PROCESSI E TECNOLOGIE INNOVATIVE PER IL TRATTAMENTO DELLE ACQUE
I processi e le tecnologie per il trattamento delle acque devono rispondere a nuove sfide determinate dalla salvaguardia della salute umana e dell’ambiente quali l’incremento dei costi dell’energia, la minimizzazione della produzione di residui solidi, la necessità di rimozione di composti pericolosi presenti in tracce o in concentrazioni molto elevate, la rimozione di inquinanti persistenti e di nutrienti imposta da limiti legislativi progressivamente più stringenti, l’esaurimento di alcune risorse quali il fosforo, il raggiungimento di elevati standard di qualità per le acque destinate al consumo umano e al riuso.
Obiettivi
Gli obiettivi delle attività afferenti all’area tematica sono volti, pertanto, allo sviluppo di processi e tecnologie di trattamento caratterizzati da:
- Sostenibilità intesa come migliore gestione e recupero delle risorse a tutela della salute umana e alla riduzione dell’impatto ambientale
- Efficiente rimozione e recupero di nutrienti per la protezione dei corpi idrici ricettori e per incentivare il riuso degli effluenti depurati
- Gestione ottimale dell’energia volta alla riduzione dei consumi e al recupero del potenziale energetico presente nel refluo
- Rimozione di inquinanti caratterizzati da tossicità e persistenza presenti sia in reflui urbani che industriali a diversi livelli di concentrazione
- Elevati standard di qualità per garantire la sicurezza delle acque destinate ad uso potabile e alle diverse forme di riutilizzo
- Selezione e caratterizzazione delle comunità microbiche finalizzata all’ottimizzazione delle prestazioni dei processi biologici.
Il raggiungimento di tali obiettivi è supportato da attività trasversali quali lo sviluppo di tecniche avanzate di monitoraggio e la modellizzazione dei processi con l’obiettivo di avere una caratterizzazione completa dei sistemi investigati ai fini della valutazione delle loro potenzialità applicative.
Rilievo
L’incremento demografico e dell’urbanizzazione, i cambiamenti climatici, i cambiamenti negli stili di vita e la scarsità di risorse necessarie per sostenerli, hanno indotto cambiamenti sostanziali nella gestione e nei trattamenti depurativi dei reflui urbani che si riflettono nello sviluppo di processi e tecnologie in grado di raggiungere elevate efficienze depurative con ridotti consumi energetici, limitato ingombro e ridotta produzione di fanghi. La rimozione dei nutrienti prevede, in particolare per il fosforo, oltre alla rimozione spinta, il loro recupero e il riutilizzo quale fonte di fertilizzanti in agricoltura. Inoltre, viene promosso il riutilizzo delle acque reflue che, opportunamente trattate, sono una fondamentale risorsa idrica integrativa delle fonti convenzionali, soprattutto nelle zone a forte vocazione agricola. Altro aspetto di rilievo è costituito dagli inquinanti organici emergenti, la cui rimozione richiede un trattamento spinto realizzato con reattori biologici ad alta efficienza, trattamenti di ossidazione avanzata (AOPs) o anche la combinazione di trattamenti chimico-fisici e biologici. Tra i contaminanti emergenti vanno considerati anche i determinanti dell’antibiotico resistenza alla cui diffusione contribuiscono in maniera rilevante gli effluenti scaricati nell’ambiente. Una delle principali criticità del trattamento di reflui industriali è costituita dalla presenza, anche ad elevate concentrazioni, di composti xenobiotici scarsamente biodegradabili, che possono esercitare effetti inibitori e/o tossici sui microorganismi cha catalizzano i processi biologici di trattamento. Soluzioni tecnologiche innovative, quali i reattori a doppia fase TPPBs (Two-Phase Partitioning Bioreactors) e il potenziamento della degradazione biologica con l’ossidazione chimica (processo BIO&CHEM sviluppato dall’IRSA) sono in grado di ridurre i problemi legati alla ridotta biodegradabilità e tossicità del refluo consentendo il raggiungimento dei limiti di qualità allo scarico nel rispetto del bilancio tecnico-economico. Gli ambiti di ricerca per le acque destinate al consumo umano comprendono lo sviluppo di metodi di monitoraggio di parametri indicatori dello stato di qualità e del rischio chimico-biologico associato per il controllo delle fasi di trattamento e distribuzione e lo studio di processi di rimozione e di materiali innovativi per il trattamento. In questo contesto si colloca l’impiego di nanoparticelle di ferro quale mezzo adsorbente testato con successo per la rimozione di arsenico. Il recente sviluppo di metodologie avanzate (citofluorimetria, tecniche biomolecolari incluse le omiche, microscopia ad alta risoluzione ecc.), per la descrizione delle comunità microbiche e per il monitoraggio della qualità delle acque, permette di definire la struttura e le potenzialità metaboliche/cinetiche delle biomasse. Tali informazioni sono fondamentali per definire i meccanismi di rimozione e per lo sviluppo di nuove tecnologie.
Ambito internazionale
Gruppi di lavoro L’IRSA partecipa attivamente ai principali gruppi di lavoro internazionali sul riuso delle acque (in particolare in ambito WssTP, EIP Water, EWA, Euraqua) ed è coinvolto nella predisposizione di linee guida e direttive europee in questo settore (“Ad-hoc Task Group on water reuse” della DG ENV).
ProgettiL’Istituto è coinvolto in molteplici progetti di rilevanza internazionale tra cui si segnalano: Water4Crops (www.water4crops.org) e MeProWaRe (Eranet-JPI Water cofunded call “Waterworks2014”) (coordinati dall’IRSA), Demoware (www.demoware.eu), ACWAPUR (Eranet-JPI Water co-funded call “Waterworks2014”), COST WATER2020, COST NEREUS, H2020 BIOWYSE “Biocontamination Integrated cOntrol of Wet sYstems for Space Exploration”
Collaborazioni Sono attive collaborazioni con prestigiose Università ed Istituzioni di ricerca internazionali quali: Dept. of Chemical Engineering, Queen’s University, Kingston, Ontario, Canada; Technical University of Crete (Greece); Accordo di collaborazione internazionale Italia Cina CNR-CAS tra IRSA-CNR e l’Accademia Cinese delle Scienze (CAS); University of Santiago de Compostela (Dept. Chemical Engineering, School of Engineering), Delft University of Technology (Department of Biotechnology), Universitat Autònoma de Barcelona, Universidade Católica Portuguesa, CISA, LENVIROS, Biotech Srl, Plataforma Solar de Almeria, McGill University Montréal, BfG Coblenza, Politecnico Losanna, Università di Porto; CTM Barcelona, Cranfield University, EC-JRC, EAWAG (Switzerland), CIHEAM-IAMB, Instituto Superior Tecnico, Technological Educational Institute of Epirus; Chalmers University of Technology, DHI, INRA (Francia), Notre Dame University (Libano); CNRS (Libano), University of Cyprus. Joint Research Center (EC).
Ambito nazionale
Nel settore specifico dei trattamenti depurativi sono in corso collaborazioni con Università, Istituzioni di ricerca e industrie quali:
- Dipartimento di Chimica dell’Università degli Studi di Bari, Università degli Studi di Palermo, Università degli Studi di Firenze, Università degli Studi di Enna “Kore”, Università degli Studi di Cagliari, Dipartimento di Ingegneria Chimica Università La Sapienza Roma, Università degli Studi di Milano, Università Ca’ Foscari, Università Cattolica del Sacro Cuore, Università di Salerno
- CNR-IPCF, CNR-IENI, POLIMI, CNR-ISM, ENEA
- De Nora Industrie, Centro Ricerche Bracco (CRB), CISA, Iride, CHIMEC, ABVIE, VERITAS
Anche nel settore del riuso delle acque e dei processi di filtrazione di superficie, l’IRSA collabora attivamente con le principali istituzioni di ricerca (Università, CREA, CIHEAM, ENEA), le amministrazioni centrali (ISPRA) e regionali (ARPA Puglia, ARTI), oltre che con numerose aziende, nell’ambito di importanti progetti nazionali (PON Interra, PRIN, PON Aquatec, ecc.). Nel settore di trattamento di acque potabili, l’IRSA ha partecipato ad un progetto PRIN 2010- ed attualmente partecipa al progetto BATA della Fondazione Cariplo in collaborazione con Università degli Studi di Milano per la messa a punto di sistemi di trattamento chimico-biologici di acque destinate al consumo umano contaminate da arsenico.
Attività in corso
Le ricerche in corso sono espressione della multidisciplinarietà che caratterizza l’Istituto e sono riconducibili a diversi ambiti dalla ricerca di base alla sviluppo tecnologico a livello di scale up.
Attività di sviluppo processi e tecnologie di trattamento
- Realizzazione del primo depuratore di reflui urbani in piena scala basato sulla tecnologia SBBGR (Sequencing Batch Biofilter Granular Reactor) caratterizzato da ridotto ingombro e ridotta produzione fanghi. - Studio e sviluppo in scala laboratorio/pilota di processi non-convenzionali per il trattamento dei reflui urbani basati sulla tecnologia SFD MBR (Self Forming Dynamic Membrane BioReactor). - Ottimizzazione di processi e sviluppo di tecnologie per il trattamento fanghi - Rimozione di inquinanti organici emergenti con processi UV potenziati con acqua ossigenata e/o catalizzatori. - Applicazione su scala laboratorio/pilota del processo BIO&CHEM (biologico combinato con ossidazione chimica) sviluppato dall’IRSA per il trattamento di reflui industriali recalcitranti - Sviluppo di bioreattori continui a doppia fase TPPBs (Two-Phase Partitioning Bioreactors) per il trattamento di reflui industriali - Verifica dell’applicabilità di reattori sequenziali TPPBs al trattamento di reflui dell’industria tessile - Applicazioni, metodi e tecnologie per il riuso delle acque reflue depurate, con particolare riferimento ai processi di filtrazione superficiale. - Trattamento di inquinanti inorganici per la produzione di acque potabili: processi chimici e biologici Caratterizzazione microbiologica e controllo di qualità - Studio della rimozione dell’antibiotico resistenza in sistemi biologici di trattamento delle acque reflue e nei trattamenti terziari di disinfezione - Selezione e valutazione di parametri ottimali e metodologie efficaci per il per il monitoraggio della carica patogena e dell’antibiotico resistenza nei processi di trattamento - Utilizzo di metodiche molecolari avanzate e tradizionali nello studio di popolazioni microbiche nei processi biotecnologici di trattamento e nei processi industriali - Metodi di ibridazione in situ associati a microscopia ad alta risoluzione nello studio della dinamica e sviluppo 3D di biofilm microbici - Metodologie avanzate di caratterizzazione per il controllo della qualità microbiologica dell’acqua a bordo della stazioni spaziali Monitoraggio - Sviluppo di metodologie tecniche di monitoraggio per gli impianti di trattamento reflui - Sviluppo di metodologie tecniche di monitoraggio per la determinazione dei parametri di qualità nelle acque destinate ad uso potabile
Sviluppi futuri
L’evoluzione delle attività in ambito tecnologico prevede lo scale up di quelle tecnologie al momento sviluppate a diversi livelli di avanzamento in scala laboratorio e/o pilota da realizzare in collaborazione con imprese operanti nel settore depurazione di reflui e della potabilizzazione. Ne settore del trattamento delle acque destinate al consumo umano si prevede di approfondire il ruolo dei processi chimici e biologici nei processi di trattamento e di sviluppare tecniche di monitoraggio diretto ed indiretto per la valutazione dei rischi chimici e biologici connessi alla produzione e distribuzione. Particolare attenzione verrà dedicata all’ ottimizzare dell’efficienza di rimozione di materiali nanostrutturati impiegati per la filtrazione. Per il riuso è prevista l’attivazione di un nuovo sito sperimentale in Puglia (Progetto MeProWaRe). Nello sviluppo di metodologie e tecniche di monitoraggio particolare attenzione verrà dedicata al requisito dell’applicabilità dei sistemi sviluppati che dovranno essere caratterizzati da semplicità e robustezza per consentirne l’impiego diretto sugli impianti.