Un’innovazione del bioreattore per un trattamento anaerobico efficiente delle acque di sentina
Le acque di sentina delle navi sono una miscela di acqua di mare e liquidi di scarto quali carburanti, detergenti, particelle solide e oli. Lo scarico di questi residui oleosi negli ambienti marini è vietato dai regolamenti MARPOL.aspx (dell’Organizzazione marittima internazionale) e dalla normativa dell’Unione, perciò per trattare le acque di sentina vengono utilizzati vari metodi. Questi ultimi includono la separazione a membrana, l’elettrocoagulazione, la centrifugazione e l’uso di agenti chimici, che però comportano spesso inquinamento secondario e costi elevati. Benché il trattamento biologico anaerobico sia più sostenibile, il progetto ElectroSAnMBR, sostenuto dall’UE, ha scoperto che i composti organici presenti nelle acque di sentina inibiscono i microrganismi anaerobici, in particolare i metanogeni, riducendone le prestazioni. ElectroSAnMBR ha sviluppato una tecnologia innovativa, chiamata e-SAnMBR, che integra una cella elettrolitica a camera singola all’interno di un bioreattore anaerobico a membrana sommerso (da cui l’acronimo SAnMBR, che sta per Submerged Anaerobic Membrane Bioreactor). «Poiché le membrane trattengono la biomassa anaerobica anziché esserne lavate via, i microrganismi, compresi i metanogeni, si adattano alle acque reflue recalcitranti diventando di fatto inoculati e rimanendo così attivi», spiega Ioannis Vyrides, coordinatore del progetto. Questo effetto della cella elettrolitica è stato dimostrato mediante due bioreattori pilota.
Bioreattore anaerobico a cella elettrolitica microbica
Il bioreattore anaerobico di e-SAnMBR è costituito da due elettrodi. L’anodo agevola la comparsa di condizioni microaerobiche, contribuendo alla biodegradazione dei cosiddetti composti recalcitranti, che sono quelli più difficili da biodegradare; il catodo contribuisce a produrre idrogeno e quindi i microrganismi convertono l’anidride carbonica in metano. e-SAnMBR contiene anche una membrana di microfiltrazione sommersa che trattiene i microrganismi e i materiali organici. Per creare questo sistema elettrochimico il gruppo di ricerca ha prima testato il modo in cui le acque di sentina interagiscono con la biomassa contenente i microrganismi anaerobici biodegradanti, in questo caso fanghi granulari. Poiché i granuli di biomassa di e-SAnMBR avevano un diametro generalmente superiore a 500 micrometri, l’ossigeno non riusciva a penetrare abbastanza in profondità da consentire ai metanogeni presenti nei granuli di creare le condizioni aerobiche necessarie. «Fortunatamente abbiamo scoperto che l’aggiunta della cella elettrolitica microbica al fango ha consentito al bioreattore di produrre l’idrogeno e l’ossigeno necessari per creare le condizioni microaerobiche, accelerando la biodegradazione dei composti recalcitranti», spiega Vyrides. Due bioreattori pilota sono stati fatti funzionare per 3 mesi, completando cinque cicli sperimentali. e-SAnMBR conteneva una membrana ed elettrodi in acciaio inox a 1 volt, mentre SAnMBR conteneva solo una membrana. Entrambi i bioreattori SAnMBR hanno mostrato tassi di rimozione dei composti organici (noti come tassi di rimozione del COD) relativamente elevati, pari a circa il 75 %, quando funzionavano con un tempo di ritenzione idraulica (ovvero il tempo totale in cui la sentina rimane all’interno del bioreattore) elevato, pari a circa 12 giorni. Tuttavia, con un tempo di ritenzione idraulica più basso (pari a circa 4 giorni), e-SAnMBR mostrava un tasso di rimozione del COD di circa il 50 %, mentre SAnMBR raggiungeva circa il 40 %. Benché la membrana sommersa di microfiltrazione abbia contribuito solo a circa il 10-15 % di rimozione del COD in entrambi i bioreattori, a quel punto gli effluenti erano privi di particelle.
Opportunità future
La direttiva europea 2000/59/CE stabilisce che le navi di stazza superiore a 400 tonnellate debbano separare l’olio dall’acqua, rilasciando l’acqua in mare con l’effluente residuo inferiore a 15 g/L, da trattare a terra. Le navi di stazza inferiore alle 400 tonnellate devono tenere a bordo l’acqua di sentina per trattarla presso le strutture portuali. e-SAnMBR potrebbe essere installato sulle navi per pretrattare le acque di sentina, riducendone il volume trattato a terra. «Inoltre, poiché il biofilm dell’anodo biodegrada parzialmente l’acqua di sentina e quest’ultima, se non diluita, inibisce la metanogenesi a bassi tempi di ritenzione idraulica, potremmo produrre idrogeno, una preziosa fonte di energia rinnovabile, invece del metano, un gas a effetto serra, come gas finale del catodo», conclude Vyrides. Ciò significherebbe che il sistema potrebbe funzionare a un basso tempo di ritenzione idraulica, sotto le 24 ore, senza bisogno di ulteriori sostanze chimiche, per trattare efficacemente la sentina e produrre, allo stesso tempo, idrogeno. Attualmente Ecofuel Cyprus sta testando un bioreattore e-SAnMBR pilota. Questa ricerca è stata intrapresa con il sostegno del programma di azioni Marie Skłodowska-Curie.
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