Un pilota

Scientific Reports volume 6, numero articolo: 21653 (2016) Citare questo articolo

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Il recupero di nutrienti ed energia dalle acque reflue urbane ha attirato molta attenzione negli ultimi anni; tuttavia, la sua efficienza è notevolmente limitata dalle proprietà di bassa resistenza delle acque reflue municipali. Qui riportiamo un sistema di osmosi diretta (FO) su scala pilota che utilizza un modulo a membrana avvolta a spirale per concentrare le acque reflue urbane reali. In modalità soluzione di alimentazione rivolta verso lo strato attivo, il fattore di concentrazione critica (CCF) di questo sistema FO è stato determinato essere 8 con NaCl 0,5 M come soluzione di aspirazione. Durante il funzionamento a lungo termine con un fattore di concentrazione pari a 5, (99,8 ± 0,6)% della domanda chimica di ossigeno e (99,7 ± 0,5)% dei tassi di reiezione totale del fosforo potrebbero essere raggiunti in media con un flusso di 6 L/(m2 h) . In confronto, sono stati osservati solo il (48,1 ± 10,5)% e il (67,8 ± 7,3)% di rigetto di ammonio e azoto totale. La polarizzazione della concentrazione migliorata della torta contribuisce in modo determinante alla diminuzione dei flussi d'acqua. L'incrostazione ha portato anche al verificarsi di un effetto di polarizzazione della concentrazione ridotta del panello, migliorando il tasso di rigetto dell'ammonio con l'aumento del tempo di funzionamento in ciascun ciclo. Questo lavoro dimostra l'applicabilità dell'utilizzo del processo FO per la concentrazione delle acque reflue e anche le limitazioni nel recupero dell'ammonio che necessitano di ulteriori miglioramenti in futuro.

Attualmente, le acque reflue sono sempre più considerate una fonte di acqua, sostanze nutritive ed energia piuttosto che un rifiuto1,2. Per quanto riguarda il recupero di nutrienti ed energia dalle acque reflue domestiche/comunali, uno dei principali ostacoli è la natura a bassa resistenza delle acque reflue, che influisce in modo significativo sull’efficienza di recupero e sul rapporto costo-efficacia. Fornire un concentrato con elevate concentrazioni di domanda chimica di ossigeno (COD) e nutrienti (azoto e fosforo) che soddisfino i vantaggi economici rappresenta la chiave per la cattura di energia a valle (ad esempio, trattamento anaerobico e celle a combustibile microbiche) e unità di recupero dei nutrienti3 .

La separazione a membrana è una tecnologia promettente per scopi di concentrazione. I bioreattori aerobici a membrana (MBR) con breve tempo di ritenzione idraulica (HRT) e breve tempo di ritenzione dei fanghi (SRT) sono stati utilizzati per concentrare liquami e acque grigie attraverso meccanismi di bioflocculazione4,5. Lo svantaggio principale di questo scenario è il grave intasamento della membrana e la biodegradazione del COD in situ durante il processo di concentrazione (con conseguente recupero di solo il 35% circa del COD)4. La separazione dinamica tramite membrana sviluppata da Ma et al.6 ha dimostrato un tasso di recupero del COD dell'81,6% con un flusso di membrana elevato di 60 L/(m2 h). È stata segnalata anche la concentrazione diretta dei liquami mediante membrane di microfiltrazione (MF)3 ed è stata ottenuta una concentrazione efficiente per il COD, ma non per l'azoto e il fosforo. La nanofiltrazione (NF) e l'osmosi inversa (RO) possono essere utilizzate anche per concentrare le acque reflue urbane7,8; tuttavia, le membrane NF e RO sono sensibili alle incrostazioni causate da molecole disciolte e non disciolte, materiale particolato, precipitati salini e microrganismi9,10,11. Per questo motivo, i sistemi NF e RO per il trattamento delle acque reflue richiedono un pretrattamento per ridurre l'incrostazione della membrana, ad esempio MF e ultrafiltrazione (UF) come fasi di pretrattamento12.

L'osmosi diretta (FO) è un processo di separazione a membrana con una membrana semipermeabile posizionata tra una soluzione di alimentazione (FS) a bassa pressione osmotica e una soluzione di aspirazione (DS) ad alta pressione osmotica, ed è guidato dalla differenza di pressione osmotica attraverso la membrana13. Il processo FO presenta una minore propensione al fouling rispetto ai tradizionali processi a membrana a pressione come NF e RO, e quindi ha attirato molta attenzione negli ultimi anni14,15,16,17. L'uso di processi FO per il trattamento delle acque reflue domestiche/comunali a bassa intensità è in costante aumento, ad esempio, acque reflue domestiche sintetiche16 e effluenti di acque reflue provenienti da fonti municipali18,19 e acque reflue municipali20,21. Gli studi sopra menzionati pongono le basi per comprendere i comportamenti dei sistemi FO per la concentrazione delle acque reflue; tuttavia, non è ancora sufficiente stabilire una regola generale per questi sistemi poiché la maggior parte degli studi utilizza sistemi FO su scala di laboratorio in modalità di filtrazione batch e la durata dell'esperimento dura da diverse ore a diversi giorni18,19,20,21. È assolutamente necessario uno studio a lungo termine sui sistemi FO in funzionamento a flusso continuo per la concentrazione delle acque reflue domestiche/comunali a bassa densità, al fine di portare avanti le applicazioni di questa tecnologia al trattamento reale delle acque reflue.