Rimozione di nutrienti e microinquinanti attraverso un processo a fanghi attivi assistito da membrana e carboni attivi

Lo scopo del lavoro sperimentale condotto nel corso dei tre anni di dottorato di ricerca è stato quello di verificare l’affidabilità e le rese di un processo biotecnologico avanzato per il trattamento delle acque reflue: il bioreattore a membrana (MBR). La necessità di imporre standard di qualità di alto livello per le acque ed il possibile riutilizzo delle acque di scarico hanno determinato la necessità di adottare processi di trattamento di tipo avanzato per le acque reflue. Tra le migliori tecnologie in campo biotecnologico che permettano il raggiungimento di standard così elevati, emerge il bioreattore a membrana. Al fine di ottenere maggiori informazioni in merito all’applicazione dei bioreattori a membrana soprattutto nell’ottica di un utilizzo in piena scala, a partire dal 1999 è stato condotto uno studio a scala pilota tramite un bioreattore a membrana con modulo filtrante da ultrafiltrazione (dimensione nominale dei pori 0.02 m). I principali obbiettivi della ricerca sono stati la determinazione delle efficienze e lo studio dei meccanismi alla base di esse per la rimozione dei nutrienti (C, N, P) e dei microinquinanti, oltre alla determinazione delle condizioni operative ottimali per il processo a fanghi attivi MBR. La sperimentazione è stata organizzata in cinque periodi sperimentali durante i quali la concentrazione di biomassa in reattore è stata incrementata da 3.7 g/l (Run 1), a 9.2 g/l (Run 2), a 16.7 g/l (Run 3), a 18.2 g/l (Run 4) e successivamente diminuita a 10 g/l (Run 5). Durante il Periodo 4 si è proceduto all’aggiunta, direttamente in reattore, di carbone attivo granulare (GAC) in ragione dell’1% in peso secco per valutarne gli effetti sulla rimozione dei microinquinanti.
L’applicazione della tecnologia a membrana ha portato ad ottimi risultati in termini di rimozione dei macroinquinanti (solidi sospesi e nutrienti). In particolare, la rimozione dei solidi sospesi ha portato ad un effluente completamente privo di essi.
La rimozione del COD è stata sempre ottima, generalmente nell’intervallo 84-94% e le rese dell’MBR sono state sempre maggiori del 30% rispetto ad un processo convenzionale. La respirazione, ovvero la conversine delle sostanze organiche in CO2, è stato il principale meccanismo di rimozione del COD quando la biomassa in reattore era in concentrazione uguale o superiore a 9 g/l.
L’azoto è stato rimosso in modo soddisfacente, con rese nell’intervallo 61-90%, e con una concentrazione di azoto totale nell’effluente finale tra 4.5 e 11 mgN/l. La denitrificazione ha rappresentato la principale via di rimozione dell’azoto in corrispondenza di elevate concentrazioni di biomassa in reattore, quando la resa osservata di crescita era estremamente limitata (0.1 gMLVSS/gCODrimosso o meno).
La rimozione del fosforo è variata tra efficienze del 73 e del 77%, grazie all’azione contenitiva del modulo da ultrafiltrazione. Non si sono osservati fenomeni di “luxury uptake” da parte dei microrganismi fosforo-accumulanti (PAO) dal momento che il contenuto di fosforo nel fango non ha superato il 2.8% (su base TS).
E’ stato sviluppato un modello semplificato e provvisorio per la simulazione dei processi di rimozione di azoto e fosforo che ha permesso una buona simulazione dei dati sperimentali. Nonostante ciò, sono necessari ulteriori sviluppi del modello, soprattutto in termini di differenziazione delle costanti cinetiche.
La rimozione dei coliformi totali è stata molto efficace (riduzione di 4.7-5.1 log) mentre la E. coli non è mai stata trovata nel permeato. La variazione di concentrazione in reattore non ha influito sull’efficienza di rimozione dei patogeni.
Sono stati studiate le efficienze di rimozione ed il destino finale sia di metalli che di microinquinanti organici da parte del processo MBR, in confronto anche con un sistema convenzionale a fanghi attivi. L’efficienza di rimozione dei metalli per l’MBR è stata in generale superiore al 75%, valore a sua volta superiore del 10-15% rispetto al processo convenzionale. Questa discrepanza è dovuta essenzialmente alla capacità della membrana di trattenere i solidi sospesi ai quali i metalli sono legati. I risultati sono stati ottimi anche operando a valori di concentrazione di biomassa inferiori (9 g/l).La rimozione delle sostanze organiche è stata elevata sia nel caso dell’MBR che del processo convenzionale sebbene l’MBR abbia mostrato efficienza migliore per alcuni composti quali tensioattivi non ionici (BIAS), esaclorobenzene e PCB.
Le rese del modulo da ultrafiltrazione sono state studiate ponendo particolare attenzione alle variazioni di flusso e pressione transmembrana rispetto alla concentrazione di biomassa in reattore. E’ stato applicato il modello delle resistenze in serie per la valutazione del valore della resistenza offerta alla filtrazione, al fine di verificare la relativa importanza dei fenomeni di fouling e di polarizzazione di concentrazione.