N-NH4
Abb. di
ammonio
10,00
N-NO3
h
P-PO4
17,18
g N-NH4 / Kg biom d
Abb. di nitrati

0,22
g N-NO3 / Kg biom d
Abb. dei fosfati

0,38
g P-PO4 / Kg biom d
Abb. % N-NH
giornaliero
93,33
%
conc. nutrienti [mg/l]

9,00
8,00
7,00
6,00
5,00
4,00
3,00
2,00
1,00
4
0,00
2-ott-07
Abb. % N-NO3
giornaliero
Abb. % P-PO4
giornaliero
9-ott-07
data
1,95
%
100,00
%
31
12 dicembre 2007 - Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP
Analogamente presso i laboratori del DICheP si è proceduto ad una
sperimentazione in batch con la stessa coltura algale e lo stesso refluo di
alimentazione. Essa ha riguardato un fermentatore di capacità 5 l, dotato
di agitazione a 170 rpm e di insufflazione di CO2 mediante elettrovalvola
automatizzata che attacca a valori di pH superiori a 8.2 e stacca a valori
inferiori a 6.5.
32
12 dicembre 2007 - Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP
Per una valutazione più approfondita delle cinetiche di rimozione si sono
effettuate stime orarie delle concentrazioni dei nutrienti. Abbattimenti
pressocchè totali sono stati raggiunti in sei ore.
Cinetica
abbattimento
P-PO
Cinetica
abbattimento
N-NO
[mg/l]
4
3 [mg/l]
Cinetica
abbattimento N-NH
4 [mg/l]
2,000
16,000
1,800
20,000
14,000
1,600
12,000
1,400
15,000
10,000
1,200
6
h
Abb. % N-NH4
98.51
%
87.94
%
conc
concN-NO
[mg/l]
P-PO34[mg/l]
conc N-NH4 [mg/l]
tempo
1,000
10,000
8,000
0,800
6,000
Abb.
% N-NO3
5,000
0,600
4,000
0,400
0,000
0,200
2,000
Abb. 0,000
% P-PO4
11,30
0,000
11,30
11,30
98.55
13,30
13,30
13,30
15,30
h.h.
h.
15,30
15,30
%
17,30
17,30
17,30
33
12 dicembre 2007 - Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP
E’ stata inoltre stimata quotidianamente la biomassa algale, che ha
raggiunto un valore massimo di 1.112 g/l. La crescita della biomassa è
stata valutata in funzione del tasso specifico di crescita nella fase
esponenziale.
Tale tasso è espresso dalla seguente relazione:
µ = ln C/C0* 1/t
dove:
µ = tasso specifico esponenziale di crescita della biomassa espresso in
giorni-1
C = concentrazione di biomassa espressa in milligrammi/litro
C0 = concentrazione iniziale di biomassa espressa in milligrammi/litro
t = tempo di generazione espresso in giorni.
Il valore massimo di tale tasso è stato 0.324 giorni-1.
34
12 dicembre 2007 - Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP
Si può concludere che entrambi le tipologie impiantistiche risultano
valide ed efficienti per l’abbattimento dei nutrienti, pur presentando dei
limiti di gestione che potrebbero essere superati effettuando nuove
sperimentazioni. A tale riguardo sarebbe necessario prevedere
alimentazioni in continuo del refluo agli impianti.
Per quanto riguardo la produzione di biomassa gli impianti non sono stati
particolarmente efficienti a causa della bassa concentrazione di nutrienti
nel refluo di alimentazione proveniente dal sedimentatore secondario.
E’ attualmente in atto una fase riguardante l’ottimizzazione del
contenuto lipidico dell’alga, anche cambiando la specie algale in uso,
così da poter verificare la possibilità di estrarre biodiesel o
combustibili alternativi dalla biomassa algale.
35
12 dicembre 2007 - Incontri del Dottorato di Ingegneria Chimica e dei Materiali – DICHeP