Descrizione del modulo "Rimozione di composti xenobiotici da acque di scarico (TA.P07.002.005)"

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  • Descrizione del modulo "Rimozione di composti xenobiotici da acque di scarico (TA.P07.002.005)" (literal)
Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi
  • Alcune cifre significative per rendere in modo sintetico ma efficace la rilevanza del problema: 100–150 milioni di tonnellate di prodotti chimici vengono prodotti annualmente nel mondo e ogni anno mediamente 1000 nuovi composti vengono introdotti sul mercato. La maggior parte di essi sono risultato di sintesi realizzate dall'uomo e quindi nuovi per la biosfera (xenobiotici), caratteristica questa che li rende \"bioresistenti\" favorendone l'accumulo e la persistenza nell'ambiente. Al fine di ridurre il loro negativo impatto sugli ecosistemi è necessario mettere a punto tecnologie e definire condizioni operative ottimali affinché i processi di rimozione garantiscano la completa mineralizzazione del composto. Tale requisito è, invece, ottenibile con i processi biologici la cui applicazione in combinazione con soluzioni tecnologiche alternative di cui i reattori TPPB costituiscono un valido esempio. (literal)
Tematiche di ricerca
  • L'attività proposta è focalizzata sulla rimozione di composti di difficile biodegradabilità (xenobiotici) da matrici acquose contaminate quali le acque di scarico industriali o per il trattamento ex-situ di acque sotterranee contaminate. L'obiettivo principale è quello di sviluppare e testare tecnologie innovative che consentano di estendere l'applicazione di processi biologici alla rimozione di composti xenobiotici che, essendo derivati dall'attività dell'uomo e quindi estranei alla natura, sono difficilmente degradabili e caratterizzati da caratteristiche di elevata persistenza. Il vantaggio applicativo dei processi biologici è quello di ottenere una reale mineralizzazione del composto. In tale ambito le tematiche di ricerca sono relative a: - sviluppo e acclimatazione di colture in grado di degradare i composti di interesse - sviluppo e testing di tecnologie innovative quali i reattori a doppia fase TPPBs (Two Phase Partitioning Bioreactors)per la riduzione dei fenomeni di tossicità da substrato - sviluppo di modelli dei processi considerati E' importante sottolineare che la tecnologia è applicabile anche al biorisanamento di suoli contaminati. (literal)
Competenze
  • Le competenze del gruppo di ricerca ricoprono profili accademici e professionali propri di chi opera nel settore del trattamento depurativo delle acque di scarico, ossia: Ingegneria chimica di processo: per la valutazione della reale applicabilità/fattibilità delle tecnologie proposte. L'approccio prevede, a partire dai dati ricavati sperimentalmente con programmi mirati, la messa a punto di modelli di processo da utilizzare quale supporto per il dimensionamento e la gestione dei reattori biologici sperimentati. Ingegneria ambientale: per lo studio deelle modalità operative finalizzate allo sviluppo di consorzi batterici che operano nei processi biodegradativi, al fine di mettere a punto opportune strategie di acclimatazione e di \"induzione\" dei particolari percorsi metabolici richiesti nella degradazione di composti xenobiotici. Chimica analitica: per la messa a punto e l'applicazione dei metodi analitici ottimali per i composti in esame. (literal)
Potenziale impiego per processi produttivi
  • La tecnologia dei reattori a doppia fase (TPPB) costituisce una valida alternativa alle tecnologie convenzionali quali adsorbimento e stripping generalmente applicate nella rimozione di xenobiotici, in quanto, operando con processi biologici, consente di avere la completa mineralizzazione del composto da rimuovere evitando così i problemi di trattamento e smaltimento di correnti concentrate. La peculiarità dei reattori TPPB è quella di ridurre o anche eliminare i fenomemi di inibizione e/o tossicità da concentrazione che caratterizzano i composti xenobiotici e che possono causare riduzioni della cinetica di processo a livelli tali da renderne improponibile l'applicazione al trattamento di reflui concentrati. Il principio operativo di tali sistemi ne rende semplice realizzazione, così come si può rilevare dalla precedente descrizione, per cui essi sono in grado di garantire stabilità delle prestazioni dei processi biologici e applicabilità nei sistemi depurativi di reflui industriali a condizioni di carico influente compatibile con il bilancio tecnico-economico. (literal)
Tecnologie
  • I dati sperimentali mediante opportune procedure di analisi e correlazione consentono di avere una serie di informazioni (quali parametri cinetici e stechiometrici) che costituiscono la base per la formulazione di modelli matematici rappresentativi del sistema. E' già disponibile un modello di funzionamento di reattori sequenziali. Sulla base del modello è stato messo a punto un software che prevede la scelta tra tre opzioni per la cinetica: equazione di Monod, cinetica del I ordine, cinetica di Haldane con inibizione da substrato e, assegnate le caratteristiche della corrente influente da trattare, procede alla simulazione dell'evoluzione delle principali variabili operative nel tempo. In particolare, per ogni ciclo di lavoro vengono calcolati in funzione del tempo, i profili di concentrazione di substrati e biomasse, il consumo di ossigeno, la produzione di biomassa e la variazione del volume di lavoro del reattore. Il modello, mantenendo le stesse caratteristiche strutturali è stato esteso anche ai sistemi a doppia fase liquido-liquido ed è in corso di realizzazione l'implementazione per il sistema solido-liquido. (literal)
Obiettivi
  • Sviluppo e miglioramento delle tecnologie innovative quali i reattori a doppia fase, con attività di studio e di ricerca volte a: - incrementare le potenzialità applicative dei processi biologici di depurazione delle acque di scarico e al biorisanamento di altre matrici ambientali quali suoli contaminati; - valutare la cinetica e la stechiometria dei processi biologici di biodegradazione dei principali composti di interesse ambientale e sviluppo dei relativi modelli matematici; -definire le condizioni operative ottimali (specialmente nella fase di start-up dei reattori) necessarie per ottenere colture batteriche opportunamente acclimatate in grado di operare con elevate efficienze di rimozione; - divulgare i risultati ottenuti non solo attraverso la produzione di articoli scientifici e presentazioni a convegni scientifici, ma anche mediante forme di diffusioni più immediate per le imprese operanti nel settore quali, ad esempio, workshop e/o meeting specialistici, e organizzazione di corsi di formazione. (literal)
Stato dell'arte
  • L'approccio convenzionale adottato nella rimozione di composti xenobiotici da reflui industriali prevede l'impiego di processi chimico-fisici quali adsorbimento, stripping e ossidazione chimica. I primi due processi non realizzano una reale degradazione del composto ma solo il trasferimento da una fase più diluita ad una più concentrata, che deve comunque essere ulteriormente trattata e/o smaltita, mentre l'ossidazione può dar luogo alla formazione di intermedi con grado di tossicità analogo a quello della sostanza originaria. In alternativa ai trattamenti convenzionali, la rimozione di composti xenobiotici per via biologica è promettente in quanto consente, potenzialmente, la completa mineralizzazione del composto, di contro, però, la presenza di fenomeni di inibizione e/o tossicità da substrato, che caratterizzano i composti xenobiotici, può seriamente ridurre la cinetica di processo. E' necessario, pertanto, lo sviluppo di soluzioni tecnologiche alternative in grado di ridurre i problemi legati alla tossicità da substrato, per garantire l'applicabilità a condizioni di carico influente compatibile con il bilancio tecnico-economico. (literal)
Tecniche di indagine
  • L'attività sperimentale viene condotta utilizzando reattori sequenziali sia in scala laboratorio (Volume 1-5 litri ) condotti sia in modalità convenzionale, ossia a biomassa sospesa, che in modalità TPPB a doppia fase in cui la fase di partizione considerata può essere sia un solvente che un polimero. I reattori sono termostatati e ben strumentati per il controllo on-line dei principali parametri chimici e chimico-fisici che regolano le reazioni biochimiche all'interno del reattore stesso (ossigeno disciolto, pH, ecc.). Essi sono collegati mediante interfaccia ad un computer di controllo che, mediante un software (in Labview per Windows) appositamente messo a punto, ne gestisce la conduzione. I reattori disponibili possono operare sia in condizioni aerobiche che anaerobiche e nel primo caso è previsto il controllo dell'ossigeno disciolto con strategia on-off. I dati sono registrati e consentono di avere la determinazione on-line della velocità specifica di consumo dell'ossigeno (OUR) parametro direttamente legato alla cinetica di biodegradazione degli inquinanti da rimuovere e quindi rappresentativo delle condizioni di lavoro del sistema. (literal)
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