L’impiato ha funzionato in continuo con una portata effluente di permeato pari a 30 LMH; il cui funzionamento ha previsto l’uso di tre pompe dosatrici rispettivamente di influente, effluente e controlavaggio. La pompa dell’effluente una volta avviata per mezzo di un timer, ha lavorato con cicli di 9 minuti ON di filtrazione attraverso la membrana e 1 minuti OFF durante il quale ha lavorato la pompa del controlavaggio al fine di garantirne la pulizia della stessa. L’attivazione invece della pompa dell’influente è stata regolata da un galleggiante presente all’interno del reattore in funzione del suo livello, ossia quando esso diminuiva automaticamente la pompa si attivava. Al reattore è stato applicato inoltre un gradiente di tensione esterno, ed è stato applicato agli elettrodi attraverso l’alimentazione DC con cicli di 5 minuti ON e 20 minuti OFF. La densità di corrente calcolata come il prodotto dell’intensità di corrente pari a 0,9 mA/cm2 e l’area cilindrica dell’elettrodo pari a 7505,54 cm2 era pari a 6.75 A.
Ai fini del monitoraggio dell’impianto sono stati prelevati 3 campioni rispettivamente di influente, effluente e miscela areata. Su tali campioni, giornalmente, sono state eseguite le misurazioni di parametri quali il pH, la temperatura e l’ossigeno disciolto (OD) attraverso appositi strumenti, quali, sonde HI 9147 Dissolved Oxygen Meter per quanto riguarda l’ossigeno disciolto (OD) sia in percentuale che in mg/l, mentre HI 99121 pH/Temperature Meter per il pH e la temperatura in °C.
L’attività sperimentale condotta, ha previsto lo svolgimento di analisi eseguite presso il Laboratorio di Ingegneria Sanitaria Ambientale (SEED). Tali analisi sono state condotte sui 3 campioni, rispettivamente di influente, effluente e miscela aerata, prelevati presso l’impianto di depurazione, con cadenza di due giorni a settimana e hanno riguardato i seguenti parametri Torbidità, Solidi Sospesi Totali (SST), Solidi Sospesi Volatili (SSV), COD, Azoto Ammoniacale (NH4)e UV254.
I risultati delle analisi svolte, hanno riportato un’efficienza di rimozione dei contaminanti convenzionali quali, COD, NH4 e UV254 rispettivamente pari a 97+/-4,45 %, 98 +/- 1,59 % e 73 +/- 16,82 %. Ciò è dovuto al fatto che quando il campo DC era in modalità ON, l’anodo e il catodo sono stati rispettivamente esposti a condizioni di ossidazione e riduzione che hanno generato, in situ, coagulanti capaci di assorbire i composti disciolti e queste elevate efficienze di rimozione ottenute, sono inoltre, una conferma della formazione di DM, in quanto questo dimostra che il DM formato era in grado di trattenere sia i solidi sia i microrganismi a crescita lenta come batteri nitrificati.
In questo lavoro, la formazione di DM è stata anche confermata da un’elevata rimozione della torbidità. Infatti, già dal primo giorno di avvio dell’attività sperimentale, la torbidità presentava valori inferiori a 5 NTU, che è il valore di rifermento per la formazione della membrana presente in letteratura, per poi scendere al di sotto dell’unità dopo il quinto giorno di attivazione dell'impianto.
La combinazione dei processi elettrochimici con la membrana dinamica autoformante incapsulata ha consentito, inoltre, di migliorare anche un altro problema legato ai bioreattori a membrana, ossia la formazione del fouling di membrana, evidenziando un andamento della pressione di trasmembrana (TMP) nel tempo pressoché costante. Tale paramento, infatti, è strettamente correlato alla formazione del fouling. A seguito del processo di elettrocoagulazione, l’aumento del diametro delle particelle ha permesso di ridurre l’incrostazione della membrana (Shen et al, 2015) in quanto, tali fiocchi essendo relativamente grandi, contengono acqua meno legata e di conseguenza sono più stabili, per cui possono essere facilmente rimossi dalla filtrazione. È stato così osservato un tasso di sporcamento della membrana pari a 0,0167 [KPa/h].
Poiché, il fouling di membrana è direttamente correlato ai suoi precursori quali EPS, SMP e TEP, essi sono stati analizzati durante l’attività sperimentale per capire la loro influenza sull’incrostazione della membrana, ottenendo una concentrazione presente all’interno della miscela aerata rispettivamente di 3,45 +/- 1,99 mg/g di biomassa, 2,78 +/- 1,78 mg/g di biomassa e 7,18 +/- 2,77 mg/g di biomassa per EPS, SMP e TEP.
I risultati ottenuti sono riconducibili al fatto che gli idrossidi di alluminio a carica positiva formati sul lato dell’anodo a causa dell’ossidazione elettrolitica di quest’ultimo hanno destabilizzato e neutralizzato l’EPS con carica negativa, i colloidi caricati e i soluti nella sospensione (Le Chech et al, 2006), per cui questi idrossidi precipitano in particelle sospese adsorbite, colloidi e sostanze organiche solubili portando ad una sostanziale riduzione dei precursori (EPS, SMP; TEP) legati al fouling di membrana e, quindi, delle incrostazioni della membrana. Infatti, l’elettrolisi dell’acqua e l’ossidazione sulla superficie dell’anodo potrebbero aver generato radicali idrossilici (Wang et al, 2004), ossia specie che forniscono un alto potenziale di ossidazione, in grado di mineralizzare polisaccaridi e proteine anche in forma legata, rendendo EPS, SMP e TEP prodotti più biodegradabili che sono stati poi biologicamente degradati.
Conclusioni
I bioreattori a membrana (MBR) sono riconosciuti in tutto il mondo come una tecnologia promettente per il trattamento e il riutilizzo delle acque reflue grazie ai loro vantaggi rispetto ai trattamenti convenzionali, in quanto garantiscono elevati rendimenti di rimozione a fronte di ridotte superfici di ingombro, una qualità dell’effluente più elevata e più stabile come conseguenza della filtrazione a membrana, una minor produzione dei fanghi (Melin et al, 2006). Inoltre il refluo depurato viene considerato una risorsa riutilizzabile. La principale novità di questa tecnologia consiste nell’uso di uno o più moduli di membrana a ultrafiltrazione o microfiltrazione. Le membrane sono mezzi porosi capaci di separare selettivamente da un fluido sostanze contenute in forma sospesa o disciolta sotto l’azione di una forza motrice; l’attraversamento della membrana comporta un meccanismo di filtrazione con la produzione di permeato di elevata qualità e un concentrato che si accumula all’interno del reattore stesso da cui può essere allontanato periodicamente. Nonostante questi vantaggi, il mantenimento della permeabilità e la prevenzione del fouling di membrana sono i principali problemi di funzionamento degli MBR.
Il fouling di membrana è lo sporcamento della membrana a causa di depositi che si accumulano su di essa durante la filtrazione e i fattori che lo influenzano sono la tipologia di membrana, le caratteristiche della biomassa e le modalità operative dell’impianto MBR. \cite{Naddeo_2021a}