Denitrificazione autotrofa da acque di falda con sistemi bio-elettrochimici bistadio

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Capitolo 2 
 
Materiali e Metodi 
 
 
2.1 Costruzione di due MEC a scala di laboratorio 
 
Le due MEC in esame sono state costruite presso il Dipartimento di 
Ingegneria Civile e Architettura (DICAr) dell’Università di Pavia. In seguito 
a ricerche bibliografiche e tenendo conto delle esperienze pregresse acquisite 
dallo staff dal Laboratorio di Tecnologie Avanzate per l’ambiente LabTA
2 
(Molognoni et al. 2017; Cecconet et al. 2018), è stato deciso di costruire un 
sistema costituito da due MEC a camera doppia alimentate in continuo da 
acqua di falda sintetica. La MEC 1 (Fig.2.1) era stata costruita in passato 
basandosi su sistemi BES precedentemente descritti (Capodaglio et al. 2015; 
Molognoni et al. 2016); essa consiste in una camera anodica abiotica ed una 
camera catodica biotica poste sui lati opposti di una cella 300×300 mm in 
metacrilato. Una membrana a scambio cationico (CEM, CMI-7000, 
membrane International Inc., USA) è stata utilizzata per separare le due 
camere, mirando a consentire i flussi ionici interni, evitando la miscelazione 
della soluzione riducente catodica e ossidante anodica. La camera biotica 
(catodo) è stata riempita di grafite granulare (mod. 00514, diametro 1,5-5 mm, 
EnViro-cell Germania) usata come elettrodo, con la funzione di aumentare la 
superficie specifica di adesione del biofilm, creare una matrice stabile e 
conduttiva in modo da trasferire in modo omogeneo gli elettroni a tutta la 
comunità microbica presente nella camera, con un volume finale libero della 
camera catodica di 675 mL.
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La camera abiotica (anodo) contiene una maglia (mesh) di acciaio inossidabile 
(40×20 cm), usata come elettrodo: il volume della camera anodica viene 
quindi ridotto a 760 mL. Al fine di consentire il collegamento esterno, una 
barra in acciaio inox (250×5 mm) e una di grafite (250×4 mm) sono state 
posizionate rispettivamente nella camera anodica e catodica. Infine, un 
elettrodo di riferimento Ag/AgCl (+0,197 V vs SHE) è stato posizionato nel 
vano catodico per fornire riferimenti di misurazione elettrica. 
 
Fig.2.1: vista della MEC 1 nella configurazione precedente. (Molognoni et al. 2017) 
 
La seconda cella di elettrolisi microbica (MEC 2) è stata costruita per svolgere 
questo lavoro di tesi. La costruzione è avvenuta tramite sovrapposizione di 4 
piastre di plexiglass a sezione quadrata, di diversa forma e spessore:
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• due piastre piene che costituiscono le pareti esterne, di dimensioni 300 x 
300 x 5 mm;  
 
• due piastre cave, che costituiscono le pareti interne della camera anodica 
e catodica, di dimensioni 200 x 200 x 20 mm ciascuna.  
 
• Una barra in grafite 250 x 4 mm all’interno di ogni camera, che funge da 
collettore di elettroni, e permette il collegamento esterno con un circuito 
elettrico. 
 
Le due camere della MEC 2, sono state riempite ciascuna con 800 g di grafite 
granulare (diametro dei granuli 4-5 mm). La funzione della grafite granulare 
è quella di creare una matrice carboniosa, conduttiva e biocompatibile, in 
grado di collettare gli elettroni dall’anodo, trasportarli alla barra centrale in 
grafite, da cui poi possano raggiungere il catodo e essere ceduti ai batteri 
autotrofi per lo svolgimento del processo di denitrificazione. La grafite 
rappresenta un composto elettro-chimicamente stabile, che non reagisce a 
contatto con l’influente e non si degrada nel tempo. 
La membrana a scambio cationico permette il passaggio selettivo dei cationi 
dall’anodo verso il catodo, e allo stesso tempo isola idraulicamente i fluidi 
che riempiono le due camere. In particolare, la membrana utilizzata (CMI-
7000) è caratterizzata da bassa permeabilità all’acqua (< 3×10
-3
 mL/ h cm
2
), 
elevata stabilità ad un vasto range di composti chimici e temperature, e 
resistenza meccanica. 
La tenuta idraulica della cella è stata garantita da sottili guarnizioni in PVC 
ricoperte di grasso siliconico. Ogni guarnizione è stata interposta tra 2 piastre 
in plexiglass adiacenti. Questa operazione è stata piuttosto delicata, e ripetuta 
più volte, poiché da essa dipende la buona tenuta idraulica della cella.
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Ci si è quindi assicurati che, all’interfaccia tra guarnizione e piastra di 
plexiglass, non si formassero bolle d’aria, di modo da impedire potenziali 
perdite causate dalla formazione di vie preferenziali per il passaggio delle 
soluzioni attraverso il grasso.  
Tutta la struttura è stata pressata insieme grazie a 12 barre metalliche filettate 
(Φ 8 × 200 mm), inserite in altrettanti fori passanti lungo i bordi delle piastre 
in plexiglass. Alle estremità di ogni asta sono stati avvitati 2 bulloni a farfalla, 
che una volta serrati hanno permesso l’adesione dei diversi strati e la tenuta 
idraulica della cella (Fig.2.2). 
 
Fig.2.2: fasi costruttive della MEC: A preparazione camera, B riempimento della camera con 
grafite granulare, C membrana CEM. 
 
La Figura 2.3 mostra una delle due celle e per ogni camera sono visibili i 
raccordi per le tubazioni degli influenti (1), degli effluenti (2) e dei ricircoli: 
nella camera anodica la soluzione tampone entra dalla parte bassa della cella 
(1,4) e fuoriesce dalla parte superiore (2), nella camera catodica la portata 
fuoriesce dalla parte anteriore (3) e rientra dalla parte posteriore (4). Questa 
configurazione dà origine a un flusso ideale che attraversa la camera catodica 
in diagonale, in modo da ottenere una miscelazione il più possibile omogenea 
ed evitare fenomeni di by-pass.
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Fig.2.3: MEC al termine della costruzione, con indicazione dei raccordi per i tubi delle soluzioni 
influenti (1), effluenti (2) e del ricircolo del catodo (3 per i tubi d’uscita e 4 per i tubi d’ingresso). 
 
Nella camera catodica è stato inserito un elettrodo di riferimento 
all’argento/argento cloruro Ag/AgCl (Xi’an Yima Opto-electrical 
Technology Co., Cina), in modo da poter monitorare il potenziale catodico e 
anodico e confrontarlo con le condizioni teoriche di funzionamento.  
Il potenziale di riduzione standard dell’elettrodo (E
0
) è stabile, indipendente 
dall'intensità di corrente e dalla soluzione in cui è immerso è corrisponde a 
0.197 V rispetto all’elettrodo standard ad idrogeno (SHE, Standard Hydrogen 
Electrode), il cui potenziale è 0 V per convenzione IUPAC, a qualsiasi 
temperatura.  
La Tabella 2.1 riassume le caratteristiche geometriche delle celle. Per 
convenzione, le due celle sono state nominate MEC 1 e MEC 2.  
I volumi netti dei due catodi differiscono leggermente a causa della densità 
non perfettamente uniforme della grafite granulare.
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PARAMETRO u.d.m MEC 1 MEC 2 
Volume lordo per 
camera 
mL 800 800 
Volume netta 
catodo 
mL 520 675 
Volume netta 
anodo 
mL 640 760 
Distanza tra gli 
elettrodi 
cm 2 2 
Area CEM cm
2 
400 400 
Tabella 2.1: caratteristiche geometriche delle celle. 
 
Le camere catodiche delle due celle sono state alimentate con acqua di falda 
sintetica prelevata da due sacche collassabili di 10 L collegate ad una pompa 
peristaltica (BT100N, Shenchen Precision Pump Co., Cina), le cui 
caratteristiche chimiche sono riassunte nella tabella 2.2 
Composto Concentrazione 
KNO
3 
0.2887 g/L 
NaHCO
3 
1.600 g/L 
KCl 0.003 g/L 
Na
2
HPO
4 
2.4577 g/L 
NaH
2
PO
4 
1.5222 g/L 
Micronutrienti 0,1 mL/L 
Tabella 2.2: Composizione soluzione influente al catodo.
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Due contenitori da 5 L invece alimentavano con una soluzione tampone a base 
fosfati (Phosphate Buffered Solution, PBS) le due camere anodiche (Tab. 
2.3). 
La soluzione tampone in ingresso alle camere anodiche ha la funzione di 
mantenere il valore del pH attorno alla neutralità all’interno della camera, 
perché l’accumulo degli ioni H
+
 in camera anodica tende ad acidificare 
l’anolita e a basificare il catolita. Questo fenomeno dà origine a un gradiente 
di pH tra le due camere ed a una conseguente riduzione dell’attività microbica.  
Composto Concentrazione 
Na
2
HPO
4 
2.457 g/L 
NaH
2
PO
4 
1.522 g/L 
Tabella 2.3: Composizione soluzione PBS all’anodo. 
 
Per il circuito idraulico sono stati utilizzati tubi in marprene (4,8×1,6 mm), 
adatti a mantenere condizioni anaerobiche all’interno delle camere, dato che 
è un materiale con un basso coefficiente di trasmissione dell’ossigeno: esso è 
inoltre biocompatibile, chimicamente stabile, dalla lunga durata. 
Il dosaggio degli influenti è stato effettuato usando una pompa peristaltica 
multicanale (BT100N, Shenchen Precision Pump Co., Cina) in grado di 
garantire una portata di alimentazione iniziale di un 1 L/d tramite un sistema 
di controllo progettato con LabVIEW e implementato mediante la scheda di 
acquisizione dati (NI-USB6008, National Instruments, Italia). Per il ricircolo 
interno delle MEC si è utilizzata un’altra pompa peristaltica (BT100N, 
Shenchen Precision Pump Co., Cina) con la funzione di ottenere una 
miscelazione omogenea ed evitare fenomeni di bypass nella camera catodica, 
di introdurre la soluzione tampone (PBS) nella camera anodica e la portata è 
stata impostata a 100 L/d. La Figura 2.4 mostra lo schema idraulico.
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Fig.2.4: Schema idraulico di una MEC del laboratorio, con (A) pompa di alimentazione e (R) di 
ricircolo. 
 
Nella Figura 2.5 vengono riportate le due MEC di laboratorio, mantenute a 
una temperatura ambiente di 23±3° C e ricoperte con dei fogli di cartone per 
evitare l’ingresso della luce e la conseguente la crescita della biomassa algale. 
 
Fig.2.5: MEC del laboratorio: MEC 1 (1), MEC 2 (2), sacche influenti (3), soluzione tampone 
(4), pompa influente (5), pompa ricircoli (6), scheda DAQ (7), collegamenti elettrici tra gli 
elettrodi (8).
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2.2 Inoculo delle MEC e alimentazione in continuo 
 
Il riavvio della MEC 1 è stato effettuato il 29 agosto 2017, usando come 
influente del catodo una soluzione contenente 0.2165 g/l di KNO
3
, 1.20 g/L 
di NaHCO
3
, 0.0026 g/L di KCl, 1.6385 g/L di Na
2
HPO
4,
 1.0148 g/L di 
NaH
2
PO
4 
e 0.1 mL/L di micronutrienti, per 10 L di soluzione e una 
concentrazione di 30 mg N-NO
3
- 
/L in ingresso con una portata di 1 L/d. La 
PBS introdotta nella camera anodica conteneva 1.6385 g/L di Na
2
HPO
4 
e 
1.0148 g/L di NaH
2
PO
4 
(20 mM, pH=7). Entrambe le soluzioni sono state 
ricircolate continuamente ad un flusso di 40 L/d per consentire una 
miscelazione intensiva e uniforme. Durante questo periodo, il potenziale della 
camera biotica è stato fissato a -0,5 V vs SHE utilizzando un potenziostato 
(NEV3, Nanoelectra, Spagna), necessario per l’acclimatamento dei batteri 
all’interno della camera catodica ed arrivare ad un funzionamento stabile in 
termini di corrente e tasso di rimozione dei nitrati. Il 18 settembre è avvenuto 
l’inoculo della MEC 2 collegato in modalità a circuito chiuso con una sacca 
collassabile di 10 L contenente l’effluente della MEC 1 che alimentava il 
catodo e una tanica di 5 L con la PBS introdotta nella camera anodica, aventi 
le stesse caratteristiche descritte precedentemente. Il potenziale della camera 
biotica è stato fissato a -0,7 V vs SHE utilizzando un potenziostato, ed è 
durato due giorni in modo da avere condizioni di funzionamento stazionarie, 
prima di collegare in serie le due MEC al circuito idraulico definitivo e 
alimentate in continuo con acqua di falda sintetica (Fig.2.6). L’alimentazione 
in continuo è durata per tutta il periodo dell’esperimento, durante il quale sono 
state effettuate sette diverse prove, come riportato in tabella 2.4, aumentando 
la portata in ingresso fino a 9 L/d variando i numeri di giri della pompa 
peristaltica degli influenti e il ricircolo interno è stato aumentato da 40 a 100 
L/d.