Un esperto realizza una soluzione sostenibile per rimuovere fosfati e ammonio dalle acque reflue

Sara Abu-Obaid ritiene che l’intero settore della gestione delle acque reflue debba subire un cambiamento di paradigma. Il dottorando in ingegneria chimica e chimica applicata presso la Facoltà di Scienze Applicate e Ingegneria dell'Università di Toronto è specializzato nella fabbricazione di membrane per il trattamento delle acque reflue, con particolare attenzione al riutilizzo dell'acqua e al recupero delle risorse. "Dobbiamo passare dal considerare le acque reflue come un fastidio a riconoscendone il potenziale come risorsa", afferma. "Può fornirci acqua, sostanze nutritive, energia e altri beni di valore che possono essere raccolti e utilizzati per procedere verso un'economia circolare." Abu-Obaid, supervisionato da Ramin Farnood, vice-preside della ricerca della facoltà e professore nel dipartimento di ingegneria chimica e chimica applicata, è l'autore principale di un nuovo articolo pubblicato sul Chemical Engineering Journal. Lo studio introduce una soluzione sostenibile per rimuovere fosfato e ammonio dalle acque reflue in modo da recuperare i nutrienti per un uso futuro. Il suo nuovo metodo utilizza membrane avanzate che incorporano particelle inorganiche per l'assorbimento di fosfato e ammonio dalle acque reflue. Recuperando queste sostanze in modo economicamente vantaggioso, il metodo crea una nuova fonte di materiali che possono essere utilizzati dai produttori di fertilizzanti agricoli. L’acqua usata proveniente dalla balneazione, dai servizi igienici, dal bucato e da altre fonti scorre negli scarichi fino alle fogne che conducono agli impianti di trattamento delle acque reflue, dove viene pulita in modo che possa essere scaricata in sicurezza nella natura senza impatto sull’ambiente. Gli obiettivi chiave del processo di trattamento includono la rimozione di solidi, materia organica, agenti patogeni e sostanze nutritive, come quelli che derivano da prodotti domestici ed escrementi – materiali di scarto scaricati dal corpo. Tra questi nutrienti ci sono il fosfato e l'ammonio, due ingredienti essenziali nei fertilizzanti agricoli. Sebbene il fosforo sia essenziale per la prosperità della vita vegetale, una quantità eccessiva di sostanza chimica può causare l’eutrofizzazione, un processo complesso che inizia quando un ambiente diventa eccessivamente arricchito di sostanze nutritive, portando a un’esplosione nella crescita delle alghe. Queste fioriture di alghe dannose riducono la disponibilità di ossigeno nell'acqua, creando "zone morte" dove soffocano gli organismi acquatici. L'esposizione a lungo termine all'ammonio può anche essere tossica per la vita acquatica. Gli attuali impianti di trattamento delle acque reflue hanno stabilito processi per rimuovere fosfato e ammonio durante il processo di trattamento. Tipicamente, un trattamento chimico converte il fosfato in una forma solida che si deposita sul fondo dell'acqua, dove viene poi raccolto come fango e inviato in discarica. L'ammonio viene tradizionalmente rimosso mediante un trattamento biologico, in cui i batteri lo consumano e lo trasformano in nitrato e quindi in azoto gassoso. "Si tratta di due prodotti di alto valore che sono ingredienti chiave nei fertilizzanti, ma gli attuali processi di trattamento delle acque reflue trattano questi nutrienti come rifiuti", afferma Abu-Obaid. "La mia soluzione è estrarre completamente i nutrienti dall'acqua e quindi utilizzarla come fonte per la produzione di fertilizzanti." Molti scienziati hanno avvertito che l’attuale tasso di consumo di fosforo agricolo potrebbe portare a carenze critiche, che interromperebbero le forniture alimentari a livello globale. Il nuovo metodo di Abu-Obaid potrebbe contribuire ad aumentare l'offerta trasformando le acque reflue in una fonte vitale di questi nutrienti. Mentre molte membrane utilizzate per la filtrazione dell'acqua si basano su pori attentamente progettati per filtrare le sostanze bersaglio fuori dall'acqua, l'approccio di Abu-Obaid è diverso. La sua membrana contiene minuscole particelle costituite dai minerali akaganeite e zeolite 13X (un tipo di setaccio molecolare) con elevata affinità per l'adsorbimento di fosfato e ammonio (dove un solido trattiene le molecole di un soluto come un film sottile). cose che vogliamo rimuovere attraverso l’esclusione dimensionale o esercitando grandi pressioni," dice Abu-Obaid. "Piuttosto, sono le particelle all'interno della membrana che stanno effettuando la rimozione, ed è compito della membrana mantenerle in posizione." Anche se le particelle potrebbero fare il lavoro da sole, Abu-Obaid dice che la difficoltà risiederebbe nel rimuoverle dalle acque reflue e nel timore che si disperdano. L'utilizzo di una membrana per tenerle in posizione apre la possibilità di un funzionamento in due fasi: prima le particelle assorbono ammonio e fosfato dalle acque reflue, quindi le membrane vengono lavate utilizzando una soluzione di idrossido di sodio per recuperare contemporaneamente i nutrienti e rigenerare le particelle. Nello studio, le membrane sono state in grado di catturare ioni fosfato e ammonio in condizioni di flusso d’acqua dinamico, con conseguente rimozione dell’84% di ammonio e del 100% di fosfato dalle acque reflue sintetiche, anche in presenza di altri ioni concorrenti. Sebbene Abu-Obaid ritenga che i suoi esperimenti abbiano dimostrato che il metodo ha un grande potenziale per questa applicazione, vede la necessità di ulteriori studi per indagare le considerazioni di progettazione per l'applicazione su larga scala di tali sistemi. "Si tratta di un uso non tradizionale della tecnologia a membrana, che è più comunemente utilizzata per la filtrazione del tipo ad esclusione dimensionale", afferma. "Può anche essere difficile giustificare il motivo per cui stiamo utilizzando questa tecnologia per recuperare nutrienti che non sono ancora così scarsi da minacciare le attuali catene di approvvigionamento. Ma crediamo che possiamo trarre vantaggio dall'essere in anticipo sul problema e dalla creazione di potenziali fonti sostenibili per il futuro." Fino ad allora, Abu-Obaid spera che questa nuova soluzione, insieme ad altre tecnologie innovative per recuperare i nutrienti dalle acque reflue, possa ottenere maggiore sostegno. "Abbiamo bisogno di ulteriori studi tecnico-economici, stabilità a lungo termine e studi pilota per dimostrare l'utilità di questa tecnologia per creare un futuro più sostenibile per la gestione delle acque reflue", afferma.