Il trattamento delle acque reflue urbane ed industriali mediante sistemi MBR: indagini sperimentali ed applicazioni modellistiche

Tra i sistemi di depurazione per via biologica che, negli ultimi anni, hanno riscosso maggior interesse vi è, senza dubbio, quello denominato MBR (Membrane Biological Reactor), costituito, in sintesi, dall’accoppiamento di un sistema biologico a fanghi attivi con un sistema di filtrazione su membrana per la separazione della biomassa. Gli MBR presentano indubbi vantaggi, in termini sia di elevata qualità dell’effluente depurato che di ridotti ingombri planimetrici e volumetrici, che li rendono particolarmente adatti in molte situazioni, quali quelle ove si rende necessaria l’attuazione di interventi di adeguamento e/o potenziamento ai sensi del Decreto Legislativo 152/06, ovvero ove è richiesto il rispetto di standard di qualità idonei a consentire il riutilizzo dell’effluente depurato in ambito agricolo o all’interno del ciclo produttivo di processi industriali. Sebbene negli ultimi anni molte ricerche abbiano avuto ad oggetto gli MBR, ancora molti sono gli aspetti che necessitano di ulteriori approfondimenti. Mancano, ancora oggi, appropriati modelli matematici di simulazione del funzionamento del sistema, dal momento che quelli esistenti non tengono conto della specificità degli MBR rispetto alle configurazioni convenzionali, sostanzialmente dovuta alla differenti caratteristiche della biomassa che si sviluppa in assenza della fase di sedimentazione. In particolare, mancano informazioni adeguate sui valori che assumono i parametri cinetici e stechiometrici tipici delle reazioni biologiche. Allo stesso tempo, sono carenti le informazioni esistenti sulle caratteristiche di disidratabilità delle biomasse prodotte negli MBR, che possono influenzare, ovviamente, il dimensionamento delle fasi che costituiscono la linea fanghi. La scarsità di indicazioni riguarda anche il grado di inibizione dell’attività microbica determinato dalla presenza di metalli pesanti, la cui conoscenza può essere utile, invece, per stimare la concentrazione del metallo stesso che può essere tollerata nell’influente alla fase biologica. Ugualmente di poco conto risultano le informazioni sulle strategie che è possibile mettere in atto per operare il controllo dei processi che si sviluppano in un MBR, che sono, invece, di grande ausilio per assicurarne il corretto funzionamento e relativamente alle quali è avvertita l’esigenza di mettere a punto: metodologie idonee d’acquisizione dei dati on-line; algoritmi di controllo dei processi; procedure efficaci di ottimizzazione del processo biologico e del fouling. La disponibilità di tali strumenti potrà consentire di: massimizzare le prestazioni delle membrane; minimizzare i costi energetici; favorire il trasferimento dell’ossigeno; contenere gli elevati costi di investimento e di esercizio. Durante l’attività di ricerca condotta nei tre anni di dottorato dall'ing. Luca d'Antonio si è tentato di fornire un contributo al miglioramento del livello di conoscenza del funzionamento degli MBR, cercando di colmare, almeno in parte, le lacune sopra evidenziate. Tale fine è stato perseguito conducendo attività di diverso tipo: indagini sperimentali su due impianti pilota con differente tecnologia di filtrazione, allo scopo di poterne operare il raffronto; utilizzazione di due distinti modelli matematici, di cui il primo convenzionale, idoneo a simulare sistemi a fanghi attivi convenzionali, ed il secondo innovativo, specificamente messo a punto per il sistema MBR, in grado anche di correlare l’attività biologica allo sporcamento delle membrane; analisi di laboratorio, finalizzate sia alla stima dei parametri cinetici e stechiometrici della biomassa che alla caratterizzazione di quest’ultima dal punto di vista microbiologico e delle proprietà di disidratabilità. Il lavoro è articolato in sette diversi Capitoli. Il primo (Capitolo 1) contiene una sintetica descrizione degli MBR, mentre nel Capitolo 2 è illustrata la tecnica di misura dell’attività della biomassa nota come Respirometria, introducendone i fondamenti teorici e le possibili, seguenti utilizzazioni: identificazione dei parametri cinetici della biomassa; stima del potenziale inibitorio sull’attività batterica di una generica sostanza tossica; approfondimenti sulla produzione di SMP, specie in presenza di composti inibenti Nel Capitolo 3, vengono descritti i modelli di simulazione dei processi biologici, focalizzando l’attenzione, soprattutto, sul modello specificamente messo a punto per i sistemi MBR. Le problematiche connesse alla disidratabilità dei fanghi sono illustrate nel Capitolo 4, approfondendo, in particolare, le modalità maggiormente efficaci utilizzabili per condizionare i fanghi, ed in grado di incrementarne la velocità di disidratazione e di elevarne il tenore di secco ottenibile. Gli aspetti connessi alle modalità di descrizione della composizione della microfauna sono illustrati nel Capitolo 5, ove viene operata la classificazione degli elementi costitutivi dei protozoi e dei metazoi, al fine di poter correlare la microfauna dei fanghi all’efficienza depurativa. Nel Capitolo 6 sono descritti, nel dettaglio, gli impianti, le apparecchiature, le attrezzature e le modalità di esecuzione delle indagini sperimentali. Particolare enfasi è stata data: alla definizione delle caratteristiche degli impianti pilota; alle modalità di esecuzione delle prove respirometriche, di disidratabilità e di caratterizzazione microbiologica; alla illustrazione delle peculiarità del modello matematico innovativo messo a punto. Infine, nel Capitolo 7 vengono presentati e commentati tutti i risultati conseguiti nel corso della ricerca, che sono stati descritti nello stesso ordine già utilizzato nell’esposizione dei capitoli precedenti, a partire dall’analisi dei rendimenti depurativi forniti dagli impianti pilota fino ad arrivare alla descrizione degli esiti delle prove di disidratabilità e della caratterizzazione microbiologica.