Utilizzo di nanomateriali per il trattamento avanzato delle acque reflue

Una nuova generazione di bioreattori a membrane (MBR) per la depurazione sostenibile

L’accesso all'acqua rappresenta una delle principali sfide della società moderna per uno sviluppo sostenibile da un punto di vista sociale ed ambientale. I limiti sempre più restrittivi relativi alla qualità delle acque unitamente alla scarsità della risorsa idrica in molte parti del pianeta, hanno portato alla necessità di sviluppare dei trattamenti avanzati che possano assicurare il rispetto dei limiti di qualità delle acque e, al contempo, il riutilizzo delle acque reflue.

Tra le principali innovazioni proposte i bioreattori a membrana (MBR), che combinano il processo di degradazione biologica a fanghi attivi e la filtrazione con membrana, in sostituzione dei sedimentatori secondari presenti negli impianti convenzionali a fanghi attivi, risultano essere un sistema promettente per il trattamento avanzato delle acque.

Un impianto MBR permette di ottenere degli effluenti di elevata qualità, con caratteristiche che rispondono ai restrittivi limiti imposti dalle normative vigenti, che possono essere riutilizzati per le attività agricole e/o industriali.

Un ulteriore vantaggio degli MBR è rappresentato dal ridotto ingombro planimetrico rispetto ai convenzionali processi di depurazione a fanghi attivi, che li rende vantaggiosi sia per l’adeguamento di impianti esistenti sia per la realizzazione di impianti ex novo in aree a ridotta disponibilità di suolo. I numerosi vantaggi hanno incrementato negli anni la diffusione degli MBR il cui numero di applicazioni, per il trattamento dei reflui di origine civile e industriale, è in crescita sia in Italia che nei principali paesi industrializzati.

Negli ultimi anni sono stati compiuti notevoli progressi nel trattamento delle acque reflue tramite la tecnologia MBR con lo scopo di poter riutilizzare le acque trattate. Di particolare interesse sono gli scarichi altamente inquinanti provenienti da settori, come concerie e le industrie tessili, oltre alle acque reflue con elevata salinità provenienti da ambienti marini. Ad esempio, le acque reflue tessili contenenti coloranti sono state trattate in un MBR accoppiato con una zona anaerobica riempita di carbone attivo granulare (GAC) facendo raggiungere una rimozione di oltre il 95% del colorante in tempi estremamente ridotti. La tecnologia MBR risulta essere promettente anche per la rimozione dei microinquinanti, infatti da vari studi condotti con impianti MBR per il trattamento delle acque reflue urbane è stato possibile ottenere una percentuale superiore al 90% per circa 50 tracce di contaminanti chimici organici. Altri studi mostrano buone capacità di rimozione anche dei metalli pesanti, quali Cu (II), Pb (II), Ni (II) e Zn (II), con valori che vanno dal’80% al 98%. Infine, la tecnologia MBR risulta promettente anche per il trattamento delle acque reflue saline contaminate da idrocarburi, infatti, cosi come riportato in degli studi di letteratura, con tale tecnologia è possibile raggiungere efficienze di rimozione del COD di circa il 90%.

Tuttavia il fouling della membrana rappresenta il principale ostacolo per l’applicazione su larga scala di questa promettente tecnologia. La formazione delle incrostazioni, richiede la pulizia della membrana e la sostituzione delle stesse alla fine della vita utile, facendo incrementare notevolmente sia i costi di gestione che quelli relativi all'acquisto di nuovi moduli. Il mondo scientifico ha prestato molta attenzione a questo problema, approfondendo ulteriormente la caratterizzazione di questo fenomeno e le molteplici cause che lo favoriscono per definire avanzate strategie operative che siano in grado di minimizzarne la formazione nel tempo, anche facendo ricorso a materiali innovativi o a soluzioni impiantistiche ibride che riescano a mitigare la formazione del fouling e, al contempo, incrementino le performance depurative del sistema.

Sono stati proposte diverse soluzioni per il controllo del fouling, tra questi l’utilizzo di additivi come il carbone attivo, l’MBR a letto mobile (MB-MBR) e l’MBR a letto fisso integrato (FB-MBR). Recenti soluzioni innovative sono rappresentate dagli MBR ibridi, in cui viene combinata la tecnologia MBR con i processi elettrochimici che si sviluppano in una cella a combustibile microbico (MFC) per il controllo del fouling e per incrementare le performance depurative del sistema.

Altra interessante soluzione proposta per ridurre i costi di investimento legati all'acquisto degli onerosi moduli a membrana e alla loro degradazione nel tempo consiste nell'utilizzo di innovative membrane dinamiche auto-formanti (SFDM). Tale tecnologia si basa sulla formazione, mediante complessi meccanismi fisici, chimici e biologici, di una membrana dinamica auto-formante su un materiale di supporto inerte a pori grossolani (10–200 micron) e a basso costo. Il principale svantaggio di tale sistema risiede nel fatto che l’efficienza di depurazione è fortemente legata alle condizioni fisico, chimiche e biologiche che avvengono all'interno del bioreattore, per cui, soprattutto nella fase iniziale del processo, l’effluente trattato può risultare di scarsa qualità. Tale promettente tecnologia deve quindi essere ancora ampiamente studiata per poter pervenire alla sostituzione delle membrane tradizionali.

Delle innovative membrane particolarmente promettenti risultano essere quelle formate da nanomateriali (NMs-MBR) che offrono enormi opportunità per uno sviluppo sostenibile della tecnologia MBR.

Sono stati fatti molti sforzi per incorporare vari tipi di nanomateriali nelle strutture della membrana come materiali droganti per migliorare le proprietà fisico chimico della membrana. Tramite la nanotecnologia accoppiata agli MBR è possibile, per esempio, percolato di discarica riuscendo a ridurre in modo significativo COD, ammoniaca e solidi. Si spera quindi che il trattamento delle acque reflue abilitato dalla nanotecnologia prometta non solo di migliorare le prestazioni e offrire soluzioni di trattamento delle acque reflue a prezzi accessibili, ma anche di fornire nuove capacità di trattamento che potrebbero consentire l’utilizzo economico degli impianti MBR.

Possibili configurazioni di NMs-MBR

La progettazione e lo sviluppo dei sistemi NMs-MBR rappresentano una tecnologia rivoluzionaria poiché ci si aspetta che NMs-MBR affronti in modo completo il problema del fouling mantenendo un flusso elevato e una buona qualità dell’effluente trattato. La configurazione è simile agli MBR convenzionali che accoppiano il trattamento biologico, aerobico o anaerobico, con la filtrazione a membrana.

Le membrane a base di NM sono più efficaci delle membrane convenzionali per quanto riguarda idrofilia, rugosità superficiale, stabilità termica, stabilità idraulica, controllo delle incrostazioni, maggiore permeabilità all'acqua e maggiore selettività grazie alla loro piccola dimensione dei pori. Grazie alle proprietà migliorate delle membrane a base di NM, l’impronta del sistema può essere ulteriormente ridotta e, al contempo, anche le prestazioni complessive possono essere migliorate. I metodi di fabbricazione utilizzati per le membrane NM si concentrano principalmente sull'aggiunta di NM nel supporto polimerico, anche se la deposizione di NM sulla superficie della membrana è sempre più utilizzata. Ad oggi, una varietà di membrane a base di NM, tra cui nanofibre, nanoparticelle, nanotubi, nanocristalli, nanofili e nanofogli sono state utilizzate per applicazioni di trattamento delle acque.

Sebbene l’uso della tecnologia NMs-MBR risulta essere altamente promettente in termini di riduzione del fouling della membrana e incremento delle efficienze di rimozione degli inquinanti, ci sono diversi aspetti attualmente poco compresi. Questi includono il costo della produzione su larga scala, la loro durata, la possibilità di lisciviazione dei nanomateriali nelle acque reflue. Questi problemi devono essere ulteriormente studiati prima di procedere all'integrazione delle membrane di nanomateriali nei sistemi MBR su vasta scala.

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