L’elettrocoagulazione è il principale processo elettrochimico che si instaura all’interno di un elettro-bioreattore a membrana. Questo processo consente di rimuovere dalle acque reflue diversi contaminanti, come metalli pesanti, solidi sospesi e sostanze organiche, utilizzando corrente elettrica ed elettrodi metallici sacrificali al posto di costosi reagenti chimici. Gli elettrodi utilizzati per l'elettrocoagulazione sono, solitamente, in alluminio e ferro, in quanto risultano essere materiali economici, prontamente disponibili, efficaci e in grado di accelerare il processo di coagulazione \cite{bani-melhem2008}. In particolare, l'elettrocoagulazione e la neutralizzazione della carica delle particelle permettono a queste ultime di unirsi, formando fiocchi di maggiori dimensioni \cite{Shen_2015}. Questi fiocchi potrebbero essere facilmente rimossi con la filtrazione poiché sono relativamente grandi; inoltre contengono meno acqua e sono più stabili \cite{Khandegar_2013}. Rispetto alla tradizionale coagulazione chimica, l'elettrocoagulazione riduce la produzione di fanghi, non prevede l'uso di agenti chimici costosi e richiede facili procedure operative \cite{Emamjomeh_2009}. Inoltre, \citet{Ensano_2019} hanno dimostrato la possibilità di utilizzare il processo di elettrocoagulazione come metodo per l'eliminazione dei prodotti farmaceutici dalle acque reflue urbane.
Nell'elettro-bioreattore avvengono diversi processi elettrocinetici che aiutano a ridurre le concentrazioni di sostanze organiche solubili e colloidali \cite{ibeid2011}. \citet{bani-melhem2008} distingue due fenomeni elettrocinetici:
- Elettroforesi: movimento di una particella carica attraverso un fluido stazionario sotto l’influenza di un campo elettrico;
- Elettroosmosi: movimento di un liquido rispetto a una superficie carica stazionaria sotto l'influenza di un campo elettrico. Dunque, il fenomeno dell'elettroosmosi riguarda anche la permeazione di un fluido attraverso un mezzo poroso (una membrana).
Nonostante i numerosi aspetti positivi, l'applicazione degli e-MBR presenta alcuni svantaggi. In particolare, gli effetti del campo elettrico sottopongono le specie batteriche presenti nel reattore, responsabili della degradazione biologica, ad un forte shock elettrico che ne inibisce il metabolismo. Di conseguenza, per non influenzare l’attività microbica, necessaria a garantire il processo biologico, i parametri di funzionamento del campo elettrico devono essere calibrati con attenzione. Inoltre, le reazioni che avvengono negli e-MBR comportano corrosione degli elettrodi, con conseguente richiesta di sostituzione degli stessi che porta ad un incremento dei costi operativi.
Modellazione di un elettro-bioreattore a membrana dinamica auto-formante
\citet{naddeo2019} hanno esaminato per la prima volta la possibilità di combinare processi elettrochimici con bioreattori a membrana dinamica auto-formante (SFDMBR) per la rimozione dei contaminanti emergenti dalle acque reflue. La combinazione di queste due innovative tecniche di depurazione porta alla realizzazione di un elettro-bioreattore a membrana dinamica auto-formante (e-SFDMBR). Tale configurazione, a fronte di ridotti costi di investimento per l'assenza dei costosi moduli a membrana, ha consentito una riduzione del fouling di membrana e un’elevata rimozione di composti organici e nutritivi. Inoltre, i meccanismi elettrochimici sviluppati nel bioreattore hanno consentito una maggiore rimozione dei contaminanti rispetto ai sistemi MBR.
L’evoluzione delle conoscenze in ambito informatico e l’adozione di strumenti tecnologicamente avanzati hanno favorito un continuo miglioramento in molteplici ambiti, tra i quali la progettazione di opere civili ed ambientali. L’avvento di software CAD sempre più avanzati non solo permette la realizzazione di modelli in grado di rappresentare realisticamente il progetto da realizzare, ma consente anche di simulare il funzionamento dell’opera stessa. Utilizzando tali strumenti, sono stati realizzati i modelli virtuali tridimensionali e le simulazioni dei processi di funzionamento dei seguenti impianti:
- Bioreattore a membrana dinamica auto-formante (SFDMBR) a scala di laboratorio;
- Elettro-bioreattore a membrana dinamica auto-formante (e-SFDMBR) a scala di laboratorio;
- Elettro-bioreattore a membrana dinamica auto-formante (e-SFDMBR) a scala pilota, situato presso l’impianto di depurazione “Tavernola” del Comune di Battipaglia (SA).
L’impianto SFDMBR a scala di laboratorio è costituito da un reattore cilindrico in plexiglass avente capienza pari a 19 litri (altezza=45 cm, diametro=30 cm, spessore = 10 mm), in cui sono stati inseriti dei diffusori a bolle fini collegati ad un compressore per permettere la continua aerazione del sistema. La continua aerazione garantisce le condizioni aerobiche, fornisce una buona miscelazione del refluo ed evita la sedimentazione dei fiocchi di fango. Al centro del reattore è stato posto il materiale di supporto per la formazione della membrana dinamica auto-formante. Come materiale filtrante è stato scelto il dacron, una fibra tessile sintetica in tetrapolietilene ottenuta per condensazione dell’acido tereftalico (C8H6O4) e del glicol etilenico (C2H6O2), avente porosità pari a 30 µm. Il dacron è stato inserito all’interno di un supporto in plexiglass, composto da un corpo centrale, in cui è stato posizionato il materiale filtrante, chiuso ermeticamente tramite due telai in plexiglass posizionati esternamente e fissati ad esso con una serie di bulloni. In particolare, si è scelto di posizionare due strati filtranti in dacron per ogni faccia del supporto e, al fine di evitarne l’adesione e per irrigidirli, si è deciso di posizionare tra essi una rete rigida in materiale plastico. La membrana utilizzata presenta dimensioni pari a 6.5 cm x 16.5 cm, con una superficie filtrante totale pari a 214.5 cm2.
Nell'impianto sono previsti un serbatoio di alimentazione in cui è posto il refluo sintetico utilizzato per alimentare il reattore biologico tramite pompa peristaltica, un serbatoio in cui viene immesso l'effluente prelevato tramite pompa dosatrice e un serbatoio contenente acqua distillata prelevata con pompa peristaltica nella fase di pulizia fisica della membrana (controlavaggio). Per tale sistema è stato previsto un ciclo di funzionamento di 10 minuti, di cui 9 minuti di filtrazione e 1 minuto di controlavaggio. Impostando un flusso pari a 30 LMH si ottiene una portata in ingresso pari a 6.42 ml/min, mentre la portata in uscita è stata impostata a 10.7 ml/min e la portata di controlavaggio a 32.1 ml/min. Mediante un trasduttore di pressione collegato ad un data logger è possibile monitorare costantemente l’andamento della pressione di transmembrana (TMP) e salvare automaticamente i dati acquisiti in un PC. La TMP, che rappresenta la differenza di pressione tra i due lati della membrana causata dalla resistenza esercitata dalla membrana stessa, è uno dei parametri che deve essere monitorato in quanto fornisce informazioni su come procede la filtrazione. Infatti, a valori elevati della pressione di transmembrana, che potrebbero essere dovuti ad un'eccessiva incrostazione del materiale filtrante, il processo di filtrazione non procede correttamente e ne consegue una necessaria pulizia della membrana.
L’impianto e-SFDMBR a scala di laboratorio è simile a quanto descritto per l’impianto SFDMBR a scala di laboratorio, con l’unica differenza legata all’aggiunta di una coppia di elettrodi cilindrici perforati (un anodo in alluminio dal diametro di 24 cm e un catodo in acciaio inossidabile dal diametro di 12 cm) all’interno del bioreattore e collegati ad un generatore di corrente tramite una coppia di morsetti. In particolare, gli elettrodi sono stati posizionati ad una distanza pari a 6 cm, in accordo allo studio svolto da \citet{Borea_2016} in cui è sottolineata l’importanza di mantenere una distanza appropriata fra i due elettrodi, allo scopo di minimizzare i potenziali effetti negativi sulla biomassa. La corrente elettrica, caratterizzata da un’intensità pari a 0.5 mA/cm2, è stata applicata con cicli di 25 minuti (di cui 5 minuti in modalità “ON” e 20 minuti “OFF”).
L’impianto e-SFDMBR a scala pilota è situato presso l’impianto di depurazione “Tavernola” del comune di Battipaglia (SA). Dopo essere stato testato in assenza del campo elettrico (SFDMBR pilota), sono stati aggiunti gli elettrodi, ottenendo un elettro-bioreattore a membrana dinamica auto-formante. Nel reattore biologico, oltre al supporto per la formazione della SFDM (dimensioni pari a 18 cm x 30 cm), sono stati posti due elettrodi cilindrici perforati (un anodo in alluminio dal diametro di 41 cm e un catodo in acciaio inossidabile dal diametro di 28.6 cm), una serie di diffusori a bolle fini alimentati mediante 5 pompe di aerazione e un interruttore a galleggiante (float switch), utile per rilevare il livello del liquido all’interno del bioreattore. Il refluo utilizzato per alimentare in continuo l’impianto pilota, proveniente dai precedenti trattamenti preliminari di grigliatura, rotostacciatura e dissabbiatura presenti nell’impianto reale, viene immesso nel bioreattore tramite l'azione di una pompa dosatrice; al termine del processo, il refluo trattato (permeato) viene reimmesso in testa al dissabbiatore tramite un'ulteriore pompa dosatrice. Analogamente all'impianto e-SFDMBR a scala pilota, è previsto un ciclo di funzionamento di 10 minuti: 9 minuti di filtrazione e 1 minuto di controlavaggio (in questa fase una pompa dosatrice preleva l'acqua di rete conservata in un apposito serbatoio).
Le principali caratteristiche progettuali definite per l'impianto e-SFDMBR a scala pilota sono riportate in figura 5.