Rimozioni efficaci e simultanee di carbonio e azoto e recupero di fosforo in un sistema integrato di bioreattore a membrana aerato in modo intermittente

Scientific Reports volume 5, numero articolo: 16281 (2015) Citare questo articolo

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Recentemente il recupero dei nutrienti, in particolare delle risorse di fosfato, dalle acque reflue ha suscitato un crescente interesse. Qui, è stato sviluppato un bioreattore a membrana aerato in modo intermittente (MBR) con un filtro a rete per la richiesta simultanea di ossigeno chimico (COD), rimozione totale di azoto (TN) e fosforo, seguita dal recupero di fosforo dai fanghi ricchi di fosforo. Questo sistema integrato ha mostrato prestazioni migliorate nella nitrificazione e denitrificazione e nella rimozione del fosforo senza scaricare i fanghi in eccesso. La rimozione media di COD, TN e fosforo totale (TP) in un MBR modificato è stata rispettivamente di 94,4 ± 2,5%, 94,2 ± 5,7% e 53,3 ± 29,7%. Il TP rimosso è stato immagazzinato nella biomassa e il 68,7% del fosforo immagazzinato nei fanghi poteva essere recuperato come soluzione concentrata di fosfato con una concentrazione di fosfato superiore a 350 mg/L. I fanghi dopo il rilascio del fosforo potrebbero essere restituiti all'MBR per l'assorbimento del fosforo e l'83,8% della sua capacità potrebbe essere recuperata.

Lo scarico eccessivo di azoto e fosforo nei corpi idrici provoca l’eutrofizzazione e la scarsa qualità dell’acqua1, mettendo a rischio la salute e l’ambiente di vita degli esseri umani2. Per ironia della sorte, le risorse di questi nutrienti essenziali, in particolare il fosforo estraibile, sono limitate e stanno diventando materiale strategico per molti paesi3. Pertanto, la rimozione e il recupero di questi nutrienti dalle acque reflue non solo hanno l’ulteriore vantaggio di ridurre al minimo l’eutrofizzazione del corpo idrico, ma anche di alleviare la potenziale crisi del fosforo4,5. Per questi motivi, il processo di recupero dei fosfati dovrebbe essere integrato negli impianti di trattamento delle acque reflue esistenti per la rimozione dei nutrienti6,7.

Gli approcci biologici sono stati ampiamente utilizzati negli impianti di trattamento delle acque reflue per la rimozione di azoto e fosforo8,9,10. Alternando processi anaerobici-anossici-aerobici (A2O), restituendo liquami e fanghi e scaricando i fanghi ricchi di fosfati dal sistema come fanghi in eccesso, è possibile ottenere la rimozione simultanea di azoto e fosforo11,12. Tuttavia, tali tecnologie convenzionali di trattamento delle acque reflue presentano ancora gravi limitazioni tecniche, economiche e di sostenibilità causate dal loro complesso funzionamento e smaltimento dei fanghi, dagli elevati requisiti energetici, dalla scarsa qualità degli effluenti e dall’assenza di un processo di recupero del fosforo13.

Negli ultimi anni, il processo MBR ha ottenuto una crescente applicazione grazie alla sua elevata efficienza di trattamento, alla bassa produzione di fanghi e alla buona qualità degli effluenti14,15,16. È stato riportato che un MBR aerato può essere collegato a processi anaerobici e/o anossici per ottenere la rimozione simultanea di carbonio, azoto e fosforo durante il trattamento delle acque reflue17,18,19. Tuttavia, questi processi collegano semplicemente alcuni singoli reattori in sequenze, il che aumenta la complessità operativa. Negli ultimi anni sono stati sviluppati MBR ad aerazione intermittente per il trattamento delle acque reflue ed è stato studiato l'effetto della modalità on/off di aerazione alternata sulle prestazioni del sistema20,21,22. Nel nostro studio precedente, è stato sviluppato un MBR aerato in modo intermittente utilizzando un filtro a rete in acciaio inossidabile per rimuovere simultaneamente la domanda chimica di ossigeno (COD) e azoto in modalità di flusso continuo senza scaricare alcun fango in eccesso23. Tuttavia, in tale sistema non è stata studiata la rimozione del fosforo. Per rendere questa tecnologia più praticabile dal punto di vista pratico, è necessario ottimizzare ulteriormente la configurazione e il funzionamento del sistema e prendere in considerazione la rimozione e il recupero del fosforo. In realtà, alcune strategie per il recupero del fosforo dalle acque reflue utilizzando la rimozione biologica modificata e potenziata del fosforo24,25 o la precipitazione del fosforo indotta biologicamente26 potrebbero essere utilizzate come riferimento nell'MBR aerato in modo intermittente.

In questo lavoro, un MBR aerato in modo intermittente è stato ulteriormente progettato per migliorare il recupero del fosforo dalle acque reflue. Il presente studio ha studiato il potenziale della rimozione simultanea di COD, TN e TP in un singolo reattore senza scaricare i fanghi in eccesso. Inoltre, è stato esplorato il recupero del fosforo. Inoltre, è stato analizzato il meccanismo di rimozione di TN e TP nell'MBR aerato in modo intermittente.