ITRM20110468A1 - Dispositivo per la determinazione automatica in tempo reale della tossicità aspecifica di un substrato liquido organico . - Google Patents

Description

Dispositivo per la determinazione automatica in tempo reale della tossicità aspecifica di un substrato liquido organico

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un dispositivo per la determinazione automatica in tempo reale della tossicità aspecifica di un substrato liquido organico, in particolare acque di rifiuto industriale.

Stato della tecnica

International Journal of Chemical Reactor Engineering Vol.1 (2003, Pernetti, Di Palma, Merli) descrive un procedimento per la determinazione in tempo reale della tossicità in reattori a biomassa attivata utilizzati nei trattamenti secondari di acque di rifiuto industriali. Il procedimento descritto, applicato su scala di laboratorio, prevede l’utilizzo della respirometria attraverso ripetute misure OUR (Oxygen Uptake Rate o tasso di assorbimento di ossigeno).

Lo svantaggio dell’insegnamento di tale documento, comune del resto alle altre realizzazioni dello stato della tecnica precedente, à ̈ costituito dall’impossibilità di valutare in tempo reale con sufficiente precisione ed accuratezza la presenza di sostanze tossiche in un substrato costituente l’alimentazione in continuo di una biomassa, substrato in cui sono presenti contaminanti di varia origine non determinabile a priori. E’ chiaro che se dette sostanze tossiche vengono a contatto con la biomassa, per un certo tempo ed essendo presenti in una certa concentrazione, possono determinarne la “morte†della biomassa stessa ed essa di conseguenza non può più utilizzare il substrato. Ciò ha particolare rilevanza nel caso in cui il fine sia quello di fornire alla biomassa l’alimentazione per la crescita e per il suo fabbisogno di energia in presenza di ossigeno per ottenere la scomparsa del substrato stesso con produzione di biomassa, ad esempio nei trattamenti secondari di acque di rifiuto industriali.

Soltanto monitorando la qualità del substrato di alimentazione in continuo, attraverso un sistema che sia sensibile alla eventuale imprevista presenza di sostanze tossiche e dia risposte in tempo reale, sarà possibile interrompere l’alimentazione ed evitare la distruzione di tutta la biomassa presente nel reattore. Poiché, come detto, le sostanze tossiche presenti possono essere le più diverse ed estremamente numerose, à ̈ impensabile il dosaggio simultaneo automatico in tempo reale di un così grande numero di sostanze tossiche diverse ed à ̈ perciò necessario disporre di un sistema che sia in grado di rilevare la tossicità di tutte le sostanze eventualmente presenti ossia di “leggere†quella che viene definita la tossicità “aspecifica†.

E’ stato ora sorprendentemente trovato che un dispositivo che opera su un aliquota della biomassa attivata e utilizza tecniche di respirometria può risolvere il problema della presente invenzione, rilevando quindi in tempo reale la tossicità “aspecifica†delle sostanze addotte alla biomassa.

Forma pertanto oggetto della presente invenzione il dispositivo di cui alla rivendicazione 1 e seguenti.

Breve descrizione delle figure

Alla presente descrizione sono allegate due figure che mostrano:

la Figura 1 una vista schematica del dispositivo secondo l’invenzione e

la Figura 2 un grafico che mostra l’andamento dell’utilizzo di ossigeno da parte della biomassa in funzione del tempo per tre diversi liquidi.

E’ stato trovato che il sensore più appropriato per verificare la presenza di questa tossicità aspecifica à ̈ la biomassa stessa che à ̈ presente in grande quantità nel reattore industriale, alimentato in continuo con il substrato da tenere sotto controllo. E’ necessario perciò poter misurare il grado di “vitalità†della biomassa tenuta a contatto con il substrato alimentato. Ciò à ̈ possibile in quanto la vitalità di una biomassa à ̈ segnalata dalla sua capacità di respirazione ossia della quantità di ossigeno che viene utilizzata nell’unità di tempo per l’unità di peso di biomassa presente o meglio dalla velocità con cui l’ossigeno à ̈ sottratto alla soluzione dalla biomassa per la sua respirazione appunto. Tale indice, denominato SOUR (specific oxygen uptake rate), consente pertanto non solo di determinare le condizioni (concentrazione e tempo di somministrazione del tossico venuto a contatto con la biomassa) per cui si avrà la “morte†dei batteri presenti, ossia vitalità zero, ma anche le eventuali condizioni intermedie si sofferenza “cronica†e di inattivazione parziale della biomassa stessa o comunque di un livello di soglia prefissato che garantisce una vitalità sufficiente alla biomassa per depurare il substrato.

L’innovazione consiste pertanto nella realizzazione di una unità compatta che utilizza come sensore la stessa biomassa da preservare da fenomeni di tossicità, mettendola a contatto periodicamente (con la frequenza necessaria) ed automaticamente con il substrato alimentato, di cui si debba monitorare l’eventuale effetto negativo sulla vitalità della biomassa stessa, peraltro dovuto al contenuto di sostanze tossiche di qualsiasi tipo e natura; misurando in tempo reale tale effetto attraverso la semplice misura ed elaborazione automatica dei valori dell’ossigeno disciolto inizialmente presente, si può ottenerne appunto la velocità di scomparsa dell’ossigeno e dedurne la vitalità della biomassa stessa e risalire conseguentemente alla tossicità aspecifica del substrato. Va notato come nel dispositivo secondo l’invenzione la misura di tossicità aspecifica avviene solo su un’aliquota di biomassa prelevata dal reattore che la contiene. Nell’ambito della presente invenzione, con l’espressione biomassa attivata si intende un insieme di microrganismi in grado di utilizzare per la crescita il substrato da depurare.

Descrizione dell’invenzione

Con riferimento alla figura 1 verrà ora descritto il dispositivo secondo l’invenzione. Il dispositivo à ̈ racchiuso in un contenitore indicato con O provvisto di un coperchio N a tenuta ermetica. Vantaggiosamente il contenitore à ̈ realizzato in materiale trasparente (vetro, plastica) e preferibilmente presenta un diametro di 200 mm e una capacità di 2 litri. Il dispositivo à ̈ provvisto di tre ingressi: A per il substrato da misurare (rifiuto liquido inquinante o, nella fase di calibrazione, acqua declorata), B per la biomassa (prelevata da un reattore esterno al dispositivo) che funge da mezzo di misura e F per l’ossigeno e,o per l’aria; quest’ultimo ingresso à ̈ vantaggiosamente realizzato sotto forma di una molteplicità di diffusori preferibilmente disposti in modo simmetrico (questa realizzazione non à ̈ mostrata in figura 1). L’ingresso A à ̈ collegato con l’interno del dispositivo attraverso un tubo D mentre l’ingresso B à ̈ collegato attraverso un tubo C per portare rispettivamente substrato (o liquido di calibrazione) e biomassa all’interno del dispositivo. Ciascuna valvola coopera con una rispettiva pompa per lo spostamento dei liquidi (non mostrate); dete pompe possono essere pompe volumetriche o dosatrici. Sono previsti due sensori E e G, rispettivamente per la misura del livello di liquido all’interno del dispositivo e per valutare il consumo di ossigeno, una valvola I di scarico e vantaggiosamente un agitatore L e mezzi H di lavaggio. Vantaggiosamente à ̈ previsto un secondo sensore M di livello. Il dispositivo secondo l’invenzione prevede anche un programma per il controllo e l’esecuzione delle varie operazioni e la registrazione dei dati rilevati.

La misura ha inizio con una fase di calibrazione: in particolare il reattore viene riempito in sequenza dapprima con un volume definito (ad esempio 500 ml) di biomassa che proviene da un reattore non mostrato) inserito attraverso l’ingresso B e il tubo C e di seguito, attraverso l’ingresso A e il tubo D, con un identico volume di acqua declorata. Non appena il reattore si riempie per circa metà volume, valore determinato dal sensore di livello E, vantaggiosamente una sonda ad ultrasuoni. L’alimentazione viene interrotta dal comando del sensore E di livello che può essere impostato in corrispondenza del livello assunto dalla prima aliquota di liquido introdotto e rispettivamente dalla somma dei due liquidi aggiunti (acqua e biomassa nella fase di calibrazione, substrato da analizzare e biomassa nella fase di misura). Il programma di esecuzione dell’analisi fa partire l’introduzione di aria attraverso F per un periodo di tempo predeterminato (ad esempio un minuto) e avvia l’agitazione.

Trascorso tale periodo il programma interrompe l’introduzione di aria e automaticamente attiva la lettura sequenziale dei valori di ossigeno disciolto nel reattore con frequenza predeterminata, ad esempio una lettura ogni 5 secondi. Tale lettura avviene preferibilmente con utilizzo di elettrodi specifici. Il programma registra tali dati e ne determina la derivata in funzione del tempo dopo un intervallo tempo prestabilito t1ad esempio dopo 60 secondi a partire dal momento di interruzione del flusso o inizio delle letture. Il sistema provvede comunque a registrare dati per una durata prestabilita ad esempio 3 minuti archiviando l’andamento della concentrazione dell’ossigeno disciolto per tutto periodo ottenendo una curva standard dell’andamento di quella determinata biomassa. A registrazione dati ottenuta l’agitazione viene interrotta e il reattore viene scaricato tramite apertura e chiusura temporizzata della valvola di scarico e il ciclo può ricominciare. La medesima serie di sequenze viene ripetuta introducendo dall’ingresso A un volume predeterminato, ad esempio 500 ml, della soluzione in esame di cui deve essere determinata la biotossicità. Il valore della biotossicità risulterà inversamente proporzionale alla derivata della curva di decremento dell’ossigeno sempre nel punto dianzi definito (ad esempio dopo 60 secondi) sino a giungere all’estremo linite in cui la derivata tende a zero (nessun microrganismo vivo tossicità acuta). Quanto precede può essere evidenziato in figura 2 dove in corrispondenza del valore t1à ̈ evidente la differenza tra la derivata delle curve c1,c2e c3.. Il valore più elevato della derivata della curva c1, al punto t1denota un maggior consumo di ossigeno rispetto alla situazione rappresentata dalla curva c2e dunque una maggiore vitalità della biomassa che corrisponde ad una minore tossicità del substrato. La curva c3rappresenta il caso in cui non c’à ̈ consumo di ossigeno poiché nessun microrganismo à ̈ presente a causa della tossicità acuta del substrato. Secondo l’invenzione, al superamento di un prefissato valore di soglia della derivata della curva cn, curva ottenuta dalla operazione di calibrazione di una particolare biomassa, il sistema di controllo interrompe automaticamente l’ingresso di substrato da depurare all’interno del reattore che contiene biomassa.

Il sensore E di livello può svolgere una funzione esclusivamente di controllo/troppo pieno in una variante della presente invenzione in cui le quantità di biomassa e substrato da analizzare, o rispettivamente biomassa e acqua nella fase di calibrazione, vengono alimentate per un tempo definito mediante una pompa dosimetrica. Il dispositivo della presente invenzione può anche prevedere uno specifico sensore M di allarme di livello.

Il dispositivo secondo l’invenzione viene di norma impiegato in parallelo ad una tubazione di alimentazione di un substrato liquido da depurare utilizza un reattore contenente biomassa attiva e dispone di mezzi per l’interruzione dell’alimentazione del substrato liquido al reattore contenete biomassa quando il valore della tossicità del substrato aggiunto supera un predeterminato valore di soglia identificato dal valore della derivata del consumo di ossigeno.

Per illustrare i vantaggi del sistema proposto basti pensare alla estrema difficoltà di monitorare la tossicità di una alimentazione attraverso i dosaggio analitico di tutte le sostanze tossiche previste, con il rischio che nell’alimentazione siano anche presenti sostanze tossiche non preventivamente prevedibili, che perciò non vengono rilevate. Inoltre il possibile accadimento di fenomeni di mortalità della biomassa, non previsti in tempo utile ovvero subiti con danni parziali o reversibili, in quanto limitati nel tempo, può produrre danni economici assai consistenti in termini di mancata produzione e di ripristino del sistema per manutenzione straordinaria. La semplicità di gestione del sistema e la sua notevole flessibilità ed affidabilità ne aumentano ulteriormente la fruibilità, con costi di installazione e di esercizio assolutamente modesti, a confronto soprattutto con la gravità degli inconvenienti che possono essere evitati. La presente invenzione potrà trovare utile applicazione nei settori del controllo gestionale dei reattori biologici ed in particolare la salvaguardia dei reattori industriali a fanghi attivi dall’azione tossica di sostanze nocive presenti incidentalmente nel liquame di alimentazione, la cui presenza non può essere evidenziata in tempo reale per altra via. Al fine di mettere in evidenza gli aspetti di originalità dell’invenzione, si sottolineano alcune caratteristiche del sistema proposto.

1. Con l’impiego del dispositivo secondo l’invenzione à ̈ possibile monitorare in continuo la presenza di tossicità aspecifica in un reattore biologico.

2. In relazione al valore del segnale prodotto dall’apparecchio à ̈ possibile distinguere anche l’intensità dell’azione tossica di cui si à ̈ in presenza ossia se l’effetto à ̈ acuto (morte della biomassa) ovvero à ̈ di tipo cronico (per cui c’à ̈ da attendersi una progressiva perdita di vitalità della biomassa).

3. La specificità del test nei riguardi della biomassa da preservare à ̈ assicurata dalla utilizzazione di un elemento sensibile utilizzato per evidenziare l’azione tossica che à ̈ dello stesso tipo di quello presente nel reattore utilizzato, in quanto si prelevano piccole aliquote della biomassa del reattore stesso.

4. L’apparecchio fa la misura della vitalità della biomassa in presenza della sostanza tossica dopo un intervallo di “tempo di esposizione†ottimale, successivo alla messa in contatto della sostanza tossica stessa con la biomassa, che non era noto ed à ̈ il risultato della sperimentazione effettuata. 5. Ai fini della determinazione della vitalità della biomassa, il sistema di misurazione dell’ossigeno a fluorescenza applicato à ̈ innovativo misure con questa metodologia innovativa sono risultate di maggiore affidabilità e praticità rispetto al precedente, basato sull’impiego di membrana e misura amperometrica.

6. Le particolarità costruttive del sistema sono anch’esse innovative, non solo per il disegno della camera di reazione e misura e di tutti i componenti necessari per lo svolgimento delle fasi della determinazione del valore istantaneo dell’ossigeno disciolto, ma anche per la particolare sequenzialità delle fasi attuate automaticamente e soprattutto per il programma di elaborazione dei dati di ossigeno rilevati, tradotti in tempo reale in una velocità di respirazione e pertanto nella vitalità della biomassa a contatto con la soluzione eventualmente contenente la sostanza tossica. Inoltre, la biomassa à ̈ disponibile in situ.

7. La ripetibilità in automatico della misura, che viene rilevata in tempo reale, consente di utilizzare il sistema come strumento di misura e controllo ai fini della sicurezza dell’intero processo.

Il dispositivo secondo l’invenzione ha fornito una serie continua di valori di tossicità compresi tra zero e cento, che hanno consentito di intervenire in tempo reale per preservare la vitalità della biomassa e realizzare in tal modo assai significativi risparmi sugli oneri di ripristino del sistema biologico

Va rilevato inoltre, come il dispositivo dell’invenzione consente il conseguimento di obiettivi essenziali in termini di tutela dell’ambiente. Un sistema a fanghi attivi improvvisamente reso inattivo dalla inattesa e non rilevabile presenza di un tossico può determinare il superamento involontario dei limiti di accettabilità previsti allo scarico e produrre gravi conseguenze sul piano ambientale ed anche di carattere penale per gli operatori. Infatti, se il sistema di depurazione rimane improvvisamente disattivato e necessario riattivarlo al più presto, ma ciò comporta una sospensione dell’attività produttiva, che può perdurare sino a trenta giorni o più. I costi relativi sono evidentemente assai rilevanti. Se il sistema riesce a deviare il liquame tossico in ingresso in una vasca di accumulo temporaneo, il fenomeno può essere prevenuto e l’attività ordinaria può riprendere in tempi relativamente brevi, con l’unico onere consistente nello smaltimento del liquame tossico accumulato.

Le principali aree di applicazione sono rappresentate dal settore della gestione degli impianti di depurazione civili, consortili ed industriali, ove sia possibile la presenza, temporanea e non rilevabile, di sostanze tossiche nell’effluente di alimentazione.

La stesso tipo di problema può essere presente in tutto il settore delle biotecnologie, ove la presenza sostanze tossiche che fossero inavvertitamente presenti nel substrato può determinare effetti negativi nel processo.

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo per la determinazione della tossicità aspecifica di un substrato organico liquido che viene addotto da addurre in continuo ad un reattore a biomassa attivata per la depurazione, comprendente in collegamento di fluido: a. un contenitore provvisto di coperchio a tenuta ermetica; b. una molteplicità di valvole per addurre aliquote di substrato e, o di liquido di calibrazione e,o di biomassa [secondo quanto indicato sembra che la biomassa, entrando attraverso un tubo sia liquida] in detto contenitore, ciascuna di dette valvole cooperando con un rispettivo tubo di adduzione all’interno di detto contenitore e una rispettiva pompa per lo spostamento dei liquidi; c. un sensore della tossicità aspecifica; d. almeno una valvola di immissione di ossigeno e, o aria all’interno di detto contenitore; e. almeno un sensore di livello del liquido contenuto in detto contenitore; f. almeno un sensore della presenza di ossigeno; g. almeno una valvola di scarico. h. mezzi di controllo e regolazione caratterizzato dal fatto che detta biomassa attivata à ̈ costituita da un insieme di microorganismi capaci di utilizzare per la crescita detto substrato e che detto sensore della tossicità aspecifica opera su una aliquota di detta biomassa prelevata in continuo da detto reattore con tecniche di respirometria.
2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui detta almeno una valvola coopera con un diffusore per l’ossigeno.
3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, in cui sono presenti sono presenti più valvole con rispettivi diffusori simmetricamente disposti all’interno di detto contenitore.
4. 4. Dispositivo secondo almeno una delle rivendicazioni precedenti comprendente inoltre un agitatore e/o mezzi di lavaggio.
5. 5. Dispositivo secondo almeno una delle rivendicazioni precedenti, in cui dette tecniche di respirometria prevedono l’individuazione del valore massimo di diminuzione della velocità di respirazione della biomassa e la realizzazione della misura di respirometria al di sotto di quel valore ad un valore prescelto per valutare il livello di tossicità richiesto del substrato.
6. 6. Dispositivo secondo almeno una delle rivendicazioni precedenti, in cui detto almeno un sensore per l’ossigeno comprende sensori dell’ossigeno a fluorescenza.
7. 7. Dispositivo secondo almeno una delle rivendicazioni precedenti per la determinazione della tossicità aspecifica di acque di rifiuto industriale.
8. 8. Dispositivo secondo almeno una delle rivendicazioni precedenti in cui detta pompa à ̈ una pompa volumetrica o dosimetrica.