Valutazione dell’acqua basata sulla fluorescenza
Poiché la maggior parte dei composti contenuti nell’acqua è soggetta all’interazione con la luce, la spettrometria a fluorescenza potrebbe fornire informazioni in modo rapido ed efficiente sulla qualità di un campione di acque reflue trattate. Il progetto FLUORO-BOOST sta studiando le potenzialità di questo metodo per migliorare l’efficienza energetica del trattamento delle acque reflue. Grazie a un investimento di 14,3 miliardi di euro dal 2007 al 2013 e una tenace azione legale, l’UE ha visto miglioramenti considerevoli della raccolta e trattamento delle acque reflue. Trattare più acque reflue e migliorare costantemente la qualità post-trattamento però è pesante per le tecnologie esistenti e questo risulta in un maggiore consumo di energia. La ventilazione del sedimento di liquami nel trattamento con fanghi attivi da solo è responsabile di oltre la metà dei costi per l’energia legati al trattamento delle acque reflue. Per di più, il controllo della qualità può ancora migliorare molto. Secondo la dott.ssa Elfrida Carstea dell’Università di Brimingham, che si è proposta di trovare una soluzione a entrambi i problemi grazie ai finanziamenti dell’UE nell’ambito del progetto FLUORO-BOOST (“Fluorescence-Based Optimisation Of Sewage Treatment”), l’attuale rispetto dei metodi di analisi ha diversi limiti. Invece di ricorrere alla diffusa tecnica di monitoraggio delle possibilità di rimuovere l’ossigeno dall’acqua mediante batteri eterotrofi aerobi, la dott.ssa Carstea suggerisce di applicare i progressi fatti recentemente nel campo della spettroscopia a fluorescenza per ottimizzare il rendimento del trattamento delle acque reflue. Adesso che il progetto si avvicina alla sua conclusione, ha accettato di parlare di alcune delle sue scoperte. Quali sono, secondo lei, i principali limiti degli attuali metodi di trattamento delle acque reflue? Il trattamento delle acque reflue è un grande risultato di ingegneria e le tecniche usate sono altamente efficaci per ridurre il carico organico dai liquami. Con il lavoro degli ingegneri, il processo diventerà sempre migliore. Quindi i problemi non stanno nel processo di trattamento in sé, ma piuttosto nei metodi usati per il controllo della qualità. Il trattamento si affida principalmente sul test “Domanda biologica di ossigeno in 5 giorni” (BOD5) come prova della conformità con la relativa legislazione. Il BOD5 è definito come la possibilità di rimuovere l’ossigeno dall’acqua mediante batteri eterotrofi anaerobi, che usano materia organica per il loro metabolismo e per la riproduzione. Anche se questa è una misurazione desiderabile del processo di trattamento, presenta diversi svantaggi che rendono questa tecnica non adatta per il monitoraggio in linea e il controllo del processo: è lenta a produrre informazioni, richiede molto lavoro, le sostanze tossiche colpiscono i batteri, può non riflettere le condizioni del processo di trattamento, è insensibile e imprecisa a basse concentrazioni e risulta in un’incertezza del 15-20% dei risultati. A causa di questi problemi, l’industria spesso deve fare un trattamento eccessivo per garantire la conformità alle normative. La sua ricerca, d’altra parte, si basa sui più recenti progressi della spettroscopia a fluorescenza. Come mai ha fatto questa scelta? Questa ricerca si basa su studi preliminari fatti dal professor John Bridgman e dai suoi colleghi e pubblicati su Environmental Technology sulla fluorescenza delle acque reflue negli impianti di trattamento. Essi hanno mostrato che questa tecnica offre importanti potenzialità per la caratterizzazione e il monitoraggio in linea. Diversi studi, prima di questo, hanno sostenuto che questa tecnica potrebbe essere adatta, ma pochi di essi hanno affrontato il monitoraggio delle acque reflue e nessuno ha trattato le misurazioni in tempo reale. La spettroscopia a fluorescenza è stata suggerita per i suoi molteplici vantaggi: è veloce, poco costosa, priva di reagenti, richiede poca preparazione dei campioni, è molto sensibile e non invasiva. Questa tecnica quindi potrebbe fornire risposte rapidamente, permettendo studi dinamici e di alta risoluzione spaziale e temporale. Inoltre la nostra ricerca si basa su studi che hanno testato la portabilità della fluorescenza nell’acqua di superficie e potabile e quello che abbiamo ottenuto è un importante passo avanti nello sviluppo di nuove tecnologie per implementare la fluorescenza nel monitoraggio della qualità delle acque reflue. Quali sono state le principali difficoltà che avete incontrato nell’applicare questa nuova tecnica? Non le definirei difficoltà, ma piuttosto sfide. Creare un rapporto tra fluorescenza e dati di BOD5 si è rivelato più difficile di quanto ci aspettassimo inizialmente. Abbiamo ottenuto risultati sorprendenti, che hanno portato a più domande che risposte. Questo però ci aiuterà solo a capire meglio le potenzialità della spettroscopia a fluorescenza come surrogato del BOD5 e come strumento efficace per il controllo del processo di trattamento. In che modo la vostra tecnologia aiuta a ridurre il consumo di energia nel trattamento delle acque reflue? La maggior parte dell’uso di energia nel trattamento delle acque reflue proviene dall’aerazione del sedimento dei liquami nel trattamento con fanghi attivi. I batteri e i microorganismi che formano i fanghi attivi sono nutriti con acque reflue che contengono rifiuti organici. Per sostenere l’attività biologica durante il trattamento con fanghi attivi per la riduzione di BOD5, l’aria viene pompata nei serbatoi per fornire quantità sufficienti di ossigeno disciolto. L’aerazione è una delle operazioni che richiede maggiore energia del trattamento delle acque reflue, con quasi il 65% di energia consumata per il trattamento con fanghi attivi. Il consumo di energia è aumentato significativamente negli ultimi vent’anni e si prevede un ulteriore aumento del 60% nei prossimi 10-15 anni. Questo aumento è stato causato principalmente da leggi e regolamenti più severi sullo scarico di materiali finali dagli impianti di trattamento delle acque reflue nei corsi d’acqua. Sostituire il superato e impreciso test BOD5 con la spettroscopia a fluorescenza fornisce all’impianto uno strumento ottimale per un controllo in tempo reale e per la risoluzione dei problemi di rendimento dell’impianto. Si stima che, monitorando la qualità delle acque reflue negli impianti di trattamento, si potrebbe risparmiare il 40% degli attuali costi energetici. Così la fluorescenza si potrebbe usare per ottimizzare il controllo del processo negli impianti di trattamento e per eliminare i costi non necessari legati al trattamento eccessivo. La spettroscopia a fluorescenza è adatta anche al trattamento dell’acqua potabile? Si, questa tecnica è adatta per il monitoraggio del trattamento dell’acqua potabile. Ci sono diversi studi che dimostrano le sue potenzialità. Una pubblicazione molto recente del Professor Bridgeman e dei suoi colleghi, su Science of the Total Environment, descrive un nuovo strumento basato su LED, sviluppato dagli autori all’Università di Birmingham e all’Università di Sheffield. Lo strumento è in grado di rilevare i picchi di fluorescenza T e C nel sistema di fornitura dell’acqua potabile sul posto. Come mostrato dal gruppo di ricerca, questi picchi sono importanti, il picco C infatti fornisce un surrogato per il carbone organico disciolto presente nell’acque, mentre il picco T identifica qualsiasi crescita microbica, che avviene in conseguenza della presenza di carbonio organico disciolto e un’insufficiente concentrazione di cloro residuo nell’acqua. Il progetto è quasi finito. Quali sono le prossime fasi della sua ricerca? L’impegno per implementare la spettroscopia a fluorescenza per il monitoraggio in tempo reale negli impianti di trattamento continuerà per mezzo di studi congiunti e collaborazioni con eminenti scienziati del settore. Inoltre abbiamo da poco iniziato a studiare il destino delle nanoparticelle nelle acque reflue trattate con varie tecniche, tra cui la spettroscopia a fluorescenza. Spero di continuare su questa strada nel prossimo futuro. Quando pensa che la spettroscopia a fluorescenza sarà adottata negli impianti di trattamento? Questa tecnologia è già sul mercato; la novità del nostro lavoro è la sua applicazione per le misurazioni sul posto in tempo reale. Anche se questa tecnologia è ancora agli inizi, è molto promettente per il controllo di processo e la riduzione dell’energia negli impianti di trattamento. Per ulteriori informazioni, visitare: FLUORO-BOOST http://cordis.europa.eu/project/rcn/109162_it.html
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Regno Unito