Digestione migliorata dei fanghi attivi dei rifiuti utilizzando un bioreattore a membrana dinamica anaerobica sommersa: prestazioni, caratteristiche dei fanghi e comunità microbica

Scientific Reports volume 6, numero articolo: 20111 (2016) Citare questo articolo

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La digestione anaerobica (AD) svolge un ruolo importante nel trattamento dei fanghi attivi dei rifiuti (WAS); tuttavia, il processo AD (CAD) convenzionale necessita di miglioramenti sostanziali, in particolare per il trattamento di WAS con basso contenuto di solidi e scarsa biodegradabilità anaerobica. Qui, proponiamo un bioreattore a membrana dinamica anaerobica sommersa (AnDMBR) per l'ispessimento e la digestione simultanei del WAS senza alcun pretrattamento. Durante il funzionamento a lungo termine, l'AnDMBR ha mostrato una maggiore riduzione dei fanghi e una migliore produzione di metano rispetto al processo CAD. Inoltre, il biogas generato nell'AnDMBR conteneva un contenuto di metano maggiore rispetto al processo CAD. Le firme isotopiche del carbonio stabile hanno chiarito la presenza di percorsi metanogenici combinati nel processo AnDMBR, in cui il percorso metanogenico idrogenotrofico ha dato un contributo maggiore alla produzione totale di metano. Si è inoltre scoperto che la degradazione della materia organica veniva migliorata nell'AnDMBR, fornendo così substrati più favorevoli per i microrganismi. Il pirosequenziamento ha rivelato che Proteobacteria e Bacteroidetes erano abbondanti nelle comunità batteriche e Methanosarcina e Methanosaeta nelle comunità archeali, che svolgevano un ruolo importante nel sistema AnDMBR. Questo studio ha fatto luce sulla digestione migliorata di WAS utilizzando la tecnologia AnDMBR.

I fanghi attivi di rifiuto (WAS) vengono generati durante il processo di trattamento biologico delle acque reflue e potenzialmente costituiscono un inquinante secondario se non adeguatamente affrontati. Il trattamento e lo smaltimento dei WAS rappresentano fino al 50% dei costi operativi negli impianti di trattamento delle acque reflue (WWTP), mettendo a dura prova la gestione delle acque reflue municipali in tutto il mondo1,2. Per il trattamento WAS, la digestione anaerobica (AD) è interessante per i suoi vantaggi come la riduzione della quantità di fanghi, la produzione di biogas e la distruzione degli agenti patogeni2. Tuttavia, esistono alcuni inconvenienti nei processi AD (CAD) convenzionali che ne ostacolano le applicazioni su larga scala. Ad esempio, è necessario l'ispessimento dei fanghi prima del processo AD per ridurre il volume WAS. Inoltre, il tempo di ritenzione idraulica (HRT) è identico al tempo di ritenzione solida (SRT), portando a un volume maggiore di digestore e al funzionamento non flessibile dei processi CAD. D'altra parte, i WAS, in particolare nei sistemi di trattamento biologico con SRT lunghi, presentano una biodegradabilità anaerobica relativamente scarsa rispetto ai fanghi primari a causa dell'accumulo di residui cellulari e materiali inerti sospesi3,4, che influisce negativamente anche sulle prestazioni dell'AD.

Al fine di migliorare le prestazioni dell'AD, sono stati proposti alcuni processi ad alta velocità, come la coperta di fanghi granulari espansi (EGSB)5 e il bioreattore a membrana anaerobica (AnMBR)1,6. Per la tecnologia EGSB, la granulazione dei fanghi è complessa e impegnativa e i WAS, a differenza delle acque reflue, possono influenzare le prestazioni dei granuli anaerobici5. Il processo AnMBR prevale sul processo CAD in termini di riduzione dell'impronta, ispessimento e digestione simultanei e disaccoppiamento dell'HRT da SRT1. L'efficiente separazione solido/liquido delle membrane trattiene bene i microrganismi e quindi migliora la degradazione degli inquinanti7. Recentemente, alla digestione WAS sono stati applicati sistemi AnMBR con membrane di microfiltrazione/ultrafiltrazione (MF/UF). Dagnew et al.8 hanno utilizzato membrane tubolari esterne per trattare WAS addensato dosato con polimero (solidi totali 17,0 g/L) in un digestore anaerobico su scala pilota e hanno osservato circa il 48% del tasso di riduzione dei solidi volatili con HRT 15 giorni e SRT 30 giorni. Un simile tasso di distruzione dei solidi volatili (45–51%) è stato riportato da Xu et al.9 utilizzando un sistema AnMBR esterno per la digestione di WAS addensato a un flusso di membrana di 1,3–3,5 L/(m2 h). Tuttavia, i principali inconvenienti dei processi AnMBR sono il basso flusso di membrana delle membrane MF/UF e l'elevato tasso di incrostazione della membrana6. Inoltre, la configurazione della membrana esterna comporta un grande consumo di energia poiché il fouling è controllato tramite elevate velocità di circolazione, che possono anche inibire l'attività metanogenica a causa dell'intenso taglio della pompa6,10.