Newsgroup: it.hobby.acquari
Titolo: Spunti per una discussione sui filtri denitrificatori

Constatato il fermento che in questo newsgroup pare ci sia attualmente
attorno i filtri bio-denitrificatori (a proposito in italiano sarebbe piu'
corretto dire cosi' e non biodenitratori) anche fatti in casa, volevo
approfondire il discorso facendo qualche conto ed alcune considerazioni
progettuali, principalmente allo scopo di fornire spunti per ulteriori
discussioni.
Naturalmente nei conti che seguono verranno fatte molte ipotesi
semplificative, ma i risultati che si cerchera' di ottenere daranno
comunque modo di apprezzare quali sono i parametri importanti e di avere
una stima del valore degli stessi.
Si ipotizzi percio' di avere una vasca di 250 litri e di volere abbassare
la concentrazione dei nitrati in essa da 30 mg/l a 10 mg/l in un mese
attraverso l'uso di un filtro denitrificatore. Per il momento supponiamo
inoltre che in questo mese non vi siano apporti esterni di nitrati, salvo
poi fare alcune considerazioni su questo punto.
Dunque la quantita' di nitrati da trasformare in un mese e' di:
(30-10) x 250 = 5000 mg di nitrati/mese = 6,9 mg/h
Questo valore va' confrontato con la quantita' di nitrati che derivano
dalla trasformazione del carico organico (cibo ed altro) introdotto. Ad
esempio se si osserva che in un mese, senza filtro e cambi d'acqua, la
concentrazione di nitrati tende ad aumentare di 10 mg/l, significa che ogni
mese vengono aggiunti 10 x 250=2500 mg/mese di nitrati. Se questo valore e'
superiore a quanto il filtro e' in grado di trattare (capacita' del filtro)
occorrera' comunque procedere a cambi di acqua, ma con frequenza minore che
senza filtro, oppure aggiungere (in parallelo) un altro filtro. Nel caso in
cui questo valore sia inferiore alla capacita' del filtro viceversa i
nitrati rimarranno comunque bassi.
Si prenda dunque il valore di 5000 mg/mese di nitrati come quantita' di
nitrati che il filtro dovra' essere in grado di trattare, cioe' come
capacita' di progetto del filtro.
Se utilizziamo un filtro capace di trasformare quasi completamente i
nitrati che entrano (cioe' con conversione praticamente completa dei
nitrati), la portata Q che il filtro dovra' trattare inizialmente e' di 
Q=6,94/(30-0)=0,23 l/h . Nell'equazione precedente si e' supposto che i
nitrati entrino con concentrazione di 30 mg/l ed escano con concentrazione
molto bassa (circa 0). Se nel tempo la concentrazione di nitrati nella
vasca cala e si vuole mantenere costante la quantita' trattata, la portata
potrebbe anche crescere, ma come dato di partenza e per gli scopi che ci
siamo prefissi, puo' essere interessante fare riferimento solo al valore
appena ottenuto. Inoltre queste sono le condizioni in cui il filtro deve
lavorare in condizioni piu' sfavorevoli (concentrazione alta di nitrati in
ingresso e portata bassa in ingresso) e percio' il calcolo verra' fatto
riferendosi a queste condizioni.
Qui ora viene il difficile. A questo punto, per calcolare il volume del
filtro, occorrerebbe conoscere la velocita' di trasformazione dei nitrati
per unita' di volume. Questa grandezza dipende da diversi fattori quali:
1) 	concentrazione di batteri nel filtro. Questa sara' massima a filtro
maturo e dipende anche dalla quantita' di "cibo" che si alimenta. (Si e'
gia discusso in messaggi precedenti su  cosa si intende per "cibo" dei
batteri.)
2) 	temtemperatura (approssimativamente temperature ottimali dovrebbero
essere dai 30 ai 35 °C, temperature oltre 40 ° potrebbero nuocere ai
batteri, con temperature inferiori la loro attivita' e' ridotta)
3) 	pH (sembra che il pH ottimale sia attorno a 7)
4) 	concentrazione di ossigeno (attenzione siamo in ambiente anaerobico, ma
non completamente anaerobico. Infatti alcuni sostengono che se la
concentrazione di ossigeno scende abbastanza sotto il valore di 0.5 ppm si
ha la trasformazione indesiderata dei solfati in idrogeno solforato, mentre
la concentrazione ottimale di ossigeno per la denitrificazione dovrebbe
essere bassa ma compresa tra 0.5 ed 1 ppm.)
5) 	concentrazione dei reagenti cioe' dei nitrati.
6) 	altri che ora mi sfuggono.
Dunque vi e' una grande incertezza nel determinare questo valore, anche
perche' i dati disponibili nei libri e negli articoli su riviste sembrano
essere molto pochi,  tuttavia, per quanto riguarda gli impianti di
denitrificazione di acque reflue, in genere si accetta che il tempo di
permanenza medio all'interno della vasca di denitrificazione sia di 1-3 h.
Questo e' un dato sicuramente piuttosto incerto perche' i tipi di impianti
sono abbastanza diversi e per altri motivi, ma puo' essere comunque una
base di partenza per lo scopo che ci si e' prefisso che e' quello di
ottenere semplicemente una stima.
Verra' assunto percio' un valore del tempo di permanenza medio all'interno
del filtro tr di 1,5 h, che tra l'altro non mi pare si discosti molto dai
valori che si ottengono alle condizioni operative consigliate con alcuni
filtri denitrificatori commerciali per acquari (tempo di permanenza=Volume
del filtro/Portata in volume).
Il volume V diventa percio'  V=tr x Q=1,5 x 0,23 = 0,35 litri=350 ml
Questo e' il volume che il filtro dovrebbe avere se:
a) 	tutto il filtro fosse colonizzato in maniera efficiente dai batteri;
b) 	il flusso al suo interno consentisse di sfruttare in modo efficiente
tutto il volume.
Se queste condizioni non sono rispettate, il volume del filtro deve essere
molto superiore, od, in altre parole, non tutto il volume viene sfruttato
in maniera efficace per la trasformazione dei nitrati. Si puo' cioe'
ovviare alla bassa efficienza con cui viene utilizzato il volume del filtro
sovradimensionandolo di brutto, ma nel caso dei filtri denitrificatori
sovradimensionare puo' portare a volumi non accettabili dal punto di vista
pratico. 
Vediamo ora quali sono i mezzi e le verifiche da utilizzare per vedere se
il volume e' sfruttato bene.
Per quanto riguarda il punto a), visto che i batteri aderiscono soltanto
alle superfici solide, deve essere alto il rapporto tra superfici
disponibili e volume. Questo e' il motivo perche' si usano all'interno del
filtro materiali con una grande superficie (cannolicchi, Bio-Balls, Bio-Box
ecc.) rispetto al volume che occupano. Un'altra soluzione e' quella di
utilizzare un tubicino di piccolo diametro che dunque offre una superficie
sufficientemente alta all'interno. Ad esempio un tubicino del diametro
interno di 3 mm, quali sono ad esempio i tubicini rigidi di plastica
utilizzati per l'aria, mostra una superficie di  1,33 metri quadri ogni
litro di volume, che e' un valore gia' piuttosto buono. Vi e' da notare
che, con tale diametro, sono necessari circa 50 m di tubicino per avere il
volume di 350 ml con una superficie interna di 0,47 metri quadri,
sufficiente per l'insediamento di una soddisfacente quantita' di batteri.
Per quanto riguarda il punto b) si possono verificare due tipi diversi di
malfunzionamento:
b1) il flusso tende a non riguardare tutte le zone del filtro, od in altre
parole ci sono delle zone morte del filtro praticamente stagnanti dove non
arrivano i nitrati da trasformare. Queste zone non vengono in pratica
sfruttate, anzi possono essere causa di inconvenienti (ad esempio
formazione di idrogeno solforato). Il percorso del fluido all'interno del
filtro deve percio' essere studiato con molta cura, ma con le portate basse
che si devono avere in denitrificazione questo inconveniente e' molto
difficile da eliminare, a meno che … (vedi piu' avanti)
b2) il cibo ed i nitrati devono essere disponibili ai batteri, vale a dire
devono raggiungere i batteri man mano che questi li consumano. Poiche' i
batteri sono ancorati alle superfici solide e cibo e nitrati si trovano nel
liquido, questi devono fluire verso i batteri. Piu' e' bassa la velocita',
minore e' il mescolamento e piu' difficoltoso e' il flusso di cibo e
nitrati verso i batteri.
Si e' cosi' visto che entrambi questi malfunzionamenti possono essere
ridotti aumentando la velocita' all'interno del filtro. Vediamo ora qualche
soluzione ricordando prima che esiste anche un limite superiore per la
velocita'. Infatti per velocita' troppo grandi i batteri che aderiscono
alle superfici potrebbero essere danneggiati, ma questo limite e' comunque
abbastanza alto ed in genere puo' non essere neppure preso in
considerazione nei filtri denitrificatori.
Soluzione 1): visto che la portata che si realizza e' molto bassa (0,23
litri/ora, nell'esempio in esame), per realizzare una velocita' sufficiente
occorre utilizzare sezioni di passaggio basse e studiare bene il percorso
del fluido . La soluzione del tubicino da questo punto di vista sembra
essere la migliore. E' difficile che si possano creare zone morte
all'interno di un tubicino e la velocita' puo' essere aumentata diminuendo
il diametro. Di contro occorrono lunghezze molto elevate (50 m nell'esempio
considerato) e la scelta del materiale del tubo deve essere fatta
considerando che deve essere gradito ai batteri per il loro insediamento
(in genere i materiali plastici non molto lisci vanno bene). Occorre
inoltre verificare che l'inconveniente b2) non si realizzi. Questa verifica
puo' essere abbastanza complessa. Ho comunque fatto i conti per l'esempio
in esame (portata di 0,23 l/h in un tubicino di diametro interno di 3 mm) e
risulta che in tale caso non dovrebbero risultare limitazioni legate al
flusso di cibo e nitrati verso i batteri. Vi risparmio la descrizione del
modello utilizzato per giungere a queste conclusioni ed il calcolo
collegato, ma se qualcuno fosse interessato me lo faccia sapere e cerchero'
di trovare il tempo di metterlo in "bella", premettendo che si tratta di
una spiegazione piuttosto tecnica.
Soluzione 2): Utilizzare un riciclo, dimodoche' la portata
dell'alimentazione al di fuori del riciclo rimanga bassa, mentre
all'interno del filtro la portata puo' essere  alta quanto si vuole. La
portata di alimentazione fresca rimane calcolabile come in precedenza,
mentre il volume del filtro in teoria dovrebbe aumentare ma non molto (si
puo'  dimostrare che e' cosi'), ma in pratica la maggiore portata consente
di operare con una concentrazione piu' alta di batteri e dunque il volume
necessario potrebbe risultare anche inferiore. A favore: il regime di
flusso e' piu' favorevole e gli inconvenienti b1) e b2) possono essere
eliminati, anche utilizzando corpi come con Bio-Balls, Bio-box e similari
all'interno del filtro. Inoltre col riciclo si puo' pensare di usare anche
un filtro a letto fluidizzato, che notoriamente ha un'alta efficienza.
Contro: la situazione dal punto di vista idraulico e' piu' complessa;
occorre aggiungere una pompa, dei raccordi, almeno un paio di valvole.
Contro: con il riciclo si realizza una "retromiscelazione", cosicche'
all'interno del filtro la composizione del fluido risulta abbastanza
uniforme. Questo fa si' che se non si riduce fino a livelli
sufficientemente bassi l'ossigeno disciolto nell'acqua prima di alimentarla
al sistema, l'ossigeno sara' abbastanza presente in ogni punto del filtro,
che percio' non funzionera' anaerobicamente. Per fare questo si puo' fare
passare l'acqua, prima di alimentarla al sistema costituito da riciclo e
filtro, attraverso una zona dove trasformazioni aerobiche tolgano
l'ossigeno presente.
 
                         Riciclo
 
+------------------<-----------------------+
  Alimentazione            ___________           |         
_________________                  |
----------->-------------|zona aerobica|--->---|--->--| Filtro
denitrificatore|------>----|-------->
                                      +--------------+                    
+-----------------------+
Conclusioni
 Tutti questi conti sono stati fatti con molte ipotesi semplificative ed
utilizzando dati incerti, tuttavia forniscono una base su cui potere
ragionare
Ci si puo' inoltre rendere conto che il problema e' piuttosto complesso.
Per questo spesso si e' tentati di abbandonare la modellazione ed il
conseguente progetto affidandosi semplicemente ad un approccio empirico.
Questo approccio ha i suoi vantaggi e puo' sicuramente portare a buoni
risultati, sempre che non si  perdano di vista quelli che sono i fenomeni
fisici e chimici che hanno importanza e l'influenza dei diversi parametri
in gioco. Difatti con un approccio puramente empirico i tempi per arrivare
ad un certo risultato si allungano, i risultati sono difficilmente
generalizzabili e trasferibili su altri sistemi e non e' facile arrivare ad
un'ottimizzazione, che invece spesso e' necessaria in acquariologia.
A tale proposito e' interessante la storia del cosiddetto metodo naturale
di riduzione dei nitrati (Natural Nitrate Reduction NNR), la cui
formulazione attraverso un approccio prevalentemente empirico ha richiesto
piu' di trent'anni (vedi 
http://marine-monsters.com/front/articles.html
 ).
Ancora adesso le "ricette" che sono state formulate e che potete trovare
all'indirizzo 
http://members.aol.com/trok20/plenum.html
 non sembrano
ottimali e portano a risultati soprattutto grazie a quello che mi pare un
notevole sovradimensionamento del sistema di denitrificazione. Ma visto che
comunque e' il risultato quello che conta e' sicuramente consigliabile non
scartare alcuna via che possa consentire di raggiungere il risultato
desiderato. Percio' se tale metodo vi sembra applicabile nel vostro
acquario, potete provare e poi eventualmente riferire in questo newsgroup.
Saluti,
Giovanni

 wrote:
.....
Caro Ingegnere, di fronte alla tua cultura sterminata mi prostro umilmente ;-)
Grazie di cuore per le tue spiegazioni, che sono state accuratamente salvate, 
rilette e meditate ;-)
Ciao,
Luca


Questo follow up e' solo per segnalare che ho letto tutto di un fiato
questo articolo, e ci studiero' sopra.
Articoli come questo sono interessantissimi, ma forse non stimolano la
discussione, quindi il fatto di non ricevere risposte non ti deve
demoralzzare... anzi, invito tutti quelli che apprezzano gli articoli
di G.Camera Roda a fare semplicemente un follow Up Vuoto in cui
segnalano che hanno letto con piacere l'articolo.
Ovviamente l'invito e' quello di continuare!

 Ovviamente l'invito e' quello di continuare!
Perfettamente daccordo :-)
-- 
Ciao
 
          _______________________________________
         |                                       |              
         |          Maurizio Ghelli              |
        _|              Firenze                  |_                 
       / ) 
http://www.ipsnet.it/netpages/room52/
 ( \            
   ___/ /|  _                                 _  |\ \___       
  (((( ( |_/ )_______________________________( \_| ) ))))    
   \\\\ \_/ /                                 \ \_/ ////    
    \      /                                   \      /     
     )   _/                                     \_   (        
    /   /                                         \   \         
   / __/                                           \__ \       

del fluido .
Con percorsi strizzati al minimo è necessario anche un buon prefiltro
per evitare intasamenti.
[....]
[discussione del tubetto]
Dopo la magnifica esposizione di Giovanni è impossibile dare una
replica tecnica, ma solo fare considerazioni empiriche e dare largo
sfogo alle esperimentazioni.
Secondo il mio parere non è conveniente utilizzare il tubetto se non
in maniera combinata.
Già nell'esempio si parla di 50 metri, se poi consideriamo il
rendimento o rendimento medio e se vogliamo aumentare la quantità di
nitrati eliminati, arriviamo a dimensioni veramente inaccettabili.
Sarebbe invece una buona idea e non troppo ingombrante, inserire in
uscita dal denitratore un tubetto da 15-20 metri.
Sono invece a favore delle bio-box dove il rapporto superficie
disponibile/ingombro è molto elevato.
1 Bio-Box (2,4mm x 2,4mm) = circa 1,5 metri di tubetto.
Anche considerando che il rendimento del bio-box sia inferiore a
quello del tubetto, ad esempio:
1 Bio-box = 1 metro di tubetto
Quindi per il nostro modello sono sufficienti 50 Bio-box, cioè
accodandole in un tubo a sezione quadrata (geometria ideale) si
ricaverebbe un denitratore lungo 1,2 metri.
Se considerando questo meccanismo come un unico tubo la cui sezione
netta è pari alla metà di quella totale si otterrebbe una velocità
lineare del fluido di circa 1.33mm/minuto.
Questa velocità è un po bassina per sperare che si generino
rimescolamenti dovuti all'inerzia ed a cambi repentini della direzione
del fluido.
Ma se consideriamo invece, per astratto che ogni Bio-Box corrisponda a
diversi tronchetti di tubo riuniti in un solo fascio potremmo pensare
che ogni Box possa essere attraversato alla stessa velocità lineare
del tubo di 50 metri.
Ovvero 555 mm/minuto, cioè Q = 1,6 l/h.
Con una portata del genere pero si fanno i conti con l'ossigeno in
ingresso....
...mi sono perso nei miei stessi ragionamenti, ma credo di aver dato
spunto per ulteriori discussioni.
2 cose ancora da chiarire:
Cosa succede ai batteri quando si arriva a nitrati = 0 mg/l ? 
Cosa succede ai batteri quando si chiude l'impianto per ferie ?
Saluti.

 Cosa succede ai batteri quando si chiude l'impianto per ferie ?
Ma perche' quando voi andate in vacanza non vi portate dietro i pesci per
farli un po' nuotare al mare o nei fiumi?
Per ulteriori informazioni sui filtri denitrificatori fai-da-te con la
tecnologia "tubicino" ed una sua variante, potete guardare all'indirizzo:
http://www.inlink.com/~raiar/denitrif.html
Troverete anche numerose astuzie e consigli pratici veramente interessanti.
Bene, in base al numero di messaggi e di schemi proposti, vedo con piacere
che l'interesse sui filtri denitrificatori si mantiene alto. Ritengo che
sia molto interessante che ci sia questa spinta e che sia possibile
scambiare opinioni ed esperienze. Posso dire che le informazioni di Mauro e
di molti altri su questo newsgroup mi sono risultate molto utili anche nel
rendermi conto di alcuni problemi di cui finora non mi ero reso conto.
Saluti,
Giovanni

fare le ipotesi giuste occorre sperimentare.
Bene! Azzardiamo allora! :
 (A)
 I                          Out (1)                      
 I      +-----+---------+  I                             Out (2)
 I In   I     I         I  I           (D)              /
 I------I (B) I   (C)   I--+---------------------------/
 I      I     I         I
 I      +-----+---------+
 I
A   = Tubatura filtro principale
B   = Zona del primo stadio  del denitrificatore in cui
      si hanno ancora reazioni aerobiche.
C   = Zona del primo stadio  del denitrificatore in cui
      le reazioni avvengono in condizioni anaerobiche,
      inizio della vera azione denitrificante.
B+C = Primo stadio denitrificatore
D   = Secondo stadio, tubetto 15 m
Out (1) = Primo rubinetto di uscita, regola la portata
          nel primo stadio.
Out (2) = Secondo rubinetto di uscita, regola la portata
          nel secondo stadio.
In  = Ingresso acqua.
Primo stadio per acquario 200 L:
Il primo stadio è costituito da un contenitore di circa 2-3 litri
contenente circa 80 bio-box in passaggi forzati.
Regolazione:
In questo schema il rapporto tra le dimensioni C e B viene regolato
dall'insieme dei rubinetti Out(1) e (2) ovvero dalla portata totale.
Nel caso di formazione dell'idrogeno solforato si potrà aprire il
rubinetto Out(1), che produrra una riduzione della dimensione C a
favore di B eliminando il problema.
In caso di formazione di nitriti si potrà avere una regolazione
grossolana chiudendo Out(2) oppure fine chiudendo Out(1).
PS.: Per quanto riguarda il mio denitratore ho pensato che volendo
inserire una pompa per il ricircolo interno si potrebbe anche pensare
ad un azionamento saltuario ad esempio 1 minuto ogni mezz'ora (il
tempo di permanenza è superiore all'ora) tanto per rompere i corridoi
preferenziali e poi lasciare il tutto a riposare.
Insomma ogni mezz'ora una bella sgiguttatina (leggi scecherata).
Meditate gente... Meditate!
Ciao

 corretto dire cosi' e non biodenitratori) anche fatti in.....
Concordo l'apprezzamento per questo tipo di articoli.
-- 
Paolo Bernardi - ROMA