Applicazione del processo biologico Anamox per la rimozione dell'azoto da digestati agro-zootecnici

The present work is part of a broader research project of the Department of Civil and Environmental Engineering at the Politecnico di Milano called BRAIN ( Biotechnology for the Reduction of nitrogen from the digestate with innovative processes ) . It is intended to demonstrate the technical and economic feasibility of a biological process that takes advantage of advanced biomass anaerobic ammonium - oxidizing anammox ( anaerobic oxidation Amonium ) to remove the ammonia from the liquid fraction of the digestate . In particular, this project proposes the fully autotrophic of the liquid fraction resulting from the anaerobic digestion of agricultural and livestock wastewater ( effluent pig , poultry waste and corn ) through a two-stage reactor configuration :a reactor SBR ( Sequencing Batch Reactor) by partial oxidation of autotrophic biomass ( PARNIT , Partial nitrification ) that converts about 50% of ammonium to nitrite ( final report about 1:1 ) and a second reactor type SBR , containing autotrophic biomass anammox ammonium oxidizing able to produce molecular nitrogen from ammonium and nitrite . The specific objectives of this study can be summarized in the following points : • Management and monitoring of a laboratory reactor SBR with anammox process at different operative conditions , as a model for the pilot reactor, with the aim to simplify the process and make it applicable to a wider scale ; • development and application of a test protocol in batch -type gauge to evaluate the inhibition of substrates or substances contained in the influential that may interfere with the activity of anammox microbial component .In previous work of the thesis SBR reactor laboratory has been tested in different conditions of feeding, with dilutions starting from 25 % up to reach 100% in the course of nine months. This experimental work has been included in the research phase that came to an end and we have operated under conditions of matrix PARNIT undiluted . From the daily monitoring of the concentrations of the substrates , volatile suspended solids and COD in incoming and outgoing from the reactor in sequence of steps , we were able to derive important information about the feasibility of the process in view of a full-scale application : after an acclimatization time more or less variable , depending on the dilution, the autotrophic biomass anammox has shown suitable to treat effluent from digestates agro- zootechnical with percentages of removal averages of 97%. In addition to the various management activities of the SBR reactor laboratory , were set up and monitored manometric tests in bottles equipped with a head OxiTop ® can detect the variation of pressure. This method allows easier management and control compared to laboratory testing , with the reactors in continuous , because of the simplicity of the apparatus is both the conduction of the tests . With the OxiTop ® we evaluated a number of possible interactions between substances in the real matrix and activity of anammox biomass . More specifically, there are 3 different types of tests carried out . The first was to assess the interaction between the activity of the anammox biomass at different dilution conditions of the real matrix , presenting a smaller scale the progression already followed with the SBR reactor laboratory .The analytical results have shown that , as occurred in the laboratory reactor , the increase in the percentage of influential real corresponds to a proportional decrease of microbial activity , 33% for matric real 75 % and 77% for the real matrix 100 % . The second test was designed to evaluate separately the type of activity of the bacterial biomass contained in the SBR reactor laboratory activities separately anammox and heterotrophic denitrifying activity (with the addition of external carbon ) with the intent to provide an estimate of the percentage of the two types of biomass present. Analysis have allowed to establish a presence of activity to that autotrophic anammox heterotrophic contextual variable in function of the organic carbon present in the matrix PARNIT . Finally, inhibition tests were carried out to shock salt , NaCl , at different concentrations using two biomass of autotrophic anammox type acclimatized and not with respect to the salt content . The result of this test showed that the anammox biomass show an inhibition variable with respect to the salt concentration contained in the influential . In particular, for a biomass anammox , acclimated to saline waste , the reduction of activity is less pronounced compared to a non- acclimatized biomass for which the shock saline has caused the inhibition activity of 80% over two days . This aspect confirms that the anammox biomass for use at a large scale has the need to be acclimatized compared to real wastewater influential.

Il presente lavoro di tesi si inserisce in un più ampio progetto di ricerca del Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale del Politecnico di Milano denominato BRAIN (Biotecnologie per la Riduzione dell'Azoto dai digestati con processi INnovativi). Esso ha come obiettivo quello di dimostrare la fattibilità tecnica ed economica di un processo biologico avanzato che sfrutta la biomassa anaerobica ammonio-ossidante anammox (ANaerobic AMonium OXidation) per rimuovere l'azoto ammoniacale dalla frazione liquida dei digestati. In particolare, questo progetto propone il trattamento completamente autotrofo della frazione liquida derivante dalla digestione anaerobica di un refluo agro-zootecnico (refluo suinicolo, pollina e scarti di mais) tramite una configurazione di reattori a doppio stadio: • un reattore SBR (Sequencing Batch Reactor ) di ossidazione parziale ad opera di biomassa autotrofa (PARNIT, PARtial NITrification ) che converte il 50% circa dell’ammonio in nitrito (rapporto finale circa 1:1).; • un secondo reattore di tipo SBR, contenente biomassa autotrofa anammox ammonio ossidante in grado di produrre azoto molecolare a partire da ammonio e nitrito. Gli obiettivi specifici del presente studio possono essere riassunti nei seguenti punti: • Gestione e monitoraggio di un reattore di laboratorio SBR con processo anammox a diverse condizioni di alimentazione, come modello per il reattore pilota in campo, con lo scopo di semplificare il processo e renderlo applicabile a più ampia scala; • messa a punto ed applicazione di un protocollo di prova in batch di tipo manometrico per valutare l’inibizione di substrati o sostanze contenute nell’influente che possano interferire con l’attività della componente microbica anammox. Nel corso di precedenti lavori di tesi il reattore SBR di laboratorio è stato testato in diverse condizioni di alimentazione, con diluizioni a partire dal 25% fino a giungere al 100% nel corso di nove mesi. Il presente lavoro sperimentale si è inserito nella fase di ricerca che giungeva al termine e si è operato in condizioni di matrice PARNIT non diluita. Dal monitoraggio quotidiano delle concentrazioni dei substrati, solidi sospesi volatili e COD in entrata ed in uscita dal reattore a sequenza di fasi, si sono potute trarre importanti indicazioni circa la fattibilità del processo in vista di una applicazione a piena scala: dopo un tempo di acclimatazione più o meno variabile, a seconda della diluizione, la biomassa autotrofa anammox si è mostrata adatta a trattare reflui da digestati agro-zootecnici con percentuali di rimozione medie del 97%. In aggiunta alle diverse attività di gestione del reattore SBR di laboratorio, sono state allestite e monitorate delle prove manometriche in bottiglie equipaggiate con una testa Oxitop® in grado di rilevare la variazione di pressione. Questa metodica permette una più semplice gestione e controllo rispetto alle prove di laboratorio, con i reattori in continuo, proprio per la semplicità sia dell’apparato sia della conduzione delle prove. Con il sistema Oxitop® si sono valutate alcune possibili interazioni fra le sostanze contenute nella matrice reale e l’attività della biomassa anammox. Nello specifico si sono effettuate 3 diverse tipologie di prove. La prima era volta a valutare l’interazione tra l’attività della biomassa anammox a diverse condizioni di diluizione della matrice reale, riproponendo in scala minore la progressione già seguita con il reattore SBR da laboratorio. I risultati analitici hanno mostrato come, così come avvenuto nel reattore di laboratorio, all’aumento della percentuale di influente reale corrisponda una proporzionale diminuzione dell’attività microbica, pari al 33% per matric reale al 75% e del 77% per matrice reale al 100%. La seconda prova aveva l’obiettivo di valutare separatamente la tipologia di attività batterica della biomassa contenuta nel reattore SBR di laboratorio; separatamente attività anammox ed attività eterotrofa denitrificante (con aggiunta di carbonio esterno) con l’intento di fornire una stima della percentuale delle due tipologie di biomassa presente.Analisi hanno permesso di stabilire una presenza di attività eterotrofa contestuale a quella autotrofa anammox variabile in funzione del carbonio organico presente nella matrice PARNIT.Infine sono state svolte prove di inibizione da shock salino, con NaCl, a diverse concentrazioni utilizzando due biomasse autotrofe di tipo anammox acclimatate e non rispetto al contenuto salino. Il risultato di questa prova ha mostrato come la biomassa anammox mostri una inibizione variabile rispetto alla concentrazione salina contenuta nell’influente. In particolare per una biomassa anammox, acclimatata a reflui salini, la riduzione di attività risulta meno marcata rispetto ad una biomassa non acclimatata per la quale lo shock salino ha provocato l’inibizione dell’80% dell’attività nell’arco di due giorni. Questo aspetto conferma che la biomassa anammox per un impiego ad ampia scala ha la necessità di essere acclimatata rispetto al refluo reale influente.