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Per Nitrificazione si intende l'ossidazione dei composti inorganici dell'azoto allo stato ridotto, svolta da batteri autotrofi, in grado cioe' di utilizzare per la sintesi cellulare carbonio inorganico (CO2) e di trarre l'energia necessaria alla crescita e al metabolismo dall'ossidazione dell'ammoniaca e poi dei nitriti usando l'ossigeno libero come accettore di elettroni. Risultano di particolare interesse i batteri del genere Nitrosomonas, per l'ossidazione dell'ammoniaca a nitriti, e del genere Nitrobacter per l'ossidazione dei nitriti a nitrati.
Parte dell'azoto e' anche richiesto per la sintesi batterica sia dei Nitrosomonas che dei Nitrobacter.
Dall'osservazione di questa espressione si possono ricavare le seguenti considerazioni:
1. La sintesi di organismi nitrificanti e' piuttosto limitata, in rapporto ai quantitativi di ammoniaca ossidati: si ricava 0,1695 g di biomassa per ogni grammo di NH4 ossidato.
2. E' necessaria una considerevole disponibilita' di ossigeno libero.
3. Nel corso del processo si ha distruzione di alcalinita' con produzione di acido carbonico.
Per ogni grammo di NH4 ossidato si distruggono 8,62 g di HCO3 (che equivale a 7,07 g di CaCO3).
Conseguentemente si ha una tendenza all'abbassamento del pH, quando l'alcalinità iniziale dell'acqua da trattare non sia sufficientemente elevata per tamponare l'acidità prodotta durante la nitrificazione.
La velocità di ossidazione dell’ammoniaca, dovuta ai Nitrosomonas, in assenza di fattori limitanti, è assai minore rispetto a quella dei Nitrobacter nell’ossidazione dei nitriti a nitrati.
Il processo di denitrificazione permette la rimozione dei composti dell'azoto presenti in soluzione sotto forma di NO3(e in parte di NO2) ad opera di batteri eterotrofi facoltativi denitrificanti che sono in grado di convertire queste sostanze ad azoto gassoso che si libera quindi nell'atmosfera.
La denitrificazione e' operata da batteri eterotrofi facoltativi che, se posti in condizioni di anossia (cioe' in assenza di ossigeno disciolto), sono in grado di ossidare il substrato carbonioso organico utilizzando i nitrati invece dell'O2, producendo azoto gassoso come catabolita.
Si parla di anossia e non di anaerobiosi poiche' le vie biochimiche del trasporto di elettroni nei batteri denitrificanti sembrano essere le stesse che per l'O2 tranne per un solo enzima; proprio per questo tali batteri possono utilizzare indifferentemente O2 e NO3 come accettori finali di elettroni a seconda dell'ambiente in cui si trovano, senza rilevanti difficolta' di acclimatazione.
Tra i due, la preferenza e' comunque a favore dell'ossigeno, poiche' esso garantisce una maggiore resa energetica: la denitrificazione dissimilatoria di 1 mole di glucosio produce 570 kcal mentre la respirazione aerobica produce 686 kcal.
Il processo di denitrificazione si deve pertanto svolgere in condizioni rigorosamente anossiche, almeno nel microambiente circostante i batteri.
Quando i nitrati vengono utilizzati come accettori di elettroni, essi equivalgono a 2.86 mg di ossigeno. Per la nitrificazione vengono richiesti 4.57 mgO/mgN mentre con la denitrificazione vengono recuperati 2.86 mgO/mgN. Rispetto ai batteri nitrificanti che sono rappresentati principalmente da due soli ceppi batterici, i denitrificanti sono di diversi tipi: Pseudomonas, Micrococcus, Archromobacter, Bacillus, Alcaligens; questi tipi di batteri sono in grado di attuare una conversione completa di NO3 a N2.
Altri tipi di batteri invece, quali Aerobacter, Proteus, Flavobacterium, compiono solo il primo stadio della denitrificazione convertendo NO3 a NO2.
Bisogna sottolineare che la maggior parte dell'azoto, oltre il 90% del totale, viene rimosso dalla denitrificazione dissimilatoria (cioè conseguente alla respirazione batterica), mentre il contributo assimilatorio (cioè legato alla sintesi di nuova biomassa) è molto modesto (circa il 4-10%).
In seguito alla reazione di denitrificazione, si ha una produzione stechiometrica di 3,57 mg di alcalinita' espressa come CaCO3 per mg di NO3. Per questo motivo, durante il processo di denitrificazione, si assiste in genere ad un aumento del pH; questo comportamento e opposto rispetto al calo di pH che si rileva durante la nitrificazione, ma i due contributi non si pareggiano, in quanto la perdita di alcalinita' per la rimozione dell'ammoniaca (7,14 mg CaCO3) e maggiore della frazione che viene recuperata con la denitrificazione (3,57 mg CaCO3).
Per permettere il realizzarsi del processo di denitrificazione occorre mantenere una leggera miscelazione della miscela senza però favorire l’ossigenazione della biomassa (tramite l’adozione di miscelatori lenti). L’eventuale presenza di ossigeno disciolto, infatti, determina il consumo del substrato carbonioso senza riduzione dei nitrati, in quanto l’ossigeno costituisce una alternativa preferenziale come accettore di elettroni.
I principali fattori che influenzano il processo di denitrificazione sono legati sia al substrato utilizzato nella reazione biologica, sia alle condizioni fisico-ambientali in cui la trasformazione si sviluppa. Essi sono:
1. la natura del substrato carbonioso alimentato;
2. la temperatura;
3. il pH;
4. la concentrazione di ossigeno disciolto.
L'influenza del pH sull'attività dei batteri denitrificanti si fa sentire marcatamente per valori inferiori a 7,0, mentre per valori alti, anche fino a 9,0, non sembra influenzare molto il processo biologico: il campo ottimale è comunque compreso tra pH 7,8 e 9,1 e per valori oltre gli estremi si verifica un calo repentino nell'efficienza del processo biologico.
Il valore del pH sembra influire sui prodotti finali della reazione di denitrificazione: per pH < 7,3 si può riscontrare un incremento della concentrazione di nitriti nell'effluente finale.