Risultati e discussione
L'osservazione è avvenuta per un periodo di 30 giorni. Per comprendere al meglio il funzionamento dell'impianto, bisogna osservare i parametri caratteristici di funzionamento.
Formazione della membrana dinamica
All’avvio dell’impianto, è importante capire il tempo necessario per la
formazione della membrana dinamica autoformante con l'utilizzo di un
materiale di supporto costituito da dacron con porosità di 30 micron. in questo caso, l'osservazione si basa sulla TMP (pressione di transmembrana) e sulla torbidità dell'effluente. Generalmente, la TMP risulta essere bassa
quando la membrana inizia il suo ciclo operativo, mentre la torbidità
presenta valori elevati. Questo è dovuto al fatto che inizialmente si ha
solo la filtrazione per mezzo del materiale filtrante che costituisce la
membrana (in questo caso, il Dacron), poi avviene la formazione del
substrato causato dalla sedimentazione dei fiocchi di fango sul materiale
di supporto. Sono stati registrati valori pressoché costanti della TMP di circa 3 kPa; Il primo giorno si ha un valore di
3,10 kPa per poi variare tra 2,50 e 4 KPa durante il resto del periodo di
osservazione. Questi importanti risultati
sono stati ottenuti grazie alla combinazione dei processi elettrochimici
alle membrane dinamiche autoformanti incapsulate. Invece, la torbidità subisce un forte decremento nel tempo grazie
all’utilizzo dei processi elettrochimici, infatti si osserva una torbidità
minore di 5 NTU già dal primo giorno per poi scendere sotto 1 NTU dopo qualche giorno di attività ed attestarsi intorno a 0,4 NTU durante
tutto il periodo dell'attività sperimentale con valori minimi fino a 0,2 NTU.
Andamento dei solidi nella miscela areata
L’andamento del contenuto di solidi all’interno del reattore è importante
per conoscere il funzionamento dell’impianto e le prestazioni ad esso
connesse. I solidi analizzati sono stati i solidi sospesi totali (SST) e i solidi
sospesi volatili (SSV). Si può notare che per i primi 13 giorni si ha un andamento abbastanza
stabile degli SST che si raggira intorno a 10000-12000 mg/L per poi
aumentare nella seconda parte del periodo fino a raggiungere valori vicini
a 18000 mg/L. Questo andamento crescente è imputabile all’ossidazione
dell’elettrodo di alluminio che rilascia ioni Al i quali si vanno ad
aggregare con altre particelle per poi depositarsi. Questo fenomeno è
confermato dall’osservazione dell’elettrodo di alluminio alla fine del
periodo il quale si presenta del tutto degradato. l’andamento dei SSV inizialmente ha un lieve decremento da 7800 a
6250 mg/L per poi aumentare fino a 9000 mg/L, questo andamento è
dovuto alla crescita dei batteri che sono più acclimatati nella seconda parte dell’osservazione. Infine si nota un rapporto SSV/SST che tende a
diminuire dato dall’aggiunta degli ioni Al come SST che tende a far
aumentare SST più velocemente rispetto a SSV.
Efficienza di rimozione dei contaminanti
L’osservazione relativa all’efficacia di trattamento sui contaminanti
presenti nell’acqua reflua è stata fatta su COD, azoto ammoniacale
(NH4+) e fosfati (PO43-).
Le
concentrazioni di COD nell’influente, proveniente da acqua reflua
urbana, si è attestato inizialmente intorno ai 400 mg/L per poi scendere
dal quindicesimo giorno in poi ed attestarsi intorno ai 130 mg/L, quindi
si ha una concentrazione media all’influente di 234,13±128,98 mg/L con
valore massimo di 416 mg/L e valore minimo di 109 mg/L. Questo
abbassamento è dovuto alle condizioni climatiche che si sono susseguite
in quei giorni; infatti la rete di raccolta urbana è di tipo mista e le piogge
abbondanti di quel periodo hanno diluito il refluo. Si può notare che l’efficacia del trattamento, proveniente dai processi
di elettro-ossidazione generati dall’applicazione dei processi
elettrochimici, è elevata \citep{v2017}; infatti si ha un abbattimento
della concentrazione di COD del 98,03±1,10% con una concentrazione
media pari a 5,31±4,98 mg/L, valore massimo di 17,40 mg/L e valore
minimo di 2,44 mg/L.
Azoto ammoniacale e fosfati sono sostanze nutritive presenti nell’acqua
che contribuiscono al normale proseguo dell’ecosistema, ma se presenti
in grosse quantità, possono danneggiare l’ecosistema portando a
fenomeni di eutrofizzazione, cioè l’eccessiva crescita delle alghe le quali vanno ad impoverire l’acqua di ossigeno portando alla morte della fauna ittica. L’azoto nei liquami può apparire in varie forme: ione nitrato (NO3), nitrito (NO2-) ed ammonio (NH4+). I responsabili della
scomposizione dell’azoto ammoniacale sono i processi di nitrificazione e
denitrificazione. L’azoto ammoniacale NH4+ viene convertito in NO3- da
batteri aerobici in presenza di ossigeno, invece viene convertito in NO2-in assenza di ossigeno. La reazione di riduzione che avviene vicino al
catodo comporta un consumo di ossigeno e quindi si generano
condizioni anossiche favorevoli al processo di denitrificazione \cite{v2017}. Quindi l’intermittenza del campo elettrico provoca l’alternanza di
condizioni aerobiche e anossiche che migliorano la rimozione di NH4+ in
percentuale media di 99,45±1,97%. Le concentrazioni di NH4+
nell’influente risultano essere in media 38,78±11,65 mg/L con valore
massimo pari a 59,10 mg/L e valore minimo 19,80 mg/L, mentre le
concentrazioni nell’effluente sono pari in media a 0,47±0,75 mg/L con
un massimo di 2,25 mg/L e un minimo di 0,02 mg/L.
La rimozione dei fosfati PO4- è possibile grazie alle reazioni che
coinvolgono l’elettrodo in alluminio. La prima reazione combina gli ioni
alluminio rilasciati dall’elettrodo con lo ione idrossido rilasciato dalla
riduzione del catodo \cite{v2017} La seconda reazione genera composti dei AlPO4 che possono essere
trattenuti dalla membrana \cite{v2017}. Grazie a questi processi, la rimozione di PO4- è pari al 100±0%; le
concentrazioni di PO4- nell’influente risultano pari in media a 5,07±0,66
mg/L con un valore massimo di 6,13 mg/L e un valore minimo di 3,94
mg/L, mentre l’effluente ha una concentrazione di PO4- pari a 0 mg/L.
Andamento dei precursori del fouling
I precursori del fouling, ovvero EPS (sostanze polimeriche extracellulari)
ed SMP (prodotti microbici solubili) sono molto importanti per il
processo di formazione della membrana dinamica. La caratteristica
predominante di queste sostanze, che vengono prodotte dai batteri, è la
viscosità, che consente l’adesione al supporto costituito della membrana
in dacron. Pertanto, in questo caso la loro azione risulta positiva, perché
consentono la formazione dello strato dinamico, andando a ridurre il
diametro dei pori del materiale di supporto, e permettendo quindi di
aumentarne la capacità di filtrazione del sistema, processo del tutto
differente dagli MBR tradizionali in cui, la formazione del fouling è uno
svantaggio, in quanto le membrane sono caratterizzate da una porosità
molto inferiore rispetto a quelle utilizzate come supporto alle membrane
dinamiche. L’ostruzione dei pori, causata dal fouling, riduce la capacità
filtrante della membrana e ne comporta frequenti pulizie, fino a giungere
alla sostituzione della membrana stessa, quando il fouling irreversibile si
presenta in quantità elevate. Mentre per quanto riguarda le membrane
innovative i precursori del fouling fungono da supporto per la
formazione iniziale dello strato di gel sulla membrana.
Si osserva come nei primi giorni si ha un
decremento della concentrazione per EPSp e un mantenimento stabile
per SMPp, questo fenomeno probabilmente è dovuto al processo di
formazione della membrana che tende ad assorbire queste particelle per
formare lo strato di torta. Il risultato che si ottiene è una concentrazione media di EPSp pari a 2,78±1,22 mg/gbiomassa con un massimo di 4,94 mg/gbiomassa e un minimo di 1,10 mg/gbiomassa , mentre la concentrazione di SMPp in media è di 1,66±0,44 mg/gbiomassa con un massimo di 2,46
mg/gbiomassa e un minimo di 1,09 mg/gbiomassa.
Si nota, come nel caso precedente, un
decremento iniziale imputabile ala formazione della membrana dinamica.
La concentrazione di EPSc in media è di 0,81±0,39 si nota, come nel caso precedente, un
decremento iniziale imputabile ala formazione della membrana dinamica.
La concentrazione di EPSc in media è di 0,81±0,39 mg/gbiomassa con un
massimo di 1,40 mg/gbiomassa e un minimo di 0,11 mg/gbiomassa , mentre la
concentrazione di SMPc risulta essere pari in media a 1,25±1,83
mg/gbiomassa con un massimo di 1,60 mg/gbiomassa e un minimo di 0,83
mg/gbiomassa con un
massimo di 1,40 mg/gbiomassa e un minimo di 0,11 mg/gbiomassa , mentre la
concentrazione di SMPc risulta essere pari in media a 1,25±1,83
mg/gbiomassa con un massimo di 1,60 mg/gbiomassa e un minimo di 0,83
mg/gbiomassa.
Parametri fisici
I parametri fisici che sono stati misurati in questa osservazione sono pH,
ossigeno disciolto e temperatura. Questi parametri hanno un ruolo attivo
nel funzionamento del processo. Un pH elevato può ostacolare l’attività
dei batteri, un range adeguato è tra 5 e 9. Invece, temperature elevate
accelerano il processo di digestione batterica. La presenza di ossigeno è
importante allo scopo di avere delle buone condizioni aerobiche nel
reattore per rallentare la formazione del fouling. Ovviamente questi
valori hanno avuto una variabilità elevata dettata dal fatto che il refluo
era di tipo reale e quindi sentiva anche della diluizione che eventuali
acque meteoriche. Si può osservare che il pH medio del refluo influente è di
7,97, mentre la miscela areata e l’effluente presentano valori inferiori di
7.81 e 7.50 rispettivamente. La temperatura rimane la stessa per effluente
e miscela areata, mentre la temperatura dell’influente risulta in media più
alta, probabilmente ciò è dovuto dal fatto che il refluo è pescato
dall’unità del dissabbiatore il quale è esposto ai raggi solari e quindi si
riscalda maggiormente.
CONCLUSIONE
In questa osservazione di 30 giorni sono state valutate le
prestazioni dell’impianto e-ESFDMBR in scala pilota. Questo tipo di
impianto combina l’applicazione dei processi elettrochimici con i
processi biologici tramite l’uso di un innovativa membrana dinamica
autoformante “incapsulata”, brevettata dal gruppo di ricerca del
laboratorio SEED. L’applicazione di un campo
elettrico ha innescato meccanismi elettrochimici all’interno del reattore come l’elettro-coagulazione, l’elettroforesi e l’elettro-osmosi che hanno
permesso non solo una riduzione del processo di sporcamento della
membrana, ma anche un aumento dell’efficienza di rimozione dei
contaminanti a seguito all’ossidazione dell’anodo che rilascia ioni
metallici in grado di generare idrossidi metallici nel reattore biologico
reagendo con gli ortofosfati e garantendone la rimozione. Le percentuali
di rimozione di COD, NH4-N e PO4-P ottenute si sono mostrate
rispettivamente pari a 98,03±1,10%, 99,45±1,97% e 100%. La torbidità
presentata dall’effluente è stata subito al di sotto delle 5 NTU, per poi
raggiungere valori al di sotto dell’unità e mantenersi in media su valori di
0,66±0,60 NTU con valori minimi fino a 0,2 NTU. Anche le
concentrazioni dei precursori del fouling si sono mostrate essere minori
rispetto ai risultati ottenuti da studi precedenti, ciò influisce
positivamente sulla mitigazione del fouling. Quindi si può dire che la
combinazione di queste tecnologiche applicate all’interno dello stesso
reattore si è dimostrata essere un’innovazione nel trattamento delle acque
reflue. Inoltre l’utilizzo della membrana dinamica autoformante incapsulata ha permesso di ridurre il costo da
fronteggiare rispetto a quella convenzionale e di rallentare la formazione
del fouling, dall’altro lato l’applicazione del campo elettrico intermittente
ha dato vita a processi elettrochimici che con l’alternanza di condizioni
aerobiche e anossiche hanno favorito la rimozione dei contaminanti. Si
può concludere dicendo che questa tecnologia è un ottima innovazione
da portare avanti nei prossimi studi per poterla applicare in scala reale Resta da analizzare approfonditamente la fattibilità tecnica ed economica che non è stata valutata in questa osservazione.\cite{Prado_2017}
\cite{Borea_2018,Naddeo_2013,Babu_2019,ElNaker_2018,Borea_2017,Naddeo_2014,Corpuz_2021,Pollice_2020,Al_Ali_2020}