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}