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Advanced modelling and control of nitrous oxide emissions from wastewater treatment plants

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La chimica applicata al trattamento delle acque reflue contribuisce alla gestione delle emissioni di gas serra

Gli impianti di trattamento delle acque reflue emettono gas serra. Una nuova comprensione della complessa chimica che regola gli impianti reali aiuta a controllare tali emissioni.

Cambiamento climatico e Ambiente

Gli impianti di trattamento delle acque reflue producono gas a effetto serra. Essi infatti disperdono metano, uno dei più importanti di questi gas, e protossido di azoto (N2O). Sebbene le quantità di N2O siano ridotte, volumi equivalenti esercitano un potenziale effetto serra quasi 300 volte superiore a quello dell’anidride carbonica. L’accordo di Parigi stabilisce che questi impianti devono ridurre le loro emissioni e diventare climaticamente neutri, un obiettivo che comporta necessariamente l’eliminazione delle emissioni di N2O. Il problema è che le modalità di produzione di questo gas sono complesse e, nel caso dei processi di trattamento delle acque reflue, difficili da determinare. La biologia alla base di tali percorsi non è particolarmente complicata in condizioni controllate di laboratorio, in cui le colture batteriche sono pure; negli impianti di trattamento delle acque reflue, tuttavia, è presente una miscela complessa e mutevole di numerose specie di batteri caratterizzati da metabolismi differenti. La composizione variabile delle acque reflue in entrata e l’aerazione fisica degli impianti per il loro trattamento complicano ulteriormente la questione. Pertanto, la comprensione del problema relativo al N2O in condizioni di laboratorio non corrisponde necessariamente a ciò che si verifica in un impianto reale.

Il problema del N2O in condizioni reali

Il progetto AMACONOE, finanziato dall’UE, ha preso in esame il problema del N2O negli impianti di trattamento delle acque reflue allo scopo di contribuire al controllo delle emissioni. Il team ha compilato la banca dati di parametri operativi relativi a impianti su scala reale più completa al mondo e ha successivamente effettuato avanzate analisi statistiche e di modellizzazione dei processi su tali dati. Le dimensioni e la complessità senza precedenti di questa banca dati hanno consentito di realizzare analisi che finora non erano mai state possibili. La valutazione del modello ha suggerito miglioramenti a livello di progettazione e funzionamento da apportare negli impianti di trattamento delle acque reflue. I ricercatori hanno scoperto che i batteri autotrofici ammonio-ossidanti producono N2O durante le fasi di trattamento aerobico (in presenza di ossigeno) di un impianto e che nelle stesse fasi i batteri azoto-ossidanti, com’era presumibile, generano nitrato (NO3). Cosa ancora più importante, il team ha rilevato che, per eliminare l’accumulo di N2O nel liquido, all’inizio della fase di trattamento anossico (a bassa concentrazione di ossigeno) erano di fondamentale importanza elevate concentrazioni di nitrato. «Abbiamo quindi ipotizzato che gli organismi eterotrofici preferissero utilizzare prima il nitrato», spiega il professor Gürkan Sin, coordinatore del progetto, «e solo in seguito al suo esaurimento impiegassero ed eliminassero il N2O liquido. Per conseguire un funzionamento equilibrato dell’impianto è dunque importante gestire sia le attività aerobiche, sia quelle anossiche».

Misure pratiche di controllo

Ciò significa che gli impianti di trattamento delle acque reflue devono controllare accuratamente i regimi di aerazione sia in termini di durata che di intensità. Il progetto ha sviluppato tecnologie volte a rendere possibile il raggiungimento di questo traguardo. La prima era un metodo per ridurre al minimo il tasso di produzione di N2O nel corso della fase aerobica mediante un’efficace gestione dell’aerazione, che viene utilizzata nella giusta misura. Inoltre, il team ha sviluppato un modo per controllare l’eliminazione di N2O durante la fase anossica regolando la fonte esterna di carbonio. In pratica, ciò significa un’aggiunta intermittente di acque reflue in entrata nel corso delle fasi anossiche. «Molti impianti sono già dotati di un sistema noto come SCADA (supervisory control and data acquisition, ovvero controllo di supervisione e acquisizione dati)», aggiunge Sin. «Per di più, in alcuni impianti potrebbero essere disponibili un algoritmo o una tecnologia di controllo sofisticati. I nostri risultati possono quindi essere implementati o da zero o rivedendo le procedure di controllo e automazione esistenti negli impianti». Pertanto, gli operatori saranno in grado di analizzare i propri impianti e di scegliere la strategia più appropriata per contenere le emissioni di N2O. Il risultato si è tradotto in tecniche specifiche per limitare la produzione di N2O durante il funzionamento di un impianto di trattamento delle acque reflue. Essere in grado di controllare queste emissioni aiuterà a mitigare i cambiamenti climatici. La ricerca è stata intrapresa con il supporto del programma Marie Skłodowska-Curie.

Parole chiave

AMACONOE, impianto, N2O, acque reflue, biologia, acque di scarico, gas serra, protossido di azoto

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